CN209755187U - 一种具强平衡能力的轮式仿人机器人 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种具强平衡能力的轮式仿人机器人，由上至下包括头部系统、脖子系统、胸部系统、腰部系统、轮式底盘，所述胸部系统上对称设置有多自由度机械臂抓取系统，所述轮式底盘上设置有强平衡装置，所述的强平衡装置包括若干呈放射状对称地延伸设置在所述轮式底盘侧面的可调节弹性支撑脚。本实用新型优化仿人机器人的结构，增强机器人的平衡能力，使得机器人在弯腰俯身作业的过程中始终保持整体平衡，扩大机器人操作空间，提高机器人操作能力，实现机器人平稳运动、抓取等功能。

Description

一种具强平衡能力的轮式仿人机器人

技术领域

本实用新型涉及仿人轮式机器人技术应用领域，具体为一种具强平衡能力的轮式仿人机器人。

背景技术

在国家提倡“工业4.0”以及“中国制造2025”的大背景下，工业自动化的进程正如火如荼地进行着。因此，工业上采用机械人代替人工作业，更成为未来的趋势。现在的轮式仿人机器人基本结构类似，由轮式底盘、躯干、机械臂、头部构成，但是，躯干具有自由度的机器人中，其平衡能力难以保证。一方面，当机器人进行俯身作业时，由于底盘设计不合理，机器人整体重心偏移等问题的存在，使得机器人难以很好地保持整体的平衡性，甚至会出现整体倾覆的严重后果。另外一方面，当轮式仿人机器人在不太平整的地面上移动时，如何保证轮子的抓地性，如何保证躯干部分的稳定性也是不可忽视的问题。

一款具强平衡能力，强抓地力，多环境适应性的轮式仿人机器人可以解决目前存在的问题。

实用新型内容

本实用新型提出了一种具强平衡能力的轮式仿人机器人，主要解决现有的仿人机器人俯身角度制约、俯身操作平衡性差、抓地力差、应用场景单一等问题，优化整体结构，降低生产成本。

本实用新型通过有如下技术方案实现：

一种具强平衡能力的轮式仿人机器人，由上至下包括头部系统、脖子系统、胸部系统、腰部系统、轮式底盘，所述胸部系统上对称设置有多自由度机械臂抓取系统，所述轮式底盘上设置有强平衡装置，所述的强平衡装置包括若干呈放射状对称地延伸设置在所述轮式底盘侧面的可调节弹性支撑脚。

进一步地，每个所述的可调节弹性支撑脚包括支撑脚、万向轮、扭簧、万向轮固定架，所述支撑脚的后端固定在所述轮式底盘上，所述万向轮固定架上端设置有弹簧导杆，下端与所述万向轮活动连接，所述扭簧套在所述弹簧导杆上，同时，所述弹簧导杆的上端通过弹性调节装置与所述支撑脚的前端相连接，下端与所述万向轮固定架的顶面焊接固定。

进一步地，所述的弹性调节装置包括：设置在所述支撑脚前端的内壁带螺旋导轨的通孔、滑轮，所述扭簧套在所述弹簧导杆上且可转动地部分镶嵌在所述螺旋导轨内，所述扭簧的上端与滑轮固定连接，通过转动滑轮驱使所述扭簧沿所述螺旋导轨正反转动减少或增加所述扭簧嵌入所述螺旋导轨内的长度，调整扭簧的有效长度，从而调控底盘平衡系统的能力，保证万向轮的抓地能力。

进一步地，所述的支撑脚采用液压、气压或电动式伸缩式结构。

进一步地，所述可调节弹性支撑脚外伸组成的区域大于躯干伸展能到达的区域，轮式仿人机器人的重心始终位于所述可调节弹性支撑脚外伸组成的区域内。

进一步地，所述的强平衡装置包括四个呈放射状对称地延伸设置在所述轮式底盘侧面的可调节弹性支撑脚，其中，位于轮式底盘同一侧的两相邻可调节弹性支撑脚之间的夹角为60°-90°。

进一步地，所述的轮式底盘包括：底板、中板、顶板、若干支撑板、四个麦克纳姆轮、底盘外壳、伺服电机，所述底板、中板、顶板由下至上同轴心分布，两两之间通过若干竖直的支撑板支撑；所述支撑脚固定端与支撑板竖直面平行，并通过螺钉连接固定；所述伺服电机固定在所述底板两侧且分别与麦克纳姆轮驱动；所述底盘外壳罩覆固定在所述底板、中板、顶板、所述支撑板外。

进一步地，所述脖子系统包括旋转部分和，俯仰部分，所述旋转部分具有一个水平旋转自由度，由一个伺服电机驱动，所述俯仰部分有一个俯仰旋转自由度，由一个伺服电机驱动；

进一步地，所述腰部系统包括旋转部分和俯仰部分，所述旋转部分具有一个水平旋转自由度，由一个伺服电机驱动，所述俯仰部分包括两个串联的俯仰旋转自由度，分别由两个伺服电机驱动形成二连杆机构。

进一步地，所述胸部系统包括支撑架、电机控制系统、胸部前盖、胸部后盖，所述支撑架的材料为不锈钢，其底面设有不锈钢钢板与腰部系统通过螺丝铰接固定，顶面设有顶板与脖子系统通过螺丝铰接固定，所述电机控制系统设置在所述支撑架底面与各电机控制连接；所述支撑架正前方斜45°对称焊接两块用于固定安装多自由度机械臂抓取系统的机械臂安装板，所述胸部前盖、胸部后盖分别固定盖覆在所述支撑架的正面及背面。

相比现有技术，本实用新型的优点及有益效果是：

1.本实用新型的具强平衡能力由平衡支撑系统实现，系统的四个相互夹角固定的支撑脚往外伸展，四个支撑脚外伸组成的区域大于躯干伸展能到达的区域，机器人的重心始终位于支撑脚往外伸组成的区域内。四个万向轮与支撑脚之间设有扭簧，扭簧一端铰接在支撑脚的末端，另外一端固定在万向轮固定架的顶面，滑轮可以调整扭簧的有效长度，控制其弹性，从而调控底盘平衡系统的能力，保证万向轮的抓地能力。

2.本实用新型的轮式仿人机器人，结构可由铝合金和塑料搭建而成，各结构的材料分配可以根据不同的作业环境而定，用料便宜，加工周期短，安装简易，适合批量生产。

附图说明

图1为本实用新型实施例一的一种具强平衡能力的轮式仿人机器人的整体结构示意图。

图2为本实用新型头部系统机构示意图。

图3为本实用新型脖子系统机构示意图。

图4为本实用新型胸部系统机构示意图。

图5为本实用新型腰部系统机构视图。

图6为本实用新型底盘系统机构示意图。

图7为本实用新型的支撑脚局部结构示意图。

图8为本实用新型实施例二的支撑脚结构示意图。

图中：1-头部系统；1-1-双目摄像头；1-2-语音设备；1-3-连接架；1-4-上盖；1-5-下盖；2-脖子系统；2-1-旋转电机；2-2-旋转电机固定架；2-3-俯仰电机；2-4-俯仰电机固定架；2-5-脖子外壳；3-胸部系统；3-1-支撑架；3-2-电机控制系统；3-3-胸部前盖；3-4-胸部后盖；4-多自由度机械臂抓取系统；5-腰部系统；5-1-腰部旋转电机；5-2-U型板；5-3-腰板二；5-4-腰部下电机；5-5-腰板一；5-6-腰部上电机；5-7-腰板三；5-8-腰部外壳；5-9-腰板四；5-10-滚动轴承；5-11-工字架；5-12-滚动轴承；6-具强平衡能力底盘系统；6-1-顶板；6-2-中板；6-3-支撑板；6-4-滑轮；6-5-万向轮固定架；6-6-麦克纳姆轮；6-7-底板；6-8-底盘外壳；6-9-伺服电机；6-10-支撑脚；6-11-万向轮；6-12-扭簧；6-13-螺旋导轨；6-14-弹簧导杆。

具体实施方式

下面结合附图,对本实用新型的工作原理和工作过程作进一步详细说明。

如图1所示，一种具强平衡能力的轮式仿人机器人，由上至下包括头部系统、脖子系统、胸部系统、腰部系统、轮式底盘，所述胸部系统上对称设置有多自由度机械臂抓取系统，其特征在于：所述轮式底盘上设置有强平衡装置，所述的强平衡装置包括若干呈放射状对称地延伸设置在所述轮式底盘侧面的可调节弹性支撑脚。

如图2所示，所述头部系统1用于实现机器人与外界环境的感知与交互，包括双目摄像头1-1、语音设备1-2、连接架1-3、上盖1-4和下盖1-5。所述双目摄像头1-1用于获取自身与周围环境的图像信息，内嵌于连接架1-3的凹槽，连接架1-3设置螺纹孔，可以通过紧固螺丝固定双目摄像头1-1。所述连接架1-3底部通过螺丝与下盖1-5固定，所述下盖1-5底端设置凸起，通过螺丝与脖子系统2的旋转电机端固定，实现头部的左右旋转。所述语音设备1-2通过胶水固定在下盖1-5的表面，所述上盖1-4嵌套于下盖1-5上沿，周边设置定位螺丝。

如图3所示，所述脖子系统2用于实现头部系统1的旋转运动以及俯仰运动，包括旋转电机2-1、旋转电机固定架2-2、俯仰电机2-3、俯仰电机固定架2-4和脖子外壳2-5。所述旋转电机2-1内圈与旋转电机固定架2-2通过螺丝连接固定，外圈与头部系统1中的下盖1-5固定。所述俯仰电机2-3内圈与俯仰电机固定架2-4固定，外圈与旋转电机固定架2-2固定，所述俯仰电机固定架呈“L”型，底端与胸部系统3中的支撑架3-1固定。脖子外壳2-5两边设有螺纹孔，与旋转电机固定架2-2通过螺丝固定。

如图4所示，所述胸部系统3包括支撑架3-1、电机控制系统3-2、胸部前盖3-3和胸部后盖3-4。所述支撑架3-1四周镂空，正前方两侧斜45°焊接有两块机械臂安装板，用于固定机械臂。所述电机控制系统，用于控制机器人的运动，包括脖子系统2的2个电机、多自由度机械臂抓取系统4的14个电机、腰部系统5的3个电机和具强平衡能力底盘系统6中的2个电机。所述胸部前盖3-3和胸部后盖3-4安装时直接对准凹槽合起来，并在各自上下表面设置定位螺纹孔。

如图5所示，所述腰部系统5包括旋转部分和俯仰部分，所述旋转部分包括腰部旋转电机5-1和U型板5-2，腰部旋转电机5-1外圈与顶板6-1连接固定，内圈与U型板5-2地面连接。俯仰部分可以简化为二连杆模型，由腰部上电机5-6、腰部下电机5-4以及各连接件组成。所述U型板5-2左端与腰部下电机5-4的外圈固定，右端与腰板二5-3通过滚动轴承5-12连接；腰板一5-5与腰部下电机5-4的内圈连接；腰部上电机5-6外圈与腰板一5-5固定，内圈与腰板三5-7连接，腰部外壳5-8由两侧合起来包裹腰部，表面设有定位孔；腰板四5-9通过滚动轴承5-10与腰板二5-3连接；腰板一5-5与腰板二5-3之间通过工字架5-11加固，增加腰部二连杆结构的稳定性。工字架5-11由上板、连杆和下板组成。

如图6所示，所述的轮式底盘包括：底板6-7、中板6-2、顶板6-1、若干支撑板6-3、四个麦克纳姆轮6-6、底盘外壳6-8、伺服电机6-9，所述底板6-7、中板6-2、顶板6-1由下至上同轴心分布，两两之间通过若干竖直的支撑板6-3支撑，相邻的支撑板角度为60°；所述支撑脚固定端与支撑板竖直面平行，并通过螺钉连接固定；所述伺服电机6-9固定在所述底板6-7两侧且分别与麦克纳姆轮6-6驱动；所述底盘外壳6-8罩覆固定在所述底板6-7、中板6-2、顶板6-1、所述支撑板6-3外。

四个支撑脚6-10之间的角度依次为60°，120°，60°和120°，四个支撑脚6-10外伸组成的区域大于躯干伸展能到达的区域，机器人的重心始终位于支撑脚6-10往外伸组成的区域内。

本实施例的每个所述的可调节弹性支撑脚包括支撑脚6-10、万向轮6-11、扭簧6-12、万向轮固定架6-5，所述支撑脚6-10的后端固定在所述轮式底盘上，所述万向轮固定架6-5上端设置有弹簧导杆6-14，下端与所述万向轮6-11活动连接，所述扭簧6-12套在所述弹簧导杆6-14上，同时，所述弹簧导杆6-14的上端通过弹性调节装置与所述支撑脚6-10的前端相连接，下端与所述万向轮固定架6-5的顶面焊接固定。

具体地，如图7所示，所述的弹性调节装置包括：设置在所述支撑脚6-10前端的内壁带螺旋导轨6-13的通孔、滑轮6-4，所述扭簧6-12套在所述弹簧导杆6-14上且可转动地部分镶嵌在所述螺旋导轨6-13内，所述扭簧6-12的上端与滑轮6-4固定连接，通过转动滑轮6-4驱使所述扭簧6-12沿所述螺旋导轨6-13正反转动减少或增加所述扭簧6-12嵌入所述螺旋导轨6-13内的长度，调整扭簧的有效长度。

具体地，所述滑轮6-4可以调整扭簧6-12的有效长度，控制其弹性，从而调控底盘平衡系统的能力，保证万向轮6-11的抓地能力。所述滑轮6-4转动可以驱使扭簧6-12顺逆时针转动，扭簧6-12末端与万向轮固定架顶面焊接固定。支撑脚6-10底部中心钻孔，然后在其内壁钻有螺旋导轨，而扭簧6-12对应镶嵌在螺旋导轨内，并可以顺着螺旋导轨转动。扭簧6-12镶嵌在螺旋导轨内的部分不起弹性作用，往外伸展的部分为扭簧6-12的有效长度，起弹性减震作用。当顺时针转动滑轮6-4时，滑轮6-4驱使扭簧6-12的起始端顺着螺旋导轨转动，推动扭簧6-12往外转，相应地，扭簧6-12镶嵌在螺旋导轨中的部分就会减少，往外伸展的部分就会增加，扭簧6-12的有效长度增加，调整扭簧6-12的弹性，调节整体的减震平衡能力；当逆时针转动滑轮6-4时，滑轮6-4驱使扭簧6-12的起始端顺着螺旋导轨转动，往里拉动扭簧6-12，相应地，扭簧6-12镶嵌在螺旋导轨中的部分就会增加，往外伸展的部分就会减少，扭簧6-12的有效长度减少，调整扭簧6-12的弹性，调节整体的减震平衡能力。

实施例二

如图8所示，本实施例与实施例一的区别在于：所述的支撑脚6-10采用液压、气压或电动式伸缩式结构，从而可以根据实际情况调节所述的支撑脚6-10的长度，即控制所述可调节弹性支撑脚外伸组成的区域大小，在机器人抓取较重的物体时，轮式仿人机器人的重心能始终位于所述可调节弹性支撑脚外伸组成的区域内，提高机器人的适用性，当机器人运动至狭窄路段时，可以缩短支撑脚的长度，以方便快速通过。这样可以提高机器人的适用范围，拓展机器人工作空间，以便机器人在复杂的环境内正常完成作业。具体设计时，支撑脚6-10可采用伸缩套管机构，动力采用液压缸、气压缸或直线电机实现，本领域技术人员可以根据具体需要进行选择，在此不再赘述。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种具强平衡能力的轮式仿人机器人，由上至下包括头部系统、脖子系统、胸部系统、腰部系统、轮式底盘，其特征在于：所述胸部系统上对称设置有多自由度机械臂抓取系统，所述轮式底盘上设置有强平衡装置，所述的强平衡装置包括若干呈放射状对称地延伸设置在所述轮式底盘侧面的可调节弹性支撑脚。

2.根据权利要求1所述的具强平衡能力的轮式仿人机器人，其特征在于：每个所述的可调节弹性支撑脚包括支撑脚、万向轮、扭簧、万向轮固定架，所述支撑脚的后端固定在所述轮式底盘上，所述万向轮固定架上端设置有弹簧导杆，下端与所述万向轮活动连接，所述扭簧套在所述弹簧导杆上，同时，所述弹簧导杆的上端通过弹性调节装置与所述支撑脚的前端相连接，下端与所述万向轮固定架的顶面焊接固定。

3.根据权利要求2所述的具强平衡能力的轮式仿人机器人，其特征在于：所述的弹性调节装置包括：设置在所述支撑脚前端的内壁带螺旋导轨的通孔、滑轮，所述扭簧套在所述弹簧导杆上且可转动地部分镶嵌在所述螺旋导轨内，所述扭簧的上端与滑轮固定连接，通过转动滑轮驱使所述扭簧沿所述螺旋导轨正反转动减少或增加所述扭簧嵌入所述螺旋导轨内的长度，调整扭簧的有效长度，从而调控底盘平衡系统的能力，保证万向轮的抓地能力。

4.根据权利要求2或3所述的具强平衡能力的轮式仿人机器人，其特征在于：所述的支撑脚采用液压、气压或电动式伸缩式结构。

5.根据权利要求1所述的具强平衡能力的轮式仿人机器人，其特征在于：所述可调节弹性支撑脚外伸组成的区域大于躯干伸展能到达的区域，轮式仿人机器人的重心始终位于所述可调节弹性支撑脚外伸组成的区域内。

6.根据权利要求1所述的具强平衡能力的轮式仿人机器人，其特征在于：所述的强平衡装置包括四个呈放射状对称地延伸设置在所述轮式底盘侧面的可调节弹性支撑脚，其中，位于轮式底盘同一侧的两相邻可调节弹性支撑脚之间的夹角为60°-90°。

7.根据权利要求2所述的具强平衡能力的轮式仿人机器人，其特征在于：所述的轮式底盘包括：底板、中板、顶板、若干支撑板、四个麦克纳姆轮、底盘外壳、伺服电机，所述底板、中板、顶板由下至上同轴心分布，两两之间通过若干竖直的支撑板支撑；所述支撑脚固定端与支撑板竖直面平行，并通过螺钉连接固定；所述伺服电机固定在所述底板两侧且分别与麦克纳姆轮驱动；所述底盘外壳罩覆固定在所述底板、中板、顶板、所述支撑板外。

8.根据权利要求1所述的具强平衡能力的轮式仿人机器人，其特征在于：所述脖子系统包括旋转部分和，俯仰部分，所述旋转部分具有一个水平旋转自由度，由一个伺服电机驱动，所述俯仰部分有一个俯仰旋转自由度，由一个伺服电机驱动。

9.根据权利要求1所述的具强平衡能力的轮式仿人机器人，其特征在于：所述腰部系统包括旋转部分和俯仰部分，所述旋转部分具有一个水平旋转自由度，由一个伺服电机驱动，所述俯仰部分包括两个串联的俯仰旋转自由度，分别由两个伺服电机驱动形成二连杆机构。

10.根据权利要求1所述的具强平衡能力的轮式仿人机器人，其特征在于：所述胸部系统包括支撑架、电机控制系统、胸部前盖、胸部后盖，所述支撑架的材料为不锈钢，其底面设有不锈钢钢板与腰部系统通过螺丝铰接固定，顶面设有顶板与脖子系统通过螺丝铰接固定，所述电机控制系统设置在所述支撑架底面与各电机控制连接；所述支撑架正前方斜45°对称焊接两块用于固定安装多自由度机械臂抓取系统的机械臂安装板，所述胸部前盖、胸部后盖分别固定盖覆在所述支撑架的正面及背面。