CN214189856U - 一种基于轮足式混合移动的协作交互机器人 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种基于轮足式混合移动的协作交互机器人。一种基于轮足式混合移动的协作交互机器人，包括机身、协作机械臂、第一腿模块和第二腿模块；第一腿模块包括足部和支撑轮；第二腿模块包括转向电机、第一驱动轮和第二驱动轮，腿模块具有两种工作模式：足模式和轮模式；轮模式时，第一驱动轮和第二驱动轮一起驱动协作交互机器人移动，通过控制转向电机转动实现协作交互机器人的转向；足模式时，第二腿模块和支撑轮悬空，各第一腿模块的足部交替触地，以驱动协作交互机器人移动。相对于现有技术，本实用新型的位置转移效率得到极大的提升。另外，处于足模式时，可以实现协作交互机器人的快速转向。

Description

一种基于轮足式混合移动的协作交互机器人

技术领域

本实用新型属于机器人技术领域，具体涉及一种基于轮足式混合移动的协作交互机器人。

背景技术

在协作交互机器人研究领域，机械臂所在的支撑平台限制了机器人协作交互的范围(即机械臂的工作范围)，设计可移动的支撑平台是研究的难点。

授权公告号为CN101947777B，授权公告日为2012.07.04的发明专利公开了一种轮足组合越障非接触磁吸附式爬壁机器人系统，包括：机器人车架、五自由度机械臂、三组移动吸附机构及其对应的直线滑轨、丝杠及驱动电机，五自由度机械臂位于机器人车架的上方，三组直线滑轨以及丝杠竖直设置于机器人车架下方且两端分别与机器人车架及移动吸附机构相连，驱动电机与移动吸附机构固定连接。

但是上述轮足组合越障非接触磁吸附式爬壁机器人系统在水平面工作时，如果遇到障碍，需要三组移动吸附机构轮流升降，效率较低。并且在轮式移动模式下，仅能通过驱动轮的差速实现转向，在小范围需要大角度转向时，转向不便，影响机械臂的工作。

因此，需要提供一种针对上述现有技术不足的改进技术方案。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种基于轮足式混合移动的协作交互机器人，以克服上述现有技术中的协作交互机器人的位置转移效率低，转向不便从而影响机械臂工作的问题。

为了实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：一种基于轮足式混合移动的协作交互机器人，包括：

机身；

协作机械臂，所述协作机械臂设置在所述机身上；

腿模块，所述腿模块设置在所述机身上，用于驱动协作交互机器人移动，所述腿模块包括第一腿模块和第二腿模块；

所述第一腿模块为轮足式腿模块，数量为四，四处所述第一腿模块分别设置在机身的左右两侧，同一侧的所述第一腿模块沿所述机身的前后方向排布，各所述第一腿模块分别包括足部和支撑轮；

所述第二腿模块包括转向电机、机架、驱动电机、第一驱动轮和第二驱动轮，所述转向电机固定在所述机身上，且所述转向电机的输出端的轴线沿竖直方向延伸，所述机架与所述转向电机的输出端连接，能够在所述转向电机的驱动下绕所述转向电机的输出端的轴线转动；所述驱动电机、所述第一驱动轮和所述第二驱动轮均安装于所述机架上，且所述驱动电机能够同时带动所述第一驱动轮和所述第二驱动轮转动；

所述腿模块具有两种工作模式：足模式和轮模式；

所述腿模块处于轮模式时，所述支撑轮辅助支撑所述机身且所述足部悬空；所述第一驱动轮、所述第二驱动轮在所述驱动电机的带动下转动，以驱动所述协作交互机器人移动；所述机架能够在所述转向电机的驱动下调整方向，以对所述协作交互机器人的移动方向进行调整；

处于足模式时，所述第二腿模块和所述支撑轮悬空，各所述第一腿模块的足部交替触地，以驱动所述驱动协作交互机器人移动；

所述协作机械臂具有收缩状态，当所述腿模块驱动所述协作交互机器人移动时，所述协作机械臂处于所述收缩状态，所述协作机械臂的质心与所述机身的质心在竖直方向上共线。

进一步的，所述机架包括U形件，所述U形件包括：相对设置的两处侧板、以及连接两处侧板的底板；

所述底板与所述转向电机的输出端连接，所述第一驱动轮与所述第二驱动轮分别转动设置在所述侧板上。

进一步的，所述驱动电机固定设置在所述侧板的内侧。

进一步的，所述第二腿模块的质心与所述机身的质心在竖直方向上共线。

进一步的，两处所述侧板夹紧所述驱动电机。

进一步的，所述第一驱动轮与所述第二驱动轮分别转动设置在对应所述侧板的外侧。

进一步的，两处所述侧板上均设有通过孔，供所述驱动电机的输出轴穿过；

所述第一驱动轮和所述第二驱动轮分别固定在所述驱动电机的输出轴的两端。

进一步的，所述机架还包括加固件，所述加固件的两端分别固定在所述底板和其中一处所述侧板上；或者，所述加固件的两端分别固定在两个所述侧板上。

进一步的，所述加固件为加固板，所述加固板的两端分别固定在两处所述侧板上时，所述加固板与所述底板平行。

进一步的，所述协作交互机器人还包括外展电机，所述外展电机固定在所述机身上，所述外展电机的输出端连接所述第一腿模块，以带动所述第一腿模块绕所述外展电机的输出端的轴线在所述机身的左右方向摆动；

所述第一腿模块还包括大腿驱动电机、小腿驱动电机、铰接轴、大腿、小腿；

所述大腿的下端部与所述小腿的上端部通过所述铰接轴铰接，所述足部安装于所述小腿的下端部；

所述大腿驱动电机固定在所述外展电机的输出端，所述大腿的上端部安装于所述大腿驱动电机的输出端；

所述小腿驱动电机用于驱动所述小腿绕所述铰接轴摆动。

与最接近的现有技术相比，本实用新型提供的技术方案至少具有如下优异效果：

1)本申请提供的技术方案中，腿模块具有轮模式和足模式两种模式，处于轮模式时，能够在平整的平面内快速移动。处于足模式时，能够适用崎岖路面并快速避障。相对于现有技术，协作交互机器人的位置转移效率得到极大的提升，保证协作交互机器人的工作半径。另外，处于轮模式时，可以通过转向电机实现协作交互机器人的快速转向，使协作交互机器人能够适用狭窄的工作环境，增加协作交互机器人适用的工况。

2)外展电机的设置能够调整第一腿模块的位置，进一步的适用于各种地形。

3)第一腿模块由大腿和小腿组成，大腿、小腿的不同摆动组成腿部的运动，实现腿部运动时的动力补偿，有效降低大腿驱动电机和小腿驱动电机的输出力矩。

4)小腿驱动电机通过带传动机构带动小腿摆动，技术成熟，重量较轻。

5)小腿驱动电机设置在大腿驱动电机中，有效的降低第一腿模块的机构冗余，降低第一腿模块运动时的运动惯量，使机器人的运动更加平稳，提高机器人的控制精度。

6)从动轮套设在铰接轴上，从动轮在设置时有效利用了铰接轴的结构，使结构简单，重量较轻。

7)大腿采用两块结构板通过连接件连接的形式，既保证了大腿的结构强度，又减轻了大腿的重量。

8)支撑轮套设在铰接轴上，支撑轮在设置时有效利用了铰接轴的结构，使结构简单，重量较轻。

9)在协作交互机器人移动时，协作机械臂的质心能够与机身的质心在竖直方向上共线，能够避免协作交互机器人在移动时重心偏斜，导致机器人的运动不平稳、机器人的控制精度降低的问题。

10)在协作交互机器人移动时，第二腿模块的质心能够与机身的质心在竖直方向上共线，能够避免腿模块处于足模式时机器人的重心偏斜，导致机器人的运动不平稳，机器人的控制精度降低的问题。

11)通过驱动电机同时驱动第一驱动轮和第二驱动轮转动，相对于第一驱动轮和第二驱动轮分别通过不同的驱动电机驱动，减少一个电机的重量，补偿了设置协作机械臂增大的重量，在设置协作机械臂后，不需要调整大腿驱动电机和小腿驱动电机的功率即可保证协作交互机器人的顺利移动。另外，通过驱动电机同时驱动第一驱动轮和第二驱动轮转动，能够最大限度的保证第一驱动轮和第二驱动轮的同步转动，避免轮模式下，协作交互机器人偏离路线。

12)两处侧板夹紧驱动电机，对驱动电机沿轴向进行定位，使驱动电机的固定更加可靠。

13)驱动电机的输出轴直接驱动第一驱动轮和第二驱动轮，动力损失小，效率高，结构简单，重量较轻。

附图说明

图1为本实用新型的一种基于轮足式混合移动的协作交互机器人的具体实施例的一个三维视图；

图2为本实用新型的一种基于轮足式混合移动的协作交互机器人的具体实施例的另一个三维视图；

图3为本实用新型的一种基于轮足式混合移动的协作交互机器人的具体实施例在腿模块处于足模式下的主视图；

图4为本实用新型的一种基于轮足式混合移动的协作交互机器人的具体实施例在腿模块处于轮模式下的主视图；

图5为本实用新型的一种基于轮足式混合移动的协作交互机器人的具体实施例中外展关节与第一腿模块的结构示意图。

图中：1、机身；2、外展电机；3、大腿驱动电机；4、小腿驱动电机；41、小腿驱动电机输出轴；5、大腿；51、结构板；52、连接件；6、小腿；61、U形结构；62、连接杆；7、足部；8、主动轮；9、传动带；10、从动轮；11、铰接轴；12、支撑轮；13、机架；131、U形件；132、加固板；14、第一驱动轮；15、第二驱动轮；16、驱动电机；17、转向电机；171、转向电机输出轴；18、协作机械臂。

具体实施方式

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。各个示例通过本申请的解释的方式提供而非限制本申请。实际上，本领域的技术人员将清楚，在不脱离本申请的范围或精神的情况下，可在本申请中进行修改和变型。例如，示为或描述为一个实施例的一部分的特征可用于另一个实施例，以产生又一个实施例。因此，所期望的是，本申请包含归入所附权利要求及其等同物的范围内的此类修改和变型。

在本申请的描述中，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请而不是要求本申请必须以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。本申请中使用的术语“相连”、“连接”、“设置”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间部件间接相连；可以是有线电连接、无线电连接，也可以是无线通信信号连接，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

本实用新型的一种基于轮足式混合移动的协作交互机器人的具体实施例：在本申请实施例中，机器人的运动方向定义为机器人的前后反向，机器人的躯干沿前后方向延伸，定义在水平面内垂直前后方向的方向为机器人的左右方向。

如图1和图2所示，一种基于轮足式混合移动的协作交互机器人包括机身1、协作机械臂18、外展电机2和腿模块，协作机械臂18设置在机身1的上部，用于实现协作交互机器人的主要功能。协作机械臂18具有工作状态和收缩状态两种状态，当协作机械臂18处于工作状态时，实现协作交互机器人的主要功能。当腿模块驱动协作交互机器人移动时，协作机械臂18处于收缩状态，此时，协作机械臂18的质心与机身1的质心在竖直方向上共线。

腿模块设置在机身1上，用于驱动协作交互机器人移动，包括第一腿模块和第二腿模块。

第一腿模块为轮足式腿模块，数量为四，四处第一腿模块分两组对称设置在机身1的左右两侧，同一侧的第一腿模块沿机身的前后方向排布。以其一为例进行说明：第一腿模块通过外展电机2固定在机身1上，具体的：外展电机2对应固定在机身1的前部或后部，且外展电机2的轴线沿前后方向，第一腿模块设置在外展电机2的输出端。

第一腿模块包括大腿驱动电机3、小腿驱动电机4、铰接轴11、大腿5、支撑轮12、小腿6和足部7，大腿驱动电机3固定在外展电机2的输出端，大腿5的上端部安装于大腿驱动电机3的输出端，大腿5的下端部与小腿6的上端部通过铰接轴11铰接，足部7安装于小腿6的下端部。支撑轮12套设在铰接轴11上，并位于小腿6的外侧。大腿5包括结构板51和连接件52，结构板51具有两块且相互平行。连接件52连接两块结构板51。结构板51的形状可以根据协作机器人的腿部设计进行适配，例如，结构板51可以为腰形、矩形等。结构板51的两端均设有安装孔，一端的安装孔与小腿驱动电机输出轴41相适配，供小腿驱动电机输出轴41穿过，另一端的安装孔与铰接轴11相适配，供铰接轴11穿过。其中，支撑轮12设置在大腿5的外侧，从动轮10设置在大腿5中(两块结构板51之间)。

如图5所示，大腿驱动电机3为无框电机，小腿驱动电机4设置在大腿驱动电机3的内部空腔中，且小腿驱动电机输出轴41从大腿驱动电机3的输出端中部的空腔中伸出，大腿驱动电机3和小腿驱动电机4的轴线均沿左右方向。

这样设置可以最大化的利用空间，使机构更加紧凑；同时由于无框电机没有外壳，因而有效的降低了整机重量。小腿驱动电机4设置在大腿驱动电机3中，有效的降低第一腿模块的机构冗余，降低第一腿模块在足模式下的运动惯量，使机器人的运动更加平稳，提高机器人的控制精度。同时，还可以使大腿驱动电机3的输出扭矩更多的用于大腿5和小腿6的摆动，提高大腿驱动电机3的效率。

小腿驱动电机4用于驱动小腿6绕铰接轴11摆动，具体的：小腿6上固定有从动轮10，从动轮10套设在铰接轴11上。小腿驱动电机输出端41上设有主动轮8，主动轮8与从动轮10之间设有传动带9，主动轮8、从动轮10与传动带9形成带传动机构，带传动机构设置在两块结构板之间，小腿驱动电机4通过带传动机构驱动小腿6绕铰接轴11摆动。

第二腿模块设置在机身1的正下方，第二腿模块的质心与机身1的质心在竖直方向上共线。第二腿模块包括转向电机17、第一驱动轮14、第二驱动轮15、驱动电机16和机架13，转向电机17固定在所述机身1上且轴线竖直，机架13连接在转向电机17的转向电机输出轴171上，能够跟随转向电机输出轴171转动。

机架13主体为U形件131，U形件131包括：相对设置的两处侧板、连接两处侧板的底板。底板安装于转向电机输出轴171上，第一驱动轮14和第二驱动轮15分别位于U形件的两处侧板上，且轴线均沿左右方向并共线，第一驱动轮14和第二驱动轮15均设置在对应侧板的外侧。第一驱动轮14、第二驱动轮15通过驱动电机16同轴驱动，驱动电机16安装在两处侧板之间：驱动电机16的两端与两处侧板的内板面固定连接，且两处侧板夹紧驱动电机16，两处侧板上均设有通过孔，通过孔供驱动电机16的输出轴穿过；第一驱动轮14和第二驱动轮15分别固定在驱动电机16的输出轴的两端。

机架13还包括设置在U形件131上的加固板132，加固板132构成加固件，加固板132的两端分别与U形件131的两处侧板固定连接，加固板132与底板平行。其他实施例中，加固板也可以设置两个，分别连接一处侧板与底板，以形成三角形稳定结构。

小腿6的上端部为U形结构61，U形结构61的两侧板上同轴设有铰接轴安装孔，铰接轴11设置在铰接轴安装孔中。U形结构61的底部设有圆柱形的连接杆62，连接杆62的一端连接U形结构61，另一端与足部7连接。足部7的结构形态可以根据工况进行适配。比如，足部7为球形，通过弹性材料(比如，橡胶等)制成，籍此，有效的提高足部7的适应性，降低协作交互机器人在足模式下的震动等。

所述腿模块具有两种工作模式：足模式和轮模式：

如图3所示，腿模块处于足模式时，第一腿模块展开，第二腿模块的第一驱动轮14、第二驱动轮15和第一腿模块的支撑轮12悬空。各第一腿模块的大腿驱动电机3、小腿驱动电机4和带传动机构工作，使各足部7交替触地，以驱动协作交互机器人移动。

如图4所示，腿模块处于轮模式时，第一腿模块折合，第一腿模块的足部7悬空。第一驱动轮14、第二驱动轮15和支撑轮12触地。第一腿模块的支撑轮12辅助支撑机身1。第二腿模块的驱动电机16工作，使第一驱动轮14和第二驱动轮15驱动协作交互机器人移动。通过控制转向电机17调整第一驱动轮14和第二驱动轮15的方向，从而实现协作交互机器人的转向。

综上所述，本实用新型采用的一种基于轮足式混合移动的协作交互机器人，相比现有技术具有以下技术效果：

1)本申请提供的技术方案中，腿模块具有轮模式和足模式两种模式，处于轮模式时，能够在平整的平面内快速移动。处于足模式时，能够适用崎岖路面并快速避障。相对于现有技术，协作交互机器人的位置转移效率得到极大的提升，保证协作交互机器人的工作半径。另外，处于轮模式时，可以通过转向电机实现协作交互机器人的快速转向，使协作交互机器人能够适用狭窄的工作环境，增加协作交互机器人适用的工况。

2)外展电机的设置能够调整第一腿模块的位置，进一步的适用于各种地形。

3)第一腿模块由大腿和小腿组成，大腿、小腿的不同摆动组成腿部的运动，实现腿部运动时的动力补偿，有效降低大腿驱动电机和小腿驱动电机的输出力矩。

4)小腿驱动电机通过带传动机构带动小腿摆动，技术成熟，重量较轻。

5)小腿驱动电机设置在大腿驱动电机中，有效的降低第一腿模块的机构冗余，降低第一腿模块运动时的运动惯量，使机器人的运动更加平稳，提高机器人的控制精度。

6)从动轮套设在铰接轴上，从动轮在设置时有效利用了铰接轴的结构，使结构简单，重量较轻。

7)大腿采用两块结构板通过连接件连接的形式，既保证了大腿的结构强度，又减轻了大腿的重量。

8)支撑轮套设在铰接轴上，支撑轮在设置时有效利用了铰接轴的结构，使结构简单，重量较轻。

9)在协作交互机器人移动时，协作机械臂的质心能够与机身的质心在竖直方向上共线，能够避免协作交互机器人在移动时重心偏斜，导致机器人的运动不平稳、机器人的控制精度降低的问题。

10)在协作交互机器人移动时，第二腿模块的质心能够与机身的质心在竖直方向上共线，能够避免腿模块处于足模式时机器人的重心偏斜，导致机器人的运动不平稳，机器人的控制精度降低的问题。

11)通过驱动电机同时驱动第一驱动轮和第二驱动轮转动，相对于第一驱动轮和第二驱动轮分别通过不同的驱动电机驱动，减少一个电机的重量，补偿了设置协作机械臂增大的重量，在设置协作机械臂后，不需要调整大腿驱动电机和小腿驱动电机的功率即可保证协作交互机器人的顺利移动。另外，通过驱动电机同时驱动第一驱动轮和第二驱动轮转动，能够最大限度的保证第一驱动轮和第二驱动轮的同步转动，避免轮模式下，协作交互机器人偏离路线。

12)两处侧板夹紧驱动电机，对驱动电机沿轴向进行定位，使驱动电机的固定更加可靠。

13)驱动电机的输出轴直接驱动第一驱动轮和第二驱动轮，动力损失小，效率高，结构简单，重量较轻。

以上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、改进等，均在本实用新型待批权利要求保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于轮足式混合移动的协作交互机器人，其特征在于，包括：

机身；

协作机械臂，所述协作机械臂设置在所述机身上；

腿模块，所述腿模块设置在所述机身上，用于驱动协作交互机器人移动，所述腿模块包括第一腿模块和第二腿模块；

所述第一腿模块为轮足式腿模块，数量为四，四处所述第一腿模块分别设置在机身的左右两侧，同一侧的所述第一腿模块沿所述机身的前后方向排布，各所述第一腿模块分别包括足部和支撑轮；

所述第二腿模块包括转向电机、机架、驱动电机、第一驱动轮和第二驱动轮，所述转向电机固定在所述机身上，且所述转向电机的输出端的轴线沿竖直方向延伸，所述机架与所述转向电机的输出端连接，能够在所述转向电机的驱动下绕所述转向电机的输出端的轴线转动；所述驱动电机、所述第一驱动轮和所述第二驱动轮均安装于所述机架上，且所述驱动电机能够同时带动所述第一驱动轮和所述第二驱动轮转动；

所述腿模块具有两种工作模式：足模式和轮模式；

所述腿模块处于轮模式时，所述支撑轮辅助支撑所述机身且所述足部悬空；所述第一驱动轮、所述第二驱动轮在所述驱动电机的带动下转动，以驱动所述协作交互机器人移动；所述机架能够在所述转向电机的驱动下调整方向，以对所述协作交互机器人的移动方向进行调整；

处于足模式时，所述第二腿模块和所述支撑轮悬空，各所述第一腿模块的足部交替触地，以驱动所述驱动协作交互机器人移动；

所述协作机械臂具有收缩状态，当所述腿模块驱动所述协作交互机器人移动时，所述协作机械臂处于所述收缩状态，所述协作机械臂的质心与所述机身的质心在竖直方向上共线。

2.根据权利要求1所述的一种基于轮足式混合移动的协作交互机器人，其特征在于：

所述机架包括U形件，所述U形件包括：相对设置的两处侧板、以及连接两处侧板的底板；

所述底板与所述转向电机的输出端连接，所述第一驱动轮与所述第二驱动轮分别转动设置在所述侧板上。

3.根据权利要求2所述的一种基于轮足式混合移动的协作交互机器人，其特征在于：所述驱动电机固定设置在所述侧板的内侧。

4.根据权利要求3所述的一种基于轮足式混合移动的协作交互机器人，其特征在于：所述第二腿模块的质心与所述机身的质心在竖直方向上共线。

5.根据权利要求4所述的一种基于轮足式混合移动的协作交互机器人，其特征在于：两处所述侧板夹紧所述驱动电机。

6.根据权利要求3所述的一种基于轮足式混合移动的协作交互机器人，其特征在于：所述第一驱动轮与所述第二驱动轮分别转动设置在对应所述侧板的外侧。

7.根据权利要求6所述的一种基于轮足式混合移动的协作交互机器人，其特征在于：两处所述侧板上均设有通过孔，供所述驱动电机的输出轴穿过；

所述第一驱动轮和所述第二驱动轮分别固定在所述驱动电机的输出轴的两端。

8.根据权利要求2所述的一种基于轮足式混合移动的协作交互机器人，其特征在于：所述机架还包括加固件，所述加固件的两端分别固定在所述底板和其中一处所述侧板上；或者，所述加固件的两端分别固定在两个所述侧板上。

9.根据权利要求8所述的一种基于轮足式混合移动的协作交互机器人，其特征在于：所述加固件为加固板，所述加固板的两端分别固定在两处所述侧板上时，所述加固板与所述底板平行。

10.根据权利要求1-9任一所述的一种基于轮足式混合移动的协作交互机器人，其特征在于：

所述协作交互机器人还包括外展电机，所述外展电机固定在所述机身上，所述外展电机的输出端连接所述第一腿模块，以带动所述第一腿模块绕所述外展电机的输出端的轴线在所述机身的左右方向摆动；

所述第一腿模块还包括大腿驱动电机、小腿驱动电机、铰接轴、大腿、小腿；

所述大腿的下端部与所述小腿的上端部通过所述铰接轴铰接，所述足部安装于所述小腿的下端部；

所述大腿驱动电机固定在所述外展电机的输出端，所述大腿的上端部安装于所述大腿驱动电机的输出端；

所述小腿驱动电机用于驱动所述小腿绕所述铰接轴摆动。

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