CN103640639B - 一种欠驱动行走机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种欠驱动行走机器人，它包括主体（1）、行走单元和安装于主体（1）内用于驱动行走单元的驱动机构，其特征在于：所述驱动机构包括第一主动轴（2.1）和套于所述第一主动轴（2.1）外的第二主动轴（3.1），所述行走单元包括第一主动杆（2.2）、第一从动杆（2.3）、第二主动杆（3.2）、第二从动杆（3.3），所述第一主动杆（2.2）与第一从动杆（2.3）之间和第二主动杆（3.2）与第二从动杆（3.3）之间均通过带有自锁功能的连接轴（4）转动连接。采用本发明结构，可以实现模拟人的两脚交替前进，活动单元的结构相对简单同时驱动单元也较少，成本较低。

Description

一种欠驱动行走机器人

技术领域

本发明涉及一种机器人技术领域，具体为一种欠驱动行走机器人。

背景技术

随着科技的进步，机器人作为机械制造业的尖端产物，不仅在工业生产中得到广泛的使用，同时也有越来越多种类的家庭机器人走进人们的日常生活。而在现有的行走机器人技术领域中，按行走方式主要分为两类，一类：滚轮式的机器人，通过轮子的驱动，实现该机器人在一定平面内水平移动。但此类机器人只适用于相对较为平整的地面，对于高低不平的或者坡度较大的地面其运动能力受到限制，更或者在一些具有阶梯的场合基本难以实现水平运动。而另一类则是多足式的机器人，有模仿自然界蜘蛛的多足机器人，也有模仿人类实现双腿交替前进的双足机器人。

例如专利号为CN93120403.8B的行走机器人，由前后左右多个气缸带动的行走单元构成，通过气缸带动传动杆的伸缩实现位移，然而为了达到行走过程中的平衡，其行走单元必然是多个，且每个行走单元必然各自安装有驱动单元，因此其机械结构较为复杂。

例如专利号为CN01819041.3B的双脚步行机器人，模拟人类的双腿、脚和关节，实现双腿交替行走，同样的，虽然该机器人的行走单元较少，但要实现行走其每个活动关节必然需要设有连接机构、传动机构和驱动单元，同样的，其机械结构较为复杂，成本较高。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，提供一种机械结构较为简单且制造成本较低的欠驱动行走机器人。

本发明的技术解决方案是，提供一种具有以下结构的欠驱动行走机器人：它包括主体、行走单元和安装于主体内用于驱动行走单元的驱动机构，其特征在于：所述驱动机构包括与第一电机相连接的第一主动轴和套于所述第一主动轴外的第二主动轴，所述第二主动轴与第二电机相连接，所述行走单元包括与第一主动轴固定连接的第一主动杆和与第二主动轴固定连接的第二主动杆，所述第一主动杆的自由端设有第一从动杆，所述第二主动杆的自由端设有第二从动杆，所述第一主动杆与第一从动杆之间和第二主动杆与第二从动杆之间均通过带有自锁功能的连接轴转动连接。

作为本发明的一种改进，所述带有自锁功能的连接轴是指，所述各连接轴的一端分别与各自对应的第一主动杆和第二主动杆的自由端固定连接，所述第一从动杆和第二从动杆的上端均设有使所述第一从动杆和第二从动杆相对于各自连接轴上下滑动的长条形通孔，所述长条形通孔与连接轴之间设有用于限制第一从动杆和第二从动杆相对于各自连接轴转动的限位机构。当第一主动杆和第二主动杆带动各自的从动杆实现交替向前行走的过程中，当第一主动杆和第一从动杆作为支撑件的时候，受到重力作用，固定安装与第一主动杆自由端上连接轴沿第一从动杆的长条形通孔下滑，通过限位机构使第一主动杆和第一从动杆沿连接轴轴线方向的圆向限位，即第一主动杆与第一从动杆固定连接用于支撑主体，而在第二从动杆落地后同样与第二主动杆固定连接后，第一主动杆往前行走抬起，同样由于重力作用，所述连接轴与长条形通孔之间的限位机构脱开，使连接轴与第一从动杆之间在长条形通孔内转动配合，由此两主动杆的各自连接轴交替固定和脱开，从而带动主体前进。

更进一步地，所述的限位机构是指，所述连接轴靠近从动杆的一端周向设有若干齿，所述长条形通孔的下端设有与所述连接轴上的齿相啮合的齿。由于在不同的高低的路面上当作为支撑件的时候，主动杆与连接轴和从动杆与连接轴的紧固连接并不一定是在同一位置，因此选用齿与齿的啮合作为限位机构，可以实现多个角度的啮合，因此当主动杆和从动杆夹角不同时均可以进行紧固连接，方便在不同路况上的行走。

作为本发明的另一种改进，所述的限位机构是指，所述第一从动杆与对应的连接轴之间和第二从动杆与对应的连接轴之间均设有电磁制动器，所述各从动杆的底端均设有感应器，所述感应器与电磁制动器电连接。当从动杆底端的感应器接触到地面时，发送电信号给电磁制动器，由电磁制动器锁紧从动杆和连接轴，由此实现主动杆和从动杆的紧固连接，作为支撑件使用，当该主动杆抬起时，从动杆离地，感应器同样发送信号给电磁制动器，由此松开连接轴，实现主动杆和从动杆的相互转动。

作为一种优选，所述第一主动杆和第二主动杆均是由一对杆组成。分别设置左右两根第一主动杆可以防止运动过程中的左右倾倒。使各主动杆在交替前进的过程中更加稳定。

同时，所述一对第一主动杆分别安装于所述第一主动轴的两侧，所述一对第二主动杆沿第一主动轴的轴线方向设于所述一对第一主动杆之间。所述的一对第一主动杆和第二主动杆均左右对称分布，是行走过程中重心更加稳定。

更进一步地，所述第一主动轴和第二主动轴的一端分别安装于主体的两侧，且所述第一主动轴和第二主动轴之间设有转动轴承。第一主动轴和第二主动轴的左右各一端安装在主体的两侧，而二者相对的一端分别通过转动轴承互相转动连接。

作为一种优选，所述第二主动轴上与第一主动杆对应的位置设有使所述第一主动杆穿过第二主动轴且能进行前后摆动的摆动槽。当第二主动轴套于第一主动轴外，遮挡住右侧的第一主动杆与第一主动轴的连接时，所述第二主动轴上可以设置一个摆动槽，使第一主动杆便于安装，同时也不妨碍第二主动轴与主体右侧的轴承连接。

作为本发明的另一种改进，所述第一主动轴的两端分别与主体的两侧转动连接，所述第二主动轴套于所述第一主动轴外，且该第一主动轴与第二主动轴之间设有若干用于使该第二主动轴周向转动的转动轴承。当第一主动轴的两端分别固定在主体两侧，这样可以使重量均由第一主动轴来承担，可以使受力更加平衡，并且相比较通过轴承连接来承重，单根轴的承重更大，也更加稳定。

作为本发明的最后一种改进，所述主体内设有若干用于支撑各主动轴的支撑板，所述各主动轴与支撑板之间均设有转动轴承。当所述各主动轴长度过长导致其强度下降时，可以在主体中间设置若干支撑板，所述支撑板与各主动轴通过轴承进行转动连接，改变主动轴的径向受力情况，使***更稳定。

采用以上结构，本发明与现有技术相比具有以下优点：可以实现模拟人的两脚交替前进，因此较多足机器人来说，活动单元更少，结构相对简单，同时主动杆与从动杆的转动部位由机械结构组成，因此无需在各个转动部位均安装驱动单元，因此较全驱动的双足机器人，活动单元的结构也相对简单，同时驱动单元也较少，成本较低。

附图说明

图1为欠驱动行走机器人的结构示意图。

图2为欠驱动行走机器人的半剖示意图。

图3为欠驱动行走机器人的半剖示意图的另一种结构。

图4为欠驱动行走机器人的去除主体的结构示意图。

图5为“图4”的侧视图。

图6为图5中“A”的放大示意图。

图7为图5中“A”的放大示意图的另一种结构。

图8为图5中“A”的放大示意图的再一种结构。

图中所示：1、主体，1.1、支撑板，2.1、第一主动轴，2.2、第一主动杆，2.3、第一从动杆，3.1、第二主动轴，3.1.1、摆动槽，3.2、第二主动杆，3.3、第二从动杆，4、连接轴，4.1、限位机构，5、长条形通孔，6、电磁制动器，7.1、第一电机，7.2、第二电机。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

如图1和图2所示，本发明的一种欠驱动行走机器人，包括主体1、行走单元和安装于主体1内用于驱动所述行走单元的驱动机构，所述驱动机构包括与第一电机7.1相连接的第一主动轴2.1和套于所述第一主动轴2.1外的第二主动轴3.1，所述第二主动轴3.1与第二电机7.2相连接，该第二主动轴3.1的一端为空心轴，其空心轴一端套于所述第一主动轴2.1外，并且所述两个主动轴内设有转动轴承，使二者之间可以相对转动，当然，结合图3可见，所述的第二主动轴3.1还可以是完全贯通的空心轴。所述各主动轴的与主体1之间通过轴承转动连接，当然所述各主动轴均带有各自的电机，所述第一电机7.1和第二电机7.2均固定安装与主体1内，通过转动齿轮与主动轴连接，此为常规的传动技术，在此就不详细阐述，图中也仅以框图表示电机9与传动齿轮，当然出于机器的平衡性考虑，所述电机的设置位置可以是多样的，它可以在主体1内的任意位置，即优选保证本发明整体的重心平衡。所述行走单元包括分别与第一主动轴2.1和第二主动轴3.1固定连接的第一主动杆2.2和第二主动杆3.2，即所述的第一主动杆2.2和第二主动杆3.2分别做为本发明行走机器人的两个腿部，即交替前进的前腿和后腿，且腿部的下端设有行走的脚，即第一从动杆2.3和第二从动杆3.3，腿部和脚步之间通过关节转动连接，即本发明中的连接轴。上述的固定连接如图所示为主动杆一端设有安装孔，套于对应的主动轴上，并固定连接，当然它可以通过在主动轴上设置螺纹孔，使各主动杆与主动轴之间通过螺纹紧固连接，类似与这些的常规的轴上安装固定的技术应当在本发明的设计理念的保护范围内。再进一步地，在所述各主动杆的自由端均设有对应的第一从动杆2.3和第二从动杆3.3，所述各主动杆与从动杆之间通过带有自锁功能的连接轴4转动连接。上述所指的各主动杆的自由端是指主动杆远离主动轴的一端，且所述自由端与从动杆的上端通过一个连接轴将二者转动连接在一起，使第一主动杆2.2与第一从动杆2.3可以绕所述连接轴4转动，第二主动杆3.2与第二从动杆3.3也可以绕对应的连接轴4转动，该主动杆与从动杆的相互转动类似与铰链连接后的转动形式。并且所述连接轴4还带有自锁功能，所述的自锁功能是指该连接轴4与主动杆和连接轴4与从动杆之间均设有紧固装置，使主动杆和从动杆转动到一定角度时紧固。实现这一自锁功能的紧固装置可以是机械结构实现也可以使用信号控制电磁铁吸合制动盘，进行制动。

上述所指的各主动杆与从动杆之间通过带有自锁功能的连接轴4转动连接是这样地：以第一主动轴2.1、第一主动杆2.2和第一从动杆2.3构成活动单元为例，所述第一主动杆2.2的自由端与对应连接轴4的一端固定连接，所述第一从动杆2.3和第二从动杆3.3的上端均设有使所述第一从动杆2.3和第二从动杆3.3相对于各自连接轴4上下滑动的长条形通孔5，所述各长条形通孔5与连接轴4之间均设有用于限制第一从动杆2.3和第二从动杆3.3相对于各自连接轴4转动的限位机构4.1。所述的限位机构可以是位于所述长条形通孔5的下端面形成一个弧形面，所述弧形面上设有若干齿，所述连接轴4靠近第一从动杆2.3的一端的圆弧面上设有与所述齿相配合的齿，当连接轴4下滑到所述长条形通孔5的下端面位置时可以使所述两个齿相互啮合，从而限制连接轴4的沿轴线方向的周向转动。上述所指的限位机构4.1的运动状态的情况是这样的：当第一从动杆2.3的底端碰触到地面时，第一主动杆2.2下压，从而带动连接轴4沿第一从动杆2.3上的长条形通孔5下移，由此所述连接轴4上的齿与长条通孔上的齿相啮合，限制连接轴4的转动，因此，第一主动杆2.2与第一从动杆2.3将无法进行转动，即紧固连接在一起。同样地，当第一主动杆2.2朝地面相反的方向抬起时，所述第一主动杆2.2带动连接轴4上移，从而使连接轴4上的齿与长条形通孔5上的齿脱开，使第一主动杆2.2与第一从动杆2.3可以进行转动。当然，所述的限位机构4.1可以是齿与齿的啮合，也可以是凸起和凹槽的配合，更或者连接轴4的一端为椭圆形，所述长条形通孔5的下端面为与所述椭圆形配合的椭圆形凹槽，由此可见，它可以是任何非圆形的使连接轴4周向限制转动的形状。另外，为了防止连接轴4沿自身轴向移动，在所述连接轴4的两端可以分别设置2片环形的限位片，所述限位片使连接轴4只能在长条形通孔5内沿自身轴线转动或者上下移动，限制其轴向位移和相对于长条形通孔5的转动。更或者，所述长条形通孔5并非通孔，可以是T形槽，所述连接轴4与所述T形槽对应的一端设有T形滑块，使所述连接轴4可以沿T形槽上下滑动。同样的在上述优选方案的基础上，做出改动使所述的连接轴4两端与第一主动杆2.2和第一从动杆2.3之间均通过一个限位机构进行转动连接，相应的第一主动杆2.2上也设有同样的长条形通孔5，所述第一主动杆2.2上的长条形通孔的上端设有与所述连接轴4配合的限位机构，使连接轴4可以在主动杆和对应从动杆二者之间一起上下滑动，并且当做支撑腿时，该连接轴4与主动杆的长条形通孔的上端面限位，同时其另一端与从动杆上的长条形通孔的下端面限位，并且所述连接轴两端均设有环形垫片，所述环形垫片使连接轴4只能进行自身周向转动和沿主动杆和从动杆的长条形通孔5滑动。

另外，上述的限位机构4.1还可以是这样地，所述第一从动杆2.3与对应的连接轴4之间和第二从动杆3.3与对应的连接轴4之间均设有电磁制动器6，所述各从动杆的底端均设有感应器，所述感应器7与电磁制动器6电连接。所述的电磁制动器6为常规的现有技术，在此就不详细阐述了，其主要的工作原理是，通过电信号控制电磁铁的得失电，从而使电磁铁吸合脱开，由此带动凸块运动进行限位，当然其内必然设有复位的弹簧等元件，或者通过电磁铁的吸合脱开，带动套于连接轴上的摩擦盘张紧，从而进行制动。

当然为了使本发明可以有效的前行，防止左右侧翻，作为优选，所述第一主动杆2.2是由左右分布的两根杆组成，且所述第二主动杆3.2位于左右两根第一主动杆2.2之间。更或者，所述的第二主动杆3.2也可以是左右分布的2根杆组成，所述全部的主动杆和从动杆左右均匀分布。如图4所示，当所述第一主动杆2.2和第二主动杆3.2均为左右两根时，在所述第二主动轴3.1的对应的位置设有使所述第一主动杆2.2穿过第二主动轴3.1且能进行前后摆动的摆动槽3.1.1。

更进一步地，当本发明的主体横向宽度较大，使所述主动轴的轴向长度较长，单单依靠一端固定在主体上无法有效保证主动轴的强度，因此在主体中间位置可以设置若干用于支撑各主动轴的支撑板1.1，所述各主动轴与支撑板1.1之间均设有转动轴承。

从图示中不难看出，所述的第一从动杆2.3和第二从动杆3.3为一个下端大上端小的三角形板状的杆子，由此设计的初衷指在使本发明行走过程中的站立平衡，当然所述的从动杆可以是各种形状的当做脚使用的部件，更或者通过由若干杆子固定连接而成。

本发明的工作原理是这样的：，本发明在站立状态是，第一从动杆和第二从动杆前后交错站立便于用于稳定，如图4所示的状态，当需要进行行走时，所述第一主动轴的电机带动第一主动轴转动，第一主动轴带动第一主动杆转动，从而带动第一从动杆往前拖动，使第一从动杆脱离地面，并且由于重力作用，使第一主动杆和第一从动杆的锁紧装置脱开，使第一从动杆依靠自身重量垂直，当跨出一定距离，电机反转，使第一从动杆下压到地面，由此使第一主动杆与第一从动杆紧固，用以支撑主体，然后换第二主动轴转动，其原理相同，从而实现本发明的机器人交替前行。

在本行业的行走机器人领域中，驱动单元等于或者大于活动单元数量的情况称之为全驱动机器人，顾名思义，全驱动机器人的各个活动关节均由驱动机构进行驱动，由于其活动单元均受驱动机构控制，因此较容易实现行走，现有的行走机器人也多在全驱动领域范畴，而相对的，驱动单元少于活动单元数量的欠驱动领域则发展较为缓慢，本发明正是在欠驱动行走机器人领域上作出了极大的贡献。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并非用于限制本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换及改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种欠驱动行走机器人，包括主体（1）、行走单元和安装于主体（1）内用于驱动行走单元的驱动机构，其特征在于：所述驱动机构包括与第一电机（7.1）相连接的第一主动轴（2.1）和套于所述第一主动轴（2.1）外的第二主动轴（3.1），所述第二主动轴（3.1）与第二电机（7.2）相连接，所述行走单元包括与第一主动轴（2.1）固定连接的第一主动杆（2.2）和与第二主动轴（3.1）固定连接的第二主动杆（3.2），所述第一主动杆（2.2）的自由端设有第一从动杆（2.3），所述第二主动杆（3.2）的自由端设有第二从动杆（3.3），所述第一主动杆（2.2）与第一从动杆（2.3）之间和第二主动杆（3.2）与第二从动杆（3.3）之间均通过带有自锁功能的连接轴（4）转动连接。

2.根据权利要求1所述的一种欠驱动行走机器人，其特征在于：所述带有自锁功能的连接轴（4）是指，所述各连接轴（4）的一端分别与各自对应的第一主动杆（2.2）和第二主动杆（3.2）的自由端固定连接，所述第一从动杆（2.3）和第二从动杆（3.3）的上端均设有使所述第一从动杆（2.3）和第二从动杆（3.3）相对于各自连接轴（4）上下滑动的长条形通孔（5），所述各长条形通孔（5）与连接轴（4）之间均设有用于限制第一从动杆（2.3）和第二从动杆（3.3）相对于各自连接轴（4）转动的限位机构（4.1）。

3.根据权利要求2所述的一种欠驱动行走机器人，其特征在于：所述的限位机构（4.1）是指，所述连接轴（4）靠近从动杆的一端周向设有若干齿，所述长条形通孔（5）的下端设有与所述连接轴（4）上的齿相配合的齿。

4.根据权利要求2所述的一种欠驱动行走机器人，其特征在于：所述的限位机构（4.1）是指，所述第一从动杆（2.3）与对应的连接轴（4）之间和第二从动杆（3.3）与对应的连接轴（4）之间均设有电磁制动器（6），所述各从动杆的底端均设有感应器，所述感应器与电磁制动器（6）电连接。

5.根据权利要求1所述的一种欠驱动行走机器人，其特征在于：所述第一主动杆（2.2）和第二主动杆（3.2）均是由一对杆组成。

6.根据权利要求5所述的一种欠驱动行走机器人，其特征在于：所述一对第一主动杆（2.2）分别安装于所述第一主动轴（2.1）的两侧，所述一对第二主动杆（3.2）沿第一主动轴（2.1）的轴线方向设于所述一对第一主动杆（2.2）之间。

7.根据权利要求6所述的一种欠驱动行走机器人，其特征在于：所述第一主动轴（2.1）和第二主动轴（3.1）的一端分别安装于主体（1）的两侧，且所述第一主动轴（2.1）和第二主动轴（3.1）之间设有转动轴承。

8.根据权利要求7所述的一种欠驱动行走机器人，其特征在于：所述第二主动轴（3.1）上与第一主动杆（2.2）对应的位置设有使所述第一主动杆（2.2）穿过第二主动轴（3.1）且能进行前后摆动的摆动槽（3.1.1）。

9.根据权利要求6所述的一种欠驱动行走机器人，其特征在于：所述第一主动轴（2.1）的两端分别与主体（1）的两侧转动连接，所述第二主动轴（3.1）套于所述第一主动轴（2.1）外，且该第一主动轴（2.1）与第二主动轴（3.1）之间设有若干用于使该第二主动轴（3.1）周向转动的转动轴承。

10.根据权利要求1所述的一种欠驱动行走机器人，其特征在于：所述主体（1）内设有若干用于支撑各主动轴的支撑板（1.1），所述各主动轴与支撑板（1.1）之间均设有转动轴承。