CN105667622A - 一种具有三段机体的六轮足式移动机器人 - Google Patents

一种具有三段机体的六轮足式移动机器人 Download PDF

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Abstract

一种具有三段机体的六轮足式移动机器人，属于机器人技术领域。针对目前移动机器人运动方式单一、移动机构灵活性不足问题。前段机体后端通过前机体铰接关节与中段机体前端转动连接，中段机体后端通过后机体铰接关节与后段机体前端转动连接；左前腿和右前腿分布在前段机体的左右两侧，左前腿和右前腿均与前段机体转动连接；左中腿和右中腿分布在中段机体的左右两侧，左中腿和右中腿均与中段机体转动连接；左后腿和右后腿分布在后段机体的左右两侧，左后腿和右后腿均与后段机体转动连接。机器人腿部采用轮足复合式设计，采用平面四杆机构实现了足式和轮式运动的切换。本发明具有足式稳定行走和轮式快速行进功能，足式行走时可实现类哺乳动物式和类昆虫式的运动方式，轮式行进时可实现差速转向、前轮转向和原地转向三种转向方式。

Description

一种具有三段机体的六轮足式移动机器人
技术领域
本发明涉及一种六轮足复合式移动机器人，属于机器人技术领域。
背景技术
地面移动方式主要有轮式、履带式、足式、蠕动式和震动式等几种。轮式移动具有运动速度快、移动效率高等优势，但其越障能力差，仅能适应相对平坦的地面；履带式移动可通过小型障碍，但崎岖地形的通过性仍然不足，且传动效率低；足式步行的地形适应能力与越障能力强，但行走速度慢、能量效率低。因此，每种移动方式均具有其适用的特定地形条件，而轮足复合移动方式融合了轮式与足式移动的优点，平坦地形采用轮式快速通过，复杂地形采用足式稳定行走，对未知的非结构地形环境具有较强的适应能力。研究者对轮足复合移动机器人进行了诸多研究，代表性案例有德国学者研制的ALDURO、早稻田大学研究的WS-2/WL-16、千叶工业大学研制的Halluc-II、赫尔辛基工业大学开发的WorkPartne以及国内北京航空航天大学设计的NOROS等。
六轮足方式与更多轮足方式相比结构简单、控制方便、运动灵活；与二、四轮足方式相比更容易实现崎岖地形下的稳定运动、且承载能力大、容错能力强，是复杂地形环境下的高效运动方式之一，应用前景广阔。目前成功问世了多款六轮足机器人原理样机，包括美国JPL实验室研制的ATHLETE和北京航空航天大学开发的NOROS等。但从相关研究结果来看，机器人的机体通常采用刚性结构，限制了机器人运动性能的提升。
专利公告号为“CN103287523A、公告日为2015年09月09日、名称为《一种弹性足与轮式运动机构结合的复合变形移动机器人》的发明专利提出了一种四轮足复合式移动机器人，但其轮式移动机构安装于机体框架底部，不属于腿部的轮足复合机构。公布号为为CN102649450A、公布日为2012年08月29日、名称为《一种多关节链节式机器人的轮腿式运动足设计》的发明专利申请提出了一种适用于机器人的轮腿式运动足，但车轮直接作为脚掌接触地面，没有轮足切换装置来实现轮和足的切换。因此，需要设计一种机体含有自由度的六轮足复合式移动机器人，未来可广泛应用于星球探测、反恐侦查、山地运输、抢险救灾以及农林作业等领域。
发明内容
本发明的目的在于针对目前移动机器人运动方式单一、移动机构灵活性不足的问题，提供了一种具有三段机体的六轮足式移动机器人。该机器人具有轮式快速行进和足式稳定行走的功能，同时，铰接式机体的运动灵活性高，可适应复杂地形。
实现上述目的，本发明的技术方案是：
一种具有三段机体的六轮足式移动机器人，包括三段式机体、前机体铰接关节、后机体铰接关节及六条腿，所述的三段式机体分别是前段机体、中段机体和后段机体，所述的六条腿分别是左前腿、左中腿、左后腿、右前腿、右中腿、右后腿；所述的六条腿结构相同，均为轮足复合式腿，所述的前段机体后端中部通过前机体铰接关节与中段机体前端中部转动连接，所述的中段机体后端中部通过后机体铰接关节与后段机体前端中部转动连接，所述的前段机体绕着前机体铰接关节的竖直轴线左右转动，所述的后段机体绕着后机体铰接关节的竖直轴线左右转动；所述的左前腿和右前腿分布在前段机体的左右两侧，左前腿和右前腿均与前段机体转动连接；所述的左中腿和右中腿分布在中段机体的左右两侧，左中腿和右中腿均与中段机体转动连接；所述的左后腿和右后腿分布在后段机体的左右两侧，左后腿和右后腿均与后段机体转动连接。
本发明相对于现有技术的有益效果是：
(1)本发明所采用的三段式机体设计，解决了常规刚性机体只能被动适应地形变化的问题，提高了机器人的运动灵活性、地形适应性和行走稳定性。
(2)本发明的机器人腿部采用了轮足复合式设计，采用平面四杆机构(由连杆四、连杆五、连杆六和轮足转换板组成)实现了足式和轮式运动的切换，该切换方式结构简单、方便可靠。本发明的机器人融合了轮式与足式运动的优点，平坦地形可采用轮式快速通过，复杂地形可采用足式稳定行走。
(3)本发明的机器人采用足式行走时可实现类哺乳动物式和类昆虫式的运动方式。机器人平地高速行走或爬坡时采用类哺乳动物的运动方式，容易实现较高的运动速度和较高的能量效率；机器人处于复杂环境或崎岖地形时采用类昆虫的运动模式，容易实现较大的质心稳定区域和行走稳定性。
(4)本发明的机器人采用轮式行进时可实现差速转向、前轮转向和原地转向三种转向方式，提高了机器人在狭窄、急弯道路等苛刻地形下的通过性。
(5)本发明的机器人运动方式多样、应用范围广，不仅可应用于星球探测、反恐侦查、山地运输、抢险救灾以及农林作业等领域，还可适当缩小机器人尺寸，用做娱乐机器人、玩具机器人及示教机器人等。
附图说明
图1是本发明的具有三段机体的六轮足式移动机器人的整体结构的轴测图，六条腿呈放射状设置；
图2是本发明的轮足复合式腿的整体结构的轴测图；
图3是本发明的具有三段机体的六轮足式移动机器人的整体结构的轴测图，六条腿按类哺乳动物式足式行走的位置设置；
图4是本发明的具有三段机体的六轮足式移动机器人的整体结构的轴测图，六条腿按轮式行进的位置设置；
图5是图3的A处局部放大图；
图6是图3的B处局部放大图。
图中：前段机体1、中段机体2、后段机体3、前机体铰接关节4、后机体铰接关节5、左前腿6、左中腿7、左后腿8、右前腿9、右中腿10、右后腿11、销轴一12、滑块一13、限位挡块一14、关节一15、连杆一16、关节二17、连杆二18、关节三19、连杆三20、关节四21、销轴二22、滑块二23、限位挡块二24、关节五25、连杆四26、关节六27、关节七28、连杆五29、关节八30、连杆六31、关节九32、关节十33、轮足转换板34、直线驱动器35、关节十一36、足端37、关节十二38、车轮39、关节十三40、左前连接耳41、右前连接耳42、左中连接耳43、右中连接耳44、左后连接耳45、右后连接耳46。
具体实施方式
具体实施方式一：如图1～图4所示，本实施方式记载了一种具有三段机体的六轮足式移动机器人，包括三段式机体、前机体铰接关节4、后机体铰接关节5及六条腿，所述的三段式机体分别是前段机体1、中段机体2和后段机体3，所述的六条腿分别是左前腿6、左中腿7、左后腿8、右前腿9、右中腿10、右后腿11；所述的六条腿结构相同，均为轮足复合式腿，所述的前段机体1后端中部通过前机体铰接关节4与中段机体2前端中部转动连接，所述的中段机体2后端中部通过后机体铰接关节5与后段机体3前端中部转动连接，所述的前段机体1绕着前机体铰接关节4的竖直轴线左右转动，所述的后段机体3绕着后机体铰接关节5的竖直轴线左右转动；所述的左前腿6和右前腿9分布在前段机体1的左右两侧，左前腿6和右前腿9均与前段机体1转动连接；所述的左中腿7和右中腿10分布在中段机体2的左右两侧，左中腿7和右中腿10均与中段机体2转动连接；所述的左后腿8和右后腿11分布在后段机体3的左右两侧，左后腿8和右后腿11均与后段机体3转动连接。
本实施方式采用分段式机体设计，前机体铰接关节4和后机体铰接关节5提高了机器人的地形适应性和运动灵活性，六条轮足复合式腿可实现机器人的足式和轮式运动。
具体实施方式二：如图1、图3、图5及图6所示，具体实施方式一所述的一种具有三段机体的六轮足式移动机器人，所述的前段机体1左前端固定有左前连接耳41，所述的左前腿6与前段机体1的左前连接耳41转动连接，前段机体1右前端固定有右前连接耳42，所述的右前腿9与前段机体1的右前连接耳42转动连接；
所述的中段机体2左侧壁中部固定有左中连接耳43，所述的左中腿7与中段机体2的左中连接耳43转动连接，中段机体2右侧壁中部固定有右中连接耳44，所述的右中腿10与中段机体2的右中连接耳44转动连接；
所述的后段机体3的左后端固定有左后连接耳45，所述的左后腿8与后段机体3的左后连接耳45转动连接，后段机体3的右后端固定有右后连接耳46，所述的右后腿11与后段机体3的右后连接耳46转动连接。
具体实施方式三：如图1～图6所示，具体实施方式二所述的一种具有三段机体的六轮足式移动机器人，所述的六条腿结构相同，均包括销轴一12、滑块一13、限位挡块一14、关节一15、连杆一16、关节二17、连杆二18、关节三19、连杆三20、关节四21、销轴二22、滑块二23、限位挡块二24、关节五25、连杆四26、关节六27、关节七28、连杆五29、关节八30、连杆六31、关节九32、关节十33、轮足转换板34、直线驱动器35、关节十一36、足端37、关节十二38、车轮39及关节十三40；
所述的销轴一12竖直设置，所述的关节四21转动安装在销轴一12上(即关节四21可绕销轴一12旋转)，所述的滑块一13滑动套装在销轴一12上(即滑块一13可沿着销轴一12上下滑动)，所述的限位挡块一14固定在销轴一12的顶端(限位挡块一14用于限制滑块一13的移动距离)，所述的连杆一16一端通过关节一15与滑块一13转动连接，所述的连杆二18一端通过关节二17与连杆一16转动连接，所述的连杆二18另一端、连杆三20一端和滑块二23三者通过关节三19转动连接，所述的滑块二23上设有通孔，滑块二23的通孔滑动套装在销轴二22上(即滑块二23可沿着销轴二22滑动)，所述的销轴二22一端与关节四21侧壁固定连接，销轴二22另一端固定有限位挡块二24(限位挡块二24用于限制滑块二23的移动距离)，所述的连杆四26一端通过关节五25与连杆一16另一端转动连接，连杆四26通过关节六27与连杆三20另一端转动连接，所述的连杆五29一端通过关节七28与连杆四26转动连接，所述的连杆六31一端通过关节八30与连杆五29另一端转动连接，所述的轮足转换板34为矩形板，所述的轮足转换板34的四个角端依次定义为角端一、角端二、角端三和角端四，轮足转换板34的角端一通过关节十33与连杆四26另一端转动连接，轮足转换板34的角端二通过关节九32与连杆六31另一端转动连接，所述的直线驱动器35的固定端通过关节十一36与连杆四26转动连接，所述的直线驱动器35的驱动端与关节八30连接，所述的车轮39通过关节十三40与轮足转换板34的角端三转动连接，所述的足端37通过关节十二38与轮足转换板34的角端四转动连接；
所述的左前腿6的关节四21设置在前段机体1的左前连接耳41内，左前腿6的销轴一12与前段机体1的左前连接耳41转动连接，所述的右前腿9的关节四21设置在前段机体1的右前连接耳42内，右前腿9的销轴一12与前段机体1的右前连接耳42转动连接；
所述的左中腿7的关节四21设置在中段机体2的左中连接耳43内，左中腿7的销轴一12与中段机体2的左中连接耳43转动连接，所述的右中腿10的关节四21设置在中段机体2的右中连接耳44内，右中腿10的销轴一12与中段机体2的右中连接耳44转动连接；
所述的左后腿8的关节四21设置在后段机体3的左后连接耳45内，左后腿8的销轴一12与后段机体3的左后连接耳45转动连接，所述的右后腿11的关节四21设置在后段机体3的右后连接耳46内，右后腿11的销轴一12与后段机体3的右后连接耳46转动连接。
工作过程是：所述的直线驱动器35驱动关节八30移动，进而可使轮足转换板34绕关节十33转动，从而切换机器人腿与地面的接触方式，实现机器人足式和轮式运动的切换。直线驱动器35缩短时，轮足转换板34绕关节十33向上转动，使足端37接触地面，实现机器人的足式行走；直线驱动器35伸长时，轮足转换板34绕关节十33向下转动，使车轮39接触地面，实现机器人的轮式行进。
所述的关节四21的转动可改变腿部主运动平面相对机体的位置，从而实现机器人的类哺乳动物式和类昆虫式的足式行走方式。所述的直线驱动器35驱动轮足转换板34绕关节十33转动，使足端37接触地面。所述的滑块一13沿着销轴一12的上下滑动可带动腿部其它关节的运动，实现足端37的竖直运动；所述的滑块二23沿着销轴二22的水平滑动可带动腿部其它关节的运动，实现足端37的水平运动；所述的六条腿呈放射状设置(如图1所示状态)时，机体的前移由关节四21的转动产生，实现类昆虫式的行走方式；所述的六条腿与机体平行设置(如图3所示状态)时，机体的前移由滑块一13和滑块二23的协同运动产生，实现类哺乳动物式的行走方式。
所述的直线驱动器35驱动轮足转换板34绕关节十33转动，使车轮39接触地面，同时，所述的六条腿与机体平行设置(如图4所示状态)，可实现机器人的轮式直线行进。所述的轮式行进过程中的转向方式有三种，三种转向方式之一是差速转向，通过分别控制六条腿的车轮39转速可实现差速转向，所述的左前腿6、左中腿7和左后腿8的车轮39转速慢，所述的右前腿9、右中腿10、右后腿11的车轮39转速快，可实现机器人的左转运动；所述的左前腿6、左中腿7和左后腿8的车轮39转速快，所述的右前腿9、右中腿10、右后腿11的车轮39转速慢，可实现机器人的右转运动。所述的三种转向方式之二是前轮转向，通过协调控制左前腿6和右前腿9的方向可实现前轮转向，左前腿6和右前腿9的关节四21同时向左转动可实现机器人的左转运动，左前腿6和右前腿9的关节四21同时向右转动可实现机器人的右转运动。所述的三种转向方式之三是原地转向，通过协调控制六条腿的方向，使六条腿末端的车轮39呈圆周设置，可实现原地转向。
虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明的，本领域技术人员还可以在本发明精神内做其他变化，以及应用到本发明未提及的领域中，当然，这些依据本发明精神所做的变化都应包含在本发明所要求保护的范围内。

Claims (3)

1.一种具有三段机体的六轮足式移动机器人，包括三段式机体、前机体铰接关节(4)、后机体铰接关节(5)及六条腿，所述的三段式机体分别是前段机体(1)、中段机体(2)和后段机体(3)，所述的六条腿分别是左前腿(6)、左中腿(7)、左后腿(8)、右前腿(9)、右中腿(10)、右后腿(11)；其特征在于：所述的六条腿结构相同，均为轮足复合式腿，所述的前段机体(1)后端中部通过前机体铰接关节(4)与中段机体(2)前端中部转动连接，所述的中段机体(2)后端中部通过后机体铰接关节(5)与后段机体(3)前端中部转动连接，所述的前段机体(1)绕着前机体铰接关节(4)的竖直轴线左右转动，所述的后段机体(3)绕着后机体铰接关节(5)的竖直轴线左右转动；所述的左前腿(6)和右前腿(9)分布在前段机体(1)的左右两侧，左前腿(6)和右前腿(9)均与前段机体(1)转动连接；所述的左中腿(7)和右中腿(10)分布在中段机体(2)的左右两侧，左中腿(7)和右中腿(10)均与中段机体(2)转动连接；所述的左后腿(8)和右后腿(11)分布在后段机体(3)的左右两侧，左后腿(8)和右后腿(11)均与后段机体(3)转动连接。
2.根据权利要求1所述的一种具有三段机体的六轮足式移动机器人，其特征在于：所述的前段机体(1)左前端固定有左前连接耳(41)，所述的左前腿(6)与前段机体(1)的左前连接耳(41)转动连接，前段机体(1)右前端固定有右前连接耳(42)，所述的右前腿(9)与前段机体(1)的右前连接耳(42)转动连接；
所述的中段机体(2)左侧壁中部固定有左中连接耳(43)，所述的左中腿(7)与中段机体(2)的左中连接耳(43)转动连接，中段机体(2)右侧壁中部固定有右中连接耳(44)，所述的右中腿(10)与中段机体(2)的右中连接耳(44)转动连接；
所述的后段机体(3)的左后端固定有左后连接耳(45)，所述的左后腿(8)与后段机体(3)的左后连接耳(45)转动连接，后段机体(3)的右后端固定有右后连接耳(46)，所述的右后腿(11)与后段机体(3)的右后连接耳(46)转动连接。
3.根据权利要求2所述的一种具有三段机体的六轮足式移动机器人，其特征在于：所述的六条腿结构相同，均包括销轴一(12)、滑块一(13)、限位挡块一(14)、关节一(15)、连杆一(16)、关节二(17)、连杆二(18)、关节三(19)、连杆三(20)、关节四(21)、销轴二(22)、滑块二(23)、限位挡块二(24)、关节五(25)、连杆四(26)、关节六(27)、关节七(28)、连杆五(29)、关节八(30)、连杆六(31)、关节九(32)、关节十(33)、轮足转换板(34)、直线驱动器(35)、关节十一(36)、足端(37)、关节十二(38)、车轮(39)及关节十三(40)；
所述的销轴一(12)竖直设置，所述的关节四(21)转动安装在销轴一(12)上，所述的滑块一(13)滑动套装在销轴一(12)上，所述的限位挡块一(14)固定在销轴一(12)的顶端，所述的连杆一(16)一端通过关节一(15)与滑块一(13)转动连接，所述的连杆二(18)一端通过关节二(17)与连杆一(16)转动连接，所述的连杆二(18)另一端、连杆三(20)一端和滑块二(23)三者通过关节三(19)转动连接，所述的滑块二(23)上设有通孔，滑块二(23)的通孔滑动套装在销轴二(22)上，所述的销轴二(22)一端与关节四(21)侧壁固定连接，销轴二(22)另一端固定有限位挡块二(24)，所述的连杆四(26)一端通过关节五(25)与连杆一(16)另一端转动连接，连杆四(26)通过关节六(27)与连杆三(20)另一端转动连接，所述的连杆五(29)一端通过关节七(28)与连杆四(26)转动连接，所述的连杆六(31)一端通过关节八(30)与连杆五(29)另一端转动连接，所述的轮足转换板(34)为矩形板，所述的轮足转换板(34)的四个角端依次定义为角端一、角端二、角端三和角端四，轮足转换板(34)的角端一通过关节十(33)与连杆四(26)另一端转动连接，轮足转换板(34)的角端二通过关节九(32)与连杆六(31)另一端转动连接，所述的直线驱动器(35)的固定端通过关节十一(36)与连杆四(26)转动连接，所述的直线驱动器(35)的驱动端与关节八(30)连接，所述的车轮(39)通过关节十三(40)与轮足转换板(34)的角端三转动连接，所述的足端(37)通过关节十二(38)与轮足转换板(34)的角端四转动连接；
所述的左前腿(6)的关节四(21)设置在前段机体(1)的左前连接耳(41)内，左前腿(6)的销轴一(12)与前段机体(1)的左前连接耳(41)转动连接，所述的右前腿(9)的关节四(21)设置在前段机体(1)的右前连接耳(42)内，右前腿(9)的销轴一(12)与前段机体(1)的右前连接耳(42)转动连接；
所述的左中腿(7)的关节四(21)设置在中段机体(2)的左中连接耳(43)内，左中腿(7)的销轴一(12)与中段机体(2)的左中连接耳(43)转动连接，所述的右中腿(10)的关节四(21)设置在中段机体(2)的右中连接耳(44)内，右中腿(10)的销轴一(12)与中段机体(2)的右中连接耳(44)转动连接；
所述的左后腿(8)的关节四(21)设置在后段机体(3)的左后连接耳(45)内，左后腿(8)的销轴一(12)与后段机体(3)的左后连接耳(45)转动连接，所述的右后腿(11)的关节四(21)设置在后段机体(3)的右后连接耳(46)内，右后腿(11)的销轴一(12)与后段机体(3)的右后连接耳(46)转动连接。
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