CN107554637A - 一种六足越障机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种六足越障机器人，包括机身、前轮腿机构、中部轮腿机构和后轮腿机构，前轮腿机构和后轮腿机构由驱动轮和驱动轮高度自适应结构组成，所述中部轮腿机构由左轮腿机构和右轮腿机构组成，左轮腿机构包括左前腿、左后腿、高度调节电机以及固定轴，左前腿和左后腿顶部均可转动的安装在固定轴上，左轮腿机构的两个腿中的一个上设有调节齿轮，另一个安装高度调节电机，高度调节电机第二摆动杆的输出轴上设有与调节齿轮啮合传动的主动齿，固定轴通过U型板安装机身侧面，左前腿和左后腿的底部均安装有驱动轮；所述右轮腿机构和左轮腿机构结构完全一样对称设置。本装置突破地形约束，提高移动机构的地形通过性以及环境适应能力。

Description

一种六足越障机器人

技术领域

本发明涉及移动机器人领域，涉及一种应用于复杂地形的机器人，具体涉及一种六足越障机器人。

背景技术

随着人类对自然环境的探索，空间探测的发展，人道救援及军事的需要，移动机器人的应用日益广泛。尤其是许多苛刻严峻的工作环境及任务，要求移动机器人具有良好的地形适应能力和越障能力，以通过极端环境和复杂路面。

随着地形环境变得复杂且具备多重特征，传统的轮式和履带式移动机构在平坦地形上表现出较好的移动性能，但难以适应崎岖不平的复杂地形。相比于轮式和履带式移动机构，腿式移动机构具有较强的灵活性和地形适应能力，但是其移动速度慢和能量效率低。为了提高移动机构的地形适应能力和机动性，复合移动机构成为地面移动机构的一个重要研究趋势。三种独立的地面移动机构从结构复杂程度、控制难易程度、移动效率，环境适应性以及越障能力方面有着各自优劣势。然而，随着地形环境变得复杂未知且具备多重特征，单一功能特征的地面移动机构将很难满足任务需求。

发明内容

本发明的目的是为了解决移动机器人的地面行驶适应能力差的问题，提出带有伸缩杆的单自由度六杆机构作为前腿提高了垂直障碍的越障能力，两侧的腿部机构通过齿轮耦合在一起，可以起到降低与抬高机器人底盘的作用，同时轮子在具有快速行驶的能力时，可以通过转盘在滑槽中的转动机构引起机构变形提升轮子的半径起到更好的通过复杂地面的能力，同时可以减少在行走时轮子与地面的磨损。

本发明的另一目的在于突破地形约束，提高移动机构的地形通过性以及环境适应能力，提出一种复合多种移动机构的优势于一体的六足越障机器人。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种六足越障机器人，其特征在于：包括机身和从前之后依次安装在机身底部的前轮腿机构、中部轮腿机构和后轮腿机构，所述前轮腿机构和后轮腿机构由驱动轮和驱动轮高度自适应结构组成，所述中部轮腿机构由安装在机身左右两侧的左轮腿机构和右轮腿机构组成，所述左轮腿机构包括左前腿、左后腿、高度调节电机以及固定轴，左前腿和左后腿顶部均可转动的安装在固定轴上，左轮腿机构的两个腿的其中一个上设有固定相连的调节齿轮，另一个腿上安装高度调节电机，高度调节电机的输出轴上设有与调节齿轮啮合传动的主动齿，所述固定轴通过U型板安装机身侧面，左前腿和左后腿的底部均安装有驱动轮；所述右轮腿机构和左轮腿机构结构完全一样对称设置。

作为改进，所述驱动轮为轮径可变驱动轮，其包括轮盘、星型杆、轮轴、变径电机、弧形足以及驱动电机组成，所述轮盘作为轮子着地主体固定安装在轮轴外端，所述弧形足由大弧段和小弧段组成，弧形足上大弧段和小弧段相交处铰接安装在轮盘边缘处，轮盘上设有多个弧形足，多个弧形足的大弧形段首尾相接组成圆环状，小弧段则向内弯折在圆环内，小弧段上设有弧度与其相同的弧形长槽，所述星型杆中部可转动的安装在轮轴上，星型杆上设有与弧形足数量匹配的支杆，每个支杆末端均设有一个可在相应弧形长槽内滑动的小圆杆，星型杆上设有固定相连的变径调节齿轮，所述变径电机固定安装在轮盘上，变径电机的输出轴上设有与变径调节齿轮啮合传动的驱动齿轮，所述轮轴内端通过轴承安装在相应的腿上，驱动电机的输出轴与轮轴相连，驱动电机的本体也安装在相应的腿上。

作为改进，所述前轮腿机构的驱动轮高度自适应结构为多连杆结构，其包括第一摆动杆、第二摆动杆、弧形大腿、小腿和伸缩杆，所述第一摆动杆和第二摆动杆右端均铰接在机身上不同高度处，第一摆动杆左端与弧形大腿中部通过关节轴相连，弧形大腿底部与第二摆动杆中部铰接相连，所述小腿顶部铰接弧形大腿顶部，小腿底部安装驱动轮，小腿中部与伸缩杆一端铰接相连，伸缩杆另一端***第二摆动杆左端，伸缩杆与第二摆动杆组成可自由伸缩结构。

作为改进，所述后轮腿机构的驱动轮高度自适应结构为弹簧连杆结构，其包括后腿、辅助杆和弹簧，所述辅助杆一端与机身铰接，另一端与后腿顶部铰接，后腿底部安装驱动轮，所述弹簧两端分别于辅助杆中部和后腿中部铰接相连。

作为改进，所述左轮腿机构、右轮腿机构、前轮腿机构和后轮腿机构的腿均为双连杆制成的腿。

作为改进，所述驱动轮的弧形足有3到8个，相应的星型杆的支杆也有3-8个。

作为改进，该六足越障机器人还包括传感器控制单元，所述传感器控制单元包括传感器、CAN总线、USB数据接口、控制器、编码器和PC机。

本发明有益效果是：

本发明机器人的机身行走平稳，结构简单，突破地形约束，提高移动机构的地形通过性以及环境适应能力，能适应各种不同的地形。

1.所述带有伸缩杆的前腿机构具有可以在被动提升大腿高度时同时抬升小腿的高度起到二次抬升前腿机构的作用，增强了前腿的越障能力。

2.所述中部轮腿机构通过齿轮耦合在固定轴上，既可保证中部轮腿的前后两腿作为整体转动被动适应地面，也可通过调节齿轮转动增大***距离起到调整机身重心高度增大了机构通过斜面、洞穴、壕沟等地面的能力。

3.所述带有弹簧的后腿机构可以通过调节弹簧的伸缩起到在机构不同姿态下自动适应地面支撑地面的能力。

4.所述变结构的轮部可以起到在快速行驶时通过轮足转换形成足式机构起到增大轮部半径增强对凹凸不平等复杂地面的通过能力。

附图说明

图1为本发明实施例整体结构示意图。

图2为本发明实施例整体侧视图。

图3为本发明实施例整体俯视图。

图4为驱动轮结构示意图。

图5我左前腿结构示意图。

图6为驱动轮与前轮腿机构安装示意图。

1-前轮腿机构，2-左前腿，3-右前腿，4-左后腿，5-右后腿，6-后轮腿机构，7-机身，8-固定轴，9-调节齿轮，10-U型板，11-第一摆动杆，12-第二摆动杆，13-弧形大腿，14-小腿，15-伸缩杆，16-轮盘，17-星型杆，18-轮轴，19-驱动电机，20-弧形足，21-弧形长槽，22-小圆杆，23-变径调节齿轮，24-变径电机，25-后腿，26-辅助杆，27-弹簧，28-驱动轮。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行举例说明。

如图1至图6所示，一种具有高越障性能的六杆机构的腿部与可变结构的六足越障机器人，包括机身7和从前之后依次安装在机身7底部的前轮腿机构1、中部轮腿机构和后轮腿机构6，所述前轮腿机构1和后轮腿机构6由驱动轮28和驱动轮高度自适应结构组成，所述中部轮腿机构由安装在机身7左右两侧的左轮腿机构和右轮腿机构组成，所述右轮腿机构和左轮腿机构结构完全一样对称设置在机身7两侧，下面以左轮腿机构为例来说明结构：所述左轮腿机构包括左前腿2、左后腿4、高度调节电机以及固定轴8，左前腿2和左后腿4顶部均可转动的铰接安装在固定轴8上，左前腿2上设有固定相连的调节齿轮9，左后腿4上安装高度调节电机，高度调节电机的输出轴上设有与调节齿轮9啮合传动的主动齿，所述固定轴8通过U型板10安装机身7侧面，左前腿2和左后腿4的底部均安装有驱动轮28，其中左前腿2和左后腿4上的高度调节电机和调节齿轮9也可以相互交换位置安装。

如图4所示，所述驱动轮28为轮径可变驱动轮，其包括轮盘16、星型杆17、轮轴18、变径电机24、弧形足20以及驱动电机19组成，所述轮盘16作为轮子着地主体固定安装在轮轴18外端，所述弧形足20由大弧段和小弧段组成，弧形足20上大弧段和小弧段相交处铰接安装在轮盘16边缘处，轮盘16上设有多个弧形足20，多个弧形足20的大弧形段首尾相接组成圆环状，小弧段则向内弯折在圆环内，小弧段上设有弧度与其相同的弧形长槽21，所述星型杆17中部可转动的安装在轮轴18上，星型杆17上设有与弧形足20数量匹配的支杆，每个支杆末端均设有一个可在相应弧形长槽21内滑动的小圆杆22，星型杆17上设有固定相连的变径调节齿轮23，所述变径电机24固定安装在轮盘16上，变径电机24的输出轴上设有与变径调节齿轮23啮合传动的驱动齿轮，所述轮轴18内端通过轴承安装在相应的腿上，驱动电机19的输出轴与轮轴18相连，驱动电机19的本体也安装在相应的腿上，例如：前轮腿机构1的驱动轮28的驱动电机19本体固定安装在小腿14底部。

驱动轮28变径原理：当需要增大轮盘16直径或将轮盘16变成轮足时，变径电机24接通，变径电机24通过齿轮啮合传动带动星型杆17旋转，星型杆17相对于轮盘16旋转，使得星型杆17的支杆末端的小圆杆22在弧形长槽21内滑动，由于弧形足20是由两部分弧度不同的弧形杆组成，弧形长槽21与轮盘16的圆周弧度不平行，因此弧形足20会相对于其在轮盘16上的铰接点发生旋转，那么大弧段就会收缩或者向外伸展，大弧段收缩时，就以轮盘16轮廓作为轮子旋转轮廓，当大弧段向外伸展时，就以伸展后的大弧段作为轮子旋转轮廓或者作为足的支点，从而实现变径功能。

如图2所示，所述前轮腿机构1的驱动轮高度自适应结构为多连杆结构，其包括第一摆动杆11、第二摆动杆12、弧形大腿13、小腿14和伸缩杆15，所述第一摆动杆11和第二摆动杆12右端均铰接在机身7上不同高度处，第一摆动杆11左端与弧形大腿13中部通过关节轴相连，弧形大腿13底部与第二摆动杆12中部铰接相连，所述小腿14顶部铰接弧形大腿13顶部，小腿14底部安装驱动轮28，小腿14中部与伸缩杆15一端铰接相连，伸缩杆15另一端***第二摆动杆12左端，伸缩杆15与第二摆动杆12组成可自由伸缩结构。

如图2所示，所述后轮腿机构6的驱动轮高度自适应结构为弹簧27连杆结构，其包括后腿25、辅助杆26和弹簧27，所述辅助杆26一端与机身7铰接，另一端与后腿25顶部铰接，后腿25底部安装驱动轮28，所述弹簧27两端分别于辅助杆26中部和后腿25中部铰接相连。

所述左轮腿机构、右轮腿机构、前轮腿机构1和后轮腿机构6的腿均为双连杆制成的腿。

所述驱动轮28的弧形足20有3到8个，相应的星型杆17的支杆也有3-8个。

该复合移动机器人还包括传感器控制单元，所述传感器控制单元包括传感器、CAN总线、USB数据接口、控制器、编码器和PC机。

复合移动机器人的的行走方式

1.1复合移动机器人的平地直线前进：所述复合移动机器人每条腿上有独立的驱动轮28，在平地直线前进时，每条腿同时与地面接触，每条腿的驱动电机19驱动轮部的正转与反转即可实现复合移动机器人的前进与后退。

1.2复合移动机器人的转向：所述复合移动机器人顺时针转向时，前轮腿机构1的驱动轮28和左轮腿机构的两个驱动轮28正转，后轮腿机构6的驱动轮28和右轮腿机构的两个驱动轮28反转即可实现复合移动机器人的顺时针转向，逆时针转向反之。

1.3复合移动机器人正向斜面前进：所述复合移动机器人调整姿势，正向面对斜坡，此时前轮腿机构1的驱动轮28前进，自动适应斜坡角度，中部轮腿机构的驱动轮28正转随之爬上斜面，后轮腿机构6的驱动轮28在弹簧27的伸缩作用下自动适应地面，当后轮腿机构6的驱动轮28爬上斜面则复合移动机器人全部爬上斜坡。

1.4复合移动机器人侧向斜面前进：所述复合移动机器人在侧向面对斜面时，前轮腿机构1的驱动轮28正转前进，由于斜面左侧高右侧相对较低，此时机身7左侧位置较高右侧较低，左轮腿机构的高度调节电机驱动使左前腿2和左后腿4转动向前后方向分开，增大两左前腿2和左后腿4之间的距离，降低机身7左侧的高度，保持机身7平稳前进：反之斜面左侧低右侧高，则右轮腿机构的右前腿3和右后腿5之间距离调节增大，保持机身7平稳行走。

1.5复合移动机器人跨越垂直障碍：所述复合移动机器人前轮腿机构1的驱动轮28运动至障碍接触处，此时前轮腿机构1的驱动轮28转动带动前腿跨越至障碍最高点，当前进到中部轮腿机构的左前腿2或右前腿3的驱动轮28接触障碍，在相应驱动电机19的驱动下下跨越至障碍最高点，中部轮腿机构的左后腿4或右后腿5的驱动轮28接触障碍时，在后侧驱动轮28的向前驱动电机19驱动下转动下跨越至最高点，后轮腿机构6在其驱动轮28的驱动下随之跨越至障碍最高点，至此复合移动机器人完成跨越垂直障碍。

1.6复合移动机器人穿越较低洞穴：所述复合移动机器人中部轮腿机构的左轮腿机构和右轮腿机构可以分别调节降低高度，从而降低机身7整体重心至能穿越洞穴，在前轮腿机构1的驱动轮28的驱动下带动复合移动机器人完成穿越洞穴过程。

1.7复合移动机器人在凹凸不平等复杂环境行走：所述复合移动机器人在复杂地面行走时通过驱动轮28内置的变径电机24驱动下，带动弧形足20转动，使弧形足20向四周伸展开，增加轮盘16的直径或将轮盘16变成轮足，将轮式转换成足式行走，可增加机构对地面的适应性。

Claims (7)

1.一种六足越障机器人，其特征在于：包括机身和从前之后依次安装在机身底部的前轮腿机构、中部轮腿机构和后轮腿机构，所述前轮腿机构和后轮腿机构由驱动轮和驱动轮高度自适应结构组成，所述中部轮腿机构由安装在机身左右两侧的左轮腿机构和右轮腿机构组成，所述左轮腿机构包括左前腿、左后腿、高度调节电机以及固定轴，左前腿和左后腿顶部均可转动的安装在固定轴上，左轮腿机构的两个腿的其中一个上设有固定相连的调节齿轮，另一个腿上安装高度调节电机，高度调节电机的输出轴上设有与调节齿轮啮合传动的主动齿，所述固定轴通过U型板安装机身侧面，左前腿和左后腿的底部均安装有驱动轮；所述右轮腿机构和左轮腿机构结构完全一样对称设置。

2.如权利要求1所述的一种六足越障机器人，其特征在于：所述驱动轮为轮径可变驱动轮，其包括轮盘、星型杆、轮轴、变径电机、弧形足以及驱动电机组成，所述轮盘作为轮子着地主体固定安装在轮轴外端，所述弧形足由大弧段和小弧段组成，弧形足上大弧段和小弧段相交处铰接安装在轮盘边缘处，轮盘上设有多个弧形足，多个弧形足的大弧形段首尾相接组成圆环状，小弧段则向内弯折在圆环内，小弧段上设有弧度与其相同的弧形长槽，所述星型杆中部可转动的安装在轮轴上，星型杆上设有与弧形足数量匹配的支杆，每个支杆末端均设有一个可在相应弧形长槽内滑动的小圆杆，星型杆上设有固定相连的变径调节齿轮，所述变径电机固定安装在轮盘上，变径电机的输出轴上设有与变径调节齿轮啮合传动的驱动齿轮，所述轮轴内端通过轴承安装在相应的腿上，驱动电机的输出轴与轮轴相连，驱动电机的本体也安装在相应的腿上。

3.如权利要求2所述的一种六足越障机器人，其特征在于：所述前轮腿机构的驱动轮高度自适应结构为多连杆结构，其包括第一摆动杆、第二摆动杆、弧形大腿、小腿和伸缩杆，所述第一摆动杆和第二摆动杆右端均铰接在机身上不同高度处，第一摆动杆左端与弧形大腿中部通过关节轴相连，弧形大腿底部与第二摆动杆中部铰接相连，所述小腿顶部铰接弧形大腿顶部，小腿底部安装驱动轮，小腿中部与伸缩杆一端铰接相连，伸缩杆另一端***第二摆动杆左端，伸缩杆与第二摆动杆组成可自由伸缩结构。

4.如权利要求3所述的一种六足越障机器人，其特征在于：所述后轮腿机构的驱动轮高度自适应结构为弹簧连杆结构，其包括后腿、辅助杆和弹簧，所述辅助杆一端与机身铰接，另一端与后腿顶部铰接，后腿底部安装驱动轮，所述弹簧两端分别于辅助杆中部和后腿中部铰接相连。

5.如权利要求4所述的一种六足越障机器人，其特征在于：所述左轮腿机构、右轮腿机构、前轮腿机构和后轮腿机构的腿均为双连杆制成的腿。

6.如权利要求2至5任意一项所述的一种六足越障机器人，其特征在于：所述驱动轮的弧形足有3到8个，相应的星型杆的支杆也有3-8个。

7.如权利要求1所述的一种六足越障机器人，其特征在于：还包括传感器控制单元，所述传感器控制单元包括传感器、CAN总线、USB数据接口、控制器、编码器和PC机。