CN108327812A - 一种多行走方式轮腿式机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多行走方式轮腿式机器人,包括前后左右分布的四个轮腿装置,四轮腿装置连接在同一机身上;轮腿装置与机身铰接,两侧轮腿装置对称设置,后方的两轮腿装置之间具有收纳前方两轮腿装置的空间;机身呈可收折的折叠结构,以通过机身收折缩减前后轮腿之间轴距;机身上还连接有用于收折和展开的变形驱动装置。优选,该变形驱动装置呈曲柄连杆结构,并利用曲柄连杆的两个死点状态实现对机身两个状态的锁紧。本发明的有益效果是,通过机身的折叠变形,实现四足运动、双足运动以及轮式移动之间的相互切换,使机器人具有较强的运动能力,复杂地形适应性好,方便通过台阶、沟壑等地形,且平坦路面移动性能优越,应用环境适应能力强。
Description
技术领域
本发明涉及一种机器人,特别是一种多行走方式轮腿式机器人。
背景技术
随着移动机器人技术的不断成熟与发展,其应用也越来越广泛,在工程探险、反恐防爆、军事侦察灾难搜救、星际探测等领域将会得到更广泛的应用。移动性能是移动机器人的一个重要特性,单一的行走方式在地形等方面受到一定的限制。如传统的轮式机器人、腿式机器人和履带式机器人等在移动性能方面除了自身具备的特点外,仍存在较大的局限性。为使移动机器人具有更好的移动性以及实用性,研制具有较强环境适应能力和机动性的多行走方式的轮腿式机器人成为移动机器人领域研究的热点。此外,多行走方式的轮腿式机器人在国内外也得到了广泛的研究和发展。由于大多数轮-腿机器人自由度多并且结构复杂,行走方式较为单一,不仅各个关节协调控制复杂,而且对多变环境的适应性能较差。
发明内容
本发明的目的就是针对现有技术的不足,提供一种多行走方式轮腿式机器人,该机器人具有轮式四足结构和可变形机架,通过机架变形实现四足行走、双足行走以及轮式行走运动方式的切换。从而具备三种行走方式的优异特性,极大提高对多变环境的适应能力要求。以充分发挥四足行走方式越障能力强,复杂地形适应性好,适合机器人在凹凸不平的崎岖地形行走工作、双足行走方式更适合机器人上下台阶、跨越沟壑等地形;以及轮式移动控制灵活,平坦路面性能较为优越,可使机器人获得较大的移动速度等优异特性。
为实现前述目的,本发明采用如下技术方案。
一种多行走方式轮腿式机器人,包括前后左右分布的四个轮腿装置,四轮腿装置连接在同一机身上;所述轮腿装置与所述机身铰接,两侧轮腿装置对称设置,后方的两轮腿装置之间具有收纳前方两轮腿装置的空间;所述机身呈可收折的折叠结构,以通过机身收折缩减前后轮腿之间轴距;机身上还连接有用于收折和展开的变形驱动装置。
采用前述技术方案的本发明,由于机器人前后左右分布的四个轮腿装置,四轮腿装置连接在同一机身上;因此,该机器人具有普通四腿机器人的四足行走方式,其越障能力强,复杂地形适应性好,适合机器人在凹凸不平的崎岖地形行走工作。同时,四腿呈轮腿结构,还具备轮式移动功能,其控制灵活,平坦路面性能优越,可使机器人获得较大的移动速度。并通过折叠结构机身和左右轮腿的对称设置,以便根据需要对机身进行折叠收折,并分别通过对两前腿和两后腿的一致性控制,以及前后腿的协调性控制,从而形成两足机器人结构,实现双足行走方式,以更加适合上下台阶、跨越沟壑等复杂地形运行。从而可实现多种行走方式切换,满足复杂多变地形的不同行走方式需求,达到一机的多场景应用目的。
优选的,所述机身包括横向设置的主轴,主轴两端分别设有两个相互铰接的支撑杆,两个支撑杆形成一侧的机身纵梁,四个支撑杆的自由端分别与对应的轮腿装置铰接;同一机身纵梁的两个支撑杆之间形成有用于两个极限位置限位的限位结构,两个极限位置限位结构分别用于机身纵梁展开成水平状态和收折成竖直状态的两个极限位置限制;变形驱动装置具有通过支撑杆和/或通过主轴驱动机身纵梁收折或展开变形的结构。以便通过变形驱动装置驱动主轴或第一支撑杆,或者同时对二者综合协调驱动,使主轴和第一支撑杆转动,利用轮腿装置四足触地时第一支撑杆与轮腿装置铰接点高度不变的特性,使主轴轴线高度发生变化,实现支撑杆转动,达到机身纵梁展开和收折目的;并在收折或展开至极限位置时停顿在极限位置状态,实现四足变两足或恢复四足状态目的。
进一步优选的,通过支撑杆驱动机身纵梁收折或展开变形的所述变形驱动装置包括变形驱动连杆,变形驱动连杆一端铰接在所述主轴对应端的任一支撑杆中部,变形驱动连杆另一端铰接有变形驱动曲柄,并利用变形驱动曲柄和变形驱动连杆形成的两个死点状态分别对所述机身纵梁收折或展开状态形成锁止。以通过曲柄连杆机构驱动变形,在机身纵梁变形后,利用曲柄连杆机构的两个死点位置实现自动锁止,确保锁止可靠性。其结构紧凑、构思巧妙,锁止可靠。最好,变形驱动装置呈对角分布的设置两套,以形成变形驱动的动力平衡,确保变形可靠性。
进一步优选的,通过所述主轴驱动机身纵梁收折或展开变形的所述变形驱动装置包括同轴固定连接在所述主轴上的同步带带轮,以及位于任一轮腿装置上的同步带驱动电机,同步带驱动电机通过包括同步驱动带轮、同步带带轮和同步带的同步带传动***驱动所述主轴转动;四个所述支撑杆中的一个与所述主轴形成同步转动的固定连接,其余三个支撑杆与主轴形成可转动连接关系。以通过同步带传动***和同步带驱动电机直接驱动主轴转动,简化变形驱动结构;采用同步带传动***的好处是,可方便利用适用于数字控制的步进电机或伺服电机,从驱动控制信号环节实现通过驱动主轴和驱动支撑杆实现机身纵梁变形的协调控制,便于实现开环控制,简化控制程序及硬件设置,降低成本。最好,同步带驱动电机设在前端的轮腿装置上,可有效节省空间,紧凑结构。
进一步优选的,所述极限位置限位结构包括形成在任一支撑杆铰接端头上的挡块,挡块突伸在铰接端头端面,挡块通过对另一支撑杆侧壁的阻挡形成两个支撑杆极限位置的限定。以进一步简化和紧凑结构,特别适用于两支撑杆并列布置的机身纵梁的收折结构。
优选的,所述轮腿装置由轮腿和轮腿驱动装置组成,轮腿驱动装置与所述机身铰接;轮腿下端设有轮式移动驱动装置,且轮式移动驱动装置具有刹车***。以形成方便组装的组合结构,利于产业化;而轮式移动驱动装置具有刹车***,以在机器人处于两足或四足行走工作状态时,将轮腿的轮子锁定,提高行走稳定性。
优选的,所述轮腿包括轮腿驱动曲柄、第一连杆、第二连杆、小腿、第三连杆和大腿;所述第一连杆的一端与所述轮腿驱动曲柄铰接,另一端与所述第二连杆的一端铰接,第二连杆另一端与所述小腿的中部铰接,第二连杆的中部与所述大腿的一端铰接,大腿中部与小腿上端之间铰接有所述第三连杆,第三连杆与所述第二连杆平行,大腿另一端构成大腿摆动驱动输入端;所述轮腿驱动曲柄构成所述小腿摆动驱动输入端;所述轮式移动驱动装置设在小腿下端。二连杆、小腿、第三连杆和大腿四个铰接点范围的四个杆段形成平行四边形的四杆机构;在轮腿驱动曲柄长度、第一连杆、第一连杆与第二连杆铰接点位置确定的情况下,小腿和大腿的铰接点位置,及该位置距轮腿驱动曲柄回转中心的距离,确定了小腿的步态;通过转动大腿,进而改变小腿和大腿的铰接点位置,以及该位置距轮腿驱动曲柄回转中心的距离,即可改变小腿步态,以实现慢步行走、小跑、奔跑等步履方式。
进一步优选的,所述轮式移动驱动装置包括驱动轮和轮子驱动电机,驱动轮设在所述小腿下端形成的U形叉结构内,驱动轮由轮子驱动电机驱动转动,该轮子驱动电机具有刹车***。以进一步简化和紧凑结构,降低故障率和制造成本。
进一步优选的,所述轮腿驱动装置包括与所述机身铰接的固定架,固定架外侧可转动的设有大腿驱动法兰盘和曲柄驱动法兰盘;大腿驱动法兰盘用于与所述大腿摆动驱动输入端固定连接,并由大腿驱动电机驱动转动;曲柄驱动法兰盘用于与所述轮腿驱动曲柄固定连接,并由曲柄驱动电机转动;大腿驱动电机和曲柄驱动电机均设在固定架内侧。进一步确保结构紧凑,拆装和维护方便。
更进一步优选的,所述大腿驱动电机和曲柄驱动电机均通过对应的电机座固定连接在所述固定架上。以方便维护拆装。
本发明的有益效果是,机器人可以通过机身的折叠变形,实现四足运动、双足运动以及轮式移动之间的相互切换,使机器人具有较强的越障能力,复杂地形适应性好,可以很好地通过台阶、沟壑等地形,同时对于平坦路面,其移动性能也较为优越,运动速度高控制较为灵活。
附图说明
图1是本发明呈四足状态的结构示意轴测图。
图2是本发明变形为两足状态的结构示意轴测图。
图3是本发明中轮腿的结构示意轴侧图。
图4是本发明中右后轮腿驱动装置的结构示意轴侧图。
图5是本发明中左后轮腿驱动装置的结构示意轴侧图。
图6是本发明中左前轮腿驱动装置的结构示意轴侧图。
图7是本发明中左前轮腿驱动装置另一个方向的结构示意轴侧图。
图8是本发明中右前轮腿驱动装置的结构示意轴侧图。
图9是本发明中右前轮腿驱动装置另一个方向的结构示意轴侧图。
图10是本发明中右前固定架的结构示意轴侧图。
图11是本发明中机身和锁止结构的部分结构轴侧示意图。
图12是本发明中机身的结构示意剖视图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的说明,但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。
参见图1、图2,一种多行走方式轮腿式机器人,包括前后左右分布的四个轮腿装置,四个轮腿装置按方位左后轮腿装置、左前轮腿装置、右前轮腿装置、右后轮腿装置,四轮腿装置连接在同一机身6上;所述轮腿装置与所述机身6铰接,两侧轮腿装置对称设置,后方的两轮腿装置之间具有收纳前方两轮腿装置的空间;所述机身6呈可收折的电驱动折叠结构,以通过机身6收折缩减前后轮腿之间轴距;机身6上还连接有用于收折和展开的变形驱动装置;轮腿装置由轮腿1和轮腿驱动装置组成,轮腿驱动装置与所述机身6铰接;轮腿1下端设有轮式移动驱动装置,且轮式移动驱动装置具有刹车***;按机身6方位,轮腿驱动装置对应由右后轮腿驱动装置2、左后轮腿驱动装置3、左前轮腿驱动装置4和右前轮腿驱动装置5组成。
参见图3,轮腿1包括轮腿驱动曲柄101、第一连杆102、第二连杆103、小腿107、第三连杆108和大腿109;所述第一连杆102的一端与所述轮腿驱动曲柄101铰接,另一端与所述第二连杆103的一端铰接,第二连杆103另一端与所述小腿107的中部铰接,第二连杆103的中部与所述大腿109的一端铰接,大腿109中部与小腿107上端之间铰接有所述第三连杆108,第三连杆108与所述第二连杆103平行,大腿109另一端构成大腿摆动驱动输入端;所述轮腿驱动曲柄101构成所述小腿107摆动驱动输入端;所述轮式移动驱动装置设在小腿107下端;该轮式移动驱动装置包括驱动轮105和轮子驱动电机106,驱动轮105设在所述小腿107下端形成的U形叉结构内,驱动轮105由轮子驱动电机106驱动转动,该轮子驱动电机106具有刹车***;U形叉结构通过小腿107下端本体和一侧呈角铁形的轮子驱动电机固定架104共同形成,轮子驱动电机固定架104通过螺栓固定在小腿107上,驱动轮105通过固定设在轮轴上,轮轴可转动的穿设在U形叉两侧壁上,轮轴与轮子驱动电机106的输出轴通过花键配合结构,形成方便拆卸的同轴转动连接关系。
其中,轮腿驱动装置包括与所述机身6铰接的固定架,固定架外侧可转动的设有大腿驱动法兰盘和曲柄驱动法兰盘;大腿驱动法兰盘用于与所述大腿摆动驱动输入端固定连接,并由大腿驱动电机驱动转动;曲柄驱动法兰盘用于与所述轮腿驱动曲柄101固定连接,并由曲柄驱动电机转动;大腿驱动电机和曲柄驱动电机均设在固定架内侧。如图4所示的右后轮腿固定装置2,包括右后固定架201、右后大腿驱动法兰盘202、右后大腿驱动电机座203、右后大腿驱动电机204、右后曲柄驱动法兰盘205、右后轮腿曲柄驱动电机座206和右后轮腿曲柄驱动电机207;所述右后大腿驱动法兰盘202一端上的凸台置于右后固定架201内侧面上的孔中,右后大腿驱动法兰盘202的另一端用于与右后轮腿装置中大腿109的大腿摆动驱动输入端固定连接;所述右后大腿驱动电机座203通过四个螺栓与右后固定架201固接,右后大腿驱动电机204则通过四个螺栓固接于右后大腿驱动电机座203上,而右后大腿驱动电机204的电机轴则通过花键与右后大腿驱动法兰盘202一端上的凸台内的花键槽相连接;右后曲柄驱动法兰盘205一端上的凸台置于右后固定架201外侧面上的孔中;右后固定架201外侧面上还设有用于与所述机身6铰接的凸柱,所述右后轮腿曲柄驱动电机座206通过四个螺栓与右后固定架201固接,右后轮腿曲柄驱动电机207则通过四个螺栓固接于右后轮腿曲柄驱动电机座206上,而右后轮腿曲柄驱动电机207的电机轴则通过花键与右后曲柄驱动法兰盘205上凸台内的花键槽相连接,右后曲柄驱动法兰盘205另一端用于与右后轮腿装置的轮腿驱动曲柄101固定连接。如图5所示的左后轮腿驱动装置3,包括左后固定架302、左后大腿驱动法兰盘304、左后曲柄驱动法兰盘305、左后轮腿曲柄驱动电机座306、左后轮腿曲柄驱动电机307、左后大腿驱动电机座308、左后大腿驱动电机309;所述左后大腿驱动法兰盘304和左后曲柄驱动法兰盘305一端上的凸台均置于左后固定架302内侧面上的孔中,左后固定架302内侧面上还设有用于与所述机身6铰接的凸柱,且该凸柱上套装有平面轴承303;左后大腿驱动法兰盘304的另一端用于与左后轮腿装置中大腿109的大腿摆动驱动输入端固定连接;左后曲柄驱动法兰盘305另一端用于与左后轮腿装置的轮腿驱动曲柄101固定连接;所述左后轮腿曲柄驱动电机座306通过四个螺栓与左后固定架302固接,左后轮腿曲柄驱动电机307则通过四个螺栓固接于左后轮腿曲柄驱动电机座306上,而左后轮腿曲柄驱动电机307的电机轴则通过花键与左后曲柄驱动法兰盘305上凸台内的花键槽相连接;所述左后大腿驱动电机座308通过四个螺栓与左后固定架302固接,左后大腿驱动电机309则通过四个螺栓固接于左后大腿驱动电机座308上,而左后大腿驱动电机309的电机轴则通过花键与左后大腿驱动法兰盘304上凸台内的花键槽相连接。如图6和7所示的左前轮腿驱动装置4,包括左前固定架403、左前大腿驱动法兰盘404、左前曲柄驱动法兰盘405、左前轮腿曲柄驱动电机座406、左前轮腿曲柄驱动电机407、左前大腿驱动电机座409以及左前大腿驱动电机410;所述左前大腿驱动法兰盘404与左前曲柄驱动法兰盘405一端上的凸台均置于左前固定架403上的孔中,左前大腿驱动法兰盘404和左前曲柄驱动法兰盘405位于左前固定架403外侧,左前固定架403外侧上设有用于与所述机身6铰接的凸柱;左前大腿驱动法兰盘404另一端用于与左前轮腿装置中大腿109的大腿摆动驱动输入端固定连接,左前曲柄驱动法兰盘405另一端用于与左前轮腿装置的轮腿驱动曲柄101固定连接;所述左前轮腿曲柄驱动电机座406通过四个螺栓与左前固定架403固接,左前轮腿曲柄驱动电机407则通过四个螺栓固接于左前轮腿曲柄驱动电机座406上,而左前轮腿曲柄驱动电机407的电机轴则通过花键与左前曲柄驱动法兰盘405上凸台内的花键槽相连接;所述左前大腿驱动电机座409通过四个螺栓与左前固定架403固接,左前大腿驱动电机410则通过四个螺栓固接于左前大腿驱动电机座409上,而左前大腿驱动电机410的电机轴则通过花键与左前大腿驱动法兰盘404上凸台内的花键槽相连接。左前固定架403内侧平台上设有连接板408,连接板408一端通过螺栓与左前固定架403固接,另一端则与如图8、9、图10所示的右前轮腿驱动装置5通过螺栓固接;右前轮腿驱动装置5包括右前固定架503、右前曲柄驱动法兰盘505、右前大腿驱动法兰盘506、右前大腿驱动电机座507、右前大腿驱动电机508、右前曲柄驱动电机座510以及右前曲柄驱动电机511;所述右前曲柄驱动法兰盘505以及右前大腿驱动法兰盘506一端上的凸台均置于右前固定架503外侧面上的孔中,右前固定架503的外侧面上还设有用于与所述机身6铰接的凸柱,该凸柱上还套装有平面轴承504;所述右前大腿驱动电机座507通过四个螺栓与右前固定架503固接,右前大腿驱动电机508则通过四个螺栓固接于右前大腿驱动电机座507上,而右前大腿驱动电机508的电机轴则通过花键与右前大腿驱动法兰盘506上凸台内的花键槽相连接。所述右前曲柄驱动电机座510通过四个螺栓与右前固定架503固接,右前曲柄驱动电机511则通过四个螺栓固接于右前曲柄驱动电机座510上,而右前曲柄驱动电机511的电机轴则通过花键与右前曲柄驱动法兰盘505上凸台内的花键槽相连接。
参见图11、12,机身6包括横向设置的主轴618,主轴618两端分别设有两个相互铰接的支撑杆,两个支撑杆形成一侧的机身纵梁;四个支撑杆按车身6方位分为左后腿支撑杆603、左前腿支撑杆606、右前腿支撑杆610和右后腿支撑杆612;左后腿支撑杆603和左前腿支撑杆606铰接成左侧机身纵梁,右前腿支撑杆610和右后腿支撑杆612铰接成右侧机身纵梁;位于主轴618一端的左后腿支撑杆603与主轴618形成同步转动的固定连接;其余三个支撑杆即左前腿支撑杆606、右前腿支撑杆610和右后腿支撑杆612均与主轴618形成可转动连接关系,四个支撑杆的自由端分别与对应的轮腿装置铰接;即:左后腿支撑杆603的自由端,与左后轮腿装置中左后轮腿驱动装置3的左后固定架302铰接,左后腿支撑杆603的自由端通过左后固定架302内侧面上的凸柱与左后固定架302铰接,其中平面轴承303位于左后腿支撑杆603侧面与左后固定架302的内侧面之间;左前腿支撑杆606的自由端,与左前轮腿装置中左前轮腿驱动装置4的左前固定架403铰接,左前腿支撑杆606的自由端通过左前固定架403外侧面上的凸柱与左前固定架403铰接;右前腿支撑杆610的自由端,与右前轮腿装置中右前轮腿驱动装置5的右前固定架503铰接,右前腿支撑杆610的自由端通过右前固定架503外侧面上的凸柱与右前固定架503铰接,其中平面轴承504位于右前腿支撑杆610侧面与右前固定架503的外侧面之间;右后腿支撑杆612的自由端,与右后轮腿装置中右后轮腿驱动装置2的右后固定架201铰接,右后腿支撑杆612的自由端通过右后固定架201内侧面上的凸柱与右后固定架201铰接。位于左侧的左后腿支撑杆603和左前腿支撑杆606之间形成有用于两个极限位置限位的限位结构,该限位结构分别用于左侧机身纵梁展开成水平状态和收折成竖直状态的两个极限位置限制;该极限位置限位结构包括形成在左后腿支撑杆603铰接端头上的挡块,挡块突伸在铰接端头端面,挡块通过对左前腿支撑杆606侧壁的阻挡形成两个支撑杆极限位置的限定。位于右侧的右前腿支撑杆610和右后腿支撑杆612之间形成有用于两个极限位置限位的限位结构,该限位结构分别用于右侧机身纵梁展开成水平状态和收折成竖直状态的两个极限位置限制;该极限位置限位结构包括形成在右前腿支撑杆610铰接端头上的挡块,挡块突伸在铰接端头端面,挡块通过对右后腿支撑杆612侧壁的阻挡形成两个支撑杆极限位置的限定。
变形驱动装置具有通过支撑杆和通过主轴618驱动机身纵梁收折或展开变形的两部分结构。其中,通过支撑杆驱动机身纵梁收折或展开变形的结构设有对角布置的两套,每套驱动对应侧机身纵梁中的一根支撑杆。位于左侧通过支撑杆驱动的变形驱动装置包括左后变形驱动连杆602,左后变形驱动连杆602一端铰接在所述主轴618对应端的左后腿支撑杆603中部,左后变形驱动连杆602另一端铰接有左后变形驱动曲柄601,左后变形驱动曲柄601的输入端同轴固定连接有左后变形驱动法兰盘301,左后变形驱动法兰盘301可转动的设在左后固定架302上,并位于左后固定架302内侧的左后大腿驱动法兰盘304和左后曲柄驱动法兰盘305上方,左后变形驱动法兰盘301由左后固定架302上的后腿变换驱动电机310驱动转动;该部分利用左后变形驱动曲柄601和左后变形驱动连杆602形成的两个死点状态分别对左侧机身纵梁收折或展开状态形成锁止;位于右左侧通过支撑杆驱动的变形驱动装置包括右前变形驱动连杆608,右前变形驱动连杆608一端铰接在所述主轴618对应端的右前腿支撑杆610中部,右前变形驱动连杆608一端铰接有右前变形驱动曲柄607,右前变形驱动曲柄607的输入端同轴固定连接有右前变形驱动法兰盘502,右前变形驱动法兰盘502可转动的设在右前固定架503上,并位于右前固定架503外侧的右前曲柄驱动法兰盘505和右前大腿驱动法兰盘506上方,右前变形驱动法兰盘502由右前固定架503上的前腿变换驱动电机501驱动转动;该部分利用右前变形驱动曲柄607和右前变形驱动连杆608形成的两个死点状态分别对左侧机身纵梁收折或展开状态形成锁止。
变形驱动装置通过主轴618驱动机身纵梁收折或展开变形的结构包括同轴固定连接在所述主轴618上的同步带带轮604,以及位于右前轮腿装置中右前固定架503上的同步带驱动电机509,同步带驱动电机509通过包括同步驱动带轮402、同步带带轮604和同步带605的同步带传动***驱动所述主轴618转动;四个所述支撑杆中的左后腿支撑杆603通过花键配合与所述主轴618形成同步转动的固定连接,其余三个支撑杆与主轴618形成可转动连接关系,其中,同步驱动带轮402固定连接在右前腿变形驱动法兰401上,右前腿变形驱动法兰401可转动的设在左前轮腿驱动装置4的左前固定架403上,右前腿变形驱动法兰401通过花键配合结构与同步带驱动电机509同轴等转速连接。
其中,左前腿支撑杆606利用主轴618以及两个平面推力轴承615和616与左后腿支撑杆603铰接,左前腿支撑杆606通过轴承624可转动的设在主轴618上,轴承624与两侧的平面推力轴承615和616分别设有轴承定位套625和623;右前腿支撑杆610利用主轴618和平面推力轴承619与右后腿支撑杆612铰接,右前腿支撑杆610通过轴承621可转动的设在主轴618上,轴承621两侧分别设有轴承定位套620和622;主轴618左右两端分别通过两个轴端固定螺栓613固定连接有左轴端固定盖614和右轴端固定盖611;同步带带轮604和右前腿支撑杆610之间设有轴套617。
本实施例中的电机均采用步进电机或伺服电机。
本实施例中,变形驱动装置可仅采用通过支撑杆驱动机身纵梁收折或展开变形的部分。采用此方案时,四个支撑杆均与主轴618形成铰接。显然,采用此方案时,也可仅在一侧设置用于驱动变形的曲柄连杆机构和变形驱动电机。
本实施例中,也可仅采用通过主轴618驱动机身纵梁收折或展开变形的结构。采用此方案时,四个支撑杆中的一个与主轴618等转速转动连接或固定连接,其余三个支撑杆均与主轴618形成铰接。
本发明的工作过程与原理:
四足行走时如图1所示,首先控制前腿变换驱动电机501和后腿变换驱动电机310转动,直至左后变形驱动曲柄601与左后变形驱动连杆602、处于死点位置、右前变形驱动曲柄607与右前变形驱动连杆608处于死点位置,且四个轮子驱动电机106处于使能锁死状态。此时,左后腿支撑杆603与左前腿支撑杆606正好卡住、右前腿支撑杆610与右后腿支撑杆612也正好卡住。在水平方向上,左后腿支撑杆603、左前腿支撑杆606、右前腿支撑杆610与右后腿支撑杆612处于同一平面上。然后通过控制机器人每条腿的两个驱动电机转动相应的角度,进而驱动整个轮腿运动,这样整个机器人即可走出不同的步态,包括慢步行走、小跑、奔跑等。以右后轮腿为例,控制右后大腿驱动电机204和右后轮腿曲柄驱动电机207同时协调转动,右后大腿驱动电机204驱动大腿109转动,与此同时便会带动第二连杆103、小腿107、第三连杆108移动,而右后轮腿曲柄驱动电机207驱动轮腿驱动曲柄101转动,轮腿驱动曲柄101带动第一连杆102,第一连杆102又会带动第二连杆103使其绕大腿109的铰接处转动。这样通过控制右后大腿驱动电机204和右后轮腿曲柄驱动电机207的不同转角,便可使驱动轮105端走出不同的运动轨迹。其余三条轮腿的工作原理与此相同。此种行走方式越障能力强,复杂地形适应性好,适合机器人在比较崎岖的地形工作行走。
轮式行走时,先控制右后大腿驱动电机204、右后轮腿曲柄驱动电机207、左后轮腿曲柄驱动电机307、左后大腿驱动电机309、左前轮腿曲柄驱动电机407、左前大腿驱动电机410、右前大腿驱动电机508和右前曲柄驱动电机511,这八个电机都处于使能锁死状态,这样四条轮腿都处于刚性支撑状态。其次控制四个轮子驱动电机106转动,从而驱动四个驱动轮105转动,进而驱动整机运动。当控制四个轮子驱动电机106均同向转动时,则可驱动整机前进或许后退;当控制左边轮子驱动电机与右边轮子驱动电机的转动方向相反时,则可驱动整机左转或许右转。此种行走方式控制灵活,平坦路面性能较为优越。
双腿行走时如图2而所示,首先控制前腿变换驱动电机501和后腿变换驱动电机310转动,左后变形驱动曲柄601与左后变形驱动连杆602原来的死点位置被破坏、右前变形驱动曲柄607与右前变形驱动连杆608原来的死点位置也同时被破坏,直至左后变形驱动曲柄601与左后变形驱动连杆602处于另一个死点位置、右前变形驱动曲柄607与右前变形驱动连杆608也处于另一个死点位置,与此同时,固定于右前固定架503上的同步带驱动电机509转动,驱动同步驱动带轮402转动,进而带动同步带605动作,通过同步带605使左后腿支撑杆603与左前腿支撑杆606在其相互铰接处以主轴618为旋转中心发生相对转动;右后腿支撑杆612与右前腿支撑杆610在其相互铰接处也以轴主618为旋转中心发生相对转动,直至四个驱动轮105的轴线均处于同一直线上。此外且四个轮子驱动电机106仍处于使能锁死状态。然后还需控制左前轮腿曲柄驱动电机407与右前曲柄驱动电机511同步转动工作、左前大腿驱动电机410与右前大腿驱动电机508同步转动工作,也即使左前轮腿与右前轮腿的运动完全同步,将其固接为一条腿。同理,控制右后大腿驱动电机204与左后大腿驱动电机309同步转动工作、右后轮腿曲柄驱动电机207与左后轮腿曲柄驱动电机307也同步转动工作,将左后轮腿与右后轮腿固接为一条腿。这样原来四条轮腿的机器人就变形为两条双轮腿的机器人。最后是驱动双轮腿机器人行走,在控制右后大腿驱动电机204和右后轮腿曲柄驱动电机207的不同转角,使驱动轮105足端走出不同的运动轨迹的同时控制。同步带驱动电机509转动,驱动同步驱动带轮402转动,进而带动同步带605动作,通过同步带605使左后腿支撑杆603与左前腿支撑杆606在其相互铰接处以主轴618为旋转中心发生相对转动、右后腿支撑杆612与右前腿支撑杆610在其相互铰接处也以主轴618为旋转中心发生相对转动,最后带动整条双轮腿足向前迈,一条双轮腿足向前迈出后,同样地同步带驱动电机509又带动另一条双轮腿足往前迈,如此反复循环下去,最终实现两条双轮腿足的行走。此种行走方式相比之下更适合机器人上下台阶、跨越沟壑等崎岖复杂地形。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解,本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此,凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案,皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。
Claims (10)
1.一种多行走方式轮腿式机器人,包括前后左右分布的四个轮腿装置,四轮腿装置连接在同一机身(6)上;其特征在于,所述轮腿装置与所述机身(6)铰接,两侧轮腿装置对称设置,后方的两轮腿装置之间具有收纳前方两轮腿装置的空间;所述机身(6)呈可收折的折叠结构,以通过机身(6)收折缩减前后轮腿之间轴距;机身(6)上还连接有用于收折和展开的变形驱动装置。
2.根据权利要求1所述的多行走方式轮腿式机器人,其特征在于,所述机身(6)包括横向设置的主轴(618),主轴(618)两端分别设有两个相互铰接的支撑杆,两个支撑杆形成一侧的机身纵梁,四个支撑杆的自由端分别与对应的轮腿装置铰接;同一机身纵梁的两个支撑杆之间形成有用于两个极限位置限位的限位结构,两个极限位置限位结构分别用于机身纵梁展开成水平状态和收折成竖直状态的两个极限位置限制;变形驱动装置具有通过支撑杆和/或通过主轴(618)驱动机身纵梁收折或展开变形的结构。
3.根据权利要求2所述的多行走方式轮腿式机器人,其特征在于,通过支撑杆驱动机身纵梁收折或展开变形的所述变形驱动装置设有呈对角分布的两套,该变形驱动装置包括变形驱动连杆,变形驱动连杆一端铰接在所述主轴(618)对应端的任一支撑杆中部,变形驱动连杆另一端铰接有变形驱动曲柄,并利用变形驱动曲柄和变形驱动连杆形成的两个死点状态分别对所述机身纵梁收折或展开状态形成锁止。
4.根据权利要求2所述的多行走方式轮腿式机器人,其特征在于,通过所述主轴(618)驱动机身纵梁收折或展开变形的所述变形驱动装置包括同轴固定连接在所述主轴(618)上的同步带带轮(604),以及位于任一轮腿装置上的同步带驱动电机(509),同步带驱动电机(509)通过包括同步驱动带轮(402)、同步带带轮(604)和同步带(605)的同步带传动***驱动所述主轴(618)转动;四个所述支撑杆中的一个与所述主轴(618)形成同步转动的固定连接,其余三个支撑杆与主轴(618)形成可转动连接关系。
5.根据权利要求2所述的多行走方式轮腿式机器人,其特征在于,所述极限位置限位结构包括形成在任一支撑杆铰接端头上的挡块,挡块突伸在铰接端头端面,挡块通过对另一支撑杆侧壁的阻挡形成两个支撑杆极限位置的限定。
6.根据权利要求1~5中任意一项所述的多行走方式轮腿式机器人,其特征在于,所述轮腿装置由轮腿(1)和轮腿驱动装置组成,轮腿驱动装置与所述机身(6)铰接;轮腿(1)下端设有轮式移动驱动装置,且轮式移动驱动装置具有刹车***。
7.根据权利要求6所述的多行走方式轮腿式机器人,其特征在于,所述轮腿(1)包括轮腿驱动曲柄(101)、第一连杆(102)、第二连杆(103)、小腿(107)、第三连杆(108)和大腿(109);所述第一连杆(102)的一端与所述轮腿驱动曲柄(101)铰接,另一端与所述第二连杆(103)的一端铰接,第二连杆(103)另一端与所述小腿(107)的中部铰接,第二连杆(103)的中部与所述大腿(109)的一端铰接,大腿(109)中部与小腿(107)上端之间铰接有所述第三连杆(108),第三连杆(108)与所述第二连杆(103)平行,大腿(109)另一端构成大腿摆动驱动输入端;所述轮腿驱动曲柄(101)构成所述小腿(107)摆动驱动输入端;所述轮式移动驱动装置设在小腿(107)下端。
8.根据权利要求6所述的多行走方式轮腿式机器人,其特征在于,所述轮式移动驱动装置包括驱动轮(105)和轮子驱动电机(106),驱动轮(105)设在所述小腿(107)下端形成的U形叉结构内,驱动轮(105)由轮子驱动电机(106)驱动转动,该轮子驱动电机(106)具有刹车***。
9.根据权利要求6所述的多行走方式轮腿式机器人,其特征在于,所述轮腿驱动装置包括与所述机身(6)铰接的固定架,固定架外侧可转动的设有大腿驱动法兰盘和曲柄驱动法兰盘;大腿驱动法兰盘用于与所述大腿摆动驱动输入端固定连接,并由大腿驱动电机驱动转动;曲柄驱动法兰盘用于与所述轮腿驱动曲柄(101)固定连接,并由曲柄驱动电机转动;大腿驱动电机和曲柄驱动电机均设在固定架内侧。
10.根据权利要求9所述的多行走方式轮腿式机器人,其特征在于,所述大腿驱动电机和曲柄驱动电机均通过对应的电机座固定连接在所述固定架上。
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