CN110481670A - 一种轮腿混合式六足机器人 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种轮腿混合式六足机器人，包括车架，刹车***和6个轮副，刹车***包括电机、刹车运动机构和刹车泵，刹车运动机构包括固定框架和传动机构，其中，传动机构包括丝杆传动机构和传动引导机构，轮副包括轮系、轮系转向***、步态运动***和H杆系，其中，轮系转向***包括伺服电机、固定座、紧固板、第一短轴、联轴器、第二短轴、上下弓板和轴承座，步态运动***，包括步态调节结构和缓冲结构，其中，步态调节结构包括推杆电机、转连板、上下转板、推杆支架、转轴、轴承座和固定板，缓冲结构包括支撑架、减震叉、上下连接头、缓冲连接头、上连接杆、H连接杆、减震器和限位条；本发明可用于侦查和救援等高难度作业。

Description

一种轮腿混合式六足机器人
技术领域
本发明属于机器人技术领域，具体涉及一种轮腿混合式六足机器人，可用于侦查和救援等高难度作业。
背景技术
六足机器人运动方式多为轮式和腿式，轮式六足机器人移动速度快，能量利用率高，但越障能力差，腿式六足机器人越障能力强，地形适应性强，但能量利用率低。轮腿混合式六足机器人兼具轮式和腿式的优点，具有较强的地形适应性和越障能力、较高的能量利用率和稳定性、较快的移动速度和反应能力，同时利弊互补，弥补各自的不足。但是现有的轮腿结合式机器人多采用关节式机械腿，且包含繁复的轮腿切换机构，其结构复杂以及控制难度高，导致六足机器人稳定性差，运动范围小，强度低和运动规划繁琐，特别是在军事战争和消防救灾等高强度作业环境中难以实现预期目标。
例如，哈尔滨工业大学深圳研究生院在其申请的名称为“一种轮腿复合式六足机器人移动平台”(申请号201510627562.3，申请公布号CN105151153A)的专利文献中，公开了一种轮腿复合式六足机器人移动平台，包括躯干及在所述躯干两侧设置的多足移动机构，躯干的底面设置有轮式移动机构，所述轮式移动机构包括两个对称设置的前轮；该发明转向的前轮布置在机器人前侧，前足的各舵机用于控制前轮转向，提供转向动力，使得前轮借用腿部舵机转向，减少了驱动力；但是各单腿机构采用关节式结构，使得控制难度大，承载能力弱，同时处于腿式模式时单腿摆动范围小，越障能力弱，且包含轮腿切换结构，轮腿切换复杂。
例如，浙江工业大学在其申请的名称为“一种集固定、原地转向功能的轮腿式六足机器人”(申请号201910177891.0，申请公布号CN109774816A)的专利文献中，公开了一种集固定、原地转向功能的轮腿式六足机器人，包括上板、下板、上下板连接件、支撑件结构、轮腿驱动装置和轮腿结构，轮腿驱动装置连接轮腿结构并驱动轮腿结构运动；该发明集成了固定和原地转向功能；但是该机器人只能实现简单的运动方式，无法实现全方位运动，适用范围窄。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术中存在的不足，提出了一种轮腿混合式六足机器人，用于解决六足机器人轮腿机构承载能力弱，轮腿切换复杂，以及单腿摆动范围小的技术问题。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案包括如下：
一种轮腿混合式六足机器人，包括车架1、刹车***2和六个轮副3，其中：
所述车架1，包括车架框体11和车架外罩12；
所述车架框架11，包括长方形框架111和纵梁112；所述长方形框架111由长梁 111和横梁112组成，该长梁111和横梁112分别位于车架框架11的顶面和底面；所述车架外罩12，包括四个电池防护盒121、六个侧护板122、车顶防护盖123、第一防护板124和第二防护板125；所述电池防护盒121位于车架框架11侧面；所述侧护板122位于六个轮副3的上方；所述第一防护板124和第二防护板125分别位于车架框架11的前后端面；
所述刹车***2，包括电机21、刹车运动机构22和刹车泵23；所述刹车运动机构22包括固定框架221和传动机构222；所述固定框架221由电机固定座2211、底板2212、顶板2213、轴承座2214、支撑座2215和刹车固定板2216组成；所述底板 2212的上表面和顶板2213下表面分别与电机固定座2211、轴承座2214、支撑座2215 和刹车固定板2216连接；所述传动机构222包括丝杆传动机构2221和传动引导机构 2222；所述丝杆传动机构2221由联轴器22211、丝杆22212、端盖22213、锁紧螺母 22214、轴承22215、丝杆螺母22216和轴承22217组成；所述联轴器22211与丝杆 22212和电机21的轴连接，所述端盖22213与轴承座2214固定，所述轴承22215安装于轴承座2214，所述锁紧螺母22214连接于丝杆22212上，该锁紧螺母22214压紧轴承22215的内圈，所述丝杆螺母22216与第一滑块22222连接，该丝杆22212穿过轴承22215和丝杆螺母22216，所述轴承22217安装于支撑座2215，且丝杆(22212)的末端压紧轴承22217内圈；所述传动引导机构2222包括导向杆22221、第一滑块 22222、直线轴承22223、第二滑块22224、压轴22225、第一连接板22226和第二连接板22227；所述导向杆22221两端分别与轴承座2214和支撑座2215固定，所述直线轴承22223分别与第一滑块22222和第二滑块22224固定，该导向杆22221穿过直线轴承22223和支撑座2215，所述压轴22225与第二滑块22224固定，所述第一连接板22226和第二连接板22227分别与第一滑块22222和第二滑块22224的上下表面固定；
所述六个轮副3分别包括三对相同的轮副31，其中，每个轮副包括轮系311、轮系转向***312、步态运动***313和H杆系314；所述每对轮副关于x轴线方向对称分布；所述六个轮3分别沿x轴线方向等距布置于车架框体11的侧面；
所述轮系311，包括橡胶轮3111、轮毂电机3112、刹车碟片3113、刹车枪架3114、止转板3115、第一轮毂连接板3116、螺母3117、第二轮毂连接板3118和连接板3119；所述止转板3115固定在第一轮毂连接板3116上，所述刹车碟片3113固定于橡胶轮 3111上，所述第一轮毂连接板3116与第二轮毂连接板3118通过连接板3119连接，所述橡胶轮3111的轮轴穿过第一轮毂连接板3116和第二轮毂连接板3118，且通过螺母3117固定；
所述轮系转向***312,包括伺服电机3121，固定座3122，紧固板3123、第一短轴3124、联轴器3125、第二短轴3126、上弓板3127、下弓板3128和轴承座3129；所述伺服电机3121固定于固定座3122上，该固定座3122固定于紧固板3123上，所述第一短轴3124通过联轴器3125与第二短轴3126连接，所述轴承座3129固定于紧固板3123上，所述第二短轴3126固定于下弓板3128上，且穿过轴承座3129，所述下弓板3128固定于第二轮毂连接板3118上；
所述步态运动***313，包括步态调节结构3131和缓冲结构3132；所述步态调节结构3131包括第一推杆电机31311、转连板31312、上转板31313、第二推杆电机 31314、推杆支架31315、下转板31316、转轴31317、轴承座31318和固定板31319；所述第一推杆电机31311的固定端固定于车架框体11，该第一推杆电机31311的自由端与转连板31312连接，所述转连板31312与上转板31313固定，该上转板31313 与固定板31319固定，所述第二推杆电机31315的固定端与推杆支架31315固定，且第二推杆电机31315的自由端与减震叉31322连接，所述推杆支架31315与下转板 31316连接，该下转板31316与固定板31319固定，所述轴承座31318与H杆系314 固定，所述转轴31317固定于下转板31316，且穿过轴承座31318；所述缓冲结构3132 包括支撑架31321、减震叉31322、上连接头31323、下连接头31324、缓冲连接头 31325、上连接杆31326、H连接杆31327、减震器31328和限位条31329；所述支撑架31321一端与固定板31319连接，另一端与减震叉31322连接，所述上连接头31323 和下连接头31324分别与固定板31319和紧固板323连接，所述上连接杆31326与上连接头31323连接，所述H连接杆31327与下连接头31324连接，所述缓冲连接头 31325与H连接杆31327固定，所述减震器31328一端与缓冲连接头31325连接，另一端与减震叉31322连接，所述限位条31329两端分别与缓冲连接头31325和减震叉 31322连接；
所述H杆系314与车架框体11固定连接。
上述权利要求中，所述导向杆22221的数量为两根，该导向杆22221的长度相等且位于xy平面相互平行。
上述权利要求中，所述每个轮副包括两个平行布置的减震器31328，所述上连接杆31326位于两个减震器31328中间。
上述权利要求中，所述上连接杆31326与H连接杆31327构成平行四边形结构。
上述权利要求中，所述电机21的轴线与丝杆22212和压轴22225的轴线重合。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1.本发明的步态运动***，将推杆电机安置于车架内部，轮腿结构全部置于车架外部，通过调节上连接杆与H连接杆构成的平行四边形结构，能够实现轮腿结构大范围摆动。
2.本发明的轮副，通过调整步态运动***和轮系转向***，在腿式模式时能够实现左右攀爬平移运动，在轮式模式时通过轮系转向***实现90°范围的转向运动，同时轮系在90°时能够实现左右平移运动，该六足机器人能够实现全方位运动。
3.本发明轮副的缓冲机构，采用平行四边形并联机构，使得承载能力强，能够适应艰难复杂的工作环境。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图；
图2是本发明的车架框体结构示意图；
图3是本发明的车架外罩结构示意图；
图4本发明的刹车***整体结构示意图；
图5是本发明的固定框架结构示意图；
图6是本发明的传动机构整体结构示意图；
图7是本发明的丝杆传动机构和传动引导机构结构示意图；
图8是本发明的轮副整体结构示意图；
图9是本发明的轮系和轮系转向***结构示意图；
图10是本发明的步态运动***结构示意图；
图11是本发明的步态运动模式结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，对本发明作进一步详细描述：
参照图1，一种轮腿混合式六足机器人，包括车架1、刹车***2和六个轮副3，其中：
所述车架1，包括车架框体11和车架外罩12；
参照图2、3，所述车架框架11，包括长方形框架111和纵梁112；所述长方形框架111由长梁111和横梁112组成，该长梁111和横梁112分别位于车架框架11 的顶面和底面；所述车架外罩12，包括四个电池防护盒121、六个侧护板122、车顶防护盖123、第一防护板124和第二防护板125；所述电池防护盒121位于车架框架 11侧面；所述侧护板122位于六个轮副3的上方；所述第一防护板124和第二防护板125分别位于车架框架11的前后端面；
参照图4、5、6、7，所述刹车***2，包括电机21、刹车运动机构22和刹车泵 23；所述刹车运动机构22包括固定框架221和传动机构222；所述固定框架221由电机固定座2211、底板2212、顶板2213、轴承座2214、支撑座2215和刹车固定板 2216组成；所述底板2212的上表面和顶板2213下表面分别与电机固定座2211、轴承座2214、支撑座2215和刹车固定板2216连接；所述传动机构222包括丝杆传动机构2221和传动引导机构2222；所述丝杆传动机构2221由联轴器22211、丝杆22212、端盖22213、锁紧螺母22214、轴承22215、丝杆螺母22216和轴承22217组成；所述联轴器22211与丝杆22212和电机21的轴连接，所述端盖22213与轴承座2214固定，所述轴承22215安装于轴承座2214，所述锁紧螺母22214连接于丝杆22212上，该锁紧螺母22214压紧轴承22215的内圈，所述丝杆螺母22216与第一滑块22222连接，该丝杆22212穿过轴承22215和丝杆螺母22216，所述轴承22217安装于支撑座 2215，且丝杆(22212)的末端压紧轴承22217内圈；所述传动引导机构2222包括导向杆22221、第一滑块22222、直线轴承22223、第二滑块22224、压轴22225、第一连接板22226和第二连接板22227；所述导向杆22221两端分别与轴承座2214和支撑座2215固定，所述直线轴承22223分别与第一滑块22222和第二滑块22224固定，该导向杆22221穿过直线轴承22223和支撑座2215，所述压轴22225与第二滑块22224 固定，所述第一连接板22226和第二连接板22227分别与第一滑块22222和第二滑块 22224的上下表面固定；
参照图8，所述六个轮副3分别包括三对相同的轮副31，其中，每个轮副包括轮系311、轮系转向***312、步态运动***313和H杆系314；所述每对轮副关于x 轴线方向对称分布；所述六个轮3分别沿x轴线方向等距布置于车架框体11的侧面；
参照图9，所述轮系311，包括橡胶轮3111、轮毂电机3112、刹车碟片3113、刹车枪架3114、止转板3115、第一轮毂连接板3116、螺母3117、第二轮毂连接板 3118和连接板3119；所述止转板3115固定在第一轮毂连接板3116上，所述刹车碟片3113固定于橡胶轮3111上，所述第一轮毂连接板3116与第二轮毂连接板3118通过连接板3119连接，所述橡胶轮3111的轮轴穿过第一轮毂连接板3116和第二轮毂连接板3118，且通过螺母3117固定；
所述轮系转向***312,包括伺服电机3121，固定座3122，紧固板3123、第一短轴3124、联轴器3125、第二短轴3126、上弓板3127、下弓板3128和轴承座3129；所述伺服电机3121固定于固定座3122上，该固定座3122固定于紧固板3123上，所述第一短轴3124通过联轴器3125与第二短轴3126连接，所述轴承座3129固定于紧固板3123上，所述第二短轴3126固定于下弓板3128上，且穿过轴承座3129，所述下弓板3128固定于第二轮毂连接板3118上；
参照图10，所述步态运动***313，包括步态调节结构3131和缓冲结构3132；所述步态调节结构3131包括第一推杆电机31311、转连板31312、上转板31313、第二推杆电机31314、推杆支架31315、下转板31316、转轴31317、轴承座31318和固定板31319；所述第一推杆电机31311的固定端固定于车架框体11，该第一推杆电机 31311的自由端与转连板31312连接，所述转连板31312与上转板31313固定，该上转板31313与固定板31319固定，所述第二推杆电机31315的固定端与推杆支架31315 固定，且第二推杆电机31315的自由端与减震叉31322连接，所述推杆支架31315与下转板31316连接，该下转板31316与固定板31319固定，所述轴承座31318与H杆系314固定，所述转轴31317固定于下转板31316，且穿过轴承座31318；所述缓冲结构3132包括支撑架31321、减震叉31322、上连接头31323、下连接头31324、缓冲连接头31325、上连接杆31326、H连接杆31327、减震器31328和限位条31329；所述支撑架31321一端与固定板31319连接，另一端与减震叉31322连接，所述上连接头31323和下连接头31324分别与固定板31319和紧固板323连接，所述上连接杆 31326与上连接头31323连接，所述H连接杆31327与下连接头31324连接，所述缓冲连接头31325与H连接杆31327固定，所述减震器31328一端与缓冲连接头31325 连接，另一端与减震叉31322连接，所述限位条31329两端分别与缓冲连接头31325 和减震叉31322连接；
参照图10，所述H杆系314与车架框体11固定连接。
本发明工作原理为：
参照图11，
本发明的轮腿混合式六足机器人，在腿式模式时，所述刹车***2的电机21的电机轴顺时针转动，带动丝杆22212在丝杆螺母22216转动，使得第一滑块22222向靠近刹车泵23的方向运动，最终使得六个轮副3刹车切换为腿式运动；此时机器人通过调整步态运动***313的第一推杆电机31311和第二推杆电机31315的运动来改变机器人步态运动方式，特别是本发明的机器人可以通过调整步态运动***313实现机器人左右攀爬平移运动；例如，当机器人以三足步态运动时，此时机器人六条腿分为左前轮副、左后轮副、右中轮副和右前轮副、右后轮副、左中轮副两组，当机器人行走时，每一步有三条腿支撑地面，形成稳定的三角形支撑结构，同时另外三条腿快速向前迈进、落地并形成新的三角形支撑，如此交替运动；在轮式模式时，所述轮系 311的轮毂电机3112带动橡胶轮3111转动，此时机器人通过轮系转向***312的驱动伺服电机3121转动实现机器人全方位转向运动，特别是该发明的机器人可以通过驱动伺服电机3121使得橡胶轮3111转动90°，使得机器人实现轮式左右平移运动；此外，本发明机器人在遇到艰难复杂路况腿式运动时，通过驱动刹车***2使得机器人快速转变为轮式运动给机器人增加了动力，使其适应更加复杂困难的路况。
所述导向杆22221的数量为两根，该导向杆22221的长度相等且位于xy平面相互平行。
所述每个轮副包括两个平行布置的减震器31328，所述上连接杆31326位于两个减震器31328中间。
所述上连接杆31326与H连接杆31327构成平行四边形结构，该机构为并联机构，使得机器人的轮副3承载能力强。
所述电机21的轴线与丝杆22212和压22225的轴线重合。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种轮腿混合式六足机器人，包括车架(1)、刹车***(2)和六个轮副(3)，其中：
所述车架(1)，包括车架框体(11)和车架外罩(12)；
所述车架框架(11)，包括长方形框架(111)和纵梁(112)；所述长方形框架(111)由长梁(111)和横梁(112)组成，该长梁(111)和横梁(112)分别位于车架框架(11)的顶面和底面；所述车架外罩(12)，包括四个电池防护盒(121)、六个侧护板(122)、车顶防护盖(123)、第一防护板(124)和第二防护板(125)；所述电池防护盒(121)位于车架框架(11)侧面；所述侧护板(122)位于六个轮副(3)的上方；所述第一防护板(124)和第二防护板(125)分别位于车架框架(11)的前后端面；
其特征在于：
所述刹车***(2)，包括电机(21)、刹车运动机构(22)和刹车泵(23)；所述刹车运动机构(22)包括固定框架(221)和传动机构(222)；所述固定框架(221)由电机固定座(2211)、底板(2212)、顶板(2213)、轴承座(2214)、支撑座(2215)和刹车固定板(2216)组成；所述底板(2212)的上表面和顶板(2213)下表面分别与电机固定座(2211)、轴承座(2214)、支撑座(2215)和刹车固定板(2216)连接；所述传动机构(222)包括丝杆传动机构(2221)和传动引导机构(2222)；所述丝杆传动机构(2221)由联轴器(22211)、丝杆(22212)、端盖(22213)、锁紧螺母(22214)、轴承(22215)、丝杆螺母(22216)和轴承(22217)组成；所述联轴器(22211)与丝杆(22212)和电机(21)的轴连接，所述端盖(22213)与轴承座(2214)固定，所述轴承(22215)安装于轴承座(2214)，所述锁紧螺母(22214)连接于丝杆(22212)上，该锁紧螺母(22214)压紧轴承(22215)的内圈，所述丝杆螺母(22216)与第一滑块(22222)连接，该丝杆(22212)穿过轴承(22215)和丝杆螺母(22216)，所述轴承(22217)安装于支撑座(2215)，且丝杆(22212)的末端压紧轴承(22217)内圈；所述传动引导机构(2222)包括导向杆(22221)、第一滑块(22222)、直线轴承(22223)、第二滑块(22224)、压轴(22225)、第一连接板(22226)和第二连接板(22227)；所述导向杆(22221)两端分别与轴承座(2214)和支撑座(2215)固定，所述直线轴承(22223)分别与第一滑块(22222)和第二滑块(22224)固定，该导向杆(22221)穿过直线轴承(22223)和支撑座(2215)，所述压轴(22225)与第二滑块(22224)固定，所述第一连接板(22226)和第二连接板(22227)分别与第一滑块(22222)和第二滑块(22224)的上下表面固定；
所述六个轮副(3)分别包括三对相同的轮副(31)，其中，每个轮副包括轮系(311)、轮系转向***(312)、步态运动***(313)和H杆系(314)；所述每对轮副关于x轴线方向对称分布；所述六个轮副(3)分别沿x轴线方向等距布置于车架框体(11)的侧面；
所述轮系(311)，包括橡胶轮(3111)、轮毂电机(3112)、刹车碟片(3113)、刹车枪架(3114)、止转板(3115)、第一轮毂连接板(3116)、螺母(3117)、第二轮毂连接板(3118)和连接板(3119)；所述止转板(3115)固定在第一轮毂连接板(3116)上，所述刹车碟片(3113)固定于橡胶轮(3111)上，所述第一轮毂连接板(3116)与第二轮毂连接板(3118)通过连接板(3119)连接，所述橡胶轮(3111)的轮轴穿过第一轮毂连接板(3116)和第二轮毂连接板(3118)，且通过螺母(3117)固定；
所述轮系转向***(312),包括伺服电机(3121)、固定座(3122)、紧固板(3123)、第一短轴(3124)、联轴器(3125)、第二短轴(3126)、上弓板(3127)、下弓板(3128)和轴承座(3129)；所述伺服电机(3121)固定于固定座(3122)上，该固定座(3122)固定于紧固板(3123)上，所述第一短轴(3124)通过联轴器(3125)与第二短轴(3126)连接，所述轴承座(3129)固定于紧固板(3123)上，所述第二短轴(3126)固定于下弓板(3128)上，且穿过轴承座(3129)，所述下弓板(3128)固定于第二轮毂连接板(3118)上；
所述步态运动***(313)，包括步态调节结构(3131)和缓冲结构(3132)；所述步态调节结构(3131)包括第一推杆电机(31311)、转连板(31312)、上转板(31313)、第二推杆电机(31314)、推杆支架(31315)、下转板(31316)、转轴(31317)、轴承座(31318)和固定板(31319)；所述第一推杆电机(31311)的固定端固定于车架框体(11)，该第一推杆电机(31311)的自由端与转连板(31312)连接，所述转连板(31312)与上转板(31313)固定，该上转板(31313)与固定板(31319)固定，所述第二推杆电机(31315)的固定端与推杆支架(31315)固定，且第二推杆电机(31315)的自由端与减震叉(31322)连接，所述推杆支架(31315)与下转板(31316)连接，该下转板(31316)与固定板(31319)固定，所述轴承座(31318)与H杆系(314)固定，所述转轴(31317)固定于下转板(31316)，且穿过轴承座(31318)；所述缓冲结构(3132)包括支撑架(31321)、减震叉(31322)、上连接头(31323)、下连接头(31324)、缓冲连接头(31325)、上连接杆(31326)、H连接杆(31327)、减震器(31328)和限位条(31329)；所述支撑架(31321)一端与固定板(31319)连接，另一端与减震叉(31322)连接，所述上连接头(31323)和下连接头(31324)分别与固定板(31319)和紧固板(323)连接，所述上连接杆(31326)与上连接头(31323)连接，所述H连接杆(31327)与下连接头(31324)连接，所述缓冲连接头(31325)与H连接杆(31327)固定，所述减震器(31328)一端与缓冲连接头(31325)连接，另一端与减震叉(31322)连接，所述限位条(31329)两端分别与缓冲连接头(31325)和减震叉(31322)连接；
所述H杆系(314)与车架框体(11)固定连接。
2.根据权利要求1所述的轮腿混合式六足机器人，其特征在于：所述导向杆(22221)的数量为两根，该导向杆(22221)的长度相等且位于xy相互平行。
3.根据权利要求1所述的轮腿混合式六足机器人，其特征在于：所述每个轮副包括两个平行布置的减震器(31328)，所述上连接杆(31326)位于两个减震器(31328)中间。
4.根据权利要求1所述的轮腿混合式六足机器人，其特征在于：所述上连接杆(31326)与H连接杆(31327)构成平行四边形结构。
5.根据权利要求1所述的轮腿混合式六足机器人，其特征在于：所述电机(21)的轴线与丝杆(22212)和压轴(22225)的轴线重合。
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