CN112389562A - 一种中间腿足机构及其轮足式机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种中间腿足机构及其轮足式机器人，包括旋转执行器、大腿杆、小腿杆和足，旋转执行器设置于车体上，旋转执行器与大腿杆上端连接，大腿杆的下端与小腿杆的上端铰接，足与小腿杆的下端连接，旋转执行器与大腿杆之间连接有主动推拉机构，大腿杆与小腿杆之间连接有滑移推拉机构。本发明为机器人提供支撑，协助机器人行走越障，提高机器人的通过性和稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及机器人技术领域，具体涉及一种中间腿足机构及其轮足式机器人。
背景技术
随着时代的发展与进步，多足机器人的可靠性和灵活性使得其被广泛地应用于诸多领域。其中四足机器人在多足机器人中占据重要地位，四足机器人弥补了两足机器人缺乏一定平稳特征和负载性的缺点，同时又防止了六足、八足机器人结构繁琐，控制困难的问题。因此四足机器人的探索和发展可以产生重大的社会效用和内涵，而目前四足机器人本身也存在着一些问题，如平稳性不足六足、八足机器人，因此通过性也存在一定的缺陷。为解决此问题，本专利提出一种中间腿足机构，为机器人提供各个方向的支撑，辅助机器人行走越障，提高四足机器人的稳定性、负载性和通过性，同时不影响高度运动时的步态，相对六足机器人降低了一定的控制难度。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，针对现有技术存在的上述缺陷，提供了一种中间腿足机构及其轮足式机器人，为机器人提供支撑，协助机器人行走越障，提高机器人的通过性和稳定性。
本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：
一种中间腿足机构及其轮足式机器人，包括旋转执行器、大腿杆、小腿杆和足，旋转执行器设置于车体上，旋转执行器与大腿杆上端连接，大腿杆的下端与小腿杆的上端铰接，足与小腿杆的下端连接，旋转执行器与大腿杆之间连接有主动推拉机构，大腿杆与小腿杆之间连接有滑移推拉机构。
按照上述技术方案，旋转执行器包括安装盘、安装法兰和关节电机，关节电机固设于车体上，关节电机的输出端与安装盘连接，安装法兰与安装盘连接固定，大腿杆的一端与安装法兰铰接，关节电机驱动安装盘及安装法兰带动大腿相对车体旋转。
按照上述技术方案，主动推拉机构为主动推拉杆，主动推拉杆的一端与安装法兰铰接，另一端与大腿杆铰接。
按照上述技术方案，滑移推拉机构包括主动丝杆滑台和刚性杆，主动丝杆滑台固设于大腿杆上，刚性杆的一端与主动丝杆滑台上的滑台铰接，另一端与小腿杆铰接。
按照上述技术方案，主动丝杆滑台的丝杆与大腿杆的长度方向平行。
按照上述技术方案，大腿杆包括两个平行的大腿板，两个大腿板的两端通过连杆相互连接，主动推拉机构和滑移推拉机构均布置于两个大腿板之间。
按照上述技术方案，足通过销轴与小腿杆铰接，足的横截面为半圆形或扇形，足的弧形外表面布置有防滑纹路橡胶。
一种轮步式机器人，包括以上所述的中间腿足机构。
按照上述技术方案，所述的轮步式机器人还包括整车控制器和传感器，主动推拉机构为主动推拉杆，滑移推拉机构为主动丝杆滑台，整车控制器分别与传感器、主动推拉杆和主动丝杆滑台连接，所述的中间腿足机构布置于机器人车体的前端和后端，机器人车体的四角布置有腿轮。
按照上述技术方案，当机器人处于平坦的道路需要快速通过时，所述的中间腿足机构选择中腿收起模式通过，当处于复杂路面上时，所述的中间腿足机构选择中腿协助行走模式通过，当遇到壕沟、垂直障碍等需要越障的情况时，所述的中间腿足机构选择中腿协助越障模式通过，当处于有较大侧倾坡度的路面时，所述的中间腿足机构选择中腿支撑模式通过；
中腿收起模式下，主动推拉杆和主动丝杆滑台运动到一定位置，足离地，大腿杆倾斜，小腿杆平行于地面；
中腿协助行走模式下，主动推拉杆和主动丝杆滑台接受整车控制器的信号协同运动，控制所述的中间腿足机构协助机器人行走，与机器人的四条腿轮协同完成不同的行走步态；
中腿协助越障模式下，主动推拉杆和主动丝杆滑台接受整车控制器的信号，在越障时，安装在前段的中间腿足机构先行越障，主动推拉杆回程到一定位置抬起大腿杆，主动丝杆滑台去程到一定位置抬伸小腿杆，前端中间腿足机构的足触地完成越障后，传感器信号反馈至整车控制器，前端中间腿足机构的主动推拉杆和主动丝杆滑台反向运动，将机器人抬起，此时安装在后端中间腿足机构放下，支撑机器人抬起，当机器人完成越障，四腿轮触地时，传感器信号反馈至整车控制器，后端中间腿抬起，整车越障完成；
中腿支撑模式下，当机器人机身出现了较大的侧倾度，整车控制器接传感器反馈信号，调整后传送至所述的中间腿足机构的旋转执行器带动大腿杆及小腿杆旋转至侧倾方向，主动推拉杆和主动丝杆滑台协同作用放下中腿，支撑机器人防止其侧翻。
本发明具有以下有益效果：
1、本发明为机器人提供支撑，协助机器人行走越障，提高机器人的通过性和稳定性。
2、所述的中间腿足机构，安装在四足机器人前段和后端的中间位置，包括了四种工作模式，并可根据机器人行进状态主动进行切换，实现了机器人四足—六足的可切换模式，四足模式，即中腿收起模式，降低了控制难度，保证了一定的前行速度；六足模式，即中腿支撑、协助越障、协助行走模式，提高了机器人的负载性以及在复杂地形下行进的通过性和稳定性，提高了机器人适应地形的能力。
附图说明
图1是本发明实施例中中间腿足机构的结构示意图；
图2是本发明实施例中轮步式机器人的结构示意图；
图中，1-前段中间腿足机构，2-后端中间腿足机构，3-关节电机，4-安装法兰，5-安装盘，6-主动电推杆，7-大腿杆，8-主动丝杆滑台，9-刚性杆，10-小腿杆，11-足。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。
参照图1～图2所示，本发明提供的一个实施例中的一种中间腿足机构，包括旋转执行器、大腿杆7、小腿杆10和足11，旋转执行器设置于车体上，旋转执行器与大腿杆7上端连接，大腿杆7的下端与小腿杆10的上端铰接，足11与小腿杆10的下端连接，旋转执行器与大腿杆7之间连接有主动推拉机构，大腿杆7与小腿杆10之间连接有滑移推拉机构。
进一步地，旋转执行器包括安装盘5、安装法兰4和关节电机3，关节电机3固设于车体上，关节电机3的输出端与安装盘5连接，安装法兰4与安装盘5连接固定，大腿杆7的一端与安装法兰4铰接，关节电机3驱动安装盘5及安装法兰4带动大腿相对车体旋转，从而实现各个方向的支撑，包括在机器人通过侧斜坡式提供侧向支撑，提高机器人的稳定性。
进一步地，关节电机3为伺服电机。
进一步地，主动推拉机构为主动推拉杆，主动推拉杆的一端与安装法兰4铰接，另一端与大腿杆7铰接；主动推拉杆能够驱动所述大腿杆7相对所述安装法兰在大腿杆7所在平面一定角度内转动。
进一步地，主动推拉杆为主动电推杆6。
进一步地，滑移推拉机构包括主动丝杆滑台8和刚性杆9，主动丝杆滑台8固设于大腿杆7上，刚性杆9的一端与主动丝杆滑台8上的滑台铰接，另一端与小腿杆10铰接；主动丝杆滑台8驱动所述小腿杆10相对所述大腿在一定角度内转动。
进一步地，主动丝杆滑台8的丝杆与大腿杆7的长度方向平行。
进一步地，大腿杆7包括两个平行的大腿板，两个大腿板的两端通过连杆相互连接，主动推拉机构的主动推拉杆和滑移推拉机构的主动丝杆滑台8均布置于两个大腿板之间；形成双片式结构，增强了腿部机构的空间集成度。
进一步地，所述丝杆滑台的轨道三面封闭，仅所述滑块与所述刚性杆9连接一面留出通道，所述轨道作用为承托滑块以避免侧向力对丝杆造成损坏。
进一步地，足11通过销轴与小腿杆10铰接，足11的横截面为半圆形或扇形，足11的弧形外表面布置有防滑纹路橡胶；起缓冲和防滑的作用。
一种轮步式机器人，包括以上所述的中间腿足机构。
进一步地，所述的中间腿足机构布置于机器人车体的前端和后端，前端中间腿足机构和后端中间腿足机构均朝向机身外侧安装，机器人车体的四角布置有腿轮，所述的轮步式机器人还包括整车控制器和传感器，主动推拉机构为主动推拉杆，滑移推拉机构为主动丝杆滑台8，整车控制器分别与传感器、主动推拉杆和主动丝杆滑台8连接；
进一步地，当机器人处于平坦的道路需要快速通过时，所述的中间腿足机构选择中腿收起模式通过，当处于复杂路面上时，所述的中间腿足机构选择中腿协助行走模式通过，当遇到壕沟、垂直障碍等需要越障的情况时，所述的中间腿足机构选择中腿协助越障模式通过，当处于有较大侧倾坡度的路面时，所述的中间腿足机构选择中腿支撑模式通过；
中腿收起模式下，主动推拉杆和主动丝杆滑台8运动到一定位置，足11离地，大腿杆7倾斜，小腿杆10平行于地面；
中腿协助行走模式下，主动推拉杆和主动丝杆滑台8接受整车控制器的信号协同运动，控制所述的中间腿足机构协助机器人行走，与机器人的四条腿轮协同完成不同的行走步态；
中腿协助越障模式下，主动推拉杆和主动丝杆滑台8接受整车控制器的信号，在越障时，安装在前段的中间腿足机构先行越障，主动推拉杆回程到一定位置抬起大腿杆7，主动丝杆滑台8去程到一定位置抬伸小腿杆10，前端中间腿足机构的足触地完成越障后，传感器信号反馈至整车控制器，前端中间腿足机构的主动推拉杆和主动丝杆滑台8反向运动，将机器人抬起，此时安装在后端中间腿足机构放下，支撑机器人抬起，当机器人完成越障，四腿轮触地时，传感器信号反馈至整车控制器，后端中间腿抬起，整车越障完成；
中腿支撑模式下，当机器人机身出现了较大的侧倾度，整车控制器接传感器反馈信号，调整后传送至所述的中间腿足机构的旋转执行器的关节电机3带动大腿杆7及小腿杆10旋转至侧倾方向，主动推拉杆和主动丝杆滑台8协同作用放下中腿，支撑机器人防止其侧翻。
本发明的工作原理：一种中间腿足结构，结构上包括大腿杆7、小腿杆10、足11、关节电机3、主动推拉杆、主动丝杆滑台8、深沟球轴承、止推轴承、角接触轴承、控制装置；所述中间腿机构整体能够相对车体转动，所述大腿能够相对车体转动，所述小腿能相对大腿转动；
所述大腿和所述小腿通过丝杆滑台和刚性杆9组合实现相对转动，有较大的转动角度，实现较大的支撑范围，同时可以将小腿杆10收起。
所述大腿与安装法兰的轴孔配合、所述主动推拉杆和所述大腿杆7的配合，所述丝杆滑台和所述刚性杆9的配合，所述刚性杆9与所述小腿杆10的配合采用角接触球轴承，以承载一定受力，其余部位的轴孔配合并非主要用来承载，则采用深沟球轴承连接。
所述的中间腿足机构安装在轮步式机器人前段和后端的中间位置。
所述中腿机构控制装置应与整车控制装置整套协同控制，包括：摄像头、工控机、整车控制器、传感器、关节电机3、电推杆、轮毂电机。所述工控机，通过接收工业摄像头传输的图像信号，根据深度学习建立的图像库对比分析后提取出图像信号中的环境信息，并根据建立的环境信息向整车控制器发出控制信号；所述传感器，传感器用于反馈关节电机3的转速，电推杆的推程以及轮毂电机的转速，反馈信号输入至整车控制器；所述整车控制器，接收来自于工控机的控制信号和来自于传感器的反馈信号，控制执行器(关节电机3、电推杆、轮毂电机)进行工作；所述关节电机3，其特征在于：关节电机3集成了伺服电机、减速器、制动、驱动器、编码器于一体，支持CANOPEN通讯协议，通过CAN_H、CAN_L与整车控制器进行信息交换；所述电推杆，通过来自于整车控制器PWM信号进行调速，并通过绝对式编码器反馈推杆的推程；
首先摄像头采集周围环境信息，并将信息传递给工控机，工控机接收图像信号，根据深度学***坦时，机器人以轮式通过，中腿则选择收起模式，当判断为复杂地形时，机器人以步式模式通过，当需要越障时，中腿则选择协助越障模式，当机器人需要侧向支撑防止倾翻时，中腿选择支撑模式，若既不需要越障也不需要支撑，中腿则选择协助行走模式，然后工控机根据建立的环境信息向整车控制器发出控制信号，整车控制器向中腿对应的执行器(关节电机3、电推杆、丝杆滑台)输出控制信号，执行器开始工作，同时执行器向整车控制器反馈转速信号，整车控制器根据反馈信号调整输出，保证机器人稳定的前进。
以上的仅为本发明的较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明申请专利范围所作的等效变化，仍属本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种中间腿足机构，其特征在于，包括旋转执行器、大腿杆、小腿杆和足，旋转执行器设置于车体上，旋转执行器与大腿杆上端连接，大腿杆的下端与小腿杆的上端铰接，足与小腿杆的下端连接，旋转执行器与大腿杆之间连接有主动推拉机构，大腿杆与小腿杆之间连接有滑移推拉机构。
2.根据权利要求1所述的中间腿足机构，其特征在于，旋转执行器包括安装盘、安装法兰和关节电机，关节电机固设于车体上，关节电机的输出端与安装盘连接，安装法兰与安装盘连接固定，大腿杆的一端与安装法兰铰接，关节电机驱动安装盘及安装法兰带动大腿相对车体旋转。
3.根据权利要求2所述的中间腿足机构，其特征在于，主动推拉机构为主动推拉杆，主动推拉杆的一端与安装法兰铰接，另一端与大腿杆铰接。
4.根据权利要求1所述的中间腿足机构，其特征在于，滑移推拉机构包括主动丝杆滑台和刚性杆，主动丝杆滑台固设于大腿杆上，刚性杆的一端与主动丝杆滑台上的滑台铰接，另一端与小腿杆铰接。
5.根据权利要求4所述的中间腿足机构，其特征在于，主动丝杆滑台的丝杆与大腿杆的长度方向平行。
6.根据权利要求1所述的中间腿足机构，其特征在于，大腿杆包括两个平行的大腿板，两个大腿板的两端通过连杆相互连接，主动推拉机构和滑移推拉机构均布置于两个大腿板之间。
7.根据权利要求1所述的中间腿足机构，其特征在于，足通过销轴与小腿杆铰接，足的横截面为半圆形或扇形，足的弧形外表面布置有防滑纹路橡胶。
8.一种轮步式机器人，其特征在于，包括权利要求1-7中任意一项所述的中间腿足机构。
9.根据权利要求8所述的轮步式机器人，其特征在于，所述的轮步式机器人还包括整车控制器和传感器，主动推拉机构为主动推拉杆，滑移推拉机构为主动丝杆滑台，整车控制器分别与传感器、主动推拉杆和主动丝杆滑台连接，所述的中间腿足机构布置于机器人车体的前端和后端，机器人车体的四角布置有腿轮。
10.根据权利要求9所述的轮步式机器人，其特征在于，当机器人处于平坦的道路需要快速通过时，所述的中间腿足机构选择中腿收起模式通过，当处于复杂路面上时，所述的中间腿足机构选择中腿协助行走模式通过，当遇到壕沟、垂直障碍等需要越障的情况时，所述的中间腿足机构选择中腿协助越障模式通过，当处于有较大侧倾坡度的路面时，所述的中间腿足机构选择中腿支撑模式通过；
中腿收起模式下，主动推拉杆和主动丝杆滑台运动到一定位置，足离地，大腿杆倾斜，小腿杆平行于地面；
中腿协助行走模式下，主动推拉杆和主动丝杆滑台接受整车控制器的信号协同运动，控制所述的中间腿足机构协助机器人行走，与机器人的四条腿轮协同完成不同的行走步态；
中腿协助越障模式下，主动推拉杆和主动丝杆滑台接受整车控制器的信号，在越障时，安装在前段的中间腿足机构先行越障，主动推拉杆回程到一定位置抬起大腿杆，主动丝杆滑台去程到一定位置抬伸小腿杆，前端中间腿足机构的足触地完成越障后，传感器信号反馈至整车控制器，前端中间腿足机构的主动推拉杆和主动丝杆滑台反向运动，将机器人抬起，此时安装在后端中间腿足机构放下，支撑机器人抬起，当机器人完成越障，四腿轮触地时，传感器信号反馈至整车控制器，后端中间腿抬起，整车越障完成；
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20210223 |