CN113291389B - 一种形态可变换四足机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种形态可变换四足机器人，包括：机械腿、机器人躯干、模块化机械臂；所述机械腿与所述机器人躯干连接；所述模块化机械臂放置于所述机器人躯干上，卸下后与所述机械腿连接。本发明通过腿型重构可以改变四足机器人的行走模式，快速适应不同的环境，提高移动、越野能力；加入轮式移动模式可以实现四足机器人在平坦路面上的快速移动；模块化机械臂可以将四足机器人的机械腿通过接口转换为机械臂，在不额外增加机械臂的情况下提高四足机器人的操作能力。
Description
技术领域
本发明涉及机器人领域，特别是涉及一种形态可变换四足机器人。
背景技术
轮式机器人虽然具有速度快，稳定性高的特点，但其移动范围有限，大多数的轮式机器人只能运行在室内或者平坦的公路上。随着科学技术的发展，人们对雨林、山脉、冰川等地形研究的深入，轮式机器人的缺点越来越明显。四足机器人具有更强的越野性能，可以轻松的越过沟壑、丛林、沙漠等崎岖不平的地形，相比与轮式机器人，它具有更大的移动空间，可以满足各种任务的需要，比如丛林探险、极地科考等，但是其机动性较差，移动速度较慢。此外，四足机器人可以一些人类无法完成或者具有危险性的任务，比如火星探测、核电场巡检、排爆救援等。
如图1-图5所示，四足机器人也存在多种结构的腿部构型，比如前肘后膝、前膝后膝、前肘后肘、前膝后肘以及爬行姿态等，这些不同腿部构型针在楼梯、斜坡、砂石路等不同的环境中具有不同的优势，比如爬行步态由于其较低所以它可以轻松的铜鼓砂石路，但不易完成上楼梯、爬坡等操作。
当前四足机器人在完成任务时往往需要附加一只机械手臂，通过机械手臂完成开门、抓取等操作。但是这种情况下会额外增加四足机器人的重量，降低四足机器人的负载能力，并且会影响机器人的稳定性。
当前四足机器人的膝关节大多只能采用一种构型，无法变换构型。无法灵活的适应各种复杂环境，在通过特殊路面时机器人的控制算法要求高。
四足机器人相比于轮式机器人存在一个普遍的问题就是移动速度慢，因此一些研究者就在四足机器人上安装了轮子；而当前轮子大多安装在四足机器人的膝关节或者足底，轮子位置低，重心高不适合快速移动。
发明内容
为了弥补上述现有技术的移动速度慢、操作能力差的不足，本发明提出一种形态可变换四足机器人。
本发明的技术问题通过以下的技术方案予以解决：
本发明提出一种形态可变换四足机器人，包括：机械腿、机器人躯干、模块化机械臂；所述机械腿与所述机器人躯干连接；所述模块化机械臂放置于所述机器人躯干上，卸下后与所述机械腿连接。
在一些实施例，所述机械腿包括：机器人足端、第一关节、第一连接臂；所述机器人足端与所述第一连接臂通过所述第一关节连接；每个所述第一关节都有电机驱动。
在一些实施例，所述机器人躯干包括：主动轮、被动轮、驱动电机、丝杠电机、机器人平台、机械臂固定卡槽、机械臂推进装置；所述主动轮上安装有所述驱动电机，与所述被动轮用于实现四足机器人的快速移动；所述机器人平台安装于所述主动轮、所述被动轮上，用于安装机械腿、模块化机械臂的平台；所述机械臂固定卡槽安装于所述机器人平台上，用于固定模块化机械臂；所述机械臂推进装置安装于所述机器人平台上，用于机械腿切换为模块化机械臂时的安装，通过丝杠电机带动模块化机械臂的前后移动。
在一些实施例，所述模块化机械臂包括：机械爪、第二连接臂、第二关节；所述机械爪为末端执行结构，与所述第二连接臂连接；每个所述第二关节都有电机驱动。
在一些实施例，所述模块化机械臂的接口包括通信插销、连接卡槽，以实现与机械腿连接。
在一些实施例，所述机械腿末端的连接装置包括通信接口、旋转插销；所述通信接口与所述模块化机械臂上的所述通信插销相连，所述旋转插销***所述模块化机械臂的所述连接卡槽，以实现所述机械腿与所述模块化机械臂的稳定连接。
在一些实施例，通过所述机械腿的第一关节变化实现四足机器人的不同重构模式；当1、2、3、4号机械腿向外弯曲，四足机器人重构为前膝后肘第一模式；当1、2号机械腿向内弯曲，3、4号机械腿向外弯曲，四足机器人重构为前肘后肘模式：当1、2、3、4号机械腿向内弯曲，四足机器人重构为前膝后肘第二模式：当1、2号机械腿向外弯曲，3、4号机械腿向内弯曲，四足机器人重构为前膝后膝模式。
在一些实施例，当在前膝后肘第一模式的状态下，将1、2、3、4号机械腿的机器人足端落脚点向外移动，机器人中心向下移动，四足机器人重构为爬行模式；当在爬行模式的状态下，将1、2、3、4号机械腿收起到机器人平台上，使轮子与地面接触，四足机器人重构为轮式模式：当在轮式模式的状态下，将机械腿通过接口与模块化机械臂连接，构成一个机械臂，四足机器人重构为机械臂操作模式。
在一些实施例，所述不同重构模式之间可进行切换。
本发明与现有技术对比的有益效果包括：模块化机械臂可以将四足机器人的机械腿通过接口转换为机械臂，在不额外增加机械臂的情况下提高四足机器人的操作能力。
在一些实施例，本发明与现有技术对比的有益效果包括：通过腿型重构可以改变四足机器人的行走模式，快速适应不同的环境，提高移动、越野能力；加入轮式移动模式可以实现四足机器人在平坦路面上的快速移动。
附图说明
图1是现有技术中的站立构型示意图；
图2是现有技术中的四足机器人示意图一；
图3是现有技术中的四足机器人示意图二；
图4是现有技术中的四足机器人示意图三；
图5是现有技术中的四足机器人示意图四；
图6是本发明实施例的形态可变换四足机器人主视图；
图7是本发明实施例的形态可变换四足机器人侧视图；
图8是本发明实施例的形态可变换四足机器人的机械腿主视图；
图9是本发明实施例的形态可变换四足机器人的机械腿侧视图；
图10是本发明实施例的形态可变换四足机器人的机器人躯干立体图；
图11是本发明实施例的形态可变换四足机器人的机器人躯干剖面图；
图12是本发明实施例的形态可变换四足机器人的机械臂主视图；
图13是本发明实施例的形态可变换四足机器人的机械臂侧视图；
图14是本发明实施例的形态可变换四足机器人的机械腿末端连接装置示意图一；
图15是本发明实施例的形态可变换四足机器人的机械腿末端连接装置示意图二；
图16是本发明实施例的形态可变换四足机器人的连接过程示意图；
图17是本发明实施例的形态可变换四足机器人的重构过程示意图；
图18是本发明实施例的形态可变换四足机器人的前膝后肘示意图一；
图19是本发明实施例的形态可变换四足机器人的前肘后肘示意图；
图20是本发明实施例的形态可变换四足机器人的前膝后肘示意图二；
图21是本发明实施例的形态可变换四足机器人的前膝后膝示意图；
图22是本发明实施例的形态可变换四足机器人的爬行模式示意图；
图23是本发明实施例的形态可变换四足机器人的轮式模式示意图；
图24是本发明实施例的形态可变换四足机器人机械臂操作模式示意图；
图25是本发明实施例的形态可变换四足机器人的状态切换示意图。
具体实施方式
下面对照附图并结合优选的实施方式对本发明作进一步说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
需要说明的是，本实施例中的左、右、上、下、顶、底等方位用语，仅是互为相对概念，或是以产品的正常使用状态为参考的，而不应该认为是具有限制性的。
四足机器人虽然具有很强的越野避障能力，但是四足机器人也存在移动速度慢、操作能力差等问题，因此本发明旨在设计一种具有快速移动能力、腿型重构能力、机械爪手腿切换的功能的四足机器人。本发明提出一种四足机器人躯干的轮子安装方案，相比于膝盖和足底，其躯干面积更大，可以安装更大的轮子，并且具有更强的动力。本发明提出一种腿部构型可重构的四足机器人结构，该机器人可以针对不同的环境调节腿部构型以顺利通过各种复杂地形；另外设计具有可变形机械腿关节，机械腿可以通过更换关节切换为可以独立操作的机械爪，来完成各种任务。
本发明主要包括一种能够驱动四足机器人快速移动的轮式结构，一种能够变换构型的腿部结构，一种能够在机械爪和机械腿直接切换的关节组成，其中一种能够驱动四足机器人快速移动的轮式结构可以实现四足机器人在平坦路面上的快速移动，一种能够变换构型的腿部结构可以实现四足机器人在不同环境下腿部构型的改变，通过改变腿部构型可以更加灵活的通过各种不同的环境。一种能够在机械爪和机械腿直接切换的关节可以解决四足机器人缺乏末端执行器的问题，在需要进行在需要机械爪工作时将机械腿切换到机械爪模式，从而完成末端操作。
本发明能够应用在抢险救灾、越野探测、物体抓取等任务。具备的功能有：1、具有四足机器人腿部构型切换的功能；2、具有轮式移动与腿式机器人切换的功能；3、具有四足机器人机械腿与机械爪切换的功能。
参考图6、图7，本发明实施例的一种可重构四足机器人包括机械腿、机器人躯干、模块化机械臂。机械腿1与机器人躯干2连接；模块化机械臂3放置于机器人躯干2上，卸下后与机械腿1连接；还包括驱动轮，有主动轮21、被动轮22。
参考图8、图9，机械腿1包括：机器人足端11、第一关节12、第一连接臂13；机器人足端11与第一连接臂13通过第一关节12连接；机械腿1具有三个自由度，每个第一关节12都有电机驱动；还包括机械腿与机器人躯干连接接口16。
参考图10、图11，机器人躯干2包括：主动轮21、被动轮22、驱动电机23、丝杠电机24、机器人平台25、机械臂固定卡槽26、机械臂推进装置27；主动轮21上安装有驱动电机23，与被动轮22用于实现四足机器人的快速移动；机器人平台25安装于主动轮21、被动轮22上，用于安装机械腿1、模块化机械臂3的平台；机械臂固定卡槽26安装于机器人平台25上，用于固定模块化机械臂3；机械臂推进装置27安装于机器人平台25上，用于机械腿1切换为模块化机械臂3时的安装，通过丝杠电机24带动模块化机械臂3的前后移动。
参考图12、图13，模块化机械臂3包括：机械爪31、第二连接臂32、第二关节33；机械爪31为末端执行结构，与所述第二连接臂32连接；每个第二关节33都有电机驱动，模块化机械臂包括三个第二关节。为了实现与机械腿相连，模块化机械臂3的接口包括三个通信插销和三个连接卡槽；还包括模块化机械臂与机械腿连接接口36。
参考图14、图15，机械腿末端的连接装置如图所示，机械腿1末端的连接装置包括通信接口14、旋转插销15；通信接口14与模块化机械臂3上的通信插销相连，旋转插销15***模块化机械臂3的连接卡槽，通过电机旋转插销的旋转，以实现机械腿1与模块化机械臂3的稳定连接；还包括电机17，旋转插销齿轮151，电机齿轮171。
参考图16，是本发明实施例的形态可变换四足机器人的连接过程示意图。
参考图17，通过腿部关节的变化可以实现四足机器人的不同重构模式，如A-前膝后肘第一模式，B-前肘后肘模式，C-前膝后肘第二模式，D-前膝后膝模式，E-爬行模式，F-轮式模式，G-机械臂操作模式。
参考图18，当1、2、3、4号机械腿向外弯曲，四足机器人重构为前膝后肘第一模式A。
参考图19，当1、2号机械腿向内弯曲，3、4号机械腿向外弯曲，四足机器人重构为前肘后肘模式B。
参考图20，当1、2、3、4号机械腿向内弯曲，四足机器人重构为前膝后肘第二模式C。
参考图21，当1、2号机械腿向外弯曲，3、4号机械腿向内弯曲，四足机器人重构为前膝后膝模式D。
参考图22，当在前膝后肘第一模式的状态下，将1、2、3、4号机械腿的机器人足端11落脚点向外移动，机器人中心向下移动，四足机器人重构为爬行模式E。
参考图23，当在爬行模式的状态下，将1、2、3、4号机械腿收起到机器人平台25上，使轮子与地面接触，四足机器人重构为轮式模式F。
参考图24，当在轮式模式的状态下，将机械腿1通过接口与模块化机械臂3连接，构成一个机械臂，四足机器人重构为机械臂操作模式G。
参考图25，是本发明实施例的形态可变换四足机器人的状态切换示意图，不同重构模式之间可进行切换。
本发明通过腿型重构可以改变四足机器人的行走模式，快速适应不同的环境，提高移动、越野能力；加入轮式移动模式可以实现四足机器人在平坦路面上的快速移动。模块化机械臂可以将四足机器人的机械腿通过接口转换为机械臂，在不额外增加机械臂的情况下提高四足机器人的操作能力。本发明具有腿型重构功能的四足机器人，可以在不同的行走模式直接切换；具有模块化机械臂结构，实现了机械腿到机械臂的转换；具有机器人躯干上安装移动轮，实现了四足机器人的轮式移动；提出了一种新的四足机器人结构。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干等同替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种形态可变换四足机器人，其特征在于，包括：
机械腿（1）、机器人躯干（2）、模块化机械臂（3）；
所述机械腿（1）与所述机器人躯干（2）连接；
所述模块化机械臂（3）放置于所述机器人躯干（2）上，卸下后与所述机械腿（1）连接；
通过所述机械腿（1）的第一关节（12）变化实现四足机器人的不同重构模式；
当1、2、3、4号机械腿向外弯曲，四足机器人重构为前膝后肘第一模式；
当1、2号机械腿向内弯曲，3、4号机械腿向外弯曲，四足机器人重构为前肘后肘模式：
当1、2、3、4号机械腿向内弯曲，四足机器人重构为前膝后肘第二模式：
当1、2号机械腿向外弯曲，3、4号机械腿向内弯曲，四足机器人重构为前膝后膝模式；
当在前膝后肘第一模式的状态下，将1、2、3、4号机械腿的机器人足端（11）落脚点向外移动，机器人中心向下移动，四足机器人重构为爬行模式；
当在爬行模式的状态下，将1、2、3、4号机械腿收起到机器人平台（25）上，使轮子与地面接触，四足机器人重构为轮式模式：
当在轮式模式的状态下，将机械腿（1）通过接口与模块化机械臂（3）连接，构成一个机械臂，四足机器人重构为机械臂操作模式；
从而使所述形态可变换四足机器人具备如下功能：四足机器人腿部构型切换的功能、具有轮式移动与腿式机器人切换的功能、具有四足机器人机械腿与机械爪切换的功能；
所述机械腿（1）包括：机器人足端（11）、第一关节（12）、第一连接臂（13）；
所述机器人足端（11）与所述第一连接臂（13）通过所述第一关节（12）连接；
每个所述第一关节（12）都有电机驱动。
2.如权利要求1所述的一种形态可变换四足机器人，其特征在于：
所述机器人躯干（2）包括：主动轮（21）、被动轮（22）、驱动电机（23）、丝杠电机（24）、机器人平台（25）、机械臂固定卡槽（26）、机械臂推进装置（27）；
所述主动轮（21）上安装有所述驱动电机（23），与所述被动轮（22）用于实现四足机器人的快速移动；
所述机器人平台（25）安装于所述主动轮（21）、所述被动轮（22）上，用于安装机械腿（1）、模块化机械臂（3）的平台；
所述机械臂固定卡槽（26）安装于所述机器人平台（25）上，用于固定模块化机械臂（3）；
所述机械臂推进装置（27）安装于所述机器人平台（25）上，用于机械腿（1）切换为模块化机械臂（3）时的安装，通过丝杠电机（24）带动模块化机械臂（3）的前后移动。
3.如权利要求1所述的一种形态可变换四足机器人，其特征在于：
所述模块化机械臂（3）包括：机械爪（31）、第二连接臂（32）、第二关节（33）；
所述机械爪（31）为末端执行结构，与所述第二连接臂（32）连接；
每个所述第二关节（33）都有电机驱动。
4.如权利要求1所述的一种形态可变换四足机器人，其特征在于：
所述模块化机械臂（3）的接口包括通信插销、连接卡槽，以实现与机械腿（1）连接。
5.如权利要求4所述的一种形态可变换四足机器人，其特征在于：
所述机械腿（1）末端的连接装置包括通信接口（14）、旋转插销（15）；
所述通信接口（14）与所述模块化机械臂（3）上的所述通信插销相连，所述旋转插销（15）***所述模块化机械臂（3）的所述连接卡槽，以实现所述机械腿（1）与所述模块化机械臂（3）的稳定连接。
6.如权利要求1所述的一种形态可变换四足机器人，其特征在于：
所述不同重构模式之间可进行切换。
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN113291389A (zh) | 2021-08-24 |
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