CN114619455A - 一种轮足混合式作业机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种轮足混合式作业机器人，其技术方案要点是包括机械臂总成、动态平衡装置以及移动底盘车，动态平衡装置在机器人运行时实时保持水平状态，机械臂总成通过动态平衡装置安装在移动底盘车上。移动底盘车拥有两种模式：足式模式与轮式模式，当遇到轮式模式难以通过的地形或者难以完成任务时，采用足式模式运行。足式结构有四个及四个以上的腿部结构，腿部结构包含髋关节、大腿、膝关节、小腿以及足端。本发明能够在轮式模式与足式模式之间相互转换，通过调整足式结构的位姿来实现足式模式与轮式模式的转换。

Description

一种轮足混合式作业机器人

技术领域

本发明涉及一种移动作业装置，具体是一种轮足混合式作业机器人。

背景技术

在现今的生活与生产过程中，大量人力由于服务或生产的需求，对相应场合进行巡查巡检。巡查巡检工作普遍较为机械乏味，巡查巡检人员容易因为疏忽而出现差错，使存在的问题未被排查出来，因此迫切地需要能够按流程来稳定、准确地完成检查任务的机器人来进行相关工作。另外，在灾害救援环境下，救援人员常常因为灾后不确定的环境而受到伤害，利用机器人对灾后环境进行侦察并且进行简单的工作成为了一个热门的研究方向。

常规的轮式作业机器人，在以上场景下，存在越障能力差的问题，难以应对地势较为复杂的环境。而足式作业机器人的问题在于移动效率较低，难以应对紧急任务。由此一种结合高效与高适应性的轮足复合式作业机器人，在复杂非结构环境中具有广泛的应用前景。

发明内容

针对现有技术所存在的不足，本发明提出一种轮足混合式作业机器人，能够利用移动平台上的机械臂进行侦察、巡检等工作，并且能够实现机器人在轮式与足式模式的自由转换，显著地提升了作业机器人在不同环境下的作业能力以及效率。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种轮足混合式作业机器人，包含机械臂总成、动态平衡装置以及移动底盘车结构，所述机械臂总成通过动态平衡装置安装在移动底盘车结构上；

所述移动底盘车结构包含移动平台及与移动平台配合安装的轮式结构和足式结构；

所述移动底盘车拥有足式模式与轮式模式，足式模式用于轮式模式难以跨越的地形与需要姿态调整的任务和场合；

足式模式下，足式结构底部的高度一直低于轮子的最低点，使得移动底盘车结构维持在足式结构的支撑下，通过足式结构行走的方式来前进；

轮式模式下，整个足式结构的最低点抬升至高于轮子最低点的高度，使得轮式结构支撑起移动底盘车结构，以轮子滚动的方式来前行。

进一步地，所述足式结构拥有若干左右对应分布腿部结构，所述腿部结构包含髋关节、大腿、膝关节、小腿、足端、第一驱动机构、第二驱动机构和第三驱动机构，所述大腿通过髋关节与移动平台转动连接，所述小腿通过膝关节与大腿转动连接，所述足端设置于小腿底部；

所述第一驱动机构用以驱动大腿相对移动平台左右摆动，使腿部结构完成内外翻转的动作；

所述第二驱动机构用以驱动大腿相对移动平台前后摆动，所述第三驱动机构用以驱动小腿相对大腿前后摆动，使腿部结构完成前后移动的动作。

进一步地，所述髋关节包含电机基座、第一连接架、第二连接架、第三连接架以及大腿连接件，所述第一驱动机构为设置于电机基座上的第一电机，所述第二驱动机构为设置于电机基座上的第二电机，所述大腿连接件用以配合安装大腿，所述第一连接架一端与第一电机传动配合，另一端与第二连接架的一端转动连接，转动轴心前后方向设置，所述第二连接架的另一端与大腿连接件转动连接，转动轴心上下方向设置，所述第三连接架一端与第二电机传动配合，另一端与大腿连接件转动连接，转动轴心左右方向设置。

进一步地，所述第一连接架、第二连接架、第三连接架均为L型。

进一步地，所述第三驱动机构包括设置于大腿上的电动推杆，所述电动推杆通过伸缩带动小腿相对大腿前后转动。

进一步地，所述电动推杆的执行端转动连接滑块，所述滑块与小腿滑动连接。

进一步地，所述轮式结构由若干轮子构成。

进一步地，所述动态平衡装置包含自下而上依次设置的静平台、支链总成部分及动平台，所述静平台设置于移动底盘车结构上，所述机械臂总成设置于动平台上，所述支链总成部分包括若干支链，每条支链包含自下而上依次设置的直线模组、推杆连接块、推杆以及球铰，所述直线模组倾斜设置于静平台上，所述推杆连接块用以与直线模组倾斜滑动连接，所述推杆的下端推杆连接块连接，推杆的上端推杆球铰与动平台连接。

进一步地，所述支链总成部分包含三条支链，三条支链按Y形均布于静平台上。

进一步地，所述机械臂总成拥有六个自由度，末端执行器可按需求替换，并且其末端装有摄像头，用以反馈图像信息；所述机械臂总成安装在动态平衡装置的动平台上，所述动态平衡装置在工作中实时保持动平台处于水平状态。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、本发明结合了轮式及足式的优点，能够根据地形环境的特征，在轮式与足式状态间自由切换，在平坦或者起伏不大的路面环境，机器人能够在轮式模式下进行高效地移动；而在崎岖、凹凸不平的复杂环境，机器人能够以足式模式下进行平稳地越障。

2、足式结构的膝关节采用推杆提供动力，能够提供更大的力，来提高机器人在足式模式下的负载能力，并且通过将质量较大的驱动装置远离腿部结构的末端，来减小腿部结构的转动惯量，使得机器人腿部更加灵活，动态性能更佳。

3、足式结构的髋关节采用并联结构，在空间上具有两个自由度，并且两个自由度实现了解耦，降低了并联结构的控制难度，又提高了腿部结构的紧凑型及负载能力。

4、移动平台上加装了动态平衡装置，能够让动态平衡装置的动平台上包括机械臂总成在内的设备始终保持水平状态，一方面可以保护动平台上的精密设备，另一方面减低了机械臂的控制难度，提高了机械臂工作的稳定性。

5、多地形适应的移动底盘车加上机械臂，很大程度的扩展了机器人的应用场合。

6、机械臂与足式部分皆采用一体化关节，使得机器人的重量更轻、负载重量比更大。

附图说明

图1为本发明足式模式结构示意图；

图2为轮式模式结构示意图；

图3为移动底盘车结构示意图；

图4为腿部结构示意图；

图5为膝关节结构示意图；

图6为动态平衡装置结构示意图；

图中，1-机械臂总成、2-动态平衡装置、3-移动底盘车、31-移动平台、32-轮式结构、33-足式结构、331-髋关节、332-大腿、333-膝关节、334-小腿、335-足端、 3311-第一电机基座、3312-第二电机基座、3313-第一电机、3314-第二电机、3315- 第一连接架、3316-第二连接架、3317-第三连接架、3318-大腿连接、21-动平台、22-球铰、23-推杆、24-推杆连接块、25-直线模组、26-倾斜底座、27-静平台。

具体实施方式

以下结合具体实施例对本发明作进一步详细说明。

本发明提供的一种轮足混合式作业机器人，其包括机械臂总成1、动态平衡装置2与移动底盘车3三部分。

如图1～2所示，所述机械臂总成1与移动底盘车2通过动态平衡装置3安装连接在一起；所述移动底盘车3在足式模式下，足式结构33用于支撑的腿部结构足端335底端的高度一直低于轮式结构32轮子的最低点，使得移动底盘车3保持在足式结构33支撑的状态下，通过足式结构33行走的方式来前进，具体方案为：以不相邻的三个腿部结构为一组，分为两组，机器人在运行时保证至少有一组腿部结构与地面保持接触；轮式模式下，整个足式结构33的最低点抬升至高于轮子最低点的高度，使得轮式结构32支撑起移动底盘车3，以轮子滚动的方式来前行，具体方案为：每条腿部结构的大腿334与足端335通过膝关节333抬至最高位置，再利用髋关节331的第二电机3313，即沿行进方向旋转的自由度将腿部结构向远离机身的方向旋转，使腿部结构的足端335远离机身，最后利用大腿334的自由度，将足端335底端转至朝上，使得足式结构33充分抬升来减小对轮式结构32 的影响。

如图3所示，所述移动底盘车3包含移动平台31、轮式结构32以及足式结构33，移动平台31的形状为前后两端拉长的六边形，而足式结构33拥有六个腿部结构，每个腿部结构拥有四个自由度，髋关节331拥有两个自由度，大腿332 拥有一个自由度，膝关节333拥有一个自由度，六个腿部结构均安装在移动平台的侧面；所述轮式结构32由四个轮子以及轮架部分构成；所述足式结构33的腿部结构均安装在移动平台31的侧面，所述轮式结构32安装在移动平台31的底面。

如图4所示，所述腿部结构包含髋关节331、大腿332、膝关节333、小腿334 以及足端335，所述髋关331节拥有两个自由度，通过大腿332与膝关节333进行连接；所述膝关节333拥有一个自由度，其另一端与小腿相连，而小腿334的末端与足端335相连。

所述膝关节333包含电动推杆、滑块、膝关节上连接件，膝关节下连接件，所述大腿底端通过膝关节上连接件以及膝关节下连接件与小腿的顶端相连接；电动推杆通过连接块固定于大腿上，所述滑块转动安装于电动推杆执行端的末端。

所述小腿334为圆柱形，其顶端与膝关节下连接件相连，底端与足端335顶部相连，其侧面设有槽口用于与所述膝关节333的滑块滑动配合；所述膝关节电动推杆通过推动小腿334来实现膝关节333的旋转。

所述足端335下部为带平面的球形，上方为一圆柱形，而圆柱形部分中部带有长方体薄板，用以增加足端在陷入泥沙后的接触面积。

如图5所示，所述髋关节331为二自由度并联结构，包含第一电机3313、第二电机3314、第一电机基座3311、第二电机基座3312、第一连接架3315、第二连接架3316、第三连接架3317以及大腿连接件3318。

所述第一电机基座3311的一端为倾斜U型板，上方留有孔洞用以配合第一电机3313，而其另一端与第二电机基座3312相配合；第二电机基座3312与第一电机基座3311配合的一端带有板筋，用来加强其强度，另一端为圆形板，圆心处带有孔洞用以配合第二电机3314。

所述第一连接架3315、第二连接架3316、第三连接架3317皆为L型，两端均为带孔洞的圆型；所述第一连接架3315一端与第一电机3313传动配合，另一端与第二连接架3316的一端转动连接，转动轴心前后方向设置，所述第二连接架 3316的另一端与大腿连接件3318转动连接，转动轴心上下方向设置，所述第三连接架3317一端与第二电机3314传动配合，另一端与大腿连接件3318转动连接，转动轴心左右方向设置。

所述大腿连接件3318的形状为长方体，该长方体从后向前打通，其上、右平面设有通孔用以与对应连接架相配合；第一电机3313经由第一连接架3315与第二连接架3316来控制大腿连接件3318的前后旋转，第一连接架3315的一端与第一电机3313配合，而后第一连接架3315与第二连接架3316头尾相连，最后通过第二连接架3316连接至大腿连接件3318的上平面，两两之间皆能够作相对的旋转运动，能够实现腿部结构前后的运动；第二电机3314则通过第三连接架3317 来连接大腿连接件3318，第三连接架与大腿连接件3318的左平面相连接，能够实现腿部结构内外翻转的控制。

如图6所示，所述动态平衡装置2拥有三个自由度，包含动平台21、静平台 27以及支链总成，所述静平台27固定于移动底盘车3的移动平台31上，动平台 21通过支链总成连接至静平台27。

所述支链总成部分包含三条支链，每条支链包含球铰22、推杆23、推杆连接块24、直线模组25、倾斜底座26，三条支链按Y形均布于静平台27上；所述倾斜底板26用于连接静平台27与直线模组25，其形状为直角三角柱，其底面为直角三角柱的一个直角边侧面且与静平台27相配合，而其直角斜边侧面用以安装直线模组25，使得直线模组25相对于静平面27倾斜；所述推杆23通过推杆连接块24安装于直线模组25的移动模块之上；所述球铰22包含球头支架、球头以及球头端盖，所述球头支架固定在推杆23的执行端，所述球头端盖的一端通过球头与球头支架连接，其另一端安装至动平台21上。

所述机械臂总成1拥有六个自由度，其结构为公知技术，不做赘述，机械臂总成1末端装有摄像头，用以反馈图像信息；所述机械臂总成1安装在动态平衡装置2的动平台21上，所述动态平衡装置2在工作中实时保持水平状态，如图 1～2所示。

机械臂总成1采用视觉伺服的方式进行控制，通过图像来实现目标位置的确认及机械臂的驱动，解决了机械臂因移动底盘车运行带来的标定难的问题，并且降低了以动平台为基座的机械臂的控制难度。

上述实施例只是本发明的较佳实施例，并不是对本发明技术方案的限制，只要是不经过创造性劳动即可在上述实施例的基础上实现的技术方案，均应视为落入本发明专利的权利保护范围内。

Claims (10)

1.一种轮足混合式作业机器人，其特征在于：包含机械臂总成(1)、动态平衡装置(2)以及移动底盘车结构(3)，所述机械臂总成(1)通过动态平衡装置(2)安装在移动底盘车结构(3)上；

所述移动底盘车结构(3)包含移动平台(31)及与移动平台(31)配合安装的轮式结构(32)和足式结构(33)；

所述移动底盘车(3)拥有足式模式与轮式模式，足式模式用于轮式模式难以跨越的地形与需要姿态调整的任务和场合；

足式模式下，足式结构(33)底部的高度一直低于轮子的最低点，使得移动底盘车结构(3)维持在足式结构(33)的支撑下，通过足式结构(33)行走的方式来前进；

轮式模式下，整个足式结构(33)的最低点抬升至高于轮子最低点的高度，使得轮式结构(32)支撑起移动底盘车结构(3)，以轮子滚动的方式来前行。

2.根据权利要求1所述的一种轮足混合式作业机器人，其特征在于：所述足式结构(33)拥有若干左右对应分布的腿部结构，所述腿部结构包含髋关节(331)、大腿(332)、膝关节(333)、小腿(334)、足端(335)、第一驱动机构、第二驱动机构和第三驱动机构，所述大腿(332)通过髋关节(331)与移动平台(31)转动连接，所述小腿(334)通过膝关节(333)与大腿(332)转动连接，所述足端(335)设置于小腿(334)底部；

所述第一驱动机构用以驱动大腿(332)相对移动平台(31)左右摆动，使腿部结构完成内外翻转的动作；

所述第二驱动机构用以驱动大腿(332)相对移动平台(31)前后摆动，所述第三驱动机构用以驱动小腿(334)相对大腿(332)前后摆动，使腿部结构完成前后移动的动作。

3.根据权利要求2所述的一种轮足混合式作业机器人，其特征在于：所述髋关节(331)包含电机基座、第一连接架(3315)、第二连接架(3316)、第三连接架(3317)以及大腿连接件(3318)，所述第一驱动机构为设置于电机基座上的第一电机(3313)，所述第二驱动机构为设置于电机基座上的第二电机(3314)，所述大腿连接件(3318)用以配合安装大腿(332)，所述第一连接架(3315)一端与第一电机(3313)传动配合，另一端与第二连接架(3316)的一端转动连接，转动轴心前后方向设置，所述第二连接架(3316)的另一端与大腿连接件(3318)转动连接，转动轴心上下方向设置，所述第三连接架(3317)一端与第二电机(3314)传动配合，另一端与大腿连接件(3318)转动连接，转动轴心左右方向设置。

4.根据权利要求3所述的一种轮足混合式作业机器人，其特征在于：所述第一连接架(3315)、第二连接架(3316)、第三连接架(3317)均为L型。

5.根据权利要求2所述的一种轮足混合式作业机器人，其特征在于：所述第三驱动机构包括设置于大腿(332)上的电动推杆，所述电动推杆通过伸缩带动小腿(334)相对大腿(332)前后转动。

6.根据权利要求5所述的一种轮足混合式作业机器人，其特征在于：所述电动推杆的执行端转动连接滑块，所述滑块与小腿(334)滑动连接。

7.根据权利要求1-6中任一所述的一种轮足混合式作业机器人，其特征在于：所述轮式结构(32)由若干轮子构成。

8.根据权利要求1-6中任一所述的一种轮足混合式作业机器人，其特征在于：所述动态平衡装置(2)包含自下而上依次设置的静平台(27)、支链总成部分及动平台(21)，所述静平台(27)设置于移动底盘车结构(3)上，所述机械臂总成(1)设置于动平台(21)上，所述支链总成部分包括若干支链，每条支链包含自下而上依次设置的直线模组(25)、推杆连接块(24)、推杆(23)以及球铰(22)，所述直线模组(25)倾斜设置于静平台(27)上，所述推杆连接块(24)用以与直线模组(25)倾斜滑动连接，所述推杆(23)的下端推杆连接块(24)连接，推杆(23)的上端推杆球铰(22)与动平台(21)连接。

9.根据权利要求1-6中任一所述的一种轮足混合式作业机器人，其特征在于：所述支链总成部分包含三条支链，三条支链按Y形均布于静平台(27)上。

10.根据权利要求1-6中任一所述的轮足混合作业机器人，其特点在于：所述机械臂总成(1)拥有六个自由度，末端执行器可按需求替换，并且其末端装有摄像头，用以反馈图像信息；所述机械臂总成(1)安装在动态平衡装置(2)的动平台(21)上，所述动态平衡装置(2)在工作中实时保持动平台(21)处于水平状态。

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