CN217805012U - 一种轮式双足机器人 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种轮式双足机器人，包括主体，主体的左右两侧对称活动连接有腿部机构，所述腿部机构的底端转动连接有脚轮模组，所述腿部机构为五连杆机构，所述五连杆结构包括连杆A，连杆A的一端与脚轮模组转动连接，连杆A的另一端铰接有连杆B，连杆B的另一端转动连接于主体上，所述连杆A的杆身上铰接有连杆C，连杆C的另一端铰接有连杆D，连杆D的另一端转动连接于主体上。本实用新型设计合理，采用非对称五连杆机构，相比于现有的串联腿驱动的方式能够降低关节输出力矩，相比于现有的对称五连杆机构能够在各种姿态下减少腿部占用空间。

Description

一种轮式双足机器人

技术领域

本实用新型涉及一种轮式双足机器人。

背景技术

移动机器人是目前应用最广泛的机器人类型之一。移动机器人大致可分为三类：轮式机器人、履带式机器人和腿式机器人。其中，轮式机器人因其结构简单，能量利用率高等特点，被广泛应用于军事侦查、物流运输、工业巡检等场景中。但随着机器人驱动技术的发展，机器人的应用场景也进一步扩展，其中面向一些例如楼梯，废墟等非结构化的环境时，轮式机器人便无法再很好的满足实际的应用需求。因此激发了人们模仿人类和足式动物来研发能够能够适更复杂的非结构环境的足式机器人。相对于轮式机器人，足式机器人的支撑时相对孤立的点，故而可以通过不连续的工作场景。但足式机器人相对与轮式机器人其能量利用效率较低，在平坦路面上的移动速度也弱于轮式机器人，不能很好的适应相应的任务需求。因而轮足式机器人便应运而生，其既保持了轮式机器人平坦路面下的移动速度和效率问题，又能够很好的适应一些相对复杂不连续的环境，大大增加了机器人作业范围和环境适应性。

在轮足式机器人中，常见的又有四足式轮腿机器人和双足式轮腿机器人，其中四足式轮腿机器人结构较为复杂，但其支撑稳定性相对更好，在进行越障时，可以进行三足支撑，能够很好的保持***的稳定性，但由于大多的实际工作环境还是根据人来进行设计的，例如工厂和房屋是为人类使用建设而成，实际的环境中还有很多狭小的过道、楼梯、台阶，这使得很多场景中多足机器人的应用受到了限制。因此展开双足仿人类的机器人的研究具有其特殊的意义。

已公开技术专利：中国专利文献CN 112776915 A公开的多姿态双足机器人，每条腿具有三个自由度，腿部采用串联结构。这种腿部结构相对比较简单，但在对关节电机的输出扭矩要求比较高。现有技术中，轮式双足跳跃机器人还有采用对称五连杆机构，相对与串联机构能够有效降低关节力矩的输出，但其在跳跃蓄力姿态时，腿部关节向前后两侧外凸，不能够很好的适应连续台阶的运动环境。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种轮式双足机器人，解决上述技术方案存在的问题。

本发明采用以下方案实现：一种轮式双足机器人，包括主体，主体的左右两侧对称活动连接有腿部机构，所述腿部机构的底端转动连接有脚轮模组，所述腿部机构为五连杆机构，所述五连杆结构包括连杆A，连杆A的一端与脚轮模组转动连接，连杆A的另一端铰接有连杆B，连杆B的另一端转动连接于主体上，所述连杆A的杆身上铰接有连杆C，连杆C的另一端铰接有连杆D，连杆D的另一端转动连接于主体上。

进一步的，所述主体内左右对称设置有驱动机构，所述驱动机构包括两个驱动模块，两个驱动模块的驱动端分别与连杆D、连杆B连接。

进一步的，所述驱动模块包括驱动电机，所述驱动电机的转轴贯穿出主体，形成伸出端，伸出端经联轴器与对应的与连杆D、连杆B固连。

进一步的，所述主体包括底板，所述底板上对应各个驱动电机安装有支撑架，底板与支撑架的组合体上罩设有壳体，所述支撑架内横置有贯穿孔，贯穿孔内对应电机转轴安装有轴承。

进一步的，所述底板下安装有电池仓，电池仓的底部前后对称安装万向轮。

进一步的，所述脚轮模组包括转轮电机，转轮电机的固定端固定于连杆A的下端，转轮电机的旋转端上安装有轮胎。

进一步的，所述连杆B铰接于连杆A的内侧，所述连杆C铰接于连杆A的外侧，所述连杆D铰接于连杆C的内侧。

与现有技术相比，本实用新型有以下有益效果：设计合理，采用非对称五连杆机构，相比于现有的串联腿驱动的方式能够降低关节输出力矩，相比于现有的对称五连杆机构能够在各种姿态下减少腿部占用空间。

附图说明

图1为本实用新型实施例的结构示意图(站立姿态)；

图2为本实用新型实施例的结构示意图(四轮姿态)；

图3为本实用新型实施例的侧视结构示意图；

图4为本实用新型实施例的驱动模块相对主体底板结构示意图；

图5为本实用新型实施例的驱动模块结构示意图；

图6为本实用新型实施例的驱动模块***结构示意图；

图7为本实用新型轮式双足机器人腿部五连杆机构运动学分析理论结构图1；

图8为本实用新型轮式双足机器人腿部五连杆机构运动学分析理论结构图2；

图9为本实用新型实施例的腿部机构运动学理论分析结构图1；

图10为本实用新型实施例的腿部机构运动学理论分析结构图2；

图11为本实用新型实施例的腿部仅受支撑力时关节所需输出力矩对比图；

图12为本实用新型实施例的腿部同时受到支撑力和侧向力时关节所需力矩输出对比图。

图中：1-主体；2-腿部机构；3-脚轮模组；4-连杆A；5-连杆B；6-连杆C；7-连杆D；8-驱动模块；9-驱动电机；10-底板；11-支撑架；12-壳体；14-电池仓；15-万向轮；16-转轮电机；17-轮胎；18-联轴器；19-轴承。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

如图1-6所示，本实施例提供了一种轮式双足机器人，包括主体1，主体的左右两侧对称活动连接有腿部机构2，所述腿部机构的底端转动连接有脚轮模组3，所述腿部机构为五连杆机构，所述五连杆结构包括连杆A4，连杆A的一端与脚轮模组转动连接，连杆A的另一端铰接有连杆B5，连杆B的另一端转动连接于主体上，所述连杆A的杆身上铰接有连杆C6，连杆C 的另一端铰接有连杆D7，连杆D的另一端转动连接于主体上，即主体连接连杆B与连杆D，为第五条连杆，两侧的连杆A、B、C、D均与主体形成五连杆机构，两个五连杆机构为机器人主体提供两侧支撑，使机器人保持行走稳定性，整体五连杆机构具有两个自由度，一个垂直于主体的自由度用于调整机器人的高度，另一个平行于主体的自由度，用于调整机身的质心位置。

在本实施例中，为了设计合理，所述主体内左右对称设置有驱动机构，每个驱动机构对应一侧的五连杆机构，所述驱动机构包括两个驱动模块8，两个驱动模块的驱动端分别与连杆D、连杆B连接。

在本实施例中，所述驱动模块包括驱动电机9，所述驱动电机的转轴贯穿出主体，形成伸出端，同一驱动机构的两个驱动电机的伸出端经联轴器18分别与同侧五连杆机构的上的连杆D、连杆B固连，用于驱动连杆D、连杆B。

在本实施例中，所述主体包括底板10，所述底板的两侧边缘上对应各个驱动电机安装有支撑架11，底板与支撑架的组合体上罩设有壳体12，所述支撑架内横置有贯穿孔，贯穿孔内对应电机转轴安装有轴承，电机转轴由内向外伸出轴承19，伸出，然后与对应连杆D、连杆B固连。

在本实施例中，所述底板下安装有电池仓14，电池仓的底部前后对称安装万向轮15，为机器人提供倾倒支撑和防摔功能，同时在四轮行走模式下充当两个从动轮，电池仓提供电池收纳功能。

在本实施例中，所述脚轮模组包括现有的转轮电机16，转轮电机的固定端螺固于连杆A 的下端，转轮电机的外转子上安装有轮胎17，脚轮模组也可以是现有的电动转轮。

在本实施例中，为了设计合理，所述连杆B铰接于连杆A的内侧，所述连杆C铰接于连杆A的外侧，所述连杆D铰接于连杆C的内侧，即连杆B位于最内侧、连杆A与连杆D处于同一竖直面并位于连杆B外侧，连杆C所处的竖直面位于连杆组的最外侧，同时为了设计合理，底板上对应连杆B设置有让位，即底板呈凸字型，同一驱动机构的两个驱动模块中，对应连杆B的驱动模块位于凸字型短边两侧，对应连杆D的驱动模块位于凸字型长边两侧。

在本实施例中，图1所示为机器人站立姿态的示意图，该姿态下，两个轮胎为机器人提供支撑，同时转轮作为机体的主动轮带动机器人行走，实现机器人站立姿态的前行，后退转向等。另外机器人在站立姿态时，可以通过驱动器模块驱动连杆A、B相对于对应的轴转动，调整两个驱动轮胎相对于主体的位置，从而达到调整机器人高度的目的，从而使得机器人能够适应不同的工作环境，例如降低高度，通过较为矮小的空间。可以想到的是，可以通过调整两条腿不同的长度从而达到调整机器人姿态的目的，例如在机器人转弯时通过调整机器人两条腿的长度实现机器人质心的调节，从而达到抵消转弯的向心力，提高机器人的过弯速度和过弯平稳性的目的。再例如在通过非平坦路面时可以通过主动柔顺的方式调整机器人姿态，使的机器人主体部分保持相对平稳的状态，提高机器人的稳定性。

在本实施例中，如图2所示，本发明中轮式双足机也可切换为四轮模式移动，四轮模式是指通过调整机器人腿部长度，即驱动轮胎相对于主体的位置，使得两个驱动轮胎与两个万向轮同时着地为机器人主体提供支撑。此种模式下两个万向轮作为从动轮跟随两个驱动轮胎进行移动。在此种模式下机器人支撑能力将大幅度加强，并且相对站立姿态时能够达到更快的移动速度。

在本实施例中，本发明轮式双足机器人可以实现连续跳跃运动，可以用于连续跨越障碍物，或者跳上台阶。具体的，轮式双足机器人跳跃过程中分为蓄力，起跳，飞行和下落缓冲四个阶段，蓄力过程中，需要降低机身高度用以增大起跳过程中的加速距离，在这个过程中，腿部五连杆机构的连杆A和连杆B相对于驱动轴逆时针旋转一定角度，为起跳蓄力；起跳过程中，腿部五连杆机构的连杆A和连杆B相对于驱动轴顺时针快速旋转一定角度，使的主体具有一定的向上的速度，带动腿部五连杆机构和驱动轮模块离开支撑面，飞行过程中，腿部五连杆机构的连杆A和连杆B相对于驱动轴逆时针快速旋转一定角度，用于调整飞行姿态，同时进行腿部适当进行回收，使得驱动轮模块适当靠近主体部分，用于达到更高的跳跃高度的目；在下落缓冲阶段，腿部五连杆机构的连杆A和连杆B相对于驱动轴顺时针旋转一定角度，使的驱动轮模块更快的接触地面，在驱动轮接模块接触支撑面后，腿部五连杆机构的连杆A和连杆B相对于驱动逆时针顺时针旋转一定角度，用于降低机器人驱动轮模块与接触面的冲击，降低驱动模块受到的冲击和输出立力矩。

值得注意的是，在整个跳跃过程中，腿部五连杆机构的连杆A和连杆B相对于驱动轴的旋转都是在一定范围内，在此范围内，腿部五连杆机构中的连杆C和连杆D相对于主体前平面为内凹状态，不会超过主体前平面，故而可以在较窄的台阶上实现蓄力而不至于连杆A和连杆B 与下一跳跃台阶产生干涉，因此本装置可以实现在台阶上的连续跳跃。

在本实施例中，本装置为非对称五连杆结构，建立运动学模型，运用静力学分析方法对关节输出力矩进行验证分析，验证非对称五连杆机构在双轮足中应用时的优越性。为了方便对理论模型进行验证，以非对称五连杆机构第五连杆中点为原点，水平向右方向为x轴正方向，竖直向下方向为y正方向，建立腿部理论推导结构坐标系如图7、图8、图9和图10所示，图中符号定义如下：

符号	含义
		l<sub>1</sub>	连杆B长度
l<sub>2</sub>	连杆A长度
		l<sub>2L</sub>	连杆A<u>长部长</u>度
l<sub>2S</sub>	连杆A<u>短部长</u>度
		l<sub>3</sub>	连杆C长度
l<sub>4</sub>	连杆D长度
		l<sub>5</sub>	第五连杆长度(即主体侧部长度)
θ	连杆A与水平地面夹角
		θ<sub>1</sub>	驱动关节角度(对应连杆A)
θ<sub>2</sub>	驱动关节角度(对应连杆D)
		θ<sub>3</sub>	连杆A与连杆B夹角
θ<sub>4</sub>	连杆A与连杆C夹角
		θ<sub>5</sub>	连杆C与连杆D夹角
α<sub>1</sub>，α<sub>2</sub>，β<sub>1</sub>，β<sub>2</sub>，γ<sub>1</sub>，γ<sub>2</sub>	辅助角
		L<sub>P1</sub>，L<sub>P2</sub>，L<sub>P3</sub>	辅助线
τ<sub>1</sub>	驱动器扭矩(对应连杆A)
		τ<sub>2</sub>	驱动器扭矩(对应连杆D)
F<sub>x</sub>	平行于X坐标轴的外力
		F<sub>v</sub>	平行于Y坐标轴的外力

根据图7所建模型建立机器人腿部运动学逆解得到机器工作空间到关节空间的位置映射关系：

θ₁＝π-α₁-β₁ θ₂＝β₂-α₂

θ＝θ₃-θ₁

θ₄＝θ₁-θ₂+θ₅-θ₃

根据图8所建立的模型，忽略腿部连杆质量与关节铰链处的摩擦，运用静力学分析方法推导腿部空间力矩与关节空间力矩转化关系：

F_nx＝F_y*cosθ+F_x*sinθ

F_ny＝F_y*sinθ-F_x*cosθ

对连杆三进行受力分析：

F_23x*l₃*cosβ-F_23y*l₃*sinβ＝0

对连杆二进行受力分析：

F_32x*l_2L+F_nx*l₂＝0

F_12y+F_32y+F_ny＝0

F_12x*l₂+F_32x*l_2S＝0

对连杆一和连杆四进行受力分析求得关节力矩：

F_21y*l₁*sin(π-θ₃)-F_21x*l₁*cos(π-θ₃)-τ₁＝0

F_34y*l₄*sin(π-θ-θ₂)-F_34x*l₄*cos(π-θ-θ₂)-τ₂＝0

根据公式推导能够得到机器人在高度变化时对应不同高度下工作空间不同受力所对应的关节受力情况。为了直观的进行对比，使用相同的方法对串联腿部机构进行建模。综合画图对关节输出扭矩进行对比分析，为了尽可能保证对比的参照性，串联腿部腿长设定第一连杆与第二连杆腿部长度相同，同时串联腿第一连杆与第二连杆长度和与并联腿第一连杆长度和第二连杆长度和相同，根据上述限定条件依据图9和图10进行建模如下：

为了方便对比，选定双足机器最常工作状态进行比较，即机器人腿部落足点位于机器人主体中间位置(x＝0)，机器人高度变化范围为0.5倍串联腿腿长至1.8倍串联腿长，同时为了方便对最大输出力矩进行对比，力矩计算结果均采用绝对值进行比较。

对于轮式双足机器人，其腿部最主要承受的是垂直与主体向上的力，其次是用于平衡产生的侧向力，基于上述描述，暂定并联五杆腿部机构与串联腿部机构只受到向上的力为100N和受到向上的100N的同时受到平行于主体的力100N两种情况，通过作图观察在工作范围内关节输出力矩的变化情况，对比并联腿与串联腿在相同工作状况下对关节输出力矩的需求。具体结果如图11和图12所示。

通过对比图可得在两种工作状态下，并联腿所需关节输出最大值均小于串联腿所需关节输出扭矩的最大值，即并联腿能够降低关节所需的输出力矩。

上述本实用新型所公开的任一技术方案除另有声明外，如果其公开了数值范围，那么公开的数值范围均为优选的数值范围，任何本领域的技术人员应该理解：优选的数值范围仅仅是诸多可实施的数值中技术效果比较明显或具有代表性的数值。由于数值较多，无法穷举，所以本实用新型才公开部分数值以举例说明本实用新型的技术方案，并且，上述列举的数值不应构成对本实用新型创造保护范围的限制。

如果本文中使用了“第一”、“第二”等词语来限定零部件的话，本领域技术人员应该知晓：“第一”、“第二”的使用仅仅是为了便于描述上对零部件进行区别如没有另行声明外，上述词语并没有特殊的含义。

本实用新型如果公开或涉及了互相固定连接的零部件或结构件，那么，除另有声明外，固定连接可以理解为：能够拆卸地固定连接(例如使用螺栓或螺钉连接)，也可以理解为：不可拆卸的固定连接(例如铆接、焊接)，当然，互相固定连接也可以为一体式结构(例如使用铸造工艺一体成形制造出来)所取代(明显无法采用一体成形工艺除外)。

另外，上述本实用新型公开的任一技术方案中所应用的用于表示位置关系例如“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本专利，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本专利的限制，且上述本实用新型公开的任一技术方案中所应用的用于表示形状的术语除另有声明外其含义包括与其近似、类似或接近的形状。

本实用新型提供的任一部件既可以是由多个单独的组成部分组装而成，也可以为一体成形工艺制造出来的单独部件。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本实用新型进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本实用新型的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本实用新型技术方案的精神，其均应涵盖在本实用新型请求保护的技术方案范围当中。

Claims (7)

1.一种轮式双足机器人，包括主体，主体的左右两侧对称活动连接有腿部机构，所述腿部机构的底端转动连接有脚轮模组，其特征在于，所述腿部机构为五连杆机构，所述五连杆结构包括连杆A，连杆A的一端与脚轮模组转动连接，连杆A的另一端铰接有连杆B，连杆B的另一端转动连接于主体上，所述连杆A的杆身上铰接有连杆C，连杆C的另一端铰接有连杆D，连杆D的另一端转动连接于主体上。

2.根据权利要求1所述的轮式双足机器人，其特征在于，所述主体内左右对称设置有驱动机构，所述驱动机构包括两个驱动模块，两个驱动模块的驱动端分别与连杆D、连杆B连接。

3.根据权利要求2所述的轮式双足机器人，其特征在于，所述驱动模块包括驱动电机，所述驱动电机的转轴贯穿出主体，形成伸出端，伸出端经联轴器与对应的与连杆D、连杆B固连。

4.根据权利要求2所述的轮式双足机器人，其特征在于，所述主体包括底板，所述底板上对应各个驱动电机安装有支撑架，底板与支撑架的组合体上罩设有壳体，所述支撑架内横置有贯穿孔，贯穿孔内对应电机转轴安装有轴承。

5.根据权利要求4所述的轮式双足机器人，其特征在于，所述底板下安装有电池仓，电池仓的底部前后对称安装万向轮。

6.根据权利要求1所述的轮式双足机器人，其特征在于，所述脚轮模组包括转轮电机，转轮电机的固定端固定于连杆A的下端，转轮电机的旋转端上安装有轮胎。

7.根据权利要求1所述的轮式双足机器人，其特征在于，所述连杆B铰接于连杆A的内侧，所述连杆C铰接于连杆A的外侧，所述连杆D铰接于连杆C的内侧。

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