輪足式機器人腿結(jié)構(gòu)及具有該腿結(jié)構(gòu)的輪足式機器人的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種輪足式機器人腿結(jié)構(gòu)，包括大腿，大腿的頂部與第一動力機構(gòu)相連，頂部下方與外部構(gòu)件鉸接形成髖關(guān)節(jié)；大腿的末端安裝有輪子、驅(qū)動輪子轉(zhuǎn)動的第二動力機構(gòu)以及與跖骨桿鉸接的第一彈性減震單元；大腿末端上部還與小腿上半部分鉸接形成膝關(guān)節(jié)；小腿的上端與第三動力機構(gòu)連接，下端鉸接于跖骨桿上形成踝關(guān)節(jié)；所述第一彈性減震單元包括分別與大腿和跖骨桿鉸接的套筒和滑動軸，且滑動軸上端伸入套筒中并能往復(fù)滑動，滑動軸上套有彈性件，彈性件的下端固定于滑動軸下半部分的凸臺上，上端固定于套筒上。本發(fā)明還公開了一種輪足式機器人。本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)足式和輪式兩種行走方式。
【專利說明】輪足式機器人腿結(jié)構(gòu)及具有該腿結(jié)構(gòu)的輪足式機器人

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及機器人領(lǐng)域，具體的說，是涉及一種輪足式機器人腿結(jié)構(gòu)及具有該腿結(jié)構(gòu)的輪足式機器人。

【背景技術(shù)】
[0002]目前，足式機器人中的四足機器人移動性強，負(fù)載能力強，可以在復(fù)雜地形行走，在軍事運輸，礦山開采等領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用前景，但速度較慢，行走穩(wěn)定性有待提高。輪式機器人適合平坦地面，速度較快，其難以在復(fù)雜地形上移動。
[0003]因此，如何設(shè)計一種全新結(jié)構(gòu)的機器人，使其能夠較快的在不同的路面上行走，是本領(lǐng)域技術(shù)人員亟需解決的問題。
[0004]中國專利申請CN 104029745 A公開了一種腿輪混合式液壓機械腿，包括大腿液壓缸、小腿液壓缸以及相對平行安裝的大腿桿板、小腿桿板、主體連接板和大腿液壓缸連接板，主體連接板與大腿液壓缸連接板的主體方形固定塊之間設(shè)有主體圓柱連接柱；兩塊主體連接板分別與兩塊大腿桿板鉸接，兩塊大腿桿板分別與兩塊小腿桿板鉸接，兩塊小腿桿板之間經(jīng)小腿方形固定塊固定有平行的小腿末端桿；大腿液壓缸兩端分別鉸接在兩塊大腿桿板上部之間和兩塊大腿液壓缸連接板底部之間；小腿液壓缸兩端分別鉸接在兩塊小腿桿板中部之間和兩塊大腿桿板延伸出的側(cè)臂板上。該專利申請緩沖性能較差，行走穩(wěn)定性不夠，難以適應(yīng)復(fù)雜地形。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是為克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種輪足式機器人腿結(jié)構(gòu)及具有該腿結(jié)構(gòu)的輪足式機器人。本發(fā)明所提供的機器人腿結(jié)構(gòu)，能夠在不同路況下較快地行走；行走穩(wěn)定性強。同時，本發(fā)明還提供了一種具有該腿結(jié)構(gòu)的機器人，機器人上安裝有清障桿，能夠清理質(zhì)量較小的障礙物。
[0006]為了達成上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:
[0007]一種輪足式機器人腿結(jié)構(gòu)，包括:
[0008]一大腿，大腿的頂部與第一動力機構(gòu)相連，頂部下方與外部構(gòu)件鉸接形成髖關(guān)
-K-
T ；
[0009]大腿的末端安裝有輪子、驅(qū)動輪子轉(zhuǎn)動的第二動力機構(gòu)以及與跖骨桿鉸接的第一彈性減震單元；
[0010]大腿末端上部還與小腿上半部分鉸接形成膝關(guān)節(jié)；
[0011]所述小腿的上端與第三動力機構(gòu)連接，下端鉸接于跖骨桿上形成踝關(guān)節(jié)；
[0012]所述第一彈性減震單元包括分別與大腿和跖骨桿鉸接的套筒和滑動軸，且滑動軸上端伸入套筒中并能往復(fù)滑動，滑動軸上套有彈性件，彈性件的下端固定于滑動軸下半部分的凸臺上，上端固定于套筒上；套筒與大腿鉸接、滑動軸沿套筒上下滑動以及滑動軸下端與跖骨桿鉸接，能夠有效減緩做足式運動時，地面對整體腿結(jié)構(gòu)的沖擊，提高工作穩(wěn)定性，延長部件使用壽命。
[0013]通過第一、第三動力機構(gòu)對大腿和小腿的反向施力，驅(qū)動跖骨桿做足式行走，或者把跖骨桿和小腿向大腿方向折疊，輪子著地，經(jīng)第二動力機構(gòu)驅(qū)動行走。
[0014]所述第一彈性減震單元與小腿平行設(shè)置。
[0015]所述大腿上膝關(guān)節(jié)上部鉸接有與小腿平行的第二彈性減震單元，第二彈性減震單元下端鉸接于跖骨桿上端部。
[0016]所述第一、第二彈性減震單元結(jié)構(gòu)相同。
[0017]所述第一、第三動力機構(gòu)分別為髖關(guān)節(jié)液壓缸和膝關(guān)節(jié)液壓缸。
[0018]所述第二動力機構(gòu)包括安裝于大腿上的電機，電機輸出軸與一對嚙合的錐齒輪中的小錐齒輪固定連接，大錐齒輪安裝于傳動軸上，傳動軸另一端與輪子固定連接。
[0019]所述傳動軸分別穿過大腿和套筒中的軸承。
[0020]一種輪足式機器人，包括安裝于軀體上四個所述的輪足式機器人腿結(jié)構(gòu)，其中第一動力機構(gòu)一端連接于大腿的頂部，另一端連接于軀體上；大腿上部還與軀體鉸接形成髖關(guān)節(jié)；第三動力機構(gòu)一端與小腿上端連接，另一端安裝于軀體上；所述軀體前端還鉸接有通過液壓缸驅(qū)動的清障單元。
[0021]所述清障單元包括與所述軀體相鉸接的左側(cè)清障桿和右側(cè)清障桿，左側(cè)清障桿還與左側(cè)清障桿液壓缸相鉸接，左側(cè)清障桿液壓缸的另一端與軀體相鉸接；所述右側(cè)清障桿還與右側(cè)清障桿液壓缸相鉸接，右側(cè)清障桿液壓缸的另一端也與軀體相鉸接。
[0022]所述左側(cè)清障桿和右側(cè)清障桿的底端均設(shè)有清障塊。
[0023]本發(fā)明為輪足式四足機器人，在平坦地面上為輪式運動，速度快。遇到不平整的地形轉(zhuǎn)換為足式行走。足輪的轉(zhuǎn)換可使該四足機器人適應(yīng)不同地形行走。該機器人有髖關(guān)節(jié)，膝關(guān)節(jié)，踝關(guān)節(jié)。髖關(guān)節(jié)直接由液壓缸驅(qū)動，膝關(guān)節(jié)通過一近似平行四邊形的結(jié)構(gòu)帶動足端的移動。踝關(guān)節(jié)是被動自由度。該機器人腿運動靈活，地面適應(yīng)性強，且移動速度快，針對特殊地形變換運動姿態(tài)有利于穩(wěn)定行走。
[0024]本發(fā)明還具有以下特點:
[0025]I)在地形較為不平的條件下，機器人的跖骨桿下端與地面接觸，4條腿足式運動，使得機器人能夠在不平地形行進；輪足式機器人腿結(jié)構(gòu)仿馬腿構(gòu)造，用液壓缸驅(qū)動的大腿及小腿，跖骨桿，及與小腿平行的左右兩個彈簧機構(gòu)，構(gòu)成腿結(jié)構(gòu)。與小腿平行的兩個彈簧機構(gòu)、大腿和跖骨桿共同形成兩個平行四邊形結(jié)構(gòu)，自由度多，容易變形，適應(yīng)性強。兩個彈簧機構(gòu)不單純是單一的彈簧，還包括滑動軸、套筒，滑動軸可在套筒中滑移實現(xiàn)內(nèi)伸或外伸，緩沖好。仿馬腿構(gòu)造的輪足式機器人腿結(jié)構(gòu)能適應(yīng)復(fù)雜的地形。緩沖性能好，穩(wěn)定性強。
[0026]2)在地形較為良好的條件下，機器人的行走輪與地面接觸，4個行走輪同步運動，使得機器人能夠在良好路況下快速行進；
[0027]3)機器人可根據(jù)不同的路況，來改變不同的行走模式，進而實現(xiàn)了在不同路況下的較為快速的行進。

【專利附圖】

【附圖說明】
:
[0028]為了更清楚地說明本發(fā)明實施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。
[0029]圖1是本發(fā)明中輪足式機器人腿結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0030]圖2是本發(fā)明中具有輪足式機器人腿結(jié)構(gòu)的輪足式機器人的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0031]圖3是本發(fā)明中輪足式機器人采用輪式行進的狀態(tài)圖；
[0032]圖4是圖2中A-A向剖視圖；
[0033]圖5是圖2中S向示意圖；
[0034]圖6是馬后腿骨骼示意圖；
[0035]其中:2、軀體，3、銷軸，4、銷軸，5、髖關(guān)節(jié)液壓缸，6、銷軸，7、銷軸，8、大腿桿，9、套筒，10、滑動軸，11、彈性部件，12、小腿桿，13、銷軸，14、銷軸，15、銷軸，16、跖骨桿，17、彈性部件，18、滑動軸，19、套筒，21、行走輪，22、銷軸，23、銷軸，24、銷軸，25、膝關(guān)節(jié)液壓缸，26、第二滾動軸承，27、第一滾動軸承，28、大錐齒輪，29、小錐齒輪，30、電機，31、電機固定座，32、傳動軸，33、右側(cè)清障桿液壓缸，34、左側(cè)清障桿液壓缸，35、清障塊，36、軀體肩部，37、左側(cè)清障桿，38、右側(cè)清障桿，39、髖關(guān)節(jié)，40、大腿，41、膝關(guān)節(jié)，42、小腿，43、踝關(guān)節(jié)，44、跖骨。

【具體實施方式】
:
[0036]下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。
[0037]實施例1:一種機器人腿結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)如圖1、圖4所示，包括:
[0038]軀體肩部36，該軀體肩部36具有第一鉸接節(jié)點，第一鉸接節(jié)點內(nèi)設(shè)有銷軸7，第一鉸接節(jié)點的上側(cè)為第二鉸接節(jié)點，第二鉸接節(jié)點內(nèi)設(shè)有銷軸4，第一鉸接節(jié)點的右側(cè)為第三鉸接節(jié)點，第三鉸接節(jié)點內(nèi)設(shè)有銷軸3 ；
[0039]大腿桿8的上端通過銷軸7與軀體肩部36相鉸接，大腿桿8的頂端通過銷軸6與髖關(guān)節(jié)液壓缸5相鉸接，髖關(guān)節(jié)液壓缸5的另一端通過銷軸4與軀體肩部36相鉸接；
[0040]大腿桿8的下端通過銷軸22與小腿桿12的上端相鉸接，小腿桿12的頂端通過銷軸23與膝關(guān)節(jié)液壓缸25相鉸接，膝關(guān)節(jié)液壓缸25的另一端通過銷軸3與軀體肩部36相較接；
[0041]小腿桿12的底端通過銷軸14與跖骨桿16的上端相鉸接，跖骨桿16與小腿桿12的鉸接件(銷軸14)兩側(cè)分別鉸接有第一彈性減震單元和第二彈性減震單元，任一彈性減震單元的另一端均與大腿桿8相鉸接；
[0042]大腿桿8上還設(shè)有輪式行走單元。
[0043]第一彈性減震單元包括與分別與大腿桿8通過銷軸24相鉸接的套筒9，以及通過銷軸13與跖骨桿16相連的滑動軸10，套筒9與大腿桿8的鉸接件(銷軸24)位于小腿桿12與大腿桿8的鉸接件(銷軸22)的上方，套筒9的筒體內(nèi)套有滑動軸10，彈性部件11下端固定在滑動軸下部，上端固定于套筒9上。
[0044]第二彈性減震單元包括與大腿桿8通過傳動軸32相鉸接的套筒19，以及通過銷軸15與跖骨桿16相連的滑動軸18，該套筒19與大腿桿8的鉸接件(傳動軸32)位于小腿桿12與大腿桿8的鉸接件(銷軸22)的下方，套筒19的筒體內(nèi)套有滑動軸18，彈性部件17下端固定在滑動軸下部，上端固定于套筒19上。
[0045]彈性部件11和彈性部件17均為彈簧，彈簧的一端與設(shè)置于相對應(yīng)滑動軸上的凸臺固定連接，彈簧的另一端與相對應(yīng)的套筒固定連接。
[0046]輪式行走單元包括設(shè)置于大腿桿8上的電機固定座31和設(shè)置于大腿桿8內(nèi)部的第一滾動軸承27 ;所述電機固定座31上設(shè)有電機30，電機30的軸上安裝有小錐齒輪29，所述第一滾動軸承27與所述傳動軸32相適配，傳動軸32的一端設(shè)有與所述小錐齒輪29嚙合的大錐齒輪28，傳動軸32的另一端設(shè)有行走輪21，電機30通過小錐齒輪29傳動給傳動軸32帶動行走輪21轉(zhuǎn)動。
[0047]套筒19內(nèi)設(shè)有第二滾動軸承26，第二滾動軸承26與第一滾動軸承27中心線相重合，傳動軸32貫穿于所述第一滾動軸承27和第二滾動軸承26。
[0048]上述構(gòu)造是采用仿生結(jié)構(gòu)制作，主要是仿馬腿結(jié)構(gòu)，如圖6所示，大腿40上部和軀體2通過髖關(guān)節(jié)39鉸接，大腿40和小腿42通過膝關(guān)節(jié)41鉸接，小腿42和和跖骨44通過踝關(guān)節(jié)43鉸接。該結(jié)構(gòu)能夠適應(yīng)較為的復(fù)雜的地形行走。本發(fā)明中的跖骨桿16就是仿生的馬腿中的跖骨44。
[0049]實施例2:
[0050]如圖1-5所示，本發(fā)明還提供了一種輪足式機器人，該輪足式機器人具有軀體2，所述軀體2上安裝有4個實施例1所述述機器人腿結(jié)構(gòu)。軀體肩部36與軀體2焊接在一起。
[0051]機器人的前端設(shè)有清障單元。具體而言，所述清障單元包括與所述軀體2相鉸接的左側(cè)清障桿37和右側(cè)清障桿38，左側(cè)清障桿37還與左側(cè)清障桿液壓缸34相鉸接，左側(cè)清障桿液壓缸34的另一端與軀體2相鉸接；所述右側(cè)清障桿38還與右側(cè)清障桿液壓缸33相鉸接，右側(cè)清障桿液壓缸33的另一端也與軀體2相鉸接；且所述左側(cè)清障桿37和右側(cè)清障桿38的底端均設(shè)有清障塊35。
[0052]繼續(xù)參考圖1和圖2所示，在不平路況下，本方案的機器人中跖骨桿16與地面接觸，通過4條腿的運動，實現(xiàn)機器人在不平路況的行進。具體而言，由髖關(guān)節(jié)液壓缸5的活塞桿伸縮，驅(qū)動大腿桿8旋轉(zhuǎn)，膝關(guān)節(jié)液壓缸25驅(qū)動小腿桿12旋轉(zhuǎn)，第一彈性減震單元和第二彈性減震單元的兩端分別與大腿桿8和跖骨桿16相鉸接，起緩沖作用。向前邁步時，髖關(guān)節(jié)液壓缸5下推，則大腿桿8以銷軸7為節(jié)點進行轉(zhuǎn)動(大腿桿8前擺)，膝關(guān)節(jié)液壓缸25收縮，則小腿桿12以銷軸22為節(jié)點進行轉(zhuǎn)動(小腿桿12逆時針擺動)，由于彈性部件17 —端固定在滑動軸18的端部，另一端固定在套筒19上，此時彈性部件17受拉，滑動軸18從套筒19的孔中向下隨之外伸，跖骨桿16就向前邁步。與此同時，彈性部件11受壓縮，由于彈性部件11 一端固定在滑動軸10的端部，另一端固定在套筒9上，此時滑動軸10從套筒9的孔中向上隨之內(nèi)伸。通過4條腿的運動，則機器人就會前行。
[0053]繼續(xù)參考圖3，圖1，和圖4所示，在良好路況下，本方案的機器人中行走輪21與地面接觸，通過4個行走輪21同步運動，實現(xiàn)機器人在良好路況下的快速行進。具體而言，在良好路面情況下，髖關(guān)節(jié)液壓缸5收縮，則大腿桿8就會以銷軸7為節(jié)點進行轉(zhuǎn)動，直至呈豎直狀態(tài)；同時膝關(guān)節(jié)液壓缸25下推，則小腿桿12就會以銷軸22為節(jié)點進行轉(zhuǎn)動，而跖骨桿16也隨之上移，直至跖骨桿16高出地面10厘米以上為止。在此狀態(tài)下，行走輪21會觸地。4個行走輪21都著地，則相應(yīng)的個跖骨桿16全部脫離地面。固定于電機固定座31上的電機30開始工作，通過相嚙合錐齒輪的傳動，驅(qū)動傳動軸32帶動行走輪21轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)良好路面的快速輪式行進。
[0054]繼續(xù)參考圖5所示，清障桿在輪子的正前部，由液壓缸驅(qū)動實現(xiàn)垂直于前進方向的擺動，當(dāng)機器人行走輪的正前方有障礙物時，會把偶爾出現(xiàn)的3公斤以內(nèi)的障礙物撥離輪子的正前方，達到清障的目的。
[0055]采用了上述結(jié)構(gòu)后，本方案的機器人，能夠在不同路況下較快的行走，還能夠清理質(zhì)量不太大的障礙物。
[0056]對所公開的實施例的上述說明，使本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員能夠?qū)崿F(xiàn)或使用本發(fā)明。對這些實施例的多種修改對本領(lǐng)域的專業(yè)技術(shù)人員來說將是顯而易見的，本文中所定義的一般原理可以在不脫離本發(fā)明的精神或范圍的情況下，在其它實施例中實現(xiàn)。因此，本發(fā)明將不會被限制于本文所示的這些實施例，而是要符合與本文所公開的原理和新穎特點相一致的最寬的范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種輪足式機器人腿結(jié)構(gòu)，其特征是，包括: 一大腿，大腿的頂部與第一動力機構(gòu)相連，頂部下方與外部構(gòu)件鉸接形成髖關(guān)節(jié)； 大腿的末端安裝有輪子、驅(qū)動輪子轉(zhuǎn)動的第二動力機構(gòu)以及與跖骨桿鉸接的第一彈性減震單元； 大腿末端上部還與小腿上半部分鉸接形成膝關(guān)節(jié)； 所述小腿的上端與第三動力機構(gòu)連接，下端鉸接于跖骨桿上形成踝關(guān)節(jié)； 所述第一彈性減震單元包括分別與大腿和跖骨桿鉸接的套筒和滑動軸，且滑動軸上端伸入套筒中并能往復(fù)滑動，滑動軸上套有彈性件，彈性件的下端固定于滑動軸下半部分的凸臺上，上端固定于套筒上； 通過第一、第三動力機構(gòu)對大腿和小腿的反向施力，驅(qū)動跖骨桿做足式行走，或者把跖骨桿和小腿向大腿方向折疊，輪子著地，經(jīng)第二動力機構(gòu)驅(qū)動行走。
2.如權(quán)利要求1所述的輪足式機器人腿結(jié)構(gòu)，其特征是，所述第一彈性減震單元與小腿平行設(shè)置。
3.如權(quán)利要求1所述的輪足式機器人腿結(jié)構(gòu)，其特征是，所述大腿上膝關(guān)節(jié)上部鉸接有與小腿平行的第二彈性減震單元，第二彈性減震單元下端鉸接于跖骨桿上端部。
4.如權(quán)利要求3所述的輪足式機器人腿結(jié)構(gòu)，其特征是，所述第一、第二彈性減震單元結(jié)構(gòu)相同。
5.如權(quán)利要求1所述的輪足式機器人腿結(jié)構(gòu)，其特征是，所述第一、第三動力機構(gòu)分別為髖關(guān)節(jié)液壓缸和膝關(guān)節(jié)液壓缸。
6.如權(quán)利要求1所述的輪足式機器人腿結(jié)構(gòu)，其特征是，所述第二動力機構(gòu)包括安裝于大腿上的電機，電機輸出軸上與一對嚙合的錐齒輪中的一個錐齒輪固定連接，另一個的錐齒輪安裝于傳動軸上，傳動軸另一端與輪子固定連接。
7.如權(quán)利要求6所述的輪足式機器人腿結(jié)構(gòu)，其特征是，所述傳動軸分別穿過大腿和套筒中的軸承。
8.一種輪足式機器人，其特征是，包括安裝于軀體上四個如權(quán)利要求1所述的輪足式機器人腿結(jié)構(gòu)，其中第一動力機構(gòu)一端連接于大腿的頂部，另一端連接于軀體上；大腿上部還與軀體鉸接形成髖關(guān)節(jié)；第三動力機構(gòu)一端與小腿上端連接，另一端安裝于軀體上；所述軀體前端還鉸接有通過液壓缸驅(qū)動的清障單元。
9.如權(quán)利要求8所述的輪足式機器人，其特征是，所述清障單元包括與所述軀體相鉸接的左側(cè)清障桿和右側(cè)清障桿，左側(cè)清障桿還與左側(cè)清障桿液壓缸相鉸接，左側(cè)清障桿液壓缸的另一端與軀體相鉸接；所述右側(cè)清障桿還與右側(cè)清障桿液壓缸相鉸接，右側(cè)清障桿液壓缸的另一端也與軀體相鉸接。
10.如權(quán)利要求9所述的輪足式機器人，其特征是，所述左側(cè)清障桿和右側(cè)清障桿的底端均設(shè)有清障塊。
【文檔編號】B62D57/028GK104443104SQ201410757019
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2014年12月10日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月10日
【發(fā)明者】馬宗利, 張培強, 朱彥防, 劉永超, 王建明 申請人:山東大學(xué)