本發(fā)明屬于仿生機(jī)器人領(lǐng)域，具體涉及一種高負(fù)載輪足切換變形機(jī)構(gòu)及其控制方法。

背景技術(shù)：

1、人形機(jī)器人的發(fā)展正處在快速演進(jìn)的階段，其在非結(jié)構(gòu)環(huán)境(如沙石地面、臺(tái)階、斜坡等)中具有良好的運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)，在某些危險(xiǎn)場(chǎng)景下可以代替人類去執(zhí)行相關(guān)工作，但是目前人形機(jī)器人的動(dòng)作速度較慢，在高機(jī)動(dòng)性能方面表現(xiàn)欠佳。

2、輪式人形機(jī)器人可視為給人形機(jī)器人穿上了輪滑鞋，提高了機(jī)器人的快速移動(dòng)能力，在城市樓宇、較平整路面等環(huán)境中可以充分發(fā)揮其機(jī)動(dòng)性能，但面對(duì)復(fù)雜環(huán)境工況，其越障能力、地形適應(yīng)能力較低，難以實(shí)現(xiàn)上臺(tái)階、過沙礫石子路面等。

3、因此，為使人形機(jī)器人兼顧高復(fù)雜環(huán)境適應(yīng)性和高機(jī)動(dòng)性，輪足切換/轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)成為當(dāng)前所關(guān)注的新興研究方向，能夠使人形機(jī)器人在足式運(yùn)動(dòng)和輪式運(yùn)動(dòng)之間來回切換，從而拓展人形機(jī)器人的動(dòng)態(tài)性能和應(yīng)用領(lǐng)域。但是，現(xiàn)有輪足切換技術(shù)存在切換時(shí)間長(zhǎng)、重量慣量大、負(fù)載小等不足。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在不足，本發(fā)明提供了一種高負(fù)載輪足切換變形機(jī)構(gòu)及其控制方法，通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)輪子變形實(shí)現(xiàn)輪式和足式之間的切換，縮短切換時(shí)間、增加負(fù)載能力，從而提高輪腿機(jī)器人的復(fù)雜環(huán)境適應(yīng)能力，實(shí)現(xiàn)上臺(tái)階、跨越溝壑等功能。

2、本發(fā)明是通過以下技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)上述技術(shù)目的的。

3、一種高負(fù)載輪足切換變形機(jī)構(gòu)，其特征在于，包括：

4、模式切換部件，包括運(yùn)動(dòng)電機(jī)、電磁制動(dòng)器和電機(jī)輸出軸，所述運(yùn)動(dòng)電機(jī)與電機(jī)輸出軸連接，且電機(jī)輸出軸位于電磁制動(dòng)器內(nèi)部；

5、翻轉(zhuǎn)展開部件，包括c字型的框架、翻轉(zhuǎn)展開電機(jī)、雙向絲杠、錐齒輪i、直齒輪、螺母、導(dǎo)軌、齒條和錐齒輪ii，其中，錐齒輪i、直齒輪、螺母和錐齒輪ii的數(shù)量均為2，兩個(gè)螺母軸對(duì)稱設(shè)置；所述雙向絲杠兩端安裝在c字型框架對(duì)邊上，且雙向絲杠一端與翻轉(zhuǎn)展開電機(jī)的輸出軸連接；所述雙向絲杠下方的框架上依次安裝齒條和導(dǎo)軌；所述螺母上端與雙向絲杠一端螺紋配合，螺母下端內(nèi)側(cè)通過滑塊與導(dǎo)軌配合；所述螺母上還通過軸連接固定有錐齒輪i和直齒輪，所述錐齒輪ii通過滾針軸承安裝在螺母上端，且錐齒輪i與錐齒輪ii配合，直齒輪與齒條嚙合；

6、輪部件，包括驅(qū)動(dòng)輪、左連接輪、右連接輪、中間輪、滑輪、滑軌、導(dǎo)向柱、鎖緊塊、連桿i和連桿ii；其中，左連接輪和右連接輪的數(shù)量為2，滑輪的數(shù)量為5，鎖緊塊、連桿i和連桿ii的數(shù)量為4；1個(gè)右連接輪、中間輪和1個(gè)左連接輪依次排布，并通過合頁連接，構(gòu)成上半輪；1個(gè)左連接輪、驅(qū)動(dòng)輪和1個(gè)右連接輪依次排布，并通過合頁連接，構(gòu)成下半輪；上半輪和下半輪構(gòu)成整輪；整輪內(nèi)部外側(cè)安裝滑軌，所述滑軌上卡接滑輪，驅(qū)動(dòng)輪對(duì)應(yīng)位置沒有滑輪；所述滑輪通過軸承固定導(dǎo)向柱一端，導(dǎo)向柱另一端位于各輪上的凹槽中；所述鎖緊塊通過銅套安裝在左連接輪、右連接輪靠近模式切換部件的一側(cè)，且與導(dǎo)向柱同心設(shè)置；所述鎖緊塊還與連桿i一端固定，連桿i另一端與連桿ii一端與連接，其中一組連桿ii的另一端固定在驅(qū)動(dòng)輪上，另一組連桿ii的另一端固定在中間輪上，且每組連桿ii進(jìn)行嚙合；

7、兩個(gè)連桿iii，兩連桿iii的一端與其中一個(gè)錐齒輪ii連接，兩連桿iii的另一端分別與左連接輪上的導(dǎo)向柱連接；

8、兩個(gè)連桿iv，位于連桿iii外側(cè)，兩連桿iv的一端與另一個(gè)錐齒輪ii連接，兩連桿iv的另一端分別與右連接輪上的導(dǎo)向柱連接；

9、保持桿，通過軸承分別與雙向絲杠和中間輪的滑輪連接；

10、所述框架一側(cè)與電磁制動(dòng)器固定，框架一側(cè)還通過軸承與電機(jī)輸出軸連接。

11、進(jìn)一步的技術(shù)方案，所述鎖緊塊一側(cè)設(shè)置有兩相對(duì)的凸臺(tái)，且中間加工有凹槽；所述鎖緊塊的凹槽半徑與輪部件各輪上的凹槽半徑相同；當(dāng)高負(fù)載輪足切換變形機(jī)構(gòu)處于輪式運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)，鎖緊塊的凹槽與輪部件的凹槽重合，當(dāng)高負(fù)載輪足切換變形機(jī)構(gòu)處于足式運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)，鎖緊塊的凹槽發(fā)生偏移。

12、進(jìn)一步的技術(shù)方案，所述連桿ii的另一端設(shè)計(jì)為不完全齒。

13、進(jìn)一步的技術(shù)方案，所述模式切換部件還包括小腿連接件，用于將高負(fù)載輪足切換變形機(jī)構(gòu)安裝在人形機(jī)器人小腿腳踝處。

14、進(jìn)一步的技術(shù)方案，所述輪部件還包括安裝在整輪外側(cè)的橡膠輪胎。

15、進(jìn)一步的技術(shù)方案，所述兩連桿iii的一端與其中一個(gè)錐齒輪ii連接，兩連桿iii的另一端分別與右連接輪上的導(dǎo)向柱連接；兩連桿iv的一端與另一個(gè)錐齒輪ii連接，兩連桿iv的另一端分別與左連接輪上的導(dǎo)向柱連接。

16、進(jìn)一步的技術(shù)方案，所述連桿iii為曲連桿，所述連桿iv為直連桿。

17、進(jìn)一步的技術(shù)方案，所述連桿iii和連桿iv上開設(shè)有凹槽。

18、進(jìn)一步的技術(shù)方案，所述保持桿內(nèi)側(cè)加裝導(dǎo)向桿。

19、一種高負(fù)載輪足切換變形機(jī)構(gòu)的控制方法：機(jī)器人處于輪式運(yùn)動(dòng)狀態(tài)或足式運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，由工控機(jī)下發(fā)模式切換狀態(tài)，通過讀取運(yùn)動(dòng)電機(jī)上編碼器的數(shù)值，可知驅(qū)動(dòng)輪是否接觸地面，進(jìn)而判斷是否可以進(jìn)行切換，若驅(qū)動(dòng)輪接觸地面，則高負(fù)載輪足切換變形機(jī)構(gòu)進(jìn)行翻轉(zhuǎn)展開，直到螺母到達(dá)指定位置，翻轉(zhuǎn)展開完成后，工控機(jī)控制電磁制動(dòng)器的開啟與關(guān)閉，完成兩種運(yùn)動(dòng)模式的切換；所述螺母到達(dá)指定位置是根據(jù)翻轉(zhuǎn)展開電機(jī)上的編碼器數(shù)值進(jìn)行判斷的。

20、本發(fā)明的有益效果為：本發(fā)明提出了一種高負(fù)載輪足切換變形機(jī)構(gòu)及其控制方法，通過輪部件的變形實(shí)現(xiàn)輪式運(yùn)動(dòng)和足式運(yùn)動(dòng)之間的切換；本發(fā)明對(duì)輪部件進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)，大大縮短了由全身運(yùn)動(dòng)進(jìn)行輪足切換的切換時(shí)間，且結(jié)構(gòu)占用空間較小，對(duì)整體質(zhì)量不造成負(fù)擔(dān)，同時(shí)通過絲杠的自鎖特性實(shí)現(xiàn)高負(fù)載、高動(dòng)態(tài)的運(yùn)動(dòng)，能夠在短時(shí)間內(nèi)完成輪足切換，提高輪式機(jī)器人上臺(tái)階等復(fù)雜環(huán)境的通過性。

技術(shù)特征：

1.一種高負(fù)載輪足切換變形機(jī)構(gòu)，其特征在于，包括：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高負(fù)載輪足切換變形機(jī)構(gòu)，其特征在于，所述鎖緊塊(310)一側(cè)設(shè)置有兩相對(duì)的凸臺(tái)，且中間加工有凹槽；所述鎖緊塊(310)的凹槽半徑與輪部件各輪上的凹槽半徑相同；當(dāng)高負(fù)載輪足切換變形機(jī)構(gòu)處于輪式運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)，鎖緊塊(310)的凹槽與輪部件的凹槽重合，當(dāng)高負(fù)載輪足切換變形機(jī)構(gòu)處于足式運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)，鎖緊塊(310)的凹槽發(fā)生偏移。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高負(fù)載輪足切換變形機(jī)構(gòu)，其特征在于，所述連桿ii(313)的另一端設(shè)計(jì)為不完全齒。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高負(fù)載輪足切換變形機(jī)構(gòu)，其特征在于，所述模式切換部件還包括小腿連接件(101)，用于將高負(fù)載輪足切換變形機(jī)構(gòu)安裝在人形機(jī)器人小腿腳踝處。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高負(fù)載輪足切換變形機(jī)構(gòu)，其特征在于，所述輪部件還包括安裝在整輪外側(cè)的橡膠輪胎(307)。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高負(fù)載輪足切換變形機(jī)構(gòu)，其特征在于，所述兩連桿iii(4)的一端與其中一個(gè)錐齒輪ii(210)連接，兩連桿iii(4)的另一端分別與右連接輪(303)上的導(dǎo)向柱(309)連接；兩連桿iv(5)的一端與另一個(gè)錐齒輪ii(210)連接，兩連桿iv(5)的另一端分別與左連接輪(302)上的導(dǎo)向柱(309)連接。

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高負(fù)載輪足切換變形機(jī)構(gòu)，其特征在于，所述連桿iii(4)為曲連桿，所述連桿iv(5)為直連桿。

8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高負(fù)載輪足切換變形機(jī)構(gòu)，其特征在于，所述連桿iii(4)和連桿iv(5)上開設(shè)有凹槽。

9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高負(fù)載輪足切換變形機(jī)構(gòu)，其特征在于，所述保持桿(6)內(nèi)側(cè)加裝導(dǎo)向桿。

10.一種基于權(quán)利要求1-9任一項(xiàng)所述的高負(fù)載輪足切換變形機(jī)構(gòu)的控制方法，其特征在于：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明提供了一種高負(fù)載輪足切換變形機(jī)構(gòu)及其控制方法，包括模式切換部件、翻轉(zhuǎn)展開部件、輪部件，模式切換部件包括運(yùn)動(dòng)電機(jī)和電磁制動(dòng)器，翻轉(zhuǎn)展開部件包括框架、翻轉(zhuǎn)展開電機(jī)、雙向絲杠、錐齒輪組、螺母、導(dǎo)軌、齒輪齒條，輪部件包括驅(qū)動(dòng)輪、左連接輪、右連接輪、中間輪、滑輪、滑軌、導(dǎo)向柱、鎖緊塊、連桿I和連桿II；模式切換部件與翻轉(zhuǎn)展開部件固定，運(yùn)動(dòng)電機(jī)與驅(qū)動(dòng)輪連接，輪部件通過連桿III、連桿IV和保持桿與翻轉(zhuǎn)展開部件連接。本發(fā)明通過翻轉(zhuǎn)展開電機(jī)驅(qū)動(dòng)螺母、絲杠運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)齒輪齒條和錐齒輪組運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)翻轉(zhuǎn)和展開同步進(jìn)行，結(jié)合電磁制動(dòng)器的開閉，實(shí)現(xiàn)輪式與足式運(yùn)動(dòng)的快速可靠切換，同時(shí)適應(yīng)高負(fù)載高動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)。

技術(shù)研發(fā)人員：陳學(xué)超,張錦埭,余張國(guó),孟非,黃強(qiáng)
受保護(hù)的技術(shù)使用者：北京理工大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/11/14