轮足式机器人腿结构及具有该腿结构的轮足式机器人的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种轮足式机器人腿结构，包括大腿，大腿的顶部与第一动力机构相连，顶部下方与外部构件铰接形成髋关节；大腿的末端安装有轮子、驱动轮子转动的第二动力机构以及与跖骨杆铰接的第一弹性减震单元；大腿末端上部还与小腿上半部分铰接形成膝关节；小腿的上端与第三动力机构连接，下端铰接于跖骨杆上形成踝关节；所述第一弹性减震单元包括分别与大腿和跖骨杆铰接的套筒和滑动轴，且滑动轴上端伸入套筒中并能往复滑动，滑动轴上套有弹性件，弹性件的下端固定于滑动轴下半部分的凸台上，上端固定于套筒上。本发明还公开了一种轮足式机器人。本发明能够实现足式和轮式两种行走方式。
【专利说明】轮足式机器人腿结构及具有该腿结构的轮足式机器人
【技术领域】
[0001]本发明涉及机器人领域，具体的说，是涉及一种轮足式机器人腿结构及具有该腿结构的轮足式机器人。
【背景技术】
[0002]目前，足式机器人中的四足机器人移动性强，负载能力强，可以在复杂地形行走，在军事运输，矿山开采等领域具有潜在的应用前景，但速度较慢，行走稳定性有待提高。轮式机器人适合平坦地面，速度较快，其难以在复杂地形上移动。
[0003]因此，如何设计一种全新结构的机器人，使其能够较快的在不同的路面上行走，是本领域技术人员亟需解决的问题。
[0004]中国专利申请CN 104029745 A公开了一种腿轮混合式液压机械腿，包括大腿液压缸、小腿液压缸以及相对平行安装的大腿杆板、小腿杆板、主体连接板和大腿液压缸连接板，主体连接板与大腿液压缸连接板的主体方形固定块之间设有主体圆柱连接柱；两块主体连接板分别与两块大腿杆板铰接，两块大腿杆板分别与两块小腿杆板铰接，两块小腿杆板之间经小腿方形固定块固定有平行的小腿末端杆；大腿液压缸两端分别铰接在两块大腿杆板上部之间和两块大腿液压缸连接板底部之间；小腿液压缸两端分别铰接在两块小腿杆板中部之间和两块大腿杆板延伸出的侧臂板上。该专利申请缓冲性能较差，行走稳定性不够，难以适应复杂地形。
【发明内容】
[0005]本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种轮足式机器人腿结构及具有该腿结构的轮足式机器人。本发明所提供的机器人腿结构，能够在不同路况下较快地行走；行走稳定性强。同时，本发明还提供了一种具有该腿结构的机器人，机器人上安装有清障杆，能够清理质量较小的障碍物。
[0006]为了达成上述目的，本发明采用如下技术方案:
[0007]一种轮足式机器人腿结构，包括:
[0008]一大腿，大腿的顶部与第一动力机构相连，顶部下方与外部构件铰接形成髋关
-K-
T ；
[0009]大腿的末端安装有轮子、驱动轮子转动的第二动力机构以及与跖骨杆铰接的第一弹性减震单元；
[0010]大腿末端上部还与小腿上半部分铰接形成膝关节；
[0011]所述小腿的上端与第三动力机构连接，下端铰接于跖骨杆上形成踝关节；
[0012]所述第一弹性减震单元包括分别与大腿和跖骨杆铰接的套筒和滑动轴，且滑动轴上端伸入套筒中并能往复滑动，滑动轴上套有弹性件，弹性件的下端固定于滑动轴下半部分的凸台上，上端固定于套筒上；套筒与大腿铰接、滑动轴沿套筒上下滑动以及滑动轴下端与跖骨杆铰接，能够有效减缓做足式运动时，地面对整体腿结构的冲击，提高工作稳定性，延长部件使用寿命。
[0013]通过第一、第三动力机构对大腿和小腿的反向施力，驱动跖骨杆做足式行走，或者把跖骨杆和小腿向大腿方向折叠，轮子着地，经第二动力机构驱动行走。
[0014]所述第一弹性减震单元与小腿平行设置。
[0015]所述大腿上膝关节上部铰接有与小腿平行的第二弹性减震单元，第二弹性减震单元下端铰接于跖骨杆上端部。
[0016]所述第一、第二弹性减震单元结构相同。
[0017]所述第一、第三动力机构分别为髋关节液压缸和膝关节液压缸。
[0018]所述第二动力机构包括安装于大腿上的电机，电机输出轴与一对啮合的锥齿轮中的小锥齿轮固定连接，大锥齿轮安装于传动轴上，传动轴另一端与轮子固定连接。
[0019]所述传动轴分别穿过大腿和套筒中的轴承。
[0020]一种轮足式机器人，包括安装于躯体上四个所述的轮足式机器人腿结构，其中第一动力机构一端连接于大腿的顶部，另一端连接于躯体上；大腿上部还与躯体铰接形成髋关节；第三动力机构一端与小腿上端连接，另一端安装于躯体上；所述躯体前端还铰接有通过液压缸驱动的清障单元。
[0021]所述清障单元包括与所述躯体相铰接的左侧清障杆和右侧清障杆，左侧清障杆还与左侧清障杆液压缸相铰接，左侧清障杆液压缸的另一端与躯体相铰接；所述右侧清障杆还与右侧清障杆液压缸相铰接，右侧清障杆液压缸的另一端也与躯体相铰接。
[0022]所述左侧清障杆和右侧清障杆的底端均设有清障块。
[0023]本发明为轮足式四足机器人，在平坦地面上为轮式运动，速度快。遇到不平整的地形转换为足式行走。足轮的转换可使该四足机器人适应不同地形行走。该机器人有髋关节，膝关节，踝关节。髋关节直接由液压缸驱动，膝关节通过一近似平行四边形的结构带动足端的移动。踝关节是被动自由度。该机器人腿运动灵活，地面适应性强，且移动速度快，针对特殊地形变换运动姿态有利于稳定行走。
[0024]本发明还具有以下特点:
[0025]I)在地形较为不平的条件下，机器人的跖骨杆下端与地面接触，4条腿足式运动，使得机器人能够在不平地形行进；轮足式机器人腿结构仿马腿构造，用液压缸驱动的大腿及小腿，跖骨杆，及与小腿平行的左右两个弹簧机构，构成腿结构。与小腿平行的两个弹簧机构、大腿和跖骨杆共同形成两个平行四边形结构，自由度多，容易变形，适应性强。两个弹簧机构不单纯是单一的弹簧，还包括滑动轴、套筒，滑动轴可在套筒中滑移实现内伸或外伸，缓冲好。仿马腿构造的轮足式机器人腿结构能适应复杂的地形。缓冲性能好，稳定性强。
[0026]2)在地形较为良好的条件下，机器人的行走轮与地面接触，4个行走轮同步运动，使得机器人能够在良好路况下快速行进；
[0027]3)机器人可根据不同的路况，来改变不同的行走模式，进而实现了在不同路况下的较为快速的行进。
【专利附图】
【附图说明】
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[0028]为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0029]图1是本发明中轮足式机器人腿结构的结构示意图；
[0030]图2是本发明中具有轮足式机器人腿结构的轮足式机器人的结构示意图；
[0031]图3是本发明中轮足式机器人采用轮式行进的状态图；
[0032]图4是图2中A-A向剖视图；
[0033]图5是图2中S向示意图；
[0034]图6是马后腿骨骼示意图；
[0035]其中:2、躯体，3、销轴，4、销轴，5、髋关节液压缸，6、销轴，7、销轴，8、大腿杆，9、套筒，10、滑动轴，11、弹性部件，12、小腿杆，13、销轴，14、销轴，15、销轴，16、跖骨杆，17、弹性部件，18、滑动轴，19、套筒，21、行走轮，22、销轴，23、销轴，24、销轴，25、膝关节液压缸，26、第二滚动轴承，27、第一滚动轴承，28、大锥齿轮，29、小锥齿轮，30、电机，31、电机固定座，32、传动轴，33、右侧清障杆液压缸，34、左侧清障杆液压缸，35、清障块，36、躯体肩部，37、左侧清障杆，38、右侧清障杆，39、髋关节，40、大腿，41、膝关节，42、小腿，43、踝关节，44、跖骨。
【具体实施方式】
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[0036]下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0037]实施例1:一种机器人腿结构，其结构如图1、图4所示，包括:
[0038]躯体肩部36，该躯体肩部36具有第一铰接节点，第一铰接节点内设有销轴7，第一铰接节点的上侧为第二铰接节点，第二铰接节点内设有销轴4，第一铰接节点的右侧为第三铰接节点，第三铰接节点内设有销轴3 ；
[0039]大腿杆8的上端通过销轴7与躯体肩部36相铰接，大腿杆8的顶端通过销轴6与髋关节液压缸5相铰接，髋关节液压缸5的另一端通过销轴4与躯体肩部36相铰接；
[0040]大腿杆8的下端通过销轴22与小腿杆12的上端相铰接，小腿杆12的顶端通过销轴23与膝关节液压缸25相铰接，膝关节液压缸25的另一端通过销轴3与躯体肩部36相较接；
[0041]小腿杆12的底端通过销轴14与跖骨杆16的上端相铰接，跖骨杆16与小腿杆12的铰接件(销轴14)两侧分别铰接有第一弹性减震单元和第二弹性减震单元，任一弹性减震单元的另一端均与大腿杆8相铰接；
[0042]大腿杆8上还设有轮式行走单元。
[0043]第一弹性减震单元包括与分别与大腿杆8通过销轴24相铰接的套筒9，以及通过销轴13与跖骨杆16相连的滑动轴10，套筒9与大腿杆8的铰接件(销轴24)位于小腿杆12与大腿杆8的铰接件(销轴22)的上方，套筒9的筒体内套有滑动轴10，弹性部件11下端固定在滑动轴下部，上端固定于套筒9上。
[0044]第二弹性减震单元包括与大腿杆8通过传动轴32相铰接的套筒19，以及通过销轴15与跖骨杆16相连的滑动轴18，该套筒19与大腿杆8的铰接件(传动轴32)位于小腿杆12与大腿杆8的铰接件(销轴22)的下方，套筒19的筒体内套有滑动轴18，弹性部件17下端固定在滑动轴下部，上端固定于套筒19上。
[0045]弹性部件11和弹性部件17均为弹簧，弹簧的一端与设置于相对应滑动轴上的凸台固定连接，弹簧的另一端与相对应的套筒固定连接。
[0046]轮式行走单元包括设置于大腿杆8上的电机固定座31和设置于大腿杆8内部的第一滚动轴承27 ;所述电机固定座31上设有电机30，电机30的轴上安装有小锥齿轮29，所述第一滚动轴承27与所述传动轴32相适配，传动轴32的一端设有与所述小锥齿轮29啮合的大锥齿轮28，传动轴32的另一端设有行走轮21，电机30通过小锥齿轮29传动给传动轴32带动行走轮21转动。
[0047]套筒19内设有第二滚动轴承26，第二滚动轴承26与第一滚动轴承27中心线相重合，传动轴32贯穿于所述第一滚动轴承27和第二滚动轴承26。
[0048]上述构造是采用仿生结构制作，主要是仿马腿结构，如图6所示，大腿40上部和躯体2通过髋关节39铰接，大腿40和小腿42通过膝关节41铰接，小腿42和和跖骨44通过踝关节43铰接。该结构能够适应较为的复杂的地形行走。本发明中的跖骨杆16就是仿生的马腿中的跖骨44。
[0049]实施例2:
[0050]如图1-5所示，本发明还提供了一种轮足式机器人，该轮足式机器人具有躯体2，所述躯体2上安装有4个实施例1所述述机器人腿结构。躯体肩部36与躯体2焊接在一起。
[0051]机器人的前端设有清障单元。具体而言，所述清障单元包括与所述躯体2相铰接的左侧清障杆37和右侧清障杆38，左侧清障杆37还与左侧清障杆液压缸34相铰接，左侧清障杆液压缸34的另一端与躯体2相铰接；所述右侧清障杆38还与右侧清障杆液压缸33相铰接，右侧清障杆液压缸33的另一端也与躯体2相铰接；且所述左侧清障杆37和右侧清障杆38的底端均设有清障块35。
[0052]继续参考图1和图2所示，在不平路况下，本方案的机器人中跖骨杆16与地面接触，通过4条腿的运动，实现机器人在不平路况的行进。具体而言，由髋关节液压缸5的活塞杆伸缩，驱动大腿杆8旋转，膝关节液压缸25驱动小腿杆12旋转，第一弹性减震单元和第二弹性减震单元的两端分别与大腿杆8和跖骨杆16相铰接，起缓冲作用。向前迈步时，髋关节液压缸5下推，则大腿杆8以销轴7为节点进行转动(大腿杆8前摆)，膝关节液压缸25收缩，则小腿杆12以销轴22为节点进行转动(小腿杆12逆时针摆动)，由于弹性部件17 —端固定在滑动轴18的端部，另一端固定在套筒19上，此时弹性部件17受拉，滑动轴18从套筒19的孔中向下随之外伸，跖骨杆16就向前迈步。与此同时，弹性部件11受压缩，由于弹性部件11 一端固定在滑动轴10的端部，另一端固定在套筒9上，此时滑动轴10从套筒9的孔中向上随之内伸。通过4条腿的运动，则机器人就会前行。
[0053]继续参考图3，图1，和图4所示，在良好路况下，本方案的机器人中行走轮21与地面接触，通过4个行走轮21同步运动，实现机器人在良好路况下的快速行进。具体而言，在良好路面情况下，髋关节液压缸5收缩，则大腿杆8就会以销轴7为节点进行转动，直至呈竖直状态；同时膝关节液压缸25下推，则小腿杆12就会以销轴22为节点进行转动，而跖骨杆16也随之上移，直至跖骨杆16高出地面10厘米以上为止。在此状态下，行走轮21会触地。4个行走轮21都着地，则相应的个跖骨杆16全部脱离地面。固定于电机固定座31上的电机30开始工作，通过相啮合锥齿轮的传动，驱动传动轴32带动行走轮21转动，从而实现良好路面的快速轮式行进。
[0054]继续参考图5所示，清障杆在轮子的正前部，由液压缸驱动实现垂直于前进方向的摆动，当机器人行走轮的正前方有障碍物时，会把偶尔出现的3公斤以内的障碍物拨离轮子的正前方，达到清障的目的。
[0055]采用了上述结构后，本方案的机器人，能够在不同路况下较快的行走，还能够清理质量不太大的障碍物。
[0056]对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
【权利要求】
1.一种轮足式机器人腿结构，其特征是，包括: 一大腿，大腿的顶部与第一动力机构相连，顶部下方与外部构件铰接形成髋关节； 大腿的末端安装有轮子、驱动轮子转动的第二动力机构以及与跖骨杆铰接的第一弹性减震单元； 大腿末端上部还与小腿上半部分铰接形成膝关节； 所述小腿的上端与第三动力机构连接，下端铰接于跖骨杆上形成踝关节； 所述第一弹性减震单元包括分别与大腿和跖骨杆铰接的套筒和滑动轴，且滑动轴上端伸入套筒中并能往复滑动，滑动轴上套有弹性件，弹性件的下端固定于滑动轴下半部分的凸台上，上端固定于套筒上； 通过第一、第三动力机构对大腿和小腿的反向施力，驱动跖骨杆做足式行走，或者把跖骨杆和小腿向大腿方向折叠，轮子着地，经第二动力机构驱动行走。
2.如权利要求1所述的轮足式机器人腿结构，其特征是，所述第一弹性减震单元与小腿平行设置。
3.如权利要求1所述的轮足式机器人腿结构，其特征是，所述大腿上膝关节上部铰接有与小腿平行的第二弹性减震单元，第二弹性减震单元下端铰接于跖骨杆上端部。
4.如权利要求3所述的轮足式机器人腿结构，其特征是，所述第一、第二弹性减震单元结构相同。
5.如权利要求1所述的轮足式机器人腿结构，其特征是，所述第一、第三动力机构分别为髋关节液压缸和膝关节液压缸。
6.如权利要求1所述的轮足式机器人腿结构，其特征是，所述第二动力机构包括安装于大腿上的电机，电机输出轴上与一对啮合的锥齿轮中的一个锥齿轮固定连接，另一个的锥齿轮安装于传动轴上，传动轴另一端与轮子固定连接。
7.如权利要求6所述的轮足式机器人腿结构，其特征是，所述传动轴分别穿过大腿和套筒中的轴承。
8.一种轮足式机器人，其特征是，包括安装于躯体上四个如权利要求1所述的轮足式机器人腿结构，其中第一动力机构一端连接于大腿的顶部，另一端连接于躯体上；大腿上部还与躯体铰接形成髋关节；第三动力机构一端与小腿上端连接，另一端安装于躯体上；所述躯体前端还铰接有通过液压缸驱动的清障单元。
9.如权利要求8所述的轮足式机器人，其特征是，所述清障单元包括与所述躯体相铰接的左侧清障杆和右侧清障杆，左侧清障杆还与左侧清障杆液压缸相铰接，左侧清障杆液压缸的另一端与躯体相铰接；所述右侧清障杆还与右侧清障杆液压缸相铰接，右侧清障杆液压缸的另一端也与躯体相铰接。
10.如权利要求9所述的轮足式机器人，其特征是，所述左侧清障杆和右侧清障杆的底端均设有清障块。
【文档编号】B62D57/028GK104443104SQ201410757019
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2014年12月10日 优先权日:2014年12月10日
【发明者】马宗利, 张培强, 朱彦防, 刘永超, 王建明 申请人:山东大学