专利名称：多模式腿轮混合机器人的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种多模式腿轮混合机器人，具有滑行、滚行和爬行运动功能，属于机器人技术领域。
背景技术：
现有的移动机器人一般只有单一运动模式，如滚行移动机器人，或爬行移动机器人。这种具有单一运动模式的机器人地形适应性差，只能在特定环境中使用，不能满足探险等特殊应用。因此，人们希望有一种机器人能够同时具有滑行、滚行和爬行运动模式，即当在光滑的冰面上时选择滑行模式，当在平坦粗糙的地面上时选择高速滚行模式，当在崎岖的地面上时选择爬行模式。
日本在多模式移动机器人研制方面取得了显著成就，如日本东京工业大学研制成功一种Roller-walker机器人(Gen Endo，Shigeo Hirose.Study onroller-walkermulti-mode steering control and self-contained locomotion.ICRA’2000.San FranciscoCA，pp.2808～2814)，其具有四条腿，每条腿的末端安装有一个从动滚轮。Roller-walker具有滑行和爬行两种运动模式，当每条腿按照预定的轨迹运动时，从动滚轮与地面之间产生滑动摩擦力驱动机器人向前滑动，当把滚轮放倒时，滚轮又成了脚，机器人则可以向前爬行。但Roller-walker滑行时腿末端的运动轨迹复杂，难以精确控制，而且，一部分滑动摩擦力相互抵消，降低了滑行效率；同时，需要有一套将滚轮放倒和立起的复杂驱动机构，导致加工和安装困难。由于以上原因，使得Roller-walker的应用受到诸多限制。因此，有必要设计一种结构简单，易于控制的新型多模式移动机器人。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种多模式腿轮混合机器人，结构简单，容易控制，能实现滑行、滚行和爬行多种运动模式。
为实现这一目的，本发明设计的机器人包括躯体和与躯体连接的四条腿，在每条腿的末端安装有旋转驱动电机，构成脚的滚轮通过单向离合器安装在所述旋转驱动电机的转轴上。
本发明中，所述旋转驱动电机可采用具有自锁功能的电机。
所述单向离合器是单向滚动轴承或单向转动棘轮。
较佳地，所述机器人的躯体具有对称结构，所述四条腿围绕躯体对称分布并且每条腿的结构完全相同。
较佳地，所述机器人的腿包括大腿、小腿和脚，且任意一条腿具有髋关节、膝关节、踝关节和滚动关节，所述踝关节绕小腿转动，其它关节绕水平轴转动。
由于构成脚的滚轮通过单向离合器安装在转轴上。因此，当旋转驱动机构不工作时，在转轴与单向离合器接合的方向滚轮被转轴锁止不能转动，在转轴与单向离合器分离的方向滚轮不受转轴约束，可自由转动；当旋转驱动机构工作时，在转轴与单向离合器接合的方向转轴可驱动滚轮一起转动，在转轴与单向离合器分离的方向滚轮不受转轴驱动，可自由转动。
本发明的机器人可以实现滑行、滚行和爬行运动模式。在滑行时，通过调整四个滚轮的方向，使之只能向前滚动，不能向后滚动。通过机器人的蹬腿阶段、滑行阶段、收腿阶段及再次的滑行阶段，完成向前滑行。通过控制踝关节的转角可以实现机器人的直线滑行和转弯滑行。在滚行时，四个滚轮分别受各自独立的驱动电机控制，实现前轮驱动后轮从动、前轮从动后轮驱动以及四轮驱动等三种驱动方式，并通过控制踝关节的转角可以实现机器人的直线滚行和转弯滚行。当选择爬行模式时，通过调整四个滚轮的方向，使得两个前腿滚轮不能向前滚动，两个后腿滚轮不能向后滚动，则机器人在前、后方向上都不能滚行，只能通过爬行才能运动。此时，机器人的四个滚轮就相当于四足爬行动物的四只脚。
本发明与现有技术相比较，效果是明显的。各组成部分的结构都可简单的按常规设计，因此容易加工和安装；机器人通过简单的结构组合，实现了滑行、滚行和爬行多种运动模式，提高了机器人对地形的适应性；机器人在滑行模式下，混动摩擦力全部作为驱动力，不存在相互抵消的问题，因此能量效率比高；机器人三种运动模式的规划和设计简单，因此容易控制，运动可靠。
图1为本发明的一种机器人实施例的结构图。
图1中，1为机器人的躯体，2为机器人的腿。
图2为图1中腿的结构。
图2中，3为机器人的大腿，4为机器人的小腿，5为构成机器人脚的滚轮，6为髋关节，7为膝关节，8为踝关节，9为小腿末端的滚动关节。
图3为图2中滚轮的安装结构。
图3中，5为构成机器人脚的滚轮，10为旋转驱动电机，11为电机转轴，12为单向离合器。
图4为本发明的机器人的滑行过程图。
图5为本发明的机器人的滚行原理图。
图6为本发明的机器人的爬行过程图。
具体实施例方式
为更好地理解本发明的技术方案，以下结合附图和实施例作进一步说明。
图1所示为本发明的一种多模式腿轮混合机器人，其包括躯体1和四条腿2，为了设计简单和便于分析，所述四条腿2围绕躯体1对称分布并且每条腿2的结构完全相同。
当然，四条腿2围绕躯体1也可以是非对称分布，同样，也可以把四条腿的结构设计成不同，不会影响本发明的实施效果，这对于本领域的技术人员是显而易见的。
图2为图1中的任意一条腿的结构。机器人任意一条腿2都包括大腿3、小腿4和构成脚的滚轮5。所述大腿3的上部与躯体1转动连接以形成绕水平轴转动的髋关节6，在该髋关节6处设置驱动大腿3转动的电机(图中未表示)。所述小腿4的上部与所述大腿3的下部转动连接以形成绕水平轴转动的膝关节7，在该膝关节7处设置驱动小腿4转动的电机(图中未表示)。所述小腿4的下部还设置有绕小腿4转动的踝关节8，在所述踝关节8处设置有驱动滚轮5绕小腿4的轴线转动的电机(图中未表示)。所述滚轮5与所述小腿4的末端连接形成绕水平轴转动的滚动关节9。
同样，任意一条腿2也可以只有大腿3和滚轮5，或者只有小腿4和滚轮5，这种变化只是一种简单变化，对本领域的技术人员来说是显然的，不会影响本发明的实施效果。
图3是图2中的滚轮5与所述小腿4的末端连接结构示意图。在所述小腿的末端安装有旋转驱动电机10。所述滚轮5通过单向离合器12安装在所述旋转电机10的转轴11上。所述单向离合器12是单向滚动轴承，也可以是其它常规单向离合器12，如单向转动棘轮等。
为了能够有效保持住各个关节的位置，各关节处的驱动电机为具有自锁功能的电机，如利用涡轮蜗杆自锁。
如图3所示，所述单向离合器12是单向滚动轴承，构成脚的滚轮5通过单向滚动轴承12安装在电机转轴11上。因此，当电机10不工作时，在转轴11与单向滚动轴承12接合的方向滚轮5被转轴11锁止不能转动，在转轴11与单向滚动轴承12分离的方向滚轮5不受转轴11约束，可自由转动；当电机10工作时，在转轴11与单向滚动轴承12接合的方向转轴11可与驱动滚轮5一起转动，在转轴11与单向滚动轴承12分离的方向滚轮5不受转轴11驱动，可自由转动。
应该说明的是，本发明的发明点在于在每条腿的末端安装有旋转驱动电机10，在所述旋转驱动电机的转轴11上安装有滚轮5；所述滚轮5通过单向滚动离合器12安装在所述旋转驱动电机的转轴11上。上述结构使得滚轮存在三种状态从动状态(在旋转驱动电机的转轴与单向离合器分离的方向上自由转动)，被锁止状态(当旋转驱动电机不工作时，在旋转驱动电机的转轴与单向离合器接合的方向上不能转动)，以及驱动状态(当旋转驱动电机工作时，在旋转驱动电机的转轴与单向离合器接合的方向上随转轴一起转动)。因此，机器人可以通过滚轮三种状态的组合实现多种运动模式。这样便大大简化了多模式移动机器人的结构，而且也容易控制。至于腿的其它部分的结构可以是任何常规设计结构，这些变化是本领域的技术人员能够容易想到的，故不再详细描述。
下面简单介绍本发明机器人的各种运动模式滑行模式
图4显示了机器人的滑行模式。在滑行前，首先通过踝关节8调整四个滚轮5的方向，使得四个滚轮5只能向前滚动，不能向后滚动。机器人的滑行过程可分成四个阶段(1)蹬腿阶段，当前腿和后腿向外摆动时，前腿滚轮5自由向前滚动，后腿滚轮5由于不能向后滚动，则会产生使机器人向前移动的滑动摩擦力；(2)滑行阶段，当前腿和后腿向外摆动到预定的最大摆动位置(水平位置)后停止摆动，机器人在惯性的作用下向前自由滑行。(3)收腿阶段，当机器人经过一段预定时间的自由滑行后，前腿和后腿就开始从最大摆动位置向内摆动。当向内摆动时，后腿滚轮5自由向前滚动，前腿滚轮5由于不能向后滚动，则会产生使机器人向前移动的滑动摩擦力。(4)滑行阶段，当前腿和后腿向内摆动到初始状态后停止摆动，机器人在惯性的作用下向前自由滑行。
另外，在滑行阶段中，通过控制踝关节8的转角可以实现机器人的直线滑行和转弯滑行。
滚行模式图5为一种滚行模式的原理图。由于四个滚轮5都具有独立的驱动电机10，因此机器人又有如下三种驱动方式前轮驱动，后轮从动；前轮从动，后轮驱动；四轮驱动。
在以上三种驱动方式中，通过控制踝关节8的转角可以实现机器人的直线滚行和转弯滚行。
爬行模式图6所示为机器人的爬行过程原理图。当选择爬行模式时，机器人首先调整四个滚轮5的方向，使得两个前腿滚轮5不能向前滚动，两个后腿滚轮5不能向后滚动。这样就使得机器人在前、后方向上都不能滚行，只能通过爬行才能运动。此时，机器人的四个滚轮5就相当于四足爬行动物的四只脚。
如图6所示，其中，步骤i表示各条腿从状态i变化到状态i+1时的控制过程。下面对各个步骤进行详细的描述步骤1右后腿向后弯曲并保证右后腿滚轮在前后方向不移动，这样就使得机器人的重心向右后侧转移，同时，由于右后腿的高度低于其它腿，机器人躯体必然向右后侧倾斜，这就使得机器人躯体的左前部向上翘起并使左前腿抬离地面(如状态2)。
步骤2当左前腿抬离地面后，驱动左前腿的髋关节使左前腿迅速向前摆动到预定位置(如状态3)，机器人的重心会随之向左前侧转移，导致机器人躯体向左前侧倾斜，于是，机器人躯体的右后部向上翘起并使右后腿抬离地面(如状态3)。
步骤3驱动右后腿的髋关节和膝关节使右后腿向前摆动到预定位置(如状态4)，此时机器人的重心只会在左前、右前和左后脚形成的支撑面内移动，机器人处于静态平衡。
步骤4在保证右前腿滚轮和左后腿滚轮在前后方向不移动的情况下，右前腿和左后腿同步向前弯曲直至机器人四条腿的高度达到一致(如状态5)，使躯体重新恢复到水平状态。
步骤5由于左前、右后和左后脚形成了稳定的支撑面，右前腿可以抬离地面并向前摆动到预定位置(如状态6)。
步骤6驱动四条腿使机器人的躯体整体向前平移，并保证四条腿上的滚轮在前后方向不移动(如状态7)。
步骤7右前腿向前进一步弯曲并保证右前腿滚轮在前后方向不移动，这样就使得机器人的重心向右前侧转移，同时，由于右前腿的高度低于其它腿，机器人躯体必然向右前侧倾斜，这就使得机器人躯体的左后部向上翘起并使左后腿抬离地面(如状态8)。
步骤8当左后腿抬离地面后，驱动左后腿向前摆动到预定位置(如状态9)，此时机器人的重心只会在左前、右前和右后脚形成的支撑面内移动，机器人处于静态平衡。
步骤9在保证右前腿滚轮在前后方向不移动的情况下，右前腿逐渐向上伸展直至机器人四条腿的高度达到一致，使躯体重新恢复到水平状态(如状态10)。
步骤10同步地伸直四条腿，机器人恢复到初始的直立状态，这样机器人就成功地向前迈进了一步。
重复上述步骤1～10，即可实现连续直线爬行。
权利要求
1.一种多模式腿轮混合机器人，包括躯体(1)和与躯体连接的四条腿(2)，其特征在于在每条腿的末端安装有旋转驱动电机(10)，构成脚的滚轮(5)通过单向离合器(12)安装在所述旋转驱动电机(10)的转轴(11)上。
2.根据权利要求1的多模式腿轮混合机器人，其特征在于所述单向离合器(12)是单向滚动轴承或单向转动棘轮。
3.根据权利要求1的多模式腿轮混合机器人，其特征在于所述四条腿(2)围绕躯体(1)对称分布并且每条腿(2)的结构完全相同。
4.根据权利要求1的多模式腿轮混合机器人，其特征在于所述的机器人腿(2)包括大腿(3)、小腿(4)和构成脚的滚轮(5)，所述大腿(3)的上部与躯体(1)转动连接以形成绕水平轴转动的髋关节(6)，所述小腿(4)的上部与所述大腿(3)的下部转动连接以形成绕水平轴转动的膝关节(7)，所述小腿(4)的下部设置有绕小腿(4)转动的踝关节(8)，所述滚轮(5)与所述小腿(4)的末端连接形成绕水平轴转动的滚动关节(9)。
5.根据权利要求1的多模式腿轮混合机器人，其特征在于所述旋转驱动电机(10)为具有自锁功能的电机。
全文摘要
本发明涉及一种多模式腿轮混合机器人，包括躯体和与躯体连接的四条腿，在每条腿的末端安装有旋转驱动电机，构成脚的滚轮通过单向离合器安装在所述旋转驱动电机的转轴上。机器人的腿可以包括大腿、小腿和脚，且任意一条腿具有两个以上的转动关节。旋转驱动电机可采用具有自锁功能的电机，所述单向离合器是单向滚动轴承或单向转动棘轮。本发明中各组成部分的结构都可按常规设计，因此容易加工和安装，通过简单的结构组合，实现了机器人的滑行、滚行和爬行多种运动模式，提高了机器人对地形的适应性，能量效率比高，容易控制，运动可靠。
文档编号B62D57/00GK1792698SQ20051011220
公开日2006年6月28日 申请日期2005年12月29日 优先权日2005年12月29日
发明者吕恬生, 赵荣岗 申请人:上海交通大学