一种腿轮混合式液压机械腿的制作方法
【专利摘要】本发明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；本发明型结构简明，两组液压缸控制方便，膝关节处安装的轮子可以保证两种行进方式切换的快速性，可用于四足或六足机器人。
【专利说明】一种腿轮混合式液压机械腿
【技术领域】
[0001 ] 本发明型涉及了 一种液压机械腿，尤其是涉及一种腿轮混合式液压机械腿。
【背景技术】
[0002]轮式机器人近年来得到了很好的发展，世界各大机器人厂商都发布了自己的服务式轮式机器人，轮式机器人的行进控制技术已经比较完善。然而，轮式机器人存在的一个较为明显的劣质在于其行走空间仅限于平坦路面，无法完成山地行走、跨越障碍等任务。
[0003]由于足式行进机器人可以克服崎岖山路等条件进行行走，受到许多机器人研究人员的青睐。美国的“大狗”机器人在网络上的视频一经公布就引起了很大的反响，四足机器人带来的能够克服不平坦地面条件的优势愈来愈受到各方的重视。
[0004]机械腿通常分为电机驱动和液压传动。液压传动能够在相同体积下比电气装置产生更大的动力，并且液压装置的运行比较平稳，装置重量轻、惯性小、反应快，因此易于实现快速启动、制动和频繁的换向，而液压传动的这些优点十分适合应用于机械腿。
[0005]然而，足式机械腿虽然具有能够克服复杂路面条件的种种优点，但是控制较为复杂，能源消耗也较大，在平坦路面上若仍然采用足式前进方式则会导致不必要的能源消耗。同时，足式前进方式在平坦地面上的行走速度和效率都不及普通的轮式机器人。但是轮式机器人又无法在崎岖山路等复杂路面环境下行走。这就使得研究人员开始寻找两种行进方式的契合点，克服各自的劣势，发挥各自行进方式的优势。
【发明内容】
[0006]为同时发挥轮式和足式前进方式的优势，并克服各自的劣势，使机器人可以再平坦路面上高效快速行走，又能够在复杂地面条件下穿越障碍行走，本发明提出了一种腿轮混合式液压机械腿，具有腿轮两种行进方式，能够在两种行进方式之间进行快速切换，克服了单独进行足式或轮式行进的机器人存在的缺陷。
[0007]本发明采用的技术方案是:
本发明包括大腿液压缸、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，两块主体连接板顶部之间装有主体方形固定块，两个大腿液压缸连接板顶部之间装有主体方形固定块，主体连接板的主体方形固定块与大腿液压缸连接板的主体方形固定块之间连接有主体圆柱连接柱；
两块主体连接板底部均分别通过轴承连接支架与两块大腿杆板的顶部铰接，两块大腿杆板底部均分别通过轴承连接支架与两块小腿杆板的一端铰接，两块小腿杆板的另一端之间固定有小腿方形固定块，小腿方形固定块上固定有小腿末端杆，小腿末端杆与两块小腿杆板平行；
大腿液压缸的活塞杆端通过液压缸活塞杆铰接支架铰接在两块大腿杆板上部之间，大腿液压缸的缸体端通过液压缸缸体铰接支架铰接在两个大腿液压缸连接板底部之间；与大腿液压缸活塞杆端相铰接的两块大腿杆板上部另一侧各延伸设有侧臂板，小腿液压缸的活塞杆端通过液压缸活塞杆铰接支架铰接在两块小腿杆板中部之间，小腿液压缸的缸体端通过液压缸缸体铰接支架铰接在两块大腿杆板延伸出的侧臂板上。
[0008]所述的两块小腿杆板与两块大腿杆板铰接处的两个轴承连接支架之间铰接有电动机支架，电动机支架上装有电动机，轮子与电动机的输出轴相连接。
[0009]所述的小腿末端杆为金属，小腿末端杆末端处为半圆球体，半圆球体的外层包裹有一层用于增大摩擦力的橡胶层，使该机械腿采用足式行进方式时与地面的摩擦力增大。
[0010]所述的轴承连接支架为阶梯轴结构，阶梯轴的阶梯圆周面上设有轴承。
[0011]所述的大腿液压缸与小腿液压缸采用拉杆式液压缸。
[0012]本发明型的有益效果是:
本发明型结构简明、控制方便，通过两组液压缸控制完成两自由度的运动，以及将大腿和小腿摆到合适的位置上切换至轮式行进方式，可保证两种行进方式切换的快速性，可用于四足或六足机器人。
[0013]对轮式行进方式的设计，将轮子安装在膝关节部位，可以实现快速切换，并通过大腿液压缸在轮式行进过程中提供减震。同时，避免了足式行进过程中轮子和地面的直接接触，减小了对轮子和电动机的震动，从而延长了电机和轮子的使用寿命。
【专利附图】
【附图说明】
[0014]图1是本发明的三维模型图。
[0015]图2是本发明的足式运动状态一。
[0016]图3是本发明的足式运动状态二。
[0017]图4是本发明的足式运动状态三。
[0018]图5是本发明的足式运动状态四。
[0019]图6是本发明的轮式运动状态。
[0020]图7是本发明的轮子装配细节展示。
[0021]图中:1.大腿液压缸，2.小腿液压缸，3.大腿杆板，4.小腿杆板，5.电动机,6.轮子，7.轴承连接支架，8.液压缸缸体铰接支架，9.液压缸活塞杆铰接支架，10.主体连接板，
11.大腿液压缸连接板，12.主体圆柱连接柱，13.主体方形固定块，14.小腿方形固定块，15.小腿末端杆，16.电机支架。
【具体实施方式】
[0022]下面结合附图及具体实施例对本发明型作进一步详细说明。
[0023]如图1所示，本发明包括大腿液压缸1、小腿液压缸2以及相对平行安装的大腿杆板3、小腿杆板4、主体连接板10和大腿液压缸连接板11,两块主体连接板10顶部之间通过螺钉装有主体方形固定块13，两个大腿液压缸连接板11顶部之间通过螺钉装有主体方形固定块13，主体连接板10的主体方形固定块13与大腿液压缸连接板11的主体方形固定块13之间连接有主体圆柱连接柱12。
[0024]如图1所示，两块主体连接板10底部均分别通过轴承连接支架7与两块大腿杆板3的顶部铰接，两块大腿杆板3底部均分别通过轴承连接支架7与两块小腿杆板4的一端铰接，两块小腿杆板4的另一端之间通过螺钉固定有小腿方形固定块14，小腿方形固定块14上固定有小腿末端杆15，小腿末端杆15与两块小腿杆板4平行。
[0025]如图1所示，大腿液压缸I的活塞杆端通过液压缸活塞杆铰接支架9铰接在两块大腿杆板3上部之间，大腿液压缸I的缸体端通过液压缸缸体铰接支架8铰接在两个大腿液压缸连接板11底部之间。
[0026]如图1所示，与大腿液压缸I活塞杆端相铰接的两块大腿杆板3上部另一侧各延伸设有侧臂板，小腿液压缸2的活塞杆端通过液压缸活塞杆铰接支架9铰接在两块小腿杆板4中部之间，小腿液压缸2的缸体端通过液压缸缸体铰接支架8铰接在两块大腿杆板3延伸出的侧臂板上。
[0027]如图1、图7所示，所述的两块小腿杆板4与两块大腿杆板3铰接处为该机械腿的膝关节，两块小腿杆板4与两块大腿杆板3铰接处的两个轴承连接支架7之间铰接有电动机支架16，电动机支架16上装有电动机5，轮子6与电动机5的输出轴相连接。
[0028]如图1所示，所述的小腿末端杆15为金属，小腿末端杆15末端处为半圆球体，半圆球体的外层包裹有一层用于增大摩擦力的橡胶层，使该机械腿采用足式行进方式时与地面的摩擦力增大。
[0029]所述的轴承连接支架7为阶梯轴结构，阶梯轴的阶梯圆周面上设有轴承。
[0030]轴承连接支架7通过螺钉与其一被连接体固定，伸出的阶梯部分安装轴承，再与另一被连接体固定，则可以实现铰接的连接方式。例如两块主体连接板10和两块大腿杆板3之间的轴承连接支架7，每侧的主体连接板10和大腿杆板3分别通过轴承套在轴承连接支架7的两个阶梯轴面上。
[0031]所述的大腿液压缸I与小腿液压缸采用拉杆式液压缸。
[0032]大腿液压缸1、小腿液压缸2的缸体和活塞杆末端均装有轴承，并通过轴承分别与液压缸缸体铰接支架8和液压缸活塞杆铰接支架9连接，实现铰接。
[0033]轮子6的边缘包裹橡胶套，以提高轮式行进方式中的与地面的摩擦力。
[0034]轮子6与电动机5的输出轴通过联轴器进行连接。
[0035]本发明的主体圆柱连接柱12与机器人主体连接，由于其具有一定的长度，在与机器人主体进行安装时，具有可调整的移动空间，有利于寻找到与机器人主体相互装配的合适安装位置。
[0036]如图2、图3、图4、图5所示为本发明型腿轮混合式液压机械腿的足式前进方式，通过进行步态规划，可以得到上述图中的位置。机械腿可以满足足式运动方式的要求。
[0037]如图6所示为轮式行进方式的平面效果图。通过控制液压缸的收缩将大腿杆3板和小腿杆板4摆动到合适的角度，可以使轮子6接触地面，在电动机5的驱动下，完成轮式行进方式。
[0038]如图7所示，为轮子装配的细节展示结果。膝关节处的轮子6与电动机5的输出轴相连接，电动机支架16固定电动机5，并与膝关节处的轴承连接支架7通过螺钉连接。
[0039]本发明的具体实施工作过程如下:
足式运动状态下，通过大腿液压缸I和和小腿液压缸2来控制大腿杆板3和小腿杆板4的运动，通过液压系统的搭建和合理的步态规划，可以完成足式行进方式。
[0040]轮式运动状态下，通过大腿液压缸I和和小腿液压缸2将大腿杆板3和小腿杆板4调整到图6所示的位置，使轮子6与地面接触，通过电动机5的驱动，可以完成轮式行进方式。同时，大腿液压缸I在轮式行进方式状态下，可以提供减震。
[0041]由此，本发明机械腿整体采用两自由度仿生设计，可以实现足式和轮式两种行进方式。其基本结构由铰接的大腿和小腿组成，并与机器人主体部分铰接。通过两组液压缸控制机械腿的足式运动，其中一个液压缸连接机器人主体与大腿，另一个液压缸连接大腿和小腿。
[0042]本发明在机械腿膝关节处还安装了由电动机驱动的轮子，机器人行走在平坦路面上时，可以切换至轮式行进方式，以便于使机器人在平坦路面上运行时能够最大限度的节约能量，提高机器人的前进速度和运行效率。
[0043]上述【具体实施方式】用来解释说明本发明型，而不是对本发明型进行限制，在本发明型的精神和权利要求的保护范围内，对本发明型作出的任何修改和改变，都落入本发明型的保护范围。
【权利要求】
1.一种腿轮混合式液压机械腿，包括大腿液压缸(I)、小腿液压缸(2)以及相对平行安装的大腿杆板(3)、小腿杆板(4)、主体连接板(10)和大腿液压缸连接板(11)，其特征在于:两块主体连接板(10)顶部之间装有主体方形固定块(13)，两个大腿液压缸连接板(11)顶部之间装有主体方形固定块(13)，主体连接板(10)的主体方形固定块(13)与大腿液压缸连接板(11)的主体方形固定块(13)之间连接有主体圆柱连接柱(12)； 两块主体连接板(10)底部均分别通过轴承连接支架(7)与两块大腿杆板(3)的顶部铰接，两块大腿杆板(3)底部均分别通过轴承连接支架(7)与两块小腿杆板(4)的一端铰接，两块小腿杆板(4)的另一端之间固定有小腿方形固定块(14)，小腿方形固定块(14)上固定有小腿末端杆(15)，小腿末端杆(15)与两块小腿杆板(4)平行； 大腿液压缸(I)的活塞杆端通过液压缸活塞杆铰接支架(9)铰接在两块大腿杆板(3)上部之间，大腿液压缸(I)的缸体端通过液压缸缸体铰接支架(8)铰接在两个大腿液压缸连接板(11)底部之间； 与大腿液压缸(I)活塞杆端相铰接的两块大腿杆板(3)上部另一侧各延伸设有侧臂板，小腿液压缸(2 )的活塞杆端通过液压缸活塞杆铰接支架(9 )铰接在两块小腿杆板(4 )中部之间，小腿液压缸(2 )的缸体端通过液压缸缸体铰接支架(8 )铰接在两块大腿杆板(3 )延伸出的侧臂板上。
2.根据权利要求1所述的一种腿轮混合式液压机械腿，其特征在于:所述的两块小腿杆板(4)与两块大腿杆板(3)铰接处的两个轴承连接支架(7)之间铰接有电动机支架(16)，电动机支架(16 )上装有电动机(5 )，轮子(6 )与电动机(5 )的输出轴相连接。
3.根据权利要求1所述的一种腿轮混合式液压机械腿，其特征在于:所述的小腿末端杆(15)为金属，小腿末端杆(15)末端处为半圆球体，半圆球体的外层包裹有一层用于增大摩擦力的橡胶层，使该机械腿采用足式行进方式时与地面的摩擦力增大。
4.根据权利要求1所述的一种腿轮混合式液压机械腿，其特征在于:所述的轴承连接支架(7)为阶梯轴结构，阶梯轴的阶梯圆周面上设有轴承。
5.根据权利要求1所述的一种腿轮混合式液压机械腿，其特征在于:所述的大腿液压缸(I)与小腿液压缸采用拉杆式液压缸。
【文档编号】B62D57/028GK104029745SQ201410215251
【公开日】2014年9月10日 申请日期:2014年5月21日 优先权日:2014年5月21日
【发明者】吕立彤, 金波, 徐晓彤, 惠红勋 申请人:浙江大学