一种主体结构可多级伸缩的轮腿式机器人的制作方法

本发明涉及一种主体结构可多级伸缩的轮腿式机器人，属于混合移动机器人技术领域。

背景技术：

在行星探测、军事侦察、矿山开采、反恐排雷等非结构化环境中，轮腿式机器人发挥着越来越重要的作用，它不但具备腿式机器人的高越障性能，而且具备轮式机器人的高速高效性能，它能有效减轻人类工作强度、保护人身安全以及完成人类难以完成的工作。

在现有的轮腿式机器人结构设计中，机器人的主体结构通常是一个整体，不具备可伸缩的能力，这就大大限制了机器人作业环境。本发明提供了一种主体结构可多级伸缩的轮腿式机器人，可以根据作业环境的不同，通过伸缩单元调整主体结构的变形，增加了轮腿式机器人在非结构化环境中的运行能力。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服已有技术存在的不足，提供一种主体结构可多级伸缩的轮腿式机器人。

为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种主体结构可多级伸缩的轮腿式机器人，主要由四个主体结构、四组腿式结构行走子系统和四组伸缩单元组成；所述四个主体结构组合起来为一个类长方体，每两个主体结构之间通过一组伸缩单元连接，每个主体结构上安装一组腿式结构行走子系统。

所述四个主体结构的结构相同，内部设有内电机和联轴器，联轴器连接在内电机的输出轴上；主体结构下面中心位置固定有一个轮架，所述轮架与一个车轮转动连接，一个外电机安装在所述轮架上，所述外电机的输出轴连接车轮。

所述四组腿式结构行走子系统结构相同，包括连杆座、腰关节、上舵机、大腿、下舵机、小腿、足，所述连杆座固定连接在主体结构上，所述腰关节与连杆座转动连接，并通过上舵机驱动，所述腰关节与所述大腿的一端通过销转动连接，所述大腿的另一端与所述小腿的一端通过销转动连接，并通过下舵机驱动，所述小腿的另一端与所述足弹性连接。

所述四组伸缩单元结构相同，包含一级伸缩节、二级伸缩节和三级伸缩节，所述一级伸缩节固定在主体结构内部，所述三级伸缩节与联轴器相连。伸缩单元选用基于螺旋传动的多级嵌套伸缩机构。具有结构简单、重量轻、伸缩比较大、易加工、成本较低的优点。一级伸缩节、二级伸缩节、三级伸缩节是整个伸缩单元的主体零件，三者之间的运动通过螺纹进行传递，其中，螺纹选用梯形螺纹，保证伸缩机构具有较好的对中性、自锁性和工艺性。一级伸缩节的内螺纹和二级伸缩节的外螺纹相配合，二级伸缩节的内螺纹和三级伸缩节的外螺纹相配合，相邻两级伸缩节之间属于间隙配合。图7所示为二级伸缩节的内外螺纹视图。为了防止两级伸缩节之间互相脱离，还设计了限位轴肩。其中，一级伸缩节和三级伸缩节的顶端设置有顶丝，如图5和图9所示，以便伸缩单元和电机输出轴相固定。基于螺旋传动的多级嵌套伸缩机构在伸缩过程中，随着伸缩单元级数的增强，对材料的强度和硬度的要求增强。因此，在对伸缩节材料的选型上应该选取强度和硬度呈增加趋势的材料，保证伸缩单元运动的平稳性。

与现有技术相比，本发明具有如下的优点：

本发明设计的器人不仅能够实现4腿的腿式运动和4轮的轮式运动， 而且在攀爬的障碍物高度较高时，车轮可以作为支撑构件使机器人更高效的运行前进， 从而实现轮腿相互协调的运动形式。不但具备腿式机器人的高越障性能和对复杂地形的高适应性能，还兼备轮式机器人的高速高效性能，而且可以根据障碍物的大小来调整机器人的主体结构尺寸，增强了轮腿式机器人的实用性，提高了轮腿式机器人在非结构化环境中的适应性。在未来的机器人领域有较大的发展空间。

附图说明

图1为本发明可多级伸缩的轮腿式机器人的总体结构示意图。

图2为本发明可多级伸缩的轮腿式机器人的机械腿脚部局部放大示意图。

图3为本发明可多级伸缩的轮腿式机器人的主体结构中电机和联轴器安置示意图。

图4为本发明可多级伸缩的轮腿式机器人腿式模式下一级伸展总体结构示意图。

图5为本发明可多级伸缩的轮腿式机器人伸缩单元的一级伸缩节剖面示意图。

图6为本发明可多级伸缩的轮腿式机器人腿式模式下二级伸展总体结构示意图。

图7为本发明可多级伸缩的轮腿式机器人伸缩单元的二级伸缩节剖面示意图。

图8为本发明可多级伸缩的轮腿式机器人腿式模式下三级伸展总体结构示意图。

图9为本发明可多级伸缩的轮腿式机器人伸缩单元的三级伸缩节剖面示意图。

图10为本发明可多级伸缩的轮腿式机器人轮式模式下一级伸展总体结构示意图。

图11为本发明可多级伸缩的轮腿式机器人腿式模式下主体结构缩小状态的结构示意图。

图12为本发明可多级伸缩的轮腿式机器人轮式模式下主体结构缩小状态的结构示意图。

图13（a-i）为本发明可多级伸缩的轮腿式机器人一级伸展模式下跨越障碍物的结构示意图。

具体实施方式

本发明的优选实施例结合附图详述如下：

参见图1～图13，一种主体结构可多级伸缩的轮腿式机器人，主要由四个主体结构、四组腿式结构行走子系统和四组伸缩单元组成；所述四个主体结构组合起来为一个类长方体，每两个主体结构之间通过一组伸缩单元连接，每个主体结构上安装一组腿式结构行走子系统。

所述四个主体结构的结构相同，内部设有内电机14和联轴器15，联轴器15连接在内电机14的输出轴上；主体结构下面中心位置固定有一个轮架6，所述轮架6与一个车轮4转动连接，一个外电机5安装在所述轮架6上，所述外电机5的输出轴连接车轮4。

所述四组腿式结构行走子系统结构相同，包括连杆座7、腰关节8、上舵机9、大腿10、下舵机11、小腿12、足13，所述连杆座7固定连接在主体结构上，所述腰关节8与连杆座7转动连接，并通过上舵机9驱动，所述腰关节8与所述大腿10的一端通过销转动连接，所述大腿10的另一端与所述小腿12的一端通过销转动连接，并通过下舵机11驱动，所述小腿12的另一端与所述足13弹性连接。

所述四组伸缩单元结构相同，包含一级伸缩节1、二级伸缩节2和三级伸缩节3，所述一级伸缩节1固定在主体结构内部，所述三级伸缩节3与联轴器15相连。

本实施例主体结构可多级伸缩的轮腿式机器人工作原理如下：

本发明机器人可实现两种运行模式：腿式运行和轮式运行，且在两种运行模式上，通过控制机械运动装置伸缩单元的伸缩来调控整体机构的尺寸大小以实现运行环境的变化。

当机器人处于腿式运行模式下，车轮处于悬空状态。此模式下，机器人可在崎岖的环境下越障运行。当机器人运行过程中遇到障碍物时，腿式结构行走子系统、和上的舵机提供一定的转矩使大腿和小腿不发生相对运动，腿式结构行走子系统上的上舵机9和下舵机11的运转调整大腿10、小腿12的运行状态，使腿式结构行走子系统V抬升运行到障碍物上，如图13（a）所示；然后，腿式结构行走子系统、和上的舵机提供一定的转矩使大腿和小腿不发生相对运动，腿式结构行走子系统上的舵机调整大腿和小腿的变形，使其抬升运行到障碍物上，如图13（b）所示；同理，腿式结构行走子系统和VIII抬升运行到障碍物上；至此，机器人处于障碍物之上，如图13（d）所示。然后，腿式结构行走子系统、、和上的舵机旋转使机器人的整体质心下移；腿式结构行走子系统、和上的舵机提供一定的转矩使大腿和小腿不发生相对运动，腿式结构行走子系统上的舵机调整大腿和小腿的变形，使其下落运行到路面上，如图13（e）；同理，腿式结构行走子系统VI、VII和VIII下落运行到路面，如图13（f-h）所示，此刻机器人完成跨越障碍物的操作，如图13（i）所示。当机器人直行需要转弯时，可通过改变腿式结构行走子系统上的上舵机的运转来控制腰关节的转向，进而实现对机器人运行方向的控制，以此达到转弯效果。

控制腿式结构行走子系统上的舵机的运行状态，使腿式结构行走子系统V、VI、VII和VIII抬升至轮子上方，机器人进入轮式工作模式，如图10和12所示。此模式下，机器人适合在平坦的路面上运行。通过外电机5的旋转状态来调控机器人的运行速度。

当机器人在极小的空间运行时，需要调整机械运动装置伸缩单元的伸缩达到缩小形态，主体机构和IV的内电机14启动，使得左右两组主体结构相互靠拢直到并拢为止，此刻主体结构和IV的内电机14停止转动；然后，主体结构II和III的内电机14启动，使得前后两组主体结构相互靠拢直到并拢为止，此刻主体结构II和III的内电机停止转动，机器人完成缩小形态，如图11和图12所示。本发明机器人在主体结构完全伸展的情况下可以完成3次收缩变形直至最小形态，在机器人运行过程中，可以根据运行环境空间的变化选择合适的缩小形态，适应不同的运行环境。

当机器人运行前方有低洼鸿沟时，无论处于轮式模式还是腿式模式，均可通过伸缩单元的伸缩使机器人整体结构伸展到适当的状态。本发明机器人在主体结构完全收缩的情况下可以完成3次伸展变形。首先是一级伸缩节1的伸展，如图4所示；其次是二级伸缩节2的伸展，如图6所示；最后是三级伸缩节3的伸展，一共完成三次伸展，如图8所示。二级伸缩节内端口上设有键槽，一级伸缩节轴肩上设有相匹配的键，当一级伸缩节完全伸展的时候，轴肩上的键会嵌入到二级伸缩节内端口上的键槽里，然后带动二级伸缩节伸展，三级伸缩节内端口上设有键槽，二级伸缩节轴肩上设有相匹配的键，当二级伸缩节完全伸展的时候，轴肩上的键会嵌入到三级伸缩节内端口上的键槽里，然后带动三级伸缩节的伸展，完成完全伸展动作。腿式模式下，主体结构的伸展仍可配合着腰关节的转动使机械腿扩展到最大限度，直接跨越鸿沟。