一种可变模式六足机器人的制作方法

本发明属于机器人技术领域。尤其涉及一种可变模式六足机器人。

背景技术

目前，常见的移动机器人主要有轮式、履带式、足式以及混合式等四种类型。传统的轮式机器人在运行过程中机器人的车轮与地面一直接触，对地面形廓以及地面的硬度湿度等指标有很高要求。履带式机器人采用履带与地面接触，增大了与地面的接触面积，对机器人的稳定性能也有很大的提高，但是针对复杂地形环境运动性能还是达不到要求。因此轮式、履带式机器人在一些场合的应用受到限制，而足式机器人由于在这些场合有很好的性能，得到很好的发展。

足式移动机器人按照腿的数目可以分为单足、两足、四足、六足、八足以及更多足的机器人。单足与两足机器人具有很好的灵活性，越障性能也比较好，但单足与两足机器人的平衡和步态控制相对困难。为了实现机器人静态稳定行走，只有腿不少于四条，才能保证行走过程中的每个时刻都保证至少有三条腿支撑地面，但是四足机器人每次只能移动一条腿，效率比较低；而大于六足的机器人，具有更高的稳定性。六足机器人对整个足端点轨迹的要求很高，为了达到这些要求传统的六足机器人每条腿通常采用多电机驱动，这样就使得整个机器人电机数目多，控制系统复杂同时负载能力变小，应用可靠性降低。

专利“六足步行机器人”(cn201620041812.5)公开了一种六足步行机器人，其足部关节共采用了18个电机驱动，为圆盘式布局，控制系统复杂，且负载能力较差。又如“六足步行机器人”(cn201120564301.9)公开了一种六足机器人，同样具有质量大，控制系统复杂等缺点。

技术实现要素：

本发明旨在克服现有技术的不足，目的是提供一种结构简单、行走速度快、倒退与转弯的能力强、能够爬行具有一定坡度的地面、能够爬越标准规格的连续台阶、成本低和稳定性好的可变模式六足机器人。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：所述可变模式六足机器人由机架、左侧腿部机构、右侧腿部机构和控制系统组成。左侧腿部机构和右侧腿部机构对称地安装在机架内的左侧和右侧，控制系统安装在机架内，控制系统与左侧腿部机构和右侧腿部机构分别连接。

机架的结构是：箱型框架一端的两侧对称地设置有两根固定连接的斜杆，每两根固定连接的斜杆与箱型框架的两个竖杆分别构成三角形框架；设两个三角形框架为前方。

箱型框架底部靠近前端处设有主电机固定架，箱型框架底部靠近后端处设有电池固定架。主电机固定架正上方设有辅助电机轴承座，辅助电机轴承座的前后两侧对称地设有前齿轮轴承座和后齿轮轴承座，前齿轮轴承座、辅助电机轴承座和后齿轮轴承座左右对称地安装在箱型框架上纵向杆的下平面。电池固定架的上方设有上后曲柄轴承座，两个上后曲柄轴承座左右对称地安装在箱型框架上纵向杆的下平面。箱型框架的下纵向杆的上平面左右对称地装有下后曲柄轴承座，下后曲柄轴承座位于电池固定架和箱型框架后端之间。箱型框架的两个上纵向杆间装有辅助电机固定框架，辅助电机固定框架位于主电机固定架的正上方，辅助电机固定框架为上水平板、下水平板、左侧板和右侧板围成的矩形框架。

所述箱型框架是由两个相同的矩形结构通过四角的横向杆对应连接而成。

左侧主电机安装在主电机固定架左端，左下前曲柄的顶角孔与左侧主电机的输出轴连接，左下前曲柄的两个底角孔通过销轴与左下前摇杆的一端和左下中摇杆的一端对应铰接；左下前曲柄为顶角孔和两个底角孔的孔中心连线为等腰三角形的刚体。

左侧辅助电机安装在辅助电机固定框架的下水平板的下平面左侧，左侧辅助电机的输出轴轴端安装在辅助电机轴承座内，左侧辅助电机的输出轴安装有左辅助主动齿轮；左前从动齿轮和左后从动齿轮通过各自的齿轮轴对应地安装在前齿轮轴承座和后齿轮轴承座内，左前从动齿轮和左后从动齿轮分别与左辅助主动齿轮啮合。

左上前曲柄的一端与左前从动齿轮的轴连接，左上前曲柄的另一端与左上前摇杆的一端铰接，左上前摇杆的另一端与左下前摇杆的另一端铰接。

左上中曲柄的一端与左后从动齿轮的轴连接，左上中曲柄的另一端与左上中摇杆的一端铰接，左上中摇杆的另一端与左下中摇杆的另一端铰接。

左上连接杆的一端与左上前曲柄另一端的销轴铰接，左上连接杆的另一端通过销轴与左上后摇杆的一端和左上后曲柄的一端分别铰接；左上后摇杆的另一端与左下后摇杆的一端铰接，左下后摇杆的另一端通过销轴与左下连接杆的一端和左下后曲柄的一端分别铰接；左下连接杆的另一端与左下前摇杆一端的销轴铰接；左中连接杆的两端与左上前摇杆、左上后摇杆的中点处的销轴对应连接。

左上后曲柄的另一端安装在上后曲柄轴承座内的销轴上，左下后曲柄的另一端安装在下后曲柄轴承座内的销轴上。

左前足、左中足和左后足的上端依次固定在左下前摇杆的中点处、左下中摇杆的中点处和左下后摇杆的中点处，左前足、左中足和左后足与各自对应的左下前摇杆、左下中摇杆和左下后摇杆的夹角均为90°。

左前足、左中足、左后足、右前足、右中足和右后足为杆状，长度相同。

右侧腿部机构与左侧腿部机构相同，右侧腿部机构和左侧腿部机构对应地安装在箱型框架的右侧和左侧；左侧腿部机构中的左侧主电机、左侧辅助电机、左前足、左中足和左后足对应的为右侧腿部机构的右侧主电机、右侧辅助电机、右前足、右中足和右后足。

控制系统的结构是：发射器与接收机无线连接，接收机的输出端ch1、ch2、ch3、ch4依次与控制板的输入端int1、int2、int3、int4对应连接，电池的正极和负极与控制板的正极和负极对应连接；控制板的输出端out3、out4与左侧主电机的输入端pa3和左侧辅助电机的输入端pa4对应连接，控制板的输出端out1、out2与右侧主电机的输入端pa1和右侧辅助电机的输入端pa2对应连接。

所述电池安装在电池固定架上，接收机和控制板安装在辅助电机固定框架下水平板上。

所述左上后曲柄、左上前曲柄和左上中曲柄的长度相等。

所述左上连接杆、左中连接杆和左下连接杆的长度相等；左上连接杆、左中连接杆和左下连接杆的长度为箱型框架纵向杆长度的0.7～0.9倍。

所述左辅助主动齿轮、左前从动齿轮和左后从动齿轮的齿数和模数相同。

所述左上前摇杆长度为左上前曲柄长度的4.0～5.5倍，左上前摇杆长度为箱型框架高度的0.65～0.8倍。

左下前摇杆、左上中摇杆、左下中摇杆、左上后摇杆和左下后摇杆的长度与左上前摇杆的长度相等。

本发明的工作过程是：左侧主电机启动时，驱动左下前曲柄转动，左下前曲柄的前底角孔通过销轴带动左下前摇杆和左上前摇杆运动，左下前曲柄的后底角孔通过销轴带动左下中摇杆和左上中摇杆运动。逆时针转动的左下前曲柄带动左前足落下和左中足抬起，左下前曲柄通过左下连接杆带动左下后摇杆和左下后曲柄运动，左后足落下。

右侧腿部机构与左侧腿部机构运动过程相同，左侧主电机启动时，右侧主电机以180°的相位差同时启动。此时，右前足抬起和右中足落下，右后足抬起；即左前足、左后足和右中足落下形成支撑态时，右前足、右后足和左中足抬起形成悬浮态。左前足、左后足和右中足抬起形成悬浮态时，右前足、右后足和左中足落下形成支撑态。可变模式六足机器人运动时，构成支撑态和悬浮态的两组腿的端点构成三角形支架，故整个运动模式能实现六足机器人三角步态。

左侧辅助电机启动时，通过输出轴转动带动左辅助主动齿轮转动，左辅助主动齿轮分别带动左前从动齿轮和左后从动齿轮转动，带动固连在左前从动齿轮、左后从动齿轮上对应的左上前曲柄、左上中曲柄转动，改变左上前摇杆和左上中摇杆的上端运动轨迹。左下前摇杆、左下中摇杆和左下后摇杆的上端运动轨迹随之改变，从而改变左前足、左中足和左后足的运动轨迹，使左前足、左中足和左后足的运动成为复合运动。

右侧的辅助运动与左侧的辅助运动相同。

可变模式六足机器人运动时，左侧主电机和右侧主电机始终转动，且转速相同，相位差为180°，能够控制可变模式六足机器人的前进、后退等基本运动。只启动左侧主电机和右侧主电机时，实现“双驱动+单一步幅”的运动模式；左侧辅助电机和右侧辅助电机启动时，可根据发射器遥控调整左侧辅助电机和右侧辅助电机的转速，以改变可变模式六足机器人足部运动的轨迹。配合左侧主电机和右侧主电机的转动，可实现可变模式六足机器人的转弯、爬越台阶动作；左侧主电机、右侧主电机、左侧辅助电机和右侧辅助电机均启动时，实现“四驱动+变化步幅”的运动模式。

由于采用上述技术方案，本发明与现有技术相比具有如下积极效果：

本发明由机架、左侧腿部机构、右侧腿部机构和控制系统组成；左侧腿部机构和右侧腿部机构均只需要两个电机驱动，驱动件少，结构简单、稳定性好。

本发明在一般的水平地面、爬坡路面和爬越高度小于150mm的台阶等情况下，可变模式六足机器人将采用“双驱动+单一步幅”的运动模式，该种运动模式下辅助电机不转动，由四杆机构组合而成，这种情况下可变模式六足机器人只由两个电机驱动，能耗较低。对于比较复杂的路面环境，例如爬越较高台阶、连续台阶时，可变模式六足机器人采用“四驱动+变化步幅”的运动模式，在该运动模式下，辅助电机转动，单侧腿部机构主要由五杆机构组成，单侧腿部机构具有两个自由度。可变模式六足机器人的步幅能够改变，能够实时调整姿态和控制落足点的位置。可变模式六足机器人具有更好的越障性能，适用于野外探测、环境监控、抢险救灾和军事侦查等国民经济和国防领域。

本发明的左侧腿部机构和右侧腿部机构同时运动时，行走速度快，倒退与转弯的能力强、能够爬行具有一定坡度的地面、能够爬越标准规格的连续台阶。

因此，本发明结构简单和成本低，具有稳定性好、行走速度快，倒退与转弯的能力强、能够爬行具有一定坡度的地面和能够爬越标准规格的连续台阶的特点。

附图说明

图1为本发明的一种结构示意图；

图2为图1中机架1的结构示意图；

图3为图1中左侧腿部机构4的结构示意图；

图4为图1中右侧腿部机构3的结构示意图；

图5为图1中控制系统2的一种结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的描述，并非对其保护范围的限制。

实施例1

一种可变模式六足机器人。如图1所示，所述可变模式六足机器人由机架1、左侧腿部机构4、右侧腿部机构3和控制系统2组成。左侧腿部机构4和右侧腿部机构3对称地安装在机架1内的左侧和右侧，控制系统2安装在机架1内，控制系统2与左侧腿部机构4和右侧腿部机构3分别连接。

如图2所示，机架1的结构是：箱型框架14一端的两侧对称地设置有两根固定连接的斜杆5，每两根固定连接的斜杆5与箱型框架14的两个竖杆分别构成三角形框架。设两个三角形框架为前方。

箱型框架14底部靠近前端处设有主电机固定架13，箱型框架14底部靠近后端处设有电池固定架12。主电机固定架13正上方设有辅助电机轴承座7，辅助电机轴承座7的前后两侧对称地设有前齿轮轴承座6和后齿轮轴承座8，前齿轮轴承座6、辅助电机轴承座7和后齿轮轴承座8左右对称地安装在箱型框架14上纵向杆的下平面；电池固定架12的上方设有上后曲柄轴承座10，两个上后曲柄轴承座10左右对称地安装在箱型框架14上纵向杆的下平面。箱型框架14的下纵向杆的上平面左右对称地装有下后曲柄轴承座11，下后曲柄轴承座11位于电池固定架12和箱型框架14后端之间；箱型框架14的两个上纵向杆间装有辅助电机固定框架9，辅助电机固定框架9位于主电机固定架13的正上方，辅助电机固定框架9为上水平板、下水平板、左侧板和右侧板围成的矩形框架。

如图2所示，所述箱型框架14是由两个相同的矩形结构通过四角的横向杆对应连接而成。

如图3所示，左侧主电机34安装在主电机固定架13左端，左下前曲柄33的顶角孔与左侧主电机34的输出轴连接，左下前曲柄33的两个底角孔通过销轴与左下前摇杆36的一端和左下中摇杆30的一端对应铰接；左下前曲柄33为顶角孔和两个底角孔的孔中心连线为等腰三角形的刚体。

左侧辅助电机19安装在辅助电机固定框架9的下水平板的下平面左侧，左侧辅助电机19的输出轴轴端安装在辅助电机轴承座7内，左侧辅助电机19的输出轴安装有左辅助主动齿轮18；左前从动齿轮17和左后从动齿轮20通过各自的齿轮轴对应地安装在前齿轮轴承座6和后齿轮轴承座8内，左前从动齿轮17和左后从动齿轮20分别与左辅助主动齿轮18啮合。

左上前曲柄16的一端与左前从动齿轮17的轴连接，左上前曲柄16的另一端与左上前摇杆15的一端铰接，左上前摇杆15的另一端与左下前摇杆36的另一端铰接。

左上中曲柄21的一端与左后从动齿轮20的轴连接，左上中曲柄21的另一端与左上中摇杆22的一端铰接，左上中摇杆22的另一端与左下中摇杆30的另一端铰接。

左上连接杆24的一端与左上前曲柄16另一端的销轴铰接，左上连接杆24的另一端通过销轴与左上后摇杆25的一端和左上后曲柄26的一端分别铰接；左上后摇杆25的另一端与左下后摇杆28的一端铰接，左下后摇杆28的另一端通过销轴与左下连接杆31的一端和左下后曲柄27的一端分别铰接；左下连接杆31的另一端与左下前摇杆36一端的销轴铰接；左中连接杆23的两端与左上前摇杆15、左上后摇杆25的中点处的销轴对应连接。

左上后曲柄26的另一端安装在上后曲柄轴承座10内的销轴上，左下后曲柄27的另一端安装在下后曲柄轴承座11内的销轴上。

左前足35、左中足32和左后足29的上端依次固定在左下前摇杆36的中点处、左下中摇杆30的中点处和左下后摇杆28的中点处，左前足35、左中足32和左后足29与各自对应的左下前摇杆36、左下中摇杆30和左下后摇杆28的夹角均为90°。

左前足35、左中足32、左后足29、右前足41、右中足39和右后足38为杆状，长度相同。

如图4所示，右侧腿部机构3与左侧腿部机构4相同，右侧腿部机构3和左侧腿部机构4对应地安装在箱型框架14的右侧和左侧；左侧腿部机构4中的左侧主电机34、左侧辅助电机19、左前足35、左中足32和左后足29对应的为右侧腿部机构3的右侧主电机40、右侧辅助电机37、右前足41、右中足39和右后足38。

如图5所示，控制系统2的结构是：发射器42与接收机43无线连接，接收机43的输出端ch1、ch2、ch3、ch4依次与控制板44的输入端int1、int2、int3、int4对应连接，电池45的正极和负极与控制板44的正极和负极对应连接；控制板44的输出端out3、out4与左侧主电机34的输入端pa3和左侧辅助电机19的输入端pa4对应连接，控制板44的输出端out1、out2与右侧主电机40的输入端pa1和右侧辅助电机37的输入端pa2对应连接。

如图1所示，所述电池45安装在电池固定架12上，接收机43和控制板44安装在辅助电机固定框架9下水平板上。

所述左上后曲柄26、左上前曲柄16和左上中曲柄21的长度相等。

所述左上连接杆24、左中连接杆23和左下连接杆31的长度相等；左上连接杆24、左中连接杆23和左下连接杆31的长度为箱型框架14纵向杆长度的0.8～0.9倍。

所述左辅助主动齿轮18、左前从动齿轮17和左后从动齿轮20的齿数和模数相同。

所述左上前摇杆15长度为左上前曲柄16长度的4.5～5.5倍，左上前摇杆15长度为箱型框架14高度的0.6～0.8倍。

左下前摇杆36、左上中摇杆22、左下中摇杆30、左上后摇杆25和左下后摇杆28的长度与左上前摇杆15的长度相等。

本发明的工作过程是：左侧主电机34启动时，驱动左下前曲柄33转动，左下前曲柄33的前底角孔通过销轴带动左下前摇杆36和左上前摇杆15运动，左下前曲柄33的后底角孔通过销轴带动左下中摇杆30和左上中摇杆22运动。逆时针转动的左下前曲柄33带动左前足35落下和左中足32抬起，左下前曲柄33通过左下连接杆31带动左下后摇杆28和左下后曲柄27运动，左后足29落下。

右侧腿部机构3与左侧腿部机构4运动过程相同，左侧主电机34启动时，右侧主电机40以180°的相位差同时启动。此时，右前足41抬起和右中足32落下，右后足38抬起；即左前足35、左后足29和右中足39落下形成支撑态时，右前足41、右后足38和左中足32抬起形成悬浮态；左前足35、左后足29和右中足39抬起形成悬浮态时，右前足41、右后足38和左中足32落下形成支撑态。可变模式六足机器人运动时，构成支撑态和悬浮态的两组腿的端点构成三角形支架，故整个运动模式能实现六足机器人三角步态。

左侧辅助电机19启动时，通过输出轴转动带动左辅助主动齿轮18转动，左辅助主动齿轮18分别带动左前从动齿轮17和左后从动齿轮20转动，带动固连在左前从动齿轮17、左后从动齿轮20上对应的左上前曲柄16、左上中曲柄21转动，改变左上前摇杆15和左上中摇杆22的上端运动轨迹；左下前摇杆36、左下中摇杆30和左下后摇杆28的上端运动轨迹随之改变，从而改变左前足35、左中足32和左后足29的运动轨迹，使左前足35、左中足32和左后足29的运动成为复合运动。

右侧的辅助运动与左侧的辅助运动相同。

可变模式六足机器人运动时，左侧主电机34和右侧主电机40始终转动，且转速相同，相位差为180°，能够控制可变模式六足机器人的前进、后退等基本运动。只启动左侧主电机34和右侧主电机40时，实现“双驱动+单一步幅”的运动模式；左侧辅助电机19和右侧辅助电机37启动时，可根据发射器42遥控调整左侧辅助电机19和右侧辅助电机37的转速，以改变机器人足部运动的轨迹。配合左侧主电机34和右侧主电机40的转动，可实现机器人的转弯、爬越台阶动作；左侧主电机34、右侧主电机40、左侧辅助电机19和右侧辅助电机37均启动时，实现“四驱动+变化步幅”的运动模式。

实施例2

一种可变模式六足机器人。除下述技术参数外，其余同实施例1：

所述左上连接杆24、左中连接杆23和左下连接杆31的长度相等；左上连接杆24、左中连接杆23和左下连接杆31的长度为箱型框架14纵向杆长度的0.7～0.8倍。

所述左上前摇杆15长度为左上前曲柄16长度的4.0～5.0倍，左上前摇杆15长度为箱型框架14高度的0.65～0.75倍。

本具体实施方式与现有技术相比具有如下积极效果：

本具体实施方式由机架1、左侧腿部机构4、右侧腿部机构3和控制系统2组成；左侧腿部机构4和右侧腿部机构3均只需要两个电机驱动，驱动件少，结构简单、稳定性好。

本具体实施方式在一般的水平地面、爬坡路面和爬越高度小于150mm的台阶等情况下，可变模式六足机器人将采用“双驱动+单一步幅”的运动模式，该种运动模式下辅助电机不转动，由四杆机构组合而成，这种情况下可变模式六足机器人只由两个电机驱动，能耗较低。对于比较复杂的路面环境，例如爬越较高台阶、连续台阶时，可变模式六足机器人采用“四驱动+变化步幅”的运动模式，在该运动模式下，辅助电机转动，单侧腿部机构主要由五杆机构组成，单侧腿部机构具有两个自由度。可变模式六足机器人的步幅能够改变，能够实时调整姿态和控制落足点的位置。可变模式六足机器人具有更好的越障性能，适用于野外探测、环境监控、抢险救灾和军事侦查等国民经济和国防领域。

本具体实施方式的左侧腿部机构4和右侧腿部机构3同时运动时，行走速度快，倒退与转弯的能力强、能够爬行具有一定坡度的地面、能够爬越标准规格的连续台阶。

因此，本具体实施方式结构简单和成本低，具有稳定性好、行走速度快，倒退与转弯的能力强、能够爬行具有一定坡度的地面和能够爬越标准规格的连续台阶的特点。