一種四足機器人機械足的可切換輪足複合機構
2024-04-16 02:55:05 2
1.本發明屬於機器人技術領域，尤其涉及一種四足機器人機械足的可切換輪足複合機構。
背景技術：
2.近年來機械腿在機器人領域取得了大量的應用，雙足人形機器人，四足機器人，多足機器人等各種腿行走機器人的研發已經成為機器人領域的研究熱點之一。相對其它結構的可移動機器人，腿式機器人作為一種仿生機器人的最大特點是越障能力強。可以適應複雜的地形，比如非常崎嶇的地形、障礙物雜亂密布的情況以及上下樓梯等。特別是四足機器人，因為結構相對簡單，控制相對簡便在過去的幾年裡發展非常迅速。經過優化設計降低成本，四足機器人已經開始應用在工業和專業領域，例如：設備巡檢、搜尋探索和物資運輸，等。此外，小型的四足機器人也開始應用在日常生活中陪伴在人們周圍，並常被稱為機器狗。
3.然而腿行走機器人也有明顯的弊端，同其它採用輪驅動的可移動機器人比較，腿行走機器人，包括四足機器人，在平坦的地形下行進速度較慢，而且效率也比較低。這是由機械腿固有的結構特點，及其行走運動過程決定的。可移動機器人通常依靠配備的電池電源供電。在採用相同電池的條件下，更高的效率可以提供更長的運行時間，增加活動範圍。因此，提高四足機器人的行進速度和行進效率是四足機器人發展的重點之一。有一些四足機器人將驅動輪集成到機械腿的末端來實現輪腿複合結構，但這種結構在固定位置時容易發生滑動，影響了四足機器人在固定位置操作的準確性和穩定性。
技術實現要素：
4.本發明目的在於提供一種四足機器人機械足的可切換輪足複合機構,以解決上述的技術問題。
5.為解決上述技術問題，本發明的一種四足機器人機械足的可切換輪足複合機構的具體技術方案如下：一種四足機器人機械足的可切換輪足複合機構，包括輪機構、足機構和輪足切換裝置，所述輪足切換裝置包括驅動電機、絲槓和絲槓滑塊，所述絲槓一端與驅動電機的輸出軸固定連接，另一端與輪機構轉動連接，所述絲槓滑塊與絲槓同軸套接，所述絲槓滑塊與足機構固定連接，所述驅動電機轉動帶動絲槓轉動，所述絲槓滑塊沿垂直方向上下運動從而帶動足機構上下運動，從而完成輪機構和足機構切換接觸地面。
6.進一步的，所述輪足切換裝置包括固定支架，所述驅動電機與固定支架固定連接。
7.進一步的，包括軸承，所述絲槓與輪機構通過軸承轉動連接。
8.進一步的，所述固定支架31和輪機構1之間固定連接有導軌35，所述絲槓滑塊34與導軌35滑動連接，所述絲槓滑塊34沿導軌35上下運動。
9.進一步的，所述絲槓33自帶自鎖功能，所述絲槓滑塊34在自身與絲槓33間摩擦力
的作用下不會在外力的作用下沿絲槓移動，除非驅動電機32驅動傳動。
10.進一步的，所述絲槓33為梯形螺紋絲槓，具有自鎖功能。
11.進一步的，所述輪機構1包括驅動輪11，所述驅動輪11內具有直流電機12，所述直流電機12為外轉子直流電機，軸心為電機定子121，外圈為電機轉子122，所述電機定子121與驅動輪11同軸連接，並固定安裝在機器人的機械腿上，所述電機動子122與驅動輪11輪圈內固定連接，用於帶動驅動輪11轉動，所述驅動輪11外圈具有橡膠輪胎13。
12.進一步的，所述足機構2包括左右對稱的足杆21，分別為第一足杆211和第二足杆，所述第一足杆和第二足杆212通過連接件23固定連接在輪機構的兩側，所述連接件與輪足切換裝置的絲槓滑塊固定連接，所述足機構隨絲槓滑塊的上下運動而運動，所述足杆末端具有足面，所述足面用於與地面接觸。
13.進一步的，所述足機構與絲槓滑塊之間具有彈性減震結構，所述減震結構為圓柱螺旋壓力彈簧結構，所述彈簧結構一端與連接件固定連接，另一端與足杆固定連接，所述第一足杆和第二足杆各自具有減震結構。
14.進一步的，所述足面底部和減震結構的連接處具有膠墊。
15.本發明的一種四足機器人機械足的可切換輪足複合機構具有以下優點：本發明在輪機構和足機構之間設置了輪足切換裝置，可以根據路面情況在輪和足之間進行切換，提高了四足機器人在平坦地形下的行進速度和效率。同時保障了越障能力以及在固定位置操作的精度和穩定性。機械足的設計具有減震和適應地形局部起伏的功能。
附圖說明
16.圖1為本發明的四足機器人機械足的可切換輪足複合機構正面示意圖；圖2為本發明的四足機器人機械足的可切換輪足複合機構側面示意圖；圖3為本發明的輪機構正面結構示意圖；圖4為本發明的輪機構側面結構示意圖；圖5為本發明的絲槓和輪機構連接示意圖；圖6為本發明的輪模式結構示意圖；圖7為本發明的足模式結構示意圖；圖中標記說明：1、輪機構；11、驅動輪；12、直流電機；121、電機定子；122、電機轉子；13、橡膠輪胎；2、足機構；21、足杆；211、第一足杆；212、第二足杆；23、連接件；24、足面；25、減震結構；3、輪足切換裝置；31、固定支架；32、驅動電機；33、絲槓；34、絲槓滑塊；35、導軌；36、軸承。
具體實施方式
17.為了更好地了解本發明的目的、結構及功能，下面結合附圖，對本發明一種四足機器人機械足的可切換輪足複合機構做進一步詳細的描述。
18.如圖1所示，本發明的一種四足機器人機械足的可切換輪足複合機構，包括輪機構1、足機構2和輪足切換裝置3，輪機構1和足機構2通過輪足切換裝置3切換接觸地面。輪足切換裝置3包括固定支架31、驅動電機32、絲槓33、絲槓滑塊34，驅動電機32與固定支架31固定連接，固定支架31可以為機器人身體的一部分，絲槓33一端與驅動電機31的輸出軸固定連
接，另一端與輪機構1通過軸承36轉動連接，絲槓滑塊34與絲槓33同軸套接，絲槓滑塊34與足機構2固定連接。驅動電機32轉動帶動絲槓33轉動，絲槓滑塊33沿垂直方向上下運動從而帶動足機構2上下運動，從而完成輪機構1和足機構2切換接觸地面。固定支架31和輪機構1之間固定連接有導軌35，絲槓滑塊34與導軌35滑動連接，絲槓滑塊34沿導軌35上下運動。導軌35一方面提供了絲槓滑塊34的運動導向，另一方面用於固定輪機構1的方向，使其按固定方向行進。優選的，絲槓33採用梯形螺紋絲槓，並具有自鎖功能，即絲槓滑塊34在自身與絲槓間摩擦力的作用下不會在外力的作用下沿絲槓移動，除非驅動電機32驅動傳動。絲槓33的自鎖性能可以保證絲槓滑塊34及機械足處在設定位置。
19.輪機構1包括驅動輪11，驅動輪11內具有直流電機12，直流電機12為外轉子直流電機，軸心為電機定子121，外圈為電機轉子122，電機定子121與驅動輪11同軸連接，並固定安裝在機器人的機械腿上，電機動子122與驅動輪11輪圈內固定連接，用於帶動驅動輪11轉動，驅動輪外圈具有橡膠輪胎13。
20.足機構2包括左右對稱的足杆21，分別為第一足杆211和第二足杆212，左右對稱設置使機器人站立或行走時更加穩定。第一足杆211和第二足杆212通過連接件23固定連接在輪機構1的兩側，連接件23與輪足切換裝置3的絲槓滑塊34固定連接，足機構2隨絲槓滑塊34的上下運動而運動，足杆21末端具有足面24，足面24用於與地面接觸。考慮到足機構2與地面接觸是會伴隨機械衝擊，為減少機械衝擊對絲槓33的影響，在足機構2與絲槓滑塊34之間設計彈性減震結構25，減震和減小衝擊力的峰值。減震結構25可以為任意的具有彈性功能的機構，本發明實施例的減震結構25為圓柱螺旋壓力彈簧結構，彈簧結構一端與連接件23固定連接，另一端與足杆21固定連接。第一足杆211和第二足杆212各自具有減震結構25，這樣既可以分擔壓力和衝擊也可以在一定範圍內調整機械足與地面的接觸面。也就是說如果地面不平坦每個機械足上的兩個並列的接觸點的水平位置可以不同以便適應地面的起伏。
21.經過適當簡化後，可得到此彈簧結構如下動理學方程f=k
∙
s(1)其中：f：單個接觸點作用力；k：單個接觸點的彈簧的彈性係數；s：單個接觸點的彈簧結構的形變量；為了保護彈性結構採用合適的設計尺寸保證當壓力超過最大工作壓力時驅動輪將於地面接觸。舉例彈簧減震結構設計規格如下：-彈簧材料：彈簧鋼；-彈性模量：在20n/mm到200n/mm之間；-彈簧長度：在20mm到150mm之間；-彈簧線徑：在1mm到5mm之間；最大工作壓力：在100n到2000n之間。
22.優選的，在足面24底部和減震結構25的連接處具有膠墊，進一步的減少機械過載時對減震結構25的衝擊。
23.如圖所示，當機器人在平滑路面行進時，採用輪驅動模式，即輪機構1與地面接觸，足機構2的位置高於輪機構1，輪機構1由驅動輪11內的直流電機12驅動轉動。如圖所示，當
機器人處於崎嶇的地形或爬坡時，採用足驅動模式，驅動電機32控制絲槓33旋轉，帶動絲槓滑塊34向下運動，從而將足機構2伸長，將輪機構1支起，足機構2高於輪機構1，足機構2與地面接觸，此時採用足機構2行進，足驅動模式下可以保證足與地面的穩定接觸，不滑動，能夠支撐整個機器人，並能實現行走功能。當運動到平滑路面時，驅動電機32反轉，控制絲槓33旋轉，帶動絲槓滑塊34向上運動，從而將足機構2收縮，輪機構1與地面接觸，繼續採用輪驅動模式行進。
24.可以理解，本發明是通過一些實施例進行描述的，本領域技術人員知悉的，在不脫離本發明的精神和範圍的情況下，可以對這些特徵和實施例進行各種改變或等效替換。另外，在本發明的教導下，可以對這些特徵和實施例進行修改以適應具體的情況及材料而不會脫離本發明的精神和範圍。因此，本發明不受此處所公開的具體實施例的限制，所有落入本技術的權利要求範圍內的實施例都屬於本發明所保護的範圍內。