一種腿輪混合機器人的製作方法

2023-07-22 18:26:46 1

本發明涉及一種機器人，具體涉及一種腿輪混合機器人，用於載人或載物。

背景技術：

足式機器人由步行腿組成，足式機器人具有優良的越障、過溝和地形適應能力，運動靈活性好優點，但是具有行走速度慢、驅動效率低等缺點，能量利用效率低限制了足式機器人有效載荷自重比；而輪式機器人行走速度快、驅動效率高、但是越障能力有限。當前的研究和產品主要集中在足式和輪式兩種機器人方面，不能進一步集中利用兩種機器人的越障能力和運行速度快的優點。

輪式機器人一般由兩個電機驅動兩組車輪實現機器人在地面上運動，足式機器人一般由兩個或者四個腿組成，通過各個腿交替和地面接觸，實現在地面上行走。

輪式機器人越障能力有限，過溝能力和地形適應能力較低；足式機器人行走速度緩慢、驅動效率低、控制複雜。

現有技術中也有採用腿輪混合設計的機器人，但是腿和輪是根據工況分別單獨使用的，並非同時使用，沒有充分利用輪式機器人和足式機器人的優點。

技術實現要素：

針對現有技術中存在的上述問題，本發明提供了一種腿輪混合機器人，同時設置了車輪和步行腿，具有較高的越障能力和過溝能力，地形適應能力強；同時行走速度快、驅動效率高、控制簡單。

為了達到上述目的，本發明的技術方案是這樣實現的：

本發明提供一種腿輪混合機器人，包括車體，所述車體下部安裝有車輪和步行腿，所述車輪位於所述車體行進方向的後側，所述步行腿位於所述車體行進方向的前側，所述車輪設置有第一驅動電機，所述機器人同時依靠所述車輪和步行腿行走。

進一步，所述車輪包括至少兩組，所述車輪行走時，將驅動力通過車體傳遞至所述步行腿，驅動所述步行腿行走；或者所述步行腿設置有第二驅動電機，用於驅動所述步行腿行走。

進一步，所述步行腿包括至少兩組，分別為左腿和右腿，左腿和右腿結構相同對稱布置，在所述機器人行走過程中所述左腿和右腿交替接觸地面，所述左腿和右腿均為包括若干根連杆的運動鏈機構。

進一步，所述左腿和右腿均包括嚙合傳動的第一齒輪和第二齒輪，所述第一齒輪和第二齒輪安裝在所述車體上，所述第二齒輪的中心軸的兩端分別連接有第一曲柄和第二曲柄，所述第二齒輪旋轉的同時驅動所述第一曲柄和第二曲柄旋轉；所述第一曲柄的外端鉸接有第三連杆，所述第二曲柄的外端鉸接有第二連杆，所述第二連杆和第三連杆下端分別與腿部連杆鉸接，所述第三連杆上鉸接有第一連杆，所述第一連杆另一端與所述車體鉸接。

進一步，所述第一齒輪或第二齒輪為原動件，所述第二驅動電機驅動所述第一齒輪或第二齒輪轉動，所述左腿和右腿中的第一齒輪之間連接傳動軸。

進一步，同一組步行腿中的所述第一曲柄和第二曲柄的位置相差180度；不同組步行腿中的所述第一曲柄的位置相差180度，所述第二曲柄的位置也是相差180度；所述第二曲柄和第二連杆均為z字形，所述第二曲柄轉動過程中可以避讓所述第二驅動電機。

進一步，所述腿部連杆為t型，下端呈半圓形。

進一步，所述車體包括車架，所述車架呈平臺型，所述車架下部設置有兩個支腿和兩個安裝板，後部的兩個支腿下端分別安裝所述車輪，前部的兩個安裝板上安裝所述第一齒輪、第二齒輪和第一連杆。

進一步，所述安裝板垂直所述車體安裝，所述第一齒輪和第二齒輪安裝在所述安裝板內側，所述第一連杆、第一曲柄安裝在所述安裝板外側。

進一步，所述步行腿相鄰設置，兩組所述步行腿的間距小於兩組所述車輪的間距。

採用上述結構設置的腿輪混合機器人具有以下優點：

本發明中機器人採用了步行腿機構，該步行腿可以實現步態運動，兩組步行腿可以交替和地面接觸支撐。步行腿的邁步行走可以由電機驅動或者車輪驅動力實現。

本發明中機器人採用兩個電機驅動車輪轉動，可以在地面上實現兩自由度運動，具有輪式機器人運動速度快、運動靈活等特點。

本發明中機器人根據工況，電機輸出力矩，越障能力、過溝能力增強，可以跨越一定寬度的壕溝。

本發明中機器人可以適應不同的地面地形，適應能力較強。

本發明中機器人步行腿運動結構只需要一個電機驅動，控制簡單。

本發明中機器人充分利用了輪式機器人和足式機器人的優點，結構新穎。

附圖說明

圖1是本發明實施例1中機器人的立體圖；

圖2是本發明實施例1中機器人的分解圖；

圖3是本發明實施例1中機器人的主視圖；

圖4是本發明實施例1中機器人的左視圖；

圖5是本發明實施例1中機器人的剖視圖；

圖6是本發明所採用步行腿(左腿)的立體圖；

圖7是本發明所採用步行腿(左腿)的分解圖；

圖8是本發明所採用步行腿(左腿)的主視圖；

圖9是本發明所採用步行腿(左腿)的平面機構簡圖。

圖中：1.車體；1-1.車架；1-2.支腿；1-3.安裝板；2.車輪；3.第一驅動電機；4.第二驅動電機；5.步行腿；5-1.第一連杆；5-2.第一齒輪；5-3.第二齒輪；5-4.第一曲柄；5-5.中心軸；5-6.第二曲柄；5-7.第二連杆；5-8.腿部連杆；5-9.第三連杆；6.傳動軸；7.第一驅動電機；8.車輪。

具體實施方式

本發明的設計構思是：

現有技術中的輪式機器人越障能力有限，過溝能力和地形適應能力較低。足式機器人行走速度緩慢、驅動效率低、控制複雜。為此，本發明提供了一種腿輪混合機器人，同時設置了車輪和步行腿，車輪位於行進方向的後側，步行腿位於行進方向的前側，機器人同時依靠車輪和步行腿行走，充分利用了輪式機器人和足式機器人的優點。

為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合附圖對本發明實施方式作進一步地詳細描述。

實施例1

如圖1、圖2、圖3、圖4所示為本發明實施例1，在該實施例中，一種腿輪混合機器人，包括車體1，車體1下部安裝有車輪和步行腿5，車輪位於車體1行進方向的後側，步行腿5位於車體1行進方向的前側，車輪設置有第一驅動電機，機器人同時依靠車輪和步行腿5行走。

如圖1所示，車輪包括兩組，即車輪2、8，車輪2設置有第一驅動電機3，車輪8設置有第一驅動電機7。

在該實施例中，步行腿5設置有第二驅動電機4，用於驅動步行腿5行走，即步行腿5可以主動行走。第二驅動電機4輸出力矩，機器人的越障能力、過溝能力增強，可以跨越一定寬度的壕溝。

如圖3所示，步行腿5包括兩組，分別為左腿和右腿，左腿和右腿結構相同對稱布置，在機器人行走過程中左腿和右腿交替接觸地面，左腿和右腿均為包括若干根連杆的運動鏈機構。第二驅動電機4僅需要設置一組，驅動左腿和右腿均可，左腿和右腿之間還設置有傳動軸6，下面有具體描述。

如圖6、圖7、圖8所示，左腿和右腿均包括嚙合傳動的第一齒輪5-2和第二齒輪5-3，第一齒輪5-2和第二齒輪5-3安裝在車體1上，第二齒輪5-3的中心軸5-5的兩端分別連接有第一曲柄5-4和第二曲柄5-6，第二齒輪5-3旋轉的同時驅動第一曲柄5-4和第二曲柄5-6旋轉。

中心軸5-5的兩端和第一曲柄5-4和第二曲柄5-6不是鉸接結構，而是傳動結構，例如可以採用方孔和方軸的連接結構。

第一曲柄5-4的外端鉸接有第三連杆5-9，第二曲柄5-6的外端鉸接有第二連杆5-7，第二連杆5-7和第三連杆5-9下端分別與腿部連杆5-8鉸接，第三連杆5-9上鉸接有第一連杆5-1，第一連杆5-1另一端與車體1鉸接。

在該機構中，第一齒輪5-2或第二齒輪5-3為原動件，第二驅動電機4驅動第一齒輪5-2或第二齒輪5-3轉動，左腿和右腿中的第一齒輪5-2之間連接傳動軸6。第二驅動電機4的輸出軸可以直接連接第一齒輪5-2或第二齒輪5-3的中心軸，或者第二驅動電機4的輸出軸通過齒輪與第一齒輪5-2或第二齒輪5-3嚙合傳動。

第二驅動電機4需要安裝在車體1上，無論是驅動第一齒輪5-2還是第二齒輪5-3，第二驅動電機4的安裝結構都不能影響運動鏈的運動軌跡。

如圖6、圖7所示，同一組步行腿5中的第一曲柄5-4和第二曲柄5-6的位置相差180度；因為左腿和右腿需要交替接觸地面，所以如圖1、圖2所示，不同組步行腿5中的第一曲柄5-4的位置相差180度，第二曲柄5-6的位置也是相差180度。

第二曲柄5-6和第二連杆5-7均為z字形。

當第二驅動電機4驅動第二齒輪5-3轉動時，z字形的第二曲柄5-6轉動過程中可以避讓第二驅動電機4。

如圖8所示，腿部連杆5-8為t型，下端呈半圓形，有利於腿部連杆5-8與地面以弧線移動軌跡接觸並離開。

如圖3、圖4、圖5所示，車體1包括車架1-1，車架1-1呈平臺型，車架1-1下部設置有兩個支腿1-2和兩個安裝板1-3，後部的兩個支腿1-2下端分別安裝車輪2、8，前部的兩個安裝板1-3上安裝第一齒輪5-2、第二齒輪5-3和第一連杆5-1。

安裝板1-3垂直車體安裝，第一齒輪5-2和第二齒輪5-3安裝在安裝板1-3內側，第一連杆5-1、第一曲柄5-4安裝在安裝板1-3外側。

支腿1-2、安裝板1-3和車架1-1可以一體製成，可以採用結構強度較高重量較輕的鋁合金、塑料、碳纖維等材料製成。步行腿5中的運動鏈結構要求採用結構強度較高的不鏽鋼、塑料、碳纖維等材料製成。車架1-1上還可以設置輔助固定物，用來固定所載物體。

如圖3所示，步行腿5相鄰設置，兩組步行腿5的間距小於兩組車輪2、8的間距。機器人整體類似一個三足結構。兩組步行腿5相鄰設置，間距較小，這樣設計能夠避免步行腿5交替接觸地面時車體1發生明顯顛簸。

步行腿5的自由度數由公式f＝3n-(2pl+ph)進行計算，可以分兩種情況來計算，參考圖9所示的左腿平面機構簡圖。

當第一齒輪5-2為原動件時，第一齒輪5-2和第二齒輪5-3是機構的一部分，其中活動構件數n＝6，低副數pl＝8，高副數ph＝1，則f＝1，機構具有確定運動。

其中，低副包括第一齒輪5-2的中心軸安裝處、第二齒輪5-3的中心軸5-5安裝處、第一連杆5-1的兩端鉸接處、第三連杆5-9的兩端鉸接處和第二連杆5-7的兩端鉸接處，高副僅包括第一齒輪5-2和第二齒輪5-3的嚙合傳動。

當第二齒輪5-3為原動件時，第一齒輪5-2可以不算是機構的一部分，其中活動構件數n＝5，低副數pl＝7，高副數ph＝0，則f＝1，機構具有確定運動。

其中，低副包括第二齒輪5-3的中心軸5-5安裝處、第一連杆5-1的兩端鉸接處、第三連杆5-9的兩端鉸接處和第二連杆5-7的兩端鉸接處，高副為零。

實施例2

在該實施例中，與實施例1所不同的是，步行腿5不設置第二驅動電機4，當車輪2、8行走時，將驅動力通過車體1傳遞至步行腿5，驅動步行腿5行走。

因為沒有第二驅動電機4輸出力矩，機器人的越障能力、過溝能力相比實施例1會弱一些，但是比輪式機器人還是要明顯提高。

在該實施例中腿輪混合機器人的其他結構與實施例1中相同，此處不再重複描述。

實施例3

在該實施例中，與實施例1所不同的是，步行腿5可以設置多於兩組的偶數個，車輪也可以設置多於兩組的偶數個。

例如兩組車輪和四組步行腿5的組合，兩組車輪還是位於車體1行進方向的後側，四組步行腿5位於車體1行進方向的前側。要求前面兩組步行腿5和中部的兩組步行腿5結構相同，車體1左右兩側可以同時具有接觸地面的步行腿5，這樣機器人的行進速度會更快，也更平穩，越障能力、過溝能力更強。

例如四組車輪和兩組步行腿5的組合，四組車輪還是位於車體1行進方向的後側，兩組步行腿5位於車體1行進方向的前側。這樣機器人的行進速度會更快，也更平穩，承載能力更高。

在該實施例中腿輪混合機器人的其他結構與實施例1中相同，此處不再重複描述。

以上，僅為本發明的具體實施方式，在本發明的上述教導下，本領域技術人員可以在上述實施例的基礎上進行其他的改進或變形。本領域技術人員應該明白，上述的具體描述只是更好的解釋本發明的目的，本發明的保護範圍應以權利要求的保護範圍為準。