一种少自由度轮足式全向四足机器人

摘要

本发明提供一种少自由度轮足式全向四足机器人，涉及机器人领域，轮足式全向四足机器人包括机架和四个行走单元，行走单元包括第一驱动装置、第二驱动装置、第三驱动装置、小腿件、大腿件、偏心转动件、活动连接组件和滚轮；第一驱动装置分别与机架、大腿件的上端连接，活动连接组件与大腿件转动连接，且与小腿件滑动配合；第二驱动装置设置于大腿件的上端，第三驱动装置分别与大腿件的下端、滚轮连接。通过第一驱动装置改变四足机器人的行进方向，使四足机器人能够朝任意方向行进，实现全向位移；通过第二驱动装置驱动小腿件在竖直平面内运动，实现四足机器人的足式行走；通过第三驱动装置驱动滚轮转动，实现四足机器人的轮式行走。

说明书

技术领域

本发明涉及机器人领域，尤其涉及一种少自由度轮足式全向四足机器人。

背景技术

21世纪是机器人时代，近些年来，类似哺乳动物和爬行动物的四足机器人成为科技的热点。在非结构化路面上，足式机器人比轮式机器人具有更快的速度，但是在平坦路面上，轮式机器人比足式机器人具有更快的速度。随着技术的深入发展，将轮式和足式结合，来获得在地面上的最大适应性，从而更好的完成所执行的任务，成为四足机器人的研究趋势。

现有的轮足式四足机器人存在以下缺点：

1、现有的轮足式四足机器人无法实现全向位移功能；

2、现有的轮足式四足机器人的足式行走机构与轮式行走机构运行过程中相互影响；

3、现有的轮足式四足机器人的结构复杂，不易于实现。

发明内容

本发明提供一种少自由度轮足式全向四足机器人，用以解决现有的轮足式四足机器人存在无法实现全向位移功能，在运行过程中足式行走机构与轮式行走机构相互影响，以及结构复杂的问题。

本发明提供一种少自由度轮足式全向四足机器人，所述轮足式全向四足机器人包括：

机架；

四个行走单元，四个所述行走单元一一对应地安装于所述机架的四个安装点，所述行走单元包括：第一驱动装置、第二驱动装置、第三驱动装置、小腿件、大腿件、偏心转动件、活动连接组件和滚轮；所述第一驱动装置分别与所述机架、所述大腿件的上端连接，适于驱动所述大腿件沿竖直方向的轴线转动；所述活动连接组件与所述大腿件转动连接，且与所述小腿件滑动配合；所述小腿件的上端与所述偏心转动件的一端转动连接，所述偏心转动件的另一端与所述第二驱动装置的转轴连接；所述第二驱动装置设置于所述大腿件的上端，适于通过所述偏心转动件带动所述小腿件在竖直平面内运动；所述第三驱动装置分别与所述大腿件的下端、所述滚轮连接，适于驱动所述滚轮转动。

根据本发明提供的少自由度轮足式全向四足机器人，所述机架为菱形板，四个所述安装点为所述菱形板的四个顶点。

根据本发明提供的少自由度轮足式全向四足机器人，所述第一驱动装置为偏航电机，所述偏航电机的壳体与所述菱形板的顶点连接，所述偏航电机的转轴竖直设置，且与所述大腿件的上端连接；所述第二驱动装置为足式行走电机，所述足式行走电机的壳体与所述大腿件的上端连接，所述足式行走电机的转轴水平设置，且与所述偏心转动件的另一端连接；所述第三驱动装置为滚轮电机，所述滚轮电机的壳体与所述大腿件的下端连接，所述滚轮电机的转轴水平设置，且与所述滚轮连接。

根据本发明提供的少自由度轮足式全向四足机器人，所述小腿件、所述偏心转动件和所述滚轮均位于所述大腿件的一侧，所述足式行走电机和所述滚轮电机均位于所述大腿件的另一侧。

根据本发明提供的少自由度轮足式全向四足机器人，所述足式行走电机的转轴通过第一法兰与所述偏心转动件的另一端连接，所述小腿件的上端设置有第二法兰，所述第二法兰通过第一轴承与所述偏心转动件的一端转动连接。

根据本发明提供的少自由度轮足式全向四足机器人，所述活动连接组件包括连杆和滑动件，所述连杆的一端通过第二轴承与所述大腿件转动连接，另一端与所述滑动件连接，所述滑动件与所述小腿件滑动配合。

根据本发明提供的少自由度轮足式全向四足机器人，所述滑动件为直线轴承、滑动轴承或滑套。

根据本发明提供的少自由度轮足式全向四足机器人，所述第一轴承和所述第二轴承均为交叉滚子轴承。

根据本发明提供的少自由度轮足式全向四足机器人，所述小腿件的下端设置有足端支撑件。

根据本发明提供的少自由度轮足式全向四足机器人，所述大腿件的上端设置有连接件，所述连接件通过螺栓与所述第一驱动装置的转轴连接。

本发明提供的少自由度轮足式全向四足机器人，通过第一驱动装置改变四足机器人的行进方向，使四足机器人能够朝任意方向行进，实现全向位移；通过第二驱动装置驱动小腿件在竖直平面内运动，实现四足机器人的足式行走；通过第三驱动装置驱动滚轮转动，实现四足机器人的轮式行走。

附图说明

为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明提供的少自由度轮足式全向四足机器人处于一种状态下的立体结构示意图；

图2是本发明提供的少自由度轮足式全向四足机器人处于另一种状态下的立体结构示意图；

图3是本发明提供的少自由度轮足式全向四足机器人的主视结构示意图；

图4是本发明提供的少自由度轮足式全向四足机器人处于一种状态下的侧视结构示意图；

图5是本发明提供的少自由度轮足式全向四足机器人处于另一种状态下的侧视结构示意图。

附图标记：101、第二法兰；102、偏心转动件；103、直线轴承；104、小腿件；105、足端支撑件；106、滚轮；107、滚轮电机；108、连杆；109、大腿件；110、足式行走电机；111、第一轴承；112、偏航电机；113、机架；114、第一法兰；115、第二轴承。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明实施例的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明实施例中的具体含义。

在本发明实施例中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明实施例的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

下面结合图1-图5描述本发明的少自由度轮足式全向四足机器人。

图1示例了少自由度轮足式全向四足机器人处于一种状态下的立体结构示意图，图2示例了少自由度轮足式全向四足机器人处于另一种状态下的立体结构示意图；如图1和图2所示，少自由度轮足式全向四足机器人包括机架113和四个行走单元，四个行走单元一一对应地安装于机架113的四个安装点。行走单元包括第一驱动装置、第二驱动装置、第三驱动装置、小腿件104、大腿件109、偏心转动件102、活动连接组件和滚轮106；第一驱动装置分别与机架113、大腿件109的上端连接，第一驱动装置适于驱动大腿件109沿竖直方向的轴线转动。活动连接组件与大腿件109转动连接，且与小腿件104滑动配合。小腿件104的上端与偏心转动件102的一端转动连接，偏心转动件102的另一端与第二驱动装置的转轴连接。第二驱动装置设置于大腿件109的上端，第二驱动装置适于通过偏心转动件102带动小腿件104在竖直平面内运动，以实现四足机器人的足式行走。第三驱动装置分别与大腿件109的下端、滚轮106连接，第三驱动装置适于驱动滚轮106转动，以实现四足机器人的轮式行走。本发明的少自由度轮足式全向四足机器人，通过第一驱动装置改变四足机器人的行进方向，使四足机器人能够朝任意方向行进，实现全向位移；通过第二驱动装置驱动小腿件104在竖直平面内运动，实现四足机器人的足式行走；通过第三驱动装置驱动滚轮106转动，实现四足机器人的轮式行走。

根据本发明的实施例，机架113为菱形板，四个安装点为菱形板的四个顶点。将行走单元安装于对应的安装点时，相邻两个第一驱动装置的轴线距离相等。菱形板的材质可以为碳纤维板或金属板，当然，机架113也可由杆件拼接而成。

图3示例了少自由度轮足式全向四足机器人的主视结构示意图，如图3所示，根据本发明的实施例，第一驱动装置为偏航电机112，偏航电机112的壳体与菱形板的顶点连接，偏航电机112的转轴竖直设置，且与大腿件109的上端连接。当偏航电机112的转轴转动时，偏航电机112带动大腿件109沿竖直方向的轴线转动，大腿件109转动后，无论四足机器人处于轮式行走模式还是处于足式行走模式都可进行转向，从而实现了足式行走和轮式行走时的全向移动功能。第二驱动装置为足式行走电机110，足式行走电机110的壳体与大腿件109的上端连接，足式行走电机110的转轴水平设置，且与偏心转动件102的另一端连接。通过计算优化偏心转动件102与足式行走电机110的偏心距离、连杆108与足式行走电机110的轴线距离、连杆108与滚轮106的轴线距离以及小腿件104的长度，可确保足式行走与轮式行走能够很好的进行切换，避免滚轮106和小腿件104在运行过程中相互影响。图4示例了少自由度轮足式全向四足机器人处于一种状态下的侧视结构示意图，图5示例了少自由度轮足式全向四足机器人处于另一种状态下的侧视结构示意图；如图4和图5所示，足式行走时，滚轮106始终离开地面一定的高度，不会与地面接触。第三驱动装置为滚轮电机107，滚轮电机107的壳体与大腿件109的下端连接，滚轮电机107的转轴水平设置，且与滚轮106连接。通过滚轮电机107驱动滚轮106正转和反转，可实现轮式行走的前进和后退。

这里需要说明的是，用于轮式行走的滚轮106为普通滚轮，滚轮106由滚轮电机107进行驱动，与带轮毂电机的滚轮相比，普通滚轮具有与电机易于连接和拆卸，以及结构简单等优点；与麦克纳姆轮相比，具有重量轻，轮体加工工艺简单，造价低和重量轻等优点。滚轮电机107为直流电机，也可使用带轮毂电机的滚轮替代滚轮电机107和普通滚轮的组合。

根据本发明的实施例，足式行走电机110的转轴通过第一法兰114与偏心转动件102的另一端连接，使用第一法兰114连接足式行走电机110的转轴与偏心转动件102，可方便电机的拆卸和安装。小腿件104的上端设置有第二法兰101，第二法兰101通过第一轴承111与偏心转动件102的一端转动连接，第二法兰101可方便对小腿件104进行拆卸和安装。

根据本发明的实施例，活动连接组件包括连杆108和滑动件，滑动件为直线轴承103，直线轴承103套设于小腿件104，并与小腿件104滑动配合。连杆108的一端通过第二轴承115与大腿件109转动连接，另一端与直线轴承103连接。小腿件104、偏心转动件102和滚轮106均位于大腿件109的一侧，足式行走电机110和滚轮电机107均位于大腿件109的另一侧，第二法兰101、偏心转动件102、直线轴承103、小腿件104、足端支撑件105、连杆108、足式行走电机110等组成了一个复合的曲柄滑块机构，当足式行走电机110转动时，足式行走电机110通过偏心转动件102带动小腿件104在竖直平面内运动，连杆108围绕第二轴承115的轴线转动，小腿件104的下端在竖直平面上做椭圆运动，使得小腿件104的下端既有前后方向的摆动又有高度的变化，使得四足机器人的每条腿只需一个足式行走电机110就可以实现足式行走，减少了电机的数量，简化四足机器人的结构。

这里需要说明的是，滑动件并不限定于直线轴承103，还可使用滑动轴承或滑套进行替代，以实现在足式行走时实现滑动件与小腿件104滑动配合。

根据本发明的一个实施例，第一轴承111和第二轴承115均为交叉滚子轴承，交叉滚子轴承是一种内圈分割、外圈旋转的特殊型号轴承，因内环或外环被分割，在装入滚柱和间隔保持器后，与交叉滚柱轴环固定在一起，以防止互相分离。交叉滚子轴承具有出色的旋转精度，安装时操作非常简单，大幅节省了安装空间和轴向定位误差。

根据本发明的实施例，小腿件104的下端设置有足端支撑件105，足端支撑件105与小腿件104的下端通过螺钉连接，足端支撑件105可提高四足机器人足式行走时的稳定性。

根据本发明的实施例，大腿件109的上端设置有连接件，连接件通过螺栓与第一驱动装置的转轴连接。使用连接件连接第一驱动装置的转轴与大腿件109的上端，可方便大腿件109的安装和拆卸。

根据本发明的实施例，少自由度轮足式全向四足机器人包括机架113和四个行走单元，机架113为菱形板，菱形板的四个顶点作为安装点。行走单元包括偏航电机112、足式行走电机110、滚轮电机107、小腿件104、大腿件109、偏心转动件102、活动连接组件和滚轮106。偏航电机112的壳体与对应的菱形板的顶点连接，偏航电机112的转轴竖直设置。大腿件109呈条形板状结构，大腿件109竖直设置，大腿件109的上端设置有连接件，连接件通过螺栓与偏航电机112的转轴连接。活动连接组件包括连杆108和滑动件，滑动件为直线轴承103，直线轴承103套设于小腿件104，并与小腿件104滑动配合。连杆108的一端通过第二轴承115与大腿件109转动连接，另一端与直线轴承103连接。小腿件104呈管体，小腿件104的下端设置有足端支撑件105，小腿件104的上端设置有第二法兰101，第二法兰101通过第一轴承111与偏心转动件102的一端转动连接。足式行走电机110的壳体与大腿件109的上端连接，足式行走电机110的转轴水平设置，足式行走电机110的转轴通过第一法兰114与偏心转动件102的另一端连接。第三驱动装置为滚轮电机107，滚轮电机107的壳体通过螺钉与大腿件109的下端连接，滚轮电机107的转轴水平设置，且与滚轮106连接。

本发明的少自由度轮足式全向四足机器人的工作模式：

轮式行走模式：四个足式行走电机110转动一定角度，使小腿件104下端的足端支撑件105离开地面，此时滚轮106着地，在滚轮电机107驱动下，实现轮式行走。通过滚轮电机107正转和反转，实现轮式行走前进和后退；通过偏航电机112转动可调整轮式行走的方向，实现全向移动功能。

足式行走模式：四个足式行走电机110转动，使小腿件104下端的足端支撑件105接触地面，此时滚轮106离开地面，四个小腿件104中处于同一菱形对角线上的两个小腿件104以相同的姿态进行运动，实现足式行走；通过偏航电机112转动，可调整足式行走的方向，实现足式行走的全向移动功能。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。