一种足式机器人足端结构、腿部运动机构及四足机器人

摘要

本发明涉及一种足式机器人足端结构、腿部运动机构及四足机器人，包括轮式组件，所述轮式组件包括中空的橡胶轮胎、设于橡胶轮胎中央的轮柱和两个外部支撑圈；两个外部支撑圈分别同轴设于轮柱的两侧，所述外部支撑圈与轮柱转动连接，两个外部支撑圈与所述轮柱之间分别设有一锁止机构。本发明既可平地滑行，又可锁定行走，解决了现有足式机器人在平地行走较慢，不如轮式方便、快捷、灵活的问题，同时也解决了现有轮式机器人在爬坡时，易滑动后退的问题；本发明结构紧凑，集成度高，可实现正反转锁定，也可实现一定力度的制动。

说明书

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，尤其涉及一种足式机器人足端结构、腿部运动机构及四足机器人。

背景技术

机器人学是一门发展迅速的且具有高度综合性的前沿学科，该学科涉及领域广泛，集中了机械工程、电气与电子工程、计算机工程、自动控制工程、生物科学以及人工智能等多种学科的最新科研成果，代表了机电一体化的最新成就。机器人充分体现了人和机器的各自特长，它比传统机器具有更大的灵活性和更广泛的应用范围。机器人的出现和应用是人类生产和社会进步的需要，是科学技术发展和生产工具进化的必然。目前,机器人及其自动化成套装备己成为国内外备受重视的高新技术应用领域,与此同时它正以惊人的速度向海洋、航空、航天、军事、农业、服务、娱乐等各个领域渗透。

现有的足式机器人，在平地行走较慢，不如轮式方便、快捷、灵活；现有的轮式机器人，在爬坡时，易滑动后退，只适用于平地，适用范围较窄。

发明内容

本发明为了解决上述技术问题提供一种足式机器人足端结构、腿部运动机构及四足机器人。

本发明通过下述技术方案实现：

一种足式机器人足端结构，包括轮式组件，所述轮式组件包括中空的橡胶轮胎、设于橡胶轮胎中央的轮柱和两个外部支撑圈；

两个外部支撑圈分别同轴设于轮柱的两侧，所述外部支撑圈与轮柱转动连接，两个外部支撑圈与所述轮柱之间分别设有一锁止机构。

进一步的，当其中一个锁止机构为解锁状态，另一个锁止机构为锁止状态时，橡胶轮胎只可正转或只可反转；

当两个锁止机构均为锁止状态时，橡胶轮胎不能旋转；

当两个锁止机构均为解锁状态，橡胶轮胎可正反向自由旋转。

进一步的，足式机器人足端结构还包括与橡胶轮胎连接的气压传感器。

进一步的，所述锁止机构包括用于与所述轮柱啮合的齿圈和用于带动所述齿圈轴向移动的电磁铁组件。

进一步的，所述电磁铁组件包括与齿圈相连的磁铁、与外部支撑圈连接的电磁铁。

或者，所述电磁铁组件包括与齿圈相连的衔铁、与外部支撑圈连接的电磁铁。

进一步的，所述外部支撑圈与所述轮柱之间分别设有弹簧；在弹簧的作用下，所述齿圈有向齿轮柱移动的趋势。

进一步的，所述齿圈通过多个连接轴与外部支撑圈连接，所述齿圈与连接轴滑动配合。

进一步的，所述齿圈的齿为直角齿，两个锁止机构的齿圈的齿形方向相反。

足式机器人的腿部运动机构，包括腿部杆件和所述的轮式组件，所述腿部杆件与所述的两个外部支撑圈连接。

四足机器人，包括躯干和四个所述的腿部运动机构。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1，本发明的轮式结构，既可平地滑行，又可锁定行走，解决了现有足式机器人在平地行走较慢，不如轮式方便、快捷、灵活的问题，同时也解决了现有轮式机器人在爬坡时，易滑动后退的问题；

2，本发明结构紧凑，集成度高，可实现正反转锁定，也可实现一定力度的制动；

3，本发明有轮部压力检测，可为腿部平衡提供调整参数。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。

图1是轮式组件的主视图；

图2是轮式组件的二维剖视图；

图3是轮式组件的三维剖视图；

图4是第二齿圈与轮柱脱离时且第一齿圈与轮柱啮合时轮式组件的示意图；

图5是腿部运动机构的示意图；

图中：1-橡胶轮胎、2-气压传感器、3-轮柱、5-弹簧、6-弹簧引导柱、12-连接轴、41-第一外圈轴承、42-第二外圈轴承、71-第一齿圈、72-第二齿圈、81-第一外部支撑圈、82-第二外部支撑圈、91-第一电磁铁、92-第二电磁铁、101-第一永磁铁、102-第二永磁铁、100-轮式组件、200-腿部杆件、300-斜面、400-直角面。

具体实施方式

为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施方式的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语 “两侧”、“正向”、“反向”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，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，或者是本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，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的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“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，或一体地连接；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，可以是两个元件内部的连通。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中的具体含义。

本发明公开的足式机器人足端结构，包括轮式组件，轮式组件包括中空的橡胶轮胎、设于橡胶轮胎中央的轮柱和两个外部支撑圈。两个外部支撑圈分别同轴设于轮柱的两侧，外部支撑圈与轮柱转动连接，两个外部支撑圈与轮柱之间分别设有一锁止机构，两个锁止机构允许旋转的方向相反。

当其中一个锁止机构为解锁状态，另一个锁止机构为锁止状态时，橡胶轮胎只可正转或只可反转。

当两个锁止机构均为锁止状态时，橡胶轮胎不能旋转。

当两个锁止机构均为解锁状态，橡胶轮胎可正反向自由旋转。

本发明还公开一种腿部运动机构，其包括腿部杆件与上述轮式组件，腿部杆件与两个外部支撑圈连接。

本发明还公开一四足机器人，该四足机器人包括四个上述的腿部运动机构。

基于上述足式机器人足端结构，本发明公开两个实施例。

实施例一

如图1-图4所示，本实施例公开的足式机器人足端结构，包括轮式组件100，轮式组件100包括中空的橡胶轮胎1和轮柱3。气压传感器2与橡胶轮胎1连接用于对胎压进行检测，以及对腿部受力状况的数据进行采集。

第一外部支撑圈81、第二外部支撑圈82分别同轴安装在轮柱3的两侧。第一外部支撑圈81外表面与轮柱3内表面之间设有第一外圈轴承41，第二外部支撑圈82外表面与轮柱3内表面之间设有第二外圈轴承42。

第一齿圈71通过连接轴12与第一外部支撑圈81连接并可相对于第一外部支撑圈81轴向滑动，第二齿圈72通过连接轴12与第二外部支撑圈82连接并可相对于第二外部支撑圈82轴向滑动。

第一齿圈71、第二齿圈72与轮柱3同轴。本实施方式中，第一齿圈71、第二齿圈72可沿连接轴12滑动继而与轮柱3形成齿轮离合，第一齿圈71、第二齿圈72可相对于第一外部支撑圈81、第二外部支撑圈82轴向移动，不能相对于第一外部支撑圈81、第二外部支撑圈82旋转。

在第一外部支撑圈81与第一齿圈71之间、第二外部支撑圈82与第二齿圈72之间分别设有弹簧5；在弹簧5的作用下，第一齿圈71、第二齿圈72有向轮柱3移动的趋势。

本实施例中弹簧5为螺旋弹簧，弹簧5配有弹簧引导柱6。

第一齿圈71连接有第一永磁铁101，第二齿圈72连接有第二永磁铁102，第一外部支撑圈81连接有与第一永磁铁101适配的第一电磁铁91，第二外部支撑圈82连接有与第二永磁铁102适配的第二电磁铁92。

本实施例中第一齿圈71与第二齿圈72的齿为直角齿，该直角齿的一个啮合面为斜面300，该斜面300与轴向方向存在一个夹角；该直角齿的另一个啮合面为直角面400，该直角面400与轴向方向平行。

第一齿圈71与第二齿圈72齿形方向相反。

如图5所示，本发明公开的腿部运动机构，包括腿部杆件200与轮式组件100，腿部杆件200与第一外部支撑圈81、第二外部支撑圈82连接。第一外部支撑圈81、第二外部支撑圈82与腿部连杆200保持固定，第一外部支撑圈81、第二外部支撑圈82又通过外圈轴承4与轮柱3、橡胶轮胎1连接，行成最基本的结构运动。

本发明公开的四足机器人，包括四个腿部运动机构，其运动原理为：由腿部杆件200带动轮式组件100进行运动，最后由四个机器人腿部机构，携同运动，行成四足机器人的运动模块。

本实施例的工作原理：

状态一：第一齿圈71、第二齿圈72因弹簧5的张力与轮柱3保持长啮合状态，橡胶轮胎1相对于腿部杆件200保持不动。

状态二：如图2、图4所示，第二电磁铁92通电吸合第二永磁铁102从而带动第二齿圈72脱离轮柱3，行成单边齿圈啮合状态，此时，橡胶轮胎1不可正转却可以反转。

原因如下：第一齿圈71的齿为直角齿，当橡胶轮胎1反转时，轮柱3的直角齿的斜面300会给第一齿圈71一个水平方向的分力，该分力推动第一齿圈71向第一外部支撑圈81方向移动，从而解除第一齿圈71对轮柱3的限制，实现轮柱3、橡胶轮胎1相对于腿部杆件200反转；

而当橡胶轮胎1正转时，轮柱3的直角齿的直角面400不能对第一齿圈71产生水平方向的分力，也就不能推动第一齿圈71向第一外部支撑圈81方向移动，也就无法解除第一齿圈71对轮柱3的限制，因而橡胶轮胎1不可相对于腿部杆件200正转。

状态二适合机器人下坡。

状态三：第一电磁铁91通电吸合第一永磁铁101从而带动第一齿圈71脱离轮柱3，行成单边齿圈啮合状态，此时，橡胶轮胎1可正转却不可以反转。

原因如下：第二齿圈72的齿为直角齿，当橡胶轮胎1正转时，轮柱3的直角齿的斜面300会给第二齿圈72一个水平方向的分力，该分力推动第二齿圈72向第二外部支撑圈82方向移动，从而解除第二齿圈72对轮柱3的限制，实现轮柱3、橡胶轮胎1相对于腿部杆件200正转；

而当橡胶轮胎1反转时，轮柱3的直角齿的直角面400不能对第二齿圈72产生水平方向的分力，也就不能推动第二齿圈72向第二外部支撑圈82方向移动，也就无法解除第二齿圈72对轮柱3的限制，因而橡胶轮胎1不可相对于腿部杆件200反转。

状态三适合机器人上坡。

状态四：第一电磁铁91、第二电磁铁92同时通电吸合第一永磁铁101、第二永磁铁102，从而带动第一齿圈71、第二齿圈72脱离轮柱3，行成双边齿圈不啮合状态，此时，橡胶轮胎1可正转、可反转。状态四适合在平地上滑行。

状态五：轮部反转时，第一电磁铁91通电吸合第一永磁铁101带动第一齿圈71部齿圈脱离轮柱3，第二电磁铁92通反向电流行成排斥力作用于第二永磁铁102，推动第二齿圈72压紧轮柱3，行成反向制动力，起到刹车作用。状态五适合机器人在平地滑行时，制动轮胎。

状态六：轮部正转时，第二电磁铁92圈通电吸合第二永磁铁102磁铁带动第二齿圈72齿圈脱离轮柱3，第一电磁铁91通反向电流行成排斥力作用于第一永磁铁101，推动第一齿圈71部齿圈压紧轮柱3，行成正向制动力，起到刹车作用。

实施例二

本实施例将第一永磁铁101和第二永磁铁102均更换为衔铁。本实施例的工作原理：

状态一：第一齿圈71、第二齿圈72因弹簧5的张力与轮柱3保持长啮合状态，橡胶轮胎1相对于腿部杆件200保持不动。

状态二：如图5所示，第二电磁铁92通电吸合第二永磁铁102从而带动第二齿圈72脱离轮柱3，行成单边齿圈啮合状态，此时，橡胶轮胎1不可正转却可以反转。

状态三：第一电磁铁91通电吸合第一永磁铁101从而带动第一齿圈71脱离轮柱3，行成单边齿圈啮合状态，此时，橡胶轮胎1可正转却不可以反转。

状态四：第一电磁铁91、第二电磁铁92同时通电吸合第一永磁铁101、第二永磁铁102，从而带动第一齿圈71、第二齿圈72脱离轮柱3，行成双边齿圈不啮合状态，此时，橡胶轮胎1可正转、可反转。

状态五：轮部反转时，第一电磁铁91通电吸合第一永磁铁101带动第一齿圈71部齿圈脱离轮柱3，第二电磁铁92断电，弹簧推动第二齿圈72压紧轮柱3，行成反向制动力，起到刹车作用。

状态六：轮部正转时，第二电磁铁92圈通电吸合第二永磁铁102磁铁带动第二齿圈72齿圈脱离轮柱3，第一电磁铁91断电，弹簧5推动第一齿圈71部齿圈压紧轮柱3，行成正向制动力，起到刹车作用。

本发明结构紧凑，集成度高，在平地行走快速、快捷、灵活，而在爬坡时不易滑动后退，适用范围广，利于推广运用。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。