CN112278106B - 一种轮足复合行走机构 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种轮足复合行走机构，包括髋关节转轴、膝关节电机固定板、膝关节电机、膝关节转轴、踝关节电机、小腿结构件、踝关节转轴、足部结构件、驱动轮、从动轮，在足部结构件上安装有驱动轮和从动轮，这样在平地上行走的时候腿部所有的电机通过锁止元件让关节处于锁死状态。这时只要单独控制驱动轮就可以控制机器人的行走，可以发挥轮式机器人的优势，提高行走速度，而且也不用其它的关节参与运动，电机完全可以处于失电状态，这样节省了能源，延长了工作时间。当遇到障碍物需要跨越时，足部结构件上的驱动轮和从动轮锁定，腿部的电机协调动作，发挥出常规双足机器人环境适应性好的优势。

Description

一种轮足复合行走机构

技术领域

本发明涉及自动控制机器技术领域，特别是涉及一种轮足复合行走机构。

背景技术

传统轮式机器人、履带式机器人使用场景局限性大，传统的轮式机器人越障能力差、地形适应能力差、转弯效率低，或转弯半径大，容易打滑，不够不平稳。而履带式机器人对地形的要求也很高，对高地落差较大的地形无能为力，不及双足机器人灵活方便。双足式机器人几乎可以适应各种复杂地形，能够跨越障碍，有着良好的自由度、动作灵活、自如、稳定。双足机器人的使用场景更加复杂，应用领域更加广泛。

现有的双足机器人在灵活性、复杂环境的适应性都有了很大提高，但是受限于电池的容量，持续工作时间不会很长，因为双足机器人在行走过程中，不管是平地还是复杂的地形，都需要多个关节同时协调，同时动作，降低了平地环境中的行走速度，而且增加了耗电量，使机器人自身背负的电池不能长时间提供能量，缩短了机器人的工作时间，降低了双足机器人的行走可靠性。

因此，如何改变现有技术中，双足机器人在平地上行走速度慢以及耗能大的现状，成为了本领域技术人员亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种轮足复合行走机构，以解决上述现有技术存在的问题，提高双足机器人平地行走速度，降低机器人能耗。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种轮足复合行走机构，包括髋关节转轴、膝关节电机固定板、膝关节电机、膝关节转轴、踝关节电机、小腿结构件、踝关节转轴、足部结构件、驱动轮、从动轮，所述膝关节电机固定板利用所述髋关节转轴与机器人其它部位相连，所述小腿结构件利用所述膝关节转轴与所述膝关节电机固定板转动连接，所述膝关节电机与所述小腿结构件传动相连，所述膝关节电机能够带动所述小腿结构件绕所述膝关节转轴转动，所述足部结构件利用所述踝关节转轴与所述小腿结构件转动连接，所述踝关节电机与所述足部结构件传动相连，所述踝关节电机能够带动所述足部结构件绕所述踝关节转轴转动，所述驱动轮、所述从动轮均可转动地设置于所述足部结构件上，所述驱动轮和所述从动轮的转动轴线相平行，所述膝关节电机、所述踝关节电机和所述驱动轮均具有锁止元件。

优选地，所述膝关节电机可转动地与所述膝关节电机固定板的一端相连，所述膝关节电机固定板的另一端连接有膝关节连杆，所述膝关节连杆的一端利用所述髋关节转轴与所述膝关节电机固定板转动相连，所述膝关节连杆的另一端与所述小腿结构件转动相连，所述膝关节电机靠近所述小腿结构件的一端与所述小腿结构件转动相连。

优选地，所述踝关节电机与所述足部结构件之间设置踝关节连杆，所述踝关节连杆的一端与所述足部结构件转动连接，所述踝关节连杆、所述足部结构件的连接点与所述踝关节转轴之间具有间隙，所述踝关节连杆的另一端与所述踝关节电机转动相连。

优选地，所述膝关节电机位于所述膝关节转轴的顶部，所述踝关节电机位于所述踝关节转轴的顶部。

优选地，所述足部结构件包括相连的连接段和倾斜段，所述连接段与所述踝关节转轴相连，两个所述倾斜段分别设置于所述连接段的两端，所述驱动轮和所述从动轮分别设置于两个所述连接段且一一对应。

优选地，所述驱动轮的直径较所述从动轮的直径大。

优选地，所述小腿结构件、所述膝关节连杆和所述踝关节连杆均设置减重孔。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：本发明的轮足复合行走机构，包括髋关节转轴、膝关节电机固定板、膝关节电机、膝关节转轴、踝关节电机、小腿结构件、踝关节转轴、足部结构件、驱动轮、从动轮，膝关节电机固定板利用髋关节转轴与机器人其它部位相连，小腿结构件利用膝关节转轴与膝关节电机固定板转动连接，膝关节电机与小腿结构件传动相连，膝关节电机能够带动小腿结构件绕膝关节转轴转动，足部结构件利用踝关节转轴与小腿结构件转动连接，踝关节电机与足部结构件传动相连，踝关节电机能够带动足部结构件绕踝关节转轴转动，驱动轮、从动轮均可转动地设置于足部结构件上，驱动轮和从动轮的转动轴线相平行，膝关节电机、踝关节电机和驱动轮均具有锁止元件。本发明的轮足复合行走机构，机器人在平地行走时，足部结构件上具有驱动轮和从动轮，利用驱动轮带动从动轮转动，发挥类似轮式机器人的优势，实现机器人快速行走，膝关节电机和踝关节电机处于锁止失电状态，其它部件不参与运动，减少了能耗。在遇到障碍物需要跨越时，锁止元件能够锁定驱动轮，足部结构件和驱动轮、从动轮形成一个整体的“足部”，膝关节电机带动膝关节转轴转动，踝关节电机带动踝关节转轴转动，配合髋关节转轴，使得机器人实现类似于双足机器人的行走动作，本发明的轮足复合行走机构，兼具轮式机器人和常规双足机器人的优势，极大地提高了机器人的环境适应能力。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅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为本发明的轮足复合行走机构的结构示意图；

其中，1为膝关节电机，2为膝关节电机固定板，3为驱动轮，4为膝关节转轴，5为足部结构件，6为踝关节电机，7为踝关节转轴，8为小腿结构件，9为从动轮，10为踝关节连杆，11为膝关节连杆，12为髋关节转轴。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种轮足复合行走机构，以解决上述现有技术存在的问题，提高双足机器人平地行走速度，降低机器人能耗。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

请参考图1，其中，图1为本发明的轮足复合行走机构的结构示意图。

本发明提供一种轮足复合行走机构，包括髋关节转轴12、膝关节电机固定板2、膝关节电机1、膝关节转轴4、踝关节电机6、小腿结构件8、踝关节转轴7、足部结构件5、驱动轮3、从动轮9，膝关节电机固定板2利用髋关节转轴12与机器人其它部位相连，小腿结构件8利用膝关节转轴4与膝关节电机固定板2转动连接，膝关节电机1与小腿结构件8传动相连，膝关节电机1能够带动小腿结构件8绕膝关节转轴4转动，足部结构件5利用踝关节转轴7与小腿结构件8转动连接，踝关节电机6与足部结构件5传动相连，踝关节电机6能够带动足部结构件5绕踝关节转轴7转动，驱动轮3、从动轮9均可转动地设置于足部结构件5上，驱动轮3和从动轮9的转动轴线相平行，膝关节电机1、踝关节电机6和驱动轮3均具有锁止元件。

本发明的轮足复合行走机构，机器人在平地行走时，足部结构件5上具有驱动轮3和从动轮9，利用驱动轮3带动从动轮9转动，发挥类似轮式机器人的优势，实现机器人快速行走，膝关节电机1和踝关节电机6处于锁止失电状态，其它部件不参与运动，减少了能耗。在遇到障碍物需要跨越时，锁止元件能够锁定驱动轮3，足部结构件5和驱动轮3、从动轮9形成一个整体的“足部”，膝关节电机1带动膝关节转轴4转动，踝关节电机6带动踝关节转轴7转动，配合髋关节转轴12，使得机器人实现类似于双足机器人的行走动作，本发明的轮足复合行走机构，兼具轮式机器人和常规双足机器人的优势，极大地提高了机器人的环境适应能力。

其中，膝关节电机1可转动地与膝关节电机固定板2的一端相连，膝关节电机固定板2的另一端连接有膝关节连杆11，膝关节连杆11的一端利用髋关节转轴12与膝关节电机固定板2转动相连，膝关节连杆11的另一端与小腿结构件8转动相连，膝关节电机1靠近小腿结构件8的一端与小腿结构件8转动相连。膝关节电机1和膝关节转轴4并不重合，膝关节电机1、膝关节电机固定板2和小腿结构件8以及膝关节连杆11形成四连杆机构，共同负责膝关节的角度位置。

同样地，踝关节电机6与足部结构件5之间设置踝关节连杆10，踝关节连杆10的一端与足部结构件5转动连接，踝关节连杆10、足部结构件5的连接点与踝关节转轴7之间具有间隙，踝关节连杆10的另一端与踝关节电机6转动相连。踝关节电机6和踝关节转轴7不重合，踝关节电机6、踝关节连杆10、小腿结构件8以及足部结构件5构成四连杆机构，共同决定踝关节的角度位置。膝关节和踝关节均采用连杆机构控制，提高关节转动精确度。

具体地，膝关节电机1位于膝关节转轴4的顶部，踝关节电机6位于踝关节转轴7的顶部，本发明的复合行走机构，将膝关节电机1安装于靠近髋关节转轴12的位置，尽可能地将重量集中到机构的上部，这样有利于机器人运动时的快速响应。同样地，将踝关节电机6安装于靠近膝关节转轴4的位置，减小了膝关节以下的转动惯量，进一步提高了机器人的快速响应能力。

更具体地，足部结构件5包括相连的连接段和倾斜段，连接段与踝关节转轴7相连，两个倾斜段分别设置于连接段的两端，驱动轮3和从动轮9分别设置于两个连接段且一一对应，倾斜段远离连接段的一端向上倾斜，提高了足部结构件5与驱动轮3、从动轮9的连接稳固性。

在本具体实施方式中，驱动轮3的直径较从动轮9的直径大，驱动轮3的通过性能好，从动轮9容易控制。

为了减轻机构质量，减小能耗，小腿结构件8、膝关节连杆11和踝关节连杆10均设置减重孔，在保证结构强度的前提下，减轻质量，降低能耗，节约生产制造成本。

本发明的轮足复合行走机构，在足部结构件5上安装有驱动轮3和从动轮9，这样在平地上行走的时候腿部所有的电机通过锁止元件让关节处于锁死状态。这时只要单独控制驱动轮3就可以控制机器人的行走，可以发挥轮式机器人的优势，提高行走速度，而且也不用其它的关节参与运动，电机完全可以处于失电状态，这样节省了能源，延长了工作时间。当遇到障碍物需要跨越时，足部结构件5上的驱动轮3和从动轮9锁定，腿部的电机协调动作，发挥出常规双足机器人环境适应性好的优势。

本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (5)

1.一种轮足复合行走机构，其特征在于：包括髋关节转轴、膝关节电机固定板、膝关节电机、膝关节转轴、踝关节电机、小腿结构件、踝关节转轴、足部结构件、驱动轮、从动轮，所述膝关节电机固定板利用所述髋关节转轴与机器人其它部位相连，所述小腿结构件利用所述膝关节转轴与所述膝关节电机固定板转动连接，所述膝关节电机与所述小腿结构件传动相连，所述膝关节电机能够带动所述小腿结构件绕所述膝关节转轴转动，所述足部结构件利用所述踝关节转轴与所述小腿结构件转动连接，所述踝关节电机与所述足部结构件传动相连，所述踝关节电机能够带动所述足部结构件绕所述踝关节转轴转动，所述驱动轮、所述从动轮均可转动地设置于所述足部结构件上，所述驱动轮和所述从动轮的转动轴线相平行，所述膝关节电机、所述踝关节电机和所述驱动轮均具有锁止元件；

所述膝关节电机可转动地与所述膝关节电机固定板的一端相连，所述膝关节电机固定板的另一端连接有膝关节连杆，所述膝关节连杆的一端利用所述髋关节转轴与所述膝关节电机固定板转动相连，所述膝关节连杆的另一端与所述小腿结构件转动相连，所述膝关节电机靠近所述小腿结构件的一端与所述小腿结构件转动相连；所述踝关节电机与所述足部结构件之间设置踝关节连杆，所述踝关节连杆的一端与所述足部结构件转动连接，所述踝关节连杆、所述足部结构件的连接点与所述踝关节转轴之间具有间隙，所述踝关节连杆的另一端与所述踝关节电机转动相连。

2.根据权利要求1所述的轮足复合行走机构，其特征在于：所述膝关节电机位于所述膝关节转轴的顶部，所述踝关节电机位于所述踝关节转轴的顶部。

3.根据权利要求1所述的轮足复合行走机构，其特征在于：所述足部结构件包括相连的连接段和倾斜段，所述连接段与所述踝关节转轴相连，两个所述倾斜段分别设置于所述连接段的两端，所述驱动轮和所述从动轮分别设置于两个所述连接段且一一对应。

4.根据权利要求3所述的轮足复合行走机构，其特征在于：所述驱动轮的直径较所述从动轮的直径大。

5.根据权利要求2所述的轮足复合行走机构，其特征在于：所述小腿结构件、所述膝关节连杆和所述踝关节连杆均设置减重孔。

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