CN101850797B - 可实现手脚功能转换的模块化多足步行机器人 - Google Patents

Abstract

一种可实现手脚功能转换的模块化多足步行机器人，包括机架、分布在机架左右两侧的第一足单元、第二足单元、第三足单元、第四足单元，以及控制器构成，该第一足单元、第二足单元、第三足单元和第四足单元均由髋单元、大腿单元和小腿单元构成。在可实现手脚功能转换的模块化多足步行机器人中采用模块化结构组合而成，有很强的扩展能力，可以极大的降低设计、加工的难度；该机器人的可组合式关节中采用具有两头输出轴的末端传动装置，该末端传动装置只需要和一个齿轮连接就可以实现两个连接盘的驱动，实现转向的功能，从而可以减少连接零件，在中间传动装置可以采用一对一啮合的齿轮副，降低齿轮的安装位置精度，从而降低加工和装配的难度。

Description

可实现手脚功能转换的模块化多足步行机器人

技术领域

本发明涉及机器人，具体是一种可实现手脚功能转换的模块化多足步行机器人。

背景技术

随着人类社会对各类需求，如能源的急剧膨胀，使人类不断地将活动领域向对未知或危险环境扩展。人类早期在危险或未知环境中进行探测活动都曾付出过生命的代价。如何实现在危险或未知环境中安全、高效地工作已经成为解决这一矛盾的关键，而具有仿生特征的移动机器人因为能够代替人在一些非结构性环境中作业而成为了学者们研究和关注的热点。与轮式、履带式移动机器人相比,在崎岖不平的路面,步行机器人具有较好的地面适应性、灵活性、运动系统能耗小的优越性能,在这种背景下,多足步行机器人的研究蓬勃发展起来。而仿生步行机器人的出现更加显示出步行机器人的优势。相对于轮式、履带式机器人而言，多足步行机器人在非结构化、存在不确定性的环境内移动虽具有较大的优势，但目前的多足步行机器人研究中，多足步行机器人通常很难实现复杂的操作功能，现有的移动机器人通常是作为一种单纯的移动平台。中国发明专利（申请号200610125216.6、申请日2006年12月1日、授权公告号CN 100441468C、授权公告日2008年12月10日）说明书公开了一种可分解重构的多足步行机器人，该多足步行机器人的每个脚由相同的关节单元串联构成，简化了机器人的设计，使机器人便于重构。但是，在该机器人的关节中，电机的运动通过减速器输出到一个直齿轮，再通过两个与该直齿轮啮合的直齿轮输出到两个转向减速器，进而驱动连接盘。该技术方案中，需要两个转向减速器，而且是通过两个直齿轮与同一个直齿轮相啮合来传递运动，这种结构在装配时需要安装的零部件多，而且两个直齿轮与一个直齿轮相啮合，对零件的，否则会发生相互干涉，从而增加了加工和装配的难度。而且，该技术方案的足单元没有设置夹持功能部件，只能作为机器人的脚使用，而对于需要抓取物体功能的机器人则不能满足要求。

随着对多足步行机器人和机械手研究的日益深入和发展, 具有手脚转换功能的多足步行机器人相比于作为一种单纯的移动平台的移动机器人在稳定性、机动性和对地面的适应能力以及对物体的灵巧操作等方面的性能都将不断提高,自主化和智能化也将逐步的实现,从而使其能够在更多特殊环境和场合中使用,因而具有广阔的应用前景。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可实现手脚功能转换的模块化多足步行机器人，所述的这种可实现手脚功能转换的模块化多足步行机器人要解决现有技术中可组合式机器人关节的两个连接盘各自与一个转向减速器连接从而需要两个齿轮与另一齿轮相啮合，对零件加工精度要求高、增加了加工和装配的难度，以及现有机器人大多不具有手脚转换功能的技术问题。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：包括机架、分布在机架左右两侧的第一足单元、第二足单元、第三足单元、第四足单元，以及控制器构成，该第一足单元、第二足单元、第三足单元和第四足单元均由髋单元、大腿单元和小腿单元构成，髋单元与机架相连接，髋单元、大腿单元和小腿单元依次串联组合，每个足单元的髋单元和大腿单元的关节结构相同，该关节包括壳体和设于壳体内的电机、传动装置、检测装置，以及设于壳体后端的两个连接支架和设于壳体前端两侧的连接盘，其中，机架由纵梁和横梁相连接构成，第一足单元、第二足单元、第三足单元和第四足单元的髋单元与机架相连接处均设有足单元驱动电机，该足单元驱动电机固定于机架上，足单元驱动电机与足单元减速器连接，足单元减速器与髋单元相连接，所述传动装置包括中间传动装置和末端传动装置，中间传动装置与电机输出轴相连接，中间传动装置与末端传动装置相连接，该末端传动装置具有两头输出轴，末端传动装置是蜗轮蜗杆减速器，蜗轮轴从蜗轮两侧延伸构成两个输出轴，该两头输出轴分别与一个连接盘相连接，连接盘和连接支架上均设有连接孔，大腿单元的连接支架和髋单元的连接接盘相连接，髋单元通过其壳体上的连接支架与足单元减速器的输出轴相连接，小腿单元包括回转结构、中间杆体和夹钳结构，夹钳结构包括夹钳驱动电机、第二减速器、第二联轴器、蜗杆、与蜗杆啮合的两个蜗轮块、与蜗轮块相连接的夹板，夹钳驱动电机、第二减速器和第二联轴器依次相连，第二联轴器的输出轴与蜗杆相连接，两个蜗轮块对称设于蜗杆两侧，两个蜗轮块通过转轴设于端部壳体上，所述两个夹板中部的掌部内侧设有压力传感器。

所述的中间传动装置包括行星齿轮减速器和两个相啮合的直齿轮，行星齿轮减速器的输入轴与电机的输出轴相连接，行星齿轮减速器的输出轴与第一直齿轮相连接，第二直齿轮与蜗杆轴相连接，该两个输出轴上分别设有第一连接盘和第二连接盘。

所述第一连接盘和第二连接盘中部设置有孔，第一连接盘和第二连接盘通过螺母设于输出轴端部，第一连接盘和第二连接盘上沿圆周方向设有至少两个连接孔，连接支架末端呈圆环形盘体，该圆环形盘体中央孔的直径大于连接盘连接螺母外接圆的直径，该圆环上沿其圆周方向设有至少两个连接孔，连接支架末端的连接孔的位置与第一连接盘和第二连接盘上连接孔的位置对应一致。

所述检测装置包括设于电机后端的光电编码器和设于一个连接盘上的电位器，该光电编码器与电机同轴相连。

中间杆体将回转结构和夹钳结构相连接，回转结构由连接体、回转驱动电机、减速器、第一联轴器和相啮合的小锥齿轮、大锥齿轮构成，连接体一端设有两个连接板与大腿单元的连接盘相连接，回转驱动电机与减速器相连接，减速器的输出轴通过第一联轴器与小锥齿轮的轴相连接，大锥齿轮轴与小锥齿轮的轴相垂直，中间杆体与大锥齿轮轴另一端固定连接，该端部壳体与中间杆体固定连接。

中间杆体呈圆筒状，在该圆筒状中间杆体上开设有沿其轴向的槽。

所述两个夹板前端设有由橡胶块构成的足尖。

在机架两侧还分别设有第五足单元和第六足单元，在机架上还设有足单元驱动电机和足单元减速器与第五足单元和第六足单元相连接。

本发明和已有技术相比，其效果是积极和明显的。在可实现手脚功能转换的模块化多足步行机器人中采用模块化结构组合而成，机器人足单元中的髋单元和大腿单元采用可组合的关节构成，髋单元与机架连接处设置足单元驱动电机和足单元减速器，实现髋单元与机架的相对转动，采用这种构造的机器人，有很强的扩展能力，可以极大的降低设计、加工的难度；该机器人的可组合式关节中采用具有两头输出轴的末端传动装置，该末端传动装置只需要和一个齿轮连接就可以实现两个连接盘的驱动，实现转向的功能，从而可以减少连接零件，在中间传动装置可以采用一对一啮合的齿轮副，降低齿轮的安装位置精度，从而降低加工和装配的难度。中间传动装置由行星齿轮减速器和一对直齿轮组成，行星齿轮减速器的减速比大，可以将电机的高转速变为较低的转速输出，而采用一对直齿轮与蜗轮蜗杆减速器连接，末端传动装置采用蜗轮蜗杆减速器，可以将输入轴的转动转换到垂直方向的输出转动，将电机的转动输出到与电机主轴方向垂直的转动，实现关节的转动。在连接支架上设环形圆盘，便于和另一个关节的连接盘相连接，可以灵活组成多关节的机器人。小腿单元可以采用与髋单元和大腿单元不一样的结构，此时该小腿单元前端设有夹板，以夹持物体，这样的小腿单元、大腿单元和髋单元构成的机器人肢体既可以作为脚，又可以作为手，极大的拓展现有机器人的功能，能很好的适应工作环境和任务需要的变化。在该手脚共用的小腿单元的夹板内侧设有传感器，可以对夹持物体的状态进行检测，以便于控制器控制夹钳对物体的抓取动作。在夹板前端设有橡胶块构成的足尖，可以对机器人的运动起到缓冲作用，同时在行走时也可以增大摩擦力，不打滑。当然，小腿单元的关节结构也可采用刚性支撑结构，此时的足单元单纯作为机器人的脚，但这种结构不能实现对体的抓取。四足步行机器人是最简单的步行机器人，在此基础上可以增加脚的数量，比如增加两个脚组成六足机器人，在该六足机器人中可以灵活设置具有手脚两种功能的足单元的位置和数量，提升机器人的功能，能够处理复杂的任务。

附图说明

图1是本发明第一实施例的主视图。

图2是本发明第一实施例的俯视图。

图3是本发明第一实施例中足元驱动电机与足单元的连接示意图。

图4是本发明中手脚复用足单元的主视图。

图5是图4的俯视图。

图6是图4中小腿单元的结构示意图。

图7是足单元的结构示意图。

图8是本实施例中髋单元和大腿单元关节的主视图。

图9是图8的俯视图。

图10是本发明第二实施例的主视图。

图11是本发明第二实施例的俯视图。

具体实施方式

实施例1

下面结合附图通过实施例对本发明作进一步详细说明。

如图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7、图8和图9所示，在本实施例中，可实现手脚功能转换的模块化多足步行机器人包括机架、分布在机架左右两侧的第一足单元101、第二足单元102、第三足单元103、第四足单元104，以及控制器（图中未画出）构成，该四个足单元至少有一个是图4所示的手脚复用型足单元，本实施例中第四足单元104为手脚复用型足单元，以便于机器人抓取物体。该第一足单元101、第二足单元102、第三足单元103和第四足单元104均由髋单元2、大腿单元3和小腿单元4构成，髋单元2上的连接支架转动90度角构成与机架相连的连接支架1，髋单元2、大腿单元3和小腿单元4依次串联组合，每个足单元的髋单元和大腿单元的关节结构相同，该关节包括壳体5和设于壳体5内的电机12、传动装置、检测装置，以及设于壳体5后端的两个连接支架14和设于壳体前端两侧的连接盘19、22，机架由两根纵梁107和两根横梁108相连接构成一个四方形框结构，第一足单元101、第二足单元102、第三足单元103和第四足单元104的髋单元与机架相连接处均设有足单元驱动电机109，该足单元驱动电机固定于机架上，足单元驱动电机109与足单元减速器110连接，足单元减速器110通过蜗轮蜗杆减速器111与髋单元2的连接支架1相连接，蜗轮蜗杆减速器111用于改变足单元驱动电机回转运动的方向，该蜗轮蜗杆减速器111中的蜗轮的转动方向与足单元驱动电机109的转动方向相同，其蜗轮的转动方向与蜗杆的转动方向相垂直，这样可以使足单元整体在垂直于机架平面的方向转动，所述传动装置包括中间传动装置和末端传动装置，所述的中间传动装置包括行星齿轮减速器11和两个相啮合的直齿轮9、8，行星齿轮减速器11设置于减速器支架10上，末端传动装置是蜗轮蜗杆减速器，该蜗轮蜗杆减速器包括外壳6、蜗杆7、蜗轮17和蜗轮轴16，行星齿轮减速器11的输入轴与电机12的输出轴相连接，行星齿轮减速器11的输出轴与第一直齿轮9相连接，第二直齿轮8与蜗杆7轴相连接，蜗轮轴16从蜗轮17两侧延伸构成两头输出轴，蜗轮轴16两端通过轴承18设于壳体5上，该两头输出轴上分别设有第一连接盘19和第二连接盘22。所述检测装置包括设于电机12后端的光电编码器13和设于第二连接盘22上的电位器20，该光电编码器13与电机12同轴相连，用于检测电机的速度和加速度信号，电位器20用于检测连接盘的绝对转角位置信号。所述第一连接盘19和第二连接盘22中部设置有孔，第一连接盘19和第二连接盘22通过螺母21设于输出轴（也就是蜗轮轴16）端部，第一连接盘19和第二连接盘22上沿圆周方向均匀设有六个连接孔，连接支架14末端呈圆环形盘体，该圆环形盘体中央孔的直径大于连接盘连接螺母21外接圆的直径，该圆环上沿其圆周方向均匀分布设有六个连接孔15，该六个连接孔15的位置（连接孔15所处的半径和同水平方向的夹角）与连接盘19、22上连接孔的位置对应一致，通过连接孔15，可以将连接支架14与另一个关节的连接盘相连接。本实施例中大腿单元关节的连接支架与髋单元关节的连接盘相连接，髋单元关节的连接支架与机器人与足单元减速器的输出轴相连接。

如图6所示，手脚复用足单元中的小腿单元4包括回转结构、中间杆体28和夹钳结构，中间杆体将回转结构和夹钳结构相连接，回转结构由连接体32、回转驱动电机42、减速器41、第一联轴器40和相啮合的小锥齿轮38、大锥齿轮44构成，减速器41通过减速器支架43设于连接体32内，大锥齿轮38通过螺钉39固定于轴31的端部，小锥齿轮的轴36通过轴承33设于轴承座37内，轴承座37与连接体32固定连接，轴36的端部设有轴封35和端盖34，大锥齿轮的轴31与小锥齿轮的轴36相垂直，轴31通过轴承46和轴承座45设于连接体32内，连接体32一端设有两个连接板51与大腿单元的连接盘相连接，回转驱动电机42与减速器41相连接，减速器41的输出轴通过第一联轴器40与小锥齿轮38的轴相连接，中间杆体28与大锥齿轮轴另一端固定连接，夹钳结构包括夹钳驱动电机30、第二减速器29、第二联轴器47、蜗杆26、与蜗杆啮合的两个蜗轮块25、与蜗轮块相连接的夹板24，蜗杆26通过轴承50和轴承座48支撑于中间杆体28端部，夹钳驱动电机30、第二减速器29和第二联轴器47都设于中间杆体28内、并依次相连，第二联轴器47的输出轴与蜗杆26相连接，两个蜗轮块25对称设于蜗杆26两侧，两个蜗轮块25通过转轴49设于端部壳体52上，该端部壳体与中间杆体28固定连接。中间杆体28呈圆筒状，在该圆筒状中间杆体上开设有沿其轴向的槽，以便于夹钳驱动电机30和第二减速器29散热。两个夹板24中部的掌部内侧设有压力传感器27，当两个夹板24用作手对物体抓取时，压力传感器27对夹持物体的加紧程度进行反馈，将此信号反馈给机器人控制器。两个夹板24前端设有由橡胶块构成的足尖23。由于该小腿单元通过连接板与大腿单元的连接盘相连接，因此大腿单元的驱动电机可以使小腿单元关节运动；而小腿单元的回转驱动电机可以使中间杆体和夹钳结构转动，实现类似于人的小臂转动运动，再通过夹钳驱动电机的转动，驱动蜗杆和两个蜗轮块，实现夹板的开合运动，对物体实现抓取。当然，也可以仅仅让两个夹板闭合，此时该小腿单元便作为脚来使用。因此具有该小腿单元的足单元可作为手脚复用型足单元。

该手脚复用型足单元，既可以支撑在地面实现行走，又可以通过抬起，实现对物体的抓取，极大的拓展现有机器人的功能，能很好的适应工作环境和任务需要的变化。同时各个关节采用可组合式关节，这种关节结构简单、便于标准化，可以极大的降低设计、加工的难度，这种组合式的结构有很强的扩展能力。

而本实施中第一足单元101、第二足单元102和第三足单元103为单纯的脚用途足单元，如图7所示，其小腿单元为刚性支撑结构，该小腿单元包括连接架400、杆体401和足尖402，小腿单元的连接架400与大腿单元的连接盘相连接，连接架前端设有刚性杆体401，该杆体前端设有足尖402，足尖外侧设有橡胶层。

实施例2

如图10和图11所示，该实施例为六足机器人，是在前述实施例基础上将纵梁107加长，增加一根横梁108、第五足单元105和第六足单元106构成的，当然第五足单元105和第六足单元106与机架相连处也需要设置足单元驱动电机、足单元减速器和相应的涡轮蜗杆传动装置。在该六足机器人中，至少有两个足单元是手脚复用型足单元，本实施中将第五足单元和第六足单元设为手脚复用型足单元，它们的小腿单元便采用如图6所示的结构。此时，另外四个足单元可以采用图7所示的足单元。

当然，除了上述技术方案，检测装置中与电机相连接的也可以是旋转变压器，电位器也可以采用绝对编码器。连接盘和连接支架上连接孔的数量也可以是三个、四个，或者别的数量，只要连接支架上连接孔的位置与连接盘上连接孔的位置对应，可以组装即可。行星齿轮减速器也可以采用其它输入输出同向的减速器，比如直齿轮减速器；一对相啮合的直齿轮也可采用一对斜齿轮代替；末端传动装置也可以采用别的输入输出轴垂直的减速器，比如锥齿轮副构成的减速器，或螺旋齿轮副构成的减速器。在四足机器人中也可以采用2个、3个或4个如图5所示的手脚复用型足单元，相应地六足机器人中也可以采用2个以上的手脚复用型足单元。构成机架的横梁的数量可以根据机器人足单元的数量来调整，以便于安装足单元，并提高机架的整体强度。

Claims (7)

1.一种可实现手脚功能转换的模块化多足步行机器人，包括机架、分布在机架左右两侧的第一足单元、第二足单元、第三足单元、第四足单元，以及控制器构成，该第一足单元、第二足单元、第三足单元和第四足单元均由髋单元、大腿单元和小腿单元构成，髋单元与机架相连接，髋单元、大腿单元和小腿单元依次串联组合，每个足单元的髋单元和大腿单元的关节结构相同，该关节包括壳体和设于壳体内的电机、传动装置、检测装置，以及设于壳体后端的两个连接支架和设于壳体前端两侧的连接盘，其特征在于：机架由纵梁和横梁相连接构成，第一足单元、第二足单元、第三足单元和第四足单元的髋单元与机架相连接处均设有足单元驱动电机，该足单元驱动电机固定于机架上，足单元驱动电机与足单元减速器连接，足单元减速器与髋单元相连接，所述传动装置包括中间传动装置和末端传动装置，中间传动装置与电机输出轴相连接，中间传动装置与末端传动装置相连接，该末端传动装置具有两头输出轴，末端传动装置是蜗轮蜗杆减速器，蜗轮轴从蜗轮两侧延伸构成两个输出轴，该两头输出轴分别与一个连接盘相连接，连接盘和连接支架上均设有连接孔，大腿单元的连接支架和髋单元的连接接盘相连接，髋单元通过其壳体上的连接支架与足单元减速器的输出轴相连接，小腿单元包括回转结构、中间杆体和夹钳结构，夹钳结构包括夹钳驱动电机、第二减速器、第二联轴器、蜗杆、与蜗杆啮合的两个蜗轮块、与蜗轮块相连接的夹板，夹钳驱动电机、第二减速器和第二联轴器依次相连，第二联轴器的输出轴与蜗杆相连接，两个蜗轮块对称设于蜗杆两侧，两个蜗轮块通过转轴设于端部壳体上，所述两个夹板中部的掌部内侧设有压力传感器。

2.如权利要求1所述的可实现手脚功能转换的模块化多足步行机器人，其特征在于：所述的中间传动装置包括行星齿轮减速器和两个相啮合的直齿轮，行星齿轮减速器的输入轴与电机的输出轴相连接，行星齿轮减速器的输出轴与第一直齿轮相连接，第二直齿轮与蜗杆轴相连接，该两个输出轴上分别设有第一连接盘和第二连接盘。

3.如权利要求2所述的可实现手脚功能转换的模块化多足步行机器人，其特征在于：所述第一连接盘和第二连接盘中部设置有孔，第一连接盘和第二连接盘通过螺母设于输出轴端部，第一连接盘和第二连接盘上沿圆周方向设有至少两个连接孔，连接支架末端呈圆环形盘体，该圆环形盘体中央孔的直径大于连接盘连接螺母外接圆的直径，该圆环上沿其圆周方向设有至少两个连接孔，连接支架末端的连接孔的位置与第一连接盘和第二连接盘上连接孔的位置对应一致。

4.如权利要求1所述的可实现手脚功能转换的模块化多足步行机器人，其特征在于：所述检测装置包括设于电机后端的光电编码器和设于一个连接盘上的电位器，该光电编码器与电机同轴相连。

5.如权利要求1或2或3或4所述的可实现手脚功能转换的模块化多足步行机器人，其特征在于：中间杆体将回转结构和夹钳结构相连接，回转结构由连接体、回转驱动电机、减速器、第一联轴器和相啮合的小锥齿轮、大锥齿轮构成，连接体一端设有两个连接板与大腿单元的连接盘相连接，回转驱动电机与减速器相连接，减速器的输出轴通过第一联轴器与小锥齿轮的轴相连接，大锥齿轮轴与小锥齿轮的轴相垂直，中间杆体与大锥齿轮轴另一端固定连接，该端部壳体与中间杆体固定连接。

6.如权利要求5所述的可实现手脚功能转换的模块化多足步行机器人，其特征在于：中间杆体呈圆筒状，在该圆筒状中间杆体上开设有沿其轴向的槽。

7.如权利要求5所述的可实现手脚功能转换的模块化多足步行机器人，其特征在于：所述两个夹板前端设有由橡胶块构成的足尖。

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