申请/专利权人：清华大学

申请日：2019-01-30

公开（公告）日：2024-03-19

公开（公告）号：CN109606498B

主分类号：B62D57/028

分类号：B62D57/028;B62D57/032

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.03.19#授权;2019.05.07#实质审查的生效;2019.04.12#公开

摘要：本发明涉及一种具有轮足变换能力的机器人变形腿，包括大腿半环和小腿半环，大腿半环和小腿半环合拢时为圆环，可作为车轮，实现轮式移动；小腿半环与大腿半环呈现一定夹角时，可作为大、小腿，实现足式行走。两种构型可随时变换，既可兼具轮、足两种移动形式的优点，同时也不增加腿结构的重量和控制的复杂程度，本发明可用于两足、四足或六足机器人。

主权项：1.一种具有轮足变换能力的机器人变形腿，其特征在于：包括大腿半环1和小腿半环2，大腿半环1和小腿半环2合拢时为圆环，可作为车轮，实现轮式移动；小腿半环2与大腿半环1呈现一定夹角时，可作为大、小腿，实现足式行走；所述大腿半环1的中间设置有大腿横杆3，所述大腿横杆3通过连接件4与髋关节驱动轴5固定连接，所述髋关节驱动轴5带动大腿半环1旋转，所述小腿半环2的一端通过膝关节转轴6与大腿半环1的一端铰接，所述膝关节转轴6与膝关节驱动轴7连接，所述膝关节驱动轴7带动所述膝关节转轴6旋转，进而带动所述小腿半环2旋转；所述机器人变形腿还包括膝关节驱动电机12和髋关节驱动电机13，所述膝关节驱动电机12的输出轴与所述膝关节驱动轴7相连，所述髋关节驱动电机13的输出轴与所述髋关节驱动轴5相连，所述膝关节驱动轴7和所述髋关节驱动轴5同轴线设置；所述髋关节驱动轴5为空心圆筒型，所述膝关节驱动轴7设置在所述髋关节驱动轴5的内部，一端伸出髋关节驱动轴5，通过带轮驱动皮带10，所述膝关节驱动轴7和所述髋关节驱动轴5之间设置有轴承；所述连接件4中间开槽，所述带轮容纳于所述连接件4中；所述膝关节驱动轴7与所述膝关节转轴6通过皮带10连接，所述皮带10与所述膝关节驱动轴7之间设有带轮、所述皮带10与所述膝关节转轴6之间也设有带轮。

全文数据：一种具有轮足变换能力的机器人变形腿技术领域本发明涉及机器人领域，特别涉及一种具有轮足变换能力的机器人变形腿。背景技术轮式移动方式具有能耗比较低、移动速度快等优点，而足式移动方式由于采用了大、小腿结构，具有越障能力强等优势，因此有不少样机将二者结合在一起，希望能兼顾二者的优点。如图1所示，CN109018058A文献1公开了一种轮足一体式机器人腿结构，这种腿结构包括机器人的横摆机构，大腿、小腿和足端；整条腿有三组使用伺服阀控制的结构相同的液压缸，可以实现腿部的横摆、大腿和小腿的前进和后退，机器人足端为轮式结构，轮子的方向可以任意调整，足端有单独的动力源，采用步进驱动一体机，把驱动与控制集成在一起；当在平坦的路段行进时，可以单独使用足端电机驱动轮转动，使运动更加快速，节省能源；当在坎坷不平的路段运动时，可以使用液压装置来驱动，帮助机器人实现越障。如图2所示，韩国现代汽车公司的极限机动车Elevate的测试版样机，同样采用了把轮子布置在小腿的末端，该方式是目前绝大多数轮足式机器人所采用的方案。如图3所示，CN208007139U文献2公开了一种多适应性轮足切换移动平台，车轮布置在膝关节处，当膝关节与竖直轴夹角较小时，机器人采用足式行走方式，当膝关节与竖直轴夹角较大时，小腿抬起，车轮与地面接触，机器人采用轮式移动方式。把车轮布置在足端是最常见也是最简单的轮足式腿结构，但缺点是：1车轮需要独立的驱动器，会导致腿结构质量增大，且机器人整体的驱动器数量有所增加，控制也会更加复杂；2机器人的足端是车轮，会导致机器人无法通过足端添加简单的机械手来实现机器人的操作能力；3车轮抱闸异常时，会导致行走中的机器人打滑或者摔倒。把车轮布置在膝关节也存在一些不足：1导致腿结构质量增大，机器人在采用足式移动方式时会加大能耗；2在机器人采用轮式移动方式时，小腿需保持一定的位姿，需要额外的位姿保持机构，导致腿结构较复杂，可靠性也会降低。发明内容本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种具有轮足变换能力的机器人变形腿，没有轮子，腿和轮子一体化，不增加腿的重量和复杂程度。本发明的技术方案是：一种具有轮足变换能力的机器人变形腿，包括大腿半环和小腿半环，大腿半环和小腿半环合拢时为圆环，可作为车轮，实现轮式移动；小腿半环与大腿半环呈现一定夹角时，可作为大、小腿，实现足式行走。进一步地，所述大腿半环的中间设置有大腿横杆，所述大腿横杆通过连接件与髋关节驱动轴固定连接，所述髋关节驱动轴带动大腿半环旋转，所述小腿半环的一端通过膝关节转轴与大腿半环的一端铰接，所述膝关节转轴与膝关节驱动轴连接，所述膝关节驱动轴带动所述膝关节转轴旋转，进而带动所述小腿半环旋转。进一步地，所述小腿半环的自由端设有凸起部，所述大腿半环的自由端设有凹陷部，当大腿半环和小腿半环合拢时，所述凸起部插入所述凹陷部内，形成圆环。进一步地，所述膝关节驱动轴与所述膝关节转轴通过皮带连接，所述皮带与所述膝关节驱动轴之间设有带轮、所述皮带与所述膝关节转轴之间也设有带轮。进一步地，还包括膝关节驱动电机和髋关节驱动电机，所述膝关节驱动电机的输出轴与所述膝关节驱动轴相连，所述髋关节驱动电机的输出轴与所述髋关节驱动轴相连，所述膝关节驱动轴和所述髋关节驱动轴同轴线设置。进一步地、所述髋关节驱动电机的输出轴通过蜗轮蜗杆机构与所述髋关节驱动轴相连，髋关节驱动电机所驱动的涡轮为中空型，涡轮与膝关节驱动电机同轴线设置；还可以是：髋关节驱动电机为中空型，与膝关节驱动电机同轴线设置。进一步地，所述髋关节驱动轴为空心圆筒型，所述膝关节驱动轴设置在所述髋关节驱动轴的内部，一端伸出髋关节驱动轴，通过带轮驱动皮带，所述膝关节驱动轴和所述髋关节驱动轴之间设置有轴承。进一步地，所述膝关节驱动轴和所述膝关节转轴之间连接有加强杆，膝关节驱动轴伸出髋关节驱动轴的一端活动连接至大腿横杆，加强杆与膝关节驱动轴、膝关节转轴以及大腿横杆形成封闭框。本发明具有以下有益效果：将大腿和小腿均设计为半环，合拢时为车轮，打开时为大、小腿，不使用轮子，变换自如，也不增加腿结构的重量和控制的复杂程度，这一特点可使本发明用于两足、四足或六足机器人。当膝关节驱动轴设置在所述髋关节驱动轴的内部时，髋关节和膝关节驱动轴同轴，结构整体体积较小。附图说明图1是现有技术的轮足式机器人示意图一。图2是现有技术的轮足式机器人示意图二。图3是现有技术的轮足式机器人示意图二。图4是本发明的变形腿足式行走结构状态示意图。图5是本发明的变形腿轮式行走结构状态示意图。图6是本发明的驱动系统示意图。图7是四足机器人轮式行走示意图。图8是四足机器人足式行走示意图。具体实施方式下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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。在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“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”、“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。在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“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。参见附图1-8，一种具有轮足变换能力的机器人变形腿，包括大腿半环1和小腿半环2，大腿半环1和小腿半环2合拢时为圆环，可作为车轮，实现轮式移动；小腿半环2与大腿半环1呈现一定夹角时，可作为大、小腿，实现足式行走。大腿半环1的中间设置有大腿横杆3，大腿横杆3通过连接件4与髋关节驱动轴5固定连接，髋关节驱动轴5带动大腿半环1旋转，小腿半环2的一端通过膝关节转轴6与大腿半环1的一端铰接，膝关节转轴6与膝关节驱动轴7连接，膝关节驱动轴7带动膝关节转轴6旋转，进而带动小腿半环2旋转。小腿半环2的自由端设有凸起部8，大腿半环1的自由端设有凹陷部9，当大腿半环1和小腿半环2合拢时，凸起部8插入凹陷部9内，形成圆环。膝关节驱动轴7与膝关节转轴6通过皮带10连接，皮带10与膝关节驱动轴7之间设置有带轮、皮带10与膝关节转轴6之间也设置有带轮11。还包括膝关节驱动电机12和髋关节驱动电机13，膝关节驱动电机12的输出轴与膝关节驱动轴7相连，髋关节驱动电机13的输出轴通过蜗轮蜗杆机构16与髋关节驱动轴5相连，膝关节驱动轴7和髋关节驱动轴5同轴线设置，髋关节驱动电机13安装在蜗轮蜗杆机构16上，蜗轮蜗杆机构16与膝关节驱动电机12安装在固定装置14上，变形腿通过固定装置14固定到其他零部件上，该固定装置14也可以与其他零部件一体形成。大腿半环1在髋关节驱动电机13的驱动下能够旋转，小腿半环2在膝关节驱动电机12的驱动下能够摆动。髋关节驱动电机13可以为普通电机，如图4所示，通过涡轮蜗杆机构16驱动髋关节驱动轴5转动，髋关节驱动电机13所驱动的涡轮为中空型，涡轮与膝关节驱动电机12同轴线设置；髋关节驱动电机13还可以选择中空型电机，与膝关节驱动电机12同轴线设置，以进一步减小整体结构的体积。为了进一步减小整体结构的体积，髋关节驱动轴5为空心圆筒型，膝关节驱动轴7设置在髋关节驱动轴5的内部，一端伸出髋关节驱动轴5，通过带轮驱动皮带10，膝关节驱动轴7和髋关节驱动轴5之间设置有轴承，轴承优选为两个。为了进一步加强膝关节驱动轴7和膝关节转轴6的刚度，膝关节驱动轴7和膝关节转轴6之间活动连接有加强杆15，膝关节驱动轴7伸出髋关节驱动轴5的一端活动连接至大腿横杆3，加强杆15与膝关节驱动轴7、膝关节转轴6以及大腿横杆3形成封闭框，增强了膝关节驱动轴7和膝关节转轴6的连接刚度。如图4所示，连接件4可中间开槽，以容纳带轮，且使得皮带10和加强杆15穿过。上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

权利要求：1.一种具有轮足变换能力的机器人变形腿，其特征在于：包括大腿半环1和小腿半环2，大腿半环1和小腿半环2合拢时为圆环，可作为车轮，实现轮式移动；小腿半环2与大腿半环1呈现一定夹角时，可作为大、小腿，实现足式行走。2.根据权利要求1所述的一种具有轮足变换能力的机器人变形腿，其特征在于：所述大腿半环1的中间设置有大腿横杆3，所述大腿横杆3通过连接件4与髋关节驱动轴5固定连接，所述髋关节驱动轴5带动大腿半环1旋转，所述小腿半环2的一端通过膝关节转轴6与大腿半环1的一端铰接，所述膝关节转轴6与膝关节驱动轴7连接，所述膝关节驱动轴7带动所述膝关节转轴6旋转，进而带动所述小腿半环2旋转。3.根据权利要求1或2所述的一种具有轮足变换能力的机器人变形腿，其特征在于：所述小腿半环2的自由端设有凸起部8，所述大腿半环1的自由端设有凹陷部9，当大腿半环和小腿半环合拢时，所述凸起部8插入所述凹陷部9内，形成圆环。4.根据权利要求2所述的一种具有轮足变换能力的机器人变形腿，其特征在于：所述膝关节驱动轴7与所述膝关节转轴6通过皮带10连接，所述皮带10与所述膝关节驱动轴7之间设有带轮、所述皮带10与所述膝关节转轴6之间也设有带轮。5.根据权利要求2所述的一种具有轮足变换能力的机器人变形腿，其特征在于：还包括膝关节驱动电机12和髋关节驱动电机13，所述膝关节驱动电机12的输出轴与所述膝关节驱动轴7相连，所述髋关节驱动电机13的输出轴与所述髋关节驱动轴5相连，所述膝关节驱动轴7和所述髋关节驱动轴5同轴线设置。6.根据权利要求5所述的一种具有轮足变换能力的机器人变形腿，其特征在于：所述髋关节驱动电机13的输出轴通过蜗轮蜗杆机构16与所述髋关节驱动轴5相连，髋关节驱动电机13所驱动的涡轮为中空型，涡轮与膝关节驱动电机12同轴线设置。7.根据权利要求5所述的一种具有轮足变换能力的机器人变形腿，其特征在于：髋关节驱动电机13为中空型，与膝关节驱动电机12同轴线设置。8.根据权利要求5或6或7所述的一种具有轮足变换能力的机器人变形腿，其特征在于：所述髋关节驱动轴5为空心圆筒型，所述膝关节驱动轴7设置在所述髋关节驱动轴5的内部，一端伸出髋关节驱动轴5，通过带轮驱动皮带10，所述膝关节驱动轴7和所述髋关节驱动轴5之间设置有轴承。9.根据权利要求8所述的一种具有轮足变换能力的机器人变形腿，其特征在于：膝关节驱动轴7和膝关节转轴6之间活动连接有加强杆15，膝关节驱动轴7伸出髋关节驱动轴5的一端活动连接至大腿横杆3，加强杆15与膝关节驱动轴7、膝关节转轴6以及大腿横杆3形成封闭框。10.一种机器人，其特征在于，包含权利要求1-9之一所述的机器人变形腿。

百度查询： 清华大学 一种具有轮足变换能力的机器人变形腿

免责声明
1、本报告根据公开、合法渠道获得相关数据和信息，力求客观、公正，但并不保证数据的最终完整性和准确性。
2、报告中的分析和结论仅反映本公司于发布本报告当日的职业理解，仅供参考使用，不能作为本公司承担任何法律责任的依据或者凭证。

阅读全文 双屏查看 官方信息 专利公告 收藏专利 下载PDF 下载WORD