一種應(yīng)用于輪腿復(fù)合式機(jī)器人的輪腿機(jī)構(gòu)及控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及輪腿復(fù)合式機(jī)器人，尤其涉及輪腿復(fù)合式機(jī)器人的輪腿機(jī)構(gòu)。
【背景技術(shù)】
[0002]在發(fā)生火災(zāi)、礦難、核泄漏、恐怖襲擊等事件時，往往需要進(jìn)行搜救、反恐、排爆、偵察等危險任務(wù)。為了減少人員傷亡，常借助于移動機(jī)器人。由于地面環(huán)境復(fù)雜，有平坦的和不規(guī)則的地形，因此，需要在這兩種地形中均能高效運(yùn)動的移動機(jī)器人。輪式機(jī)器人可以在平坦的地面上實現(xiàn)快速穩(wěn)定的運(yùn)動，而腿式機(jī)器人可以適應(yīng)不規(guī)則的地形。為了集合輪式和腿式機(jī)器人的優(yōu)點(diǎn)，輪腿復(fù)合式機(jī)器人成為移動機(jī)器人研究領(lǐng)域的一大熱點(diǎn)?，F(xiàn)有的輪腿復(fù)合式機(jī)器人輪腿的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、質(zhì)量大，不利于機(jī)器人在腿模式下運(yùn)動的穩(wěn)定性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]發(fā)明目的:為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明提供一種應(yīng)用于輪腿復(fù)合式機(jī)器人的輪腿機(jī)構(gòu)及控制方法，用于克服現(xiàn)有輪腿復(fù)合式機(jī)器人輪腿的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、質(zhì)量大的不足。
[0004]技術(shù)方案:為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為:
[0005]—種應(yīng)用于輪腿復(fù)合式機(jī)器人的輪腿機(jī)構(gòu)，包括機(jī)體、大腿、小腿、動力機(jī)以及轉(zhuǎn)盤;所述動力機(jī)固定于機(jī)體上;所述大腿包括圓輪和大腿骨，所述大腿骨的頂端固定于圓輪的中心轉(zhuǎn)軸上，大腿骨的末端固定于圓輪的圓周上，動力機(jī)控制圓輪的中心轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)形成髖關(guān)節(jié);所述小腿的長度小于圓輪的直徑，小腿的頂端與大腿骨的末端鉸接形成膝關(guān)節(jié);所述動力機(jī)控制轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動，且轉(zhuǎn)盤上繞有繩索且繩索的自由端固定于小腿上。小腿的末端固定趾用于與地面接觸。
[0006]進(jìn)一步的，在本發(fā)明中，還包括扭簧，所述扭簧的旋向與圓輪的中心轉(zhuǎn)軸平行，且扭簧的一端固定于大腿骨的末端、另一端固定于小腿的頂端，使膝關(guān)節(jié)有一定的初始角度，并且有效的減緩了機(jī)器人在腿模式下運(yùn)動時撞擊地面引起的振動。
[0007]進(jìn)一步的，在本發(fā)明中，所述大腿上設(shè)置有過孔，所述繩索的自由端穿過過孔后與小腿固定從而帶動小腿繞膝關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動。小腿繞膝關(guān)節(jié)做抬升運(yùn)動是通過動力機(jī)驅(qū)動繩索回收克服扭簧彈力實現(xiàn)的，而小腿繞膝關(guān)節(jié)做下放運(yùn)動是通過動力機(jī)驅(qū)動繩索放出利用扭簧彈力實現(xiàn)的。
[0008]所述的應(yīng)用于輪腿復(fù)合式機(jī)器人的輪腿機(jī)構(gòu)的控制方法，該機(jī)構(gòu)包括腿模式和輪模式兩種運(yùn)動模式，按照如下方式進(jìn)行切換:當(dāng)輪腿機(jī)構(gòu)處于腿模式時，鎖定動力機(jī)，啟動動力機(jī)驅(qū)動轉(zhuǎn)盤收縮繩索，抬升小腿至小腿完全位于大腿的圓輪的圓周內(nèi)，實現(xiàn)從腿模式向輪模式切換；當(dāng)輪腿機(jī)構(gòu)處于輪模式時，鎖定動力機(jī)，控制動力機(jī)驅(qū)動轉(zhuǎn)盤放出繩索，放下小腿至自然狀態(tài)，實現(xiàn)從輪模式向腿模式切換;所述腿模式下，協(xié)調(diào)控制動力機(jī)完成大腿、小腿的協(xié)調(diào)運(yùn)動，實現(xiàn)輪腿機(jī)構(gòu)的腿式運(yùn)動;所述輪模式下，鎖定動力機(jī)，控制動力機(jī)驅(qū)動大腿轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)腿輪機(jī)構(gòu)的輪式運(yùn)動。
[0009]有益效果:
[0010]本發(fā)明的輪腿機(jī)構(gòu)，可以方便地實現(xiàn)輪腿模式的切換，進(jìn)而實現(xiàn)兩種模式下的相應(yīng)運(yùn)動。本發(fā)明的輪腿機(jī)構(gòu)，動力機(jī)均安裝在機(jī)體上，因此腿質(zhì)量輕，這有效的減小了機(jī)器人在腿模式下運(yùn)動時腿的轉(zhuǎn)動慣量對機(jī)器人穩(wěn)定性的影響。本發(fā)明的輪腿機(jī)構(gòu)，在腿的膝關(guān)節(jié)上加了一對扭簧，有效的減緩了機(jī)器人在腿模式下運(yùn)動時趾撞擊地面引起的振動。本發(fā)明的輪腿機(jī)構(gòu)，在不增加額外的輪結(jié)構(gòu)和動力機(jī)的情況下實現(xiàn)輪腿復(fù)合式機(jī)器人的輪式運(yùn)動，簡化了輪腿復(fù)合式機(jī)器人的結(jié)構(gòu)。
【附圖說明】
[0011]圖1是本發(fā)明的輪腿機(jī)構(gòu)的示意圖；
[0012]圖2是本發(fā)明的輪腿機(jī)構(gòu)在腿模式下的示意圖；
[0013]圖3是本發(fā)明的輪腿機(jī)構(gòu)在輪模式下的示意圖；
[0014]圖4是本發(fā)明的輪腿機(jī)構(gòu)構(gòu)成的輪腿復(fù)合式機(jī)器人處于腿模式下的示意圖；
[0015]圖5是本發(fā)明的輪腿機(jī)構(gòu)構(gòu)成的輪腿復(fù)合式機(jī)器人處于輪模式下的示意圖；
[0016]圖6是本發(fā)明的輪腿機(jī)構(gòu)另一種實現(xiàn)方式的示意圖。
[0017]其中:102-機(jī)體，104-動力機(jī)，106-動力機(jī)，108-大腿，110-小腿，112-趾，114-轉(zhuǎn)盤，115-過孔，116-繩索，118-鉸接裝置，120-扭簧，122-髖關(guān)節(jié)，126-膝關(guān)節(jié)，128-凸塊，130-缺口，1-髖關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)方向，2-髖關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)方向，3-轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)方向，4-轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)方向，5-膝關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)方向，6_膝關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)方向。
【具體實施方式】
[0018]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作更進(jìn)一步的說明。
[0019]如圖1所示是本發(fā)明具體實施的輪腿機(jī)構(gòu)的示意圖。本發(fā)明中的輪腿機(jī)構(gòu)包括動力機(jī)104、動力機(jī)106、大腿108、小腿110、趾112、轉(zhuǎn)盤114、繩索116、鉸接裝置118和一對左右旋的扭簧120。
[0020]動力機(jī)104、106安裝在機(jī)體102上。所述大腿108包括圓輪和大腿骨，所述大腿骨的頂端固定于圓輪的中心轉(zhuǎn)軸上，大腿骨的末端固定于圓輪的圓周上，其中動力機(jī)104的輸出軸連接大腿骨的頂端，控制大腿108轉(zhuǎn)動，形成髖關(guān)節(jié)122。
[0021]大腿骨的末端和小腿110的頂端通過鉸接裝置118鉸接在一起，形成膝關(guān)節(jié)126。一對左右旋的扭簧120—端安裝在大腿骨的末端，一端安裝在小腿110頂端，使膝關(guān)節(jié)126有一定的初始角度。
[0022]動力機(jī)106驅(qū)動連接在其輸出軸上的轉(zhuǎn)盤114轉(zhuǎn)動，控制安裝在轉(zhuǎn)盤114上的繩索116的收放，繩索116經(jīng)過大腿108上的過孔115，另一端安裝在小腿110上，從而帶動小腿110繞膝關(guān)節(jié)126轉(zhuǎn)動。小腿110繞膝關(guān)節(jié)126做抬升運(yùn)動是通過動力機(jī)106驅(qū)動繩索116回收克服扭簧120彈力實現(xiàn)的，而小腿110繞膝關(guān)節(jié)126做下放運(yùn)動是通過動力機(jī)116驅(qū)動繩索116放出利用扭簧120彈力實現(xiàn)的。趾112安裝在小腿110的末端。
[0023]如圖2和圖3分別是本發(fā)明的輪腿機(jī)構(gòu)在腿模式下的示意圖和本發(fā)明的輪腿機(jī)構(gòu)在輪模式下的示意圖。
[0024]本發(fā)明中的輪腿機(jī)構(gòu)處于腿模式時，通過鎖定動力機(jī)104，保持大腿108不動，控制動力機(jī)106驅(qū)動轉(zhuǎn)盤114按方向4轉(zhuǎn)動，使繩索116回收，小腿110抬升。所述圓輪的圓周上設(shè)置有用于小腿順利回收的缺口 130，所述小腿110上設(shè)置有與缺口 130匹配的凸塊128，兩者的相對位置滿足小腿110繞膝關(guān)節(jié)126收回時，凸塊128恰好填補(bǔ)缺口 130，此時小腿110整個包含在大腿108的圓形輪廓內(nèi)，即實現(xiàn)了輪腿機(jī)構(gòu)從腿模式到輪模式的切換，圓輪的圓周也完整無缺口，滾動穩(wěn)定。
[0025]本發(fā)明中的輪腿機(jī)構(gòu)處于輪模式時，通過鎖定動力機(jī)104，保持大腿108不動，控制動力機(jī)106驅(qū)動轉(zhuǎn)盤114按方向3轉(zhuǎn)動，使繩索116放出，小腿110下放，直到膝關(guān)節(jié)126處的扭簧120恢復(fù)初始狀態(tài)，即實現(xiàn)了輪腿機(jī)構(gòu)從輪模式到腿模式的切換。
[0026]如圖2是本發(fā)明實施的輪腿機(jī)構(gòu)在腿模式下的示意圖。本發(fā)明中的輪腿機(jī)構(gòu)在腿模式下，控制動力機(jī)104驅(qū)動大腿108繞髖關(guān)節(jié)122按方向I或2轉(zhuǎn)動，使輪腿機(jī)構(gòu)向后縮或向前伸?？刂苿恿C(jī)106驅(qū)動轉(zhuǎn)盤114按方向3或4轉(zhuǎn)動，安裝在轉(zhuǎn)盤114上的繩索116放出或回收，繩索116經(jīng)過過孔115，在扭簧120的配合下，驅(qū)動小腿110繞膝關(guān)節(jié)126按方向5或6轉(zhuǎn)動，使輪腿機(jī)構(gòu)向上抬或向下放。協(xié)調(diào)控制動力機(jī)104和106，驅(qū)動輪腿機(jī)構(gòu)的后縮、前伸、上臺和下放，可以實現(xiàn)輪腿機(jī)構(gòu)的腿式運(yùn)動。
[0027]如圖3是本發(fā)明實施的輪腿機(jī)構(gòu)在輪模式下的示意圖。本發(fā)明中的輪腿機(jī)構(gòu)在輪模式下，鎖定動力機(jī)106，轉(zhuǎn)盤114和安裝在轉(zhuǎn)盤114上的繩索116保持不動，在繩索116和扭簧120的共同作用下，小腿110相對膝關(guān)節(jié)126保持靜止?？刂苿恿C(jī)104驅(qū)動大腿108繞髖關(guān)節(jié)122按方向I或2轉(zhuǎn)動，使輪腿機(jī)構(gòu)向前或向后轉(zhuǎn)，可以實現(xiàn)輪腿機(jī)構(gòu)的輪式運(yùn)動。
[0028]如圖4是本發(fā)明的輪腿機(jī)構(gòu)構(gòu)成的輪腿復(fù)合式機(jī)器人處于腿模式下的示意圖。按上所述，本發(fā)明的輪腿機(jī)構(gòu)構(gòu)成的輪腿復(fù)合式機(jī)器人在腿模式下，通過協(xié)調(diào)控制動力機(jī)104和106可以實現(xiàn)腿式運(yùn)動。
[0029]如圖5是本發(fā)明實施的輪腿機(jī)構(gòu)構(gòu)成的輪腿復(fù)合式機(jī)器人處于輪模式下的示意圖。按上所述，本發(fā)明的輪腿機(jī)構(gòu)構(gòu)成的輪腿復(fù)合式機(jī)器人在輪模式下，通過控制動力機(jī)104可以實現(xiàn)輪式運(yùn)動。
[0030]如圖6是本發(fā)明的輪腿機(jī)構(gòu)另一種實現(xiàn)方式的示意圖。與圖1、2中的輪腿機(jī)構(gòu)相比，消除了凸塊128和缺口 130，扭簧也僅需一個，但是輪腿模式的轉(zhuǎn)換以及輪腿模式下的運(yùn)動的實現(xiàn)方式保持不變，只是在腿模式變換成輪模式時，僅需使小腿110整個包含在大腿108的圓形輪廓內(nèi)，無需凸塊128恰好填補(bǔ)缺口 130。
[0031]以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應(yīng)當(dāng)指出:對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【主權(quán)項】
1.一種應(yīng)用于輪腿復(fù)合式機(jī)器人的輪腿機(jī)構(gòu)，其特征在于:包括機(jī)體(102)、大腿(108)、小腿(I 10)、動力機(jī)(104、106)以及轉(zhuǎn)盤(114);所述動力機(jī)(104、106)固定于機(jī)體(102)上;所述大腿(108)包括圓輪和大腿骨，所述大腿骨的頂端固定于圓輪的中心轉(zhuǎn)軸上，大腿骨的末端固定于圓輪的圓周上，動力機(jī)(104)控制圓輪的中心轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)形成髖關(guān)節(jié)(122);所述小腿(110)的長度小于圓輪的直徑，小腿(110)的頂端與大腿骨的末端鉸接形成膝關(guān)節(jié)(126);所述動力機(jī)(106)控制轉(zhuǎn)盤(114)轉(zhuǎn)動，且轉(zhuǎn)盤(114)上繞有繩索(116)且繩索(116)的自由端固定于小腿(110)上。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的應(yīng)用于輪腿復(fù)合式機(jī)器人的輪腿機(jī)構(gòu)，其特征在于:還包括扭簧(120)，所述扭簧(120)的旋向與圓輪的中心轉(zhuǎn)軸平行，且扭簧(120)的一端固定于大腿骨的末端、另一端固定于小腿(110)的頂端。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的應(yīng)用于輪腿復(fù)合式機(jī)器人的輪腿機(jī)構(gòu)，其特征在于:所述大腿(108)上設(shè)置有過孔(115)，所述繩索(116)的自由端穿過過孔(115)后與小腿(110)固定。4.一種權(quán)利要求1至3中任意一條所述的應(yīng)用于輪腿復(fù)合式機(jī)器人的輪腿機(jī)構(gòu)的控制方法，其特征在于:該機(jī)構(gòu)包括腿模式和輪模式兩種運(yùn)動模式，按照如下方式進(jìn)行切換:當(dāng)輪腿機(jī)構(gòu)處于腿模式時，鎖定動力機(jī)(104)，啟動動力機(jī)(106)驅(qū)動轉(zhuǎn)盤(I 14)收縮繩索(116)，抬升小腿(110)至小腿(110)完全位于大腿(108)的圓輪的圓周內(nèi)，實現(xiàn)從腿模式向輪模式切換；當(dāng)輪腿機(jī)構(gòu)處于輪模式時，鎖定動力機(jī)(104)，控制動力機(jī)(106)驅(qū)動轉(zhuǎn)盤(114)放出繩索(116)，放下小腿(110)至自然狀態(tài)，實現(xiàn)從輪模式向腿模式切換;所述腿模式下，協(xié)調(diào)控制動力機(jī)(104、106)完成大腿(108)、小腿(110)的協(xié)調(diào)運(yùn)動，實現(xiàn)輪腿機(jī)構(gòu)的腿式運(yùn)動;所述輪模式下，鎖定動力機(jī)(106)，控制動力機(jī)(104)驅(qū)動大腿(108)轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)腿輪機(jī)構(gòu)的輪式運(yùn)動。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種應(yīng)用于輪腿復(fù)合式機(jī)器人的輪腿機(jī)構(gòu)。本發(fā)明中的輪腿機(jī)構(gòu)包括兩個動力機(jī)、大腿、小腿、趾、轉(zhuǎn)盤、繩索、鉸接裝置和一對左右旋的扭簧。本發(fā)明通過兩個動力機(jī)的配合控制，可以實現(xiàn)機(jī)器人輪腿模式的切換，進(jìn)而實現(xiàn)兩種模式下對應(yīng)的運(yùn)動。本發(fā)明的輪腿機(jī)構(gòu)，動力機(jī)均安裝在機(jī)體上，因此腿質(zhì)量輕，這有效的減小了機(jī)器人在腿模式下運(yùn)動時腿的轉(zhuǎn)動慣量對機(jī)器人穩(wěn)定性的影響。本發(fā)明的輪腿機(jī)構(gòu)，在腿的膝關(guān)節(jié)上加了一對扭簧，有效的減緩了機(jī)器人在腿模式下運(yùn)動時趾撞擊地面引起的振動。
【IPC分類】B62D57/028
【公開號】CN105711675
【申請?zhí)枴緾N201610048470
【發(fā)明人】宋光明, 韋中, 張勇, 鄭楚婷, 彭璜, 宋愛國
【申請人】東南大學(xué)