本發(fā)明涉及一種無邊輪機構(gòu)。更明確地，本發(fā)明涉及一種用于雙足機器人行走模擬與自動測試的無邊輪機構(gòu)。屬于機器人被動行走技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

足式仿生機器人技術(shù)的持續(xù)進步正在快速推進機器人技術(shù)變革，更強的驅(qū)動能力及動力學控制水平為此提供了理論及工程技術(shù)牽引，而傳統(tǒng)的被動行走理論則為提升運動機構(gòu)的內(nèi)在穩(wěn)定性及運動能效提供另一方法途徑。作為雙足被動行走的經(jīng)典基礎(chǔ)模型，無邊輪機構(gòu)能夠在不依賴內(nèi)部動力源條件下，實現(xiàn)自身輪輻末端與地形斜面的間歇性碰撞接觸，以模仿足式穩(wěn)定行走步態(tài)的足底節(jié)律化接觸特征。無邊輪機構(gòu)運動狀態(tài)僅取決于自身幾何物理屬性、地形特征、系統(tǒng)初始狀態(tài)，因此可將其有效應用于被動行走機構(gòu)，以及具有被動運動特征的主動控制機器人系統(tǒng)的研究與開發(fā)。

盡管已被長期廣泛研究，無邊輪機構(gòu)理論及模型至今仍主要局限在二維運動狀況下的討論，即機構(gòu)及運動均被限制于平面內(nèi)，空間幾何特征及質(zhì)量分布被過度簡化，并具體表現(xiàn)為缺乏專業(yè)的無邊輪機構(gòu)測試裝置。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有的無邊輪機構(gòu)種類少、結(jié)構(gòu)簡單、功能單一等不足，提供一種用于雙足機器人行走模擬與自動測試的無邊輪機構(gòu)，能夠在不依賴內(nèi)部動力源條件下，通過手動或自動改變無邊輪的系統(tǒng)參數(shù)實現(xiàn)輪輻末端與斜面的間歇性碰撞接觸，以模仿足式穩(wěn)定行走步態(tài)的足底節(jié)律化接觸特征，揭示足式動物高穩(wěn)定和高效行走的機理，為主動式足式機器人的設(shè)計與控制提供依據(jù)，從而提升足式機器人的穩(wěn)定性和能效。

為達到上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案：

一種用于雙足機器人行走模擬與自動測試的無邊輪機構(gòu)，包括中心軸模塊、滑套模塊、腿部模塊、控制電路模塊、中心軸連接模塊以及附加功能模塊，其特征在于：所述腿部模塊通過螺母和螺栓安裝于滑套模塊側(cè)面，滑套模塊沿滑軌安裝在中心軸模塊的側(cè)面，中心軸模塊和中心軸模塊通過中心軸連接模塊相連，控制電路模塊固定于中心軸連接模塊的頂部，控制電路模塊與pc上位機、控制手柄和攝像頭可選擴展設(shè)備相連；

所述中心軸模塊包含2個中心軸模塊子單元，所有中心軸模塊子單元的具體結(jié)構(gòu)相同，包括中心軸、滑軌、質(zhì)量塊和端蓋。中心軸與中心軸連接模塊相連，滑軌用于滑套和中心軸的連接，質(zhì)量塊安裝在中心軸內(nèi)腔中，端蓋通過螺釘固定在中心軸的端面；

所述滑套模塊包含2個滑套模塊子單元，所有滑套模塊子單元的具體結(jié)構(gòu)相同，包括滑套、腿部固定螺栓、滑套固定螺母和滑套固定螺栓?；籽鼗壈惭b于中心軸側(cè)面，腿部模塊子單元通過腿部固定螺栓與滑套固連，滑套通過滑套固定螺母和滑套固定螺栓固定在中心軸上；

所述腿部模塊包含12個腿部模塊子單元，所有腿部模塊子單元的具體結(jié)構(gòu)相同，包括內(nèi)殼、電氣接頭、固定螺母、電路線艙、直流伺服電機、減速器、編碼器、軸承、軸套、聯(lián)軸器、外殼、滾珠絲杠、絲杠螺母、彈性元件、阻尼元件、連接桿、橡膠足端和壓力傳感器。內(nèi)殼嵌套在外殼內(nèi)孔，內(nèi)殼通過固定螺母與滑套相連，電路線艙用于電線的排線，減速器和編碼器固定在直流伺服電機上，直流伺服電機通過螺釘安裝在內(nèi)殼內(nèi)部，并通過電氣接頭與電機控制器連接，直流伺服電機輸出軸依次通過軸承(iii-1-8)、軸套(iii-1-9)和聯(lián)軸器(iii-1-10)與滾珠絲杠相連，絲杠螺母通過螺釘與外殼固連，彈性元件與阻尼元件安裝在外殼上，連接桿和橡膠足端固定于阻尼元件上，橡膠足端安裝有壓力傳感器；

所述控制電路模塊包含12個電機控制板、2個電源、電源控制盒、陀螺儀和加速度計。電機控制板安裝在電源控制盒中間內(nèi)腔，電源對稱安裝在電源控制盒兩側(cè)內(nèi)腔，陀螺儀和加速度計安裝在電源控制盒上，電源控制盒固定于上連接蓋頂部；

所述中心軸連接模塊包含上連接蓋、下連接蓋和配重。上連接蓋和下連接蓋通過螺栓和螺母固定，配重固定于下連接蓋底部。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比較，具有如下顯而易見的突出實質(zhì)性特點和顯著優(yōu)點：

(1)本發(fā)明裝置結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，操作方便，具有較好的自動化程度。

(2)無邊輪機構(gòu)的測試應用需要滿足平面和空間無邊輪相互切換能力、斜面運動控制能力，和復雜無邊輪擴展能力這三方面的需求，本發(fā)明以此為設(shè)計目標，實現(xiàn)了腿結(jié)構(gòu)數(shù)量、輪距和腿長調(diào)整、彈性阻尼元件調(diào)整以及平面單邊/空間雙邊無邊輪切換等功能，具有良好的實用性。進一步，上述調(diào)整功能包含自動調(diào)整方法，即在運行過程中由系統(tǒng)自行調(diào)整，而不需要使用者的參與，從而實現(xiàn)更多種類的運動模式研究。

(3)本發(fā)明包含與控制手柄、上位機等擴展設(shè)備連接的接口功能，方便了與使用者的操作交互及功能擴展。

附圖說明

圖1為本發(fā)明提供的空間雙邊無邊輪機構(gòu)整體結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為本發(fā)明控制電路安裝結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3為本發(fā)明提供的單邊無邊輪機構(gòu)的局部結(jié)構(gòu)拆解示意圖。

圖4為本發(fā)明單邊無邊輪機構(gòu)部分結(jié)構(gòu)示意圖。

圖5為本發(fā)明腿部模塊結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明及其實施例作進一步說明如下，但以下實施例僅是說明性的，本發(fā)明的保護范圍并不受這些實施例的限制。

實施例一

如圖1所示，一種用于雙足機器人行走模擬與自動測試的無邊輪機構(gòu)，包括中心軸模塊i、滑套模塊ii、腿部模塊iii、控制電路模塊iv、中心軸連接模塊v以及附加功能模塊，其特征在于：所述腿部模塊iii通過螺母和螺栓安裝于滑套模塊ii側(cè)面，滑套模塊ii沿滑軌安裝在中心軸模塊i的側(cè)面，中心軸模塊i-1和中心軸模塊i-2通過中心軸連接模塊v相連，控制電路模塊iv固定于中心軸連接模塊v的頂部。

實施例二

本實施例與實施例一的技術(shù)方案基本相同，不同之處在于：

如圖1、圖2所示，所述中心軸模塊i包含2個中心軸模塊子單元i-1、i-2，所有中心軸模塊子單元i-1、i-2的具體結(jié)構(gòu)相同，以中心軸模塊子單元i-1為例，其包括中心軸i-1-1、滑軌i-1-2、質(zhì)量塊i-1-3和端蓋i-1-4。中心軸i-1-1與中心軸連接模塊v相連，滑軌i-1-2用于滑套ii-1-1和中心軸i-1-1的連接和固定，防止滑套ii-1-1繞中心軸i-1-1轉(zhuǎn)動；質(zhì)量塊i-1-3安裝在中心軸i-1-1內(nèi)腔中，通過更換質(zhì)量塊來改變系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動慣量；端蓋i-1-4通過螺釘固定在中心軸i-1-1的端面，防止質(zhì)量塊i-1-3脫落。

如圖1、圖2、圖3所示，所述滑套模塊ii包含2個滑套模塊子單元ii-1、ii-2，所有滑套模塊子單元ii-1、ii-2的具體結(jié)構(gòu)相同，以滑套模塊子單元ii-1為例，其包括滑套ii-1-1、腿部固定螺栓ii-1-2、滑套固定螺母ii-1-3和滑套固定螺栓ii-1-4?；譱i-1-1沿滑軌i-1-2安裝于中心軸i-1-1側(cè)面，腿部模塊子單元iii-1通過腿部固定螺栓ii-1-2與滑套ii-1-1固連，滑套ii-1-1通過滑套固定螺母ii-1-3、滑套固定螺栓ii-1-4和端蓋i-1-4固定在中心軸i-1-1上，限制滑套ii-1-1軸向移動，分別通過調(diào)節(jié)滑套固定螺母ii-1-3調(diào)整輪距和更換滑套ii-1-1改變腿的數(shù)量。

如圖2、圖3、圖4、圖5所示，所述腿部模塊iii包含12個腿部模塊子單元iii-1、iii-2、iii-3、iii-4、iii-5、iii-6、iii-7、iii-8、iii-9、iii-10、iii-11、iii-12，所有腿部模塊子單元iii-1、iii-2、iii-3、iii-4、iii-5、iii-6、iii-7、iii-8、iii-9、iii-10、iii-11、iii-12的具體結(jié)構(gòu)相同，以腿部模塊子單元iii-1為例，其包括內(nèi)殼iii-1-1、電氣接頭iii-1-2、固定螺母iii-1-3、電路線艙iii-1-4、直流伺服電機iii-1-5、減速器iii-1-6、編碼器iii-1-7、軸承iii-1-8、軸套iii-1-9、聯(lián)軸器iii-1-10、外殼iii-1-11、滾珠絲杠iii-1-12、絲杠螺母iii-1-13、彈性元件iii-1-14、阻尼元件iii-1-15、連接桿iii-1-16、橡膠足端iii-1-17和壓力傳感器iii-1-18。內(nèi)殼iii-1-1嵌套在外殼iii-1-11內(nèi)孔，沿著內(nèi)孔軸向移動；內(nèi)殼iii-1-1通過固定螺母iii-1-3與滑套ii-1-1相連，電路線艙iii-1-4用于電線的排線，減速器iii-1-6和編碼器iii-1-7固定在直流伺服電機iii-1-5上，編碼器iii-1-7實時記錄電機的角度數(shù)據(jù)，作為反饋信號提供給控制器；直流伺服電機iii-1-5通過螺釘安裝在內(nèi)殼iii-1-1內(nèi)部，并通過電氣接頭iii-1-2與電機控制器連接；直流伺服電機iii-1-5輸出軸依次通過軸承iii-1-8、軸套iii-1-9和聯(lián)軸器iii-1-10與滾珠絲杠iii-1-12相連，將電機iii-1-5的高速轉(zhuǎn)動運動轉(zhuǎn)換成直線運動，控制腿的伸縮來改變腿長；絲杠螺母iii-1-13與外殼iii-1-11固連，彈性元件iii-1-14和阻尼元件iii-1-15安裝在外殼iii-1-11上，連接桿iii-1-16和橡膠足端iii-1-17固定于阻尼元件iii-1-15上，橡膠足端iii-1-17安裝有壓力傳感器iii-1-18，采集足端的接觸力信號。

如圖2所示，所述控制電路模塊iv包含12個電機控制板iv-1、iv-2、iv-3、iv-4、iv-5、iv-6、iv-7、iv-8、iv-9、iv-10、iv-11、iv-12、2個電源iv-13、iv-14、電源控制盒iv-15、陀螺儀iv-16和加速度計iv-17。電機控制板iv-1、iv-2、iv-3、iv-4、iv-5、iv-6、iv-7、iv-8、iv-9、iv-10、iv-11、iv-12安裝在電源控制盒iv-15中間內(nèi)腔，與12個腿長控制電機一一對應；電源iv-13、iv-14對稱安裝在電源控制盒iv-15兩側(cè)內(nèi)腔，陀螺儀iv-16和加速度計iv-17安裝在電源控制盒iv-15上，分別用于測量無邊輪在斜面上運動瞬間的角速度信號和加速度信號；電源控制盒iv-15固定于上連接蓋v-1頂部。

如圖1、圖2所示，所述中心軸連接模塊v包含上連接蓋v-1、下連接蓋v-2和配重v-3。上連接蓋v-1和下連接蓋v-2通過螺栓和螺母固定，用于中心軸模塊子單元i-1和i-2間的固連；配重v-3固定于下連接蓋v-2底部。

以上所述，僅是本發(fā)明的較佳實施例而已，并非對本發(fā)明的結(jié)構(gòu)及控制方式做任何形式上的限制。凡是依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實質(zhì)對以上實施例所作的任何簡單修改、等同變化與修飾，均仍屬于本發(fā)明的技術(shù)方案的范圍內(nèi)。