一種應用于輪腿復合式機器人的輪腿機構及控制方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及輪腿復合式機器人，尤其涉及輪腿復合式機器人的輪腿機構。
【背景技術】
[0002]在發生火災、礦難、核泄漏、恐怖襲擊等事件時，往往需要進行搜救、反恐、排爆、偵察等危險任務。為了減少人員傷亡，常借助于移動機器人。由于地面環境復雜，有平坦的和不規則的地形，因此，需要在這兩種地形中均能高效運動的移動機器人。輪式機器人可以在平坦的地面上實現快速穩定的運動，而腿式機器人可以適應不規則的地形。為了集合輪式和腿式機器人的優點，輪腿復合式機器人成為移動機器人研究領域的一大熱點。現有的輪腿復合式機器人輪腿的結構復雜、質量大，不利于機器人在腿模式下運動的穩定性。
【發明內容】
[0003]發明目的:為了克服現有技術中存在的不足，本發明提供一種應用于輪腿復合式機器人的輪腿機構及控制方法，用于克服現有輪腿復合式機器人輪腿的結構復雜、質量大的不足。
[0004]技術方案:為實現上述目的，本發明采用的技術方案為:
[0005]—種應用于輪腿復合式機器人的輪腿機構，包括機體、大腿、小腿、動力機以及轉盤;所述動力機固定于機體上;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軸上，大腿骨的末端固定于圓輪的圓周上，動力機控制圓輪的中心轉軸旋轉形成髖關節;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節;所述動力機控制轉盤轉動，且轉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]進一步的，在本發明中，還包括扭簧，所述扭簧的旋向與圓輪的中心轉軸平行，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，使膝關節有一定的初始角度，并且有效的減緩了機器人在腿模式下運動時撞擊地面引起的振動。
[0007]進一步的，在本發明中，所述大腿上設置有過孔，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節轉動。小腿繞膝關節做抬升運動是通過動力機驅動繩索回收克服扭簧彈力實現的，而小腿繞膝關節做下放運動是通過動力機驅動繩索放出利用扭簧彈力實現的。
[0008]所述的應用于輪腿復合式機器人的輪腿機構的控制方法，該機構包括腿模式和輪模式兩種運動模式，按照如下方式進行切換:當輪腿機構處于腿模式時，鎖定動力機，啟動動力機驅動轉盤收縮繩索，抬升小腿至小腿完全位于大腿的圓輪的圓周內，實現從腿模式向輪模式切換；當輪腿機構處于輪模式時，鎖定動力機，控制動力機驅動轉盤放出繩索，放下小腿至自然狀態，實現從輪模式向腿模式切換;所述腿模式下，協調控制動力機完成大腿、小腿的協調運動，實現輪腿機構的腿式運動;所述輪模式下，鎖定動力機，控制動力機驅動大腿轉動，實現腿輪機構的輪式運動。
[0009]有益效果:
[0010]本發明的輪腿機構，可以方便地實現輪腿模式的切換，進而實現兩種模式下的相應運動。本發明的輪腿機構，動力機均安裝在機體上，因此腿質量輕，這有效的減小了機器人在腿模式下運動時腿的轉動慣量對機器人穩定性的影響。本發明的輪腿機構，在腿的膝關節上加了一對扭簧，有效的減緩了機器人在腿模式下運動時趾撞擊地面引起的振動。本發明的輪腿機構，在不增加額外的輪結構和動力機的情況下實現輪腿復合式機器人的輪式運動，簡化了輪腿復合式機器人的結構。
【附圖說明】
[0011]圖1是本發明的輪腿機構的示意圖；
[0012]圖2是本發明的輪腿機構在腿模式下的示意圖；
[0013]圖3是本發明的輪腿機構在輪模式下的示意圖；
[0014]圖4是本發明的輪腿機構構成的輪腿復合式機器人處于腿模式下的示意圖；
[0015]圖5是本發明的輪腿機構構成的輪腿復合式機器人處于輪模式下的示意圖；
[0016]圖6是本發明的輪腿機構另一種實現方式的示意圖。
[0017]其中:102-機體，104-動力機，106-動力機，108-大腿，110-小腿，112-趾，114-轉盤，115-過孔，116-繩索，118-鉸接裝置，120-扭簧，122-髖關節，126-膝關節，128-凸塊，130-缺口，1-髖關節旋轉方向，2-髖關節旋轉方向，3-轉盤旋轉方向，4-轉盤旋轉方向，5-膝關節旋轉方向，6_膝關節旋轉方向。
【具體實施方式】
[0018]下面結合附圖對本發明作更進一步的說明。
[0019]如圖1所示是本發明具體實施的輪腿機構的示意圖。本發明中的輪腿機構包括動力機104、動力機106、大腿108、小腿110、趾112、轉盤114、繩索116、鉸接裝置118和一對左右旋的扭簧120。
[0020]動力機104、106安裝在機體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軸上，大腿骨的末端固定于圓輪的圓周上，其中動力機104的輸出軸連接大腿骨的頂端，控制大腿108轉動，形成髖關節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，形成膝關節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，使膝關節126有一定的初始角度。
[0022]動力機106驅動連接在其輸出軸上的轉盤114轉動，控制安裝在轉盤114上的繩索116的收放，繩索116經過大腿108上的過孔115，另一端安裝在小腿110上，從而帶動小腿110繞膝關節126轉動。小腿110繞膝關節126做抬升運動是通過動力機106驅動繩索116回收克服扭簧120彈力實現的，而小腿110繞膝關節126做下放運動是通過動力機116驅動繩索116放出利用扭簧120彈力實現的。趾112安裝在小腿110的末端。
[0023]如圖2和圖3分別是本發明的輪腿機構在腿模式下的示意圖和本發明的輪腿機構在輪模式下的示意圖。
[0024]本發明中的輪腿機構處于腿模式時，通過鎖定動力機104，保持大腿108不動，控制動力機106驅動轉盤114按方向4轉動，使繩索116回收，小腿110抬升。所述圓輪的圓周上設置有用于小腿順利回收的缺口 130，所述小腿110上設置有與缺口 130匹配的凸塊128，兩者的相對位置滿足小腿110繞膝關節126收回時，凸塊128恰好填補缺口 130，此時小腿110整個包含在大腿108的圓形輪廓內，即實現了輪腿機構從腿模式到輪模式的切換，圓輪的圓周也完整無缺口，滾動穩定。
[0025]本發明中的輪腿機構處于輪模式時，通過鎖定動力機104，保持大腿108不動，控制動力機106驅動轉盤114按方向3轉動，使繩索116放出，小腿110下放，直到膝關節126處的扭簧120恢復初始狀態，即實現了輪腿機構從輪模式到腿模式的切換。
[0026]如圖2是本發明實施的輪腿機構在腿模式下的示意圖。本發明中的輪腿機構在腿模式下，控制動力機104驅動大腿108繞髖關節122按方向I或2轉動，使輪腿機構向后縮或向前伸。控制動力機106驅動轉盤114按方向3或4轉動，安裝在轉盤114上的繩索116放出或回收，繩索116經過過孔115，在扭簧120的配合下，驅動小腿110繞膝關節126按方向5或6轉動，使輪腿機構向上抬或向下放。協調控制動力機104和106，驅動輪腿機構的后縮、前伸、上臺和下放，可以實現輪腿機構的腿式運動。
[0027]如圖3是本發明實施的輪腿機構在輪模式下的示意圖。本發明中的輪腿機構在輪模式下，鎖定動力機106，轉盤114和安裝在轉盤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相對膝關節126保持靜止。控制動力機104驅動大腿108繞髖關節122按方向I或2轉動，使輪腿機構向前或向后轉，可以實現輪腿機構的輪式運動。
[0028]如圖4是本發明的輪腿機構構成的輪腿復合式機器人處于腿模式下的示意圖。按上所述，本發明的輪腿機構構成的輪腿復合式機器人在腿模式下，通過協調控制動力機104和106可以實現腿式運動。
[0029]如圖5是本發明實施的輪腿機構構成的輪腿復合式機器人處于輪模式下的示意圖。按上所述，本發明的輪腿機構構成的輪腿復合式機器人在輪模式下，通過控制動力機104可以實現輪式運動。
[0030]如圖6是本發明的輪腿機構另一種實現方式的示意圖。與圖1、2中的輪腿機構相比，消除了凸塊128和缺口 130，扭簧也僅需一個，但是輪腿模式的轉換以及輪腿模式下的運動的實現方式保持不變，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，無需凸塊128恰好填補缺口 130。
[0031]以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出:對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發明的保護范圍。
【主權項】
1.一種應用于輪腿復合式機器人的輪腿機構，其特征在于:包括機體(102)、大腿(108)、小腿(I 10)、動力機(104、106)以及轉盤(114);所述動力機(104、106)固定于機體(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軸上，大腿骨的末端固定于圓輪的圓周上，動力機(104)控制圓輪的中心轉軸旋轉形成髖關節(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節(126);所述動力機(106)控制轉盤(114)轉動，且轉盤(114)上繞有繩索(116)且繩索(116)的自由端固定于小腿(110)上。2.根據權利要求1所述的應用于輪腿復合式機器人的輪腿機構，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.根據權利要求1所述的應用于輪腿復合式機器人的輪腿機構，其特征在于:所述大腿(108)上設置有過孔(115)，所述繩索(116)的自由端穿過過孔(115)后與小腿(110)固定。4.一種權利要求1至3中任意一條所述的應用于輪腿復合式機器人的輪腿機構的控制方法，其特征在于:該機構包括腿模式和輪模式兩種運動模式，按照如下方式進行切換:當輪腿機構處于腿模式時，鎖定動力機(104)，啟動動力機(106)驅動轉盤(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，實現從腿模式向輪模式切換；當輪腿機構處于輪模式時，鎖定動力機(104)，控制動力機(106)驅動轉盤(114)放出繩索(116)，放下小腿(110)至自然狀態，實現從輪模式向腿模式切換;所述腿模式下，協調控制動力機(104、106)完成大腿(108)、小腿(110)的協調運動，實現輪腿機構的腿式運動;所述輪模式下，鎖定動力機(106)，控制動力機(104)驅動大腿(108)轉動，實現腿輪機構的輪式運動。
【專利摘要】本發明公開了一種應用于輪腿復合式機器人的輪腿機構。本發明中的輪腿機構包括兩個動力機、大腿、小腿、趾、轉盤、繩索、鉸接裝置和一對左右旋的扭簧。本發明通過兩個動力機的配合控制，可以實現機器人輪腿模式的切換，進而實現兩種模式下對應的運動。本發明的輪腿機構，動力機均安裝在機體上，因此腿質量輕，這有效的減小了機器人在腿模式下運動時腿的轉動慣量對機器人穩定性的影響。本發明的輪腿機構，在腿的膝關節上加了一對扭簧，有效的減緩了機器人在腿模式下運動時趾撞擊地面引起的振動。
【IPC分類】B62D57/028
【公開號】CN105711675
【申請號】CN201610048470
【發明人】宋光明, 韋中, 張勇, 鄭楚婷, 彭璜, 宋愛國
【申請人】東南大學