基于球面并聯機構的輪腿式移動機器人的制作方法

本發明涉及機器人領域，特別是一種基于球面并聯機構的輪腿式移動機器人。

背景技術：

可用于礦難、地震、爆炸等現場排險及救援的機器人是一直是世界各國學者研發的熱點。目前很多具有特殊結構和功能機器人已被運用到救援工作中。由于災后的救援環境復雜多變，單一運動模式的機器人并不能滿足其需求。救援機器人的組成通常包括移動平臺和延伸機構兩個方面。移動平臺主要是各類移動驅動機構，延伸機構主要是以機械臂為主的執行機構。輪式機器人在平坦地面上可高速運動，但越障能力差；腿式機器人在崎嶇路面上具有較強的越障能力，但其運動效率低。輪腿式機器人是一種可重構機器人，其原理是將輪子和機械腿通過不同的方法組合在一起，使其同時具備輪式機器人和腿式機器人的優點。輪腿式機器人的運動機理是當機器人在平坦的路面移動時，機器人利用輪子快速移動，當遇到障礙時，機器人將由輪式運動方式切換為腿式運動方式，以便越過障礙。輪腿式復合移動方式兼有輪式移動的高效性和腿式移動的良好越障性能，將成為未來機器人發展的方向。

專利cn104527835b公開了一種輪腿模式可切換機器人，在車體兩側長邊對稱安裝有四條結構完全相同的腿和四個車輪，在車體內安裝有車輪電機驅動裝置用于驅動四個車輪，每條腿均包括弧形連接架、大腿、小腿和腳，小腿底部安裝在腳上，小腿頂部安裝在大腿兩部分之間，在大腿上安裝有大腿驅動裝置和小腿驅動裝置，弧形連接架安裝在車體和大腿之間，該弧形連接架由安裝在車體側邊的弧形連接架電機驅動并可繞車輪旋轉。該發明將輪式機器人和足式機器人結合在一起，可以根據具體情況選擇不同的行走方式，提高地形的適應能力，但其足式行走屬于機器人常規運動方式中的關節式移動。

專利cn101219683b公開了一種輪足兩用式移動機器人，采用輪腿結合運動模式，在車體的兩側長邊分別安裝有四條結構相同的具有輪、足兩用功能的腿，在車體內部帶有兩塊電池，用于為車載計算機、內置攝像機及擴展插件提供能源，每條腿由大腿和小腿組成，具有兩級動力輸入單元，通過離合器進行輪腿模式切換，第一電機通過安裝座固定在車體底板上，座把第一周固定到車體側面上在車體內安裝有內置攝像機可以作為機器人的眼睛，車載計算機作為整個機器人運動的規劃控制中心，小輪為被動輪有電磁抱閘控制從動或止轉。此發明雖然能提高機器人行走時對不同地形地貌的適應程度，但輪、足轉換是通過轉動輪子并改變輪子與機器人腿之間的相對位置來進行加以實現，此種轉換模式需要的機械結構非常復雜，控制方法也很復雜，使得返修率較高。

并聯機構由于具有無累積誤差，精度較高；驅動裝置可置于定平臺上或接近定平臺的位置，這樣運動部分重量輕，速度高，動態響應好；結構緊湊，剛度高，承載能力大；完全對稱的并聯機構具有較好的各向同性以及工作空間較小等優點，越來越受到科研人員的重視。

技術實現要素：

本發明針對現有輪腿式機器人存在的上述問題，基于球面并聯機構的特性，提供了一種基于球面并聯機構的輪腿式移動機器人，將機器人腿部結構設置成兩支鏈的球面并聯機構，每條支鏈為rpr結構，使得腿部末端可以在其末端球面上運動，滿足了腿部運動的靈活性，同時并聯機構的引入大大提升了機器人的承載能力。

本發明是通過如下技術方案實現的：包括底盤和沿底盤長度方向對稱設置的四個結構及規格完全相同的輪腿系統，輪腿系統包括輪結構和腿部結構，腿部結構為兩支鏈的球面并聯機構且每條支鏈為rpr結構，輪腿系統包含i號輪腿系統、ii號輪腿系統、iii號輪腿系統和iv號輪腿系統，i號輪腿系統包括i號電機，i號電機裝設在底盤的電機槽內，i號電機連接有減速器，減速器固定在軸承座上，軸承座固定在底盤上，減速器的輸出軸通過聯軸器連接有i號電磁離合器，i號電磁離合器固定在離合器座上，離合器座固定在底盤上，減速器的輸出軸在位于減速器的輸出軸和i號電磁離合器的輸入軸間連接有i號同步輪，i號電磁離合器的輸出軸上設置有ii號同步輪，ii號同步輪通過iv號同步帶連接有viii號同步輪；i號同步輪通過i號同步帶連接有iii號同步輪，iii號同步輪兩端的輸出軸上分別連接有ii號電磁離合器和iii號電磁離合器，ii號電磁離合器的輸出軸上連接有iv號同步輪，iii號電磁離合器的輸出軸上連接有v號同步輪，iv號同步輪通過ii號同步帶連接有vi號同步輪，vi號同步輪固接在外軸上，v號同步輪通過iii號同步帶連接有vii號同步輪，vii號同步輪固接在中間軸上，外軸通過軸承和配套的軸承座固定在底盤上，中間軸裝在外軸內，且通過軸承和配套的軸承座與底盤連接，外軸與中間軸間設置有潤滑油，內軸裝在中間軸內，中間軸與內軸間設置有潤滑油，內軸的端部通過軸承和配套的軸承座與底盤固定，且內軸的一端與viii號同步輪連接，內軸的另一端與輪胎連接；外軸末端連接有支撐桿一，支撐桿一固接有ii號電機，支撐桿一鉸接有連桿一，連桿一的一端與ii號電機的電機軸固接，連桿一的另一端固接有滑塊一，滑塊一套設在圓弧腿一上，中間軸的末端固接有支撐桿二，支撐桿二上固接有iii號電機，支撐桿二鉸接有連桿二，連桿二的一端與iii號電機的電機軸固接，連桿二的另一端固接有滑塊二，滑塊二套設在圓弧腿二上，圓弧腿二固接有行走腿，圓弧腿二和行走腿的連接處與圓弧腿一的端部鉸接。

滑塊一和圓弧腿一間設有滾輪，滑塊二和圓弧腿二間設有滾輪。滾輪的設置有助于減小滑塊與圓弧腿之間摩擦阻力，有利于降低腿式運動中的能量損失及裝置間的相互磨損。

行走腿與地面接觸部分設置有橡膠層，以減少機器人在腿運動模式下的震動。

本發明的優點和積極效果是：

1、基于球面并聯機構的輪腿式機器人，其腿部結構為兩支鏈的球面并聯機構，每條支鏈為rpr結構，因此其腿部末端可以在其末端球面上運動，滿足了腿部運動的靈活性，且由于并聯機構的引入大大提升了機器人的承載能力。

2、由于在腿運動模式下運動過程中存在機械振動，因此與地面接觸的圓弧桿采用具有一定柔性的橡膠材料可以在很大程度上減小機械振動，并且在一定程度上可以增強越障能力。

3、基于球面并聯機構的輪腿式機器人，采用四輪驅動提升機器人的靈活性和承載能力。

4、基于球面并聯機構的輪腿式機器人，采用多個離合器協調的工作模式，減少了電機數目，節約了成本，降低了控制難度。

附圖說明

圖1為基于球面并聯機構的輪腿式移動機器人的輪模式狀態示意圖；

圖2為基于球面并聯機構的輪腿式移動機器人的腿模式狀態示意圖；

圖3為基于球面并聯機構的輪腿式移動機器人的i號輪腿系統的結構局部示意圖；

圖4為基于球面并聯機構的輪腿式移動機器人的i號輪腿系統的腿部結構局部示意圖。

圖中：i-i號輪腿系統，ii-ii號輪腿系統，iii-iii號輪腿系統，iv-iv號輪腿系統，1-底盤，2-軸承座，3-連軸器，4-i號電機，5-減速器，6-i號同步輪，7-i號同步帶，8-iv號同步輪，9-ii號電磁離合器，10-內軸，11-離合器座，12-外軸，13-vi號同步輪，14-ii號同步帶，15-iii號同步輪，16-中間軸，17-iii號電磁離合器，18-iii號同步帶，19-vii號同步輪，20-viii號同步輪，21-iv號同步帶，22-連桿一，23-v號同步輪，24-i號電磁離合器，25-ii號同步輪，26-滑塊一，26a-滑塊二，27-圓弧腿一，28-圓弧腿二，29-行走腿，30-連桿二，31-iii號電機，32-支撐桿二，33-支撐桿一，34-ii號電機，35-輪胎。

具體實施方式

結合附圖1—4對本發明做進一步說明，一種基于球面并聯機構的輪腿式移動機器人，包括底盤1和沿底盤1長度方向對稱設置的輪腿系統，輪腿系統包括結構及規格完全相同的i號輪腿系統i、ii號輪腿系統ii、iii號輪腿系統iii和iv號輪腿系統iv，i號輪腿系統i包括i號電機4，i號電機4裝設在底盤1的電機槽內，i號電機4連接有減速器5，減速器5固定在軸承座2上，軸承座2固定在底盤1上，減速器5的輸出軸通過聯軸器3連接有i號電磁離合器24，i號電磁離合器24固定在離合器座11上，離合器座11固定在底盤1上，減速器5的輸出軸與i號電磁離合器24的輸入軸間連接有i號同步輪6，i號電磁離合器24的輸出軸上設置有ii號同步輪25，ii號同步輪25通過iv號同步帶21連接有viii號同步輪20；i號同步輪6通過i號同步帶7連接有iii號同步輪15，iii號同步輪15兩端的輸出軸上分別連接有ii號電磁離合器9和iii號電磁離合器17，ii號電磁離合器9的輸出軸上連接有iv號同步輪8，iii號電磁離合器17的輸出軸上連接有v號同步輪23，iv號同步輪8通過ii號同步帶14連接有vi號同步輪13，vi號同步輪13固接在外軸12上，v號同步輪23通過iii號同步帶18連接有vii號同步輪19，vii號同步輪19固接在中間軸16上，外軸12通過軸承和配套的軸承座固定在底盤1上，中間軸16裝在外軸12內，且通過軸承和配套的軸承座與底盤1連接，外軸12與中間軸16間設置有潤滑油，內軸10裝在中間軸16內，中間軸16與內軸10間設置有潤滑油，內軸10的端部通過軸承和配套的軸承座與底盤1固定，且內軸10的一端與viii號同步輪20連接，內軸10的另一端與輪胎35連接；外軸12末端連接有支撐桿一33，支撐桿一33固接有ii號電機34，支撐桿一33鉸接有連桿一22，連桿一22的一端與ii號電機34的電機軸固接，連桿一22的另一端固接有滑塊一26，滑塊一26套設在圓弧腿一27上，中間軸16的末端固接有支撐桿二32，支撐桿二32上固接有iii號電機31，支撐桿二32鉸接有連桿二30，連桿二30的一端與iii號電機31的電機軸固接，連桿二30的另一端固接有滑塊二26a，滑塊二26a套設在圓弧腿二28上，圓弧腿二28固接有行走腿29，圓弧腿二28和行走腿29的連接處與圓弧腿一27的端部鉸接。

滑塊一26和圓弧腿一27間設置有滾輪，滑塊二26a和圓弧腿二28間設置有滾輪。

本發明由四個完全對稱的輪腿系統組成，各輪腿系統獨立運動互不干擾。輪腿系統包括i～viii號同步輪、i～iii號電磁離合器、i～iii號電機、i～iv號同步帶、減速器5、聯軸器3、軸承座2、離合器座11、內軸10、中間軸16、外軸12、支撐桿一33、輪胎35、支撐桿二32、連桿一22、連桿二30、滑塊一26、滑塊二26a、圓弧腿一27、圓弧腿二28、底盤1以及各軸與底盤1間連接用的軸承。

本發明的運動過程包括：輪式運動、腿式運動以及輪腿切換過程。

輪式運動：

如圖1所示為輪式運動下機構的狀態。以i號輪腿系統i為例說明其運動過程，其他三個輪腿系統與i號輪腿系統i的運動過程完全相同。i號電機4固定在底盤1上的電機槽內，減速器5的一端固定在軸承座2上，軸承座2通過螺栓與底盤1固接，減速器5的另一端與i號電機4固接，用于降低i號電機4的轉速，i號同步輪6固定在減速器5的輸出軸上，并且在減速器5輸出軸的末端通過連軸器3與i號電磁離合器24的輸入軸固接，i號電磁離合器24通過螺栓固定在離合器座11上，離合器座11通過螺栓固定在底盤1上，i號電磁離合器24的輸出軸通過聯軸器3與ii號同步輪固接，i號電機4通過減速器5減速后帶動i號同步輪6轉動和i號電磁離合器24的輸入軸轉動，輪運動模式下i號電磁離合器24處于工作狀態，因此帶動ii號同步輪25轉動，ii號同步輪25通過iv號同步帶21驅動固定在內軸10一端的viii號同步輪20，viii號同步輪20帶動內軸10轉動，內軸10帶動固接在其另一端的輪胎35轉動，i號同步輪6通過i號同步帶帶動iii號同步輪15轉動，輪運動模式下ii號電磁離合器9和iii號電磁離合器17處于非工作狀態，此時固接于ii號電磁離合器9輸出軸上的iv號同步輪8與固接于iii號電磁離合器上17輸出軸上的v號同步輪23不轉動，因此通過ii號同步帶14與iv號同步輪8傳動的vi號同步輪13以及通過iii號同步帶18與v同步輪8傳動的vii號同步輪20不轉動，與vi號同步輪13固接的外軸和與vii號同步輪20固接的中間軸也不轉動，且此時ii號電機34與iii號電機31不轉動，圓弧腿一27、圓弧腿二28和行走腿29所在的扇形面共面且與水平面平行且保持不動。

腿式運動：

如圖2所示為腿運動模式下的機構的狀態。以i號輪腿系統i為例說明其運動過程，其他三個輪腿系統與i號輪腿系統i的運動過程完全相同。i號電機4帶動減速器5，減速器5帶動與其固接的i號同步輪5，此時i號電磁離合器24處于非工作狀態，此時ii號同步輪25不轉動，而與之通過iv號同步帶21傳動的viii號同步輪20不轉動，因此與viii號同步輪20固接的內軸10不轉動，且固接于其末端的輪胎35也不轉動，i號同步輪6通過i號同步帶7帶動iii號同步輪15轉動，此時ii號電磁離合器9和iii號電磁離合器17也處于非工作狀態，iv號同步輪8，v號同步輪23，vi號同步輪13，vii號同步輪19，中間軸16，外軸12處于靜止狀態，與外軸12固接的撐桿一33處于靜止狀態且其軸線與水平面垂直，與中間軸固接的撐桿二32處于靜止狀態且其軸線與水平面平行，固接于撐桿一33上的ii號電機34和固接于撐桿二32iii號電機31處于運動狀態，ii號電機34驅動與撐桿一33鉸接的連桿一22繞鉸接處轉動，通過連桿一22末端連接的滑塊一26帶動圓弧腿一27運動，iii號電機驅動與撐桿二32鉸接的連桿二30繞鉸接處轉動，通過連桿二30末端的滑塊二26a帶動圓弧腿二28運動，圓弧腿二28帶動與其固定連接的行走腿29運動，由于圓弧腿一27鉸接有圓弧腿二28和行走腿29，因此可以通過ii號電機34和iii號電機31的協調運動可以使得行走腿29來回擺動來實現機器人的腿部行走。

輪腿切換過程：

以i號輪腿系統i為例說明其從輪模式下轉換成腿模式的過程，而腿模式轉換成輪模式的過程與其類似，其他三個輪腿系統與i號輪腿系統i的運動過程是完全一樣的。i號電機4帶動減速器5，減速器5帶動與其固接的i號同步輪5，此時i號電磁離合器24處于非工作狀態，此時ii號同步輪25不轉動，而與之通過iv號同步帶21傳動的viii號同步輪20不轉動，因此與viii號同步輪20固接的內軸10不轉動，且固接于其末端的輪胎35也不轉動，i號同步輪6通過i號同步帶7帶動iii號同步輪15轉動，此時ii號電磁離合器9和iii號電磁離合器17處于工作狀態，ii號電磁離合器9驅動iv號同步輪8，iii號電磁離合器17驅動v號同步輪23，iv號同步輪8通過ii號同步帶14帶動vi號同步輪13轉動，vi號同步輪13帶動與其固接的外軸10轉動，外軸10驅動與其固接的撐桿一33轉動，使得撐桿一33的軸線水平，v號同步輪23通過iii號同步帶18帶動vii號同步輪19轉動，vii號同步輪19帶動與其固接的中間軸16轉動，中間軸16驅動與其固接的撐桿二32轉動使其軸線由原來的水平狀態轉化為垂直狀態，此時轉換完畢，當由腿模式轉換為輪模式時，當撐桿一33和撐桿二32運動到輪模式狀態下的位置后，ii號電機34和iii號電機31通過協同運動使得連桿一22，連桿二30，圓弧腿一27，圓弧腿二28運動到輪模式下的相應位置。行走腿29具有一定的剛度，其與地面接觸的部分外側覆蓋有橡膠材料，以減少腿運動模式下的震動，輪腿系統為能獨立運動的輪運動系統和腿運動系統，在一種模式下運動時，另一種模式的結構不動，使得兩種運動系統在運動過程中互不干擾。

最后應說明的是：以上僅用以說明本發明的技術方案，而非對其進行限制，盡管參照前具體實施方式對本發明進行了詳細的說明，本領域的技術人員對所記載的技術方案進行修改，包括對本發明的部分或全部技術特征進行等同替換，其相應技術方案的本質并不脫離本發明的保護范圍。