阅读说明：本技术 四自由度轮足一体化机器人腿及机器人 (Four-degree-of-freedom wheel-foot integrated robot leg and robot ) 是由 何俊 李�杰 高峰 于 2020-05-22 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种四自由度轮足一体化机器人腿,包括上平台、驱动支链、转向驱动机构、移动下平台和轮驱动机构；所述驱动支链有多个,均匀布置在所述上平台和所述移动下平台之间；所述转向驱动机构的上端穿过所述上平台并与其固定,所述转向驱动机构的下端穿过所述移动下平台并通过弯曲轴与所述轮驱动机构连接,多个所述驱动支链以及所述转向驱动机构之间为并联关系。本发明机器人腿,结构简单、控制容易,运动精度高,具有高速响应能力以及优秀的承载能力,可以同时实现步行行进和轮式行进,兼有二者的优秀越障能力和快速的行进速度,适用于星球探测中各种复杂非结构地形以及松软地面条件下的高速,高负载运输作业。(The invention provides a four-degree-of-freedom wheel-foot integrated robot leg which comprises an upper platform, a driving branched chain, a steering driving mechanism, a movable lower platform and a wheel driving mechanism, wherein the upper platform is connected with the driving branched chain; the plurality of driving branched chains are uniformly arranged between the upper platform and the movable lower platform; the upper end of the steering driving mechanism penetrates through the upper platform and is fixed with the upper platform, the lower end of the steering driving mechanism penetrates through the movable lower platform and is connected with the wheel driving mechanism through a bending shaft, and the driving branched chains and the steering driving mechanism are connected in parallel. The robot leg has the advantages of simple structure, easy control, high motion precision, high speed response capability and excellent bearing capacity, can simultaneously realize walking travel and wheel travel, has excellent obstacle crossing capability and high travel speed of the walking travel and the wheel travel, and is suitable for high-speed and high-load transportation operation under various complex non-structural terrains and soft ground conditions in planet detection.)

四自由度轮足一体化机器人腿及机器人

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，具体地，涉及一种四自由度轮足一体化机器人腿及机器人。

背景技术

轮足一体化机器人是一种用车轮代替机器人脚部的机器人，该类型机器人兼有步行机器人和轮式移动平台的优点，能够在复杂地形中稳定的行走或在平坦的路面快速移动，可以代替人类在危险的环境中工作，比如：勘测复杂的地形地貌、灾后运送伤员、战场上运送装备和货物等。与腿式机器人相比，轮足一体化机器人在平坦的路面上可以通过驱动轮实现轮式行进，极大地提高了机器人的行走速度并且降低了对机器人的控制难度；同时，轮足一体化机器人保留了步行机器人优秀的越障能力，可以更好地适应非构造性地面以及松软地面的工作环境。因此，应用轮足一体化机器人腿对提高步行机器人的运动效率和对地面的适应性有着重要的意义，成为机器人研究领域的新热点。另外，并联式腿部的应用可以提高机器人的结构强度以及承载能力，同时直线驱动器结构简单、布置容易，使用直线驱动器可以使得机器人腿部结构更加紧凑，有效地减少机器人腿部质量。

经过对现有技术的检索，申请号为CN200810057401.5的发明专利公开了一种足轮两用机器人腿。该机器人腿中第一离合器与第一轴、第二轴连接,第一轴承内圈与第一轴连接、外圈与第一大轮毂连接,第二轴承、第三轴承内圈与第二轴连接、外圈与长连杆连接,同时离合器第一从动片与轮毂连接、第二从动片与长连杆连接。第二离合器与第三轴、第四轴连接,第六轴承内圈与第三轴连接、外圈与第二大轮毂连接,第七轴承内圈与第四轴连接、外圈与短连杆连接,同时离合器第一从动片与轮毂连接、第二从动片与短连杆连接。该但是专利所描述的机器人腿的自由度过少，因此在步行行进的过程中只能实现十分简单的步态，对于末端轨迹的规划也只能实现比较简单的轨迹，行进时的稳定性和灵活性难以保证。同时，由于该专利中所描述的机器人腿部结构过于紧凑并且实质上是串联机构，因此在越障能力上也存在改进的空间，承载能力也容易遇到瓶颈。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种四自由度轮足一体化机器人腿及机器人。

本发明的目的是通过以下方案实现的：

本发明的第一方面提供一种四自由度轮足一体化机器人腿，包括上平台、驱动支链、转向驱动机构、移动下平台和轮驱动机构；

所述驱动支链有多个，均匀布置在所述上平台和所述移动下平台之间；所述转向驱动机构的上端穿过所述上平台并与其固定，所述转向驱动机构的下端穿过所述移动下平台并通过弯曲轴与所述轮驱动机构连接，多个所述驱动支链以及所述转向驱动机构之间为并联关系。

进一步地，所述转向驱动机构包括转向驱动电机和传动支链，该传动支链为 R-UPU-R结构，支链中并没有驱动关节，不影响移动下平台的三自由度移动，所述转向驱动机构包括依次连接的转向驱动电机、第一转动关节、第一上虎克铰、第一移动关节、第一下虎克铰和第二转动关节，所述转向驱动电机与所述第一转动关节连接，所述第一转动关节与所述上平台固定，所述第一上虎克铰串联在所述第一转动关节之后，所述第一移动关节与所述第一下虎克铰连接，所述第二转动关节串联在所述第一下虎克铰之后并与所述移动下平台固定。转向驱动电机布置在上平台上，以减轻末端的质量，减少机器人腿所需要驱动的惯量。

进一步地，所述驱动支链有三个，驱动支链的轴线相互成120°，所述转向驱动机构位于三个所述驱动支链中间。

进一步地，所述上平台为三角形，三个所述驱动支链固定在所述上平台的三个角上。

进一步地，所述驱动支链包括依次连接的第二上虎克铰、第二移动关节和第二下虎克铰；所述第二上虎克铰与所述上平台固定，所述第二下虎克铰与所述移动下平台固定。三个驱动支链均为UPU型支链，第二移动关节即UPU三个关节中的P关节。

进一步地，所述第二移动关节中设有直线驱动器。

进一步地，所述轮驱动机构包括轮驱动电机和轮，所述轮驱动电机位于所述轮内并通过弯曲轴与所述轮驱动机构连接。轮驱动电机布置在该机器人腿的末端，来驱动位于末端的轮进而实现轮式前进。

本发明的第二方面提供一种机器人，包括机架和多个上述所述的四自由度轮足一体化机器人腿，多个所述四自由度轮足一体化机器人腿对称设置在所述机架上。

进一步地，所述四自由度轮足一体化机器人腿的数量为四个。

进一步地，所述四自由度轮足一体化机器人腿的数量为六个，所述机架为正六边形，六个所述四自由度轮足一体化机器人腿分别固定在所述机架的六个角上。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明的机器人腿中，采用的轮足一体化的结构同时实现了轮式行进和步行行进，兼顾了步行机器人和传统轮式移动平台的优点，能够在复杂地形中稳定的行走或在平坦的路面快速移动，对提高步行机器人的运动效率和对地面的适应性有着重要的意义。

2、本发明的机器人腿中，采用了四自由度并联机构，相比于简单的串联机构拥有更强的结构刚度和承载能力，同时又由于支链配置的对称性，使得整个机构具有各向同性。

3、本发明的机器人腿中，作为驱动末端实现三自由度平动的直线驱动器布置容易，使机器人腿部结构更加简单、紧凑，还提高了机器人的驱动力和运动速度。

4、本发明的机器人腿中，结构简单、控制容易，运动精度高，具有高速响应能力以及优秀的承载能力，可以同时实现步行行进和轮式行进，兼有二者的优秀越障能力和快速的行进速度，适用于各种复杂的非结构地形以及松软地面条件下的高速，高负载运输作业。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明四自由度轮足一体化机器人腿的结构示意图；

图2为本发明驱动支链的结构示意图；

图3为本发明转向驱动机构的结构示意图；

图4为本发明实施例2的结构示意图；

图5为图4的局部放大图；

图6为实施例2的俯视图；

图7为本发明实施例3的结构示意图；

图8为实施例3的俯视图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

本发明公开了一种四自由度轮足一体化机器人腿，该机器人腿为并联机构，包括转向驱动电机、上平台、三组对称布置的驱动支链、传动支链、移动下平台、轮驱动电机和轮。三组对称布置的驱动支链以及传动支链并联，在三个驱动支链内的直线驱动器的协同作业下，移动下平台可以实现三自由度平动进而使该机器人腿拥有步行行进的功能。传动支链将转向驱动电机的运动传递到末端，末端在传动支链的传动下实现轮的转向。最后，机器人腿可以通过轮驱动电机驱动位于机构末端的轮的方式实现轮式行进。本发明结构简单、控制容易，运动精度高，具有高速响应能力以及优秀的承载能力，可以同时实现步行行进和轮式行进，兼有二者的优秀越障能力和快速的行进速度，适用于星球探测中各种复杂非结构地形以及松软地面条件下的高速，高负载运输作业。

如图1至图8所示，接下来结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述。

实施例1

一种四自由度轮足一体化机器人腿，包括用于实现移动下平台三自由度移动的并联机构以及用于实现末端轮驱动以及转向的机构。具体包括三角形的上平台3、三个驱动支链、转向驱动机构、移动下平台10和轮驱动机构；三个驱动支链布置在上平台3和移动下平台10之间。

驱动支链包括依次连接的第二上虎克铰4、第二移动关节7和第二下虎克铰9；第二上虎克铰4与上平台3固定，第二下虎克铰9与移动下平台10固定。

转向驱动机构包括转向驱动电机1和传动支链，该传动支链为R-UPU-R结构，传动支链中并没有驱动关节，不影响移动下平台的三自由度移动，传动支链包括依次连接的第一转动关节2、第一上虎克铰5、第一移动关节6、第一下虎克铰8和第二转动关节 11，转向驱动电机1与第一转动关节2连接，第一转动关节2与上平台3固定，第一上虎克铰5串联在第一转动关节2之后，第一移动关节6与第一下虎克铰8连接，第二转动关节11串联在第一下虎克铰8之后并与移动下平台10固定，第二转动关节11通过弯曲轴14与轮驱动机构连接，三个驱动支链以及转向驱动机构之间为并联关系。转向驱动电机布置在上平台上，以减轻末端的质量，减少机器人腿所需要驱动的惯量。

用于实现移动下平台三自由度移动的并联机构即为上述描述的三个驱动支链以及一个传动支链。三个驱动支链均为UPU型支链，三个驱动支链按照对称的方式布置，其近架轴线相互成120度角。驱动支链中的驱动关节为移动关节并布置有直线驱动器，即UPU 三个关节中的P关节，整个并联机构以三条驱动支链中的三个移动关节作为输入，实现移动下平台的三自由度平动。位于中间位置的传动支链仅仅起到传递转向驱动电机运动的作用，传动支链为R-UPU-R结构，传动支链中并没有驱动关节，不影响移动下平台的运动，这三条驱动支链和一条传动支链并联在上平台和移动下平台之间。传动支链上端的第一转动关节2与转向驱动电机1相连，将转向驱动电机的转动传递到末端的第二转动关节11上，来驱动位于机构末端的轮13的转向。

轮驱动机构包括轮驱动电机12和轮13，轮驱动电机12位于轮13内并通过弯曲轴14与轮驱动机构连接。轮驱动电机和轮布置在机器人腿的末端，用来代替传统步行机器人的足部结构，该机器人腿通过轮驱动电机直接驱动轮的方式来实现轮式行进。

本实例中驱动支链的直线驱动器，转向驱动电机以及轮驱动电机采用任意类型能满足驱动要求的驱动系统即可。

实际作业时，该机器人腿除了末端轮的转动之外一共拥有四个驱动自由度。在三个驱动支链的三个直线驱动器的协调作用下，末端轮伴随着移动下平台可以实现空间三维平动。在这一运动中，移动下平台始终保持与上平台的平行关系，在转向驱动电机的驱动下，末端轮通过传动支链的传动实现垂直于移动下平台方向的转动，进而实现末端轮的转向，整个机器人腿拥有四个驱动自由度，可以实现末端轮全方位的平动和转向。

实施例2

实施例2是实施例1的应用例。

在实施例2中，一种机器人，包括机架15和四条结构相同的实施例1的四自由度轮足一体化机器人腿，四个四自由度轮足一体化机器人腿具有各向同性，并对称安装于机架15下方。

本实例中驱动支链的直线驱动器，转向驱动电机以及轮驱动电机采用任意类型能满足驱动要求的驱动系统即可。

实际作业时，每条四自由度轮足一体化机器人腿，除末端轮的转动之外具有四个驱动自由度，三个直线驱动器协同驱动末端实现空间三维平动并联输出。同时在转向驱动电机的驱动下，末端轮通过传动支链的传动实现垂直于移动下平台方向的转动，进而实现末端轮的转向。整个机器人腿拥有四个驱动自由度，可以实现末端轮全方位的平动和转向，末端轮可以通过轮驱动电机驱动，这样，本实例中四足轮足机器人可以实现四足步态的步行行进或轮式行进。

实施例3

实施例3是实施例1的应用例。

在实施例3中，一种机器人，包括机架15和六条结构相同的四自由度轮足一体化机器人腿，机架15为正六边形，六个四自由度轮足一体化机器人腿具有各向同性，并对称安装于机架15下方，即分别固定在机架15的六个角上。

本实例中驱动支链的直线驱动器，转向驱动电机以及轮驱动电机采用任意类型能满足驱动要求的驱动系统即可。

实际作业时，每条机四自由度轮足一体化机器人腿除末端轮的转动之外具有四个驱动自由度，三个直线驱动器协同驱动末端实现空间三维平动并联输出。同时在转向驱动电机的驱动下，末端轮通过传动支链的传动实现垂直于移动下平台方向的转动，进而实现末端轮的转向。整个机器人腿拥有四个驱动自由度，可以实现末端轮全方位的平动和转向。末端轮可以通过轮驱动电机驱动，这样，本实例中六足轮足一体化机器人可以实现六足步态的步行行进或轮式行进。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“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申请和简化描述，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申请的限制。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。