一种具有悬挂系统的轮腿式六足机器人的制作方法

本发明涉及机器人领域，具体是一种具有悬挂系统的轮腿式六足机器人。

背景技术：

目前，常规的移动机器人包括轮式机器人和履带式机器人，与它们相比，腿式机器人具有更强的地形适应能力以及更好的机动性能。作为腿式机器人的典型代表，六足机器人具有丰富的步态和冗余的肢体结构，运动灵活，可以在离散的地面上移动、跨越障碍等。另外，在平坦的地面环境下，与轮式、履带式移动机器人相比，传统的腿式机器人则具有移动速度慢、效率低的缺点，因此，将轮式与腿式相结合的移动方式的研究具有十分重要的意义。悬挂系统是最初应用在汽车制造中汽车车架与车轮或车桥之间的一切连接装置的总称，可分为独立悬挂系统和非独立悬挂系统，非独立悬挂系统中两个车轮相互联系，两者的跳动相互影响。而独立悬挂系统中各个车轮有各自的悬挂机构，彼此相互独立。通过悬挂系统，可以有效地降低移动平台的震动，缓解平台关键零件之间的冲击，提高平台的稳定性和可靠性。公开号为cn106427446a的发明专利提出了一种机器人车体的悬挂系统，虽然其结构简单，但其只在竖直方向实现了对机器人本体的减震。

对于六足机器人来说，通过在其身上装载各种设备，它们可以在复杂地形中执行各种任务，这就要求六足机器人具有较高的承载能力以及在负载状态下具有较强的运动稳定性。在机器人移动过程中，无论是腿式移动方式还是轮式移动方式，机器人还需要保证本体内设备的完整性以及减少移动过程中机器人的各个方向的颠簸对本体设备的影响。在现有的大型六足机器人中，其主要关注机器人的承载能力，对机器人本体在移动过程中负载对运动的影响的研究较少，同时对本体内部设备受到运动颠簸的影响较少。因此，腿式机器人的悬挂系统的研究具有十分重要的意义。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明提出一种具有独立悬挂系统的轮腿复合式六足机器人，悬挂系统仅仅使用一个避震器就可以实现两个方向的减震缓冲效果，保证机器人内部环境在运动过程中的完整性，同时可以提高机器人的承载能力以及在运动过程中负载的稳定性；

本发明具有悬挂系统的轮腿式六足机器人，包括机体与六条单腿结构；六条单腿机构在机体周向上均布。

所述单腿结构具有跟关节、髋关节与膝关节。其中，跟关节与机体间相连，通过电机驱动绕竖直z轴转动。髋关节与跟关节间通过悬挂系统相连；髋关节与膝关节均通过电机直驱，绕水平y轴转动，两者间通过大腿结构相连。膝关节与小腿结构末端相连，小腿结构末端还安装有轮式移动机构；小腿前端安装有足端缓冲机构。

上述悬挂系统包括横臂、避震器、避震器下连接件、跟关节接头与跟关节接头连接件。其中，避震器顶部与跟关节件间形成绕y轴转动的转动副；避震器底部与避震器下连接件顶部间形成绕y轴转动的转动副。横臂末端与跟关节间形成绕y轴转动的转动副；避震器下连接件底部与横臂前端间形成沿z轴的移动副。跟关节连接头安装于髋关节上；跟关节接头连接件与连接头间周向相对定位；横臂前端与跟关节连接头以及跟关节接头连接件间形成绕水平x轴转动的转动副。上述跟关节接头顶部具有接触面，与避震器下连接件底部凸起接触。

由此使悬挂系统仅仅使用一个避震器就可以实现两个方向的减震缓冲效果：当单腿结构竖直方向受力时，避震器受压会对外部产生张力，这是会将避震器下连接件顶住，使其紧贴横臂的接板，此时单腿机构的受力经横臂及避震器下连接件传递至避震器，由避震器缓冲冲击。当单腿结构受到侧向的冲击时，会有一个绕y轴转动的趋势，此时会带动跟关节接头和跟关节接头连接件一并转动，进而通过跟关节连接件顶部的接触面向上推动避震器下连接件相对横臂向上移动，由此压缩避震器，由避震器缓冲冲击。

本发明设计的机器人的运行状态包括步行移动状态和轮式移动状态，其中步行移动状态是通过控制跟关节电机、髋关节电机和膝关节电机的运转来实现的，通过控制三个电机的转向和转速来实现机器人步行状态的前进、后退和转向。轮式移动状态是通过控制轮式电机和跟关节电机的转向和转速来实现机器人轮式移动状态的前进、后退和转向。另外，通过在机器人机体上增添摄像头、相应的传感器和操作臂等，可以作为各类型具有高机动能力的移动机器人、能完成各种任务的特种机器人等平台的移动机构。

本发明的优点在于：

1、本发明具有独立悬挂系统的轮腿式六足机器人中，悬挂系统仅仅使用一个避震器就可以实现两个方向的减震缓冲效果。在崎岖不平的环境下行走时，悬挂系统不仅可以有效地减缓机械腿与机体之间在竖直方向上的运动冲击，而且可以当机械腿摆动过程中碰到障碍物或者机械腿突然侧滑时，减缓机械腿与机体在由机体中心向外的轴线方向上的转矩，从而可以缓冲机械腿的转矩对跟关节电机的冲击。同时在轮式移动模式下，可以减缓在运动过程中因路面不平橡胶轮、机械腿与机体之间的运动冲击。无论是步行移动还是轮式移动方式，该悬挂系统都可以保证机体内部环境在运动过程中的完整性，同时可以提高机器人的承载能力以及在运动过程中负载的稳定性；

2、本发明具有独立悬挂系统的轮腿式六足机器人中，跟关节和轮式移动机构的驱动均采用电机直线驱动方式，这不仅可以减少电机对机器人内部空间的占用，减轻机器人的重量，而且可以提高电机的运行效率；

3、本发明具有独立悬挂系统的轮腿式六足机器人中，髋关节和膝关节的关节电机均合理布置在大腿处，在小腿内部保留较大的空间，以便可以在小腿处安装各种设备，如操作臂等，从而提高机器人自身的功能集合度。

附图说明

图1为本发明具有悬挂系统的轮腿式六足机器人整体结构示意图；

图2为本发明具有悬挂系统的轮腿式六足机器人中单腿结构示意图；

图3为本发明具有悬挂系统的轮腿式六足机器人中髋关节结构示意图；

图4为本发明具有悬挂系统的轮腿式六足机器人中悬挂系统结构示意图；

图5为悬挂系统中横臂结构示意图；

图6为本发明具有悬挂系统的轮腿式六足机器人中悬挂系统安装方式示意图；

图7为本发明具有悬挂系统的轮腿式六足机器人中足端缓冲机构结构示意图；

图8为本发明具有悬挂系统的轮腿式六足机器人轮行模式姿态示意图。

图中：

1-机体2-单腿结构201-跟关节

202-髋关节203-膝关节204-悬挂系统

205-大腿结构206-小腿结构207-足端缓冲机构

208-轮式移动机构201a-跟关节连接件201b-跟关节基座

201c-跟关节电机202a-关节基座202b-关节连接件

202c-关节电机202d-髋关节连接件202e-电机安装板

202f-转轴202g-关节齿轮a202h-关节齿轮b

204a-横臂204b-避震器204c-避震器下连接件

204d-跟关节接头204e-跟关节接头连接件204a1-侧臂

204a2-接板204a3-凸耳204c1-凸起部分

204d1-连接头204d2-一字型槽204e1-接触面

204e2-连接轴207a-足端基座207b-缓冲弹簧

207c-足端杆

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细的说明。

本发明具有悬挂系统的轮腿式六足机器人，如图1所示，包括机体1与六条单腿结构2。其中，机体1为由上层与下层六边形板构成的双层正六面体框架结构，机体1的各角处作为单腿结构安装位，用来安装单腿结构2，则机体1周向上均匀安装有六条单腿结构2，进而通过六条单腿结构2的协调运动，可以实现本发明轮腿式六足机器人的全方位步行行走，以及轮式移动。

上述单腿结构2具有三个传统关节，分别为跟关节201、髋关节202与膝关节203，如图2所示。其中，跟关节201包括跟关节连接件201a、跟关节基座201b和跟关节电机201c。跟关节基座201b为由后侧板、顶板与底板构成的c型框架结构，顶板和底板与机体1间平行设置。跟关节电机201c安装于跟关节基座201b内，跟关节电机201c的机体端固定于跟关节基座201b的底板上，输出轴与跟关节基座201b顶板间固定，并穿过顶板。跟关节连接件用来实现跟关节基座201b与机体1间的连接；跟关节连接件201a为包括上连接件与下连接件；其中上连接件一端与机体1的上层间固定，另一端通过轴承连接于跟关节电机201c的输出轴上；下连接件一端与机体1的下层间固定，另一端通过轴承连接于跟关节基座201b的底板上。由此，通过跟关节电机201c以直接驱动的方式驱动跟关节基座201b绕竖直z轴转动，从而实现单腿结构2绕竖直z轴转动，同时跟关节电机201c的这种直接驱动的方式可以提高机体1的内部空间利用率。

所述髋关节202与膝关节203结构相同，包括关节基座202a、关节连接件202b、关节电机202c与关节齿轮组件，如图3所示。其中关节基座202a具有左右安装板，两者间平行设置，且前端之间通过电机安装板202e相连定位。左右安装板后端间安装有转轴202f，转轴202f轴线沿空间y轴方向设置，两端与左右安装板间固定，且两端穿出左右安装板。关节电机202c固定于电机安装板202e上，轴线沿空间x轴设置，输出轴穿过电机安装板202e位于关节基座202a内。关节齿轮组件包括关节齿轮a202g与关节齿轮b202h，两者均为斜锥齿轮；关节齿轮a202g同轴固定安装于转轴202e上，关节齿轮b202h同轴固定安装于关节电机202c上，且关节齿轮a202g与关节齿轮b202h相互啮合。上述髋关节202中还具有髋关节连接件202d，用于髋关节202与跟关节201间的连接，髋关节连接件202d为由l型左连接件与右连接件共同构成的u型结构；左连接件与右连接件的侧面分别与髋关节202中转轴202e两端通过轴承相连，后端用来连接跟关节201。

上述跟关节201与髋关节202之间通过悬挂系统204连接，如图2所示，悬挂系统204为独立悬挂系统，即每条单腿结构2上的悬挂系统204相互独立。如图4所示，悬挂系统204包括横臂204a、避震器204b、避震器下连接件204c、跟关节接头204d与跟关节接头连接件204e。如图5所示，横臂204a具有相互平行的两侧臂204a1，两侧臂204a1倾斜设置，且与跟关节基座201b的底板间夹角为0°到25°。两侧臂204a1底端位于跟关节基座201b的前部，两侧臂204a1底端间通过接板204a2相接形成一体，顶端通过铰接座铰接于跟关节基座201b的后侧板上，形成绕y轴的转动副。上述接板204a2底面设计有两个凸耳204a3，分别用来连接跟关节接头204d与跟关节接头连接件204e。避震器204b位于跟关节基座201b内，且位于横臂204a的两侧臂之间。避震器204b顶端与跟关节基座201b的上表面铰接构成绕y轴的转动副；避震器204b底端与避震器下连接件204c铰接构成绕y轴的转动副，如图6所示，避震器下连接件204c底部设计有凸起部分204c1，该凸起部分204c1穿过横臂204a中接板204a2上开设的通孔构成沿z轴的移动副。跟关节接头204d一侧为平面连接侧，与髋关节202中髋关节连接件202d的左连接件与右连接件底端固定；跟关节接头204d的另一侧设计有柱状连接头204d1，连接头204d1的端部开有沿y轴方向设计的一字型槽204d2，如图3所示，用来定位跟关节接头连接件204e。跟关节接头连接件204e顶部设计有接触面204c1，一侧设计有与接触面204e1平行的一字突起，另一侧设计有连接轴204e2。跟关节接头连接件204e通过一字突起与连接头204d1端部的一字型槽204d2配合插接，实现跟关节接头连接件204e与跟关节接头204d间的轴向定位，并进一步通过螺钉将跟关节接头连接件204e与跟关节接头204d间固连。上述横臂204a底部设计的两个连接凸耳204a3，分别套于连接头204d1与连接轴204e2上，且使单腿结构2未受力时，跟关节接头连接件204e顶部接触面与避震器下连接件204c底部凸起部分204c1贴合。由此，实现单腿结构2两个方向的避震，具体为：当单腿结构2竖直方向受力时，避震器204b受压会对外部产生张力，这是会将避震器下连接件204c顶住，使其紧贴横臂204a的接板204a2，此时单腿机构2的受力经横臂204a及避震器下连接件204c传递至避震器204b，由避震器204b缓冲冲击。当单腿结构2受到侧向的冲击时，会有一个绕y轴转动的趋势，此时会带动跟关节接头204d和跟关节接头连接件204e一并转动，进而通过跟关节连接件204e顶部的接触面向上推动避震器下连接件204c相对横臂204a向上移动，由此压缩避震器204b，由避震器204b缓冲冲击。

所述髋关节202与膝关节203间通过大腿结构205相连；如图2所示，大腿结构205具有左右两侧大腿板205a，平行设置，后端分别与髋关节202中的左右安装板相接固定；通过髋关节202的关节电机202c驱动以及关节齿轮组件的传动使髋关节202转动，实现大腿结构205的俯仰运动。大腿结构205前端分别与膝关节203中的左右安装板后端相接固定。此时，髋关节202与膝关节203中的关节电机202c轴线平行，均位于大腿结构205内部。

上述膝关节203处连接有小腿结构206，如图2所示，小腿结构206包括左右两侧的小腿板206a，后端分别与膝关节203中转轴两端通过轴承相连；通过膝关节203的关节电机202c驱动以及关节齿轮组件的传动使膝关节204转动，实现小腿结构206的俯仰运动。小腿结构206前端端部安装有足端缓冲机构207；同时小腿结构206后端安装有轮式移动机构208。足端缓冲机构207包括足端基座207a、缓冲弹簧207b与足端杆207c。其中，足端基座207a与小腿结构206中左右两侧的小腿板206a前端固定。足端基座207a内安装有缓冲弹簧207b，缓冲弹簧207b一端套在足端基座207a顶部设计的凸台上定位，另一端套在由足端基座207a底部穿过的足端杆207c的末端，通过足端杆207c末端周向设计的定位台肩207d定位；同时足端杆207c通过该定位台肩207d实现与足端基座207a间相对移动的限位。足端杆207c前端用于与地接触。在机器人步行过程中，足端杆207c受到地面对其的作用力，通过缓冲弹簧207b的压缩运动可以减缓该运动冲击，从而实现单腿结构2足端的缓冲效果。

所述轮式移动机构208包括橡胶轮208a、轮式连接件208b和轮式电机208c，如图2所示。其中，轮式连接件208b具有左右侧板，与小腿结构206中的左右两侧小腿板206a外侧固连。轮式电机208c安装于轮式连接件208b的左右侧板间，轴线沿y轴设置。橡胶轮208a穿过轮式电机208c并与其连接，通过轮式电机208c以直线驱动的方式驱动并带动橡胶轮208a转动。

本发明轮腿式六足机器人中，通过控制三个关节上关节电机202c的转动来控制单腿结构2的摆动以及俯仰运动，进而通过控制六条腿再通过一定的步态可实现机器人的全方位行走。同时，通过改变单腿结构2的构型可以使轮式移动机构208着地，转换成轮式移动模式，如图8所示；进一步通过控制轮式电机208c的转动以及跟关节电机201c的转动，可以实现机器人轮式移动模式下的前进、后退和转向等移动方式。同时通过悬挂系统204会在机器人步行的过程中缓冲由地面产生在单腿机构2和机体1之间的运动冲击。

当机器人在平坦的地面上静止站立时，避震器204b会对跟关节基座201a上部分和横臂204a产生向下的推力，横臂204a在推力的作用下与跟关节基座201a下部分接触，形成机械限位。当机器人静止站立时，在避震器204b和机械限位的作用下，可以实现机体1与单腿结构2之间形成刚性支撑的效果，保证了机器人站立姿态的稳定。

当机器人步行过程中或者机器人在崎岖不平的地面下站立时，由于机体1质心的位置是变化的，并且每条单腿结构2的受力是不均匀的，此时地面会对某些单腿结构2产生较大的瞬间的作用力，因为避震器204b是作为支撑单腿结构2与机体1间的支撑元件，这部分作用力会首先通过单腿结构2作用于避震器204b，这时避震器204b的弹簧会因为外力作用下收缩，对运动冲击起到缓冲减震的效果，从而减少外部运动冲击对机器人内部环境影响。同时在崎岖的地面环境下，通过每条单腿结构2的独立悬挂系统204作用下，可以减缓机体1在运动过程中质心的位置的突变情况，可以保证机体1及其上承载设备的稳定性。

当机器人在崎岖的地面上的步行过程中，在机器人前进方向上两侧的单腿结构2做摆动运动时碰撞到障碍物时，单腿结构2会受到一个水平面上与前进方向相反的方向的运动冲击，该冲击的作用力会对机体1产生一个垂直于前进方向并从机体1向外的轴的方向的转矩。该转矩会经过单腿结构2首先作用在悬挂系统204上，这时悬挂系统204的跟关节接头204d和跟关节接头连接件204e会相对横臂204a转动，其中跟关节接头连接件204e的转动会带动避震器下连接件204c相对横臂204a向上滑动，从而使避震器204b产生收缩减震，缓冲该转矩对机体1的运动冲击。同时，在机器人正常步行过程中或者转矩产生运动冲击结束时，避震器204b会对避震器下连接件204c产生向下的推力，从而保证跟关节接头连接件204e的上表面与避震器下连接件204c的下表面贴合，这时候跟关节接头连接件204e与避震器下连接件204c相当于刚性连接，保证单腿结构2始终在竖直方向做俯仰运动。

机器人在崎岖不平的环境中轮式移动的过程中，轮式移动机构208会受到因地面不平产生的运动冲击，这部分作用力会经过单腿结构2的悬挂系统204中的避震器204b作用下减缓冲击，对机体1起到缓冲减震的作用，保证机器人在崎岖不平的地面情况下依然能平稳的前进，同时保证机器人内部环境的稳定性。