一种变姿态足式机器人模块及变姿态足式机器人的制作方法

本发明涉及机器人技术领域，具体涉及一种变姿态足式机器人模块及变姿态足式机器人。

背景技术：

足式机器人能很好的适应复杂崎岖、不连续的地形，并且展现出良好的运动能力，多样的运动步态，以及较高的能量利用效率。足式机器人凭借其在行走过程中与地面的非连续接触特性表现出了很强的适应性，尤其在有障碍物的通道上或很难接近的工作场地上具有更广阔的发展前景，因此被广泛应用于抢险救灾、排雷排爆、地质勘探、军事行动等领域。

目前的多足式机器人主要是四足式和六足式，每条腿一般有3个主动自由度，每条腿需要3个驱动组件，这样既提高了机器人的制作成本，又增加了机器人的整体重量与体积。同时当前机器人多数无法在不同高度及不同宽度缝隙空间中变换外形尺寸以适应通行限制，且当机器人发生倾覆摔倒身体翻转后，不能继续正常行走运动，这些问题严重限制了足式机器人的应用。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对现有足式机器人所存在的不足，提供了一种变姿态足式机器人模块及变姿态足式机器人，该机器人模块能够根据当前可运动的空间进行主动或被动调整自身的高度及宽度等尺寸，同时当机器人本体发生倾覆翻转，身体向上时仍能够保持正常的迈步行走及越障等功能。

为了实现上述目的，本发明实施例提供如下技术方案：

根据本发明的第一方面，一种变姿态足式机器人模块，其包括身体部和对称设置在身体部左右两侧的肢体部，所述肢体部包括腿部和脚部，所述腿部与身体部枢接，且腿部通过角度调节机构与身体部传动连接，所述角度调节机构用以调节腿部与身体部之间的夹角，所述脚部通过行走驱动机构与腿部传动连接，所述脚部设有第一支撑部、第二支撑部、第三支撑部和第四支撑部；

当模块为站立姿态时，所述第三支撑部与行走面相抵；

当模块为翻转站立姿态时，所述第一支撑部与行走面相抵；

当模块为趴下姿态时，所述第四支撑部与行走面相抵；

当模块为翻转趴下姿态时，所述第二支撑部与行走面相抵。

进一步地，所述脚部呈l形或c形。

进一步地，当模块为站立姿态或翻转站立姿态时，第三支撑部与身体部在横向的间距小于第二支撑部与身体部在横向的间距，且第一支撑部与身体部在横向的间距小于第二支撑部与身体部在横向的间距；当模块为趴下姿态或翻转趴下姿态时，第四支撑部与身体部在横向的间距小于第三支撑部与身体部在横向的间距。

进一步地，所述第一支撑部与第三支撑部在竖向的间距大于所述第二支撑部与第四支撑部在横向的间距。

进一步地，所述角度调节机构包括胯部轴和姿态调整电机，所述胯部轴沿前后方向设置，且胯部轴可转动的设置于身体部的侧部，所述腿部与所述胯部轴固定连接，所述姿态调整电机固定于所述身体部，且所述姿态调整电机与所述胯部轴传动连接。

进一步地，所述角度调节机构还包括腿部驱动皮带、中部轴和腿部同步带，所述姿态调整电机通过腿部驱动皮带与中部轴传动连接，所述中部轴沿前后方向设置，且所述中部轴可转动地固定于所述身体部，所述中部轴通过腿部同步带与所述胯部轴传动连接。

进一步地，所述姿态调整电机和腿部驱动皮带各设有一个，所述中部轴、腿部同步带、胯部轴各设有两个，两根所述中部轴各设有一个相互啮合的中部齿轮，其中一根中部轴与端部姿态调整电机通过腿部驱动皮带传动连接。

进一步地，所述模块还包括上部外壳，所述上部外壳设置于所述身体部的上方以保护角度调节机构。

进一步地，所述行走驱动机构设有两个，两个行走驱动机构分别设置于两个脚部，所述行走驱动机构包括驱动电机、驱动曲柄、脚部驱动主动同步带轮、从动曲柄、脚部驱动从动同步带轮和脚部同步带，所述驱动电机固定于腿部，所述驱动曲柄的第一端与驱动电机的输出轴固定，所述脚部驱动主动同步带轮套设固定于电机的输出轴外，所述从动曲柄的第一端与腿部枢接，所述脚部驱动从动同步带轮套设固定于从动曲柄的第一端，脚部驱动主动同步带轮通过脚部同步带与脚部驱动从动同步带轮传动连接；其中，驱动曲柄的第二端与从动曲柄的第二端同步转动；

所述脚部还包括两根连杆，所述驱动曲柄的第二端一根连杆与脚部枢接，所述从动曲柄的第二端与脚部枢接；其中，所述连杆倾斜安装，与脚部设有角度差，在站立姿态时，连杆的靠近脚部的一端低于连杆的远离脚部的一端。

根据本发明的第二方面，一种变姿态足式机器人，其包括本发明第一方面所述的变姿态足式机器人模块。

本发明具有如下优点：

1、腿部在角度调节机构的作用下可旋转，使脚部的第三支撑部或第四支撑部支撑在行走面上，实现站立姿态与趴下姿态的转变；当发生倾覆时，腿部在角度调节机构的作用下旋转，使脚部的第一支撑部或第二支撑部支撑在行走面上，实现倾覆后的站立姿态与趴下姿态的转变；如此，在行走时可够根据当前可运动的空间进行主动或被动调整自身的高度及宽度，并且在倾覆时仍可保持行走和翻越障碍，提高了容错能力和应用前景；

2、左右腿共用一个姿态调整电机，而且每只脚只使用一个驱动电机，结构简单能够减轻机器人腿部的质量，实现了机构的轻量化，降低能耗，同时能够较大幅度的增大负载能力；

3、采用对称的一体式纵向足部结构，对于发生倾覆时身体翻转向上也能够正常行走，使得容错能力提高；

4、腿部和脚部之间驱动采用两个曲柄、连杆连接，保证了进行迈步运动时良好的动态稳定性，通过驱动电机的正反转并结合曲柄的传递，实现行走机构的进退及转向，可在不同复杂地形中行走；

5、腿部和身体部之间的角度可以进行主动调节，在站立与趴下等不同姿态之间任意变换角度，同时为了防止顶部过大载重将其压坏，腿部和身体部之间的角度也可以由腿部驱动皮带进行被动缓冲调节，因为腿部驱动皮带传动属于带传动，带传动在受到较大负载或扭矩时可以打滑，防止断裂或损坏；

6、本发明机器人模块通过连杆与腿部、脚部之间倾斜安装的角度差，使整个机构运动过程中，在脚部的驱动电机固定不变的情况下，仍然能够保证机器人在站立或趴下等不同姿态时都可以正常迈步行走；

7、可以根据负重的大小和环境不同，进行方便地选用不同数量的模块拼装，组合成四足、六足或更多种类的足式机器人；同时也可以根据应用需求将机器人身体部加大，把多个模块的腿部和脚部集成到一个机器人上，精简主控和姿态调整部件。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是示例性的，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图引申获得其它的实施附图。

本说明书所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容所能涵盖的范围内。

图1为本发明实施例1提供的一种变姿态足式机器人模块的爆炸视图；

图2为本发明实施例1提供的变姿态足式机器人模块的站立姿态轴测图；

图3为本发明实施例1提供的变姿态足式机器人模块的站立姿态俯视图；

图4为本发明实施例1提供的变姿态足式机器人模块的身体部的轴测图；

图5为本发明实施例1提供的变姿态足式机器人模块的腿部与脚部的轴测图；

图6为本发明实施例1提供的变姿态足式机器人模块的脚部的轴测图；

图7为本发明实施例1提供的变姿态足式机器人模块的站立姿态主视图；

图8为本发明实施例1提供的变姿态足式机器人模块的翻转站立姿态主视图；

图9为本发明实施例1提供的变姿态足式机器人模块的站立姿态行走主视图；

图10为本发明实施例1提供的变姿态足式机器人模块的站立姿态行走左视图；

图11为本发明实施例1提供的变姿态足式机器人模块的趴下姿态主视图；

图12为本发明实施例1提供的变姿态足式机器人模块的翻转趴下姿态主视图；

图13为本发明实施例1提供的变姿态足式机器人模块的趴下姿态行走主视图；

图14为本发明实施例2提供的变姿态足式机器人的两组机器人模块拼装轴测视图；

图15为本发明实施例2提供的变姿态足式机器人的三组机器人模块拼装轴测视图；

图16为本发明实施例2提供的变姿态足式机器人的两组机器人模块拼装轴测视图(加长一体版)；

图17为本发明实施例2提供的变姿态足式机器人的三组机器人模块拼装轴测视图(加长一体版)。

图中：1-身体部；

2.1-机器人左腿；3.1-机器人左脚；4.1-左脚驱动电机；5.1-左脚驱动主动同步带轮；6.1-左脚同步带；7.1-左脚驱动从动同步带轮；8.1-左脚驱动曲柄；9.1-左脚从动曲柄；10.1-左脚电机驱动板；11.1-左腿中部齿轮；12.1-左腿一级从动同步带轮；13.1-左腿同步带；14.1-左腿二级从动同步带轮，22.1-左中部轴，23.1-左胯部轴；

2.2-机器人右腿；3.2-机器人右脚；4.2-右脚驱动电机；5.2-右脚驱动主动同步带轮；6.2-右脚同步带；7.2-右脚驱动从动同步带轮；8.2-右脚驱动曲柄；9.2-右脚从动曲柄；10.2-右脚电机驱动板；11.2-右腿中部齿轮；12.2-右腿一级从动同步带轮；13.2-右腿同步带；14.2-右腿二级从动同步带轮，22.2-右中部轴，23.2-右胯部轴；

15-姿态调整电机；16-腿部驱动主动带轮；17-腿部驱动皮带；18-腿部驱动从动带轮；19-主控板；20-电源；21-上部外壳；

24-连杆，25-第一支撑部，26-第二支撑部，27-第三支撑部，28第四支撑部。

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

实施例1

如图1至图13所示，实施例1提供了一种变姿态足式机器人模块，其包括身体部1和对称设置在身体部1左右两侧的肢体部。所述肢体部包括腿部和脚部，例如机器人左腿2.1、机器人右腿2.2、机器人左脚3.1、机器人右脚3.2。所述腿部与身体部1枢接，且腿部通过角度调节机构与身体部1传动连接，所述角度调节机构用以调节腿部与身体部1之间的夹角。所述脚部通过行走驱动机构与腿部传动连接，所述脚部包括从上到下依序相邻连接的第一支撑部25、第二支撑部26、第三支撑部27和第四支撑部28；

当模块为站立姿态时，所述第三支撑部27与行走面相抵；

当模块为翻转站立姿态时，所述第一支撑部25与行走面相抵；

当模块为趴下姿态时，所述第四支撑部28与行走面相抵；

当模块为翻转趴下姿态时，所述第二支撑部26与行走面相抵。

本实施例提供的变姿态足式机器人模块，腿部在角度调节机构的作用下可旋转，使脚部的第三支撑部27或第四支撑部支撑28在行走面上，实现站立姿态与趴下姿态的转变；当发生倾覆时，腿部在角度调节机构的作用下旋转，使脚部的第一支撑部25或第二支撑部支撑26在行走面上，实现倾覆后的站立姿态与趴下姿态的转变；如此，在行走时可够根据当前可运动的空间进行主动或被动调整自身的高度及宽度，并且在倾覆时仍可保持行走和翻越障碍。

在本实施例中，所述脚部呈l形或c形，或者其它的类似的形状。第一支撑部25与第三支撑部27在竖向的间距大于所述第二支撑部26与第四支撑部28在横向的间距，如此可保证趴下姿态时降低高度。当脚部呈l形时，可选的，第一支撑部25与第二支撑部26垂直，第二支撑部26与第三支撑部27垂直，第三支撑部27与第四支撑部28垂直。

作为优选的，当模块为站立姿态或翻转站立姿态时，第三支撑部27与身体部1在横向的间距小于第二支撑部26与身体部1在横向的间距，且第一支撑部25与身体部1在横向的间距小于第二支撑部26与身体部1在横向的间距；当模块为趴下姿态或翻转趴下姿态时，第四支撑部28与身体部1在横向的间距小于第三支撑部27与身体部1在横向的间距。如此在变换姿态时，可避免脚部的各支撑部限制变换方式。

需要指出的是，脚部的各支撑部并非一定受限于上述的间距要求，上述的间距要求仅是可选的技术方案。各支撑部也不受限于“从上到下依序相邻”的限定，该限定同样是可选的一种技术方案。也可去掉第一支撑部25和第四支撑部28，此时第二支撑部26的非连接端起第一支撑部25的作用，第三支撑部27的非连接端起第四支撑部28的作用，仅为名义上去掉了第一支撑部25和第四支撑部28，实质在功能上还是存在这两个支撑部。

在本实施例中，脚部为板结构，在保证强度的前提下，可挖空一部分，甚至可采用中空板，如此可减小脚部的重量，提高运载能力。

在本实施例中，所述角度调节机构包括胯部轴和姿态调整电机15，如左胯部轴23.1和右胯部轴23.2。所述胯部轴沿前后方向设置，且胯部轴可转动的设置于身体部1的侧部。所述腿部与所述胯部轴固定连接。所述姿态调整电机15固定于所述身体部1的上方，且所述姿态调整电机15与所述胯部轴传动连接。在身体部1的上方还设有电源20和主控板19。电源20与主控板19电连接，主控板19与姿态调整电机15电连接，主控板19控制姿态调整电机15的转动及方向，从而使腿部沿胯部轴转动一定的角度，实现站立姿态与趴下姿态的转换。在本实施例中，站立姿态与趴下姿态相互变换时，腿部相对胯部轴转动90°。所述角度调节机构还包括腿部驱动皮带17、中部轴和腿部同步带，如左中部轴22.1，右中部轴22.2、左腿同步带13.1、右腿同步带13.2。所述姿态调整电机15通过腿部驱动皮带17与中部轴传动连接。所述中部轴沿前后方向设置，且所述中部轴可转动地固定于所述身体部1。所述中部轴通过腿部同步带与所述胯部轴传动连接。

在本实施例中，所述姿态调整电机15和腿部驱动皮带17各设有一个，所述中部轴、腿部同步带、胯部轴各设有两个。姿态调整电机15的输出轴固定有腿部驱动主动带轮16，一根中部轴上固定有腿部驱动从动带轮18，腿部驱动主动带轮16通过腿部驱动皮带17与腿部驱动从动带轮18传动连接。两根所述中部轴各设有一个相互啮合的中部齿轮，如左腿中部齿轮11.1、右腿中部齿轮11.2，通过相互啮合的中部齿轮，使两根中部轴同步且逆向转动。中部轴还设有腿部一级从动同步带轮，例如左腿一级从动同步带轮12.1、右腿一级从动同步带轮12.2。胯部轴上设有腿部二级从动同步带轮，例如左腿二级从动同步带轮14.1、右腿二级从动同步带轮14.2。腿部一级从动同步带轮通过腿部同步带与腿部二级从动同步带轮传动连接。

在本实施例中，所述模块还包括上部外壳21，所述上部外壳21设置于所述身体部1的上方以保护角度调节机构。

在本实施例中，所述行走驱动机构设有两个，两个行走驱动机构分别设置于两个脚部，所述行走驱动机构包括驱动电机、驱动曲柄、脚部驱动主动同步带轮、从动曲柄、脚部驱动从动同步带轮和脚部同步带，例如左脚驱动电机4.1、右脚驱动电机4.2、左脚驱动曲柄8.1、右脚驱动曲柄8.2、左脚驱动主动同步带轮5.1、右脚驱动主动同步带轮5.2、左脚从动曲柄9.1、右脚从动曲柄9.2、左脚驱动从动同步带轮7.1、右脚驱动从动同步带轮7.2、左脚同步带6.1和右脚同步带6.2。所述驱动电机固定于腿部。所述驱动曲柄的第一端与驱动电机的输出轴固定，所述驱动曲柄的第二端通过连杆24与脚部枢接。所述脚部驱动主动同步带轮套设固定于电机的输出轴外。所述从动曲柄的第一端与腿部枢接，从动曲柄的第二端通过连杆24与脚部枢接。其中，连杆倾斜安装，与脚部设有角度差。例如，连杆与第二支撑部的夹角(角度差)为20-70°，在站立姿态时，连杆的靠近脚部的一端低于连杆的远离脚部的一端。所述脚部驱动从动同步带轮套设固定于从动曲柄的第一端，脚部驱动主动同步带轮通过脚部同步带与脚部驱动从动同步带轮传动连接。为了实现左脚和右脚的独立跨步，左脚驱动电机4.1与机器人左脚3.1上的左脚电机驱动板10.1电连接，右脚驱动电机4.2与机器人右脚3.2上的右脚电机驱动板10.2电连接，左脚电机驱动板10.1和右脚电机驱动板均与电源20电连接。当驱动电机转动时，带动主动曲柄和从动曲柄转动，从而使脚部在垂直面画圆，实现跨步行走。需要指出的是，行走驱动机构可采用上述的技术方案，也可采用现有的足式机器人的行走驱动机构。

实施例2

实施例2提供了一种变姿态足式机器人，由多个实施例1提供的变姿态足式机器人模块组成，图14为用两组变姿态足式机器人模块组装而成的变姿态足式机器人，图15为用三组变姿态足式机器人模块组装而成的变姿态足式机器人，组装时，身体部相固定即可。

采用多个变姿态足式机器人模块组装变姿态足式机器人，也可将身体部设计成一体加长版，或者说每个变姿态足式机器人包括一个加长的身体部和多个左肢体部、右肢体部，如图16所示为用两组变姿态足式机器人模块组装而成的变姿态足式机器人加长版，如图17所示为用三组变姿态足式机器人模块组装而成的变姿态足式机器人加长版。

实施例2的变姿态足式机器人，由实施例1的变姿态足式机器人模块组装而成，具有实施例1的全部优点，详见实施例1的内容。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。