一种多模态双足轮腿机器人的制作方法

本发明涉及机器人，尤其涉及一种多模态双足轮腿机器人。

背景技术：

足式或者轮式机器人已经广泛应用在工业或者服务业中。但是足式机器人或者轮式机器人都有自身的不足之处。例如，足式机器人在平整路面的移动速度和运行效率远远低于轮式机器人；而轮式机器人对非结构化表的适应能力和越障能力又远远低于双足机器人。双足轮腿机器人能够同时适应平整路面和非结构化路面，通过轮式移动提升双足机器人的移动速度和运行效率，通过足式运动提升双轮机器人的路面适应能力和越障能力。并且双足轮腿的结构相较于多足结构有更好的亲和性，与人能够友好地进行交互。同时通过膝关节的转动实现腿部的屈伸，能够增加机器人的垂直工作空间，并且也可通过该种改变形态的方式来实现机器人的垂直避障。相较于轮式移动和足式移动机器人，其性能更加鲁棒，应用场景更加广泛。

现有的双足轮腿机器人的末端都是轮与地面接触，不能够针对不同的地面分别采用轮与足不同的结构来进行移动，因此其并不适用于长途步行的移动应用，应用场景十分有限。

技术实现要素：

为了解决现有技术中的问题，本发明提供了一种多模态双足轮腿机器人。

本发明提供了一种多模态双足轮腿机器人，包括腰部模块、左大腿模块、右大腿模块、左小腿模块和右小腿模块，所述左大腿模块、右大腿模块互为镜像，所述左小腿模块、右小腿模块互为镜像，所述腰部模块包括腰部安装板、腰部连接板、左大腿转动驱动组件、右大腿转动驱动组件，所述腰部安装板与所述腰部连接板连接，所述左大腿转动驱动组件、右大腿转动驱动组件互为镜像并分别连接于所述腰部连接板的左右两侧，所述左大腿模块包括大腿支撑组件和安装在所述大腿支撑组件上的膝盖转动驱动组件，所述左大腿转动驱动组件与所述大腿支撑组件连接，所述述左大腿转动驱动组件驱动所述大腿支撑组件与所述腰部模块进行相对转动运动，所述左小腿模块包括足式模块、脚踝驱动模块、膝关节传动模块、轮足切换模块、轮式模块，所述膝盖转动驱动组件与所述膝关节传动模块连接，所述膝盖转动驱动组件驱动所述膝关节传动模块与所述左大腿模块进行相对转动运动，所述膝关节传动模块与所述脚踝驱动模块连接，所述脚踝驱动模块与所述足式模块连接，所述脚踝驱动模块驱动所述足式模块与所述脚踝驱动模块进行相对转动运动，所述轮足切换模块安装在所述脚踝驱动模块上，所述轮足切换模块与所述轮式模块连接，所述轮足切换模块驱动所述轮式模块进行上下升降运动，以进行轮足切换。

作为本发明的进一步改进，所述轮足切换模块主要由轮足切换驱动电机、轮足切换电机安装件、轮足切换电机联轴器、丝杠输入端固定件、丝杠滑块、丝杠、丝杠滑动轴、丝杠固定端固定件、轮足切换模块连接件、轮式模块安装件组成，所述轮足切换电机安装件、丝杠输入端固定件、丝杠固定端固定件分别固定在所述脚踝驱动模块上，所述轮足切换驱动电机安装在所述轮足切换电机安装件上，所述丝杠、丝杠滑动轴分别平行架设在所述丝杠输入端固定件、丝杠固定端固定件上，所述轮足切换驱动电机通过轮足切换电机联轴器与所述丝杠连接，所述丝杠滑块通过丝杆螺母与所述丝杠连接，所述丝杠滑块与所述丝杠滑动轴为滑动配合，所述丝杠滑块与所述轮足切换模块连接件连接，所述轮足切换模块连接件与所述轮式模块安装件连接，所述轮式模块安装件与所述轮式模块连接。

作为本发明的进一步改进，所述丝杠滑块位于所述丝杠输入端固定件、丝杠固定端固定件之间。

作为本发明的进一步改进，所述轮式模块主要由轮缘支撑件、轮式移动动力电机、包胶组成，所述轮缘支撑件固定在所述轮式模块安装件上，所述轮式移动动力电机安装在所述轮缘支撑件的内部，所述包胶与所述轮缘支撑件为转动配合，所述轮式移动动力电机与所述包胶连接，所述轮式移动动力电机驱动所述包胶转动。

作为本发明的进一步改进，所述足式模块主要由前脚掌、前脚掌转轴、前脚掌扭簧、前脚掌扭簧挡板、脚部右侧板、脚踝传动轴、脚踝输入锥齿轮、脚踝输出锥齿轮、后脚跟扭簧挡板、脚部左侧板、后脚跟扭簧、后脚跟转轴、后脚跟组成，所述脚踝输入锥齿轮、脚踝输出锥齿轮相啮合，所述脚踝输入锥齿轮与所述脚踝驱动模块连接，所述脚踝输出锥齿轮固定在所述脚踝传动轴上，所述脚踝传动轴的两端分别与所述脚部左侧板、脚部右侧板固定连接，所述后脚跟通过后脚跟转轴分别与所述脚部左侧板、脚部右侧板转动连接，所述后脚跟扭簧安装在所述后脚跟转轴上，所述后脚跟扭簧挡板分别与所述脚部左侧板、脚部右侧板固定连接，所述后脚跟扭簧张紧在所述后脚跟扭簧挡板、后脚跟之间，所述前脚掌通过前脚掌转轴分别与所述脚部左侧板、脚部右侧板转动连接，所述前脚掌扭簧安装在所述前脚掌转轴上，所述前脚掌扭簧挡板分别与所述脚部左侧板、脚部右侧板固定连接，所述前脚掌扭簧张紧在所述前脚掌扭簧挡板、前脚掌之间。

作为本发明的进一步改进，所述左大腿转动驱动组件包括左大腿驱动电机，所述左大腿驱动电机布置在所述左大腿模块、左小腿模块之间的相对转动轴上。

作为本发明的进一步改进，所述膝盖转动驱动组件包括膝关节驱动电机，所述膝关节驱动电机布置在所述左大腿模块、左小腿模块之间的相对转动轴上，极大减小腿部相对于腰部转动时的转动惯量。

作为本发明的进一步改进，所述膝盖转动驱动组件还包括带传动机构，所述膝关节驱动电机与所述带传动机构的主动轮连接，所述带传动机构的从动轮与所述膝关节传动模块连接。

作为本发明的进一步改进，通过轮足切换模块的运动能够实现小腿模块相对于膝关节传动模块最远末端的足式模块与轮式模块的切换，从而实现具有轮式平衡和足式行走的多模态状态。

作为本发明的进一步改进，足式模块的前脚掌与后脚跟相对于脚部左、右侧板能够进行相对转动来使得足式模块与地面始终保持面接触。

作为本发明的进一步改进，轮足切换模块的轮足切换驱动电机通过连续转动带动丝杠连续转动来带动丝杠滑块连续移动，使得轮足切换是连续的任意位置的实现。

作为本发明的进一步改进，轮式模块的轮缘支撑件进行包胶形成橡胶轮，所述轮式移动动力电机嵌套在轮缘支撑件内部。

本发明的有益效果是：通过上述方案，具备轮足切换功能，能够针对不同的地面分别采用轮与足不同的结构来进行移动，适用于长途步行的移动应用，应用场景较多。

附图说明

图1是本发明一种多模态双足轮腿机器人的整体结构图。

图2是本发明一种多模态双足轮腿机器人的部件爆炸图。

图3是本发明一种多模态双足轮腿机器人的腰部模块结构图。

图4是本发明一种多模态双足轮腿机器人的大腿模块爆炸图。

图5是本发明一种多模态双足轮腿机器人的小腿模块爆炸图。

图6是本发明一种多模态双足轮腿机器人的足式模块结构图。

图7是本发明一种多模态双足轮腿机器人的脚踝驱动模块结构图。

图8是本发明一种多模态双足轮腿机器人的膝关节传动模块结构图。

图9是本发明一种多模态双足轮腿机器人的轮足切换模块结构图。

图10是本发明一种多模态双足轮腿机器人的轮式模块结构图。

图11是本发明一种多模态双足轮腿机器人的轮足切换示意图。

图12是本发明一种多模态双足轮腿机器人的轮式运行下的形态图。

图13是本发明一种多模态双足轮腿机器人的膝关节相对转动实现的机器人变高度的形态图。

图14是本发明一种多模态双足轮腿机器人的足式模块在机器人不同步态下的形态图。

具体实施方式

下面结合附图说明及具体实施方式对本发明作进一步说明。

针对现有技术的不足，本发明提出了一种多模态双足轮腿机器人，能够针对不同的路面进行轮足切换的双足轮腿机器人，解决了现阶段双足机器人或者轮式机器人不能够结合两种机器人的优点来实现机器人高效率、高适应性的问题。

双足轮腿机器人的双轮能够实现平整路面的快速移动，双腿能够视作主动悬挂，用于适应不平整路面，还能够用来实现跨越式的避障，以及通过主动下蹲来实现机器人的垂直避障。对机器人添加双轮与双足，进行轮足切换，使得机器人能够实现在长阶梯类路面的连续平稳移动。轮腿的复合将使得移动机器人的综合性能得到极大的提升，应用场景更加广泛。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

如图1至图14所示，一种多模态双足轮腿机器人，包括腰部模块1、左大腿模块2、右大腿模块5、左小腿模块3和右小腿模块4，所述左大腿模块2、右大腿模块5互为镜像，本实施例以左大腿模块2为例进行说明，所述左小腿模块3、右小腿模块4互为镜像，本实施例以左小腿模块3为例进行说明，所述腰部模块1包括腰部安装板101、腰部连接板102、左大腿转动驱动组件、右大腿转动驱动组件，所述腰部安装板101与所述腰部连接板102连接，所述左大腿转动驱动组件、右大腿转动驱动组件互为镜像并分别连接于所述腰部连接板102的左右两侧，所述左大腿模块2包括大腿支撑组件和安装在所述大腿支撑组件上的膝盖转动驱动组件，所述左大腿转动驱动组件与所述大腿支撑组件连接，所述述左大腿转动驱动组件驱动所述大腿支撑组件与所述腰部模块进行相对转动运动，所述左小腿模块3包括足式模块301、脚踝驱动模块302、膝关节传动模块303、轮足切换模块304、轮式模块302，所述膝盖转动驱动组件与所述膝关节传动模块303连接，所述膝盖转动驱动组件驱动所述膝关节传动模块303与所述左大腿模块2进行相对转动运动，所述膝关节传动模块303与所述脚踝驱动模块302连接，所述脚踝驱动模块302与所述足式模块301连接，所述脚踝驱动模块302驱动所述足式模块301与所述脚踝驱动模块302进行相对转动运动，所述轮足切换模块304安装在所述脚踝驱动模块302上，所述轮足切换模块304与所述轮式模块305连接，所述轮足切换模块304驱动所述轮式模块305进行上下升降运动，以进行轮足切换。

如图3所示，腰部安装板101为亚力克板，用于安装机器人控制器等电气元件；腰部连接板102，用于安装机械臂、仿人上肢等末端执行器；电机安装板103，用于安装电机104，电机安装板103和电机104构成了左大腿转动驱动组件；电机104、电机105为同型号腰部驱动电机，用于实现驱动腰部与大腿之间的相对转动；电机安装板106为电机安装板103的镜像零件。

如图4所示，左大腿模块2包括同步带张紧轮201，用于调节同步带松紧；轴承202，用于支撑传动轴；大腿内侧板203，实现与电机104的连接，使得大腿能够实现与腰部的相对转动；大腿支撑件204，用于支撑大腿内侧板203与大腿外侧板207；同步带205，用于实现将主动轮206的动力传动至膝盖转动关节；大腿外侧板207，用于安装膝盖关节驱动电机209；膝盖关节驱动电机输出轴208，用于输出膝盖关节驱动电机209的动力至主动轮206；膝盖关节驱动电机209，用于提供实现小腿与大腿相对转动的动力；大腿结构加强件2010，用于增强大腿结构强度，膝盖关节驱动电机209与电机104同轴安装。

如图5所示，左小腿模块3主要由足式模块301、脚踝驱动模块302、膝关节传动模块303、轮足切换模块304、轮式模块305构成，小腿模块也是该双足轮腿机器人实现轮足切换功能的最主要模块。足式模块301用于机器人在分结构化路面的越障和步态移动；脚踝驱动模块302用于输入脚踝转动的动力，同时也用于安装轮足切换模块304；膝关节传动模块303用于实现小腿与大腿之间的相对转动；轮足切换模块304用于机器人针对不同路面进行轮式模块和足式模块切换；轮式模块305用于机器人在平整路面的快速移动。

如图6所示，足式模块301主要由前脚掌3011、前脚掌转轴3012、前脚掌扭簧3013、前脚掌扭簧挡板3014、脚部右侧板3015、脚踝传动轴3016、脚踝输入锥齿轮3017、脚踝输出锥齿轮3018、后脚跟扭簧挡板3019、脚部左侧板30110、后脚跟扭簧30111、后脚跟转轴30112、后脚跟30113组成，其中，所述脚踝输入锥齿轮3017、脚踝输出锥齿轮3018相啮合，所述脚踝输入锥齿轮3017与所述脚踝驱动模块连接，所述脚踝输出锥齿轮3018固定在所述脚踝传动轴3016上，所述脚踝传动轴3016的两端分别与所述脚部左侧板30110、脚部右侧板3015固定连接，所述后脚跟30113通过后脚跟转轴30112分别与所述脚部左侧板30110、脚部右侧板3015转动连接，所述后脚跟扭簧30111安装在所述后脚跟转轴30112上，所述后脚跟扭簧挡板3019分别与所述脚部左侧板30110、脚部右侧板3015固定连接，所述后脚跟扭簧30111张紧在所述后脚跟扭簧挡板3019、后脚跟30113之间，所述前脚掌3011通过前脚掌转轴3012分别与所述脚部左侧板30110、脚部右侧板3015转动连接，所述前脚掌扭簧3013安装在所述前脚掌转轴3012上，所述前脚掌扭簧挡板3014分别与所述脚部左侧板30110、脚部右侧板3015固定连接，所述前脚掌扭簧3013张紧在所述前脚掌扭簧挡板3014、前脚掌3011之间。

如图7所示，所述脚踝驱动模块302主要由小腿右连接板3021、小腿左连接板3022、小腿支撑加强件3023、脚踝驱动电机支撑件3024、脚踝驱动电机3025、脚踝驱动电机安装件3026、脚踝驱动联轴器3027、脚踝驱动转轴3028、轮足切换模块安装板3029、脚踝连接件30210组成，其中，脚踝驱动电机3025通过脚踝驱动联轴器3027与脚踝驱动转轴3028连接，脚踝驱动转轴3028与脚踝输入锥齿轮3017连接，脚踝驱动电机3025可通过脚踝驱动转轴3028驱动脚踝输入锥齿轮3017转动，从而驱动足式模块301转动。

如图8所示，膝关节传动模块303主要由膝关节动力输入同步轮3031、支撑同步轮轴承3032、膝关节转轴3033、膝关节传动连接件3034、膝关节加强件3035组成，其中，主动轮206、膝关节动力输入同步轮3031、同步带205构成了带传动机构，膝盖关节驱动电机209经主动轮206、同步带205带动膝关节动力输入同步轮3031转动，从而驱动膝关节传动模块303转动，膝关节传动连接件3034有两个并平行设置，膝关节传动连接件3034分别与小腿右连接板3021、小腿左连接板3022连接。

如图9所示，所述轮足切换模块304主要由轮足切换驱动电机3041、轮足切换电机安装件3042、轮足切换电机联轴器3043、丝杠输入端固定件3044、丝杠滑块3045、丝杠3046、丝杠滑动轴3047、丝杠固定端固定件3048、轮足切换模块连接件3049、轮式模块安装件30410组成，其中，所述轮足切换电机安装件3042、丝杠输入端固定件3044、丝杠固定端固定件3048分别固定在所述脚踝驱动模块302上，所述轮足切换驱动电机3041安装在所述轮足切换电机安装件3042上，所述丝杠3046、丝杠滑动轴3047分别平行架设在所述丝杠输入端固定件3044、丝杠固定端固定件3048上，所述轮足切换驱动电机3041通过轮足切换电机联轴器3043与所述丝杠3046连接，所述丝杠滑块3045通过丝杆螺母与所述丝杠3046连接，所述丝杠滑块3045与所述丝杠滑动轴3047为滑动配合，所述丝杠滑块3045与所述轮足切换模块连接件3049连接，所述轮足切换模块连接件3049与所述轮式模块安装件30410连接，所述轮式模块安装件30410与所述轮式模块305连接。

如图10所示，轮式模块305主要由轮缘支撑件3051、轮式移动动力电机3052、包胶3053组成，其中包胶3053被包裹在轮缘支撑件3051外，形成包胶轮，使得轮子的摩擦力增大，并具有很好的柔韧性，避免机器人与地面刚性接触，轮缘支撑件3051与轮式模块安装件30410连接。

本发明的双足轮腿机器人主要的运行姿态为图1所体现的双足步行姿态和图12所示的双轮移动姿态，图1为双足状态，图12为双轮状态。

双足步行姿态即所述双足轮腿机器人的左小腿模块3采用图11(a)所示形态，并结合电机104、脚踝驱动电机3025使得所述双足轮腿机器人能够实现像人一样的步态行走的运动形式。

所述双轮移动姿态即所述双足轮腿机器人的左小腿模块3采用图11(b)所示形态，并结合电机104、脚踝驱动电机3025使得所述双足轮腿机器人能够实现通过双轮转动来使得双足机器人快速移动，如图12所示。所述双轮移动姿态需要通过安装在腰部安装板101上的控制板来进行所述双足轮腿机器人的动态平衡控制。同时所述双足轮腿机器人能够通过电机104、脚踝驱动电机3025的协同运行实现图13(a)与图13(b)中的直立与下蹲两种运行姿态，从而可以使得机器人能够实现在轮式运动状态下主动改变机器人的高度，并且还能够因此实现所述双足轮腿机器人在所述轮式移动模式下的垂直避障。

双足步行姿态到双轮移动姿态的切换是通过所述左小腿模块3的轮足切换模块304的运行实现的，如图11中的(a)与(b)两种形态。该两种形态通过所述轮足切换驱动电机3041转动来带动所述丝杠3046转动从而带动所述丝杠滑块3045移动，使得安装在丝杠滑块3045上的轮足切换模块连接件3049、轮式模块安装件30410与轮式模块305实现了整体的上下移动。当所述丝杠滑块3045位于起始端并且所述轮足切换驱动电机3041锁死时，所述小腿模块即实现了图11(a)中的形态，从而实现了图1所示的足式移动形态。当所述丝杠滑块3045位于末端并且所述轮足切换驱动电机3041锁死时，所述小腿模块即实现了图11(b)中的形态，从而实现了图12所示的轮式移动形态。

在进行双足步行姿态运行时，如图14所示所述双足轮腿机器人的足式模块301通过改变形态能够实现所述双足轮腿机器人与地面有一个面接触。图14(a)为所述足式模块301的初始状态，此时的形态对应于所述双足轮腿机器人的直立形态或所述足式模块301脱离里面的形态；图14(b)为所述双足轮腿机器人在所述双足步行姿态中的所述足式模块301仅脚后跟着地的形态；图14(c)为所述双足轮腿机器人在所述双足步行姿态中的所述足式模块301仅脚掌着地的形态。所述双足轮腿机器人在进行所述双足步行姿态运行时，所述足式模块301会根据运行姿态，通过所述前脚掌扭簧3013、后脚跟扭簧30111分别带动所述前脚掌3011、后脚跟30113实现图14中的三种形态。这样的结构设计能够使得所述双足轮腿机器人在实现类人一样的自然行走姿态的情况下始终保持与地面有一个良好的面接触，从而使得所述双足轮腿机器人相较于传统的类人行走机器人更加地稳定与高效。

综上所述本发明的双足轮腿机器人能够实现根据不同的应用场景来进行足式运动与轮式运动的切换，通过选择轮式运动与足式运动能够大大提高机器人的运行效率与稳定性。并且通过在所述腰部连接板102上安装额外的机械臂或类人假肢等末端执行器，可使得本发明的双足轮腿机器人称为一款通用的移动机器人平台。

本发明涉及一种双足轮腿机器人，特别是涉及一种适合用于人居环境和稠密人群环境的具有多模态的双足轮腿机器人。可广泛应用于针对家庭服务、巡检和机场、车站等稠密人群环境的移动机器人的移动平台。该种具备轮足切换功能的双足轮腿机器人，双轮能够用于在平整路面的快速移动，双腿能够视作主动悬挂，用于适应不平整路面，还能够用来实现跨越式的避障，以及通过主动下蹲来实现机器人的垂直避障。对机器人添加双轮与双足，进行轮足切换，使得机器人能够实现在长阶梯类路面的连续平稳移动。轮腿的复合将使得移动机器人的综合性能得到极大的提升，应用场景更加广泛。

一种多模态双足轮腿机器人，具有以下优点：

(1)本发明的具有多模态的双足轮腿机器人，与传统的轮式或足式机器人相比，具有高速度、高效率、高越障能力、高鲁棒性等优点。尤其对机器人的综合性能的提升与运行效率的提升具有重大意义。

(2)本发明的具有多模态的双足轮腿机器人的足式模块与地面始终保持面接触，极大提升欠驱动移动机器人的稳定性。

(3)本发明采用电机作为动力输入，较液压等动力源结构更加简单、质量更轻，便于实现机器人在室内等人居环境中的应用。

(4)本发明是一种通用的具有仿人意义的移动平台，可在腰部安装机械臂、仿生人体等末端执行器，具有通用性。

(5)本发明的仿人意义使得机器人能够更好地适应人居环境，同时能够与人有更好的亲和性，易于与人实现更加友好的交互。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。