多运动模态轮腿分离式四足机器人

本发明属于机器人领域，具体涉及多运动模态轮腿分离式四足机器人。

背景技术：

在当今世界，机器人的研发水平和设计水平已经成为衡量一个国家科技水平的又一重要指标。移动机器人作为机器人的一种，经过多年的发展，已逐渐参与到工、农业生产以及服务业中。

在四足机器人的研究领域，轮足混合式机器人是该领域研究的热点。轮式机器人具有在平坦的地面上可以快速运动的优点，但缺点是越障能力较差，不适合在复杂地形工作。腿式机器人有动物步态运动模式，具备真正意义上的跨障能力，可以在山地，沙坑等复杂地形工作，但是缺点是能量利用率低，运动速度较低；所以，结合腿式和轮式的优点研究腿轮混合机器人就显得极为重要。轮腿式机器人在结构上主要分为：轮腿串联式、轮腿变形式。轮腿串联式：车轮固定在腿部末端，充当足端。这种机器人：越障性能较为突出；轮腿切换过程,相对灵活；但是驱动数目较多，控制难度相对较大，对轮的磨损较大。而且在用腿工作时，一直带着车轮作为负载，降低了腿的灵活性。轮腿变形式：通过结构变形改变机器人的运动模式，这种机器人环境适应性强；运动速度快；结构紧凑；大幅度的减轻了机器人自身的重量，轮腿切换灵活。但是承载能力方面较差，机器人整体机械结构相对复杂。因此亟待研究一种轮腿分离式机器人，有效发挥轮式机器人和腿式机器人的优点。

技术实现要素：

本发明针对上述问题提供了一种多运动模态轮腿分离式四足机器人。

为达到上述目的本发明采用了以下技术方案：

多运动模态轮腿分离式四足机器人，包括机身、支腿、轮升降机构、前轮模块、后轮模块、控制系统、电池蓄能模块和视觉传感器；

所述机身包括车架，所述车架有两个，在两个所述车架之间设置有多根连接轴，以实现前后两个车架之间的连接；

所述支腿有四个，分别位于两个车架的左右两侧，所述支腿包括弧形电机架、大腿杆、小腿杆、辅助转动长杆、辅助转动短杆、一号驱动电机、二号驱动电机和三号驱动电机，所述一号驱动电机安装在车架上，所述弧形电机架安装在一号驱动电机的输出轴上，所述二号驱动电机和三号驱动电机沿同一轴线安装在弧形电机架上，所述大腿杆、小腿杆、辅助转动长杆和辅助转动短杆构成平面平行四边形连杆结构，所述大腿杆的一端固定连接在二号驱动电机的输出轴上，所述大腿杆的另一端与小腿杆上的预留孔转动连接，所述小腿杆的尾部与辅助转动长杆的一端转动连接，所述辅助转动长杆的另一端与辅助转动短杆的一端转动连接，所述辅助转动短杆的另一端与三号驱动电机的输出轴固定连接；

所述轮升降机构有两组，分别位于机身的前后两侧，用于提升前轮模块和后轮模块，所述轮升降机构包括盘形驱动电机、一号锥齿轮、二号锥齿轮、三号锥齿轮、齿轮轴、一号连杆、二号连杆、三号连杆、四号连杆和剪叉式伸缩网，所述盘形驱动电机安装在车架的中部，所述一号锥齿轮安装在盘形驱动电机的输出轴上，所述齿轮轴安装在齿轮轴固定架上，所述齿轮轴固定架安装在车架上，所述二号锥齿轮和三号锥齿轮均安装在齿轮轴上，且所述二号锥齿轮和三号锥齿轮分别啮合连接在一号锥齿轮的两侧，在所述齿轮轴上还安装有套筒，以实现二号锥齿轮和三号锥齿轮的轴向固定，所述一号连杆的一端与二号锥齿轮固定连接，所述一号连杆的另一端与二号连杆的尾部转动连接，所述二号连杆的头部与三号连杆的头部转动连接，所述三号连杆的中部与四号连杆的一端转动连接，所述四号连杆的另一端与三号锥齿轮固定连接，所述一号连杆、二号连杆、三号连杆和四号连杆构成平面平行四边形连杆结构，所述三号连杆的尾部与前车轮支架或后车轮支架转动连接，所述剪叉式伸缩网的上端与相对应的车架转动连接，所述剪叉式伸缩网的下端与前车轮支架或后车轮支架转动连接；

所述前轮模块包括前车轮支架，在所述前车轮支架上安装有转向电机，在所述转向电机的输出轴上安装有齿轮，在所述齿轮的一侧啮合连接有齿条，在所述前车轮支架的底部设置有限位扣，以限制齿条只能在限位扣内滑动，所述齿条的两端均转动连接有辅助摇杆，所述辅助摇杆的另一端与v形连杆的一端转动连接，所述v形连杆的中部与前车轮支架的端部转动连接，在所述v形连杆的另一端转动连接有前车轮；

所述后轮模块包括后车轮支架和车轴，所述车轴安装在后车轮支架上，在所述车轴的两端安装有后车轮，在所述车轮支架上安装有动力电机，所述动力电机通过齿轮传动带动车轴转动；

所述控制系统包括控制板架和控制主板，所述控制板架安装在连接轴上，所述控制主板安装在控制板架上，用于控制一号驱动电机、二号驱动电机、三号驱动电机、盘形驱动电机、转向电机、动力电机和视觉传感器工作；

所述电池蓄能模块有两组，分别对应安装在机身的左右两侧，所述电池蓄能模块包括高密度蓄电池和电池架，所述电池架安装在连接轴上，所述高密度蓄电池放置在电池架内，所述高密度蓄电池用于为控制主板、一号驱动电机、二号驱动电机、三号驱动电机、盘形驱动电机、转向电机、动力电机和视觉传感器供电；

所述视觉传感器安装在机身前方的车架上，用于识别前方路况。

进一步，还包括电磁吸附机构，所述电磁吸附机构有两组，呈前后对称安装机身上，用于在轮升降机构提升起来后吸附二号连杆，所述电磁吸附机构包括磁铁架和电磁铁，所述电磁铁安装磁铁架上，所述磁铁架安装在连接轴上，所述磁铁架呈倾斜设置，以便于增大与二号连杆的接触面积。

再进一步，还包括弹簧储能机构，所述弹簧储能机构有两组，分别对应前轮模块和后轮模块安装，用于在轮升降机构下放时，辅助轮升降机构展开，所述弹簧储能机构包括弹簧固定架和拉拽弹簧，所述弹簧固定架安装在连接轴的中部，且靠近盘形驱动电机设置，所述拉拽弹簧的一端与弹簧固定架连接，另一端连接在二号连杆和三号连杆的铰接轴上。

与现有技术相比本发明具有以下优点：

本发明中车轮与腿部独立安装在车身上，既具有轮式机器人的速度特性，也具有腿式机器人的稳定特性，结构简单，加工制造容易，轮腿切换简单，且具有较大的承载能力，机器人的跨障能力得到有效增强，能量的利用率相对较高，大大提升了机器人的工作适应能力。

附图说明

图1为本发明腿形态的结构示意图；

图2为本发明轮形态的结构示意图；

图3为本发明机身的结构示意图；

图4为本发明支腿的结构示意图；

图5为本发明轮升降机构的结构示意图；

图6为本发明前轮模块的结构示意图；

图7为本发明前轮模块的结构示意图；

图8为本发明后轮模块的结构示意图；

图9为本发明控制系统的结构示意图；

图10为本发明电池蓄能模块的结构示意图；

图11为本发明电磁吸附机构的结构示意图；

图12为本发明弹簧储能机构的安装示意图；

图中，机身—1、支腿—2、轮升降机构—3、前轮模块—4、后轮模块—5、控制系统—6、电池蓄能模块—7、视觉传感器—8、电磁吸附机构—9、弹簧储能机构—10、车架—101、连接轴—102、弧形电机架—201、大腿杆—202、小腿杆—203、辅助转动长杆—204、辅助转动短杆—205、一号驱动电机—206、二号驱动电机—207、三号驱动电机—208、盘形驱动电机—301、一号锥齿轮—302、二号锥齿轮—303、三号锥齿轮—304、齿轮轴—305、一号连杆—306、二号连杆—307、三号连杆—308、四号连杆—309、剪叉式伸缩网—310、套筒—311、前车轮支架—401、转向电机—402、齿轮—403、齿条—404、辅助摇杆—405、v形连杆—406、前车轮—407、限位扣—408、后车轮支架—501、后车轮—502、动力电机—503、控制板架—601、控制主板—602、高密度蓄电池—701、电池架—702、磁铁架—901、电磁铁—902、弹簧固定架—1001、拉拽弹簧—1002。

具体实施方式

为了进一步阐述本发明的技术方案，下面通过实施例对本发明进行进一步说明。

如图1至图12，多运动模态轮腿分离式四足机器人，包括机身1、支腿2、轮升降机构3、前轮模块4、后轮模块5、控制系统6、电池蓄能模块7、视觉传感器8、电磁吸附机构9和弹簧储能机构10；

所述机身1包括车架101，所述车架101有两个，在两个所述车架101之间设置有多根连接轴102，以实现前后两个车架101之间的连接；

所述支腿2有四个，分别位于两个车架101的左右两侧，所述支腿2包括弧形电机架201、大腿杆202、小腿杆203、辅助转动长杆204、辅助转动短杆205、一号驱动电机206、二号驱动电机207和三号驱动电机208，所述一号驱动电机206安装在车架101上，所述弧形电机架201安装在一号驱动电机206的输出轴上，所述二号驱动电机207和三号驱动电机208沿同一轴线安装在弧形电机架201上，所述大腿杆202、小腿杆203、辅助转动长杆204和辅助转动短杆205构成平面平行四边形连杆结构，所述大腿杆202的一端固定连接在二号驱动电机207的输出轴上，所述大腿杆202的另一端与小腿杆203上的预留孔转动连接，所述小腿杆203的尾部与辅助转动长杆204的一端转动连接，所述辅助转动长杆204的另一端与辅助转动短杆205的一端转动连接，所述辅助转动短杆205的另一端与三号驱动电机208的输出轴固定连接；

所述轮升降机构3有两组，分别位于机身1的前后两侧，用于提升前轮模块4和后轮模块5，所述轮升降机构3包括盘形驱动电机301、一号锥齿轮302、二号锥齿轮303、三号锥齿轮304、齿轮轴305、一号连杆306、二号连杆307、三号连杆308、四号连杆309和剪叉式伸缩网310，所述盘形驱动电机301安装在车架101的中部，所述一号锥齿轮302安装在盘形驱动电机301的输出轴上，所述齿轮轴305安装在齿轮轴固定架312上，所述齿轮轴固定架312安装在车架101上，所述二号锥齿轮303和三号锥齿轮304均安装在齿轮轴305上，且所述二号锥齿轮303和三号锥齿轮304分别啮合连接在一号锥齿轮302的两侧，在所述齿轮轴305上还安装有套筒311，以实现二号锥齿轮303和三号锥齿轮304的轴向固定，所述一号连杆306的一端与二号锥齿轮303固定连接，所述一号连杆306的另一端与二号连杆307的尾部转动连接，所述二号连杆307的头部与三号连杆308的头部转动连接，所述三号连杆308的中部与四号连杆309的一端转动连接，所述四号连杆309的另一端与三号锥齿轮304固定连接，所述一号连杆306、二号连杆307、三号连杆308和四号连杆309构成平面平行四边形连杆结构，所述三号连杆308的尾部与前车轮支架401或后车轮支架501转动连接，所述剪叉式伸缩网310的上端与相对应的车架101转动连接，所述剪叉式伸缩网310的下端与前车轮支架401或后车轮支架501转动连接；

所述前轮模块4包括前车轮支架401，在所述前车轮支架401上安装有转向电机402，在所述转向电机402的输出轴上安装有齿轮403，在所述齿轮403的一侧啮合连接有齿条404，在所述前车轮支架401的底部设置有限位扣408，以限制齿条404只能在限位扣408内滑动，所述齿条404的两端均转动连接有辅助摇杆405，所述辅助摇杆405的另一端与v形连杆406的一端转动连接，所述v形连杆406的中部与前车轮支架401的端部转动连接，在所述v形连杆406的另一端转动连接有前车轮407；

所述后轮模块5包括后车轮支架501和车轴，所述车轴安装在后车轮支架501上，在所述车轴的两端安装有后车轮502，在所述车轮支架上安装有动力电机503，所述动力电机503通过齿轮传动带动车轴转动；

所述控制系统6包括控制板架601和控制主板602，所述控制板架601安装在连接轴102上，所述控制主板602安装在控制板架601上，用于控制一号驱动电机206、二号驱动电机207、三号驱动电机208、盘形驱动电机301、转向电机402、动力电机503和视觉传感器8工作；

所述电池蓄能模块7有两组，分别对应安装在机身1的左右两侧，所述电池蓄能模块7包括高密度蓄电池701和电池架702，所述电池架702安装在连接轴102上，所述高密度蓄电池701放置在电池架702内，所述高密度蓄电池701用于为控制主板602、一号驱动电机206、二号驱动电机207、三号驱动电机208、盘形驱动电机301、转向电机402、动力电机503和视觉传感器8供电；

所述视觉传感器8安装在机身1前方的车架101上，用于识别前方路况；

所述电磁吸附机构9有两组，呈前后对称安装机身1上，用于在轮升降机构3提升起来后吸附二号连杆307，所述电磁吸附机构9包括磁铁架901和电磁铁902，所述电磁铁902安装磁铁架901上，所述磁铁架901安装在连接轴102上，所述磁铁架901呈倾斜设置，以便于增大与二号连杆307的接触面积；

所述弹簧储能机构10有两组，分别对应前轮模块4和后轮模块5安装，用于在轮升降机构3下放时，辅助轮升降机构3展开，所述弹簧储能机构10包括弹簧固定架1001和拉拽弹簧1002，所述弹簧固定架1001安装在连接轴102的中部，且靠近盘形驱动电机301设置，所述拉拽弹簧1002的一端与弹簧固定架1001连接，另一端连接在二号连杆307和三号连杆308的铰接轴上。

轮形态：在机器人通过平坦的路面时，路面障碍较小，为提升机器人的前行效率，提高能量利用率，这种情况下采用轮形态工作。轮形态工作时四条支腿向上折叠升起，由二号驱动电机带动大腿杆绕关节向上转动，由三号电机驱动带动辅助转动短杆，再带动辅助转动长杆运动，最后使小腿杆绕小腿关节转动，实现大腿杆和小腿杆v形向上收缩，将平时收缩起来的支腿放下来，通过盘形驱动电机带动一号锥形齿轮转动，一号锥齿轮的转动带动二号锥齿轮和三号锥齿轮的正反转，二号锥齿轮带动一号连杆，三号锥齿轮带动四号连杆作绕同一轴的方向相反的旋转运动。二号连杆在一号连杆的带动下作平面运动，在二号连杆和四号连杆的运动的约束下，三号连杆作末端点运动轨迹为竖直线的平面运动。前车轮支架和后车轮支架通过转动副固定在三号连杆的末端，实现前轮模块和后轮模块所在平面可以在竖直方向发生位移。由于三号连杆的平面运动会带来伴随转动，为防止整个连杆机构在伸缩过程中产生转动，在连接处没有固定而是选用转动副。通过在前端增加一个剪叉式伸缩网限制连杆机构绕垂直于机身侧面的轴的转动。在轮形态在平坦的路面前进时，如遇到需要转向的道路时，用前轮模块的转向电机实现转弯。通过转向电机的正反转带动齿条的移动，然后带动俩个辅助摇杆发生移动，v形连杆的一端与前车轮支架以转动副连接，另一端在辅助摇杆带动下发生移动，所以另一端带着车轮的也发生绕转动副轴心的转动，进而实现了前车轮的转动，实现了机器人在轮形态的转向。在轮形态放下轮工作时，在释放轮的过程，拉拽弹簧的变形量由大变小，拉拽弹簧做正功，拉拽弹簧储存的能量释放出来，提高了能量的利用率，并且在前轮处于最低位置时，弹簧依然处于拉伸状态，可以为盘形驱动电机分担一部分力，增加机器人的承载能力。

腿形态：机器人在崎岖的路面行走时，需要较强的越障能力时，采用腿形态，在腿形态工作时，首先将四条支腿放下，再前轮模块和后轮模块向上收起。放下支腿的过程中，每条支腿由二号驱动电机带动大腿杆绕关节向下转动，由三号电机驱动带动辅助转动短杆，再带动辅助转动长杆运动，最后使小腿杆绕小腿关节转动，最终实现四条支腿支撑机器人。前轮模块和后轮模块收起的过程，由盘形驱动电机转动，带动一号锥齿轮转动，然后带动二号锥齿轮和三号锥齿轮正反转。二号锥齿轮和三号锥齿轮再带动平面平行四边形连机构转动，最终三号连杆作末端竖直向上平移的平面运动，进而实现将前轮模块和后轮模块向上收起。在前轮模块和后轮模块收缩到指定高度时，电磁铁通电，产生磁力，将平面平行四边形连机构中的二号连杆牢牢吸附住，这时候盘形驱动电机就可以停止工作，节约电能。在前轮模块和后轮模块向上收缩的过程中，弹簧储能机构中的拉拽弹簧不断被拉伸，形变不断加大，拉拽弹簧将能量储存起来，在前轮模块和后轮模块放下的过程中释放，提高了能量的利用率。在机器人发生侧向倾斜时，还可以利用每条支腿上的一号驱动电机，让支腿侧向转动，调整自己的姿态，保持稳定。在腿状态工作时，机器人的越障能力大大提高，可以跨越台阶，沟壑等。在机器人运行中可通过前面的视觉传感器探测前方实时路况，合理得避障。

轮腿复合运动模态：在这个运动模态工作时，支腿、前轮模块和后轮模块同时配合工作。1当机器人长是时间在轮形态工作时，腿形态可以作为机器人的辅助机械臂实现越障功能；在遇到轮子无法越过的障碍时，这时将俩条前腿放下支撑地面，让前轮模块离开地面越过障碍物后，将俩条前腿收回，继续使用轮形态前进，后轮模块也采用这种方法实现越障。2在轮形态运动时，遇到前方有可移动的障碍物时，可以用支腿作为辅助机械臂将障碍物推到两侧，保证机器人正常工作。3在机器人需要运载大负荷时，为增强机器人稳定性和承载，使用支腿、前轮模块和后轮模块同时工作，让机器人的支腿、前轮模块和后轮模块处于同一水平面，前轮模块和后轮模块可以承担一部分载荷，机器人依靠支腿前进工作。

倾斜运动模态：在机器人在倾斜面工作时，在轮形态时可以让前后两个轮升降机构处在不同的高度，进而可以实现在倾斜面工作时，机身依然可以保持水平，使机器人工作更加稳定。

特殊运动模态：轮腿分离机器人可以充分结合单独轮腿机构的优点，让机器人在恶劣环境中部分结构发生故障时依旧正常工作。在机器人的一部分发生故障时，例如在前轮模块和后侧支腿发生故障时，机器人可以采用前支腿与后轮模块搭配运行。

以上显示和描述了本发明的主要特征和优点,对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。