一种轮腿复合运动机构

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，具体涉及一种轮腿复合运动机构。

背景技术

目前机器人(比如：波士顿动力机器人)不好推广的原因是过于复杂，制造成本高；动能浪费多，使用成本高；移动速度慢，不适合平地使用。目前机器人的多自由度关节由多个伺服电机、变速齿轮、变频驱动等部分组成，当这样的结构要带较大的负载(比如：载人)，自身重量也很大，机器腿是可以满足复杂地面行走的要求，但是机器腿要做到有力量就要有高变比的齿轮，腿的自身足够结实，重量自然不会太小，而且腿结构在平地上走速度不快，也不经济；应用稍广泛的还是履带式的，同样是自身重量很大，平地行走效率低，复杂路面整车运动起来颠簸扭动大，动能浪费多，成本高；再有一种常见的运动机构，上楼机(搬重物用，类似于小推车)底下有慢慢转动的腿杆，上楼的时候重心起伏较大，这种车很慢，不适合在平地上走。

发明内容

为全面解决上述问题，尤其是针对现有技术所存在的不足，本发明提供了一种轮腿复合运动机构能够全面解决上述问题。

为实现上述目的，本发明采用以下技术手段：

一种轮腿复合运动机构，包括外部安装架、设置于外部安装架一侧的轮架，所述外部安装架上固接有控制装置，所述轮架的两侧分别设置有方管套，所述方管套的一端与外部安装架连接，所述方管套的另一端插接有伸缩方管，所述方管套的外侧滑动套接有偏心轮外架，所述偏心轮外架的侧部固接有电控伸缩驱动机构、纵向超声波测距传感器、横向超声波测距传感器、电控定位销，所述电控伸缩驱动机构的传动端依次贯穿偏心轮外架、方管套与伸缩方管传动连接，所述纵向超声波测距传感器能够测量离地面距离，所述横向超声波测距传感器能够测量水平障碍物距离，所述电控定位销的伸缩端依次贯穿偏心轮外架、方管套与伸缩方管活动插接；

所述轮架的底部设置有车轮，所述车轮通过减震臂与轮架连接，所述轮架与车轮之间设置有主动力电机，所述主动力电机与轮架固接，所述主动力电机的传动端通过联轴器连接有长齿齿轮，所述车轮的侧部固接有与长齿齿轮啮合的车圈齿牙，所述主动力电机通过长齿齿轮与车轮传动连接，所述车轮的两侧分别传动连接有偏心轮，所述偏心轮内的偏心轮轴承与相邻的所述偏心轮外架连接；

所述电控伸缩驱动机构、纵向超声波测距传感器、横向超声波测距传感器、电控定位销、主动力电机分别与控制装置电连接。

进一步的，所述外部安装架、方管套、轮架、减震臂、车圈齿牙、偏心轮外架、伸缩方管、偏心轮轴承、偏心轮、长齿齿轮、联轴器均由不锈钢材料制作而成。

上述的有益效果在于，不锈钢材料具有较好的硬度，同时，还具有较好的耐磨性和耐腐蚀性能，由不锈钢材料制作而成的外部安装架、方管套、轮架、减震臂、车圈齿牙、偏心轮外架、伸缩方管、偏心轮轴承、偏心轮、长齿齿轮、联轴器使用寿命长。

进一步的，所述外部安装架的侧部固接有接电插座，所述控制装置、电控伸缩驱动机构、纵向超声波测距传感器、横向超声波测距传感器、电控定位销、主动力电机分别通过接电插座获得电源。

上述的有益效果在于，这种设置能够便于控制装置、电控伸缩驱动机构、纵向超声波测距传感器、横向超声波测距传感器、电控定位销、主动力电机获得电源，有效提高控制装置、电控伸缩驱动机构、纵向超声波测距传感器、横向超声波测距传感器、电控定位销、主动力电机的工作效率。

进一步的，所述控制装置包括控制器、电机控制盒，所述控制器与电机控制盒电连接，所述控制器与电机控制盒分别与主动力电机电连接，所述电控伸缩驱动机构、纵向超声波测距传感器、横向超声波测距传感器、电控定位销分别与控制器电连接。

上述的有益效果在于，控制器便于控制主动力电机的速度，超声波测距数据的处理，电控伸缩驱动机构的转动和电控定位销的伸缩；电机控制盒能够负责主动力电机的功率驱动及主动力电机的底层控制。

进一步的，所述控制器为ZYNQ(XC7Z010)控制板，所述电机控制盒为通用48v无刷电动自行车控制盒。

上述的有益效果在于，ZYNQ(XC7Z010)控制板和48v无刷电动自行车控制盒功能强大，便于控制，成本低，易制作，易实现。

进一步的，所述电控伸缩驱动机构包括推动电机，所述推动电机与偏心轮外架连接，所述推动电机的传动端固接有推动齿轮，所述推动齿轮依次贯穿偏心轮外架、方管套与伸缩方管传动连接，所述推动电机的外侧固接有编码器，所述推动电机、编码器分别与控制器电连接。

上述的有益效果在于，这种设置结构简单，驱动方便，能够快速完成伸缩方管的延长或者收缩工作。

进一步的，所述伸缩方管包括方管本体，所述方管本体的侧部固接有齿条，所述齿条与推动齿轮啮合，所述方管本体的侧部开设有从上往下均匀分布的多组定位孔，所述定位孔与电控定位销的伸缩端活动插接。

上述的有益效果在于，这种设置能够便于伸缩方管配合电控伸缩驱动机构和电控定位销工作，有效提高支腿的运动效率和定位效率。

进一步的，所述方管本体的底部固接有足部。

上述的有益效果在于，足部能够承载方管本体，这种设置能够有效提高方管本体支撑时的稳定性。

进一步的，所述足部的截面积大于方管本体的截面积，所述足部由橡胶材料制作而成。

上述的有益效果在于，这种设置便于足部承载方管本体；橡胶材料具有较好的弹性，同时，还具有较好的耐磨性和耐腐蚀性能，由橡胶材料制作而成的足部使用寿命长。

进一步的，所述减震臂的一端通过气缸减震器与轮架连接。

上述的有益效果在于，这种设置能够有效提高车轮在工作时的减震效果，有效提高车轮的使用寿命。

本发明的有益效果：

本发明设定车轮半径为R,车轮8的圆心与偏心轮的圆心之间的距离为r；普通平地时用车轮行走，能够提供的向前推力为N,上楼梯或陡坡时通过方管套、电控伸缩驱动机构、偏心轮外架、纵向超声波测距传感器、横向超声波测距传感器、电控定位销、伸缩方管之间的配合使用可以提供的向上抬举力为n，此时，R/r＝n/N，利用这个特点，选取适当的R/r，这个比值就是上坡腿的抬举力和轮子平地推力之比，约5倍至20倍，从而使得平地和上楼梯之间不用换挡也不用加复杂的变速装置即可实现平地快速行走或复杂路面快速通过，整个结构较为简单，制造成本低，不存在动能浪费，使用成本低，移动速度快，适合平地和复杂路面使用。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明电控伸缩驱动机构的结构示意图；

图3是本发明伸缩方管的结构示意图；

图4是本发明的电连接示意图；

图5是本发明爬楼梯时的流程简图；

附图标记：外部安装架1、控制装置2、方管套3、轮架4、电控伸缩驱动机构5、气缸减震器6、减震臂7、车轮8、车圈齿牙9、偏心轮外架10、纵向超声波测距传感器11、横向超声波测距传感器12、电控定位销13、伸缩方管14、足部15、偏心轮轴承16、偏心轮17、长齿齿轮18、联轴器19、主动力电机20、接电插座21。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，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。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“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发明和简化描述，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发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例1

如图1至图5所示，本发明提供一种轮腿复合运动机构，其特征在于，包括外部安装架1、设置于外部安装架1一侧的轮架4，外部安装架1上固接有控制装置2，轮架4的两侧分别设置有方管套3，方管套3的一端与外部安装架1连接，方管套3的另一端插接有伸缩方管14，方管套3的外侧滑动套接有偏心轮外架10，偏心轮外架10的侧部固接有电控伸缩驱动机构5、纵向超声波测距传感器11、横向超声波测距传感器12、电控定位销13，电控伸缩驱动机构5的传动端依次贯穿偏心轮外架10、方管套3与伸缩方管14传动连接，纵向超声波测距传感器11能够测量离地面距离，横向超声波测距传感器12能够测量水平障碍物距离，电控定位销13的伸缩端依次贯穿偏心轮外架10、方管套3与伸缩方管14活动插接；

轮架4的底部设置有车轮8，车轮8通过减震臂7与轮架4连接，轮架4与车轮8之间设置有主动力电机20，主动力电机20与轮架4固接，主动力电机20的传动端通过联轴器19连接有长齿齿轮18，车轮8的侧部固接有与长齿齿轮18啮合的车圈齿牙9，主动力电机20通过长齿齿轮18与车轮8传动连接，车轮8的两侧分别传动连接有偏心轮17，偏心轮17内的偏心轮轴承16与相邻的偏心轮外架10连接；

电控伸缩驱动机构5、纵向超声波测距传感器11、横向超声波测距传感器12、电控定位销13、主动力电机20分别与控制装置2电连接。

外部安装架1、方管套3、轮架4、减震臂7、车圈齿牙9、偏心轮外架10、伸缩方管14、偏心轮轴承16、偏心轮17、长齿齿轮18、联轴器19均由不锈钢材料制作而成。不锈钢材料具有较好的硬度，同时，还具有较好的耐磨性和耐腐蚀性能，由不锈钢材料制作而成的外部安装架1、方管套3、轮架4、减震臂7、车圈齿牙9、偏心轮外架10、伸缩方管14、偏心轮轴承16、偏心轮17、长齿齿轮18、联轴器19使用寿命长。

外部安装架1的侧部固接有接电插座21，控制装置2、电控伸缩驱动机构5、纵向超声波测距传感器11、横向超声波测距传感器12、电控定位销13、主动力电机20分别通过接电插座21获得电源。这种设置能够便于控制装置2、电控伸缩驱动机构5、纵向超声波测距传感器11、横向超声波测距传感器12、电控定位销13、主动力电机20获得电源，有效提高控制装置2、电控伸缩驱动机构5、纵向超声波测距传感器11、横向超声波测距传感器12、电控定位销13、主动力电机20的工作效率。

控制装置2包括控制器201、电机控制盒202，控制器201与电机控制盒202电连接，控制器201与电机控制盒202分别与主动力电机20电连接，电控伸缩驱动机构5、纵向超声波测距传感器11、横向超声波测距传感器12、电控定位销13分别与控制器201电连接。控制器201便于控制主动力电机20的速度，超声波测距数据的处理，电控伸缩驱动机构5的转动和电控定位销13的伸缩；电机控制盒202能够负责主动力电机20的功率驱动及主动力电机20的底层控制。

控制器201为ZYNQ(XC7Z010)控制板，电机控制盒202为通用48v无刷电动自行车控制盒。ZYNQ(XC7Z010)控制板和48v无刷电动自行车控制盒功能强大，便于控制，成本低，易制作，易实现。

电控伸缩驱动机构5包括推动电机502，推动电机502与偏心轮外架10连接，推动电机502的传动端固接有推动齿轮501，推动齿轮501依次贯穿偏心轮外架10、方管套3与伸缩方管14传动连接，推动电机502的外侧固接有编码器503，推动电机502、编码器503分别与控制器201电连接。这种设置结构简单，驱动方便，能够快速完成伸缩方管14的延长或者收缩工作。

伸缩方管14包括方管本体1401，方管本体1401的侧部固接有齿条1402，齿条1402与推动齿轮501啮合，方管本体1401的侧部开设有从上往下均匀分布的多组定位孔1403，定位孔1403与电控定位销13的伸缩端活动插接。这种设置能够便于伸缩方管14配合电控伸缩驱动机构5和电控定位销13工作，有效提高支腿的运动效率和定位效率。

方管本体1401的底部固接有足部15。足部15能够承载方管本体1401，这种设置能够有效提高方管本体1401支撑时的稳定性。

足部15的截面积大于方管本体1401的截面积，足部15由橡胶材料制作而成。这种设置便于足部15承载方管本体1401；橡胶材料具有较好的弹性，同时，还具有较好的耐磨性和耐腐蚀性能，由橡胶材料制作而成的足部15使用寿命长。

减震臂7的一端通过气缸减震器6与轮架4连接。这种设置能够有效提高车轮8在工作时的减震效果，有效提高车轮8的使用寿命。

工作原理

车轮8的两侧分别设有伸缩腿装置，车身作用力加在轮架4上，主动力电机20也固定在轮架4上，减震臂7的一端与轮架4的一侧连接，减震臂7的另一端通过气缸减震器6与轮架4的另一侧连接。当地面起伏或使用腿时，车轮8和减震臂7相对于轮架4上下起伏，轮架4会有微小的起伏。车轮8的车圈相对于轮架4上下移动，主动力电机20传动端的长齿齿轮18有两点作用：能保证长齿齿轮18与车轮8侧部的车圈齿牙9啮合，带动车轮8转动；能竖直方向上允许相对滑动。两组偏心轮17，左右各一个成180度固定在车轮8上，随车轮8转动。车轮8通过偏心轮轴承16与偏心轮外架10相连，偏心轮轴承16是大内径轴承，车轮8的圆心要从偏心轮轴承16的内径穿过。控制装置2与外部安装架1连接，控制装置2和主动力电机20分别与接电插座21电连接，控制装置2控制电控伸缩驱动机构5、纵向超声波测距传感器11、横向超声波测距传感器12、电控定位销13。

电控伸缩驱动机构5固定在偏心轮外架10上，电控伸缩驱动机构5内部有一个推动电机502自带编码器503带动的推动齿轮501，推动齿轮501啮合在伸缩方管14一侧的齿条1402上。齿条1402的旁边是一排定位孔1403。方管套3与偏心轮外架10可以相对滑动；方管套3离推动齿轮501近的地方开设有推动镂空口301。车轮8带动偏心轮17转动，偏心轮外架10的延长线会经过方管套3与外部安装架1的连接处，偏心轮外架10会相对于方管套3滑动，方管套3的里面是伸缩方管14。电控定位销13固定在偏心轮外架10上，电控定位销13锁紧时，伸缩方管14相对偏心轮外架10静止，否则伸缩方管14是可以沿着方管套3内伸缩。伸缩多少是由推动电机502带动的推动齿轮501决定的，推动电机502的后端带有正交编码器503，可以直接读取推动电机502转过的角度，就可以计算出伸缩方管14的伸缩长度。超声波传感器每条腿上有两个，一个水平向前，一个竖直向下都固定在偏心轮外架10上。伸缩方管14的最下端是足部15，足底是面积稍大一点的橡胶。

控制装置2由两大部分组成：控制器201，上层控制部分是订制的ZYNQ(XC7Z010)控制板，负责主电机速度外环控制，超声波测距数据处理，电控销，伸缩腿；电机控制盒202是市面上通用48v无刷电动自行车控制盒。负责功率驱动及推动电机502底层控制用。电控伸缩驱动机构5就用普通带编码器的直流电机。电控定位销13就是一个电磁铁，通电锁定，断电由弹簧复位。超声测距传感器：给一个启动信号，它会自动发出一组超声波，遇到障碍物返回，收到返回信号时，传感器输出一个信号，测量发信号到收到回声的时间就能算出距离。由ZYNQ内部硬件逻辑做成一个状态机，不间断的测量这四个距离，并把数据自动写到固定位置，控制部分在需要的时候由程序读取。

车轮8在行驶中，车轮8被主动力电机20驱动，偏心轮17随车轮8一起转动，通过偏心轮轴承16带动偏心轮外架10运动，偏心轮外架10向上延长线经过方管套3与外部安装架1的连接处。方管套3一端与外部安装架1连接，另一端与偏心轮外架10滑动相接。方管套3延伸到车轮8的车轮轴附近，里面是可以沿着方管套3滑动的伸缩方管14，当在平地跑，车轮8着地时，伸缩方管14全都收缩到方管套3里，只留足部15在外面。当走在复杂地面或上下楼梯时，启动伸缩腿装置，偏心轮17带动的伸缩方管14从最高点到最低点的过程，可以把偏心轮17的角度看成在时钟在12，1,2,3,4,5,6点钟的位置，每次偏心轮17落下的过程，先放下伸缩方管14，直到足部15触及地面，这时电控伸缩驱动机构5上的编码器503计数停止或变慢，控制装置2发送信号让电控定位销13锁定伸缩方管14，此时伸缩方管14紧接着就支撑起大的负载。这种方法不管地面高度，让伸缩方管14伸缩去自适应高度。如果锁定时刻发生在1点钟方向，这时以很高的斜率去提升重心，如上坡上楼梯。当锁定时刻发生在3点钟方向，这时重心只是平移，当锁定时刻在4,5点钟，每一步就会重心下移，如下楼梯下坡。至于具体在几点钟方向锁定，就是由控制装置2决定。

实施例2

一种轮腿复合运动机构，其特征在于，包括外部安装架1、设置于外部安装架1一侧的轮架4，外部安装架1上固接有控制装置2，轮架4的两侧分别设置有方管套3，方管套3的一端与外部安装架1连接，方管套3的另一端插接有伸缩方管14，方管套3的外侧滑动套接有偏心轮外架10，偏心轮外架10的侧部固接有电控伸缩驱动机构5、纵向超声波测距传感器11、横向超声波测距传感器12、电控定位销13，电控伸缩驱动机构5的传动端依次贯穿偏心轮外架10、方管套3与伸缩方管14传动连接，纵向超声波测距传感器11能够测量离地面距离，横向超声波测距传感器12能够测量水平障碍物距离，电控定位销13的伸缩端依次贯穿偏心轮外架10、方管套3与伸缩方管14活动插接；

轮架4的底部设置有车轮8，车轮8通过减震臂7与轮架4连接，轮架4与车轮8之间设置有主动力电机20，主动力电机20与轮架4固接，主动力电机20的传动端通过联轴器19连接有长齿齿轮18，车轮8的侧部固接有与长齿齿轮18啮合的车圈齿牙9，主动力电机20通过长齿齿轮18与车轮8传动连接，车轮8的两侧分别传动连接有偏心轮17，偏心轮17内的偏心轮轴承16与相邻的偏心轮外架10连接；

电控伸缩驱动机构5、纵向超声波测距传感器11、横向超声波测距传感器12、电控定位销13、主动力电机20分别与控制装置2电连接；

伸缩方管14包括方管本体1401，方管本体1401的侧部固接有齿条1402，齿条1402与电控伸缩驱动机构5的传动端啮合，方管本体1401的侧部开设有从上往下均匀分布的多组定位孔1403，定位孔1403与电控定位销13的伸缩端活动插接。

工作原理

车轮8在行驶中，车轮8被主动力电机20驱动，偏心轮17随车轮8一起转动，通过偏心轮轴承16带动偏心轮外架10运动，偏心轮外架10向上延长线经过方管套3与外部安装架1的连接处。方管套3一端与外部安装架1连接，另一端与偏心轮外架10滑动相接。方管套3延伸到车轮8的车轮轴附近，里面是可以沿着方管套3滑动的伸缩方管14，当在平地跑，车轮8着地时，伸缩方管14全都收缩到方管套3里，只留足部15在外面。当走在复杂地面或上下楼梯时，启动伸缩腿装置，纵向超声波测距传感器11以30次每秒的速度测量正下方的距离，横向超声波测距传感器12以30次每秒的速度测量正前方的距离。控制装置2能实时知道台阶的高度，和水平距离，会根据最优方案控制放下伸缩方管14的长度和时间，然后电控定位销13插进定位孔1403，锁住伸缩方管14，锁住后，此时一侧的伸缩方管14就可以承受整车的重量，另一侧的伸缩方管14抬起，重复之前过程。当每次偏心轮17达到最高点电控定位销13锁定的话车体会较快的上升，每转一圈车身抬起4倍车轮8的圆心到偏心轮17的圆心的距离。每次在车轮8的车轴水平线高度锁住伸缩方管14的话，则车身总体只前进，每圈前进4倍车轮8的圆心到偏心轮17的圆心的距离，不会升高或降低。当偏心轮17转到在这两种情况之间的任意角度，电控定位销13锁紧，此时车体将会以这个角度斜着向上移动。

本发明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举，而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围中。