一种具有二自由度的腿-臂复用切换机构及足腿机器人

技术领域

本发明属于机器人设计领域，尤其涉及一种具有二自由度的腿-臂复用切换机构及足腿机器人。

背景技术

移动机器人作为一种机器人的重要类型，其应用广泛，覆盖了地面、空中和水下乃至外太空。足腿式机器人在复杂地形中具有独特优势，可以适应各种不平整地面、不连续地形，可主动调节身体高度适应不同作业要求，保证在不平整地面上运动时操作平台的稳定性，并具有一定的运动故障容错性，因此足腿式机器人是非结构环境下的理想移动载体。

现有的足腿式机器人在满足越障功能的同时，还需要具有一定的操作能力，一般是在足腿式机器人上单独安装操作机械臂以满足作业需要，但是此种方式会增加机器人的负载，机器人的使用时间短；或者是采用腿臂融合复用形式，例如公开号CN113625735A公开的“基于腿臂复用六足机器人的控制方法和机器人”的中国专利，此六足机器人的中间两个腿既可以作为腿部使用，又可以作为臂体使用，腿部模式与臂体模式的切换是通过运动关节来实现的，但是此专利并没有公开运动关节的结构形式，而一般的运动关节都是通过驱动电机直接驱动实现腿部运动或者腿部模式与臂部模式的切换，仅具有一个自由度，无法实现其他的附加功能。

发明内容

本发明需要解决的技术问题是：现有的运动关节都是通过驱动电机直接驱动实现腿部运动或者腿部模式与臂部模式的切换，仅具有一个自由度，无法实现其他的附加功能；进而提供一种具有二自由度的腿-臂复用切换机构及足腿机器人，以实现腿部模式与臂部模式的切换，或者实现足腿旋转等功能。

本发明为解决上述技术问题采用的技术方案是：

一种具有二自由度的腿-臂复用切换机构，它包括驱动电机、齿轮传动副、换向器外框和两组锁紧组件；所述驱动电机的定子安装在足腿机器人的机身上，所述的齿轮传动副设置在换向器外框内，齿轮传动副的动力输入端水平设置，并伸出换向器外框与驱动电机的转子同轴连接；齿轮传动副的动力输出端垂直设置，并伸出换向器外框与机器人足腿相连接，所述的齿轮传动副用于实现驱动电机与机器人足腿之间扭力的传递；其中一组锁紧组件套装在齿轮传动副的动力输入端上，并处于驱动电机的定子与换向器外框之间，用于驱动电机的定子与换向器外框之间的锁紧或解锁，另一组锁紧组件套装在齿轮传动副的动力输出端上，并处于换向器外框与机器人足腿之间，用于换向器外框与机器人足腿之间的锁紧或解锁；所述的两组锁紧组件用于改变驱动电机扭力的输出方向。

进一步的，所述的齿轮传动副包括两个齿轮轴，其中一个齿轮轴为主动齿轮轴，并作为齿轮传动副的动力输入端与驱动电机的转子进行连接，另一个齿轮轴为被动齿轮轴，并作为齿轮传动副的动力输出端与机器人足腿进行连接，所述的主动齿轮轴与被动齿轮轴相互垂直设置并咬合。

进一步的，每个齿轮轴包括一根转轴和一个传动锥齿轮，所述的传动锥齿轮安装在转轴的一端端部；在主动齿轮轴中，转轴带有传动锥齿轮的一端处于换向器外框内，转轴的另一端与驱动电机的转子同轴固连；在被动齿轮轴中，转轴带有传动锥齿轮的一端处于换向器外框内，并与主动齿轮轴中的传动锥齿轮相啮合，转轴的另一端与机器人足腿进行连接。

进一步的，每组锁紧组件包括一个被动锁紧部和一个主动锁紧部，套装在齿轮传动副动力输入端上的锁紧组件，被动锁紧部安装在驱动电机的定子上，主动锁紧部安装在换向器外框上；套装在齿轮传动副动力输出端上的锁紧组件，被动锁紧部安装在机器人足腿端部的外壳上，主动锁紧部安装在换向器外框上，所述的被动锁紧部与主动锁紧部的连接实现了锁紧功能，被动锁紧部与主动锁紧部的分离实现了解锁功能。

进一步的，所述的被动锁紧部为一端带齿的固定啮合卡盘，所述固定啮合卡盘带齿的一端朝向主动锁紧部设置，未带齿的一端固定在驱动电机1的定子上或者机器人足腿端部的外壳上。

进一步的，所述的主动锁紧部包括电磁吸合器和移动啮合卡盘；所述的电磁吸合器安装在换向器外框上，移动啮合卡盘安装在电磁吸合器的吸合端；所述的移动啮合卡盘为一端带齿的卡盘，所述移动啮合卡盘带齿的一端朝向固定啮合卡盘设置，所述固定啮合卡盘的齿部与移动啮合卡盘的齿部相咬合。

进一步的，所述的电磁吸合器包括电磁线圈、连接板、若干个导向柱和若干根复位弹簧；所述的电磁线圈安装在换向器外框内，所述的连接板设置在换向器外框与移动啮合卡盘之间，并固定在换向器外框上；所述的若干个导向柱和若干根复位弹簧设置在连接板与移动啮合卡盘之间，导向柱的一端固定在移动啮合卡盘上，导向柱的另一端伸出连接板，并可相对于连接板轴向移动；所述复位弹簧的一端固定在移动啮合卡盘上，复位弹簧的另一端固定在连接板上。

进一步的，所述的换向器外框为带有两个直角边的框架结构，在换向器外框的两个直角边上分别开有一个安装槽，所述的电磁线圈设置在安装槽内。

进一步的，它包括机器人机身、四个腿-臂复用切换机构和四条机器人足腿，每条机器人足腿通过一个腿-臂复用切换机构安装在机器人机身上；每条机器人足腿包括顺次连接的膝驱动关节、大腿、踝驱动关节和小腿，所述的膝驱动关节用于驱动大腿的摆动，踝驱动关节用于小腿的摆动。

进一步的，所述小腿的端部设置有机械爪。

本发明与现有技术相比产生的有益效果是：

1、本发明中的腿-臂复用切换机构作为机器人足腿与机身之间连接的髋关节，其具有两个自由度，并通过一个驱动电机实现两个自由度的切换，一个是以齿轮传动副的动力输入端所在的轴线为轴进行旋转的一个自由度，用以实现足腿机器人的机器人足腿在腿部模式与臂部模式之间的切换；另一个是以齿轮传动副的动力输出端所在的轴线为轴进行旋转的一个自由度，用以实现机器人足腿360°的转向。

2、本发明中的腿-臂复用切换机构可以应用到不同类型的足腿机器人中，以适应不同的工作环境。

附图说明

附图作为本申请的一部分，用来提供对本发明的进一步的理解。

图1为腿-臂复用切换机构的轴侧图。

图2为腿-臂复用切换机构的侧视图。

图3为换向器外框的结构示意图。

图4为腿-臂复用切换机构应用到机器人足腿上的结构示意图。

图5为腿-臂复用切换机构应用到哺乳动物型机器人上的示意图。

图6为腿-臂复用切换机构应用到爬行型机器人上的示意图。

图7为机器人足腿旋转状态时的示意图。

图8为足腿机器人的其中一个足腿切换到臂部模式时的状态图。

图9为足腿机器人处于腿部模式时的状态图。

附图标记说明：1-驱动电机；2-齿轮轴；2-1-转轴；2-2-传动锥齿轮；3-机器人足腿；4-换向器外框；5-被动锁紧部；6-主动锁紧部；6-1-电磁吸合器；6-1-1-电磁线圈；6-1-2-连接板；6-1-3导向柱；6-1-4-复位弹簧；6-2-移动啮合卡盘；7-机器人机身。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

本申请采用两个实施例对本申请的技术方案进行详细描述。

实施例1，本实施例提供一种具有二自由度的腿-臂复用切换机构，参见图1至图3，所述的腿-臂复用切换机构包括驱动电机1、齿轮传动副、换向器外框4和两组锁紧组件。所述驱动电机1的定子安装在足腿机器人的机身上，所述的齿轮传动副设置在换向器外框4内，齿轮传动副的动力输入端水平设置，并伸出换向器外框4与驱动电机1的转子同轴连接；齿轮传动副的动力输出端垂直设置，并伸出换向器外框4与机器人足腿3相连接，所述的齿轮传动副用于实现驱动电机1与机器人足腿3之间扭力的传递。其中一组锁紧组件套装在齿轮传动副的动力输入端上，并处于驱动电机1的定子与换向器外框4之间，用于驱动电机1的定子与换向器外框4之间的锁紧或解锁，另一组锁紧组件套装在齿轮传动副的动力输出端上，并处于换向器外框4与机器人足腿3之间，用于换向器外框4与机器人足腿3之间的锁紧或解锁；所述的两组锁紧组件用于改变驱动电机1扭力的输出方向。

在本实施例中，所述的腿-臂复用切换机构作为机器人足腿与机身之间连接的髋关节，所述的腿-臂复用切换机构具有两个自由度，并通过一个驱动电机实现两个自由度的切换，一个是以齿轮传动副的动力输入端所在的轴线为轴进行旋转的一个自由度，用以实现足腿机器人的机器人足腿3在腿部模式与臂部模式之间的切换；另一个是以齿轮传动副的动力输出端所在的轴线为轴进行旋转的一个自由度，用以实现机器人足腿3360°的转向。

在本实施例中，所述的两组锁紧组件始终处于相反的状态，即其中一组锁紧组件处于锁紧状态，那么另一组锁紧组件必然处于解锁状态。

参见图1，所述的齿轮传动副包括两个齿轮轴2，其中一个齿轮轴2为主动齿轮轴，并作为齿轮传动副的动力输入端与驱动电机1的转子进行连接，另一个齿轮轴2为被动齿轮轴，并作为齿轮传动副的动力输出端与机器人足腿3进行连接，所述的主动齿轮轴与被动齿轮轴相互垂直设置并咬合。

进一步的，参见图2，每个齿轮轴2包括一根转轴2-1和一个传动锥齿轮2-2，所述的传动锥齿轮2-2安装在转轴2-1的一端端部；在主动齿轮轴中，转轴2-1带有传动锥齿轮2-2的一端处于换向器外框4内，转轴2-1的另一端与驱动电机1的转子同轴固连；在被动齿轮轴中，转轴2-1带有传动锥齿轮2-2的一端处于换向器外框4内，并与主动齿轮轴中的传动锥齿轮2-2相啮合，转轴2-1的另一端与机器人足腿3进行连接。

参见图1，每组锁紧组件包括一个被动锁紧部5和一个主动锁紧部6，套装在齿轮传动副动力输入端上的锁紧组件，被动锁紧部5安装在驱动电机1的定子上，主动锁紧部6安装在换向器外框4上；套装在齿轮传动副动力输出端上的锁紧组件，被动锁紧部5安装在机器人足腿3端部的外壳上，主动锁紧部6安装在换向器外框4上，所述的被动锁紧部5与主动锁紧部6的连接实现了锁紧功能，被动锁紧部5与主动锁紧部6的分离实现了解锁功能。

进一步的，所述的被动锁紧部5为一端带齿的固定啮合卡盘，所述固定啮合卡盘带齿的一端朝向主动锁紧部6设置，未带齿的一端固定在驱动电机1的定子上或者机器人足腿3端部的外壳上。

进一步的，所述的主动锁紧部6包括电磁吸合器6-1和移动啮合卡盘6-2；所述的电磁吸合器6-1安装在换向器外框4上，移动啮合卡盘6-2安装在电磁吸合器6-1的吸合端；所述的移动啮合卡盘6-2为一端带齿的卡盘，所述移动啮合卡盘6-2带齿的一端朝向固定啮合卡盘设置，所述固定啮合卡盘的齿部与移动啮合卡盘6-2的齿部相咬合。

更进一步的，所述的电磁吸合器6-1包括电磁线圈6-1-1、连接板6-1-2、若干个导向柱6-1-3和若干根复位弹簧6-1-4；所述的电磁线圈6-1-1安装在换向器外框4内，所述的连接板6-1-2设置在换向器外框4与移动啮合卡盘6-2之间，并固定在换向器外框4上；所述的若干个导向柱6-1-3和若干根复位弹簧6-1-4设置在连接板6-1-2与移动啮合卡盘6-2之间，导向柱6-1-3的一端固定在移动啮合卡盘6-2上，导向柱6-1-3的另一端伸出连接板6-1-2，并可相对于连接板6-1-2轴向移动；所述复位弹簧6-1-4的一端固定在移动啮合卡盘6-2上，复位弹簧6-1-4的另一端固定在连接板6-1-2上。

在本实施例中，所述的移动啮合卡盘6-2在拮抗式电磁吸合器的调控下进行“对立开合”操作，即电磁吸合器6-1在下电时，电磁吸合器6-1中的复位弹簧6-1-4处于伸长状态，此时，移动啮合卡盘6-2远离连接板6-1-2并与固定啮合卡盘相咬合，此时换向器外框4与驱动电机1的定子实现锁合不动；当电磁吸合器6-1处于上电状态时，电磁线圈6-1-1对移动啮合卡盘6-2产生吸合力，移动啮合卡盘6-2克服复位弹簧6-1-4的弹力朝向连接板6-1-2处移动，使得移动啮合卡盘6-2与固定啮合卡盘分离。

在本实施例中，所述的导向柱6-1-3具有导向作用，使得移动啮合卡盘6-2仅能轴向移动，而无法转动，保证了移动啮合卡盘6-2的齿部与固定啮合卡盘的齿部始终错位，以达到咬合的目的。

参见图1，所述的换向器外框4为带有两个直角边的框架结构，在换向器外框4的两个直角边上分别开有一个安装槽4-1，所述的电磁线圈6-1-1设置在安装槽4-1内。

以下对实施例1的工作过程做进一步的说明，以进一步展示本发明的工作原理和优点：

当机器人的足腿处于腿部模式时：处于齿轮传动副动力输入端上的锁紧组件处于锁紧状态，即电磁吸合器6-1处于下电状态，移动啮合卡盘6-2与固定啮合卡盘相咬合，换向器外框4与驱动电机1的定子通过移动啮合卡盘6-2与固定啮合卡盘实现固连，换向器外框4相对于驱动电机1的定子保持不动，齿轮传动副动力输出端上的锁紧组件处于解锁状态，即电磁吸合器6-1处于上电状态，移动啮合卡盘6-2与固定啮合卡盘分离，换向器外框4与机器人足腿3的外壳分离，且二者之间可相对运动；所述驱动电机1的转子转动，并通过齿轮传动副实现扭矩的传递，齿轮传动副中的主动齿轮轴转动，主动齿轮轴带动被动齿轮轴转动，被动齿轮轴将扭矩传递给机器人足腿3，机器人足腿3转动。

当机器人的足腿切换到臂部模式时：处于齿轮传动副动力输入端上的锁紧组件处于解锁状态，即电磁吸合器6-1处于上电状态，移动啮合卡盘6-2与固定啮合卡盘分离，换向器外框4与驱动电机1的定子分离，且二者之间可相对运动；齿轮传动副动力输出端上的锁紧组件处于锁紧状态，即电磁吸合器6-1处于下电状态，移动啮合卡盘6-2与固定啮合卡盘相咬合，换向器外框4与机器人足腿3的外壳通过移动啮合卡盘6-2与固定啮合卡盘实现固连，二者之间保持固定不动；所述的驱动电机1的转子转动，并通过齿轮传动副实现扭矩的传递，齿轮传动副中的主动齿轮轴转动，由于换向器外框4与足腿外壁处于锁合状态，而被动齿轮轴与机器人足腿连接，所以被动齿轮轴无法转动，被动齿轮轴在主动齿轮轴的作用下绕主动齿轮轴所在的轴线进行转动，被动齿轮轴带动机器人足腿3转动，并可上抬到足腿机器人机身的上方，作为臂部使用，实现了腿部模式与臂部模式的切换。

实施例2，本实施例提供一种具有腿-臂复用切换机构的足腿机器人，参见图4，其包括机器人机身7、四个腿-臂复用切换机构A和四条机器人足腿3，每条机器人足腿3通过一个腿-臂复用切换机构A安装在机器人机身7上；每条机器人足腿3包括顺次连接的膝驱动关节7-1、大腿7-2、踝驱动关节7-3和小腿7-4，所述的膝驱动关节7-1用于驱动大腿7-2的摆动，踝驱动关节7-3用于小腿7-4的摆动。

参见图1，所述小腿7-4的端部设置有机械爪。

以下对实施例2的工作过程做进一步的说明，以进一步展示本发明的工作原理和优点：

当腿-臂复用切换机构A应用到哺乳动物型机器人上时：参见图5，腿-臂复用切换机构A安装在机器人机身7的两侧，所述驱动电机1的定子安装在机器人机身7上，驱动电机1的转子处于水平状态，所述腿-臂复用切换机构A中的被动齿轮轴连接在机器人足腿3中的膝驱动关节7-1的外壳上，当处于齿轮传动副动力输入端上的锁紧组件处于锁紧状态、齿轮传动副动力输出端上的锁紧组件处于解锁状态时，所述驱动电机1的转子转动，并带动齿轮传动副中的主动齿轮轴转动，主动齿轮轴带动被动齿轮轴转动，被动齿轮轴带动机器人足腿3转动，使得机器人足腿3实现换向的功能。当处于齿轮传动副动力输入端上的锁紧组件处于解锁状态、齿轮传动副动力输出端上的锁紧组件处于锁合状态时，所述驱动电机1的转子转动，并带动齿轮传动副中的主动齿轮轴转动，被动齿轮轴在机器人足腿3的制约下绕主动齿轮轴所在的轴线转动，机器人足腿3上抬，实现腿部模式切换到臂部模式；当其中一个足腿上抬作为臂体使用时，另外三条足腿或者五条足腿为了保持身体的平衡，往往需要更多的解算，由于本申请中每条机器人足腿3与机器人机身7之间通过的腿-臂复用切换机构A进行连接，而腿-臂复用切换机构A具有两个自由度，所以其余的机器人足腿3可以向外偏摆一定的角度，使得足腿机器人的重心降低，增加了足腿机器人稳定性的同时，还能减少解算过程。

当腿-臂复用切换机构A应用到爬行型机器人上时：参见图6，腿-臂复用切换机构A安装在机器人机身7的四个顶角处，所述驱动电机1的定子安装在机器人机身7上，驱动电机1的转子处于竖直状态，所述腿-臂复用切换机构A中的被动齿轮轴连接在机器人足腿3中的膝驱动关节7-1的外壳上，当处于齿轮传动副动力输入端上的锁紧组件处于锁紧状态、齿轮传动副动力输出端上的锁紧组件处于解锁状态时，所述的驱动电机1的转子转动，并带动齿轮传动副中的主动齿轮轴转动，主动齿轮轴带动被动齿轮轴转动，被动齿轮轴带动机器人足腿3转动，使得机器人足腿3实现换向的功能。当处于齿轮传动副动力输入端上的锁紧组件处于解锁状态、齿轮传动副动力输出端上的锁紧组件处于锁合状态时，所述驱动电机1的转子转动，并带动齿轮传动副中的主动齿轮轴转动，被动齿轮轴在机器人足腿3的制约下绕主动齿轮轴所在的轴线转动，机器人足腿3上抬，实现腿部模式切换到臂部模式；由于爬行型机器人本身的稳定性比较好，所以其余的足腿无需向外张开即可实现稳定站立。

由于足腿机器人的应用场景不同，所以需要挑选不同形式的足腿机器人，包括哺乳动物型机器人和爬行型机器人，其中哺乳动物型机器人可以应用于狭窄的空间中，而爬行型机器人可以应用到宽阔的空间中。

虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。