适用于轮足机器人的轮足切换装置的制作方法

1.本发明涉及轮足机器人技术领域，尤其是适用于轮足机器人的轮足切换装置。


背景技术：

2.常见的移动机器人多是以轮式结构出现的，因为轮式结构在地面可以通过滚动来降低 阻力，提高运动效率，但这样的方案对于复杂环境的适应性较差，比如一旦机器人进入沙 砾、凹凸、崎岖的路面后，缺点就会显现出来，比如运动不平稳与无法跨越障碍等问题。 因此出现了另一种能够适应复杂路面的机器人移动方案，就是模仿生物四肢的生理结构， 通过踝关节的自由度适应与地面的接触角度，实现复杂环境的适应，但这样的方案也存在 一些问题，比如移动速度慢、稳定性较差、运动效率低等。综上，这两种方案互相都存在 各自的优缺点：轮式结构运动速度快但复杂环境适应能力弱，足式结构复杂环境适应能力 好但速度慢，为了解决轮式结构与腿式结构互相存在的矛盾，本发明提出一种可轮足模式 相互切换的轮腿机器人下肢装置，该装置分别结合了足式与轮式的优点，使机器人在平地 上以轮式方式运动、在崎岖路面上以足式结构运动，并能够快速完成轮足两种模态的切换。
3.目前常见的双腿轮足机器人的轮足转换方式可以分为以下几种：
4.1、以轮为主，转换时放下支撑足，轮位置不变，如：2019年公布的名为(申请号 201910849651.0)一种机器人轮足转换装置的发明专利，该发明中作者在与轮的转动平面 内平行的平面内设计了四连杆机构，并使用液压缸来驱动，在必要时通过伸展与收缩连杆 机构，实现足的下放与抬起，完成轮足之间的相互转换，这样的设计虽然能够满足轮足转 换的功能，但由于使用在四杆机构结构复杂，且液压驱动带来的装置重量增加，很难满足 实际使用的要求，同时其对于足部以及轮式驱动的空间也有比较苛刻的要求；以及2017公 布的名为(申请号201710233308.4)一种具有双足步行与轮式移动转换功能的机器人运动 机构的发明专利，该发明中作者将足与轮设计为绕同一轴旋转，简化了四连杆机构，改由 电机直接驱动，但在实现轮足转换时需要腿部连杆前倾与直立，并且对于轮与足的尺寸具 有较高的要求，采用机械锁紧的方式固定支撑足。
5.2、以足为主，在转换时放下轮，并将脚支撑起来，进行移动，如2008年公布的名为(申 请号200810209738.3)用于仿人机器人、多足步行机上的脚用轮式移动装置，该发明中作 者设计了螺杆等传动机构，将轮置于机器人脚部的外侧，轮足转换时螺杆旋转，带动轮上 下移动，能够实现足式机器人在平整地面的快速移动。
6.3、轮可以展开变形为足，足可以继续随轮轴旋转，提高通过性，如：2014年公布的名 为(申请号201410315537.7)一种足轮式四足机器人的发明专利，该发明中，作者采用四 个三自由度足轮运动支链，通过控制运动支链的伸展，可以实现轮足转换，提高轮式机器 人在崎岖路面的通过能力。
7.综上，现有的轮足转换方案存在机构复杂、集成度不高、占用空间大、模态转换过程 复杂、运动形式单一、传动精度低等缺点。
旋向的关系，图3c是机器人由轮向足转换时电机旋向与轮旋向的关系。其中ω1、ω2分别 是两锥齿轮的角速度，ωd为大锥齿轮角速度。
29.图4中，图4a是双足轮式形态，图4b是双足足式形态；
30.图中，1.电机2.电机转轴3.连接座4.锥齿轮架5.小锥齿轮6.交叉滚子轴 承7.大锥齿轮8.滑动轴承9.轴承端盖10.轮法兰11.小腿12.轮13.环形足底。
具体实施方式
31.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本 发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不 用于限定本发明。
32.本技术所设计的适用于轮足机器人的轮足切换装置如图1和2所示，轮足切换装置包 括连接座3、锥齿轮箱、电机1和轮足部件。连接座3呈拱形，具体地，连接座3的顶部 为水平板，连接座3的侧部为相互平行的竖直板。连接座3的顶部与小腿11的底端固定连 接，实现轮足切换装置与小腿11之间的连接。
33.锥齿轮箱包括锥齿轮架4、小锥齿轮5和大锥齿轮7。小锥齿轮5设有两个且两个小锥 齿轮5相对设置；每个小锥齿轮5的轴部套装在锥齿轮架4上，且在小锥齿轮5与锥齿轮 架4的接触处装有滑动轴承8；滑动轴承8由铜制备。小锥齿轮5固定端通过传动件连接 电机转轴2，两小锥齿轮5可以被电机1驱动相互独立绕轴旋转。大锥齿轮7的齿面与两 个小锥齿轮5相互啮合，大锥齿轮7的轴部套装在锥齿轮架4上，且大锥齿轮7与锥齿轮 架4的接触处装有交叉滚子轴承6。大锥齿轮7的底部设有连接法兰。考虑到承载能力， 大锥齿轮由锥齿轮架上的交叉滚子轴承进行支撑，考虑到结构尺寸，小锥齿轮由铜制的滑 动轴承连接在锥齿轮架上。
34.电机1设有两个，分别固定安装在连接座3的竖直板外侧，且电机1与连接座3之间 通过连接件固定连接；由电机1分别向小锥齿轮5提供动力，驱动其转动。
35.轮足部件包括轮12，在轮12一侧的中心部位设有旋转轴，旋转轴的一端与轮12的中心 部位可旋转连接，旋转轴的另一端设有轮法兰10，通过轮法兰10实现轮足部件与大锥齿轮7 的底部之间固定连接。同时在轮12的另一侧设置环形足底13。环形足底13采用橡胶材料， 作为足式形态下的足底表面，该结构具有一定的防滑与减震的作用。
36.为了更清楚的保护本技术的轮足切换装置，以下结合本装置的工作原理作进一步解释。
37.当机器人需要从轮式形态转换为足式形态时，两小锥齿轮5同向旋转，由于两小锥齿轮 5共同与大锥齿轮7相啮合，此时大锥齿轮7不发生绕轴旋转，而是连同锥齿轮架4跟随小锥 齿轮5共同向下翻转，环形足底13朝下接地，此时机器人可以由轮部形态转换为足式形态。 反之，当两对置的锥齿轮同向转动时，大锥齿轮7连同锥齿轮架4跟随小锥齿轮5共同向上翻 转，当翻转90度后，轮子侧面着地，机器人变为轮式形态如图4。
38.如图3，当机器人需要在轮式形态下行进时，两小锥齿轮5反向同速旋转，由于锥齿轮 箱存在一定的差动作用，导致大锥齿轮7绕自身的轴线方向旋转，引起轮12的转动，使得机 器人可以前后移动，在机器人轮式运动过程中，本结构可以有效克服锥齿轮转动过程中的 背隙带来的误差，因为本方案中对置了两个小锥齿轮5且分别连接着电机，可以利用两
电机 转动时的相位差，来提高轮12转动的精度，相位靠前的电机所带动的小锥齿轮5主要起到驱 动大锥齿轮7旋转的作用，锥齿轮齿面的受到顺着旋转方向的驱动力，而相位靠后的电机所 带动的小锥齿轮5主要起拖动大锥齿轮7的作用，此时锥齿轮齿背受到逆旋转方向的拖动力， 两个力速度相同，方向相反，牢牢地顶住大锥齿轮7的齿面与齿背，提高了其旋转的精度。
39.在本实施例中，锥齿轮架4呈倒拱形，由水平底板和水平底板上相对平行的竖直板构成， 竖直板上相对开设有小锥齿轮5的安装孔，在水平底板上开设有大锥齿轮7的安装孔，且在 水平底板的底部配有盖板，通过紧固件将盖板与水平底板的底面之间固定连接。
40.在本实施例中，机器人小腿11的上部连接着俯仰电机，整体上能够实现足部的前倾与 后仰的控制，适应不同的地形。
41.另外，本技术所设计的装置并不局限于当前形状，可以随不同环境的要求改变轮子的 大小形状、锥齿轮行星架形状与连接座的形状，锥齿轮的减速比不受约束。
42.本发明能够很好的提高机器人的环境适应能力，轮腿机器人运动在不同的路况时，可 以通过本装置实现轮足模态的切换，提高运动的效率，更好地适应复杂地形，通过后续的 控制可以使机器人在必要时候选择适当的脚部模态，实现运动效率的最大化，本发明并不 局限于现有的轮足互换的思想，而是创新性的将轮的侧面作为脚，并且采用了结构更加紧 凑的锥齿轮传动进行轮足转换：当两个锥齿轮同一方向转动时，轮开始翻转，进行快速的 轮足转换；当两锥齿轮相互反向旋转时，轮开始转动，并且转动过程中锥齿轮的背隙可以 通过两电机之间的角度差来补偿，提高了轮转动的精度，有利于对机器人全身的平衡实施 更让好的控制。这样的轮足转换装置与转换的思想是与现有的大部分方法所不同的。即解 决了复杂环境的通过性问题，也解决了轮式运动模式下的运转精度的问题。
43.以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员 能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据 本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。