发明人：罗庆生；韩宝玲；魏天骐；莫洋；吴帆；赵佳馨；毛明哲；吴迪
一种节肢机器人的轮腿式运动足设计
技术领域
本发明属于仿生机器人应用领域，具体涉及一种多步态节肢机器人的轮腿式运动足设计。
背景技术
由于仿生移动机器人涉及了机械、自动化、信息、材料、人工智能等多个学科，又有着广阔的应用前景，因此仿生移动机器人的研究一直是机器人领域研究的热点之一。
运动足机构是多足机器人行走的执行机构，它是多足机器人实现多种步态不干涉行走的关键环节。运动足机构设计的好坏直接关系到多足机器人是否可以完成预设的多种步态，因此关于多足机器人运动足的设计也很多。目前常见的运动足机构有四杆机构式、缩放式、伸缩式及关节式等。就目前已有的各种仿生机器人运动足的设计而言，腿式机器人在具有地形适应性强的优点同时，存在运动速度慢，机体平衡控制困难的不足；轮式机器人机动速度快，但跨越障碍、适应不同地形和机身灵活运动的能力稍有欠缺。
保留机器本身的轮式运动的同时结合生物腿式运动的特点，设计一款拥有轮式快速运动和腿式适应性强的特点的节肢机器人是一个有很高研究价值和应用前景的工作。其中日本千叶理工学院设计的HallucⅡ型八足机器人兼具上述运动特色。他们的运动足设计虽然具有结构紧凑的特点，但是缺乏承载能力高、足端可达域广、抗扰动能力强等特点。
发明内容
本发明的内容在于提供一种可以实现多种预设步态节肢机器人的轮腿式运动足设计。该设计采用了开链结构，共有五个主动自由度，每个自动度都有舵机或直流电动机驱动完成。运动足均采用曲臂结构设计，拥有四个转动关节和一个轮足，运动足的上部由四个关节组成，分别由直流角位移伺服电动机内部的驱动模块驱动，可以实现机器人的腿式运动；运动足底部为一直流电动机，用来驱动负载小轮，可以实现机器人的轮式运动。运动足的着地端能在其可达域的三维空间中任意位置落地。依靠运动足的独特机械设计和关节布局，使其既有腿式机器人适应地形能力强、跨越障碍能力强和机身灵活的优点，又有轮式机器人机动速度快、机体平衡控制能力强的优点。多对运动足的配合使用可以使机器人能完成几十种运动步态，并能跨越一定高度的障碍物。
其中，运动足各关节之间的距离设计，可使得机器人的各关节能在预定的角度范围内转动；运动足足底滚轮的斜率设计，可使得机器人在横向侧行步态时腿部弯曲的角度恰好使滚轮着地点与地面相切；各运动足之间的距离间隔设计，使得机器人在前进或后退时的步长和运动能满足设计要求，不至于运动时前后腿相冲突。这种装置具有结构紧凑、承载能力强、足端可达域广、抗干扰能力强、控制方便、运动灵活等特点。
为了实现上述发明目的，节肢机器人的轮腿式运动足设计由腿前部曲臂、腿后部曲臂、直流电动机外壳、电动机延伸套、轮子外套、轮芯、腿轴、脚部插板、舵机支撑架一、舵机支撑架二、舵机支撑架三、舵机支撑架四、舵机支撑架五、舵机支撑架六、舵机支撑架七、缓冲垫、腰部横板、齿轮箱、轴承盖组成。舵机安装在舵机支撑架内，直流电动机安装在直流电动机外壳内，电动机支架通过螺钉固定在机体上，锥齿轮与电动机轴相连。主要设计包括以下结构：①舵机包围结构：根据舵机的尺寸大小，来确定包围结构外壳的尺寸。并通过精细的测量来确定背板上和舵机对称位置安装轴的位置，从而保证了对称性。此外，在设计时两侧预留出了误差允许范围的安装间隙以方便调整。②运动足曲臂的设计：通过对运动足动作的设计要求的分析可知，曲臂由两部分组成，通过调整尺寸，使拐角为直角。③同侧两运动足之间距离设计：通过测量可得最底端的舵机轴距离足底端橡胶底的距离和运动分析可知，运动足要能够绕最底端的舵机轴平角旋转，因此设计舵机轴到胶底距离及两足之间距离，以保证使两足能够同时旋转而不发生干涉。④轮子圆弧计算：当足部直流电动机绕定点旋转时，要保证轮子的曲面与过定点的大圆相切，这样才能保证转动的平稳，由此得到轮子圆弧设计。
本发明的优点在于：
1）结合腿式与轮式仿生机器人的特点，运动足曲臂和轮式设计使其既有腿式机器人适应地形能力强、机身灵活的优点，又有轮式机器人机动速度快、机体平衡控制能力强的优点。
2）利用锥齿轮避免了电动机直接承受径向负载，提高了电动机的使用寿命，增大了力矩。
3）运动足足底滚轮的斜率设计，可使得机器人在横向侧行步态时腿部弯曲的角度恰好使滚轮着地点与地面相切，可实现多种步态行走，可适用于六足、八足等偶数足机器人腿部设计。
附图说明
附图I-1为节肢机器人的轮腿式运动足单足设计示意图。
附图I-2为节肢机器人的轮腿式运动足单足设计主视图。
附图I-3为节肢机器人的轮腿式运动足单足设计左视图。
附图I-4为节肢机器人的轮腿式运动足单足设计俯视图。
附图I-5为节肢机器人的轮腿式运动足双足组合设计装配图。(www.xing528.com)
附图I-6为节肢机器人的轮腿式运动足步态设计图一。
附图I-7为节肢机器人的轮腿式运动足步态设计图二。
附图I-8为节肢机器人的轮腿式运动足步态设计图三。
以上附图中：1—支架；2—锥齿轮；3—轴承；4—1号舵机；5—套筒；6—1号轴；7—身板；8—键；9—螺钉；10—腿前部曲臂；11—轴承；12—舵机支撑架一；13—2号舵机；14—轴承；15—舵机支撑架一；16—舵机支撑架三；17—3号舵机；18—舵机支撑架五；19—舵机支撑架六；20—4号舵机；21—轮子外套；22—轮芯；23—卡箍；24—缓冲垫；25—插板；26—直流电动机；27—电动机支架；28—舵机支撑架六；29—舵机支撑架二；30—舵机支撑架七；31—腿后部曲臂；32—横板；33—舵机支撑架二；34—螺母；35—舵机支撑架四。
具体实施方式
如附图I-1所示，为节肢机器人的轮腿式运动足单足设计示意图，包括连接板上部的1号舵机和连接板下部的2号、3号、4号舵机，以及底部的直流电动机。舵机包围结构有：通过螺钉固连的1号舵机4的支架、锥齿轮、轴承、1号轴和用于与下方结构连接的连接板7，以上机构组合实现将1号舵机的水平旋转运动转化为垂直方向的旋转运动。2号舵机13通过螺钉固连四个舵机支撑架，实现曲臂关节垂直方向的旋转。3号舵机17通过螺钉固连四个舵机支撑架，实现曲臂关节垂直方向的旋转。4号舵机20通过螺钉固连四个舵机支撑架，实现曲臂关节下方轮足水平方向的旋转。曲臂设计结构有：腿前部曲臂10和腿后部曲臂31分别固连2号、3号舵机的两侧舵机支架，中间用横板固定。轮式结构设计有：用直流电动机外壳固定直流电动机，插入插板固定，后套入卡箍和硬橡胶材质缓冲垫，前部套入轮芯，装轮子外套21，实现轮式行走。
如附图I-2所示，可看到采用垂直理念的腿前部曲臂设计，运动足足底滚轮的斜率设计，可使得机器人在横向侧行步态时腿部弯曲的角度恰好使滚轮着地点与地面相切。
如附图I-3、I-4所示，1号舵机通过一号轴与下部相连，避免了电动机轴直接承受径向载荷，提高了电动机的使用寿命。
如附图I-5所示，安装运动足时，先将舵机支撑架一12、舵机支撑架二33、舵机支撑架三16螺钉固连，放入2号舵机13后用舵机支撑架四35通过螺钉固连，实现曲臂关节垂直方向的旋转。再放入3号舵机17后，通过另一组舵机支撑架一15、舵机支撑架二29、舵机支撑架五18、舵机支撑架三16固定3号舵机17，通过螺钉固连，实现曲臂关节垂直方向的旋转。再将腿前部曲臂10和腿后部曲臂31分别固连2号舵机13、3号舵机17的两侧舵机支架，中间用横板32固定。舵机支撑架五18、舵机支撑架六19、舵机支撑架六、舵机支撑七30通过螺钉固定4号舵机20，实现曲臂关节下方轮足水平方向的旋转。后用直流电动机外壳固定直流电动机26，插入插板25固定，后套入卡箍23和硬橡胶材质缓冲垫24，后部套电动机延伸套，前部套入轮芯22，装轮子外套21。这样实现了三个舵机为主动自由度和一个直流电动机为主动自由度的组装。与此过程类似，完成另一四自由度腿部组装后，通过一个连接平板可连接两部分机构，在舵机支撑架四上部通过轴承与连接板相连，连接板上部通过支架用螺钉固定1号舵机，后用锥齿轮啮合1号轴，1号轴通过轴承连接2号舵机。这样就可以实现单运动足五个主动自由度，双足连接十个主动自由度的运动足组装。利用1号轴通过连接板上的孔插入轴承内圈，实现将1号舵机的水平旋转运动转化为垂直方向的旋转运动，避免了电动机轴直接承受径向载荷，提高了电动机的使用寿命，同时连接板下3个舵机的布置为腿部的侧向摆动提供了更强的动力。
如附图I-6所示，实现了轮腿式运动足步态设计一，类螃蟹式步态。通过控制2号舵机转动75°、3号舵机转动15°实现此步态。
如附图I-7所示，实现了轮腿式运动足步态设计二，蹲卧式步态。通过控制2号舵机转动75°，3号舵机转动75°实现此步态。
如附图I-8所示，实现了轮腿式运动足步态设计三，狗爬式步态。通过控制1号舵机转动90°、2号舵机转动15°，3号舵机转动30°实现此步态。
说明书附图
附图I-1 节肢机器人的轮腿式运动足单足设计示意图
附图I-2 节肢机器人的轮腿式运动足单足设计主视图
附图I-3 节肢机器人的轮腿式运动足单足设计左视图
附图I-4 节肢机器人的轮腿式运动足单足设计俯视图
附图I-5 节肢机器人的轮腿式运动足双足组合设计装配图
附图I-6 节肢机器人的轮腿式运动足步态设计图一
附图I-7 节肢机器人的轮腿式运动足步态设计图二
附图I-8 节肢机器人的轮腿式运动足步态设计图三
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