本發(fā)明涉及一種主體結構可多級伸縮的輪腿式機器人，屬于混合移動機器人技術領域。

背景技術：

在行星探測、軍事偵察、礦山開采、反恐排雷等非結構化環(huán)境中，輪腿式機器人發(fā)揮著越來越重要的作用，它不但具備腿式機器人的高越障性能，而且具備輪式機器人的高速高效性能，它能有效減輕人類工作強度、保護人身安全以及完成人類難以完成的工作。

在現(xiàn)有的輪腿式機器人結構設計中，機器人的主體結構通常是一個整體，不具備可伸縮的能力，這就大大限制了機器人作業(yè)環(huán)境。本發(fā)明提供了一種主體結構可多級伸縮的輪腿式機器人，可以根據作業(yè)環(huán)境的不同，通過伸縮單元調整主體結構的變形，增加了輪腿式機器人在非結構化環(huán)境中的運行能力。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服已有技術存在的不足，提供一種主體結構可多級伸縮的輪腿式機器人。

為達到上述目的，本發(fā)明采用下述技術方案：

一種主體結構可多級伸縮的輪腿式機器人，主要由四個主體結構、四組腿式結構行走子系統(tǒng)和四組伸縮單元組成；所述四個主體結構組合起來為一個類長方體，每兩個主體結構之間通過一組伸縮單元連接，每個主體結構上安裝一組腿式結構行走子系統(tǒng)。

所述四個主體結構的結構相同，內部設有內電機和聯(lián)軸器，聯(lián)軸器連接在內電機的輸出軸上；主體結構下面中心位置固定有一個輪架，所述輪架與一個車輪轉動連接，一個外電機安裝在所述輪架上，所述外電機的輸出軸連接車輪。

所述四組腿式結構行走子系統(tǒng)結構相同，包括連桿座、腰關節(jié)、上舵機、大腿、下舵機、小腿、足，所述連桿座固定連接在主體結構上，所述腰關節(jié)與連桿座轉動連接，并通過上舵機驅動，所述腰關節(jié)與所述大腿的一端通過銷轉動連接，所述大腿的另一端與所述小腿的一端通過銷轉動連接，并通過下舵機驅動，所述小腿的另一端與所述足彈性連接。

所述四組伸縮單元結構相同，包含一級伸縮節(jié)、二級伸縮節(jié)和三級伸縮節(jié)，所述一級伸縮節(jié)固定在主體結構內部，所述三級伸縮節(jié)與聯(lián)軸器相連。伸縮單元選用基于螺旋傳動的多級嵌套伸縮機構。具有結構簡單、重量輕、伸縮比較大、易加工、成本較低的優(yōu)點。一級伸縮節(jié)、二級伸縮節(jié)、三級伸縮節(jié)是整個伸縮單元的主體零件，三者之間的運動通過螺紋進行傳遞，其中，螺紋選用梯形螺紋，保證伸縮機構具有較好的對中性、自鎖性和工藝性。一級伸縮節(jié)的內螺紋和二級伸縮節(jié)的外螺紋相配合，二級伸縮節(jié)的內螺紋和三級伸縮節(jié)的外螺紋相配合，相鄰兩級伸縮節(jié)之間屬于間隙配合。圖7所示為二級伸縮節(jié)的內外螺紋視圖。為了防止兩級伸縮節(jié)之間互相脫離，還設計了限位軸肩。其中，一級伸縮節(jié)和三級伸縮節(jié)的頂端設置有頂絲，如圖5和圖9所示，以便伸縮單元和電機輸出軸相固定。基于螺旋傳動的多級嵌套伸縮機構在伸縮過程中，隨著伸縮單元級數(shù)的增強，對材料的強度和硬度的要求增強。因此，在對伸縮節(jié)材料的選型上應該選取強度和硬度呈增加趨勢的材料，保證伸縮單元運動的平穩(wěn)性。

與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有如下的優(yōu)點：

本發(fā)明設計的器人不僅能夠實現(xiàn)4腿的腿式運動和4輪的輪式運動， 而且在攀爬的障礙物高度較高時，車輪可以作為支撐構件使機器人更高效的運行前進， 從而實現(xiàn)輪腿相互協(xié)調的運動形式。不但具備腿式機器人的高越障性能和對復雜地形的高適應性能，還兼?zhèn)漭喪綑C器人的高速高效性能，而且可以根據障礙物的大小來調整機器人的主體結構尺寸，增強了輪腿式機器人的實用性，提高了輪腿式機器人在非結構化環(huán)境中的適應性。在未來的機器人領域有較大的發(fā)展空間。

附圖說明

圖1為本發(fā)明可多級伸縮的輪腿式機器人的總體結構示意圖。

圖2為本發(fā)明可多級伸縮的輪腿式機器人的機械腿腳部局部放大示意圖。

圖3為本發(fā)明可多級伸縮的輪腿式機器人的主體結構中電機和聯(lián)軸器安置示意圖。

圖4為本發(fā)明可多級伸縮的輪腿式機器人腿式模式下一級伸展總體結構示意圖。

圖5為本發(fā)明可多級伸縮的輪腿式機器人伸縮單元的一級伸縮節(jié)剖面示意圖。

圖6為本發(fā)明可多級伸縮的輪腿式機器人腿式模式下二級伸展總體結構示意圖。

圖7為本發(fā)明可多級伸縮的輪腿式機器人伸縮單元的二級伸縮節(jié)剖面示意圖。

圖8為本發(fā)明可多級伸縮的輪腿式機器人腿式模式下三級伸展總體結構示意圖。

圖9為本發(fā)明可多級伸縮的輪腿式機器人伸縮單元的三級伸縮節(jié)剖面示意圖。

圖10為本發(fā)明可多級伸縮的輪腿式機器人輪式模式下一級伸展總體結構示意圖。

圖11為本發(fā)明可多級伸縮的輪腿式機器人腿式模式下主體結構縮小狀態(tài)的結構示意圖。

圖12為本發(fā)明可多級伸縮的輪腿式機器人輪式模式下主體結構縮小狀態(tài)的結構示意圖。

圖13（a-i）為本發(fā)明可多級伸縮的輪腿式機器人一級伸展模式下跨越障礙物的結構示意圖。

具體實施方式

本發(fā)明的優(yōu)選實施例結合附圖詳述如下：

參見圖1～圖13，一種主體結構可多級伸縮的輪腿式機器人，主要由四個主體結構、四組腿式結構行走子系統(tǒng)和四組伸縮單元組成；所述四個主體結構組合起來為一個類長方體，每兩個主體結構之間通過一組伸縮單元連接，每個主體結構上安裝一組腿式結構行走子系統(tǒng)。

所述四個主體結構的結構相同，內部設有內電機14和聯(lián)軸器15，聯(lián)軸器15連接在內電機14的輸出軸上；主體結構下面中心位置固定有一個輪架6，所述輪架6與一個車輪4轉動連接，一個外電機5安裝在所述輪架6上，所述外電機5的輸出軸連接車輪4。

所述四組腿式結構行走子系統(tǒng)結構相同，包括連桿座7、腰關節(jié)8、上舵機9、大腿10、下舵機11、小腿12、足13，所述連桿座7固定連接在主體結構上，所述腰關節(jié)8與連桿座7轉動連接，并通過上舵機9驅動，所述腰關節(jié)8與所述大腿10的一端通過銷轉動連接，所述大腿10的另一端與所述小腿12的一端通過銷轉動連接，并通過下舵機11驅動，所述小腿12的另一端與所述足13彈性連接。

所述四組伸縮單元結構相同，包含一級伸縮節(jié)1、二級伸縮節(jié)2和三級伸縮節(jié)3，所述一級伸縮節(jié)1固定在主體結構內部，所述三級伸縮節(jié)3與聯(lián)軸器15相連。

本實施例主體結構可多級伸縮的輪腿式機器人工作原理如下：

本發(fā)明機器人可實現(xiàn)兩種運行模式：腿式運行和輪式運行，且在兩種運行模式上，通過控制機械運動裝置伸縮單元的伸縮來調控整體機構的尺寸大小以實現(xiàn)運行環(huán)境的變化。

當機器人處于腿式運行模式下，車輪處于懸空狀態(tài)。此模式下，機器人可在崎嶇的環(huán)境下越障運行。當機器人運行過程中遇到障礙物時，腿式結構行走子系統(tǒng)、和上的舵機提供一定的轉矩使大腿和小腿不發(fā)生相對運動，腿式結構行走子系統(tǒng)上的上舵機9和下舵機11的運轉調整大腿10、小腿12的運行狀態(tài)，使腿式結構行走子系統(tǒng)V抬升運行到障礙物上，如圖13（a）所示；然后，腿式結構行走子系統(tǒng)、和上的舵機提供一定的轉矩使大腿和小腿不發(fā)生相對運動，腿式結構行走子系統(tǒng)上的舵機調整大腿和小腿的變形，使其抬升運行到障礙物上，如圖13（b）所示；同理，腿式結構行走子系統(tǒng)和VIII抬升運行到障礙物上；至此，機器人處于障礙物之上，如圖13（d）所示。然后，腿式結構行走子系統(tǒng)、、和上的舵機旋轉使機器人的整體質心下移；腿式結構行走子系統(tǒng)、和上的舵機提供一定的轉矩使大腿和小腿不發(fā)生相對運動，腿式結構行走子系統(tǒng)上的舵機調整大腿和小腿的變形，使其下落運行到路面上，如圖13（e）；同理，腿式結構行走子系統(tǒng)VI、VII和VIII下落運行到路面，如圖13（f-h）所示，此刻機器人完成跨越障礙物的操作，如圖13（i）所示。當機器人直行需要轉彎時，可通過改變腿式結構行走子系統(tǒng)上的上舵機的運轉來控制腰關節(jié)的轉向，進而實現(xiàn)對機器人運行方向的控制，以此達到轉彎效果。

控制腿式結構行走子系統(tǒng)上的舵機的運行狀態(tài)，使腿式結構行走子系統(tǒng)V、VI、VII和VIII抬升至輪子上方，機器人進入輪式工作模式，如圖10和12所示。此模式下，機器人適合在平坦的路面上運行。通過外電機5的旋轉狀態(tài)來調控機器人的運行速度。

當機器人在極小的空間運行時，需要調整機械運動裝置伸縮單元的伸縮達到縮小形態(tài)，主體機構和IV的內電機14啟動，使得左右兩組主體結構相互靠攏直到并攏為止，此刻主體結構和IV的內電機14停止轉動；然后，主體結構II和III的內電機14啟動，使得前后兩組主體結構相互靠攏直到并攏為止，此刻主體結構II和III的內電機停止轉動，機器人完成縮小形態(tài)，如圖11和圖12所示。本發(fā)明機器人在主體結構完全伸展的情況下可以完成3次收縮變形直至最小形態(tài)，在機器人運行過程中，可以根據運行環(huán)境空間的變化選擇合適的縮小形態(tài)，適應不同的運行環(huán)境。

當機器人運行前方有低洼鴻溝時，無論處于輪式模式還是腿式模式，均可通過伸縮單元的伸縮使機器人整體結構伸展到適當?shù)臓顟B(tài)。本發(fā)明機器人在主體結構完全收縮的情況下可以完成3次伸展變形。首先是一級伸縮節(jié)1的伸展，如圖4所示；其次是二級伸縮節(jié)2的伸展，如圖6所示；最后是三級伸縮節(jié)3的伸展，一共完成三次伸展，如圖8所示。二級伸縮節(jié)內端口上設有鍵槽，一級伸縮節(jié)軸肩上設有相匹配的鍵，當一級伸縮節(jié)完全伸展的時候，軸肩上的鍵會嵌入到二級伸縮節(jié)內端口上的鍵槽里，然后帶動二級伸縮節(jié)伸展，三級伸縮節(jié)內端口上設有鍵槽，二級伸縮節(jié)軸肩上設有相匹配的鍵，當二級伸縮節(jié)完全伸展的時候，軸肩上的鍵會嵌入到三級伸縮節(jié)內端口上的鍵槽里，然后帶動三級伸縮節(jié)的伸展，完成完全伸展動作。腿式模式下，主體結構的伸展仍可配合著腰關節(jié)的轉動使機械腿擴展到最大限度，直接跨越鴻溝。