一种双足四足一体化可实时切换足式机器人

摘要

本发明涉及足式机器人领域，特别涉及一种同时具备双足和四足行走姿态的新型足式机器人设计。它的总体结构可以由金属躯干、第一、第二前臂组件、前支撑板、后支撑板和第一、第二后臂组件构成；其结构紧凑、具备四足状态下的高速移动能力和双足状态下的上肢操作能力，可实时切换行走方式，实现四足机器人的快速移动和两足机器人的高操作能力特点，降低机器人整体质量；同时，膝关节和髋关节前向关节均可以实现360度连续旋转，使足式机器人消除了头尾、腹背和左右的区分，可以实时完成前后、上下和左右的姿态互换，实现全方位的动作形态转换。以上新发明设计增强了该足式机器人的适应性和功能性，使该足式机器人具有更广泛的社会应用前景。

权利要求

1.一种双足四足一体化可实时切换足式机器人，其特征在于：它的总体结构可以由金属躯干(1)、第一、第二前臂组件(2‑1、2‑2)、前支撑板(3)、后支撑板(4)和第一、第二后臂组件(5‑1、5‑2)构成；

其中，前支撑板(3)和后支撑板(4)通过螺栓连接在金属躯干(1)的纵长向两侧；第一、第二前臂组件(2‑1、2‑2)分别与前支撑板(3)连接，并关于金属躯干(1)沿横短向对称分布；

第一、第二后臂组件(5‑1、5‑2)分别与后支撑板(4)连接，并关于金属躯干(1)沿横短向对称分布；

该足式机器人的第一后臂组件(5‑1)由第一腿组件(13‑1)、连接杆(14)、第四电机外壳(15)、第三电机减速器组件(7‑3)和固定板金(16)组成；固定板金(16)与后支撑板(4)通过螺栓固接,第四电机外壳(15)固定在固定板金(16)上，第四电机外壳(15)内连接第三电机减速器组件(7‑3)，第三电机减速器组件(7‑3)的输出轴与连接杆(14)一端通孔采用键连接；连接杆(14)的另一端通孔采用键与第一腿组件(13‑1)连接；两个通孔空间垂直排布，使得第一后臂组件(5‑1)具有空间内的偏航转动和俯仰转动自由度；第二后臂组件(5‑2)的结构组成和装配方式与第一后臂组件(5‑1)完全一致；

它的第一前臂组件(2‑1)由第二腿组件(13‑2)、第二连接杆(17)、第四电机减速器组件(7‑4)、第三电机外壳(6‑3)组成；其中第二腿组件(13‑2)的电机输出轴与第二连接杆(17)的中间通孔通过键连接，第二连接杆(17)的轴端通过前支撑板(3)的一侧通孔，并与第四电机减速器组件(7‑4)的输出轴连接；第三电机外壳(6‑3)安装在第四电机减速器组件(7‑4)上起保护和支撑作用；第二连接杆(17)的中部通孔和轴端在空间垂直排布，使得第一前臂组件(2‑1)具备空间的横滚转动和俯仰转动自由度；第二前臂组件(2‑2)的结构组成和装配方式与第一前臂组件(2‑1)完全一致；

该足式机器人的第一腿组件(13‑1)由第一和第二电机外壳(6‑1、6‑2)、第一和第二电机减速器组件(7‑1、7‑2)、大腿构件(8)、链条(9)、第一链轮(10‑1)、第二链轮(10‑2)、小腿构件(11)和销(12)构成；第一电机减速器组件(7‑1)的输出轴与大腿构件(8)通过键连接，第一、第二链轮(10‑1、10‑2)与链条(9)组成传动组件并安装在大腿构件(8)的内部深槽内；

第一链轮(10‑1)与第二电机减速器组件(7‑2)的输出轴通过键连接，销(12)依次穿过第二链轮(10‑2)、小腿构件(11)的圆端通孔以及大腿构件(8)的通孔；小腿构件(11)与第二链轮(10‑2)焊接，使得小腿构件(11)可以在链条(9)传动下绕大腿构件(8)转动；同时，大腿构件可以绕第一电机外壳(6‑1)的中心轴线转动；第二腿组件(13‑2)的结构组成和装配方式与第一腿组件(13‑1)完全相同；

该足式机器人的第一、第二前臂组件(2‑1、2‑2)以及第一、第二后臂组件(5‑1、5‑2)在转动自由度的布置上不同，虽然都为三自由度结构，但是前臂组件与后臂组件与躯干连接的第一个自由度的转动方向不一致，因而该机器人可以以四足机器人形态进行行走，也可切换成以第一、第二后臂组件(5‑1、5‑2)两条腿为行走腿，以第一、第二前臂组件(2‑1、2‑2)为操作机械手臂的双足机器人，实现双足四足的一体化可实时切换。

2.权利要求1所述的一种双足四足一体化可实时切换足式机器人，其特征在于：它的第一、第二腿组件(13‑1、13‑2)的小腿膝关节和大腿髋关节前向关节均可以实现360度连续旋转，该设计使足式机器人消除了头尾、腹背和左右的区分，可以实时完成足式机器人前后、上下和左右姿态的互换，实现全方位的动作形态实时转换。

说明书

一种双足四足一体化可实时切换足式机器人

技术领域

[0001] 本发明涉及足式机器人领域，特别涉及一种同时具备双足和四足行走姿态的足式机器人设计。

背景技术

[0002] 足式机器人常用于执行巡逻安防、代替人类在各种极限环境中工作、抗震救灾时探寻生命迹象、太空探索越过障碍物等任务，四足行走的特性相比两足行走，增强了其行走
的稳定性。虽然移动性能提高了，但是操作性能却降低了；而双足机器人，虽然仅靠较少肢
体行走，运动和稳定能力不如四足机器人，但是具备上肢机构可实现目前四足机器人难以
完成的操作任务。本发明设计的可实时切换行走步态的双足、四足机器人，具备不同的前肢
和后肢结构，可根据任务需要，实时切换行走方式和操作能力，实现四足机器人的快速移动
和两足机器人的高操作能力特点，可降低整体质量的同时，提高机器人对环境的适应性和
功能性。

发明内容

[0003] 本发明要解决的问题是设计一种具有双足四足一体化可实时切换的足式机器人，其结构紧凑、具备四足状态下的高速移动能力和双足状态下的上肢操作能力。

[0004] 本发明解决其技术问题采用的技术方案是：

[0005] 一种双足四足一体化可实时切换足式机器人，其特征在于：它的总体结构可以由金属躯干、第一、第二前臂组件、前支撑板、后支撑板和第一、第二后臂组件构成；其中，前支
撑板和后支撑板通过螺栓连接在金属躯干的纵长向两侧；第一、第二前臂组件分别与前支
撑板连接，并关于金属躯干沿横短向对称分布；第一、第二后臂组件分别与后支撑板连接，
并关于金属躯干沿横短向对称分布。

[0006] 它的第一后臂组件由第一腿组件、连接杆、第四电机外壳、第三电机减速器组件和固定板金组成；固定板金与后支撑板通过螺栓固接,第四电机外壳固定在固定板金上，第四
电机外壳内连接第三电机减速器组件，第三电机减速器组件的输出轴与连接杆一端通孔采
用键连接；连接杆的另一端通孔采用键与第一腿组件连接；两个通孔空间垂直排布，使得第
一后臂组件具有空间内的偏航转动和俯仰转动自由度；第二后臂组件的结构组成和装配方
式与第一后臂组件完全一致。

[0007] 它的第一前臂组件由第二腿组件、第二连接杆、第四电机减速器组件、第三电机外壳组成；其中第二腿组件的电机输出轴与第二连接杆的中间通孔通过键连接，第二连接杆
的轴端通过前支撑板的一侧通孔，并与第四电机减速器组件的输出轴连接；第三电机外壳
安装在第四电机减速器组件上起保护和支撑作用；第二连接杆的中部通孔和轴端在空间垂
直排布，使得第一前臂组件具备空间的横滚转动和俯仰转动自由度；第二前臂组件的结构
组成和装配方式与第一前臂组件完全一致。

[0008] 它的第一腿组件由第一和第二电机外壳、第一和第二电机减速器组件、大腿构件、链条、第一链轮、第二链轮、小腿构件和销构成；第一电机减速器组件的输出轴与大腿构件
通过键连接，第一、第二链轮与链条组成传动组件并安装在大腿构件的内部深槽内；第一链
轮与第二电机减速器组件的输出轴通过键连接，销依次穿过第二链轮、小腿构件的圆端通
孔以及大腿构件的通孔；小腿构件与第二链轮焊接，使得小腿构件可以在链条传动下绕大
腿构件转动；同时，大腿构件可以绕第一电机外壳的中心轴线转动；第二腿组件的结构组成
和装配方式与第一腿组件完全相同。

[0009] 其第一、第二前臂组件以及第一、第二后臂组件在转动自由度的布置上不同，虽然都为三自由度结构，但是前臂组件与后臂组件与躯干连接的第一个自由度的转动方向不一
致，因而该机器人可以以四足机器人形态进行行走，也可切换成以第一、第二后臂组件两条
腿为行走腿，以第一、第二前臂组件为操作机械手臂的双足机器人。

[0010] 本发明和已有技术相比所具有的有益效果：本发明和已有技术相比所具有的有益效果：本发明通过不同的前后臂结构设计，使得该足式机器人具备双足双臂和四足两种工
作状态，同时具备高速运动和低速高操作能力，该状态可以实时切换；同时，小腿膝关节和
大腿髋关节前向关节均可以实现360度连续旋转，使足式机器人消除了头尾、腹背和左右的
区分，可以实时完成足式机器人前后、上下和左右姿态的互换，实现全方位的动作形态实时
转换。以上新发明设计增强了该足式机器人的适应性和功能性，使该足式机器人具有广泛
的社会应用前景。

附图说明

[0011] 图1足式机器人示意图；

[0012] 图2足式机器人结构等轴侧图；

[0013] 图3腿组件示意图；

[0014] 图4腿组件爆炸示意图；

[0015] 图5第一后臂组件示意图；

[0016] 图6第一前臂组件示意图；

[0017] 图7双足状态示意图；

[0018] 图8四足状态示意图；

[0019] 图中：金属躯干(1)，第一、第二前臂组件(2‑1、2‑2)，前支撑板(3)，后支撑板(4)，第一、第二后臂组件(5‑1、5‑2)，第一、第二和第三电机外壳(6‑1、6‑2、6‑3)，第一、第二、第
三和第四电机减速器组件(7‑1、7‑2、7‑3、7‑4)，大腿构件(8)，链条(9)，第一、第二链轮(10‑
1、10‑2)，小腿构件(11)，销(12)，第一、第二腿组件(13‑1、13‑2)，连接杆(14)，第四电机外
壳(15)，固定钣金(16)，第二连接杆(17)。

具体实施方式

[0020] 结合附图对本发明做进一步说明。

[0021] 本发明要解决的问题是设计一种具有双足四足一体化可实时切换的足式机器人，其结构紧凑、具备四足状态下的高速移动能力和双足状态下的上肢操作能力。

[0022] 本发明解决其技术问题采用的技术方案是：

[0023] 一种双足四足一体化可实时切换足式机器人如图1所示，其特征在于：它的总体结构可以由金属躯干(1)、第一、第二前臂组件(2‑1、2‑2)、前支撑板(3)、后支撑板(4)和第一、
第二后臂组件(5‑1、5‑2)构成；其中，前支撑板(3)和后支撑板(4)通过螺栓连接在金属躯干
(1)的纵长向两侧；第一、第二前臂组件(2‑1、2‑2)分别与前支撑板(3)连接，并关于金属躯
干(1)沿横短向对称分布；第一、第二后臂组件(5‑1、5‑2)分别与后支撑板(4)连接，并关于
金属躯干(1)沿横短向对称分布，如图2所示。

[0024] 该足式机器人的第一后臂组件(5‑1)由第一腿组件(13‑1)、连接杆(14)、第四电机外壳(15)、第三电机减速器组件(7‑3)和固定板金(16)组成，如图5所示。固定板金(16)与后
支撑板(4)通过螺栓固接,第四电机外壳(15)固定在固定板金(16)上，第四电机外壳(15)内
连接第三电机减速器组件(7‑3)，第三电机减速器组件(7‑3)的输出轴与连接杆(14)一端通
孔采用键连接；连接杆(14)的另一端通孔采用键与第一腿组件(13‑1)连接；两个通孔空间
垂直排布，使得第一后臂组件(5‑1)具有空间内的偏航转动和俯仰转动自由度；第二后臂组
件(5‑2)的结构组成和装配方式与第一后臂组件(5‑1)完全一致；

[0025] 它的第一前臂组件(2‑1)由第二腿组件(13‑2)、第二连接杆(17)、第四电机减速器组件(7‑4)、第三电机外壳(6‑3)组成，如图6所示；其中第二腿组件(13‑2)的电机输出轴与
第二连接杆(17)的中间通孔通过键连接，第二连接杆(17)的轴端通过前支撑板(3)的一侧
通孔，并与第四电机减速器组件(7‑4)的输出轴连接；第三电机外壳(6‑3)安装在第四电机
减速器组件(7‑4)上起保护和支撑作用；第二连接杆(17)的中部通孔和轴端在空间垂直排
布，使得第一前臂组件(2‑1)具备空间的横滚转动和俯仰转动自由度；第二前臂组件(2‑2)
的结构组成和装配方式与第一前臂组件(2‑1)完全一致；

[0026] 该足式机器人的第一腿组件(13‑1)如图3所示，对应的爆炸视图为图4。组件由第一和电机外壳(6‑1、6‑2)、第一和第二电机减速器组件(7‑1、7‑2)、大腿构件(8)、链条(9)、
第一链轮(10‑1)、第二链轮(10‑2)、小腿构件(11)和销(12)构成；第一电机减速器组件(7‑
1)的输出轴与大腿构件(8)通过键连接，第一、第二链轮(10‑1、10‑2)与链条(9)组成传动组
件并安装在大腿构件(8)的内部深槽内；第一链轮(10‑1)与第二电机减速器组件(7‑2)的输
出轴通过键连接，销(12)依次穿过第二链轮(10‑2)、小腿构件(11)的圆端通孔以及大腿构
件(8)的通孔；小腿构件(11)与第二链轮(10‑2)焊接，使得小腿构件(11)可以在链条(9)传
动下绕大腿构件(8)转动；同时，大腿构件可以绕第一电机外壳(6‑1)的中心轴线转动；第二
腿组件(13‑2)的结构组成和装配方式与第一腿组件(13‑1)完全相同。

[0027] 该足式机器人的第一、第二前臂组件(2‑1、2‑2)以及第一、第二后臂组件(5‑1、5‑2)在转动自由度的布置上不同，虽然都为三自由度结构，但是前臂组件与后臂组件与躯干
连接的第一个自由度的转动方向不一致，因而该机器人可以以四足机器人形态进行行走
(见图8)，也可切换成以第一、第二后臂组件(5‑1、5‑2)两条腿为行走腿(见图7)，以第一、第
二前臂组件(2‑1、2‑2)为操作机械手臂的双足机器人。

[0028] 本发明和已有技术相比所具有的有益效果：本发明通过不同的前后臂结构设计，使得该足式机器人具备双足双臂和四足两种工作状态，同时具备高速运动和低速高操作能
力，该状态可以实时切换；同时，小腿膝关节和大腿髋关节前向关节均可以实现360度连续
旋转，使足式机器人消除了头尾、腹背和左右的区分，可以实时完成足式机器人前后、上下
和左右姿态的互换，实现全方位的动作形态实时转换。以上新发明设计增强了该足式机器
人的适应性和功能性，使该足式机器人具有广泛的社会应用前景。