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1、(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201410757019.0 (22)申请日 2014.12.10 B62D 57/028(2006.01) (71)申请人 山东大学 地址 250061 山东省济南市历城区山大南路 27 号 (72)发明人 马宗利 张培强 朱彦防 刘永超 王建明 (74)专利代理机构 济南圣达知识产权代理有限 公司 37221 代理人 王吉勇 (54) 发明名称 轮足式机器人腿结构及具有该腿结构的轮足 式机器人 (57) 摘要 本发明涉及一种轮足式机器人腿结构，包括 大腿，大腿的顶部与第一动力机构相连，顶部下方 与外部构件铰接形成髋关节 ；大腿的末端安。
2、装有 轮子、驱动轮子转动的第二动力机构以及与跖骨 杆铰接的第一弹性减震单元 ；大腿末端上部还与 小腿上半部分铰接形成膝关节 ；小腿的上端与第 三动力机构连接，下端铰接于跖骨杆上形成踝关 节 ；所述第一弹性减震单元包括分别与大腿和跖 骨杆铰接的套筒和滑动轴，且滑动轴上端伸入套 筒中并能往复滑动，滑动轴上套有弹性件，弹性件 的下端固定于滑动轴下半部分的凸台上，上端固 定于套筒上。本发明还公开了一种轮足式机器人。 本发明能够实现足式和轮式两种行走方式。 (51)Int.Cl. (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书1页 说明书5页 附图4页 (10)申请公布号 CN 。
3、104443104 A (43)申请公布日 2015.03.25 CN 104443104 A 1/1 页 2 1.一种轮足式机器人腿结构，其特征是，包括 ： 一大腿，大腿的顶部与第一动力机构相连，顶部下方与外部构件铰接形成髋关节 ； 大腿的末端安装有轮子、驱动轮子转动的第二动力机构以及与跖骨杆铰接的第一弹性 减震单元 ； 大腿末端上部还与小腿上半部分铰接形成膝关节 ； 所述小腿的上端与第三动力机构连接，下端铰接于跖骨杆上形成踝关节 ； 所述第一弹性减震单元包括分别与大腿和跖骨杆铰接的套筒和滑动轴，且滑动轴上端 伸入套筒中并能往复滑动，滑动轴上套有弹性件，弹性件的下端固定于滑动轴下半部分的 凸。
4、台上，上端固定于套筒上 ； 通过第一、第三动力机构对大腿和小腿的反向施力，驱动跖骨杆做足式行走，或者把跖 骨杆和小腿向大腿方向折叠，轮子着地，经第二动力机构驱动行走。 2.如权利要求 1 所述的轮足式机器人腿结构，其特征是，所述第一弹性减震单元与小 腿平行设置。 3.如权利要求 1 所述的轮足式机器人腿结构，其特征是，所述大腿上膝关节上部铰接 有与小腿平行的第二弹性减震单元，第二弹性减震单元下端铰接于跖骨杆上端部。 4.如权利要求 3 所述的轮足式机器人腿结构，其特征是，所述第一、第二弹性减震单元 结构相同。 5.如权利要求 1 所述的轮足式机器人腿结构，其特征是，所述第一、第三动力机构分别 。
5、为髋关节液压缸和膝关节液压缸。 6.如权利要求 1 所述的轮足式机器人腿结构，其特征是，所述第二动力机构包括安装 于大腿上的电机，电机输出轴上与一对啮合的锥齿轮中的一个锥齿轮固定连接，另一个的 锥齿轮安装于传动轴上，传动轴另一端与轮子固定连接。 7.如权利要求 6 所述的轮足式机器人腿结构，其特征是，所述传动轴分别穿过大腿和 套筒中的轴承。 8.一种轮足式机器人，其特征是，包括安装于躯体上四个如权利要求 1 所述的轮足式 机器人腿结构，其中第一动力机构一端连接于大腿的顶部，另一端连接于躯体上 ；大腿上部 还与躯体铰接形成髋关节 ；第三动力机构一端与小腿上端连接，另一端安装于躯体上 ；所 述躯体。
6、前端还铰接有通过液压缸驱动的清障单元。 9.如权利要求 8 所述的轮足式机器人，其特征是，所述清障单元包括与所述躯体相铰 接的左侧清障杆和右侧清障杆，左侧清障杆还与左侧清障杆液压缸相铰接，左侧清障杆液 压缸的另一端与躯体相铰接 ；所述右侧清障杆还与右侧清障杆液压缸相铰接，右侧清障杆 液压缸的另一端也与躯体相铰接。 10.如权利要求 9 所述的轮足式机器人，其特征是，所述左侧清障杆和右侧清障杆的底 端均设有清障块。 权 利 要 求 书CN 104443104 A 1/5 页 3 轮足式机器人腿结构及具有该腿结构的轮足式机器人 技术领域 0001 本发明涉及机器人领域，具体的说，是涉及一种轮足式机。
7、器人腿结构及具有该腿 结构的轮足式机器人。 背景技术 0002 目前，足式机器人中的四足机器人移动性强，负载能力强，可以在复杂地形行走， 在军事运输，矿山开采等领域具有潜在的应用前景，但速度较慢，行走稳定性有待提高。轮 式机器人适合平坦地面，速度较快，其难以在复杂地形上移动。 0003 因此，如何设计一种全新结构的机器人，使其能够较快的在不同的路面上行走，是 本领域技术人员亟需解决的问题。 0004 中国专利申请 CN 104029745 A 公开了一种腿轮混合式液压机械腿，包括大腿液 压缸、小腿液压缸以及相对平行安装的大腿杆板、小腿杆板、主体连接板和大腿液压缸连接 板，主体连接板与大腿液压缸。
8、连接板的主体方形固定块之间设有主体圆柱连接柱 ；两块主 体连接板分别与两块大腿杆板铰接，两块大腿杆板分别与两块小腿杆板铰接，两块小腿杆 板之间经小腿方形固定块固定有平行的小腿末端杆 ；大腿液压缸两端分别铰接在两块大腿 杆板上部之间和两块大腿液压缸连接板底部之间 ；小腿液压缸两端分别铰接在两块小腿杆 板中部之间和两块大腿杆板延伸出的侧臂板上。该专利申请缓冲性能较差，行走稳定性不 够，难以适应复杂地形。 发明内容 0005 本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种轮足式机器人腿结构及具 有该腿结构的轮足式机器人。本发明所提供的机器人腿结构，能够在不同路况下较快地行 走 ；行走稳定性强。同时。
9、，本发明还提供了一种具有该腿结构的机器人，机器人上安装有清 障杆，能够清理质量较小的障碍物。 0006 为了达成上述目的，本发明采用如下技术方案 ： 0007 一种轮足式机器人腿结构，包括 ： 0008 一大腿，大腿的顶部与第一动力机构相连，顶部下方与外部构件铰接形成髋关 节； 0009 大腿的末端安装有轮子、驱动轮子转动的第二动力机构以及与跖骨杆铰接的第一 弹性减震单元 ； 0010 大腿末端上部还与小腿上半部分铰接形成膝关节 ； 0011 所述小腿的上端与第三动力机构连接，下端铰接于跖骨杆上形成踝关节 ； 0012 所述第一弹性减震单元包括分别与大腿和跖骨杆铰接的套筒和滑动轴，且滑动轴 上。
10、端伸入套筒中并能往复滑动，滑动轴上套有弹性件，弹性件的下端固定于滑动轴下半部 分的凸台上，上端固定于套筒上 ；套筒与大腿铰接、滑动轴沿套筒上下滑动以及滑动轴下端 与跖骨杆铰接，能够有效减缓做足式运动时，地面对整体腿结构的冲击，提高工作稳定性， 说 明 书CN 104443104 A 2/5 页 4 延长部件使用寿命。 0013 通过第一、第三动力机构对大腿和小腿的反向施力，驱动跖骨杆做足式行走，或者 把跖骨杆和小腿向大腿方向折叠，轮子着地，经第二动力机构驱动行走。 0014 所述第一弹性减震单元与小腿平行设置。 0015 所述大腿上膝关节上部铰接有与小腿平行的第二弹性减震单元，第二弹性减震单 。
11、元下端铰接于跖骨杆上端部。 0016 所述第一、第二弹性减震单元结构相同。 0017 所述第一、第三动力机构分别为髋关节液压缸和膝关节液压缸。 0018 所述第二动力机构包括安装于大腿上的电机，电机输出轴与一对啮合的锥齿轮中 的小锥齿轮固定连接，大锥齿轮安装于传动轴上，传动轴另一端与轮子固定连接。 0019 所述传动轴分别穿过大腿和套筒中的轴承。 0020 一种轮足式机器人，包括安装于躯体上四个所述的轮足式机器人腿结构其中第 一动力机构一端连接于大腿的顶部，另一端连接于躯体上 ；大腿上部还与躯体铰接形成髋 关节 ；第三动力机构一端与小腿上端连接，另一端安装于躯体上 ；所述躯体前端还铰接有 通过。
12、液压缸驱动的清障单元。 0021 所述清障单元包括与所述躯体相铰接的左侧清障杆和右侧清障杆，左侧清障杆还 与左侧清障杆液压缸相铰接，左侧清障杆液压缸的另一端与躯体相铰接 ；所述右侧清障杆 还与右侧清障杆液压缸相铰接，右侧清障杆液压缸的另一端也与躯体相铰接。 0022 所述左侧清障杆和右侧清障杆的底端均设有清障块。 0023 本发明为轮足式四足机器人，在平坦地面上为轮式运动，速度快。遇到不平整的地 形转换为足式行走。足轮的转换可使该四足机器人适应不同地形行走。该机器人有髋关节， 膝关节，踝关节。髋关节直接由液压缸驱动，膝关节通过一近似平行四边形的结构带动足端 的移动。踝关节是被动自由度。该机器人。
13、腿运动灵活 , 地面适应性强 , 且移动速度快 , 针 对特殊地形变换运动姿态有利于稳定行走。 0024 本发明还具有以下特点 ： 0025 1) 在地形较为不平的条件下，机器人的跖骨杆下端与地面接触，4 条腿足式运动， 使得机器人能够在不平地形行进 ；轮足式机器人腿结构仿马腿构造，用液压缸驱动的大腿 及小腿，跖骨杆，及与小腿平行的左右两个弹簧机构，构成腿结构。与小腿平行的两个弹簧 机构、大腿和跖骨杆共同形成两个平行四边形结构，自由度多，容易变形，适应性强。两个 弹簧机构不单纯是单一的弹簧，还包括滑动轴、套筒，滑动轴可在套筒中滑移实现内伸或外 伸，缓冲好。仿马腿构造的轮足式机器人腿结构能适应复。
14、杂的地形。缓冲性能好，稳定性强。 0026 2) 在地形较为良好的条件下，机器人的行走轮与地面接触，4 个行走轮同步运动， 使得机器人能够在良好路况下快速行进 ； 0027 3) 机器人可根据不同的路况，来改变不同的行走模式，进而实现了在不同路况下 的较为快速的行进。 附图说明 ： 0028 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现 有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本 说 明 书CN 104443104 A 3/5 页 5 发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以 根据这些附图获得。
15、其他的附图。 0029 图 1 是本发明中轮足式机器人腿结构的结构示意图 ； 0030 图 2 是本发明中具有轮足式机器人腿结构的轮足式机器人的结构示意图 ； 0031 图 3 是本发明中轮足式机器人采用轮式行进的状态图 ； 0032 图4是图2中A-A向剖视图； 0033 图5是图2中S向示意图； 0034 图 6 是马后腿骨骼示意图 ； 0035 其中 ：2、躯体，3、销轴，4、销轴，5、髋关节液压缸，6、销轴，7、销轴，8、大腿杆，9、套 筒，10、滑动轴，11、弹性部件，12、小腿杆，13、销轴，14、销轴，15、销轴，16、跖骨杆，17、弹性 部件，18、滑动轴，19、套筒，21、行。
16、走轮，22、销轴，23、销轴，24、销轴，25、膝关节液压缸，26、 第二滚动轴承，27、第一滚动轴承，28、大锥齿轮，29、小锥齿轮，30、电机，1、电机固定座， 32、传动轴，3、右侧清障杆液压缸，4、左侧清障杆液压缸，35、清障块，6、躯体肩部，7、左 侧清障杆，38、右侧清障杆，39、髋关节，40、大腿，41、膝关节，42、小腿，43、踝关节，44、跖骨。 具体实施方式 ： 0036 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完 整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于 本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造。
17、性劳动前提下所获得的所有其他 实施例，都属于本发明保护的范围。 0037 实施例 1 ：一种机器人腿结构，其结构如图 1、图 4 所示，包括 ： 0038 躯体肩部36，该躯体肩部36具有第一铰接节点，第一铰接节点内设有销轴7，第一 铰接节点的上侧为第二铰接节点，第二铰接节点内设有销轴 4，第一铰接节点的右侧为第三 铰接节点，第三铰接节点内设有销轴 3 ； 0039 大腿杆 8 的上端通过销轴 7 与躯体肩部 36 相铰接，大腿杆 8 的顶端通过销轴 6 与 髋关节液压缸 5 相铰接，髋关节液压缸 5 的另一端通过销轴 4 与躯体肩部 36 相铰接 ； 0040 大腿杆 8 的下端通过销轴 2。
18、2 与小腿杆 12 的上端相铰接，小腿杆 12 的顶端通过销 轴 23 与膝关节液压缸 25 相铰接，膝关节液压缸 25 的另一端通过销轴 3 与躯体肩部 36 相 铰接 ； 0041 小腿杆 12 的底端通过销轴 14 与跖骨杆 16 的上端相铰接，跖骨杆 16 与小腿杆 12 的铰接件 ( 销轴 14) 两侧分别铰接有第一弹性减震单元和第二弹性减震单元，任一弹性减 震单元的另一端均与大腿杆 8 相铰接 ； 0042 大腿杆 8 上还设有轮式行走单元。 0043 第一弹性减震单元包括与分别与大腿杆 8 通过销轴 24 相铰接的套筒 9，以及通过 销轴 13 与跖骨杆 16 相连的滑动轴 10。
19、, 套筒 9 与大腿杆 8 的铰接件 ( 销轴 24) 位于小腿杆 12 与大腿杆 8 的铰接件 ( 销轴 22) 的上方，套筒 9 的筒体内套有滑动轴 10，弹性部件 11 下 端固定在滑动轴下部，上端固定于套筒 9 上。 0044 第二弹性减震单元包括与大腿杆8通过传动轴32相铰接的套筒19，以及通过销轴 15 与跖骨杆 16 相连的滑动轴 18，该套筒 19 与大腿杆 8 的铰接件 ( 传动轴 32) 位于小腿杆 说 明 书CN 104443104 A 4/5 页 6 12 与大腿杆 8 的铰接件 ( 销轴 22) 的下方，套筒 19 的筒体内套有滑动轴 18，弹性部件 17 下端固定在。
20、滑动轴下部，上端固定于套筒 19 上。 0045 弹性部件 11 和弹性部件 17 均为弹簧，弹簧的一端与设置于相对应滑动轴上的凸 台固定连接，弹簧的另一端与相对应的套筒固定连接。 0046 轮式行走单元包括设置于大腿杆 8 上的电机固定座 31 和设置于大腿杆 8 内部的 第一滚动轴承27 ；所述电机固定座31上设有电机30，电机30的轴上安装有小锥齿轮29，所 述第一滚动轴承 27 与所述传动轴 32 相适配，传动轴 32 的一端设有与所述小锥齿轮 29 啮 合的大锥齿轮 28，传动轴 32 的另一端设有行走轮 21，电机 30 通过小锥齿轮 29 传动给传动 轴 32 带动行走轮 21 。
21、转动。 0047 套筒19内设有第二滚动轴承26，第二滚动轴承26与第一滚动轴承27中心线相重 合，传动轴 32 贯穿于所述第一滚动轴承 27 和第二滚动轴承 26。 0048 上述构造是采用仿生结构制作，主要是仿马腿结构，如图6所示，大腿40上部和躯 体 2 通过髋关节 39 铰接，大腿 40 和小腿 42 通过膝关节 41 铰接，小腿 42 和和跖骨 44 通过 踝关节 43 铰接。该结构能够适应较为的复杂的地形行走。本发明中的跖骨杆 16 就是仿生 的马腿中的跖骨 44。 0049 实施例 2 ： 0050 如图 1-5 所示，本发明还提供了一种轮足式机器人，该轮足式机器人具有躯体 2，。
22、 所述躯体 2 上安装有 4 个实施例 1 所述述机器人腿结构。躯体肩部 36 与躯体 2 焊接在一 起。 0051 机器人的前端设有清障单元。具体而言，所述清障单元包括与所述躯体 2 相铰接 的左侧清障杆 37 和右侧清障杆 38，左侧清障杆 37 还与左侧清障杆液压缸 34 相铰接，左侧 清障杆液压缸 34 的另一端与躯体 2 相铰接 ；所述右侧清障杆 38 还与右侧清障杆液压缸 33 相铰接，右侧清障杆液压缸33的另一端也与躯体2相铰接 ；且所述左侧清障杆37和右侧清 障杆 38 的底端均设有清障块 35。 0052 继续参考图 1 和图 2 所示，在不平路况下，本方案的机器人中跖骨杆 。
23、16 与地面接 触，通过 4 条腿的运动，实现机器人在不平路况的行进。具体而言，由髋关节液压缸 5 的活 塞杆伸缩，驱动大腿杆 8 旋转，膝关节液压缸 25 驱动小腿杆 12 旋转，第一弹性减震单元和 第二弹性减震单元的两端分别与大腿杆 8 和跖骨杆 16 相铰接，起缓冲作用。向前迈步时， 髋关节液压缸 5 下推，则大腿杆 8 以销轴 7 为节点进行转动 ( 大腿杆 8 前摆 )，膝关节液压 缸 25 收缩，则小腿杆 12 以销轴 22 为节点进行转动 ( 小腿杆 12 逆时针摆动 )，由于弹性部 件 17 一端固定在滑动轴 18 的端部，另一端固定在套筒 19 上，此时弹性部件 17 受拉，。
24、滑动 轴 18 从套筒 19 的孔中向下随之外伸，跖骨杆 16 就向前迈步。与此同时，弹性部件 11 受压 缩，由于弹性部件 11 一端固定在滑动轴 10 的端部，另一端固定在套筒 9 上，此时滑动轴 10 从套筒 9 的孔中向上随之内伸。通过 4 条腿的运动，则机器人就会前行。 0053 继续参考图 3，图 1，和图 4 所示，在良好路况下，本方案的机器人中行走轮 21 与地 面接触，通过 4 个行走轮 21 同步运动，实现机器人在良好路况下的快速行进。具体而言，在 良好路面情况下，髋关节液压缸 5 收缩，则大腿杆 8 就会以销轴 7 为节点进行转动，直至呈 竖直状态 ；同时膝关节液压缸25。
25、下推，则小腿杆12就会以销轴22为节点进行转动，而跖骨 杆 16 也随之上移，直至跖骨杆 16 高出地面 10 厘米以上为止。在此状态下，行走轮 21 会触 说 明 书CN 104443104 A 5/5 页 7 地。4 个行走轮 21 都着地，则相应的个跖骨杆 16 全部脱离地面。固定于电机固定座 31 上 的电机 30 开始工作，通过相啮合锥齿轮的传动，驱动传动轴 32 带动行走轮 21 转动，从而实 现良好路面的快速轮式行进。 0054 继续参考图 5 所示，清障杆在轮子的正前部，由液压缸驱动实现垂直于前进方向 的摆动，当机器人行走轮的正前方有障碍物时，会把偶尔出现的 3 公斤以内的障碍。
26、物拨离 轮子的正前方，达到清障的目的。 0055 采用了上述结构后，本方案的机器人，能够在不同路况下较快的行走，还能够清理 质量不太大的障碍物。 0056 对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。 对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的 一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明 将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一 致的最宽的范围。 说 明 书CN 104443104 A 1/4 页 8 图1 说 明 书 附 图CN 104443104 A 2/4 页 9 图2 图3 说 明 书 附 图CN 104443104 A 3/4 页 10 图4 图5 说 明 书 附 图CN 104443104 A 4/4 页 11 图6 说 明 书 附 图CN 104443104 A 。