CN104290830A - 一种欠驱动履带式车轮机构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种欠驱动履带式车轮机构。目前的履带式车轮机构对于复杂多变地形、坡度变化大的非结构化地形的适应能力有待加强。本发明包括驱动组件、主动轮组件、从动轮组件、摆臂组件和履带；驱动组件驱动主动轮组件；主动轮组件与从动轮组件通过履带连接，带动从动轮组件转动；主动轮组件与从动轮组件通过摆臂组件连接，带动从动轮组件摆动；主动轮组件包括第一减速器、第二减速器、主轴、主动轮、第二外啮合齿轮、第一外啮合齿轮、行星臂、第二行星架、中空轴、第二齿轮、输出轴、第一行星架、第一齿轮和主轴锥齿轮。本发明可根据实际地形条件实现被动式转换行驶方式，有效增强移动机器人对非结构化地形的适应能力。

Description

一种欠驱动履带式车轮机构
技术领域
本发明属于机器人技术领域，涉及越障履带式车轮机构，具体涉及一种欠驱动履带式车轮机构。
背景技术
现代移动机器人的行走机构主要有轮式、足式和履带式三种，但轮式行走机构受车轮直径影响较大，只能在平坦地形行驶，足式行走机构地形适应能力较强，但稳定性较差，行驶速度相对缓慢且控制相对复杂。履带式行走机构地形适应能力强，对地面压力小，稳定性好，速度相对较快，在能源探测、星球探索中具有独特的优越性。目前的履带式车轮机构虽然对地形具有一定的适应能力，但对于复杂多变地形，坡度变化较大的非结构化地形等的适应能力仍有待加强。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种欠驱动履带式车轮机构，该车轮机构可根据实际地形条件实现被动式转换行驶方式，从而有效增强移动机器人对非结构化地形的适应能力、越障能力，且防尘、防水等处理方式简便。
本发明采用的技术方案如下：
本发明包括驱动组件、主动轮组件、从动轮组件、摆臂组件和履带；所述的驱动组件用于驱动主动轮组件。
所述的主动轮组件包括第一减速器、第二减速器、主轴、主动轮、第一外啮合齿轮、第二外啮合齿轮、行星臂、第一行星架、中空轴、第二连接盘、第一齿轮、输出轴、第二行星架、第一传力盘、第二齿轮、主动轮透盖、主动轮第一端盖、主动轮第二端盖、第二传力盘、第二传力盘盖和主轴锥齿轮；所述的第一减速器包括中心轮、第一齿圈和传动行星齿轮；所述的第二减速器包括第二齿圈、双联行星齿轮和主轴太阳轮。所述的第二连接盘固定在驱动组件的电机箱内；所述中空轴的一端与第二连接盘固定，另一端与行星臂铰接；所述主轴的中部通过多个轴承支承在中空轴内；主轴的一端通过轴承支承在电机箱内，另一端通过轴承支承在主动轮第一端盖内；所述的主轴太阳轮和主轴锥齿轮分别固定在主轴两端，主轴锥齿轮与驱动组件的传动锥齿轮啮合。所述的第一齿圈和第二齿圈均与中空轴铰接，中心轮固定在第二齿圈的端面上；三个双联行星齿轮沿圆周均布，且均与行星臂铰接；三个双联行星齿轮一侧的齿轮均与主轴太阳轮啮合，另一侧的齿轮均与第二齿圈啮合；三个传动行星齿轮沿圆周均布，且均铰接在第二行星架上；三个传动行星齿轮的内侧均与中心轮啮合，外侧均与第一齿圈啮合；所述的第一行星架和第二行星架均固定在中空轴上；三个第二外啮合齿轮沿圆周均布，且均铰接在第一行星架的一侧；三个第一外啮合齿轮沿圆周均布，且均铰接在第一行星架的另一侧。所述的输出轴通过轴承支承在中空轴上；所述的第一传力盘固定在输出轴中部，所述的第一齿轮和第二齿轮分别固定在输出轴两端；第一齿轮与驱动组件的第四齿轮啮合，第二齿轮同时与三个第一外啮合齿轮啮合。所述的主动轮通过两个轴承支承在第一齿圈和第二齿圈上；主动轮第一端盖和主动轮第二端盖分别固定在主动轮的两端；所述主动轮第一端盖的内侧端与行星臂固定，外侧端通过轴承支承有第二传力盘；所述的第二传力盘盖固定在第二传力盘外侧；所述的主动轮第二端盖通过轴承支承在输出轴上；第二O型圈托架设置在主动轮第二端盖内，且与输出轴配合连接；第二O型橡胶圈设置在第二O型圈托架上；所述的主动轮透盖与主动轮第二端盖固定，并压紧第二O型橡胶圈。
所述的摆臂组件包括第一摆臂、第二摆臂和密封盖；所述第一摆臂的一端与第一传力盘固定，第二摆臂的一端与第二传力盘固定；所述第一摆臂和第二摆臂的另一端均固定有密封盖；四根支撑杆的两端分别与第一摆臂、第二摆臂固定。
所述的从动轮组件包括支撑轴、从动轮和从动轮透盖；所述支撑轴的两端分别与第一摆臂和第二摆臂固定，摆臂组件的两个密封盖分别设置在支撑轴的两端；所述的从动轮通过轴承支承在支撑轴上；两个从动轮透盖分别固定在从动轮两端。
所述的主动轮与从动轮通过履带连接；所述的主动轮第一端盖、主动轮第二端盖及两个从动轮透盖限制履带的两侧位移。
所述的驱动组件包括驱动电机、传动锥齿轮、电机箱、编码器、第三齿轮、第一连接盘、电气接头、第三齿轮安装轴、第四齿轮安装轴、第四齿轮和电机箱透盖。所述驱动电机的电机座与电机套端盖固定，电机套端盖固定在电机套上；电机轴延长杆固定在驱动电机的输出轴上，所述的传动锥齿轮固定在电机轴延长杆上；所述的电气接头与第一连接盘固定，第一连接盘与电机箱上端盖固定，电机箱上端盖固定在电机箱顶部；编码器套固定在电机箱内，所述的编码器固定在编码器套内。所述的第三齿轮安装轴通过轴承支承在电机箱内，并通过联轴器与编码器的伸出轴连接；所述的第三齿轮固定在第三齿轮安装轴上；所述的第四齿轮安装轴通过轴承支承在电机箱内，第四齿轮固定在第四齿轮安装轴上；所述的第四齿轮与第三齿轮啮合；电机箱第一端盖和电机箱第二端盖分别固定在电机箱两侧；第一O型圈托架与电机箱第二端盖的内壁配合连接，第一O型橡胶圈套置在第一O型圈托架上；所述的电机箱透盖与电机箱第二端盖固定，并压紧第一O型橡胶圈。
本发明的有益效果：
1、本发明可以越过坡度为90°的陡峭地形，具有较强的越障能力。
2、本发明的越障、驱动行驶仅采用一个电机，减小了轮体的空间，结构紧凑，车体质量小；同时减少了对控制系统的需求，降低了成本和能耗，使系统更加紧凑。
3、本发明的内部设计成封闭环境，可以防尘、防水，有效地保护了车体内的电气元件，提高了车轮的稳定性、可靠性和安全性，延长了使用寿命。
附图说明
图1为本发明的整体结构立体图；
图2为本发明的机构运动原理简图；
图3为本发明的整体结构剖视图；
图4为本发明中驱动组件的结构剖视图；
图5为本发明中驱动组件的各零件图；
图6为本发明中主动轮组件的结构剖视图；
图7为本发明中主动轮组件的各零件立体图；
图8为本发明中摆臂组件的各零件立体图；
图9为本发明中从动轮组件的各零件立体图；
图10本发明处于平坦地形时的行驶状态示意图；
图11为本发明的越障状态示意图；
图12为本发明刚越过障碍时的状态示意图。
图中：1、驱动组件，2、主动轮组件，3、从动轮组件，4、摆臂组件，5、履带，1-1、驱动电机，1-2、传动锥齿轮，1-3、电机箱，1-4、编码器，1-5、第三齿轮，1-6、第一滚动轴承，1-7、电机套，1-8、轴套，1-9、电机箱第一端盖，1-10、编码器套，1-11、第一连接盘，1-12、电机箱上端盖，1-13、电气接头，1-14、联轴器，1-15、第二滚动轴承，1-16、第三齿轮安装轴，1-17、第四齿轮安装轴，1-18、第四齿轮，1-19、第三滚动轴承，1-20、电机箱透盖，1-21、第一O型橡胶圈，1-22、第一O型圈托架，1-23、电机箱第二端盖，1-24、电机轴延长杆，1-25、电机套端盖,1-26、第四滚动轴承；2-1、第一减速器，2-2、第二减速器，2-3、主轴，2-4、主动轮，2-5、第一外啮合齿轮，2-6、第二外啮合齿轮，2-7、第一齿圈，2-8、双联行星齿轮，2-9、行星臂，2-10、主轴太阳轮，2-11、第二齿圈，2-12、第一行星架，2-13、传动行星齿轮，2-14、第一滚针轴承，2-15、主轴轴套，2-16、第二滚针轴承，2-17、输出轴轴套，2-18、中空轴，2-19、第二连接盘，2-20、第一齿轮，2-21、输出轴，2-22、第二行星架,2-23、第一传力盘，2-24、第二齿轮，2-25、主动轮透盖，2-26、第二O型圈托架，2-27、第二O型橡胶圈，2-28、主动轮第一端盖，2-29、第五滚动轴承，2-30、第三滚针轴承,2-31、滚针轴承套筒，2-32、主动轮第二端盖，2-33、第六滚动轴承，2-34、第二传力盘，2-35、第二传力盘盖，2-36、第七滚动轴承,2-37、主轴锥齿轮；3-1、支撑轴，3-2、第八滚动轴承，3-3、从动轮，3-4、从动轮透盖，3-5、圆形垫块，4-1、第一摆臂，4-2、第二摆臂，4-3支撑杆，4-4、U型螺栓，4-5、螺母托板，4-6、螺母垫圈，4-7、螺母，4-8、密封盖。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步说明。
如图1、2、3和6所示，一种欠驱动履带式车轮机构，包括驱动组件1、主动轮组件2、从动轮组件3、摆臂组件4和履带5。驱动组件1驱动主动轮组件2；主动轮组件2与从动轮组件3通过履带5连接，带动从动轮组件3转动；主动轮组件2与从动轮组件3通过摆臂组件4连接，带动从动轮组件3摆动。
如图3、4和5所示，驱动组件1包括驱动电机1-1、传动锥齿轮1-2、电机箱1-3、编码器1-4、第三齿轮1-5、第一连接盘1-11、电气接头1-13、第三齿轮安装轴1-16、第四齿轮安装轴1-17、第四齿轮1-18和电机箱透盖1-20。驱动电机1-1的电机座与电机套端盖1-25固定，电机套端盖1-25固定在电机套1-7上；电机轴延长杆1-24固定在驱动电机1-1的输出轴上，传动锥齿轮1-2固定在电机轴延长杆1-24上；电气接头1-13与第一连接盘1-11固定，第一连接盘1-11与电机箱上端盖1-12固定，电机箱上端盖1-12固定在电机箱1-3顶部；电气接头1-13与上位机连接；编码器套1-10固定在电机箱1-3内，编码器1-4固定在编码器套1-10内。第三齿轮安装轴1-16通过第二滚动轴承1-15支承在电机箱1-3内，并通过联轴器1-14与编码器1-4的伸出轴连接；第三齿轮1-5固定在第三齿轮安装轴1-16上；第四齿轮安装轴1-17通过两个第三滚动轴承1-19支承在电机箱1-3内，第四齿轮1-18固定在第四齿轮安装轴1-17上；第四齿轮1-18与第三齿轮1-5啮合；第一滚动轴承1-6套置在电机箱1-3内，并通过轴套1-8轴向定位；电机箱第一端盖1-9和电机箱第二端盖1-23分别固定在电机箱1-3两侧，电机箱第一端盖1-9压紧轴套1-8；第四滚动轴承1-26套置在电机箱第二端盖1-23内；第一O型圈托架1-22与电机箱第二端盖1-23的内壁配合连接，第一O型橡胶圈1-21套置在第一O型圈托架1-22上；电机箱透盖1-20与电机箱第二端盖1-23固定，并压紧第一O型橡胶圈1-21。
如图2、3、4、6和7所示，主动轮组件2包括第一减速器2-1、第二减速器2-2、主轴2-3、主动轮2-4、第一外啮合齿轮2-5、第二外啮合齿轮2-6、行星臂2-9、第一行星架2-12、中空轴2-18、第二连接盘2-19、第一齿轮2-20、输出轴2-21、第二行星架2-22、第一传力盘2-23、第二齿轮2-24、主动轮透盖2-25、主动轮第一端盖2-28、主动轮第二端盖2-32、第二传力盘2-34、第二传力盘盖2-35和主轴锥齿轮2-37；第一减速器2-1包括中心轮、第一齿圈2-7和传动行星齿轮2-13；第二减速器2-2包括第二齿圈2-11、双联行星齿轮2-8和主轴太阳轮2-10。第二连接盘2-19固定在电机箱1-3内；中空轴2-18的一端与第二连接盘2-19固定，另一端与行星臂2-9铰接；主轴2-3的中部通过八个第一滚针轴承2-14支承在中空轴2-18内，相邻两个第一滚针轴承2-14之间均设有主轴轴套2-15；主轴2-3的一端通过第一滚动轴承1-6支承在电机箱1-3内，另一端通过第七滚动轴承2-36支承在主动轮第一端盖2-28内；主轴太阳轮2-10和主轴锥齿轮2-37分别固定在主轴2-3两端，主轴锥齿轮2-37与传动锥齿轮1-2啮合。第一齿圈2-7和第二齿圈2-11均与中空轴2-18铰接，中心轮固定在第二齿圈2-11的端面上；三个双联行星齿轮2-8沿圆周均布，且均与行星臂2-9铰接；三个双联行星齿轮2-8一侧的齿轮均与主轴太阳轮2-10啮合，另一侧的齿轮均与第二齿圈2-11啮合；三个传动行星齿轮2-13沿圆周均布，且均铰接在第二行星架2-22上；三个传动行星齿轮2-13的内侧均与中心轮啮合，外侧均与第一齿圈2-7啮合；第一行星架2-12和第二行星架2-22均固定在中空轴2-18上；三个第二外啮合齿轮2-6沿圆周均布，且均铰接在第一行星架2-12的一侧；三个第一外啮合齿轮2-5沿圆周均布，且均铰接在第一行星架2-12的另一侧。输出轴2-21通过三个第二滚针轴承2-16支承在中空轴2-18上，相邻两个第二滚针轴承2-16之间均设有输出轴轴套2-17；第一传力盘2-23固定在输出轴2-21中部，第一齿轮2-20和第二齿轮2-24分别固定在输出轴2-21两端；第一齿轮2-20与第四齿轮1-18啮合，第二齿轮2-24同时与三个第一外啮合齿轮2-5啮合。主动轮2-4通过两个第三滚针轴承2-30支承在第二齿圈2-11和第一齿圈2-7上，两个第三滚针轴承2-30之间设有滚针轴承套筒2-31；主动轮第一端盖2-28和主动轮第二端盖2-32分别固定在主动轮2-4的两端；主动轮第一端盖2-28的内侧端与行星臂2-9固定，外侧端通过第六滚动轴承2-33支承有第二传力盘2-34；第二传力盘盖2-35固定在第二传力盘2-34外侧；主动轮第二端盖2-32通过第五滚动轴承2-29支承在输出轴2-21上；第二O型圈托架2-26设置在主动轮第二端盖2-32内，且与输出轴2-21配合连接；第二O型橡胶圈2-27设置在第二O型圈托架2-26上；主动轮透盖2-25与主动轮第二端盖2-32固定，并压紧第二O型橡胶圈2-27。
如图1、2、3和8所示，摆臂组件4包括第一摆臂4-1、第二摆臂4-2、支撑杆4-3、U型螺栓4-4、螺母托板4-5、螺母垫圈4-6、螺母4-7和密封盖4-8。四根支撑杆4-3的两端分别与第一摆臂4-1、第二摆臂4-2固定，第一摆臂4-1的一端与第一传力盘2-23固定，第二摆臂4-2的一端与第二传力盘2-34固定；第一摆臂4-1和第二摆臂4-2的另一端均固定有密封盖4-8。两个螺母托板4-5分别固定在第一摆臂4-1和第二摆臂4-2上，每个螺母托板4-5通过螺母4-7与一个U型螺栓4-4连接，螺母4-7与U型螺栓4-4之间设有螺母垫圈4-6。
如图3和9所示，从动轮组件3包括支撑轴3-1、第八滚动轴承3-2、从动轮3-3、从动轮透盖3-4和圆形垫块3-5；支撑轴3-1的两端分别穿过第一摆臂4-1和第二摆臂4-2设置；两个圆形垫块3-5分别固定在支撑轴3-1两端，两个U型螺栓4-4分别夹紧对应的圆形垫块3-5；从动轮3-3通过两个第八滚动轴承3-2支承在支撑轴3-1上，两个从动轮透盖3-4分别固定在从动轮3-3两端。
如图1和图3所示，主动轮2-4与从动轮3-3通过履带5连接；主动轮第一端盖2-28、主动轮第二端盖2-32及两个从动轮透盖3-4限制履带5的两侧位移。
该欠驱动履带式车轮机构的工作原理是：
该欠驱动履带式车轮机构只需驱动电机1-1提供动力，便可实现车轮机构行走和越障。驱动电机1-1的动力通过传动锥齿轮1-2和主轴锥齿轮传递到主轴2-3，主轴的动力经主轴太阳轮2-10传递给双联行星齿轮2-8；行星臂2-9支撑双联行星齿轮2-8。
如图2、6和图10所示，在遇到平坦地形时，由于该欠驱动履带式车轮机构本身重力作用，第一摆臂4-1经力传递最终对第二齿圈2-11产生反作用力，双联行星齿轮2-8的动力不会传递到第二齿圈2-11，而是将全部动力经主动轮第一端盖2-28传递到主动轮2-4，主动轮2-4通过履带5驱动车轮机构行驶。
如图2、6和图11所示，当遇到障碍时，由于障碍物对履带5的作用,履带转速减慢,迫使双联行星齿轮2-8的一部分动力经第二齿圈2-11、第一减速器2-1、第二外啮合齿轮2-6和第一外啮合齿轮2-5，最终传递到输出轴2-21；输出轴2-21的动力通过第一传力盘2-23传递到第一摆臂4-1；双联行星齿轮2-8的另一部分动力经主动轮第一端盖2-28传递到主动轮2-4，主动轮2-4带动履带5转动；履带5和第一摆臂4-1最终驱动摆臂组件4转动越障。
如图2、6和图12所示，当越过障碍后，由于障碍物对履带5的作用消失，此时车轮机构整体受力达到一个新的平衡，双联行星齿轮2-8的一部分动力还是传递到第二齿圈2-11上，最终传递到输出轴2-21；输出轴2-21的动力通过第一传力盘2-23传递到第一摆臂4-1，第一摆臂4-1驱动摆臂组件4恢复到平坦地形行驶状态时,车轮机构整体受力达到另一平衡状态；双联行星齿轮2-8的另一部分动力经主动轮第一端盖2-28传递到主动轮2-4，主动轮2-4带动履带5转动,驱动车轮机构行驶。此后，车轮机构在履带5的驱动下行驶。

Claims (2)

1. 一种欠驱动履带式车轮机构，包括驱动组件、主动轮组件、从动轮组件、摆臂组件和履带，其特征在于：所述的驱动组件驱动主动轮组件；
所述的主动轮组件包括第一减速器、第二减速器、主轴、主动轮、第一外啮合齿轮、第二外啮合齿轮、行星臂、第一行星架、中空轴、第二连接盘、第一齿轮、输出轴、第二行星架、第一传力盘、第二齿轮、主动轮透盖、主动轮第一端盖、主动轮第二端盖、第二传力盘、第二传力盘盖和主轴锥齿轮；所述的第一减速器包括中心轮、第一齿圈和传动行星齿轮；所述的第二减速器包括第二齿圈、双联行星齿轮和主轴太阳轮；所述的第二连接盘固定在驱动组件的电机箱内；所述中空轴的一端与第二连接盘固定，另一端与行星臂铰接；所述主轴的中部通过多个轴承支承在中空轴内；主轴的一端通过轴承支承在电机箱内，另一端通过轴承支承在主动轮第一端盖内；所述的主轴太阳轮和主轴锥齿轮分别固定在主轴两端，主轴锥齿轮与驱动组件的传动锥齿轮啮合；所述的第一齿圈和第二齿圈均与中空轴铰接，中心轮固定在第二齿圈的端面上；三个双联行星齿轮沿圆周均布，且均与行星臂铰接；三个双联行星齿轮一侧的齿轮均与主轴太阳轮啮合，另一侧的齿轮均与第二齿圈啮合；三个传动行星齿轮沿圆周均布，且均铰接在第二行星架上；三个传动行星齿轮的内侧均与中心轮啮合，外侧均与第一齿圈啮合；所述的第一行星架和第二行星架均固定在中空轴上；三个第二外啮合齿轮沿圆周均布，且均铰接在第一行星架的一侧；三个第一外啮合齿轮沿圆周均布，且均铰接在第一行星架的另一侧；所述的输出轴通过轴承支承在中空轴上；所述的第一传力盘固定在输出轴中部，所述的第一齿轮和第二齿轮分别固定在输出轴两端；第一齿轮与驱动组件的第四齿轮啮合，第二齿轮同时与三个第一外啮合齿轮啮合；所述的主动轮通过两个轴承支承在第一齿圈和第二齿圈上；主动轮第一端盖和主动轮第二端盖分别固定在主动轮的两端；所述主动轮第一端盖的内侧端与行星臂固定，外侧端通过轴承支承有第二传力盘；所述的第二传力盘盖固定在第二传力盘外侧；所述的主动轮第二端盖通过轴承支承在输出轴上；第二O型圈托架设置在主动轮第二端盖内，且与输出轴配合连接；第二O型橡胶圈设置在第二O型圈托架上；所述的主动轮透盖与主动轮第二端盖固定，并压紧第二O型橡胶圈；
所述的摆臂组件包括第一摆臂、第二摆臂和密封盖；所述第一摆臂的一端与第一传力盘固定，第二摆臂的一端与第二传力盘固定；所述第一摆臂和第二摆臂的另一端分别与一个密封盖通过螺钉连接；四根支撑杆的两端分别与第一摆臂、第二摆臂固定；
所述的从动轮组件包括支撑轴、从动轮和从动轮透盖；所述支撑轴的两端分别与第一摆臂和第二摆臂固定，摆臂组件的两个密封盖分别设置在支撑轴的两端；所述的从动轮通过轴承支承在支撑轴上；两个从动轮透盖分别固定在从动轮两端；
所述的主动轮与从动轮通过履带连接；所述的主动轮第一端盖、主动轮第二端盖及两个从动轮透盖限制履带的两侧位移。
2.根据权利要求1所述的一种欠驱动履带式车轮机构，其特征在于：所述的驱动组件包括驱动电机、传动锥齿轮、电机箱、编码器、第三齿轮、第一连接盘、电气接头、第三齿轮安装轴、第四齿轮安装轴、第四齿轮和电机箱透盖；所述驱动电机的电机座与电机套端盖固定，电机套端盖固定在电机套上；电机轴延长杆固定在驱动电机的输出轴上，所述的传动锥齿轮固定在电机轴延长杆上；所述的电气接头与第一连接盘固定，第一连接盘与电机箱上端盖固定，电机箱上端盖固定在电机箱顶部；编码器套固定在电机箱内，所述的编码器固定在编码器套内；所述的第三齿轮安装轴通过轴承支承在电机箱内，并通过联轴器与编码器的伸出轴连接；所述的第三齿轮与第三齿轮安装轴通过键连接；所述的第四齿轮安装轴通过轴承支承在电机箱内，第四齿轮与第四齿轮安装轴通过键连接；所述的第四齿轮与第三齿轮啮合；电机箱第一端盖和电机箱第二端盖分别固定在电机箱两侧；第一O型圈托架与电机箱第二端盖的内壁配合连接，第一O型橡胶圈套置在第一O型圈托架上；所述的电机箱透盖与电机箱第二端盖固定，并压紧第一O型橡胶圈。
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Application publication date: 20150121

Assignee: ZHEJIANG SCI-TECH UNIVERSITY SHANGYU INDUSTRIAL TECHNOLOGY RESEARCH INSTITUTE Co.,Ltd.

Assignor: Zhejiang University of Technology

Contract record no.: X2020330000077

Denomination of invention: An underactuated crawler wheel mechanism

Granted publication date: 20160817

License type: Common License

Record date: 20201022

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