CN105459728B - 一种用于机器人的自适应可变形行走装置及机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于机器人的自适应可变形行走装置，包括三个行走爪，行走爪包括用于抓地的爪状的尖端结构，其外周均为圆弧状，三个行走爪外周首尾相接可构成完整的轮；每个行走爪均通过销接的外定位轴与传动板机构连接，传动板机构与动力输出轴连接，可变形行走装置还包括将行走爪绕各自外定位轴转动至伸出各自尖端结构并定位的形态切换机构。通过三个行走爪收起成轮状的结构，实现平地的平稳高速运动，并且在每个行走爪侧面设置外定位轴，行走爪可通过绕外定位轴的旋转伸出各自的尖端结构，形成适合进行越障运动的稳定的三爪结构解决了机器人行走装置越障能力、运载能力及成本难以兼顾等技术问题。本发明还提供了一种包括上述可变形行走装置的机器人。
Description
技术领域
本发明涉及机器人技术领域，更具体地说涉及一种用于机器人的自适应可变形行走装置，本发明还涉及一种机器人。
背景技术
随着科技的不断发展，机器人技术逐渐引起人们的关注，用机器人代替人力来运送物资、野外地形勘测等新需求的出现，促使机器人技术飞速发展。机器人技术的进步也对机器人对不同地形的适应性提出了更高的要求，从而机构的自适应能力成了人们关注的焦点。
越障及自适应能力是行走装置性能的关键体现。目前的行走装置分为轮式、腿式、履带式以及复合式机构，其中轮式行走装置结构简单但越障能力较差，履带式体积大且越障能力有限，而腿式和复合式适应性好但对技术要求高、结构过于复杂且成本较高，为顺应行走装置的高适应能力的发展趋势，需要着手解决行走装置中的这些不足。
综上所述，如何有效地解决现有机器人行走装置越障能力、运载能力及成本难以兼顾等技术问题，是目前本领域技术人员急需解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明的第一个目的在于提供一种用于机器人的自适应可变形行走装置，该可变形行走装置的结构设计可以有效地解决现有机器人行走装置越障能力、运载能力及成本难以兼顾等技术问题，本发明的第二个目的是提供一种包括上述可变形行走装置的机器人。
为了达到上述第一个目的，本发明提供如下技术方案：
一种用于机器人的自适应可变形行走装置，包括三个行走爪，所述行走爪包括用于抓地的爪状的尖端结构，其外周均为圆弧状，三个所述行走爪外周首尾相接可构成完整的轮；每个所述行走爪均通过销接的外定位轴与传动板机构连接，所述传动板机构与动力输出轴连接，所述可变形行走装置还包括将所述行走爪绕各自外定位轴转动至伸出各自尖端结构并定位的形态切换机构。
优选的，上述可变形行走装置中，所述传动板机构包括与所述行走爪构成的轮同轴设置的内三角夹板和外三角夹板，内三角夹板和所述外三角夹板各自尖端均设置有与所述行走爪配合的通孔，所述外定位轴依次将所述外三角夹板、所述行走爪和所述内三角夹板销接固定。
优选的，上述可变形行走装置中，所述形态切换机构包括设置于所述行走爪内侧以对应的外定位轴为中心的圆弧滑槽，所述圆弧滑槽内均设置有内定位轴，所述内定位轴均与所述外三角夹板和所述内三角夹板销接，所述内定位轴的侧面设置有通孔；所述行走爪内侧所述圆弧滑槽外的位置销接有滑柱，所述滑柱的轴向平行于所述行走爪的转动平面，所述滑柱一端通过销轴与所述行走爪销接，另一端可滑动垂直穿设于所述内定位轴的通孔内。
优选的，上述可变形行走装置中，所述销轴和所述内定位轴之间的所述滑柱上套设有压缩弹簧，所述压缩弹簧抵紧所述内定位轴。
优选的，上述可变形行走装置中，所述圆弧滑槽的弧度为65°。
优选的，上述可变形行走装置中，所述形态切换机构还包括与所述传动板机构同轴设置的中心齿轮，所述行走爪的内周呈圆弧状并且其上设置有导向齿，所述行走爪通过所述导向齿与所述中心齿轮啮合。
优选的，上述可变形行走装置中，所述行走爪的尖端结构的外侧和所述行走爪背离所述尖端结构端部的外侧均设置有增大行走爪摩擦力的橡胶摩擦块。
优选的，上述可变形行走装置中，所述内三角夹板与所述动力输出轴之间通过键连接周向固定。
优选的，上述可变形行走装置中，所述行走爪的侧面设置有减重槽及加强筋，所述圆弧滑槽和滑柱均位于所述减重槽内。
本发明提供的用于机器人的可变形行走装置，包括三个行走爪，所述行走爪包括用于抓地的爪状的尖端结构，其外周均为圆弧状，三个所述行走爪外周首尾相接可构成完整的轮；每个所述行走爪均通过销接的外定位轴与传动板机构连接，所述传动板机构与动力输出轴连接，所述可变形行走装置还包括将所述行走爪绕各自外定位轴转动至伸出各自尖端结构并定位的形态切换机构。采用本发明提供的可变形行走装置通过三个行走爪收起成轮状的结构，实现平地的平稳高速运动，并且在每个行走爪侧面设置外定位轴，行走爪可通过绕外定位轴的旋转伸出各自的尖端结构，形成适合进行越障运动的稳定的三爪结构；此外通过传动板机构驱动外定位轴运动并以此驱动行走爪构成的轮或三爪结构转动前进，传动方式稳定，并且便于直接通过该结构实现可变形行走装置行走爪状态的切换。本发明提供的可变形行走装置可通过形态的切换适应平地或多障碍地形，有效地解决了现有机器人行走装置越障能力、运载能力及成本难以兼顾等技术问题。
为了达到上述第二个目的，本发明还提供了一种机器人，该机器人包括上述任一种可变形行走装置。由于上述的可变形行走装置具有上述技术效果，具有该可变形行走装置的机器人也应具有相应的技术效果。
附图说明
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其他的附图。
图1是本发明实施例的整体爆炸图。
图2是本发明实施例中的行走爪的局部剖视图。
图3是行走机构的轮式形态端面图(去除动力输出轴和内三角夹板)。
图4是行走机构的爪式形态端面图(去除动力输出轴和内三角夹板)。
附图中标记如下：
1-行走爪 2-中心齿轮 3-动力输出轴 4-内三角夹板 5-外定位轴 6-外三角夹板7-橡胶摩擦块 8-减重槽 9-凹槽 10-滑柱11-压缩弹簧 12-滑槽 13-内定位轴 14-销轴。
具体实施方式
本发明实施例公开了一种用于机器人的可变形行走装置，以解决现有机器人行走装置越障能力、运载能力及成本难以兼顾等技术问题。
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。
如图1和图2所示，本发明提供的用于机器人的可变形行走装置，包括三个行走爪1，所述行走爪1包括用于抓地的爪状的尖端结构，其外周均为圆弧状，三个所述行走爪1外周首尾相接可构成完整的轮；每个所述行走爪1均通过销接的外定位轴5与传动板机构连接，所述传动板机构与动力输出轴3连接，所述可变形行走装置还包括将所述行走爪绕各自外定位轴5转动至伸出各自尖端结构并定位的形态切换机构。
其中需要说明的是，行走爪1的外周设置大圆弧，三个行走爪1可通过各自外周的大圆弧对接成整圆，可变形行走装置在进行平地行走时，各行走爪1处于收紧状态，此时各自的外圆弧首尾对齐构成整圆。行走爪1的侧面垂直装配外定位轴5，外定位轴5与行走爪1及传动板机构的旋转中轴相互平行；在行走爪1在运动过程中碰到障碍物时，形态切换机构通过障碍物的压力和摩擦力触发行走爪1绕各自的外定位轴5进行转动，伸出尖端执行越障，并通过形态切换机构实时感应路面情况驱动行走爪1转动以改变可变形行走装置的形态。
采用本发明提供的可变形行走装置通过行走爪收起成轮状的结构，实现平地的平稳高速运动，并且在每个行走爪侧面设置外定位轴，行走爪可通过绕外定位轴的旋转伸出各自的尖端结构，形成适合进行越障运动的稳定的三爪结构；此外通过传动板机构驱动外定位轴运动并以此驱动行走爪构成的轮或三爪结构转动前进，传动方式稳定，并且便于直接通过该结构实现可变形行走装置行走状态的切换。本发明提供的可变形行走装置可通过形态的切换适应平地或多障碍地形，有效地解决了现有机器人行走装置越障能力、运载能力及成本难以兼顾等技术问题。
为进一步优化上述技术方案，在上述实施例的基础上优选的，上述可变形行走装置中，所述传动板机构包括与三个所述行走爪1构成的轮同轴设置的内三角夹板4和外三角夹板6，内三角夹板4和所述外三角夹板6各自尖端均设置有与所述行走爪1位置配合的通孔，所述外定位轴5依次将所述外三角夹板6、所述行走爪1和所述内三角夹板4销接固定。
其中内、外三角夹板在其各自的尖端位置设置垂直于其工作面的通孔，采用销轴将行走爪销接于内、外三角夹板之间，采用内外两侧均设置三角夹板的技术方案在轴向上加强了行走装置的结构，在行走爪的两侧均采用夹板这种可进行限位固定的结构，令行走装置的强度更高。
为进一步优化上述技术方案，在上述实施例的基础上优选的，上述可变形行走装置中，所述形态切换机构包括设置于所述行走爪1内侧以对应的外定位轴5为中心的圆弧滑槽12，所述圆弧滑槽12内均设置有内定位轴13，所述内定位轴13均与所述外三角夹板6和所述内三角夹板4销接，所述内定位轴13的侧面设置有通孔；所述行走爪1内侧所述圆弧滑槽12外的位置销接有滑柱10，所述滑柱10的轴向平行于所述行走爪1的转动平面，所述滑柱10一端通过销轴14与所述行走爪1销接，另一端可滑动垂直穿设于所述内定位轴13的通孔内。
其中需要说明的是，每个行走爪1的侧面均设置圆弧滑槽12，圆弧滑槽12为穿透行走爪1厚度方向的通孔槽，内定位轴13与圆弧滑槽12滑动配合，并且每个行走爪1上的内定位轴13均销接固定于内、外三角夹板之间，内定位轴13可相对行走爪1转动，内定位轴13的侧面设置有通孔，通孔轴向垂直于内定位轴13的轴向，其内插装有平行于行走爪1侧面的滑柱10，滑柱10其中一端插装于内定位轴13上的通孔内，另一端与行走爪1销接固定。采用这种滑槽、内外定位轴、滑柱相互配合的结构可以令行走爪在适当的作用力下沿外定位轴按照指定的运动轨迹转动将尖端结构伸出，并通过此机构在一定的受力范围内保持固定状态。此设计保证了可变形行走装置在行走过程中遇到障碍，受到外界施加的突变外力，发生形变从轮状转化为爪状，待进入平地区域后恢复原状。
为进一步优化上述技术方案，在上述实施例的基础上优选的，上述可变形行走装置中，所述销轴14和所述内定位轴13之间的所述滑柱10上套设有压缩弹簧11，所述压缩弹簧11抵紧所述内定位轴13。
为进一步优化上述技术方案，在上述实施例的基础上优选的，上述可变形行走装置中，所述圆弧滑槽12的弧度为65°。
为进一步优化上述技术方案，在上述实施例的基础上优选的，上述可变形行走装置中，所述形态切换机构还包括与所述传动板机构同轴设置的中心齿轮2，所述行走爪1的内周呈圆弧状并且其上设置有导向齿，所述行走爪1通过所述导向齿与所述中心齿轮2啮合。
为进一步优化上述技术方案，在上述实施例的基础上优选的，上述可变形行走装置中，所述行走爪1的尖端结构的外侧和所述行走爪1背离所述尖端结构端部的外侧均设置有增大行走爪摩擦力的橡胶摩擦块7。
为进一步优化上述技术方案，在上述实施例的基础上优选的，上述可变形行走装置中，所述内三角夹板4与所述动力输出轴之间通过键连接周向固定。
为进一步优化上述技术方案，在上述实施例的基础上优选的，上述可变形行走装置中，所述行走爪1的侧面设置有减重槽8及凹槽9，所述圆弧滑槽12和滑柱10均位于所述凹槽9内。
基于以上各实施例可知：可变形行走装置具有两种运动形态，即轮式形态和爪式形态。其中，压缩弹簧11的弹性系数选用以机构在平面运动时能够保持轮式形态为准，即当内定位轴13处于圆弧滑槽12的靠近尖端结构一侧的极限位置时压缩弹簧11相对于外定位轴5产生的力矩要略大于与摩擦力形成的力矩，从而保持行走爪1不打开。此时，可变形行走装置即可视作一个轮，由驱动电机带动内三角夹板4转动，由内三角夹板4带动整轮转动，此状态即机构的轮式形态(参阅图3所示)。
越障过程：当可变形行走装置以轮式形态遇到无法越过的障碍时，可变形行走装置会原地打滑，直到有两个行走爪1的外侧橡胶摩擦块同时接触障碍和地面，此时机构同时受到两个摩擦力，由于设置的压缩弹簧11弹性系数仅能维持在只受一个地面摩擦力的情况下，保持三个行走爪1闭合，所以此时三个行走爪1会逐渐打开，且随着装置的重心逐渐升高，直至某一时刻，一个行走爪搭在障碍顶端，此时装置不再受到障碍施加的摩擦力而变为一个支持力，该支持力相对于外定位轴5的力臂更大，所以能提供更大的转矩促使行走爪1克服弹簧阻力打开至某一更大的程度。此时，装置可视作一个稳定的“三爪”式结构，由驱动电机带动内三角板4转动，内三角板4带动“三爪”转动，从而越过障碍，此状态即装置的爪式形态(参阅图4所示)。
当越过障碍后，可变形行走装置不再受到除地面摩擦力外其他能够维持行走爪1打开的力，故此时由于弹簧恢复力的作用，装置会逐渐从爪式形态转换为轮式形态，从而完成整个自适应越障过程。
基于上述实施例中提供的可变形行走装置，本发明还提供了一种机器人，该机器人包括上述实施例中任一种可变形行走装置。由于该机器人采用了上述实施例中的可变形行走装置，所以该机器人的有益效果请参考上述实施例。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
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。
Claims (9)
1.一种用于机器人的自适应可变形行走装置，其特征在于，包括三个行走爪(1)，所述行走爪(1)包括用于抓地的爪状的尖端结构，其外周均为圆弧状，三个所述行走爪(1)外周首尾相接可构成完整的轮；每个所述行走爪(1)均通过销接的外定位轴(5)与传动板机构连接，所述传动板机构与动力输出轴(3)连接，所述可变形行走装置还包括将所述行走爪(1)绕各自外定位轴(5)转动至伸出各自尖端结构并定位的形态切换机构；
所述传动板机构包括与所述行走爪(1)构成的轮同轴设置的内三角夹板(4)和外三角夹板(6)，内三角夹板(4)和所述外三角夹板(6)各自尖端均设置有与所述行走爪(1)配合的通孔，所述外定位轴(5)依次将所述外三角夹板(6)、所述行走爪(1)和所述内三角夹板(4)销接固定；
所述形态切换机构包括设置于所述行走爪(1)内侧以对应的外定位轴(5)为中心的圆弧滑槽(12)，所述圆弧滑槽(12)内均设置有内定位轴(13)，所述内定位轴(13)均与所述外三角夹板(6)和所述内三角夹板(4)销接，所述内定位轴(13)的侧面设置有通孔；所述行走爪(1)内侧在所述圆弧滑槽(12)外的位置销接有滑柱(10)，所述滑柱(10)的轴向平行于所述行走爪(1)的转动平面，所述滑柱(10)一端通过销轴与所述行走爪(1)销接，另一端可滑动垂直穿设于所述内定位轴(13)的通孔内。
2.根据权利要求1所述的可变形行走装置，其特征在于，所述销轴和所述内定位轴(13)之间的所述滑柱(10)上套设有压缩弹簧(11)，所述压缩弹簧(11)抵紧所述内定位轴(13)；在轮式形态运动时，弹簧的弹簧力保证自适应可变形行走装置不会从轮式形态向爪式形态转变；当可变形行走装置以爪式形态越过障碍时，其会由于弹簧力自动回复至轮式形态。
3.根据权利要求1所述的可变形行走装置，其特征在于，所述圆弧滑槽(12)的弧度为65°。
4.根据权利要求1至3任一项所述的可变形行走装置，其特征在于，所述形态切换机构还包括与所述传动板机构同轴设置的中心齿轮(2)，所述行走爪(1)的内周呈圆弧状并且其上设置有导向齿，所述行走爪(1)通过所述导向齿与所述中心齿轮(2)啮合；三个爪的运动具有同步性，即同时打开，同时回复。
5.根据权利要求4所述的可变形行走装置，其特征在于，所述行走爪(1)的尖端结构的外侧和所述行走爪(1)背离所述尖端结构端部的外侧均设置有增大行走爪(1)所受摩擦力的橡胶摩擦块(7)。
6.根据权利要求4所述的可变形行走装置，其特征在于，所述内三角夹板(4)与所述动力输出轴(3)之间通过键连接周向固定。
7.根据权利要求5所述的可变形行走装置，其特征在于，所述行走爪(1)的侧面设置有减重槽(8)及凹槽(9)，所述圆弧滑槽(12)和滑柱(10)均位于所述凹槽(9)内。
8.如权利要求7所述的可变形行走装置，其特征在于，所述行走装置以轮式形态遇到无法越过的障碍时，原地打滑，直到所述行走爪(1)外缘贴有橡胶的部位接触障碍，此时所述行走爪(1)打开，行走装置由轮式形态转变为爪式形态进行越障。
9.一种机器人，其特征在于，包括如权利要求1至8任一项所述的可变形行走装置。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CB03 | Change of inventor or designer information | ||
| CB03 | Change of inventor or designer information |
Inventor after: Zheng Change Inventor after: Yang Minjie Inventor after: Su Shengpeng Inventor after: Huo Guangqing Inventor after: Xu Mengjiao Inventor after: Tu Juncheng Inventor after: Wang Yimei Inventor before: Huo Guangqing Inventor before: Yang Minjie Inventor before: Su Shengpeng Inventor before: Zheng Change Inventor before: Xu Mengjiao Inventor before: Tu Juncheng Inventor before: Wang Yimei |
|
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20180810 Termination date: 20220108 |