CN109278887A - 一种爪式机器人越障车轮 - Google Patents

Abstract

本发明适用于车轮技术领域，提供了一种爪式机器人越障车轮，包括车轮主体；驱动机构，设置于所述车轮主体内；传动机构，设置于所述车轮主体内，所述传动机构的输入端与所述驱动机构的输出端连接；凸轮，与所述车轮主体同轴设置，所述凸轮与所述传动机构的输出端连接；以及多个爪式摆杆，沿所述车轮主体的圆周方向均匀布置，所述爪式摆杆转动连接于所述车轮主体上，所述爪式摆杆的一端与所述凸轮抵接，所述爪式摆杆的另一端为自由端。本发明通过越障车轮结构代替足腿式越障结构，实现车轮形状实时快速变换，从而极大地提高作业效率，且结构简单，能够减少越障结构设计的复杂程度，减小机器人的体积和重量，提高机器人的灵活性与负载能力。

Description

一种爪式机器人越障车轮

技术领域

本发明涉及车轮技术领域，特别涉及一种爪式机器人越障车轮。

背景技术

在核能、船舶、化工、风电等领域，金属外壁由导磁钢板焊接而成，由于风吹日晒、海水浸泡、海生物附着，导致金属壁大面积脱漆甚至生锈，不仅影响了外观，更严重的影响了金属外壁的使用寿命。海洋生物对船体壁面的附着，增加了船体的负载，降低了燃油效率。上述现象对金属外壁的检测、清洗和除锈等提出了要求。

目前，由于轮式机器人具有运动灵活等诸多优点，轮式机器人在检测、清洗、除锈等领域的应用越加广泛。但是轮式机器人大多只能适应平面和小曲率的曲面，不能灵活快速的越过障碍。针对解决机器人的越障问题，目前主要的解决方案是通过在轮式机器人上附加一套足腿伸缩机构和一套跨越机构以使机器人越过障碍。但是该方案存在以下缺点：

(1)作业效率不高。机器人在遇到障碍时，首先轮子停止转动，足腿伸缩机构在电机等驱动元件的带动下伸出后吸附壁面，使轮子抬高，跨越机构带动机器人越过障碍，然后足腿在电机的驱动下后缩脱离壁面，最后跨越机构回复原位。上述过程为单步串联工序，完成整个越障过程需要时间较长，影响了机器人的作业效率。

(2)结构复杂，体积大。机器人足腿伸缩和跨越机构需要设计电机等驱动单元、滚珠丝杠等执行单元、磁铁轭铁等吸附单元和其他附件等。上述附加结构无疑增加了机器人的设计难度，而且使机器人的体积增大。

(3)越障能力有限。采用足腿式越障机构，由于足腿长度有限，越障机构行程有限，只能越过一定高度的单一障碍，难以实现大沟槽，连续障碍等复杂地形的越障。

发明内容

本发明的目的在于提供一种爪式机器人越障车轮，旨在解决目前的具有越障功能的轮式机器人作业效率不高，结构复杂，体积大且越障能力有限的技术问题。

本发明是这样实现的，一种爪式机器人越障车轮，包括：

车轮主体；

驱动机构，设置于所述车轮主体内；

传动机构，设置于所述车轮主体内，所述传动机构的输入端与所述驱动机构的输出端连接；

凸轮，与所述车轮主体同轴设置，所述凸轮与所述传动机构的输出端连接；以及

多个爪式摆杆，沿所述车轮主体的圆周方向均匀布置，所述爪式摆杆转动连接于所述车轮主体上，所述爪式摆杆的一端与所述凸轮抵接，所述爪式摆杆的另一端为自由端。

在一个实施例中，所述凸轮包括：

主体部，呈轴对称设置，所述主体部沿其周向开设有多个与所述爪式摆杆一一对应的凹槽，所述爪式摆杆的一端抵接于所述凹槽的侧壁上；以及

连接轴，与所述主体部固定连接且沿所述车轮主体的轴向设置，所述连接轴与所述传动机构的输出端连接。

在一个实施例中，所述车轮主体包括：

第一轮毂；

第二轮毂，与所述第一轮毂对称设置；以及

多根连杆转轴，用于连接所述第一轮毂和第二轮毂且与所述爪式摆杆一一对应，所述爪式摆杆转动连接于对应的所述连杆转轴上。

在一个实施例中，所述驱动机构包括：

电机支架，设置于所述第一轮毂或第二轮毂之间；以及

电机，安装于所述电机支架上，所述电机的输出轴与所述传动机构连接。

在一个实施例中，所述传动机构包括：

主动齿轮，套设于所述电机的输出轴上；以及

从动齿轮，与所述主动齿轮啮合，所述从动齿轮与所述凸轮连接且同步转动。

在一个实施例中，所述爪式摆杆远离所述凸轮的一端呈圆弧形状。

在一个实施例中，所述车轮主体还包括连接于所述第一轮毂与第二轮毂之间且与所述爪式摆杆一一对应的多根限位杆，所述限位杆与所述连杆转轴平行。

在一个实施例中，所述爪式摆杆包括磁铁件以及紧贴设置于所述磁铁件两侧且呈对称分布的轭铁件。

在一个实施例中，所述第一轮毂和第二轮毂沿其周向开设有多个弧形缺口，所述弧形缺口的数量与所述爪式摆杆的数量匹配。

在一个实施例中，所述爪式机器人越障车轮包括六个所述爪式摆杆。

实施本发明的一种爪式机器人越障车轮，具有以下有益效果：

第一、本发明通过越障车轮结构代替足腿式越障结构，实现车轮形状实时快速变换，从而极大地提高作业效率。具体地，本发明通过在车轮主体内部设计驱动机构、传动机构和凸轮，在遇到障碍时，驱动机构正转，驱动传动机构传动，传动机构带动凸轮转动一定的角度，实现爪式摆杆张开，形成爪式攀爬车轮，爪式攀爬车轮进行障碍攀爬，当越过障碍时，驱动机构反转相同角度，车轮主体重新变回圆形，从而实现越障与壁面移动的快速切换，整个过程中机器人不需要停止，极大地提高了机器人的作业效率。

第二、本发明通过越障车轮结构代替足腿式越障结构，其结构简单，能够减少越障结构设计的复杂程度，减小机器人的体积和重量，提高机器人的灵活性与负载能力。

第三、本发明采用带有爪式摆杆的凸轮摆杆机构设计，使车轮在圆形和爪式形状之间自由切换，可以保证在非越障工作状态下机器人工作的稳定性的同时，提高越障能力。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例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是本发明实施例提供的爪式机器人越障车轮处于圆形状态下的立体结构示意图；

图2是本发明实施例提供的爪式机器人越障车轮处于爪式状态下的立体结构示意图；

图3是本发明实施例提供的爪式机器人越障车轮处于圆形状态下的侧视图；

图4是图3中的A-A向剖视图；

图5是图3中的B-B向剖视图；

图6是本发明实施例提供的爪式机器人越障车轮的截面剖视图；

图7是本发明实施例提供的部分侧视图；

图8是本发明实施例提供的部分立体结构示意图；

图9是本发明实施例提供的爪式摆杆的立体结构示意图；

图10是本发明实施例提供的爪式摆杆与直线式摆杆越障时的受力对比图；

图11是本发明实施例提供的凸轮与爪式摆杆的相对运动位置示意图；

图12是本发明实施例提供的爪式机器人越障车轮的越障示意图；

图13是本发明实施例提供的爪式机器人越障车轮的导磁壁面适应性示意图。

上述附图所涉及的标号明细如下：

1-车轮主体；11-第一轮毂；111-弧形缺口；12-第二轮毂；13-连杆转轴；14-限位杆；2-驱动机构；21-电机支架；22-电机；3-传动机构；31-主动齿轮；32-从动齿轮；4-凸轮；41-主体部；411-凹槽；42-连接轴；5-爪式摆杆；51-磁铁件；52-轭铁件；6-空心铆钉。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

需说明的是，当部件被称为“固定于”或“设置于”另一个部件，它可以直接或者间接位于该另一个部件上。当一个部件被称为“连接于”另一个部件，它可以是直接或者间接连接至该另一个部件上。术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置为基于附图所示的方位或位置，仅是为了便于描述，不能理解为对本技术方案的限制。术语“第一”、“第二”仅用于便于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明技术特征的数量。“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

请参阅图1至图5，本发明实施例提供了一种爪式机器人越障车轮，其包括车轮主体1、驱动机构2、传动机构3、凸轮4和多个爪式摆杆5。其中，驱动机构2设置于车轮主体1内，用于为传动机构3提供动力；传动机构3设置于车轮主体1内，该传动机构3的输入端与驱动机构2的输出端连接，用于将驱动机构2的动力传送给凸轮4；凸轮4设置于车轮主体1内，与车轮主体1同轴，该凸轮4与传动机构3的输出端连接，用于在传动机构3的带动下转动；多个爪式摆杆5沿车轮主体1的圆周方向均匀布置，该爪式摆杆5转动连接于车轮主体1上，爪式摆杆5的一端与凸轮4抵接，爪式摆杆5的另一端为自由端。

本发明实施例的爪式机器人越障车轮，至少具有以下有益效果：

第一、本发明通过越障车轮结构代替足腿式越障结构，实现车轮形状实时快速变换，从而极大地提高作业效率。具体地，本发明通过在车轮主体1内部设计驱动机构2、传动机构3和凸轮4，在遇到障碍时，驱动机构2正转，驱动传动机构3传动，传动机构3带动凸轮4转动一定的角度，实现爪式摆杆5张开，形成爪式攀爬车轮，爪式攀爬车轮进行障碍攀爬，当越过障碍时，驱动机构2反转相同角度，车轮主体1重新变回圆形，从而实现越障与壁面移动的快速切换，整个过程中机器人不需要停止，极大地提高了机器人的作业效率。

第二、本发明通过越障车轮结构代替足腿式越障结构，其结构简单，能够减少越障结构设计的复杂程度，减小机器人的体积和重量，提高机器人的灵活性与负载能力。

第三、本发明采用带有爪式摆杆5的凸轮4摆杆机构设计，使车轮在圆形和爪式形状之间自由切换，可以保证在非越障工作状态下机器人工作的稳定性的同时，提高越障能力。

请结合图8，在一个实施例中，凸轮4包括主体部41和连接轴42。其中，凸轮4呈轴对称设置，连接轴42与主体部41固定连接且沿车轮主体1的轴向设置。在本实施例中，连接轴42设置于主体部41的中心区域且与主体部41垂直。该连接轴42与传动机构3的输出端连接，以使主体部41在传动机构3的带动下转动。在主体部41沿其周向开设有多个与爪式摆杆5一一对应的凹槽411，爪式摆杆5的一端抵接于凹槽411的侧壁上。当凸轮4转动时，凹槽411的侧壁推动爪式摆杆5转动，进而实现圆形车轮和爪式车轮的切换。

在具体应用中，凸轮4的主体部41呈星形，凹槽411大致呈V字型，爪式摆杆5的端部可在凹槽411的内壁上滑动。并且，凹槽411的底面，以及相邻两个凹槽411之间的过渡面均为圆弧面，以便于爪式摆杆5的滑动。

在一个实施例中，车轮主体1包括第一轮毂11、第二轮毂12和多根连杆转轴13。其中，第一轮毂11和第二轮毂12对称设置，多根连杆转轴13用于连接第一轮毂11和第二轮毂12且与爪式摆杆5一一对应，即连杆转轴13的根数与爪式摆杆5的个数相同，爪式摆杆5转动连接于对应的连杆转轴13上。在本实施例中，车轮主体1内部镂空，可降低车轮整体的重量，同时还便于安装驱动机构2、传动机构3和凸轮4。在具体应用中，连杆转轴13的两端分别穿过第一轮毂11和第二轮毂12，并通过螺栓固定。

请结合图7，在一个实施例中，驱动机构2包括电机支架21和电机22。其中，电机支架21设置于第一轮毂11和第二轮毂12之间，并固定于第一轮毂11上，电机22安装于电机支架21上的电机22，该电机22与第一轮毂11和第二轮毂12垂直，且电机22的输出轴与上述传动机构3连接。在本实施例中，电机22安装于第一轮毂11远离车轮主体1的中心轴的位置，即电机22偏心安装，通过传动机构3输出动力，可避免电机22安装于车轮中心造成与机器人输出轴发生干涉，降低了后续机器人的设计难度。在具体应用中，电机支架21大致呈U字型，电机22收容于电机支架21的内部空间内，电机22的输出轴穿过电机支架21后与传动机构3连接，电机支架21通过螺钉固定于第一轮毂11上，电机22通过螺钉固定于电机支架21远离第一轮毂11的一端上。

请结合图4，在一个实施例中，传动机构3包括主动齿轮31和从动齿轮32。其中，主动齿轮31套设于电机22的输出轴上，且与电机22的输出轴同步转动；从动齿轮32与主动齿轮31啮合，该从动齿轮32与凸轮4的连接轴42连接且同步转动，即从动齿轮32带动凸轮4一起转动。在本实施例中，电机22通过正转或反转驱动齿轮正转或反转，从而带动凸轮4对应正转或反转。优选地，主动齿轮31为部分齿结构，即有一部分主动齿轮31没有齿，以限制凸轮4的转动角度，使得爪式摆杆5在合理范围内张合。可以理解的是，在其它实施例中，传动机构3也可以是同步带或其它齿轮结构。

请结合图9，在一个实施例中，爪式摆杆5远离凸轮4的一端呈圆弧形状。该圆弧形状不仅可以保证爪式摆杆5摆动前车轮的机构为圆形，而且爪式摆杆5受力不与杆壁垂直，车轮越障时可以提高爪式摆杆5的刚度。具体地，请参阅图10，当爪式摆杆5远离凸轮4的一端呈圆弧形状，且爪式摆杆5远离凸轮4的一端的端部受到垂直向上的作用力F时，其可分解为F1和F2；当摆杆远离凸轮4的一端为直线式摆杆，且直线式摆杆的端部受到垂直向上的作用力F时，其可分解为F1’和F2’；由图中可以看出，F1比F1’小，爪式摆杆5的刚度更好。在具体应用中，爪式摆杆5大致呈V字型，其可分成两部分，其中，与凸轮4抵接的一部分为直线式，另一部分为圆弧式，爪式摆杆5的圆弧式部分与连杆转轴13转动连接，多个爪式摆杆5的圆弧式部分可围合形成一个圆。

在一个实施例中，车轮主体1还包括连接于第一轮毂11与第二轮毂12之间且与爪式摆杆5一一对应的多根限位杆14，该限位杆14与连杆转轴13平行，且用于限制爪式摆杆5的转动。在本实施例中，限位杆14位于对应的连杆转轴13的内侧。在具体应用中，限位杆14的两端分别穿过第一轮毂11和第二轮毂12，并通过螺栓固定。

请结合图9，在一个实施例中，爪式摆杆5包括磁铁件51以及紧贴设置于磁铁件51两侧且呈对称分布的轭铁件52，此结构使爪式摆杆5形成闭合的磁路，从而提高磁铁的磁能利用率，增强车轮与导磁壁面的吸附力，同时使爪式摆杆5与铁磁材料的凸轮4始终保持磁吸附力。同时，这种结构能够提高车轮的姿态适应能力，例如可用于垂直壁面、底面等多种工况，请参阅图13，本实施例的爪式机器人越障车轮在导磁壁面可以适应垂直壁面爬行和吸附底面爬行。在具体应用中，爪式摆杆5的圆弧式部分内设置有磁铁件51，而在爪式摆杆5的直线式部分内未设置磁铁件51，可减轻车轮的整体重量。另外，请结合图6，磁铁件51和轭铁件52之间通过空心铆钉6连接。

请结合图4，在一个实施例中，在第一轮毂11和第二轮毂12上沿其周向开设有多个弧形缺口111，该弧形缺口111的数量与爪式摆杆5的数量匹配，并且，该弧度缺口的位置与爪式摆杆5的位置对应。在本实施例中，弧形缺口111可有效地防止车轮在越障时车轮与障碍发生干涉，从而导致车轮卡滞的现象，以进一步提升越障能力。具体请参阅图11和图12，其详细地示意了车轮越障的过程，其中，图12示意了越障车轮在最苛刻的垂直壁面环境下具有较好的越障能力的示意图；图11的状态(1)～(5)还示意了车轮在越障时，凸轮4与爪式摆杆5的相对运动位置。具体地，当车轮处于状态(1)时，爪式摆杆5的一端抵接于凸轮4的凹槽411的一侧壁上；当车轮处于状态(2)时，爪式摆杆5的一端抵接于凹槽411的另一侧壁上；当车轮处于状态(3)时，爪式摆杆5的一端抵接于凹槽411的中心底壁上，此时爪式摆杆5处于半张开状态；当车轮处于状态(4)时，爪式摆杆5的一端抵接于相邻的两个凹槽411之间的连接壁上，此时爪式摆杆5处于完全张开状态；当车轮处于状态(5)时，爪式摆杆5收拢，恢复到状态(1)。

在具体应用中，第一轮毂11和第二轮毂12均呈星形，第一轮毂11和第二轮毂12的相邻两个弧形缺口111之间形成凸起，连杆转轴13的两端分别连接于对应的第一轮毂11和第二轮毂12的凸起上，限位杆14的两端分别连接于对应的第一轮毂11和第二轮毂12的凸起上。

在一个实施例中，本发明的爪式机器人越障车轮包括六个上述爪式摆杆5。相应地，车轮主体1包括六个连杆转轴13和六个限位杆14，凸轮4的主体部41开设有六个凹槽411，第一轮毂11和第二轮毂12分别开设有六个弧形缺口111。在本实施例中，六个爪式摆杆5能够保证车轮可以越过一定高度的障碍，同时可以保证车轮的越障速度，其与足腿式越障机构相比，通过电机22带动齿轮旋转驱动凸轮4摆杆机构，实现六个爪式摆杆5同时摆动一定角度，可以实现车轮形状的自由快速切换。可以理解的是，在其它实施例中，爪式摆杆5的数量也可以是四个、五个或者六个以上，只需保证爪式摆杆5、连杆转轴13、限位杆14、凹槽411和弧形缺口111的数量相同即可。

综上所述，本发明的爪式机器人越障车轮实施的具体过程如下：车轮在平面或小曲率半径曲面上前进时，车轮形状保持圆形，在越障时，安装于电机支架21的电机22带动主动齿轮31旋转一定角度，从动齿轮32与主动齿轮31啮合旋转，从而使固定于从动齿轮32的凸轮4旋转，凸轮4带动爪式摆杆5摆动，从而使爪式摆杆5张开，实现由圆形车轮到爪式车轮的切换。

具体地，本发明的爪式机器人越障车轮的核心机构详细工作过程如下：圆形车轮向爪式车轮变换时，电机22正传驱动传动机构3使从动齿轮32带动凸轮4反转，爪式摆杆5在凸轮4的驱动作用下张开，当爪式摆杆5靠近限位杆14时，电机22停转；爪式车轮向圆形车轮变换时，电机22反传驱动传动机构3使从动齿轮32带动凸轮4正转，爪式摆杆5在凸轮4的驱动作用下闭合，当爪式摆杆5靠近限位杆14时，电机22停转。限位杆14和凸轮4共同对爪式摆杆5起限位和支撑作用，不仅能在结构上限定爪式摆杆5的摆动，而且能有效地提高车轮结构的刚度。

需要指出的是，本发明的凸轮4摆杆结构和爪式摆杆5在满足上述要求时，根据不同的需要可以对材料和结构形式进行相似变换。并且，本发明的设计可以应用于其他专业领域实现越障问题的突破。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种爪式机器人越障车轮，其特征在于，包括：

车轮主体；

驱动机构，设置于所述车轮主体内；

传动机构，设置于所述车轮主体内，所述传动机构的输入端与所述驱动机构的输出端连接；

凸轮，与所述车轮主体同轴设置，所述凸轮与所述传动机构的输出端连接；以及

多个爪式摆杆，沿所述车轮主体的圆周方向均匀布置，所述爪式摆杆转动连接于所述车轮主体上，所述爪式摆杆的一端与所述凸轮抵接，所述爪式摆杆的另一端为自由端。

2.如权利要求1所述的爪式机器人越障车轮，其特征在于，所述凸轮包括：

主体部，呈轴对称设置，所述主体部沿其周向开设有多个与所述爪式摆杆一一对应的凹槽，所述爪式摆杆的一端抵接于所述凹槽的侧壁上；以及

连接轴，与所述主体部固定连接且沿所述车轮主体的轴向设置，所述连接轴与所述传动机构的输出端连接。

3.如权利要求1所述的爪式机器人越障车轮，其特征在于，所述车轮主体包括：

第一轮毂；

第二轮毂，与所述第一轮毂对称设置；以及

多根连杆转轴，用于连接所述第一轮毂和第二轮毂且与所述爪式摆杆一一对应，所述爪式摆杆转动连接于对应的所述连杆转轴上。

4.如权利要求3所述的爪式机器人越障车轮，其特征在于，所述驱动机构包括：

电机支架，设置于所述第一轮毂或第二轮毂之间；以及

电机，安装于所述电机支架上，所述电机的输出轴与所述传动机构连接。

5.如权利要求4所述的爪式机器人越障车轮，其特征在于，所述传动机构包括：

主动齿轮，套设于所述电机的输出轴上；以及

从动齿轮，与所述主动齿轮啮合，所述从动齿轮与所述凸轮连接且同步转动。

6.如权利要求1至5任一项所述的爪式机器人越障车轮，其特征在于，所述爪式摆杆远离所述凸轮的一端呈圆弧形状。

7.如权利要求3至5任一项所述的爪式机器人越障车轮，其特征在于，所述车轮主体还包括连接于所述第一轮毂与第二轮毂之间且与所述爪式摆杆一一对应的多根限位杆，所述限位杆与所述连杆转轴平行。

8.如权利要求1至5任一项所述的爪式机器人越障车轮，其特征在于，所述爪式摆杆包括磁铁件以及紧贴设置于所述磁铁件两侧且呈对称分布的轭铁件。

9.如权利要求3至5任一项所述的爪式机器人越障车轮，其特征在于，所述第一轮毂和第二轮毂沿其周向开设有多个弧形缺口，所述弧形缺口的数量与所述爪式摆杆的数量匹配。

10.如权利要求1至5任一项所述的爪式机器人越障车轮，其特征在于，所述爪式机器人越障车轮包括六个所述爪式摆杆。