CN114771683B - 一种可变构的机器人轮足 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可变构的机器人轮足，行走圆盘和变形圆盘同轴连接且一侧接触，腿爪的一端活动安装于变形圆盘和行走圆盘上，且腿爪位于行走圆盘上远离变形圆盘的一侧，相邻的腿爪之间通过连接杆活动连接，腿爪围绕行走圆盘的周向设置，变形圆盘能够与第一驱动机构同轴连接，并在第一驱动机构的带动下相对于行走圆盘转动，以使变形圆盘带动腿爪转动至腿爪的自由端回缩，且行走圆盘和变形圆盘的外周用于接触地面，或使变形圆盘带动腿爪转动至腿爪的自由端张开，且腿爪的自由端用于接触地面，行走圆盘能够与第二驱动机构同轴连接，并在第二驱动机构的带动下与变形圆盘同步转动。该可变构的机器人轮足具有较好的地形适应能力，同时结构更加简单。

Description

一种可变构的机器人轮足

技术领域

本发明涉及机器人行走技术领域，具体是涉及一种可变构的机器人轮足。

背景技术

全地形移动平台具有机动性能好、环境适应性强等优点，广泛应用在地质勘探、精准农业和航天探测等领域。由于工作环境相对恶劣，全地形车需要配备优良的行驶机构，才能满足在不同道路下的机动性能要求。目前，全地形车的行驶系统大致分为四类：轮式、履带式、轮履式和轮腿式。不同结构的行驶机构具有不同的性能，所带来的优缺点也不相同。

轮式全地形车具有自重轻、承载能强，结构简单、易于控制等优点，但其转弯半径大，地形适应能力差；

履带式全地形车接地面积大、接地比压小、转弯半径小，能够实现原地转向，但其质量和体积较大、能耗较高、速度有限；

轮履式全地形车结合了轮式与履带式的优点，能够以两种运动方式行驶，但能耗高仍是制约它发展及应用的因素；

轮足式全地形车腿部机构具有较强的地形适应性、敏捷性和避障性能，轮部机构简单、易于控制，能够高效率通过崎岖道路，并能在道路平坦时快速行驶，同时能耗也处于较低水平。但目前轮足式变形机器人大多都是将轮进行分割、变形后得到腿足，需要复杂的机构设计以及精密的加工技术，此外对材料的强度要求较高。

发明内容

本发明的目的是提供一种可变构的机器人轮足，以解决上述现有技术存在的问题，具有较好的地形适应能力，同时结构更加简单。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明提供了一种可变构的机器人轮足，包括行走圆盘、变形圆盘、多个腿爪和多个连接杆，所述行走圆盘和所述变形圆盘同轴连接且一侧接触，所述腿爪的一端活动安装于所述变形圆盘和所述行走圆盘上，且所述腿爪位于所述行走圆盘上远离所述变形圆盘的一侧，相邻的所述腿爪之间通过所述连接杆活动连接，所述腿爪围绕所述行走圆盘的周向设置，所述变形圆盘能够与第一驱动机构同轴连接，并在所述第一驱动机构的带动下相对于所述行走圆盘转动，以使所述变形圆盘带动所述腿爪转动至所述腿爪的自由端回缩，且所述行走圆盘和所述变形圆盘的外周用于接触地面，或使所述变形圆盘带动所述腿爪转动至所述腿爪的自由端张开，且所述腿爪的自由端用于接触地面，所述行走圆盘能够与第二驱动机构同轴连接，并在所述第二驱动机构的带动下与所述变形圆盘同步转动。

优选地，所述行走圆盘和所述变形圆盘的中部通过连接轴连接，且所述连接轴的一端设有第一环形台阶，另一端设有第一卡簧，所述第一环形台阶和所述第一卡簧用于对所述行走圆盘和所述变形圆盘在平行于所述连接轴的方向上限位，所述第二驱动机构带动所述行走圆盘转动时，所述行走圆盘和所述变形圆盘能够在摩擦力的作用下同步转动。

优选地，所述行走圆盘上开设有多个直线长孔，所述直线长孔围绕所述行走圆盘的中心设置，且所述直线长孔的一端靠近所述行走圆盘的中心，另一端向远离所述行走圆盘的方向延伸；所述变形圆盘上开设有多个弧形长孔，所述弧形长孔围绕所述变形圆盘的中心设置，且所述弧形长孔的一端靠近所述变形圆盘的中心，另一端向远离所述变形圆盘的中心的方向延伸；一个所述腿爪对应一个所述直线长孔和一个所述弧形长孔，且所述腿爪通过转动件转动安装于所述直线长孔内和所述弧形长孔内，所述第一驱动机构驱动、所述第二驱动机构锁死时，所述变形圆盘相对于所述行走圆盘转动，并使得所述转动件沿所述直线长孔往复移动，以及沿所述弧形长孔往复移动，且所述转动件带动所述连接杆动作，并使所述连接杆带动所述腿爪转动至所述腿爪的自由端回缩或张开。

优选地，所述腿爪为三个，且所述腿爪为y型，包括第一分支段、第二分支段和主段，所述第一分支段和所述第二分支段均固定于所述主段的一端，且所述第二分支段与所述主段位于同一直线上，所述第一分支段通过所述转动件与所述直线长孔和所述弧形长孔连接，所述主段上远离所述第一分支段的一端为所述腿爪的自由端，相邻的两个所述腿爪之间，其中一个所述腿爪的所述第一分支段与所述连接杆的一端转动连接，另一个所述腿爪的所述第二分支段与所述连接杆的另一端转动连接。

优选地，所述主段上远离所述第一分支段的一端弯曲形成所述腿爪的自由端，且所述腿爪转动至回缩时，所述腿爪的自由端与所述行走圆盘的部分外缘弧形一致。

优选地，所述连接杆包括两个直线段和一个弧形段，两个所述直线段分别固定在所述弧形段的两端，两个所述直线段上远离所述弧形段的一端分别转动连接相邻的两个所述腿爪的所述第一分支段或所述第二分支段，且连接完成后，所述弧形段的中部向远离所述行走圆盘的中心的方向外凸。

优选地，所述转动件为转轴，且所述转轴的一端设有第二环形台阶，所述转轴的另一端设有第二卡簧，所述第二环形台阶和所述第二卡簧用于对所述连接杆和所述变形圆盘在平行于所述转轴的方向上限位。

优选地，所述第一驱动机构为舵机，所述第二驱动机构为电机。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

本发明提供的可变构的机器人轮足，腿爪的一端活动安装于变形圆盘和行走圆盘上，且腿爪位于行走圆盘上远离变形圆盘的一侧，相邻的腿爪之间通过连接杆活动连接，腿爪围绕行走圆盘的周向设置，变形圆盘能够与第一驱动机构同轴连接，并在第一驱动机构的带动下相对于行走圆盘转动，以使变形圆盘带动腿爪转动至腿爪的自由端回缩，即腿爪上远离行走圆盘中心的一端回缩至行走圆盘所覆盖的范围内，且行走圆盘和变形圆盘的外周用于接触地面，腿爪的自由端不接触地面，通过第二驱动机构带动行走圆盘和变形圆盘同步转动，进而实现滚动行走，或使变形圆盘带动腿爪转动至腿爪的自由端张开，即腿爪的自由端伸出行走圆盘所覆盖范围，且腿爪的自由端用于接触地面，进而通过腿爪将行走圆盘和变形圆盘支起，支起后在第二驱动机构的带动下，实现腿爪、行走圆盘和变形圆盘的同步旋转，以通过腿爪翻越障碍或台阶，行走圆盘能够与第二驱动机构同轴连接，并在第二驱动机构的带动下与变形圆盘同步转动，实现行走和翻越障碍的功能，且整体结构简单，地形适应能力好。

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是本发明提供的可变构的机器人轮足(变形完成)的结构示意图；

图2是图1的主视图；

图3是本发明提供的可变构的机器人轮足(变形前)的结构示意图；

图4是本发明中行走圆盘的结构示意图；

图5是本发明中变形圆盘的结构示意图；

图6是本发明中腿爪的结构示意图；

图7是本发明中连接杆的结构示意图；

图8是本发明中转轴的结构示意图；

图中：100-可变构的机器人轮足，1-行走圆盘，2-变形圆盘，3-腿爪，4-连接杆，5-转动件，6-弧形长孔，7-直线长孔，8-弧形段，9-直线段，10-主段，11-第一分支段，12-第二分支段。

具体实施方式

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。

本发明的目的是提供一种可变构的机器人轮足，以解决现有的机器人行走机构结构复杂、地形适应能力差的技术问题。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1-图8所示，本发明提供一种可变构的机器人轮足100，包括行走圆盘1、变形圆盘2、多个腿爪3和多个连接杆4，行走圆盘1和变形圆盘2同轴连接且一侧接触，腿爪3的一端活动安装于变形圆盘2和行走圆盘1上，且腿爪3位于行走圆盘1上远离变形圆盘2的一侧，相邻的腿爪3之间通过连接杆4活动连接，腿爪3围绕行走圆盘1的周向设置，保证顺利翻越障碍，以及翻越障碍时的稳定性，变形圆盘2能够与第一驱动机构同轴连接，并在第一驱动机构的带动下相对于行走圆盘1转动，以使变形圆盘2带动腿爪3转动至腿爪3的自由端回缩，即腿爪3上远离行走圆盘1中心的一端回缩至行走圆盘1所覆盖的范围内，且行走圆盘1和变形圆盘2的外周用于接触地面，腿爪3的自由端不接触地面，通过第二驱动机构带动行走圆盘1和变形圆盘2同步转动，进而实现滚动行走，或使变形圆盘2带动腿爪3转动至腿爪3的自由端张开，即腿爪3的自由端伸出行走圆盘1所覆盖范围，且腿爪3的自由端用于接触地面，进而通过腿爪3将行走圆盘1和变形圆盘2支起，支起后在第二驱动机构的带动下，实现腿爪3、行走圆盘1和变形圆盘2的同步旋转，以通过腿爪3翻越障碍或台阶，行走圆盘1能够与第二驱动机构同轴连接，并在第二驱动机构的带动下与变形圆盘2同步转动，实现行走和翻越障碍的功能，且整体结构简单，地形适应能力好。

具体地，行走圆盘1和变形圆盘2的中部通过连接轴连接，保证行走圆盘1和变形圆盘2能够发生相对转动，以实现腿爪3的变形功能，且在变形时，第二驱动机构锁死，通过第一驱动机构提供驱动力，使变形圆盘2转动相应的角度控制变形，也就是说变形过程中车体不动，只有第一驱动机构工作，连接轴的一端设有第一环形台阶，另一端设有第一卡簧，第一环形台阶和第一卡簧用于对行走圆盘1和变形圆盘2在平行于连接轴的方向上限位，进而避免行走圆盘1和变形圆盘2相互脱离，即，将行走圆盘1和变形圆盘2限位于第一环形台阶和第一卡簧之间，第二驱动机构带动行走圆盘1转动时，行走圆盘1和变形圆盘2能够在摩擦力的作用下同步转动，进而实现滚动行走，且在滚动行走时，第一驱动机构通电，但是没有pwm输出，即第一驱动机构不产生驱动力，相对于变形圆盘2不发生相对转动，此时通过第二驱动机构提供驱动力，控制车体的运动(即，此时车体和普通的四驱小车相同)。

如图4所示，行走圆盘1上开设有多个直线长孔7，直线长孔7围绕行走圆盘1的中心设置，且直线长孔7的一端靠近行走圆盘1的中心，另一端向远离行走圆盘1的方向延伸，即直线长孔7呈放射状设置，进而使用直线长孔7提供直线导轨的功能；如图5所示，变形圆盘2上开设有多个弧形长孔6，弧形长孔6围绕变形圆盘2的中心设置，且弧形长孔6的一端靠近变形圆盘2的中心，另一端向远离变形圆盘2的中心的方向延伸，使用弧形长孔6提供弧形导轨的功能，通过弧形长孔6、直线长孔7、腿爪3和连接杆4的配合，进而便于实现变形；一个腿爪3对应一个直线长孔7和一个弧形长孔6，且腿爪3通过转动件5转动安装于直线长孔7内和弧形长孔6内，第一驱动机构驱动、第二驱动机构锁死时，变形圆盘2相对于行走圆盘1转动，并使得转动件5沿直线长孔7往复移动，以及沿弧形长孔6往复移动，且转动件5带动连接杆4动作，并使连接杆4带动腿爪3转动至腿爪3的自由端回缩或张开，以实现变形功能，便于在遇到障碍或台阶时，通过腿爪3的变形来翻越障碍或台阶，以及在平坦路面时，将腿爪3收起，直接通过轮式移动，来提高移动速度。

如图6所示，腿爪3为三个，连接杆4、直线长孔7、弧形长孔6和转动件5均为三个，且腿爪3为y型，包括第一分支段11、第二分支段12和主段10，第一分支段11和第二分支段12均固定于主段10的一端，且第二分支段12与主段10位于同一直线上，与字母“y”形状一致，第一分支段11通过转动件5与直线长孔7和弧形长孔6连接，主段10上远离第一分支段11的一端为腿爪3的自由端，相邻的两个腿爪3之间，其中一个腿爪3的第一分支段11与连接杆4的一端转动连接，另一个腿爪3的第二分支段12与连接杆4的另一端转动连接，进而保证在变形圆盘2转动时，各腿爪3和各连接杆4之间相互作用，以使腿爪3回收或张开。

主段10上远离第一分支段11的一端弯曲形成腿爪3的自由端，且腿爪3转动至回缩时，腿爪3的自由端与行走圆盘1的部分外缘弧形一致，以使得腿爪3完全收缩在圆盘所限制的范围内，且实际上在正常行走过程中，可通过腿爪3的自由端、行走圆盘1和变形圆盘2同时接触地面，提高行走稳定性。

如图7所示，连接杆4包括两个直线段9和一个弧形段8，两个直线段9分别固定在弧形段8的两端，两个直线段9上远离弧形段8的一端分别转动连接相邻的两个腿爪3的第一分支段11或第二分支段12，且连接完成后，弧形段8的中部向远离行走圆盘1的中心的方向外凸，进而避免在腿爪3收缩时，腿爪3与连接杆4中部互相干涉，而影响腿爪3的正常收缩。

如图8所示，转动件5为转轴，且转轴的一端设有第二环形台阶，转轴的另一端设有第二卡簧，第二环形台阶和第二卡簧用于对连接杆4和变形圆盘2在平行于转轴的方向上限位，转动件5依次贯穿弧形长孔6、直线长孔7、第一分支段11和连接杆4，进而避免各元件之间相互脱离，即，将行走圆盘1、变形圆盘2、第一分支段11和连接杆4限位于第二环形台阶和第二卡簧之间。

第一驱动机构为舵机，通过舵机提供变形驱动力，第二驱动机构为电机，通过电机提供行走驱动力。

当需要翻越障碍或台阶时，电机锁死，舵机提供驱动力，带动变形圆盘2相对于行走圆盘1转动，且转动件5在弧形长孔6内自变形圆盘2的中心向外边缘移动，同时转动件5还在直线长孔7内自行走圆盘1的中心向外边缘移动，在此移动过程中，三个连接杆4逐渐向相互远离的方向作曲线移动(且此时连接杆4与腿爪3之间能够发生相对转动)，并带动主段10逐渐转动至展开，即三个主段10逐渐远离，以使腿爪3的自由端能够伸出变形圆盘2，以用于跨越障碍或台阶，最终状态如图1和图2；

当跨越障碍完成并需要在平坦路面行驶时，电机锁死，舵机提供反向驱动力，带动变形圆盘2相对于行走圆盘1转动，且转动件5在弧形长孔6内自变形圆盘2的外边缘向中心移动，同时转动件5还在直线长孔7内自行走圆盘1的外边缘向中心移动，进而通过连接杆4和腿爪3的移动，实现腿爪3的回缩，以便于正常轮式行走，最终状态如图3。

本说明书中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (7)

1.一种可变构的机器人轮足，其特征在于：包括行走圆盘、变形圆盘、多个腿爪和多个连接杆，所述行走圆盘和所述变形圆盘同轴连接且一侧接触，所述腿爪的一端活动安装于所述变形圆盘和所述行走圆盘上，且所述腿爪位于所述行走圆盘上远离所述变形圆盘的一侧，相邻的所述腿爪之间通过所述连接杆活动连接，所述腿爪围绕所述行走圆盘的周向设置，所述变形圆盘能够与第一驱动机构同轴连接，并在所述第一驱动机构的带动下相对于所述行走圆盘转动，以使所述变形圆盘带动所述腿爪转动至所述腿爪的自由端回缩，且所述行走圆盘和所述变形圆盘的外周用于接触地面，或使所述变形圆盘带动所述腿爪转动至所述腿爪的自由端张开，且所述腿爪的自由端用于接触地面，所述行走圆盘能够与第二驱动机构同轴连接，并在所述第二驱动机构的带动下与所述变形圆盘同步转动；

所述行走圆盘上开设有多个直线长孔，所述直线长孔围绕所述行走圆盘的中心设置，且所述直线长孔的一端靠近所述行走圆盘的中心，另一端向远离所述行走圆盘的方向延伸；

所述变形圆盘上开设有多个弧形长孔，所述弧形长孔围绕所述变形圆盘的中心设置，且所述弧形长孔的一端靠近所述变形圆盘的中心，另一端向远离所述变形圆盘的中心的方向延伸；

一个所述腿爪对应一个所述直线长孔和一个所述弧形长孔，且所述腿爪通过转动件转动安装于所述直线长孔内和所述弧形长孔内，所述第一驱动机构驱动、所述第二驱动机构锁死时，所述变形圆盘相对于所述行走圆盘转动，并使得所述转动件沿所述直线长孔往复移动，以及沿所述弧形长孔往复移动，且所述转动件带动所述连接杆动作，并使所述连接杆带动所述腿爪转动至所述腿爪的自由端回缩或张开。

2.根据权利要求1所述的可变构的机器人轮足，其特征在于：所述行走圆盘和所述变形圆盘的中部通过连接轴连接，且所述连接轴的一端设有第一环形台阶，另一端设有第一卡簧，所述第一环形台阶和所述第一卡簧用于对所述行走圆盘和所述变形圆盘在平行于所述连接轴的方向上限位，所述第二驱动机构带动所述行走圆盘转动时，所述行走圆盘和所述变形圆盘能够在摩擦力的作用下同步转动。

3.根据权利要求1所述的可变构的机器人轮足，其特征在于：所述腿爪为三个，且所述腿爪为y型，包括第一分支段、第二分支段和主段，所述第一分支段和所述第二分支段均固定于所述主段的一端，且所述第二分支段与所述主段位于同一直线上，所述第一分支段通过所述转动件与所述直线长孔和所述弧形长孔连接，所述主段上远离所述第一分支段的一端为所述腿爪的自由端，相邻的两个所述腿爪之间，其中一个所述腿爪的所述第一分支段与所述连接杆的一端转动连接，另一个所述腿爪的所述第二分支段与所述连接杆的另一端转动连接。

4.根据权利要求3所述的可变构的机器人轮足，其特征在于：所述主段上远离所述第一分支段的一端弯曲形成所述腿爪的自由端，且所述腿爪转动至回缩时，所述腿爪的自由端与所述行走圆盘的部分外缘弧形一致。

5.根据权利要求3所述的可变构的机器人轮足，其特征在于：所述连接杆包括两个直线段和一个弧形段，两个所述直线段分别固定在所述弧形段的两端，两个所述直线段上远离所述弧形段的一端分别转动连接相邻的两个所述腿爪的所述第一分支段或所述第二分支段，且连接完成后，所述弧形段的中部向远离所述行走圆盘的中心的方向外凸。

6.根据权利要求3所述的可变构的机器人轮足，其特征在于：所述转动件为转轴，且所述转轴的一端设有第二环形台阶，所述转轴的另一端设有第二卡簧，所述第二环形台阶和所述第二卡簧用于对所述连接杆和所述变形圆盘在平行于所述转轴的方向上限位。

7.根据权利要求1所述的可变构的机器人轮足，其特征在于：所述第一驱动机构为舵机，所述第二驱动机构为电机。