CN117262054A - 一种支撑腿及机器人 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种机器人驱动轮上的支撑腿及加装有该支撑腿的机器人，所述支撑腿包括伸缩部、转动连接部和机械脚；所述伸缩部与机器人驱动轮固定连接；所述伸缩部能够沿其轴向方向在限定幅度内伸缩；所述伸缩部和所述机械脚通过所述转动连接部转动连接；所述机械脚能够围绕所述转动连接部在所述机器人驱动轮的平面中在限定幅度内转动。加装了本申请支撑腿的机器人可作为场馆巡逻、工厂巡检、野外勘察等场景，作为搭载平台，完成各种任务。

Description

一种支撑腿及机器人

技术领域

本申请涉及无轨车辆及其零部件，特别涉及一种机器人驱动轮上的支撑腿和加装该支撑腿的机器人。

背景技术

现有技术中已有较多轮式机器人，但是普遍存在复杂地形通过能力不强的问题，难以适应巡逻、巡检等复杂任务。

在野外，主要的复杂地形有：陡坡、石块、土坑、泥泞、沙地等，理想的是，机器人能够通过以上至少一种地形。

发明内容

为解决上述问题，本申请提出了在轮式机器人的驱动轮上加装支撑腿的解决思路。

本申请提供了一种机器人驱动轮上的支撑腿(10)，所述支撑腿(10)包括伸缩部(30)、转动连接部(40)和机械脚(50)；所述伸缩部(30)与机器人驱动轮固定连接；所述伸缩部(30)能够沿其轴向方向伸缩；所述伸缩部(30)和所述机械脚(50)通过所述转动连接部(40)转动连接；所述机械脚(50)能够围绕所述转动连接部(40)在所述机器人驱动轮的平面中转动。

根据本申请实施方式，所述伸缩部(30)包括中杆(32)、弹簧(33)以及与驱动轮连接的外套筒(31)，所述弹簧(33)连接外套筒(31)和机械脚(50)。

根据本申请实施方式，所述外套筒(31)具有上下贯通的内孔(312)，所述中杆(32)的杆体(322)穿过所述内孔(312)并与所述外套筒(31)滑动连接；所述中杆(32)上端具有第一限位装置(321)，所述第一限位装置(321)的径向尺寸大于所述内孔(312)的内径。因此，所述第一限位装置(321)不能进入所述内孔(312)。此种设计能够防止中杆(32)从外套筒(31)中脱出，同时保证支撑腿的抗弯折能力。

根据本申请实施方式，所述中杆(32)的杆体(322)的外形和尺寸与外套筒(31)的内孔(312)相配合。所述杆体(322)和所述内孔(312)的横截面不为圆形。所述杆体(322)和所述内孔(312)的横截面可以是D形、椭圆形、多边形等。采用此种设计，可以防止中杆(32)相对于外套筒(31)转动。

根据本申请实施方式，所述机械脚(50)包括脚掌(510)和设置于所述脚掌(510)上方的上连接部(520)；所述脚掌(510)包括设置于前端的脚尖(511)和设置于后端的脚跟(512)。

根据本申请实施方式，所述中杆(32)的下端设置有与所述机械脚(50)的所述上连接部(520)相配合的下连接部(324)。

根据本申请实施方式，所述脚尖(511)具有圆滑外形，所述脚跟(512)具有多个抓地齿(515)。

根据本申请实施方式，所述下连接部(324)左右两侧为平面，且开设有m个横向的第一通孔(323)；所述m个横向的第一通孔(323)具有相同的直径，且在同一直线上；所述上连接部(520)具有安装架(521)，所述安装架(521)上设有n个横向的第二通孔(522)；所述n个横向的第二通孔(522)具有相同的直径，且在同一直线上；所述转动连接部(40)包括横向设置的转轴(410)，所述转轴(410)穿过m个第一通孔(323)和n个第二通孔(522)；所述第一通孔(323)和所述第二通孔(522)交替排列，且m+n＝3或5。

根据本申请实施方式，所述弹簧(33)的下端连接在机械脚(50)上，能够维持支撑腿的长度，也具有缓冲的作用，同时还能够维持机械脚(50)的形态，保证在未受压力的情况下，所述机械脚(50)基本与中杆(32)垂直。

根据本申请实施方式，所述转轴(410)的第一端和第二端分别设置有第二限位装置(420)和第三限位装置(430)；所述第二限位装置(420)和所述第三限位装置(430)的径向尺寸大于所述第一通孔(323)和所述第二通孔(522)的内径。

根据本申请实施方式，所述第二限位装置(420)与所述转轴(410)是一体成型的。

根据本申请实施方式，在所述转轴(410)的第二端设置有直径小于所述转轴(410)的凹槽(440)，所述第三限位装置(430)卡接在所述凹槽(440)上。

根据本申请实施方式，所述第三限位装置(430)为C形卡扣。在C形卡扣正常卡接的状态下，C形卡扣的开口尽量避免朝向上方，以保证转动连接部(40)与外套筒(31)接触的部分为弧形的结构，从而在弹簧(32)被最大压缩的情况下仍然保持机械脚(50)与伸缩部(30)的相对转动能力。所述C形卡扣具有至少一个形变缺口(434)以增强C形卡扣的形变能力。

根据本申请实施方式，所述机械脚(50)包括脚掌(510)，所述脚掌(510)具有弧形板状形状或船桨形状。

本申请还提供了一种机器人，所述机器人加装了如上所述的支撑腿。

本申请所定义的上、下、前、后、横向、左右两侧的含义为：以机器人驱动轮上着地的支撑腿的姿态为准，机器人前进的方向定义为前，相反方向定义为后，地面方向定义为下，相反方向定义为上，垂直于前进方向的水平轴定义为横向、左右两侧。

本申请提供的技术方案具备以下至少一项有益效果：加装了本申请支撑腿的机器人在水平地面行进时能够减少颠簸，减少能量损失；加装了本申请支撑腿的机器人更适合松软地形、石块、土坑、上坡、上楼梯等场景，具有较强的越障能力。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1是根据本申请实施方式的支撑腿的正视图；

图2是根据本申请实施方式的机械脚的立体图；

图3是根据本申请实施方式的中杆下部的放大视图；

图4是根据本申请实施方式的转动连接部的正视图；

图5是根据本申请实施方式的C形卡扣的立体图；

图6是根据本申请实施方式的转动连接部将伸缩部和机械脚相连接的示意图；

图7示出了加装了根据本申请实施方式的支撑腿的机器人在行进中遇到障碍物时的状态示意图；

图8示出了加装了根据本申请实施方式的支撑腿的机器人在从坑洼中爬出的状态示意图。

图9示出了加装了根据本申请实施方式的支撑腿的机器人在爬坡时的状态示意图；

图10示出了加装了根据本申请实施方式的支撑腿的机器人在爬楼梯时的状态示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施方式对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施方式仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与有关发明相关的部分。

应注意，在本说明书中，第一、第二、第三等的表述仅用于将一个特征与另一个特征区分开来，而不表示对特征的任何限制。因此，在不背离本申请的教导的情况下，下文中讨论的第一限位装置也可被称作第二限位装置。反之亦然。

在附图中，为了便于说明，已稍微调整了部件的厚度、尺寸和形状。附图仅为示例而并非严格按比例绘制。如在本文中使用的，用语“大致”、“大约”以及类似的用语用作表近似的用语，而不用作表程度的用语，并且旨在说明将由本领域普通技术人员认识到的、测量值或计算值中的固有偏差。

还应理解的是，诸如“包括”、“包括有”、“具有”、“包含”和/或“包含有”等表述在本说明书中是开放性而非封闭性的表述，其表示存在所陈述的特征、元件和/或部件，但不排除一个或多个其它特征、元件、部件和/或它们的组合的存在。此外，当诸如“...中的至少一个”的表述出现在所列特征的列表之后时，其修饰整列特征，而非仅仅修饰列表中的单独元件。此外，当描述本申请的实施方式时，使用“可”表示“本申请的一个或多个实施方式”。并且，用语“示例性的”旨在指代示例或举例说明。

除非另外限定，否则本文中使用的所有措辞(包括工程术语和科技术语)均具有与本申请所属领域普通技术人员的通常理解相同的含义。还应理解的是，除非本申请中有明确的说明，否则在常用词典中定义的词语应被解释为具有与它们在相关技术的上下文中的含义一致的含义，而不应以理想化或过于形式化的意义解释。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。另外，除非明确限定或与上下文相矛盾，否则本申请所记载的方法中包含的具体步骤不必限于所记载的顺序，而可以任意顺序执行或并行地执行。下面将参考附图并结合实施方式来详细说明本申请。

图1是根据本申请实施方式的支撑腿的正视图。参考图1，本申请提供的支撑腿10可用于轮式机器人。具体地，本申请提供的支撑腿可加装在轮式机器人的驱动轮60上，并随驱动轮60的转动而转动。图1为了清楚地示出支撑腿的结构，仅绘出了驱动轮60的一个区段。

支撑腿10包括伸缩部30、与伸缩部30连接的转动连接部40以及通过转动连接部40与伸缩部30转动连接的机械脚50。伸缩部30与驱动轮60固定连接，从而将支撑腿10加装在轮式机器人10上。例如，根据本申请实施方式的伸缩部30通过螺栓71和螺栓72固定连接在驱动轮60上。伸缩部30还可通过诸如铆接、焊接等不可拆卸的方式固定连接至驱动轮60上，或者通过诸如卡扣连接等可拆卸的方式固定连接至驱动轮60上。

此外，伸缩部30还可通过转接件间接连接在驱动轮60上。转接件可具有与驱动轮60连接的第一连接部以及与伸缩部30连接的第二连接部。第一连接部的尺寸(例如孔间距、孔径)可以与驱动轮60的预留安装位处的相应连接部的尺寸匹配；第二连接部的尺寸可以与支撑腿10的相应连接部的尺寸匹配。在这种情况下，仅需更换转接件即可为相同的轮式机器人安装不同型号的支撑腿10，从而可以根据不同的路面情况为轮式机器人换装不同的支撑腿10；或者仅需更换转接件即可为不同的轮式机器人安装相同的支撑腿10，从而提升了支撑腿10的通用性。

根据本申请实施方式的伸缩部30能够沿其轴向方向X在限定幅度内伸缩，这为支撑腿10提供了伸缩空间，从而支撑腿10可以根据负载及所触及的路面形状相应地进行伸缩。

伸缩部30和机械脚50通过转动连接部40转动连接，机械脚50能够围绕转动连接部40在驱动轮60所在的平面中在限定幅度内转动。根据本申请实施方式的该项设计，机械脚50可以相对于伸缩部30具有一定的转动自由度。这种转动自由度保证了在驱动轮60转动过程中，机械脚50有更长的时间以及更多的机会与路面保持较大的接触面积，从而增强了抓地力，并进而提升了轮式机器人的通过性。

伸缩部30包括与驱动轮连接的外套筒31、中杆32和弹簧33。外套筒31位于伸缩部30的与驱动轮60相临的一侧并且与驱动轮60固定连接。弹簧33位于外套筒31与机械脚50之间，并且连接外套筒31和机械脚50。

外套筒31具有上下贯通的内孔312。中杆32具有第一限位装置321和杆体322，其中第一限位装置321的径向尺寸大于杆体322的径向尺寸，杆体322的径向尺寸与内孔312的内径相匹配。中杆32的杆体322穿过内孔312并与外套筒31滑动连接，从而实现伸缩部30的伸缩功能。第一限位装置321的径向尺寸大于内孔312的内径，因此，第一限位装置321不能向下穿过内孔312并从外套筒31的下方脱出。

中杆32的杆体322的外形和尺寸与外套筒31的内孔312相配合。中杆32的杆体322的横截面的形状和尺寸与外套筒31的内孔312的横截面的形状和尺寸应大致相同。为了防止中杆32在外套筒31中发生旋转，中杆32的杆体322和内孔312的横截面应当避免采用圆形。中杆32的杆体322和内孔312的横截面可以采用D形、椭圆形、多边形等非圆形状。

图2是根据本申请实施方式的机械脚的立体图，图3是根据本申请实施方式的中杆的下部的放大视图，图4是根据本申请实施方式的转动连接部的正视图。

参见图2，机械脚50包括脚掌510和设置于脚掌510上方的上连接部520。上连接部520具有安装架521，安装架521上设有两个横向的第二通孔522。这两个第二通孔522具有相同的直径，且在同一直线上。脚掌510可以具有大致扁平的形状。可选地，脚掌可具有弧形的板状形状或船桨形状，从而可以帮助机器人在相应路况(甚至于涉水环境)中更好地行进。

参见图3，与上连接部520相对应地，中杆32的下端设置有与机械脚50的上连接部520相配合的下连接部324。下连接部324左右两侧为平面，且开设有一个横向的第一通孔323。

参见图4，转动连接部40包括横向设置的转轴410以及设置在转轴410两端的第二限位装置420和第三限位装置430(具体参见图5和图6)，其中，第二限位装置420和第三限位装置430的径向尺寸大于第一通孔323和第二通孔522的内径。

可选地，第一通孔323的数量可以是m个，并且第二通孔522的数量可以是n个。在连接状态下，第一通孔323和第二通孔522交替排列，且m+n＝3或5。

返回参见图2，脚掌510包括设置于前端的脚尖511和设置于后端的脚跟512。根据本申请实施方式，脚尖511具有圆滑外形，脚跟512具有多个抓地齿515。这种脚掌结构有助于机器人的行动。具体地，返回参见图1，当机器人正向行驶时，驱动轮60顺时针转动，并带动支撑腿10顺时针转动。在这种情况下，脚跟512首先着地。抓地齿515会抓附路面，并为机器人提供向右侧移动的动力。在支撑腿10随驱动轮60进一步转动而即将脱离地面时，脚尖511圆润的形状将降低脱离地面时地面对驱动轮60的阻力。

继续参见图2，在脚掌510上还可设置有固定孔540。通过固定孔540，可以将橡胶垫固定在机械脚50的下方，从而进一步增强机械脚50的抓地力以及支撑腿10的减震性能。橡胶垫底部可以是平滑的，也可以根据应用场景的路面类型设置各种花纹。

为了方便加工等目的，第二限位装置420可以与转轴410一体成型，且具有圆柱形的外形。转轴410的第二端可以设置有直径小于转轴410的凹槽440。

图5是根据本申请实施方式的C形卡扣的立体图。参见图5，第三限位装置430可以是C形卡扣。该C形卡扣可以卡接在凹槽440上从而起到限位作用。C性卡扣430的外圈431的直径大于第一通孔323和第二通孔522的内径，也大于转轴410的外径；C形卡扣430的内圈432的直径与凹槽440的外径大致相同。C形卡扣430具有开口433。

在准备将C形卡扣430卡接在转动连接部40的凹槽440中时，首先将C形卡扣430的开口433按压在凹槽440上，并进一步施加力使C形卡扣430扩张变形。最终C形卡扣430与转动连接部40的凹槽440卡接，并且C形卡扣430的内圈432套接在凹槽440上。为了方便C形卡扣430的变形，C形卡扣430设置有至少一个形变缺口434。

图6是根据本申请实施方式的转动连接部将伸缩部和机械脚相连接的示意图。参见图6，在通过转动连接部40将伸缩部30与机械脚50连接在一起的状态下，转动连接部40的转轴410穿过第一通孔323和第二通孔522，从而将伸缩部30和机械脚50转动地连接在一起。在连接状态下，第一通孔323位于两个第二通孔522之间，此外，第二限位装置420和所述第三限位装置430分别卡在两个第二通孔522的外侧。

图7示出了加装了根据本申请实施方式的支撑腿的机器人在行进中遇到障碍物时的状态示意图。

参见图7，加装了根据本申请实施方式的支撑腿的机器人1在行进中可能遇到碎石70。此时，伸缩部30开始压缩，并且机械脚50相对于伸缩部30发生旋转。由于机械脚50可以通过转动连接部40相对于伸缩部30旋转，因此机械脚50的脚掌510可以与地面形成一定的角度，使得机械脚50的脚跟512仍可以与地面保持接触，而机械脚50的脚掌510中部能够与碎石70相接触。另外，在图中所示的机械脚50前方及后方的机械脚可能仍然与地面保持良好的面接触。

与之形成对比的，在这种路况下，未加装支撑腿的轮式机器人的该驱动轮只能与地面和/或碎石70形成最多两个点接触。因此，加装了根据本申请实施方式的支撑腿的机器人1在复杂路况上的通过能力明显得到了提升。

此外，在松软、泥泞、沙地等路况环境下，由于伸缩部30及可转动连接的机械脚50的存在，加装了根据本申请实施方式的支撑腿的机器人1亦会与路面形成更大面积的接触，从而降低了路面承受的压强，避免或降低了机器人1沉陷在泥沙路面中的风险，增强了机器人1的通过性。

图8-图10示出了加装了根据本申请实施方式的支撑腿的机器人在坑洼路面、上坡路面及爬楼梯时的状态示意图。

参见图8，加装了根据本申请实施方式的支撑腿的机器人在从坑洼中爬出时，在行进方向前方的支撑腿110首先接触坑洼边缘的路面，并且机械脚相对于伸缩部旋转，使得机械脚尽量与坑洼边缘的路面贴合。同时，在行进方向后方的支撑腿210仍然处于坑洼中，机械脚的脚尖处上扬而脚跟向斜下方倾斜，从而尽量保持抓地力。相较于普通轮式机器人，加装了根据本申请实施方式的支撑腿的机器人在从坑洼中爬出时，有更强的抓地力，从而具有更强的脱困能力。

参见图9，加装了根据本申请实施方式的支撑腿的机器人在爬坡时，与地面接触的支撑腿110、210、310的机械脚均根据地形而相应地相对于伸缩部旋转，使得机械脚尽量与路面贴合。相较于普通轮式机器人，加装了根据本申请实施方式的支撑腿的机器人在爬坡时，有更强的抓地力，从而具有更强的爬坡能力。

参见图10，加装了根据本申请实施方式的支撑腿的机器人相较于普通轮式机器人具备更强的爬楼梯能力。在攀爬楼梯时，由于伸缩部及可转动连接的机械脚的存在，机器人可以与台阶形成多点接触甚至于面接触。

此外，由于伸缩部30的存在，加装了根据本申请实施方式的支撑腿的机器人1在复杂路况下的行进会更平稳，因颠簸而损耗的能量较小，这是因为，加装了根据本申请实施方式的支撑腿的机器人1在通过障碍物时的重心的起伏要小于未安装支撑腿的轮式机器人在通过障碍物时的重心的起伏。

虽然本申请实施例仅给出了单个轮子的示例，但是本领域普通技术人员容易理解，本申请提供的支撑腿可以用于单轮、二轮、三轮、四轮、六轮等轮式机器人的驱动，并解决相同或相似的技术问题。本申请的描述是为了示例和描述起见而给出的，而并不是无遗漏的或者将本申请限于所公开的形式。在本申请公开的技术内容的基础上，对本申请的诸多修改和变型对于本领域的普通技术人员而言将会是显而易见的。选择和描述实施方式是为了更好说明本申请的原理和实际应用，并且使本领域的普通技术人员能够理解本申请从而设计适于特定用途的带有各种修改的各种实施方式。

Claims (15)

1.一种机器人驱动轮上的支撑腿，其特征在于，

所述支撑腿(10)包括伸缩部(30)、转动连接部(40)和机械脚(50)；

所述伸缩部(30)与机器人驱动轮固定连接；

所述伸缩部(30)能够沿其轴向方向伸缩；

所述伸缩部(30)和所述机械脚(50)通过所述转动连接部(40)转动连接；

所述机械脚(50)能够围绕所述转动连接部(40)在所述机器人驱动轮的平面中转动。

2.根据权利要求1所述的支撑腿，其特征在于，

在所述伸缩部(30)与所述机器人驱动轮之间还设置转接件，所述伸缩部(30)与所述机器人驱动轮通过所述转接件进行间接固定连接。

3.根据权利要求1所述的支撑腿，其特征在于，

所述伸缩部(30)包括中杆(32)、弹簧(33)以及与所述机器人驱动轮连接的外套筒(31)，所述弹簧(33)连接所述外套筒(31)和所述机械脚(50)。

4.根据权利要求3所述的支撑腿，其特征在于，

所述外套筒(31)具有上下贯通的内孔(312)，所述中杆(32)的杆体(322)穿过所述内孔(312)并与所述外套筒(31)滑动连接；所述中杆(32)的上端具有第一限位装置(321)，所述第一限位装置(321)的径向尺寸大于所述内孔(312)的内径。

5.根据权利要求3所述的支撑腿，其特征在于，

所述外套筒(31)具有上下贯通的内孔(312)，所述中杆(32)的杆体(322)的外形和尺寸与所述内孔(312)的外形和尺寸相配合；

所述杆体(322)和所述内孔(312)的横截面不为圆形。

6.根据权利要求3所述的支撑腿，其特征在于，所述机械脚(50)包括脚掌(510)和设置于所述脚掌(510)上方的上连接部(520)；所述脚掌(510)包括设置于前端的脚尖(511)和设置于后端的脚跟(512)。

7.根据权利要求6所述的支撑腿，其特征在于，所述中杆(32)的下端设置有与所述机械脚(50)的所述上连接部(520)相配合的下连接部(324)。

8.根据权利要求6所述的支撑腿，其特征在于，所述脚尖(511)具有圆滑外形，所述脚跟(512)具有多个抓地齿(515)。

9.根据权利要求7所述的支撑腿，其特征在于，

所述下连接部(324)左右两侧为平面，且开设有m个横向的第一通孔(323)；所述m个横向的第一通孔(323)具有相同的直径，且在同一直线上；

所述上连接部(520)具有安装架(521)，所述安装架(521)上设有n个横向的第二通孔(522)；所述n个横向的第二通孔(522)具有相同的直径，且在同一直线上；

所述转动连接部(40)包括横向设置的转轴(410)，所述转轴(410)穿过所述m个第一通孔(323)和所述n个第二通孔(522)；

所述第一通孔(323)和所述第二通孔(522)交替排列，且m+n＝3或5。

10.根据权利要求9所述的支撑腿，其特征在于，

所述转轴(410)的第一端和第二端分别设置有第二限位装置(420)和第三限位装置(430)；所述第二限位装置(420)和所述第三限位装置(430)的径向尺寸大于所述第一通孔(323)和所述第二通孔(522)的内径。

11.根据权利要求10所述的支撑腿，其特征在于，所述第二限位装置(420)与所述转轴(410)是一体成型的；

在所述转轴(410)的第二端设置有直径小于所述转轴(410)的凹槽(440)，所述第三限位装置(430)卡接在所述凹槽(440)上。

12.根据权利要求11所述的支撑腿，其特征在于，所述第三限位装置(430)为C形卡扣。

13.根据权利要求12所述的支撑腿，其特征在于，所述C形卡扣具有至少一个形变缺口(434)。

14.根据权利要求1所述的支撑腿，其特征在于，所述机械脚(50)包括脚掌(510)，所述脚掌(510)具有弧形板状形状或船桨形状。

15.一种机器人，其特征在于，所述机器人加装了根据权利要求1-14中任一项所述的支撑腿。