CN210083392U - 一种全地形行走攀爬机构 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种全地形行走攀爬机构，包括一个以上的行走关节，行走关节之间依次活动式连接；所述的行走关节包括：支架，支架包括安装套以及多个均匀分布于安装套周围的安装壁，其中，安装壁的前端固定在安装套侧壁上；传动机构，包括传动轴，传动轴穿过所述的安装套，且在传动轴与安装套之间设置轴承；位于安装套后侧的传动轴上套装有蜗杆，在每一个安装壁上均设置有与所述蜗杆配合的蜗轮；行走机构，包括行走足和连接件。本实用新型每个行走关节具有独立的自由度，借助简单的控制单元来实现每个行走关节的扭转并改变行走的角度，提高对地形的适应能力，提高灵活性，可应用在各种装置或机器人上，实现全地形的行走或攀爬。

Description

一种全地形行走攀爬机构

技术领域

本实用新型涉及仿生机器人领域，具体涉及一种仿蛇形类行走的全地形行走攀爬机构，具有更好的地形适应能力以及灵活性。

背景技术

生物蛇无需驱动足，仅仅依靠自身体态的变化就能在障碍物众多、凹凸不平的环境下行走自如。蛇的这个特性引起了科技工作者的关注，不断有仿蛇机器人研究的报道，然而当前仿蛇机器人的变体运动研究大多集中于运动平面内，机器人通过体态变化及界面的摩擦力来实现系统的运动。以适应恶劣环境或人力所限、人所不及的环境下作业的需要，比如地震后对受灾地区的勘察、寻找幸存者、核电站中反应炉的清理、煤气管道内部的在线检测等。

仿生蛇结构具有以下优点：超多自由度使其具有柔软的特性，能够充分适应地形；可以将体重平均分配到支撑面上；可以保持低重心，具有超高稳定性；

其缺点：由于其具有超高自由度，在控制上需要更多的驱动能力和控制能力；其串联结构和爬行的特点，决定其无法完成携带物体操作的任务；无法有效解决能量供给问题；爬行速度相比较其他机构较低。

现在国内外对于蛇类的仿生都有研究，运动形态主要分为蠕动式和蛇形蜿蜒，但是都存在不足。蠕动式速度较慢且相对于蛇的模仿效果不佳；蛇形蜿蜒大多在机器人上加装轮子帮助运动，只能在水泥地等较为平整的地方运动，不能适应复杂多变的地形。

发明内容

本实用新型的目的是提供一种结构简单，便于控制的全地形行走攀爬机构，能够更为轻松和灵活地在各种地形上行走和攀爬。

为了实现上述任务，本实用新型采用以下技术方案：

一种全地形行走攀爬机构，包括一个以上的行走关节，行走关节之间依次活动式连接；所述的行走关节包括：

支架，支架包括安装套以及多个均匀分布于安装套周围的安装壁，其中，安装壁的前端固定在安装套侧壁上；

传动机构，包括传动轴，传动轴穿过所述的安装套，且在传动轴与安装套之间设置轴承；位于安装套后侧的传动轴上套装有蜗杆，在每一个安装壁上均设置有与所述蜗杆配合的蜗轮；

行走机构，包括行走足和连接件，在行走足的表面上取不同两处位置记为A、 B，所述连接件上三处不同位置分别记为C、D、E，则C位置与A位置之间、D 位置与B位置之间分别通过第一连杆活动式连接；E位置上活动式连接第二连杆的后端，第二连杆的前端连接一根弧形第三连杆的后端，连接处记为F位置；第三连杆的前端活动式连接于所述的B位置；

所述的F位置活动式连接于所述蜗轮的轮面上，D位置活动式连接在安装壁的后端。

进一步地，所述的安装壁包括第一壁板、第二壁板和第三壁板，其中，第一壁板前端固定在所述安装套上，第二壁板的前端连接在第一壁板后端，第三壁板的前端连接在第二壁板后端的侧面，第一壁板、第二壁板之间的夹角为钝角；

自第一壁板与第二壁板连接位置内侧边缘处开孔，开孔位置记为G位置；自第三壁板后端开孔，开孔位置记为H位置。

进一步地，所述的行走足包括足板与安装板，其中足板为三角形结构，在其一个端点处开孔，该位置为所述的B位置，位于B位置相邻的一个角的两侧对称固定有一对所述的安装板；所述的A位置位于其中一个安装板表面，在A位置处向另一个安装板开孔，以形成同轴的两个孔。

进一步地，所述的连接件包括第一连接板、第二连接板以及第三连接板，其中第二连接板位于第一连接板前端侧面，第三连接板位于第二连接板前端侧面，所述的C位置、D位置、E位置分别位于第一连接板、第二连接板以及第三连接板上，并在这三个位置分别开孔。

进一步地，所述的第二连杆两端、第三连杆两端均开孔；所述的第一连杆设置两对，每一根第一连杆两端均开孔；其中一对第一连杆前端的孔分别与所述A 位置处一对安装板上的孔铰接，后端的孔则分别铰接在所述C位置处开孔的两侧；另外一对第一连杆前端的孔分别铰接在B位置处孔的两侧，并与所述的第三连杆前端的孔同轴铰接，后端的孔则分别铰接在D位置的两侧；

所述的蜗轮的轮轴安装在G位置处的孔中，连接件上D位置处的孔与安装壁上的H位置同轴连接。

进一步地，相邻的行走关节之间通过万向联轴器活动式连接；其中，万向联轴器安装在前一个行走关节上传动轴的后端以及后一个行走关节上传动轴的前端。

进一步地，在相邻的行走关节之间还设置有角度调节机构，包括：

对应设置在相邻行走关节支架上的舵机架，每个舵机架的前侧、后侧均设置有翼板；

每个舵机架中安装有舵机，舵机的输出轴上安装有舵机臂；

在前一个行走关节上舵机臂上与后一个行走关节舵机架前侧的翼板之间设置有调节拉杆，调节拉杆与舵机臂、翼板连接处采用球头关节。

本实用新型具有以下技术特点：

1.本方案在完成仿蛇类行走机构上，着重关注仿生运动机构对蛇运动机理的还原度；本方案使用更简洁的机械结构来实现仿蛇类行走。

2.本方案针对仿蛇类运动机理，设计了一种连杆机构及相对应的机械行走关节。每一行走关节通过万向联轴器联接，可以由任意个数的行走关节串联而成，每个行走关节具有独立的自由度，使整个机构具有更高的自由度，对地形适应能力更强。姿态控制方面借助简单的控制单元来实现每个行走关节的扭转并改变行走的角度，提高对地形的适应能力，提高灵活性，可应用在各种装置或机器人上，实现全地形的行走或攀爬。

附图说明

图1的(a)为支架的整体结构示意图，(b)为支架结构的正视图；

图2为下三角的结构示意图；

图3为上三角的结构示意图；

图4为上连杆的结构示意图；

图5为下连杆的结构示意图；

图6为蜗轮结构示意图；

图7为小连杆结构示意图；

图8为舵机臂结构示意图；

图9的(a)为单曲柄双摆杆并联平行四杆机构的整体结构示意图，(b)为单曲柄双摆杆并联平行四杆机构的正视图；

图10为爪子的结构示意图；

图11的(a)为单个关节的结构示意图，(b)为单个关节的结构右视图，(c)为单个关节结构的正视图；

图12的(a)为三个关节连接的右视图，(b)为三个关节连接的整体结构示意图；

图中：1支架，101安装套，102安装壁，1021第一壁板，1022第二壁板， 1023第三壁板，2行走足，201足板，202安装板，3连接件，301第一连接板， 302第二连接板，303第三连接板，4第二连杆，5第三连杆，6蜗轮，7第一连杆，8舵机臂，9轴承，10蜗杆，11传动轴，12舵机架，13舵机，14翼板，15 球头关节，16调位拉杆，17万向联轴器。

具体实施方式

本实用新型公开了一种全地形行走攀爬机构，包括一个以上的行走关节，行走关节之间依次活动式连接；本方案中，一个行走关节即为一个行动单元，可根据实际需要设置行走关节的数量；每一个行走关节的结构相同。

所述的行走关节包括：

支架1，支架1包括安装套101以及多个均匀分布于安装套101周围的安装壁102，其中，安装壁102的前端固定在安装套101侧壁上。其中，安装套101 为空心的圆管套，本实施例中在其周围每间隔90°布设一个安装壁102。如图1 的(a)、(b)所示，所述的安装壁102包括第一壁板1021、第二壁板1022和第三壁板1023，其中，第一壁板1021前端固定在所述安装套101上，第二壁板1022 的前端连接在第一壁板1021后端，第一壁板1021、第二壁板1022位于同一平面；第三壁板1023的前端连接在第二壁板1022后端的侧面，第一壁板1021、第二壁板1022之间的夹角为钝角；

自第一壁板1021与第二壁板1022连接位置内侧边缘处开孔，开孔位置记为 G位置；自第三壁板1023后端开孔，开孔位置记为H位置。

传动机构，包括传动轴11，传动轴11穿过所述的安装套101，且在传动轴 11与安装套101之间设置轴承9；位于安装套101后侧的传动轴11上套装有蜗杆10，在每一个安装壁102上均设置有与所述蜗杆10配合的蜗轮6。传动轴11 用于实现动力传递，而蜗轮6蜗杆10配合则将传动轴11传递的动力转化为行走动力。每一个行走关节中有一个传动轴11，相邻的行走关节之间通过万向联轴器17活动式连接；其中，万向联轴器17安装在前一个(为便于表述，相邻的行走关节一个记为前一个，另一个记为后一个)行走关节上传动轴11的后端以及后一个行走关节上传动轴11的前端，以实现相邻行走关节之间的活动式连接；通过万向联轴器17将后一个行走关节传动轴11传递来的动力向前依次传递给每一个行走关节；本方案中，蜗杆10内部中空，传动轴11穿过蜗杆10中部并使二者固结，则传动轴11旋转时带动蜗杆10旋转。本方案在实际使用时，只需要在最后一个传动机构的后部设置动力机构，例如电动机，则可利用该电动机驱动所有行走关节运动。

行走机构在每一个安装壁102上设置一个，包括行走足2和连接件3，在行走足2的表面上取不同两处位置记为A、B，所述连接件3上三处不同位置分别记为C、D、E，则C位置与A位置之间、D位置与B位置之间分别通过第一连杆7活动式连接；E位置上活动式连接第二连杆4的后端，第二连杆4的前端连接一根弧形第三连杆5的后端，连接处记为F位置；第三连杆5的前端活动式连接于所述的B位置；所述的F位置活动式连接于所述蜗轮6的轮面上，D位置活动式连接在安装壁102的后端。

如图2至图9所示，具体地：

行走足2包括足板201与安装板202，其中足板201为三角形结构，在其一个端点处开孔，该位置为所述的B位置，位于B位置相邻的一个角的两侧对称固定有一对所述的安装板202；所述的A位置位于其中一个安装板202表面，在 A位置处向另一个安装板202开孔，以形成同轴的两个孔。行走足2在具体使用时，可在其外部套装防滑套，以使其具有更好的行走、攀爬效果。

如图3，连接件3包括第一连接板301、第二连接板302以及第三连接板303，其中第二连接板302位于第一连接板301前端侧面，第三连接板303位于第二连接板302前端侧面，所述的C位置、D位置、E位置分别位于第一连接板301、第二连接板302以及第三连接板303上，并在这三个位置分别开孔。从连接件3 的侧面来看，如图9的(a)和(b)所示，C、D、E位置如依次连接则构成一个三角形结构，即从侧面看三者不在同一条直线上。

如图4至图7所示，所述的第二连杆4两端、第三连杆5两端均开孔；所述的第一连杆7设置两对，每一根第一连杆7两端均开孔。

如图9的(a)所示，所述的两对第一连杆7中，其中一对第一连杆7前端的孔分别与所述A位置处两个安装板202上的孔铰接，后端的孔则分别铰接在所述C位置处开孔的两侧；另外一对第一连杆7前端的孔分别铰接在B位置处孔的两侧，并与所述的第三连杆5前端的孔同轴铰接，后端的孔则分别铰接在D 位置的两侧。第三连杆5后端的孔与第二连杆4前端的孔连接处即位置F，第二连杆4后端的孔则连接在连接件3上E位置的孔处。

所述的蜗轮6的轮轴安装在G位置处的孔中，连接件3上D位置处的孔与安装壁102上的H位置同轴连接。如图6所示，蜗轮6的轮面上非中心处开设有一孔，第二连杆4、第三连杆5连接处的位置F则与该孔铰接。

本方案中，孔与孔之间的连接可以有多种连接方式，例如通过转轴、销轴等进行连接。

本方案的原理是，行走机构通过多连杆和行走足2、连接件3共同构成单曲柄双摆杆并联平行四杆机构，传动轴11旋转带动蜗杆10旋转，蜗杆10旋转则将动力传递给蜗轮6；蜗轮6旋转时，其轮面带动第二连杆4、第三连杆5连接处的F位置转动，由于行走机构上的连接件3的D位置铰接在支架1上，那么F 位置旋转时，通过各连杆的配合，带动行走足2的前端向后摆动；当行走足2 与路面、管壁接触时，通过摩擦力实现行走足2的行走目的。

作为上述技术方案的进一步优化，如图11和图12所示，在相邻的行走关节之间还设置有角度调节机构，包括：

对应设置在相邻行走关节支架1上的舵机架12，每个舵机架12的前侧、后侧均设置有翼板14；每个舵机架12中安装有舵机13，舵机13的输出轴上安装有舵机臂8；

在前一个行走关节上舵机臂8上与后一个行走关节舵机架12前侧的翼板14 之间设置有调节拉杆16，调节拉杆16与舵机臂8、翼板14连接处采用球头关节 15；具体地，调位拉杆16两端设置有圆形套环，而在翼板14、舵机臂8上设置有球头，二者活动式连接构成球头关节15。

本实施例中，支架1上的安装壁102设置4个，对应地，行走机构和涡轮也设置四个。角度调节机构在相邻的行走关节之间设置两组，如图12的(a)所示，其中第一组角度调节机构的舵机架12分别设置在前后两个行走关节同一侧的安装壁102上，而第二组角度调节机构则间隔90°设置在相邻的安装壁102上。

角度调节机构的作用原理是，前一个行走关节上角度调节机构上舵机13输出轴旋转时，通过舵机臂8、调位拉杆16带动后一个行走关节上舵机架12运动，从而使后一个行走关节可相对于前一个行走关节呈现不同的角度；由于角度调节机构是依次活动式连接的，则前一个角度调节机构调节时，通过联动的方式带动后方的行走关节运动，形象地模拟了蛇类生物的运动；如需调整不同的姿态，则通过改变不同位置的角度调节机构的调节角度即可。本方案中两组调节机构间隔 90°布设，可使得后面的行走关节相对于前面的行走机构在不同方向上调节角度，以实现多自由度调节。

本实用新型通过行走机构、角度调节机构的配合，可以实现本装置的姿态改变以适应不同的应用场合。本装置可以由任意个数的行走关节组合而成，再由上述两套机构配合实现诸如，蛇形移动、直线移动、蠕动、S形侧滑，可提高对地形的适应能力，甚至可以在管道中行走。本装置采用机械结构来实现仿蛇的行走攀爬机构的设计，在行走关节连接方面采用万向联轴器17，在控制方面选择舵机13 来实现对每一行走关节的角度扭转，进而实现仿蛇类行走与攀爬。

Claims (7)

1.一种全地形行走攀爬机构，包括一个以上的行走关节，行走关节之间依次活动式连接；其特征在于，所述的行走关节包括：

支架(1)，支架(1)包括安装套(101)以及多个均匀分布于安装套(101)周围的安装壁(102)，其中，安装壁(102)的前端固定在安装套(101)侧壁上；

传动机构，包括传动轴(11)，传动轴(11)穿过所述的安装套(101)，且在传动轴(11)与安装套(101)之间设置轴承(9)；位于安装套(101)后侧的传动轴(11)上套装有蜗杆(10)，在每一个安装壁(102)上均设置有与所述蜗杆(10)配合的蜗轮(6)；

行走机构，包括行走足(2)和连接件(3)，在行走足(2)的表面上取不同两处位置记为A、B，所述连接件(3)上三处不同位置分别记为C、D、E，则C位置与A位置之间、D位置与B位置之间分别通过第一连杆(7)活动式连接；E位置上活动式连接第二连杆(4)的后端，第二连杆(4)的前端连接一根弧形第三连杆(5)的后端，连接处记为F位置；第三连杆(5)的前端活动式连接于所述的B位置；

所述的F位置活动式连接于所述蜗轮(6)的轮面上，D位置活动式连接在安装壁(102)的后端。

2.如权利要求1所述的全地形行走攀爬机构，其特征在于，所述的安装壁(102)包括第一壁板(1021)、第二壁板(1022)和第三壁板(1023)，其中，第一壁板(1021)前端固定在所述安装套(101)上，第二壁板(1022)的前端连接在第一壁板(1021)后端，第三壁板(1023)的前端连接在第二壁板(1022)后端的侧面，第一壁板(1021)、第二壁板(1022)之间的夹角为钝角；

自第一壁板(1021)与第二壁板(1022)连接位置内侧边缘处开孔，开孔位置记为G位置；自第三壁板(1023)后端开孔，开孔位置记为H位置。

3.如权利要求1所述的全地形行走攀爬机构，其特征在于，所述的行走足(2)包括足板(201)与安装板(202)，其中足板(201)为三角形结构，在其一个端点处开孔，该位置为所述的B位置，位于B位置相邻的一个角的两侧对称固定有一对所述的安装板(202)；所述的A位置位于其中一个安装板(202)表面，在A位置处向另一个安装板(202)开孔，以形成同轴的两个孔。

4.如权利要求1所述的全地形行走攀爬机构，其特征在于，所述的连接件(3)包括第一连接板(301)、第二连接板(302)以及第三连接板(303)，其中第二连接板(302)位于第一连接板(301)前端侧面，第三连接板(303)位于第二连接板(302)前端侧面，所述的C位置、D位置、E位置分别位于第一连接板(301)、第二连接板(302)以及第三连接板(303)上，并在这三个位置分别开孔。

5.如权利要求1所述的全地形行走攀爬机构，其特征在于，所述的第二连杆(4)两端、第三连杆(5)两端均开孔；所述的第一连杆(7)设置两对，每一根第一连杆(7)两端均开孔；其中一对第一连杆(7)前端的孔分别与所述A位置处一对安装板(202)上的孔铰接，后端的孔则分别铰接在所述C位置处开孔的两侧；另外一对第一连杆(7)前端的孔分别铰接在B位置处孔的两侧，并与所述的第三连杆(5)前端的孔同轴铰接，后端的孔则分别铰接在D位置的两侧；

所述的蜗轮(6)的轮轴安装在G位置处的孔中，连接件(3)上D位置处的孔与安装壁(102)上的H位置同轴连接。

6.如权利要求1所述的全地形行走攀爬机构，其特征在于，相邻的行走关节之间通过万向联轴器(17)活动式连接；其中，万向联轴器(17)安装在前一个行走关节上传动轴(11)的后端以及后一个行走关节上传动轴(11)的前端。

7.如权利要求1所述的全地形行走攀爬机构，其特征在于，在相邻的行走关节之间还设置有角度调节机构，包括：

对应设置在相邻行走关节支架(1)上的舵机架(12)，每个舵机架(12)的前侧、后侧均设置有翼板(14)；

每个舵机架(12)中安装有舵机(13)，舵机(13)的输出轴上安装有舵机臂(8)；

在前一个行走关节上舵机臂(8)上与后一个行走关节舵机架(12)前侧的翼板(14)之间设置有调节拉杆(16)，调节拉杆(16)与舵机臂(8)、翼板(14)连接处采用球头关节(15)。

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