一种适用于全地形路况的轮步式机器人足端机构的制作方法

[0001]
本发明涉及机器人技术领域，具体涉及一种适用于全地形路况的轮步式机器人足端机构。


背景技术：

[0002]
机器人在防灾救援、反恐救援等许多领域具备很好的应用前景，其中足式机器人在承载能力以及稳定性等方面具有较大的优势，其研制工作一直受到国内外的重视，然而足式机器人却存在行进速度较慢的问题，而传统的轮式机器人，采用轮式行进的方式具备较快的行进速度。
[0003]
轮步式机器人具备能同时在快速反应以及轻松越障两类功能间轻松切换，不过在应用于救援以及军事用途时，常常需要面对复杂的地形，比如在沙漠，碎石地以及面对一些较陡的山坡时，常见的通过直接将车轮作为足底机构的轮步机器人就无法完美应对，因此通过轮步切换装置通过改变足底结构，从而在面对复杂地形时具备优秀的地形适应能力以及抓地力，在需要快速行进时切换为轮式足底机构加速行进，是机器人领域需要解决的问题。


技术实现要素：

[0004]
本发明要解决的技术问题是，针对现有技术存在的上述缺陷，提供了一种适用于全地形路况的轮步式机器人足端机构，实现全地形路况的轮步式机器人在复杂地形稳定行进。
[0005]
本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：
[0006]
一种适用于全地形路况的轮步式机器人足端机构，包括足身外壳、轮步转换机构和足底脚爪，轮步转换机构设置于足身外壳上；
[0007]
足底脚爪包括脚爪和轮体，轮体通过主销轴设置于足身外壳的下端连接，轮体与脚爪的一端连接，脚爪的另一端与轮步转换机构连接，轮步转换机构带动脚爪及轮体绕主销轴转动；轮步转换机构带动脚爪翘起或落下，实现脚爪的爪部与轮体之间的切换与大地接触，当脚爪落下后，脚爪的爪部直接与大地接触，能够具备较大抓地力，当脚爪翘起后，脚爪的爪部离开大地，减小抓地力和阻力，使机器人具备快速行进的速度。
[0008]
按照上述技术方案，轮步转换机构包括推拉组件和转动片，推拉组件设置于足身外壳上，推拉组件与转动片铰接，转动片的端部与脚爪铰接。
[0009]
按照上述技术方案，转动片与脚爪之间连接有减震器。
[0010]
按照上述技术方案，脚爪的个数有多个，分为前脚爪和后脚爪，每个脚爪均连接有一个轮体，各轮体通过主销轴与足身外壳连接。
[0011]
按照上述技术方案，转动片的前端与前脚爪之间连接有前脚爪减震器，前脚爪减震器的一端通过销轴与转动片铰接，前脚爪减震器的另一端通过销轴与前脚爪铰接；
[0012]
转动片的后端与后脚爪之间连接有后脚爪减震器，后脚爪减震器的一端通过销轴
与转动片铰接，后脚爪减震器的另一端通过销轴与后脚爪铰接。
[0013]
按照上述技术方案，前脚爪的个数为两个，后脚爪的个数1个，后脚爪布置于两个前脚爪之间。
[0014]
按照上述技术方案，脚爪与轮体连接成一体。
[0015]
按照上述技术方案，推拉组件包括丝杆电机、电机轨道架、轨道和轨道滑块，轨道沿竖向布置于足身外壳上，轨道滑块设置于轨道上，丝杆电机设置于足身外壳上，丝杆电机通过丝杆与轨道滑块连接，丝杆电机驱动丝杆带动轨道滑块沿轨道上下移动，轨道滑块通过滑块销轴与转动片铰接。
[0016]
按照上述技术方案，足身外壳上设有电机轨道架和丝杆座，丝杆电机和轨道均固设于电机轨道架上，丝杆通过丝杆座固设于足身外壳上。
[0017]
按照上述技术方案，主销轴的两端与足身外壳套接，主销轴的两端均套设有橡胶轮缘，橡胶轮缘布置于主销轴的最外端；足身外壳和各轮体均布置于两个橡胶轮缘之间。
[0018]
按照上述技术方案，足身外壳与丝杆电机的输出轴之间套设有橡胶衬托。
[0019]
按照上述技术方案，足身外壳的上端与机器人本体连接。
[0020]
按照上述技术方案，足身外壳的上端通过腿部足部连接销轴与机器人本体铰接。
[0021]
本发明具有以下有益效果：
[0022]
1、本发明的一种适用于全地形路况的轮步式机器人足端机构，轮步转换机构带动脚爪翘起或落下，使脚爪的爪部与轮体之间切换与大地接触，实现全地形路况的轮步式机器人在复杂地形稳定行进，当脚爪落下后，脚爪的爪部直接与大地接触，能够具备较大抓地力，当脚爪翘起后，脚爪的爪部离开大地，轮体与大地接触，减小抓地力和阻力，使机器人具备快速行进的速度，通过将轮体与脚爪整合到一起，在快速行进过程通过将轮体与地面相接触；能够较好的适应各类工作环境，同时通过切换轮爪式结构从而达到具备较大抓地力的爪形足底结构以及具备较快行进速度的圆形足底结构切换的效果，结构简单，可靠性较好。
[0023]
2、脚爪与足身外壳机构利用橡胶轮缘进行连接，由于橡胶轮缘的存在，可以提供轮步式机器人在倾斜地形行进时在满足横向的自由度的前提下同时具备侧向自由度；通过对减震器的位置调控，在控制脚爪姿态变化的同时调节减震能力，从而提高全地形轮步机器人行进的稳定性；通过丝杆电机控制轨道滑块调节脚爪的位置同时利用滑块销轴以及转动片调节脚爪位置，从而获得全地形的行进能力以及较强的抗侧向力，同时该结构设计能够有效减缓由于地势改变而对轮步机器人造成的冲击力。
附图说明
[0024]
图1是本发明实施例中适用于全地形路况的轮步式机器人足端机构的结构示意图；
[0025]
图2是本发明实施例中适用于全地形路况的轮步式机器人足端机构的主视图；
[0026]
图3是图2的左视图；
[0027]
图4是本发明实施例中足身外壳的结构示意图；
[0028]
图中，1-足身外壳，2-腿部足部连接销轴，3-丝杆电机，4-电机轨道架，5-轨道滑块，6-滑块销轴，7-转动片，8-前脚爪减震器，9-后脚爪减震器，10-转动片减震器连接销轴，
11-后脚爪连接销轴，12-轮体，13-前脚爪连接销轴，14-橡胶轮缘，15-主销轴，16-轨道，17-丝杆座，18-橡胶衬托，19-前脚爪，20-后脚爪。
具体实施方式
[0029]
下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。
[0030]
参照图1～图4所示，本发明提供的一个实施例中的适用于全地形路况的轮步式机器人足端机构，包括足身外壳1、轮步转换机构和足底脚爪，轮步转换机构设置于足身外壳1上；
[0031]
足底脚爪包括脚爪和轮体12，轮体12通过主销轴15设置于足身外壳1的下端连接，轮体12与脚爪的一端连接，脚爪的另一端与轮步转换机构连接，轮步转换机构带动脚爪及轮体12绕主销轴15转动；轮步转换机构带动脚爪翘起或落下，实现脚爪的爪部与轮体12之间的切换与大地接触，当脚爪落下后，脚爪的爪部直接与大地接触，能够具备较大抓地力，当脚爪翘起后，脚爪的爪部离开大地，减小抓地力和阻力，使机器人具备快速行进的速度。
[0032]
进一步地，轮步转换机构包括推拉组件和转动片7，推拉组件设置于足身外壳1上，推拉组件与转动片7铰接，转动片7的端部与脚爪铰接。
[0033]
进一步地，转动片7与脚爪之间连接有减震器。
[0034]
进一步地，脚爪的个数有多个，分为前脚爪19和后脚爪20，每个脚爪均连接有一个轮体12，各轮体12通过主销轴15与足身外壳1连接。
[0035]
进一步地，转动片7的前端与前脚爪19之间连接有前脚爪减震器8，前脚爪减震器8的一端通过转动片减震器连接销轴10与转动片7铰接，前脚爪减震器8的另一端通过前脚爪连接销轴13与前脚爪19铰接；
[0036]
转动片7的后端与后脚爪20之间连接有后脚爪减震器9，后脚爪减震器9的一端通过转动片减震器连接销轴10与转动片7铰接，后脚爪减震器9的另一端通过后脚爪连接销轴11与后脚爪20铰接。
[0037]
进一步地，前脚爪19的个数为两个，后脚爪20的个数1个，后脚爪20布置于两个前脚爪19之间。
[0038]
进一步地，脚爪与轮体12连接成一体。
[0039]
进一步地，推拉组件包括丝杆电机3、电机轨道架4、轨道16和轨道滑块5，轨道16沿竖向布置于足身外壳1上，轨道滑块5设置于轨道16上，丝杆电机3设置于足身外壳1上，丝杆电机3通过丝杆与轨道滑块5连接，丝杆电机3驱动丝杆带动轨道滑块5沿轨道16上下移动，轨道滑块5通过滑块销轴6与转动片7铰接。
[0040]
进一步地，轨道滑块5通过滑块销轴6与转动片7共轴连接。
[0041]
进一步地，足身外壳1上设有电机轨道架4和丝杆座17，丝杆电机3和轨道16均固设于电机轨道架4上，丝杆通过丝杆座17固设于足身外壳1上，丝杆电机3的丝杆部分与固定在足身外壳1内部的丝杆座17共轴连接。
[0042]
进一步地，主销轴15的两端与足身外壳1套接，主销轴15的两端均套设有橡胶轮缘14，橡胶轮缘14布置于主销轴15的最外端；足身外壳1和各轮体12均布置于两个橡胶轮缘14之间。
[0043]
进一步地，足身外壳1与丝杆电机3的输出轴之间套设有橡胶衬托18；足身外壳1内
部与橡胶衬托18过盈配合，橡胶衬托18与丝杆电机3共轴连接。
[0044]
进一步地，足身外壳1的上端与机器人本体连接。
[0045]
进一步地，足身外壳1的上端通过腿部足部连接销轴2与机器人本体铰接；足身外壳1上端与腿部足部连接销轴2共轴连接，足身外壳1下端与橡胶轮缘14过盈配合。
[0046]
本发明的工作原理：如图1所示，所述的一种适用于全地形路况的轮步式机器人足端机构包括足身外壳1、腿部足部连接销轴2、丝杆电机3、电机轨道架4、轨道滑块5、滑块销轴6；其中电机轨道架4固定在足身外壳1内部，丝杆电机3固定在电机轨道架4并控制轨道滑块5并带动滑块销轴6一同运动，腿部足部连接销轴2与足身外壳1共轴连接。
[0047]
如图2和图3所示，所述的一种适用于全地形路况的轮步式机器人足端机构的轮步切换机构，包括转动片7、前脚爪减震器8、后脚爪减震器9、转动片减震器连接销轴10、后脚爪连接销轴11、脚爪、前脚爪连接销轴13、橡胶轮缘14、主销轴15、轨道16、丝杆座17；其中转动片7通过转动片减震器连接销轴10与前脚爪减震器8和后脚爪减震器9共轴连接，并通过安装在轨道16的轨道滑块5带动进行运动，从而通过后脚爪连接销轴11与前脚爪连接销轴13改变脚爪接触地面的姿态使其在增大抓地力的足底结构与提高行进速度的足底结构之间转换，脚爪通过主销轴15与橡胶轮缘14共轴连接，橡胶轮缘14与足身外壳1共轴连接从而使脚爪在侧向具有自由度。
[0048]
如图4所示，所述的一种适用于全地形路况的轮步式机器人足端机构的足身外壳机构，橡胶衬托18与在足身外壳1内部共轴连接，使丝杆电机3在侧向具有自由度。
[0049]
一种适用于全地形路况的轮步式机器人足端机构在平地的行进方法，丝杆电机[3]带动轨道滑块5延轨道16向上运动，脚爪13通过前脚爪减震器8与后脚爪减震器9带动向上抬起，当轨道滑块5上升到轨道16的顶部时，脚爪13成弧形足底结构，该足部行进方式适用于砾石、岩石等复杂路面情况，需要快速行进的状况。
[0050]
一种适用于全地形路况的轮步式机器人足端机构在复杂地形的行进方法，丝杆电机3带动轨道滑块5延轨道16向下运动，脚爪13通过前脚爪减震器8与后脚爪减震器9带动向上抬起，当轨道滑块5下降到轨道16的底部时，脚爪13成爪形足底结构，该足部行进方式适用于大于15
°
的坡，砂石，坑洼等高难度跨越地形，需要强抓地力的状况。
[0051]
轮步切换机构通过丝杆电机控制轨道滑块调整转动片的位置，从而达到切换足底结构的效果。所述的轨道滑块共轴配合滑块销轴以及转动片，与前后减震器连接。所述的脚爪的通过一根主销轴与足身外壳机构共轴连接，其三个脚爪交错摆放。所述的橡胶衬托过盈配合在足身外壳机构底端与脚爪的共轴连接的位置。所述的橡胶轮缘过盈配合在足身外壳机构内部与丝杆电机的共轴连接的位置。
[0052]
进一步地，轮体12的半径为256mm圆弧体，脚爪的爪部角度为26度的尖角。
[0053]
本发明的一种适用于全地形路况的轮步式机器人足端机构，当在轮步式机器人在山区或沙漠地带行走时，由于地势较为复杂，将全地形路况的轮步式机器人足端机构通过轮步切换装置进行切换姿态，根据实际地面情况，改变脚爪与路面的接触面积，增加全地形轮步机器人的抓地性能，从而便于全地形路况的轮步式机器人在复杂地形稳定行进。
[0054]
以上的仅为本发明的较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明申请专利范围所作的等效变化，仍属本发明的保护范围。

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