CN107933734B - 基于钻取掘进改***质地形的大爬坡度机器人足 - Google Patents

基于钻取掘进改***质地形的大爬坡度机器人足 Download PDF

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Abstract

基于钻取掘进改***质地形的大爬坡度机器人足，它涉及一种机器人足。本发明解决了现有的大爬坡度机器人足存在难以保证机器人爬上大坡度的斜坡的问题。电动机的输出轴上固装有小锥齿轮，支撑套筒的一端固装在支撑板上支撑套筒的另一端与齿轮箱连通设置，传动主轴通过两个支撑轴承安装在支撑套筒内，传动主轴的一端位于齿轮箱内，传动主轴所述的一端上固装有大锥齿轮，大锥齿轮和小锥齿轮相互啮合且轴线互相垂直设置，传动主轴的另一端上固装有钻取刀盘；所述十字轴关节套装在支撑套筒的中部，两个支撑轴套对称固装在十字轴关节的两侧，连接支座两侧对应套装在两个支撑轴套上；固定转轴下端与连接支座的上端固接为一体。本发明用于足式机器人上。

Description

基于钻取掘进改***质地形的大爬坡度机器人足
技术领域
本发明涉及一种机器人行走足，具体涉及一种基于钻取掘进改***质地形的大爬坡度机器人足。
背景技术
机器人足的附着性能对于保证足式机器人的爬坡和越障能力至关重要，增大机器人足附着能力的传统办法通常为增加或者优化机器人足的足底附属机构，即通过增大足底摩擦力或者土壤对足底附着机构的被动土压力来提高机器人足的附着性能，但是实际山地环境中的坡度角往往超过30～40度，根据试验得出的足式机器人行走经验可知，机器人足在这种大坡度地形下所需的切向推进力超过了地面的内聚力和内摩擦角产生的力，单纯通过优化和设计增加足底附属机构的办法已经难以保证机器人爬上大坡度的斜坡。因此，本发明根据机械设计原理，针对大坡度软质地形，设计了一种可以主动改变局部地形的机器人足，通过破坏挖掘机器人足预定附着位置的局部土壤，然后由机器人足占据坡面上被挖去的位置，这样就减小了机器人足稳定附着后足底与水平地面的实际夹角，进而减小了机器人足稳定附着所需要的切向作用力，就像上楼梯登台阶一样，主要依靠支持力保证机器人足的稳定附着。
综上，现有的大爬坡度机器人足难以保证机器人爬上大坡度的斜坡。
发明内容
本发明为解决现有的大爬坡度机器人足存在难以保证机器人爬上大坡度的斜坡的问题，进而提供一种基于钻取掘进改***质地形的大爬坡度机器人足。
本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：
本发明的基于钻取掘进改***质地形的大爬坡度机器人足包括电动机12、钻取刀盘1、足底板18、足底脚垫19、支撑板21、齿轮箱14、传动机构、十字铰链机构、旋转定位机构和若干个防滑部件20；其特征在于：足底脚垫19通过若干个防滑部件20固装在足底板18的下端面上，支撑板21和齿轮箱14沿足底板18的长度方向固装在足底板18的上端面上，所述传动机构包括小锥齿轮15、大锥齿轮16、传动主轴3、轴套13和支撑套筒4，所述电动机12竖直安装在齿轮箱14的上端面上，电动机12的输出轴上固装有小锥齿轮，支撑套筒4的一端固装在支撑板21上，支撑套筒4的另一端与齿轮箱14连通设置，传动主轴3通过两个支撑轴承2安装在支撑套筒4内，传动主轴3的一端位于齿轮箱14内，传动主轴3所述的一端上固装有大锥齿轮16，大锥齿轮16和小锥齿轮15相互啮合且轴线互相垂直设置，传动主轴3的另一端上固装有钻取刀盘1；
所述十字铰链机构包括十字轴关节10、连接支座5、两个支撑轴套22和两个定位环11，所述十字轴关节10套装在支撑套筒4的中部，所述十字轴关节10通过两个定位环11调节定位，两个支撑轴套22对称固装在十字轴关节10的两侧，连接支座5两侧对应套装在两个支撑轴套22上，连接支座5可以绕十字轴关节10前后旋转一定角度；
所述旋转定位机构包括固定转轴7、旋转轴承6、连接法兰套8和六维力传感器9，固定转轴7竖直设置且固定转轴7下端与连接支座5的上端固接为一体，连接法兰套8通过旋转轴承6套装在固定转轴7上，六维力传感器9固装在连接法兰套8的上端面上，六维力传感器9上端面留有与机器人腿部连接的螺纹孔，固定转轴7上端与机器人腿部的动力输出轴装配到一起。
进一步地，支撑套筒4所述的一端呈法兰状，支撑套筒4所述的一端通过螺钉固装在支撑板21上，支撑套筒4所述的另一端安装在齿轮箱14前端圆孔中。
进一步地，大锥齿轮16通过螺钉和垫片固装在传动主轴3所述的一端上。
进一步地，钻取刀盘1的中心加工有键槽孔，钻取刀盘1通过平键装配在传动主轴3所述的另一端上，传动主轴3所述的另一端通过螺钉和垫片与钻取刀盘1固定。
进一步地，足底脚垫19由软质可变形橡胶材料制成，足底脚垫19的底端面加工有防滑花纹。
进一步地，钻取刀盘1为金属刀具材料整体加工或镶齿形刀盘。
进一步地，防滑部件20为防滑钉、防滑锥或防滑板。
进一步地，固定转轴7的下部加工有键槽，固定转轴7的下端通过平键与连接支座5的上端装配，固定转轴7的下端通过螺钉和垫片固定在连接支座5上。
进一步地，所述大爬坡度机器人足还包括保护盖17，保护盖17安装在齿轮箱14上。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
一、本发明的基于钻取掘进改***质地形的大爬坡度机器人足在足前端设计安装了钻取刀盘，通过钻取刀盘的旋转掘进作用，可以有效破坏大坡度软质坡面的土壤，改变局部地形，减小足部附着位置的实际坡度角，保证机器人足的稳定附着；
二、本发明的基于钻取掘进改***质地形的大爬坡度机器人足同时设计安装了十字铰链机构和旋转定位机构，可以保证机器人足部具有三个活动自由度，满足大爬坡度机器人足对复杂地形环境的高适应性和多自由度活动性；
三、本发明的基于钻取掘进改***质地形的大爬坡度机器人足设计安装了软质可变形的足底脚垫，利用自身变形适应地面不平度，增大了足底接触面积，提高了足端缓冲能力，针对不同的地面环境，足底脚垫可以设计加工不同的底面花纹，同时配装不同的防滑装置，提高了机器人足的抓地能力和附着性能。
附图说明
图1是本发明的基于钻取掘进改***质地形的大爬坡度机器人足的主视图；
图2是本发明的基于钻取掘进改***质地形的大爬坡度机器人足的主剖视图；
图3是图1的俯视图；
图4是图1的左视图；
图5是图1的A-A剖视图。
具体实施方式
具体实施方式一：如图1～5所示，本实施方式的基于钻取掘进改***质地形的大爬坡度机器人足，所述大爬坡度机器人足包括电动机12、钻取刀盘1、足底板18、足底脚垫19、支撑板21、齿轮箱14、传动机构、十字铰链机构、旋转定位机构和若干个防滑部件20；足底脚垫19通过若干个防滑部件20固装在足底板18的下端面上，支撑板21和齿轮箱14沿足底板18的长度方向固装在足底板18的上端面上，所述传动机构包括小锥齿轮15、大锥齿轮16、传动主轴3、轴套13和支撑套筒4，所述电动机12竖直安装在齿轮箱14的上端面上，电动机12的输出轴上固装有小锥齿轮，支撑套筒4的一端固装在支撑板21上，支撑套筒4的另一端与齿轮箱14连通设置，传动主轴3通过两个支撑轴承2安装在支撑套筒4内，传动主轴3的一端位于齿轮箱14内，传动主轴3所述的一端上固装有大锥齿轮16，大锥齿轮16和小锥齿轮15相互啮合且轴线互相垂直设置，传动主轴3的另一端上固装有钻取刀盘1；
所述十字铰链机构包括十字轴关节10、连接支座5、两个支撑轴套22和两个定位环11，所述十字轴关节10套装在支撑套筒4的中部，所述十字轴关节10通过两个定位环11调节定位，两个支撑轴套22对称固装在十字轴关节10的两侧，连接支座5两侧对应套装在两个支撑轴套22上，连接支座5可以绕十字轴关节10前后旋转一定角度；
所述旋转定位机构包括固定转轴7、旋转轴承6、连接法兰套8和六维力传感器9，固定转轴7竖直设置且固定转轴7下端与连接支座5的上端固接为一体，连接法兰套8通过旋转轴承6套装在固定转轴7上，六维力传感器9固装在连接法兰套8的上端面上，六维力传感器9上端面留有与机器人腿部连接的螺纹孔，固定转轴7上端与机器人腿部的动力输出轴装配到一起。
具体实施方式二：如图1和图2所示，本实施方式支撑套筒4所述的一端呈法兰状，支撑套筒4所述的一端通过螺钉固装在支撑板21上，支撑套筒4所述的另一端安装在齿轮箱14前端圆孔中。如此设计，可以将支撑套筒4的两端固定。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：如图2所示，本实施方式大锥齿轮16通过螺钉和垫片固装在传动主轴3所述的一端上。如此设计，可以将大锥齿轮16固定在传动主轴3所述一端的轴端。其它组成及连接关系与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：如图2和图3所示，本实施方式钻取刀盘1的中心加工有键槽孔，钻取刀盘1通过平键装配在传动主轴3所述的另一端上，传动主轴3所述的另一端通过螺钉和垫片与钻取刀盘1固定。如此设计，可以将钻取刀盘1固定在传动主轴3所述另一端的轴端。其它组成及连接关系与具体实施方式三相同。
具体实施方式五：如图1和图2所示，本实施方式足底脚垫19由软质可变形橡胶材料制成，足底脚垫19的底端面加工有防滑花纹。如此设计，当机器人足行走环境为冰雪路面时，可以在足底换装适合冰雪路面的防滑锥，增大抓地能力，当机器人足行走环境为松软沙地时，可以在足底使用螺钉固定一些防滑板，增大足底的摩擦力，当机器人足行走环境为瓦砾沙石或软质土壤时，通过在足底安装防滑钉，可以增强机器人足的地形适应能力和附着能力。其它组成及连接关系与具体实施方式一、二或四相同。
具体实施方式六：如图1～3所示，本实施方式钻取刀盘1为金属刀具材料整体加工或镶齿形刀盘。如此设计，通过在刀盘上安装可更换的刀片也能达到设计目的，钻取刀盘1可绕传动主轴3的轴线回转，机器人足在爬坡工作过程中，主要依靠钻取刀盘1的旋转挖掘作用去破坏坡面土壤，改变局部地形，减小局部坡度。其它组成及连接关系与具体实施方式五相同。
具体实施方式七：如图1和图2所示，本实施方式防滑部件20为防滑钉、防滑锥或防滑板。如此设计，当机器人足行走环境为冰雪路面时，可以在足底换装适合冰雪路面的防滑锥，增大抓地能力，当机器人足行走环境为松软沙地时，可以在足底使用螺钉固定一些防滑板，增大足底的摩擦力，当机器人足行走环境为瓦砾沙石或软质土壤时，通过在足底安装防滑钉，可以增强机器人足的地形适应能力和附着能力。其它组成及连接关系与具体实施方式一、二、四或六相同。
具体实施方式八：如图1和图5所示，本实施方式固定转轴7的下部加工有键槽，固定转轴7的下端通过平键与连接支座5的上端装配，固定转轴7的下端通过螺钉和垫片固定在连接支座5上。如此设计，可以将固定转轴7固定在连接支座5上。其它组成及连接关系与具体实施方式七相同。
具体实施方式九：如图1和图2所示，本实施方式所述大爬坡度机器人足还包括保护盖17，保护盖17安装在齿轮箱14上。如此设计，便于拆卸齿轮箱并起到保护齿轮箱的作用。其它组成及连接关系与具体实施方式一、二、四、六或八相同。
以上对本发明的描述是说明性的，而非限制性的，本专业技术人员理解，在权利要求限定的精神与范围之内可对其进行许多修改、变化或等效，但是它们都将落入本发明创造的保护范围内。
工作原理：
六维力传感器9通过螺钉安装在连接法兰套8上，通过六维力传感器9水平和竖直方向的力信号控制电动机12的启动和停止，机器人在实际行走过程中，若果地形为普通平面或坡度小于15度的平缓斜面，则机器人处于正常行走模式，电动机12不工作，此时旋转定位机构处于自由转动状态，整个机器人足可绕固定转轴7旋转，保证机器人足在复杂崎岖地形中的高灵活性，控制机器人以所爬坡面的坡度角为变量，根据经验值，当坡面的坡度较超过20～30度时，则将机器人的行走方式切换为爬坡模式，同时将旋转定位机构转换为主动控制模式，由机器人腿部提供动力，驱动固定转轴7带动足部转动，控制保证机器人足前端的钻取刀盘1的钻取方向和腿部前摆方向一致，然后根据六维力传感器9水平和竖直方向采集到的力信号对电动机12进行驱动控制，当机器人足处于摆动相时，将六维力传感器9竖直和水平方向所采集的力信号均设为零点，此时电动机12不转动，在机器人足向下落过程中，当机器人足接触到坡面，六维力传感器9竖直方向的力信号变为非零并逐渐达到提前设定好的阈值时，机器人足停止下落，同时发出控制信号使电动机12开始工作，电动机12输出的动力通过小锥齿轮15，大锥齿轮16和传动主轴3传递给钻取刀盘1，钻取刀盘1以一定的速度旋转，同时通过控制机器人腿部使机器人足以一定的速度前移，机器人足就可以在坡面上钻取挖掘出一块坡度减缓的区域，机器人足在前摆钻挖过程中，六维力传感器9水平方向的力信号会不断增大，当机器人足挖出的局部区域大小足够机器人足附着时，提前设定此时六维力传感器9水平方向的力信号为最大阈值，达到该阈值后即发出命令使电动机12停止工作，此时机器人足就可以占据被挖去的空间，在主动挖掘出的坡度减缓的局部区域稳定附着，由摆动相转换为支撑相，机器人足处于支撑相时电动机12一直保持停转状态，直到再次处于摆动相时水平和竖直方向力信号回归零点后才重复之前的命令循环，对于多足机器人，只要设置好行走步态，控制机器人***替采用以上所述的破坏局部地形的方式工作，就能使足式机器人整体稳定地爬上大坡度的斜坡，当机器人足的工作地形复杂，土壤中如果有硬质杂质可能导致钻取刀盘1卡死，机器人足前移阻力迅速增大，此时六维力传感器9水平方向力信号提前达到阈值，可以发出命令使电动机12停止工作，再通过机器人腿部控制调整机器人足到合适的附着位置，至此，构成了基于钻取掘进改***质地形的大爬坡度机器人足的基本工作原理。

Claims (9)

1.一种基于钻取掘进改***质地形的大爬坡度机器人足，所述大爬坡度机器人足包括电动机(12)、钻取刀盘(1)、足底板(18)、足底脚垫(19)、支撑板(21)、齿轮箱(14)、传动机构、十字铰链机构、旋转定位机构和若干个防滑部件(20)；其特征在于：足底脚垫(19)通过若干个防滑部件(20)固装在足底板(18)的下端面上，支撑板(21)和齿轮箱(14)沿足底板(18)的长度方向固装在足底板(18)的上端面上，所述传动机构包括小锥齿轮(15)、大锥齿轮(16)、传动主轴(3)、轴套(13)和支撑套筒(4)，所述电动机(12)竖直安装在齿轮箱(14)的上端面上，电动机(12)的输出轴上固装有小锥齿轮，支撑套筒(4)的一端固装在支撑板(21)上，支撑套筒(4)的另一端与齿轮箱(14)连通设置，传动主轴(3)通过两个支撑轴承(2)安装在支撑套筒(4)内，传动主轴(3)的一端位于齿轮箱(14)内，传动主轴(3)所述的一端上固装有大锥齿轮(16)，大锥齿轮(16)和小锥齿轮(15)相互啮合且轴线互相垂直设置，传动主轴(3)的另一端上固装有钻取刀盘(1)；
所述十字铰链机构包括十字轴关节(10)、连接支座(5)、两个支撑轴套(22)和两个定位环(11)，所述十字轴关节(10)套装在支撑套筒(4)的中部，所述十字轴关节(10)通过两个定位环(11)调节定位，两个支撑轴套(22)对称固装在十字轴关节(10)的两侧，连接支座(5)两侧对应套装在两个支撑轴套(22)上，连接支座(5)可以绕十字轴关节(10)前后旋转一定角度；
所述旋转定位机构包括固定转轴(7)、旋转轴承(6)、连接法兰套(8)和六维力传感器(9)，固定转轴(7)竖直设置且固定转轴(7)下端与连接支座(5)的上端固接为一体，连接法兰套(8)通过旋转轴承(6)套装在固定转轴(7)上，六维力传感器(9)固装在连接法兰套(8)的上端面上，六维力传感器(9)上端面留有与机器人腿部连接的螺纹孔，固定转轴(7)上端与机器人腿部的动力输出轴装配到一起。
2.根据权利要求1所述的基于钻取掘进改***质地形的大爬坡度机器人足，其特征在于：支撑套筒(4)所述的一端呈法兰状，支撑套筒(4)所述的一端通过螺钉固装在支撑板(21)上，支撑套筒(4)所述的另一端安装在齿轮箱(14)前端圆孔中。
3.根据权利要求1或2所述的基于钻取掘进改***质地形的大爬坡度机器人足，其特征在于：大锥齿轮(16)通过螺钉和垫片固装在传动主轴(3)所述的一端上。
4.根据权利要求3所述的基于钻取掘进改***质地形的大爬坡度机器人足，其特征在于：钻取刀盘(1)的中心加工有键槽孔，钻取刀盘(1)通过平键装配在传动主轴(3)所述的另一端上，传动主轴(3)所述的另一端通过螺钉和垫片与钻取刀盘(1)固定。
5.根据权利要求1、2或4所述的基于钻取掘进改***质地形的大爬坡度机器人足，其特征在于：足底脚垫(19)由软质可变形橡胶材料制成，足底脚垫(19)的底端面加工有防滑花纹。
6.根据权利要求5所述的基于钻取掘进改***质地形的大爬坡度机器人足，其特征在于：钻取刀盘(1)为金属刀具材料整体加工或镶齿形刀盘。
7.根据权利要求1、2、4或6所述的基于钻取掘进改***质地形的大爬坡度机器人足，其特征在于：防滑部件(20)为防滑钉、防滑锥或防滑板。
8.根据权利要求7所述的基于钻取掘进改***质地形的大爬坡度机器人足，其特征在于：固定转轴(7)的下部加工有键槽，固定转轴(7)的下端通过平键与连接支座(5)的上端装配，固定转轴(7)的下端通过螺钉和垫片固定在连接支座(5)上。
9.根据权利要求1、2、4、6或8所述的基于钻取掘进改***质地形的大爬坡度机器人足，其特征在于：所述大爬坡度机器人足还包括保护盖(17)，保护盖(17)安装在齿轮箱(14)上。
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