一种用于无人变胞车的带折叠轮自锁功能的足部机构

1.本发明涉及地面交通工具及可变形机器人领域，尤其涉及的是一种用于无人变胞车的带折叠轮自锁功能的足部机构。


背景技术：

2.地面移动机器人按结构形式分类主要有轮式、履带式、腿式以及复合式(轮-履复合式、轮-腿复合式、腿-履复合式以及轮-履-腿复合式)四类。其中轮式结构在结构路面环境下行驶速度比较快，控制方便，但越障能力较弱；履带式结构虽然无论是在结构化路面还是非结构化路面环境都可有着较强越障能力但耗能较大；腿式结构运动灵活，在地形适应性方面也展现出无比的优越性，然而其结构组成通常较为复杂，步行速度也较为缓慢，最大速度仅可达11km/h,且其落地为平板足支撑，摩擦非常大，会对机械造成损伤。可知单一的行驶(行走)结构的地面移动机器人难以满足在某些特定场景或任务中机动灵活、快速高效的要求，因此复合式移动机器人，尤其是同时具有高速高效的移动性能以及良好的越障性能的轮腿复合式地面移动机器人成为当下机器人研究领域的热门主题。
3.无人变胞车是一种可变形的轮腿式机器人，属于处在前沿研究领域且技术先进的移动载具，其结构可变形重构以适应于不同的行驶路面。无人变胞车具有汽车态与类人态两种状态，当在易于通行的平坦路面时，该变胞车可变胞为汽车态快速行驶，当在道路难于通行的非平坦路面(譬如野外、台阶、沟壑等)时，该变胞车可由汽车态变胞为类人态进行跨步行走，从而提高了道路的通过性。
4.现有的无人变胞车，其足部机构的脚底板为单纯的平板结构，其存在如下缺陷：无人变胞车在行驶时实现从汽车态到类人态的重构过程中，足部机构打开并支撑到地面上，平板结构的脚底板直接与地面进行硬性接触，在此过程中会产生很大的摩擦和冲击，极易造成足部机构甚至是整体机器人的损坏。所以现有的无人变胞车不能实现在汽车态行驶过程中的重构变形，只能在驻车停止情况下进行重构变形，影响了重构的效率。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种用于无人变胞车的带折叠轮自锁功能的足部机构，以实现无人变胞车即使是在行驶过程中也能完成重构变形，从而提高重构效率。
6.本发明是通过以下技术方案实现的：
7.一种用于无人变胞车的带折叠轮自锁功能的足部机构，包括脚底板、踝关节机构和折叠轮机构；
8.所述脚底板通过踝关节机构与无人变胞车的小腿构件相连接，通过踝关节机构带动脚底板相对于小腿构件前后摆动和左右摆动；
9.所述折叠轮机构设置在脚底板上，所述折叠轮机构包括设置在脚底板左右两侧的左右两个折叠轮单元，每个折叠轮单元包括前后排列的至少两个折叠轮，每个折叠轮转动
安装在折叠轮支架上，折叠轮支架顶端通过第一铰接轴转动安装在脚底板上，第一铰接轴沿左右方向延伸，每个折叠轮单元的若干折叠轮支架通过一组连杆机构连接在一起，通过折叠轮驱动机构带动其中一个折叠轮支架绕第一铰接轴转动，设与折叠轮驱动机构相连接的折叠轮支架为折叠轮驱动支架，在连杆机构的带动下单个折叠轮单元的若干折叠轮支架随着折叠轮驱动支架一起转动，折叠轮向下伸出脚底板之下的状态为折叠轮展开状态，折叠轮向上摆动至不超出脚底板底端的状态为折叠轮收拢状态；
10.通过折叠轮自锁机构对处于折叠轮展开状态的其中一个折叠轮支架进行锁定，设与折叠轮自锁机构相配合的折叠轮支架为折叠轮锁紧支架，所述折叠轮自锁机构包括锁紧块，脚底板上开有供锁紧块上下移动的竖向槽，脚底板上在位于锁紧块上方的部位设有弹性部件，锁紧块悬吊设置在弹性部件底部，自然状态下，通过弹性部件拉动锁紧块处于上极限位置，通过锁紧传动机构带动锁紧块向下移动处于下极限位置，此时锁紧块向下伸出脚底板之下并位于折叠轮锁紧支架后侧，通过锁紧块抵挡在折叠轮锁紧支架后侧，实现对处于折叠轮展开状态的折叠轮锁紧支架的锁定。
11.作为足部机构的优选方案，所述锁紧传动机构包括锁紧齿轮、锁紧滑块、第一锁紧连杆和第二锁紧连杆，锁紧滑块位于锁紧块前方，锁紧滑块滑动设置在脚底板上且能沿着脚底板的前后方向来回滑动，第一锁紧连杆后端与第二锁紧连杆前端相铰接，第二锁紧连杆后端与锁紧滑块相铰接，第一锁紧连杆前端固定在锁紧齿轮的安装轴上，锁紧齿轮转动安装在脚底板上，通过锁紧驱动机构驱动锁紧齿轮转动，从而带动第一锁紧连杆摆动，进而通过第二锁紧连杆带动锁紧滑块前后移动，使得锁紧滑块远离或靠近锁紧块，当锁紧滑块向后移动时，锁紧滑块便会推动锁紧块下移。
12.作为足部机构的优选方案，所述锁紧驱动机构与折叠轮驱动机构共用一个驱动电机，所述驱动电机安装在脚底板上，脚底板上转动安装有折叠轮驱动齿轮，折叠轮驱动支架顶端固定在折叠轮驱动齿轮的安装轴上，驱动电机的输出轴沿左右方向延伸，驱动电机的输出轴上固定有不完全齿轮，折叠轮驱动齿轮和锁紧齿轮呈前后并排设置，且折叠轮驱动齿轮和锁紧齿轮分别与上方的不完全齿轮相啮合，通过驱动电机带动不完全齿轮摆动，从而带动折叠轮驱动齿轮和锁紧齿轮做相应的摆动，进而实现折叠轮驱动支架的展开或收拢，以及实现对折叠轮锁紧支架的锁紧或解锁。
13.作为足部机构的优选方案，所述锁紧滑块与锁紧块之间为斜面配合。
14.作为足部机构的优选方案，所述锁紧滑块与锁紧块之间为外凸的圆弧面配合
15.作为足部机构的优选方案，所述脚底板上设有滑轨，滑轨上开有沿前后方向延伸的滑槽，锁紧滑块滑动安装在滑槽内。
16.作为足部机构的优选方案，每组所述连杆机构包括主连杆，每个折叠轮单元的各个折叠轮支架中段分别通过第二铰接轴与主连杆铰接，第二铰接轴沿左右方向延伸。
17.作为足部机构的优选方案，所述踝关节机构包括踝前摆机构和踝侧摆机构；
18.所述踝前摆机构包括踝关节连接架，踝关节连接架左右两端分别设有安装环，两个安装环与小腿构件底部之间转动连接，通过踝前摆电机和行星齿轮减速机构带动踝关节连接架相对于小腿构件前后摆动，踝前摆电机安装在踝关节连接架上，行星齿轮减速机构包括太阳轮、围绕太阳轮的若干行星轮、以及齿圈，太阳轮固定在踝前摆电机的输出轴上，齿圈固定在踝关节连接架上，若干行星轮的行星轮轴固定在小腿构件上；
19.所述踝侧摆机构包括固定在脚底板上的前后两个安装板，两个安装板分别位于踝关节连接架的前后两侧，踝关节连接架前后两端分别转动安装在两个安装板上，踝侧摆电机的输出轴与其中一个安装板固定连接，通过踝侧摆电机带动两个安装板相对于踝关节连接架左右摆动。
20.作为足部机构的优选方案，所述脚底板包括水平的脚底板本体以及位于脚底板本体左右两侧的支撑侧板，两个支撑侧板沿脚底板本体向下延伸，当折叠轮处于折叠轮收拢状态时，各个折叠轮收拢至由脚底板本体与两个支撑侧板围成的容纳空间内。
21.作为足部机构的优选方案，所述不完全齿轮包括齿盘以及设置在齿盘外缘上的一段连续啮合齿，所述脚底板上开有供折叠轮驱动支架上下穿过的条形槽，条形槽沿前后方向延伸，当折叠轮驱动支架完全展开呈竖直状态时，通过条形槽前端面抵挡住折叠轮驱动支架前侧，实现对折叠轮驱动支架的锁紧。
22.本发明相比现有技术具有以下优点：
23.1、本发明提供的一种用于无人变胞车的带折叠轮自锁功能的足部机构，通过在脚底板上设置能收放的折叠轮，可根据实际需求选择将折叠轮放下呈展开状态，或是将折叠轮收起呈收拢状态，使用方便灵活，且当折叠轮机构处于展开状态时，能通过折叠轮自锁机构对处于展开状态的折叠轮进行锁定，有效避免其因为受到地面冲击而发生移位，保证了其展开状态的稳定性。将上述折叠轮机构应用于无人变胞车的足部机构，当无人变胞车需要在行驶条件下实现汽车态到类人态的重构时，踝关节机构会做前摆运动，这时控制折叠轮向竖直方向放下呈展开状态，折叠轮会先与地面进行接触，减少了当脚底板与地面直接接触时产生的冲击与摩擦，从而避免了脚底板与地面直接接触造成足部机构的损坏，保护了无人变胞车的整体结构。此外，由于在足部机构设置了能收放的折叠轮，无人变胞车在进行由汽车态到类人态的重构时，无须在无人变胞车静止的状态下进行重构，而可以在无人变胞车行驶的过程中即可完成重构，大大节省了整个无人变胞车的重构时间，提高了重构变形的效率。
24.2、本发明提供的一种用于无人变胞车的带折叠轮自锁功能的足部机构，其折叠轮自锁机构通过锁紧驱动机构驱动锁紧齿轮转动，在第一锁紧连杆和第二锁紧连杆的作用下带动锁紧滑块前后移动，从而通过锁紧滑块后移推动锁紧块下移，或者通过锁紧滑块前移释放锁紧块并在弹性部件作用下拉动锁紧块上移，实现对折叠轮锁紧支架的锁定或解锁，此种结构设计巧妙，布局紧凑，锁定效果好。且锁紧驱动机构与折叠轮驱动机构共用一个驱动电机，由不完全齿轮的摆动先后带动折叠轮驱动齿轮和锁紧齿轮摆动，节省了能源的同时，实现了折叠轮收放状态与折叠轮自锁机构锁紧解锁状态的联动，保证了锁定效果。
25.3、本发明提供的一种用于无人变胞车的带折叠轮自锁功能的足部机构，当无人变胞车以汽车态轮式行驶时，折叠轮机构的折叠轮可以向上收拢至不超出脚底板底端，大大地节省了空间。
26.4、本发明提供的一种用于无人变胞车的带折叠轮自锁功能的足部机构，当无人变胞车需以类人态进行行走时，该足部机构可以实现双足的折叠轮收回，从而无人变胞车可以以脚底板与地面直接接触行走，避免了只依靠折叠轮与地面接触行走时的不稳定性。
附图说明
27.图1是本发明处于折叠轮展开状态的足部机构立体图。
28.图2是本发明处于折叠轮收拢状态的足部机构立体图。
29.图3是本发明的折叠轮自锁机构处于锁定状态的立体图。
30.图4是本发明的折叠轮自锁机构处于解锁状态的立体图。
31.图5是本发明的踝关节机构的立体图。
32.图6是本发明的踝前摆机构的立体爆炸图。
33.图中标号：
34.1脚底板；11脚底板本体；12支撑侧板；13条形槽；
35.2折叠轮机构；21折叠轮；22主连杆；23折叠轮驱动支架；24折叠轮锁紧支架；25锁紧块；26拉簧；27锁紧齿轮；28锁紧滑块；29第一锁紧连杆；210第二锁紧连杆；211滑轨；212驱动电机；213折叠轮驱动齿轮；214不完全齿轮；
36.3踝关节机构；31踝关节连接架；32安装环；33踝前摆电机；34太阳轮；35行星轮；36齿圈；37安装板；38踝侧摆电机；
37.4小腿构件。
具体实施方式
38.下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
39.参见图1至图6，本实施例公开了一种用于无人变胞车的带折叠轮自锁功能的足部机构，包括脚底板1、踝关节机构3和折叠轮机构2。
40.脚底板1通过踝关节机构3与无人变胞车的小腿构件4相连接，通过踝关节机构3带动脚底板1相对于小腿构件4前后摆动和左右摆动。踝关节机构3包括踝前摆机构和踝侧摆机构。
41.踝前摆机构包括踝关节连接架31，踝关节连接架31左右两端分别设有安装环32，两个安装环32与小腿构件4底部之间通过轴承转动连接，通过踝前摆电机33和行星齿轮减速机构带动踝关节连接架31相对于小腿构件4前后摆动，踝前摆电机33安装在踝关节连接架31上，行星齿轮减速机构包括太阳轮34、围绕太阳轮34的若干行星轮35、以及齿圈36，太阳轮34固定在踝前摆电机33的输出轴上，齿圈36固定在踝关节连接架31上，若干行星轮35的行星轮35轴固定在小腿构件4上。
42.踝侧摆机构包括固定在脚底板1上的前后两个安装板37，两个安装板37分别位于踝关节连接架31的前后两侧，踝关节连接架31前后两端分别通过轴承转动安装在两个安装板37上，踝侧摆电机38的输出轴与其中一个安装板37固定连接，通过踝侧摆电机38带动两个安装板37相对于踝关节连接架31左右摆动，从而带动脚底板1相对于踝关节连接架31左右摆动。
43.由踝前摆电机33可带动踝关节连接架31以及整个脚底板1相对于小腿构件4前后摆动，由踝侧摆电机38可带动脚底板1相对于踝关节连接架31左右摆动。无人变胞车主要使用于灾难救险、反恐防暴等工作，其工作地面大多崎岖不平、具有障碍物，故其足部机构的
踝关节机构3设计为具有两个自由度，以保证无人变胞车移动时的灵活稳定性以及与地形环境的适应性。
44.折叠轮机构2设置在脚底板1上，折叠轮机构2包括设置在脚底板1左右两侧的左右两个折叠轮单元，每个折叠轮单元包括前后排列的至少两个折叠轮21，每个折叠轮21转动安装在折叠轮支架上，折叠轮支架顶端通过第一铰接轴转动安装在脚底板1上，第一铰接轴沿左右方向延伸，每个折叠轮单元的若干折叠轮支架通过一组连杆机构连接在一起，每组连杆机构包括主连杆22，每个折叠轮单元的各个折叠轮支架中段分别通过第二铰接轴与主连杆22铰接，第二铰接轴沿左右方向延伸。通过折叠轮驱动机构带动其中一个折叠轮支架绕第一铰接轴转动，设与折叠轮驱动机构相连接的折叠轮支架为折叠轮驱动支架23，在连杆机构的带动下单个折叠轮单元的若干折叠轮支架随着折叠轮驱动支架23一起转动，折叠轮21向下伸出脚底板1之下的状态为折叠轮21展开状态，折叠轮21向上摆动至不超出脚底板1底端的状态为折叠轮21收拢状态。
45.脚底板1包括水平的脚底板本体11以及位于脚底板本体11左右两侧的支撑侧板12，两个支撑侧板12沿脚底板本体11向下延伸，当折叠轮21处于折叠轮21收拢状态时，各个折叠轮21收拢至由脚底板本体11与两个支撑侧板12围成的容纳空间内。
46.通过折叠轮21自锁机构对处于折叠轮21展开状态的其中一个折叠轮支架进行锁定，设与折叠轮21自锁机构相配合的折叠轮支架为折叠轮锁紧支架24，折叠轮21自锁机构包括锁紧块25，脚底板1上开有供锁紧块25上下移动的竖向槽，脚底板1上在位于锁紧块25上方的部位设有弹性部件，弹性部件采用拉簧26，锁紧块25悬吊设置在弹性部件底部，自然状态下，通过弹性部件拉动锁紧块25处于上极限位置，通过锁紧传动机构带动锁紧块25向下移动处于下极限位置，此时锁紧块25向下伸出脚底板1之下并位于折叠轮锁紧支架24后侧，通过锁紧块25抵挡在折叠轮锁紧支架24后侧，实现对处于折叠轮21展开状态的折叠轮锁紧支架24的锁定。
47.锁紧传动机构包括锁紧齿轮27、锁紧滑块28、第一锁紧连杆29和第二锁紧连杆210，锁紧滑块28位于锁紧块25前方，锁紧滑块28滑动设置在脚底板1上且能沿着脚底板1的前后方向来回滑动，脚底板1上设有滑轨211，滑轨211上开有沿前后方向延伸的滑槽，锁紧滑块28滑动安装在滑槽内。第一锁紧连杆29后端与第二锁紧连杆210前端相铰接，第二锁紧连杆210后端与锁紧滑块28相铰接，第一锁紧连杆29前端固定在锁紧齿轮27的安装轴上，锁紧齿轮27转动安装在脚底板1上，通过锁紧驱动机构驱动锁紧齿轮27转动，从而带动第一锁紧连杆29摆动，进而通过第二锁紧连杆210带动锁紧滑块28前后移动，使得锁紧滑块28远离或靠近锁紧块25，锁紧滑块28与锁紧块25之间采用斜面配合或是外凸的圆弧面配合。当锁紧滑块28向后移动时，锁紧滑块28便会推动锁紧块25下移。
48.锁紧驱动机构与折叠轮驱动机构共用一个驱动电机212，驱动电机212安装在脚底板1上，脚底板1上转动安装有折叠轮驱动齿轮213，折叠轮驱动支架23顶端固定在折叠轮驱动齿轮213的安装轴上，驱动电机212的输出轴沿左右方向延伸，驱动电机212的输出轴上固定有不完全齿轮214，折叠轮驱动齿轮213和锁紧齿轮27呈前后并排设置，且折叠轮驱动齿轮213和锁紧齿轮27分别与上方的不完全齿轮214相啮合，通过驱动电机212带动不完全齿轮214摆动，从而带动折叠轮驱动齿轮213和锁紧齿轮27做相应的摆动，进而实现折叠轮驱动支架23的展开或收拢，以及实现对折叠轮锁紧支架24的锁紧或解锁。
49.不完全齿轮214包括齿盘以及设置在齿盘外缘上的一段连续啮合齿，脚底板1上开有供折叠轮驱动支架23上下穿过的条形槽13，条形槽13沿前后方向延伸，当折叠轮驱动支架23完全展开呈竖直状态时，通过条形槽13前端面抵挡住折叠轮驱动支架23前侧，实现对折叠轮驱动支架23的锁紧，有效加强了处于展开状态的整个折叠轮支架的锁紧效果。
50.锁紧驱动机构具体的传动过程为：
51.当需要折叠轮21展开时，通过驱动电机212带动不完全齿轮214摆动，不完全齿轮214通过其上的连续啮合齿带动折叠轮驱动齿轮213做相应的摆动，折叠轮驱动齿轮213带动折叠轮驱动支架23一起向前下方摆动，直至折叠轮驱动支架23呈竖直状态为止，此时，在连杆机构的带动下，各个折叠轮支架随着叠轮驱动支架23一起摆动，各个折叠轮支架底端的折叠轮21均向下伸出脚底板1的支撑侧板12之下，各个折叠轮21与地面接触，折叠轮21处于展开状态；在此过程中，不完全齿轮214通过其上的连续啮合齿同时带动锁紧齿轮27摆动，锁紧齿轮27再通过两个锁紧连杆向后推动锁紧滑块28，在折叠轮驱动支架23完全展开呈竖直状态前，锁紧滑块28先向后移动一段自由行程，当折叠轮驱动支架23完成展开呈竖直状态时，锁紧滑块28正好下压锁紧块25，锁紧块25下移抵挡在折叠轮锁紧支架24的后侧，实现对折叠轮锁紧支架24的锁定，条形槽13前端面正好抵挡住折叠轮驱动支架23前侧，限制了折叠轮驱动支架23继续向前摆动，实现了对折叠轮驱动支架23的锁紧。
52.当需要折叠轮21收拢时，通过驱动电机212带动不完全齿轮214反向摆动，不完全齿轮214再带动锁紧齿轮27反向摆动，锁紧齿轮27再通过两个锁紧连杆向前拉动锁紧滑块28，使得锁紧滑块28脱离锁紧块25，在拉簧26的作用下，锁紧块25上移复位，则锁紧块25脱离折叠轮锁紧支架24，实现对折叠轮锁紧支架24的解锁。之后随着不完全齿轮214继续转动，当不完全齿轮214的连续啮合齿与折叠轮驱动齿轮213相啮合时，连续啮合齿便会带动折叠轮驱动齿轮213反向摆动，折叠轮驱动齿轮213带动折叠轮驱动支架23一起向后上方摆动，折叠轮驱动支架23带动其上的折叠轮21向后收起，此时，在连杆机构的带动下，各个折叠轮支架随着叠轮驱动支架23一起向后上方摆动，各个折叠轮支架底端的折叠轮21均收纳在脚底板1的容纳空间内，折叠轮21处于收拢状态。
53.锁紧驱动机构与折叠轮驱动机构采用同一个驱动电机212作为驱动源，节省了能源的同时，实现了折叠轮21收放状态与折叠轮21自锁机构锁紧解锁状态的联动，保证了锁定效果。
54.该无人变胞车在行驶中由汽车态到类人态的重构过程，即是一个由轮式行驶向腿足跨步行走的复杂运动转换过程，需要有速度的连贯性及运动方式的机构适应性，这包括两个方面：一方面，在行驶中折叠的腿部构件向下打开支撑到地面时，为了避免由快速轮式行驶切换为慢速腿足行走时，由于速度差而产生的惯性失稳，需要先展开足部机构的折叠轮21，让折叠轮21与地面先接触，使得足部机构仍然以轮式行驶以保证重构的速度连贯性及稳定性；另一方面，在类人态跨步行走或跨步上楼梯时，为了避免足部的折叠轮21滑动导致行走不稳，需要将折叠轮21向上收拢，以平底的脚底板1行走。
55.以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。