本發(fā)明涉及一種機器人的行走機構，特別是一種可變形非圓滾動的氣動軟體行走輪。

背景技術：

隨著科學探索的不斷進步，機器人需要在更復雜的環(huán)境下運行，如星球探測機器人，軍事機器人以及其他野外作業(yè)移動機器人。野外地形環(huán)境可能會崎嶇不平，有巖石或者洼地，復雜的地形考驗機器人的行進系統(tǒng)。

目前的機器人行走機構一般由剛性材料構成，采用圓形滾動，如武漢大學研究設計的全地形行走輪(專利號為201520214064.1)，這款行走輪中間為設有中心軸的機械輪，外部固定連接有若干個具有彈性的鋸齒狀金屬片。通過改變機械輪中連桿在凸輪中的位置，可使金屬片產生形變，來適應沙地等非結構環(huán)境下的復雜地形，能夠實現(xiàn)設計要求。

然而，上述機器人行走機構仍存在著如下不足：

1.吸震能力差、平穩(wěn)性差：當在崎嶇路面上行走時，會因運行路面的崎嶇而產生較大震動或晃動。當具有該行走機構的機器人負載有精密設備時，由于前述的較大震動或晃動，會對內部儀器的測量精度產生較大影響，嚴重的，還可能會對其內部設備造成損壞。

2.爬坡性差：當輪子與崎嶇地面或障礙物的接觸面坡度過大(超過20％)時，會出現(xiàn)輪子與接觸面的摩擦力過小，進而發(fā)生打滑導致通過性差，甚至無法行走等情況。

3.環(huán)境適應性差：對于未知環(huán)境適應能力低，由于采用剛性材料，車輪形式固定，不能任意改變輪形和輪徑以適應環(huán)境，也無法穿過低于其高度的巖洞和障礙等復雜空間。

4.若輪子外部未采用輪胎等柔性裝置，則其外部的剛性材料可能會對其通過的空間造成一定的破壞會對生態(tài)造成一定的破壞。同時，崎嶇路面上的碎石等堅固的障礙物也會給行走機構的外部剛性材料，造成一定的損傷，導致其使用壽命大大降低。

5.一般行走機構會給輪子安裝外置避震機構，但外置避震機構結構復雜，制造成本較高，損壞后修理較為繁瑣。

因此，為解決以上問題，需要針對崎嶇路面等復雜地形對移動系統(tǒng)高動態(tài)特性和強環(huán)境適應性的需求，提出一種適應崎嶇地形等復雜環(huán)境的可變形非圓滾動氣動軟體行走輪，以克服現(xiàn)有行走輪在復雜環(huán)境下存在通過性差和行駛平穩(wěn)性差缺點，以提高車輪在復雜地形上的適應性和良好的平穩(wěn)性。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術問題是針對上述現(xiàn)有技術的不足，而提供一種可變形非圓滾動的氣動軟體行走輪，該可變形非圓滾動的氣動軟體行走輪能克服現(xiàn)有行走輪在復雜環(huán)境下存在通過性差和行駛平穩(wěn)性差的缺點，以提高車輪在復雜地形上的適應性和良好的平穩(wěn)性。

為解決上述技術問題，本發(fā)明采用的技術方案是：

一種可變形非圓滾動的氣動軟體行走輪，包括外環(huán)、內環(huán)、外支撐桿、內支撐桿、流體驅動器、氣管和氣泵。

外環(huán)的外截面輪郭線為正n邊形，也即外環(huán)的外側具有n個長度相等的安裝固定面和n個交接點，其中n≥3。

外環(huán)、內環(huán)和氣泵從外至內依次同心布置；氣泵與內環(huán)之間通過若干根內支撐桿相連接，外環(huán)與內環(huán)之間通過若干根外支撐桿相連接，外支撐桿和內支撐桿的數(shù)量均與安裝固定面的數(shù)量相等；外支撐桿和內支撐桿均為中空結構，且相互連通。

每個安裝固定面上均并列設置有兩個流體驅動器，兩個流體驅動器分別為順時針流體驅動器和逆時針流體驅動器；每個流體驅動器的一端與對應安裝固定面的一端直接固定連接，形成固定端；順時針流體驅動器的固定端和逆時針流體驅動器的固定端位于對應安裝固定面的不同端。

每個流體驅動器均包括相互固定連接的應變限制底層和彈性體層，應變限制底層能與安裝固定面相接觸，彈性體層能與路面相接觸，彈性體層的彈性大于應變限制底層的彈性。

每個彈性體層內設置有一根氣管，氣管從位于固定端側的彈性體層穿出，再依次穿過外環(huán)上對應的交接點、外支撐桿的中空腔、內環(huán)和內支撐桿的中空腔后，與氣泵相連接。

外環(huán)由彈性材料制作形成，外環(huán)的彈性小于彈性體層的彈性。

每根外支撐桿的長度均能夠伸縮，每根外支撐桿上均設置有線性伸縮驅動裝置。

線性伸縮驅動裝置為伸縮電機或伸縮氣缸。

每個流體固定器的另一端與對應安裝固定面的另一端通過彈性件相連接，形成彈性接觸端。

彈性件為彈簧或橡皮筋。

彈性體層內設置有若干個空腔，每個空腔均與伸入彈性體層內的氣管相連通。

每個流體驅動器的外頂面上均設置有若干條頂層溝槽。

每個流體驅動器的側面均設置有若干條側面凹槽。

本發(fā)明采用上述結構后，具有如下有益效果：

1.本發(fā)明采用軟體材料，相比傳統(tǒng)剛體材料，不僅克服了傳統(tǒng)剛體輪大而笨重的缺點，同時在環(huán)境適應性方面表現(xiàn)更為優(yōu)異，可在如崎嶇路面或松軟路面等工作環(huán)境下運行。本發(fā)明具有充分的環(huán)境適應性，能通過自身軟體材料變形的方式與障礙物或周邊環(huán)境相容，在有限的空間內能靈活運動，從而更好的適應環(huán)境。

2.氣動軟體行走輪外觀為近似圓形，行進方式為滾動，相比一些蠕動或者爬行等行進方式，在崎嶇路面行走時，與路面的接觸面積更小，摩擦力也相對小，行進的阻力相對較小，較為節(jié)能。

3.氣動軟體行走輪依靠多個流體驅動器所驅動，通過流體驅動器的變形彎曲使輪子運動，一個流體驅動器可使輪子向前(或向后)運動一步，其一步一步的滾動行走，控制精度相比一般的圓形滾動更精確；同時流體驅動器上的頂層溝槽、側面凹槽和非圓滾動的運動方式，對崎嶇路面的壓力會比圓形滾動的更大，摩擦力也相對增大，能降低打滑現(xiàn)象發(fā)生的可能性。

4.越障能力好，由于本身由軟體材料構成，在崎嶇地形上行走時，外部的軟體材料可起到緩沖減震的作用，當需要穿過低于行走輪或具有行走輪車體的機器人高度的狹小空間時，可通過外支撐桿的伸縮及外環(huán)的變形來適應環(huán)境，無需重新設計和制造。

5.依靠外部軟體材料來避震，結構簡單，而非傳統(tǒng)剛性輪依靠外置減震機構，結構簡單，獨立性更強。

6.設計簡單，工作原理簡明易懂，在實際應用中可以做到原料價格低廉，制作工藝簡單易實現(xiàn)。

7.僅通過流體驅動器就能實現(xiàn)對行走輪的驅動，驅動方式簡單清潔，易于實現(xiàn)，對環(huán)境不會造成任何污染，節(jié)能環(huán)保。

附圖說明

圖1顯示了本發(fā)明一種可變形非圓滾動的氣動軟體行走輪的結構示意圖。

圖2顯示了本發(fā)明一種可變形非圓滾動的氣動軟體行走輪的側視圖。

圖3顯示了本發(fā)明流體驅動器的橫截面剖視圖。

圖4顯示了順時針流體驅動器及逆時針流體驅動器的拼裝圖。

圖5顯示了流體驅動器中氣管的走向圖。

圖6顯示了氣動軟體行走輪正常行走時的運動狀態(tài)圖。

圖7顯示了本發(fā)明氣動軟體行走輪遇到障礙物時變形的示意圖。

圖8顯示了本發(fā)明氣動軟體行走輪局部變形時的示意圖。

圖9顯示了本發(fā)明氣動軟體行走輪剛與巖洞等接觸時的示意圖。

圖10顯示了本發(fā)明氣動軟體行走輪高度降低后通過巖洞時的示意圖。

圖11顯示了現(xiàn)有技術中剛性輪爬坡時的力學平面分析圖。

圖12顯示了本發(fā)明中可變形非圓滾動的氣動軟體行走輪爬坡時的力學平面分析圖。

圖13顯示了本發(fā)明流體驅動器的材料結構圖。

其中有：

1.流體驅動器；2.外環(huán)；3.伸縮電機；4.外支撐桿；5.內環(huán)；6.氣管；7.內支撐桿；8.氣泵；9.電池；10.彈性體層；11.側面凹槽；12.應變限制底層；13.頂層溝槽；17.氣腔；18.順時針流體驅動器；19.逆時針流體驅動器。

具體實施方式

下面結合附圖和具體較佳實施方式對本發(fā)明作進一步詳細的說明。

如圖1和圖2所示，一種可變形非圓滾動的氣動軟體行走輪，包括外環(huán)2、內環(huán)5、外支撐桿4、內支撐桿7、流體驅動器1、氣管6和氣泵8。

外環(huán)的外截面輪郭線為正n邊形，也即外環(huán)的外側具有n個長度相等的安裝固定面和n個交接點，其中n≥3。

外環(huán)的外截面輪郭線優(yōu)選為正八變形，也即外環(huán)的外側具有八個長度相等的安裝固定面和八個交接點。

上述正n邊形的設置，使得流體驅動器易于安裝，而且滾動頻率一致，控制精度高。

作為替換，外環(huán)的外截面輪郭線也可以為正五邊形或正六邊形等，均在本發(fā)明的保護范圍之內。

外環(huán)2、內環(huán)5和氣泵8從外至內依次同心布置，氣泵設置在圓心部位，內環(huán)同心設置在氣泵的外周，外環(huán)同心設置在內環(huán)的外周。

氣泵與內環(huán)之間通過若干根內支撐桿7相連接，外環(huán)與內環(huán)之間通過若干根外支撐桿4相連接，外支撐桿和內支撐桿的數(shù)量均與安裝固定面的數(shù)量相等，均優(yōu)選為8根。

如圖8所示，8根外支撐桿分別為4a、4b、4c、4d、4e、4f、4g和4h。

內環(huán)、外支撐桿和內支撐桿均由剛性材料制作。從而對氣泵和電池等設備能起支撐作用，防止因行走子變形對設備產生損害。

內環(huán)上均布有n個通孔，優(yōu)選為八個，方便外支撐桿和內支撐桿的固定連接。外支撐桿和內支撐桿均為中空結構，且通過內環(huán)的對應通孔后相互連通。

支撐架內通有氣管和控制線路。內環(huán)內的氣泵和電池固定連接在一起

每根外支撐桿的長度均優(yōu)選能夠伸縮，每根外支撐桿上均優(yōu)選設置有線性伸縮驅動裝置。由線性伸縮驅動裝置驅動對應外支撐桿的長度伸縮。進一步，每個線性伸縮驅動裝置均優(yōu)選為伸縮電機3或伸縮氣缸等。

進一步，外環(huán)優(yōu)選由彈性材料制作形成，外環(huán)的彈性優(yōu)選小于流體驅動器的彈性。

每個安裝固定面上均并列設置有兩個流體驅動器1，兩個流體驅動器分別為順時針流體驅動器18和逆時針流體驅動器19。

每個流體驅動器的一端與對應安裝固定面的一端優(yōu)選采用粘接等方式直接固定連接，形成固定端。固定端能防止流體驅動器及流體驅動器內氣管的漂移等。

每個流體固定器的另一端與對應安裝固定面的另一端優(yōu)選通過彈性件相連接，形成彈性接觸端。彈性件優(yōu)選為彈簧或橡皮筋。彈性件能輔助流體固定器快速恢復至原位，也即與安裝固定面相配合的位置。

如圖4所示，順時針流體驅動器的固定端和逆時針流體驅動器的固定端位于對應安裝固定面的不同端。

如圖13所示，每個流體驅動器均包括相互固定連接的應變限制底層12和彈性體層10，應變限制底層能與安裝固定面相接觸，彈性體層能與路面相接觸，彈性體層的彈性大于應變限制底層以及外環(huán)的彈性。

如圖3所示，每個彈性體層內設置有一根氣管6，氣管從位于固定端側的彈性體層穿出，再依次穿過外環(huán)上對應的交接點、外支撐桿的中空腔、內環(huán)和內支撐桿的中空腔后，與氣泵相連接。

進一步，彈性體層內優(yōu)選設置有若干個空腔，每個空腔均與伸入彈性體層內的氣管相連通。

進一步，每個流體驅動器的外頂面上均優(yōu)選設置有若干條頂層溝槽13。

進一步，每個流體驅動器的側面均優(yōu)選設置有若干條側面凹槽11?？涨?7優(yōu)選放置在側面凹槽內。

上述頂層溝槽13和側面凹槽11的設置，能使彈性體層更容易形變。

一個流體驅動器可控制該輪朝一個方向運動，則將兩個個驅動器如圖4所示反向拼裝在一起，可使輪子朝兩個方向轉動。

所有上述順時針流體驅動器圍合形成順時針輪圈，通過氣泵對順時針流體驅動器的交替充氣，實現(xiàn)氣動軟體行走輪的順時針滾動。

所有上述逆時針流體驅動器圍合形成逆時針輪圈，通過氣泵對逆時針流體驅動器的交替充氣，能實現(xiàn)氣動軟體行走輪的逆時針滾動或制動。

當需要輪子右轉時，給順時針輪圈中的底層流體驅動器充氣，空腔膨脹，空腔膨脹后彈性體層發(fā)生擠壓產生較大形變(彎曲)，應變限制底層產生較小形變(彎曲)，彈性體層和應變限制底層的的應變差異使流體驅動器產生如圖6中所示的彎曲，行走輪向右順時針旋轉，側邊著地，空腔放氣后恢復初始狀態(tài)，流體驅動器在空腔擠壓的情況下恢復原狀，完成右轉運動。

同理，當需要左轉時，則給逆時針輪圈中的底層流體驅動器內的空腔充氣即可。

當需要減速時，則可通過兩個流通驅動器的同時工作實現(xiàn)反向制動，由控制器根據(jù)當前轉速得出制動力的大小，改變控制與當前運動方向相反的流體驅動器內空腔的充氣量和速度的大小來控制制動力的大小。

當需要加速時，則控制器加快給相應流體驅動器內空腔充氣的速度即可。

當需要通過低于輪子高度的巖洞空間時，如圖7至圖10所示，伸縮電機3驅動外支撐桿4做徑向伸縮運動，外支撐桿收縮。

如圖8所示，外支撐桿4a、4b、4c為非縮短狀態(tài)，保證下半部分為一個半圓，不影響輪子行走；而上半部分，在外支撐桿4d、4e、4f、4g和4h的協(xié)調作用下，可產生大變形。

同時，外環(huán)會產生較大的形變來適應外支撐桿的伸縮，也即外環(huán)被向內拉；輪子的外形從而發(fā)生變化，也即輪子整體呈收縮狀態(tài)；輪徑降低，行走輪高度降低。同時，頂部的驅動器由于未充氣，故其剛度較小，在外力擠壓后，產生了如圖10所示的變形，最終輪子輕松通過狹小的巖洞空間。

而當在沙地或松軟地面上行進時，輪子對路面的壓強為由于采用軟體材料，其質量比剛性材料較輕，故重力g較小，同時外部流體驅動器在受壓后，產生形變與接觸面的接觸面積s更大，故壓強更小，給沙地等松軟地面帶來的凹陷形變會更小，更利于行走。

當對其整體進行受力分析時，如圖11所示，采用現(xiàn)有技術中的剛性輪進行爬坡，所爬坡面的坡度為α，由于其僅受重力g，摩擦力f和支持力n的作用，故剛性輪的平面力學方程為：

豎直方向:

摩擦力：f＝μn＝μcosa

水平方向：f合＝gsina-f＝gsina-μgcosa＝g(sina-μcosa)

由上述方程可知，只有在摩擦力f足夠大的情況下才能在在坡面上穩(wěn)定運行，坡面的坡度越大，坡面對輪子的支持力減小，摩擦力也相應減小，重力的水平分力gsina也相應增大，則輪子向右下滑的可能性會增大。

如圖12所示，本發(fā)明由于多了一個變形后發(fā)生彎曲的流體驅動器的支撐，故其摩擦力為：f＝μ(g+n2)cosa，其水平方向的合力則為：f合＝gsina-μ(g+n2)cosa。此時摩擦力明顯增大，可在更大的坡度角下運動。

若將摩擦系數(shù)設為0.2，設變形后發(fā)生彎曲的流體驅動器的支撐力n2＝0.1g，經過測算，傳統(tǒng)的剛性輪至多能爬坡的坡度角為11.3°(坡度為20％)的坡面，而本發(fā)明則能攀爬坡度角為12.4°(坡度為22％)的坡面，適用性更寬泛。

以上詳細描述了本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，但是，本發(fā)明并不限于上述實施方式中的具體細節(jié)，在本發(fā)明的技術構思范圍內，可以對本發(fā)明的技術方案進行多種等同變換，這些等同變換均屬于本發(fā)明的保護范圍。