一种轮足快速切换的紧凑型被动足
阅读说明：本技术 一种轮足快速切换的紧凑型被动足 (Compact passive foot with wheel foot capable of being switched rapidly ) 是由 徐坤 秦日鹏 陈佳伟 田耀斌 邓慧超 丁希仑 于 2021-07-26 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种轮足快速切换的紧凑型被动足,包括小腿连接件、单维薄膜力传感器和轮足总成。小腿连接件实现所述可被动滑行柔性足与小腿的连接。单维薄膜力传感器实现对地面接触力的感知。轮足总成包括轮子转轴、支撑架、被动轮、第一压片、柔性足、第二压片,支撑架用于支撑被动轮和柔性足。本发明具有被动轮和柔性足两种形式,应用该发明的机器人在使用被动轮滑行时,柔性足不与地面接触且不影响被动轮的转动,应用该发明的机器人在使用柔性足行走时,地面对于柔性足的接触力使柔性足变形,压到被动轮上,柔性足对被动轮起到锁死的作用,被动轮对柔性足起到支撑的作用,最终实现对机器人的稳定支撑。(The invention discloses a compact passive foot with fast wheel-foot switching, which comprises a shank connecting piece, a one-dimensional film force sensor and a wheel-foot assembly. The shank connecting piece realizes the connection between the passively sliding flexible foot and the shank. The single-dimensional film force sensor realizes the sensing of the ground contact force. The wheel-foot assembly comprises a wheel rotating shaft, a supporting frame, a driven wheel, a first pressing sheet, a flexible foot and a second pressing sheet, wherein the supporting frame is used for supporting the driven wheel and the flexible foot. The invention has two forms of a driven wheel and a flexible foot, when the robot applying the invention slides by using the driven wheel, the flexible foot is not contacted with the ground and does not influence the rotation of the driven wheel, when the robot applying the invention walks by using the flexible foot, the contact force of the ground to the flexible foot deforms the flexible foot and presses the flexible foot on the driven wheel, the flexible foot plays a role in locking the driven wheel, the driven wheel plays a role in supporting the flexible foot, and finally the stable support of the robot is realized.)
技术领域
本发明属于足式移动机器人足端设计领域，尤其涉及一种轮足快速切换的紧凑型被动足。
背景技术
足式机器人通过不同地面时，会采用不同的足实现与地面可靠的接触。对于小型轻载的足式机器人，足端形状多采用半球形或半圆柱形，并且足端具有一定的柔性以减缓足与地面接触时的冲击。为了提高足式机器人的移动速度，足式机器人可以采用主动或被动的轮形足，采用滑行的方式移动。目前足式机器人的足端要么采用单一的形式，只能适应特定的一种状况，要么引入新的用于切换足端的自由度，虽然实现了不同足端切换的功能但增加了足端的重量和结构复杂度，限制了足式机器人的动态性能。因此，针对小型轻载的足式机器人，设计多形式、轻质量的机械足具有十分重要的意义。
发明内容
为了克服现有技术中足式移动机器人足端形式单一或重量大结构复杂的问题，本发明提出一种轮足快速切换的紧凑型被动足，应用本发明的机器人可实现更加灵活的运动。
本发明轮足快速切换的紧凑型被动足，包括用于连接小腿的小腿连接件以及单维薄膜力传感器和轮足总成。
所述轮足总成包括轮子转轴、支撑架、被动轮、第一压片、柔性足、第二压片，其中，支撑架用于支撑被动轮和柔性足。被动轮通过所述轮子转轴与所述支撑架形成稳定支撑，所述被动轮可以绕所述轮子转轴自由转动。柔性足为中空结构，所述柔性足包裹在所述被动轮外侧，自由状态下，所述柔性轮和被动轮不直接接触，使被动轮着地时可以自由转动。柔性足与地面接触且承重时，地面的接触力使所述柔性足变形，压到被动轮上，此时柔性足锁死被动轮，由被动轮提供柔性足的稳定支撑。第一压片和所述第二压片通过螺钉和支撑架连接，用于压紧柔性足，使柔性足有稳定的支撑。单维薄膜力传感器安装于支撑架与小腿连接件间，用于感知小腿与底面接触力。
上述支撑架与小腿连接件间周向设计有对称的螺孔，根据需要由螺钉穿过对应位置的螺孔，可实现被动轮与小腿间的夹角调节，使被动轮更有利于滑行。
本发明的优点在于：
(1)本发明轮足快速切换的紧凑型被动足中，被动轮和柔性足一体设计，没有引入新的用于切换的自由度，重量更轻，结构更简单。
(2)本发明轮足快速切换的紧凑型被动足中，被动轮和柔性足可快速切换，对于传统3自由度四足机器人，机器人可以通过改变机器人腿部构型为内凹或外凸而快速切换为被动轮或柔性足。
(3)本发明轮足快速切换的紧凑型被动足中，单维薄膜力传感器承压能力强，不会出现足与地面接触时的冲击破坏力传感器的问题，且结构简单，质量轻。
(4)本发明轮足快速切换的紧凑型被动足中，支撑架的安装孔可以调整被动轮与小腿的夹角，使被动轮更有利于滑行。
(5)本发明轮足快速切换的紧凑型被动足中，被动轮和所述柔性足同轴安装，整体结构紧凑。
附图说明
图1为本发明轮足快速切换的紧凑型被动足结构示意图。
图2为本发明轮足快速切换的紧凑型被动足爆炸图。
图3为应用本发明轮足快速切换的紧凑型被动足的四足机器人准备进行轮足切换时姿态示意图。
图4为应用本发明轮足快速切换的紧凑型被动足的四足机器人切换为轮行状态下方式一示意图；
图5为应用本发明轮足快速切换的紧凑型被动足的四足机器人切换为轮行状态下方式二示意图；
图6为应用本发明轮足快速切换的紧凑型被动足的四足机器人切换为足行状态下方式一示意图；
图7为应用本发明轮足快速切换的紧凑型被动足的四足机器人切换为足行状态下方式二示意图；
图中：
1-小腿连接件 2-单维薄膜力传感器 3-轮足总成
301-轮子总成 302-支撑架 303-被动轮
304-第一压片 305-柔性足 306-第二压片
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
本发明轮足快速切换的紧凑型被动足，包括小腿连接件1、单维薄膜力传感器2、以及由轮子转轴301、支撑架302、被动轮303、第一压片304、柔性足305、第二压片306构成的轮足总成3，如图1、图2所示。
所述小腿连接件1上部为圆筒结构，用于与足式机器人小腿间插接配合固定连接，底面为圆盘形结构，用于配合支撑架302顶部等尺寸圆盘形结构连接单维薄膜力传感器，该单维薄膜力传感器顶面与底面分别与小腿连接件1底面和支撑架302顶面贴合并胶结固定，用于感知小腿与地面的接触力。支撑架302下部设计为左右设置相互平行的夹板302a，用于连接被动轮303。
所述被动轮303具有中心孔，中心孔内通过轴承同轴插接轮子转轴301。轮子转轴301两端分别与前述支撑架302下部左右侧夹板302b固连，且被动轮303左右两侧分别与左右侧夹板302b间间隙配合。
所述柔性足305采用半圆弧形轮罩，半圆弧形轮罩具有左右两侧连接面以及两侧连接面之间的半圆弧形着地面，且连接面与着地面相接位置圆弧过渡。两侧连接面中部设计有半圆弧槽305a，半圆弧槽305a周向上等角度间隔开有螺孔，用于连接支撑架302。
上述柔性足305罩在被动轮303外侧，顶部开口规避支撑架302下部两侧板302a，通过第一压片304与第二压片306实现柔性足305与支撑架302间的连接，具体方式如下：由半圆弧形轮罩住被动轮303前半部或后半部，并使两侧连接面上的半圆弧槽305a与被动轮303同轴设置，使半圆弧形轮罩的两侧的半圆弧槽305a轴向上的螺孔分别与支撑架302的两侧夹板302b上开设的螺孔位置一一对应，且保证自由状态下柔性足与被动轮303不接触，保证被动轮303的转动。
第一压片304与第二压片306为半圆弧连接件，且周向上等角度间隔开有螺孔。第一压片304与第二压片306分别位于被动轮303两侧，分别与半圆弧形轮罩两侧的半圆弧槽305a周向贴合设置，且第一压片304与第二压片306上的螺孔分别与弧形轮罩两侧的半圆弧槽305a周向上的螺孔位置一一对应。由此通过在被动轮303同侧的压片、板圆弧槽以及夹片302b上对应的螺孔内安装螺钉拧紧，将柔性足305压紧于支撑架302两侧夹板302b上，实现柔性足305与支撑架间的固定。
上述结构被动足通过小腿连接件1安装于四足机器人各小腿末端，在四足机器人腿部姿态切换前后，分别可实现被动轮303着地与柔性足305着地，实现轮腿切换。其中，柔性足305采用橡胶材料，通过其柔性特性，使得机器人在采用柔性足305行走时，柔性足305会会产生变形，压紧于被动轮303上，由被动轮303为柔性足305提供稳定的支撑，同时由于柔性足305与轮动轮303接触，限制了被动轮303的转动。
实施例：
足式机器人为四足机器人。在四足机器人四条腿的小腿部分末端插接固定本发明被动足，如图3所示，且插接后每条小腿末端的被动足中轮罩朝向四足机器人后方。由此通过四足机器人的构型变换，实现柔性足305和被动轮303间的切换，快速且没有增加额外的自由度。
具体方式为：
在进行切换前，控制四足机器人的四条腿同步运动，使所有腿呈竖直状态，如图3所示，此时被动足中柔性足305下端触地。随后，即可控制四足机器人由柔性足305到被动轮303的切换，或由被动轮303到柔性足305的切换。
在进行柔性足305到被动轮303的切换时，具有两种方式：
方式1：控制四足机器人四条腿的大腿向前转动，同时小腿向后转动，形成图4所示姿态。
方式2：控制四组机器人四条腿的前侧两条大腿向前转动，后侧两条大腿向后转动；同时前侧两条小腿向后转动，后侧两条小腿向前转动，形成图5所示姿态。
通过上述两种方式改变被动足的着地点位置，此时被动轮着地，四足机器人为轮行状态。
在进行被动轮303到柔性足305的切换时，同样具有两种方式：
方式1：控制四足机器人的四条腿的大腿向后转动，同时小腿向前转动，形成图6所示姿态。
方式2：控制四组机器人四条腿的前侧两条大腿向后转动，后侧两条大腿向前转动；同时前侧两条小腿向前转动，后侧两条小腿向后转动，形成图7所示姿态。
通过上述两种方式改变被动足的着地点位置，此时柔性足着地，四足机器人为足行状态。
本发明中为保证在足式机器人轮行和足行状态下，小腿的活动范围一致，设计柔性足下端为一斜面，使整个柔性足两端端面间形成80度夹角，进而在四足机器人小腿运动(小腿与地面的夹角发生变化)的时候，柔性足更容易碰到地面。
本发明中还在小腿连接件1底面周向等角度间隔位置设计4组螺孔，每组螺孔为3个，且相邻两侧螺孔中心连线垂直。同时在支撑架302顶面上位于各个螺孔相对位置开孔。由此通过螺钉根据实际需要穿过相对应的螺孔连接支撑架302与小腿连接件1，可实现支撑架302与小腿连接件1底面间夹角调节，进而实现被动足303与足式机器人小腿夹角在-20°，0°或20°间进行调节。
本发明所设计的轮足快速切换的紧凑型被动足，使得足式机器人可以利用重力作为能量来源驱动机器人前进，如应用该发明的四足机器人在使用被动轮滑行时可以快速且节能的通过下坡路段。同时柔性足的设计使足式机器人对高低不平地面具有一定适应能力，如爬台阶，过草地等。
综上本发明设计的被动轮和柔性足一体化结构的轮足快速切换的紧凑型被动足，在结构简单的同时可实现足式机器人轮行与足行间及其快速的切换，融合了足式行走和轮式滑行的优势，在尽可能小的增加系统复杂度的同时极大的扩展了足式机器人的性能，有望进一步推动移动机器人的发展与应用。
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