一种可变形非圆滚动的气动软体行走轮的制作方法

本发明涉及一种机器人的行走机构，特别是一种可变形非圆滚动的气动软体行走轮。

背景技术：

随着科学探索的不断进步，机器人需要在更复杂的环境下运行，如星球探测机器人，军事机器人以及其他野外作业移动机器人。野外地形环境可能会崎岖不平，有岩石或者洼地，复杂的地形考验机器人的行进系统。

目前的机器人行走机构一般由刚性材料构成，采用圆形滚动，如武汉大学研究设计的全地形行走轮(专利号为201520214064.1)，这款行走轮中间为设有中心轴的机械轮，外部固定连接有若干个具有弹性的锯齿状金属片。通过改变机械轮中连杆在凸轮中的位置，可使金属片产生形变，来适应沙地等非结构环境下的复杂地形，能够实现设计要求。

然而，上述机器人行走机构仍存在着如下不足：

1.吸震能力差、平稳性差：当在崎岖路面上行走时，会因运行路面的崎岖而产生较大震动或晃动。当具有该行走机构的机器人负载有精密设备时，由于前述的较大震动或晃动，会对内部仪器的测量精度产生较大影响，严重的，还可能会对其内部设备造成损坏。

2.爬坡性差：当轮子与崎岖地面或障碍物的接触面坡度过大(超过20％)时，会出现轮子与接触面的摩擦力过小，进而发生打滑导致通过性差，甚至无法行走等情况。

3.环境适应性差：对于未知环境适应能力低，由于采用刚性材料，车轮形式固定，不能任意改变轮形和轮径以适应环境，也无法穿过低于其高度的岩洞和障碍等复杂空间。

4.若轮子外部未采用轮胎等柔性装置，则其外部的刚性材料可能会对其通过的空间造成一定的破坏会对生态造成一定的破坏。同时，崎岖路面上的碎石等坚固的障碍物也会给行走机构的外部刚性材料，造成一定的损伤，导致其使用寿命大大降低。

5.一般行走机构会给轮子安装外置避震机构，但外置避震机构结构复杂，制造成本较高，损坏后修理较为繁琐。

因此，为解决以上问题，需要针对崎岖路面等复杂地形对移动系统高动态特性和强环境适应性的需求，提出一种适应崎岖地形等复杂环境的可变形非圆滚动气动软体行走轮，以克服现有行走轮在复杂环境下存在通过性差和行驶平稳性差缺点，以提高车轮在复杂地形上的适应性和良好的平稳性。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种可变形非圆滚动的气动软体行走轮，该可变形非圆滚动的气动软体行走轮能克服现有行走轮在复杂环境下存在通过性差和行驶平稳性差的缺点，以提高车轮在复杂地形上的适应性和良好的平稳性。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种可变形非圆滚动的气动软体行走轮，包括外环、内环、外支撑杆、内支撑杆、流体驱动器、气管和气泵。

外环的外截面轮郭线为正n边形，也即外环的外侧具有n个长度相等的安装固定面和n个交接点，其中n≥3。

外环、内环和气泵从外至内依次同心布置；气泵与内环之间通过若干根内支撑杆相连接，外环与内环之间通过若干根外支撑杆相连接，外支撑杆和内支撑杆的数量均与安装固定面的数量相等；外支撑杆和内支撑杆均为中空结构，且相互连通。

每个安装固定面上均并列设置有两个流体驱动器，两个流体驱动器分别为顺时针流体驱动器和逆时针流体驱动器；每个流体驱动器的一端与对应安装固定面的一端直接固定连接，形成固定端；顺时针流体驱动器的固定端和逆时针流体驱动器的固定端位于对应安装固定面的不同端。

每个流体驱动器均包括相互固定连接的应变限制底层和弹性体层，应变限制底层能与安装固定面相接触，弹性体层能与路面相接触，弹性体层的弹性大于应变限制底层的弹性。

每个弹性体层内设置有一根气管，气管从位于固定端侧的弹性体层穿出，再依次穿过外环上对应的交接点、外支撑杆的中空腔、内环和内支撑杆的中空腔后，与气泵相连接。

外环由弹性材料制作形成，外环的弹性小于弹性体层的弹性。

每根外支撑杆的长度均能够伸缩，每根外支撑杆上均设置有线性伸缩驱动装置。

线性伸缩驱动装置为伸缩电机或伸缩气缸。

每个流体固定器的另一端与对应安装固定面的另一端通过弹性件相连接，形成弹性接触端。

弹性件为弹簧或橡皮筋。

弹性体层内设置有若干个空腔，每个空腔均与伸入弹性体层内的气管相连通。

每个流体驱动器的外顶面上均设置有若干条顶层沟槽。

每个流体驱动器的侧面均设置有若干条侧面凹槽。

本发明采用上述结构后，具有如下有益效果：

1.本发明采用软体材料，相比传统刚体材料，不仅克服了传统刚体轮大而笨重的缺点，同时在环境适应性方面表现更为优异，可在如崎岖路面或松软路面等工作环境下运行。本发明具有充分的环境适应性，能通过自身软体材料变形的方式与障碍物或周边环境相容，在有限的空间内能灵活运动，从而更好的适应环境。

2.气动软体行走轮外观为近似圆形，行进方式为滚动，相比一些蠕动或者爬行等行进方式，在崎岖路面行走时，与路面的接触面积更小，摩擦力也相对小，行进的阻力相对较小，较为节能。

3.气动软体行走轮依靠多个流体驱动器所驱动，通过流体驱动器的变形弯曲使轮子运动，一个流体驱动器可使轮子向前(或向后)运动一步，其一步一步的滚动行走，控制精度相比一般的圆形滚动更精确；同时流体驱动器上的顶层沟槽、侧面凹槽和非圆滚动的运动方式，对崎岖路面的压力会比圆形滚动的更大，摩擦力也相对增大，能降低打滑现象发生的可能性。

4.越障能力好，由于本身由软体材料构成，在崎岖地形上行走时，外部的软体材料可起到缓冲减震的作用，当需要穿过低于行走轮或具有行走轮车体的机器人高度的狭小空间时，可通过外支撑杆的伸缩及外环的变形来适应环境，无需重新设计和制造。

5.依靠外部软体材料来避震，结构简单，而非传统刚性轮依靠外置减震机构，结构简单，独立性更强。

6.设计简单，工作原理简明易懂，在实际应用中可以做到原料价格低廉，制作工艺简单易实现。

7.仅通过流体驱动器就能实现对行走轮的驱动，驱动方式简单清洁，易于实现，对环境不会造成任何污染，节能环保。

附图说明

图1显示了本发明一种可变形非圆滚动的气动软体行走轮的结构示意图。

图2显示了本发明一种可变形非圆滚动的气动软体行走轮的侧视图。

图3显示了本发明流体驱动器的横截面剖视图。

图4显示了顺时针流体驱动器及逆时针流体驱动器的拼装图。

图5显示了流体驱动器中气管的走向图。

图6显示了气动软体行走轮正常行走时的运动状态图。

图7显示了本发明气动软体行走轮遇到障碍物时变形的示意图。

图8显示了本发明气动软体行走轮局部变形时的示意图。

图9显示了本发明气动软体行走轮刚与岩洞等接触时的示意图。

图10显示了本发明气动软体行走轮高度降低后通过岩洞时的示意图。

图11显示了现有技术中刚性轮爬坡时的力学平面分析图。

图12显示了本发明中可变形非圆滚动的气动软体行走轮爬坡时的力学平面分析图。

图13显示了本发明流体驱动器的材料结构图。

其中有：

1.流体驱动器；2.外环；3.伸缩电机；4.外支撑杆；5.内环；6.气管；7.内支撑杆；8.气泵；9.电池；10.弹性体层；11.侧面凹槽；12.应变限制底层；13.顶层沟槽；17.气腔；18.顺时针流体驱动器；19.逆时针流体驱动器。

具体实施方式

下面结合附图和具体较佳实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1和图2所示，一种可变形非圆滚动的气动软体行走轮，包括外环2、内环5、外支撑杆4、内支撑杆7、流体驱动器1、气管6和气泵8。

外环的外截面轮郭线为正n边形，也即外环的外侧具有n个长度相等的安装固定面和n个交接点，其中n≥3。

外环的外截面轮郭线优选为正八变形，也即外环的外侧具有八个长度相等的安装固定面和八个交接点。

上述正n边形的设置，使得流体驱动器易于安装，而且滚动频率一致，控制精度高。

作为替换，外环的外截面轮郭线也可以为正五边形或正六边形等，均在本发明的保护范围之内。

外环2、内环5和气泵8从外至内依次同心布置，气泵设置在圆心部位，内环同心设置在气泵的外周，外环同心设置在内环的外周。

气泵与内环之间通过若干根内支撑杆7相连接，外环与内环之间通过若干根外支撑杆4相连接，外支撑杆和内支撑杆的数量均与安装固定面的数量相等，均优选为8根。

如图8所示，8根外支撑杆分别为4a、4b、4c、4d、4e、4f、4g和4h。

内环、外支撑杆和内支撑杆均由刚性材料制作。从而对气泵和电池等设备能起支撑作用，防止因行走子变形对设备产生损害。

内环上均布有n个通孔，优选为八个，方便外支撑杆和内支撑杆的固定连接。外支撑杆和内支撑杆均为中空结构，且通过内环的对应通孔后相互连通。

支撑架内通有气管和控制线路。内环内的气泵和电池固定连接在一起

每根外支撑杆的长度均优选能够伸缩，每根外支撑杆上均优选设置有线性伸缩驱动装置。由线性伸缩驱动装置驱动对应外支撑杆的长度伸缩。进一步，每个线性伸缩驱动装置均优选为伸缩电机3或伸缩气缸等。

进一步，外环优选由弹性材料制作形成，外环的弹性优选小于流体驱动器的弹性。

每个安装固定面上均并列设置有两个流体驱动器1，两个流体驱动器分别为顺时针流体驱动器18和逆时针流体驱动器19。

每个流体驱动器的一端与对应安装固定面的一端优选采用粘接等方式直接固定连接，形成固定端。固定端能防止流体驱动器及流体驱动器内气管的漂移等。

每个流体固定器的另一端与对应安装固定面的另一端优选通过弹性件相连接，形成弹性接触端。弹性件优选为弹簧或橡皮筋。弹性件能辅助流体固定器快速恢复至原位，也即与安装固定面相配合的位置。

如图4所示，顺时针流体驱动器的固定端和逆时针流体驱动器的固定端位于对应安装固定面的不同端。

如图13所示，每个流体驱动器均包括相互固定连接的应变限制底层12和弹性体层10，应变限制底层能与安装固定面相接触，弹性体层能与路面相接触，弹性体层的弹性大于应变限制底层以及外环的弹性。

如图3所示，每个弹性体层内设置有一根气管6，气管从位于固定端侧的弹性体层穿出，再依次穿过外环上对应的交接点、外支撑杆的中空腔、内环和内支撑杆的中空腔后，与气泵相连接。

进一步，弹性体层内优选设置有若干个空腔，每个空腔均与伸入弹性体层内的气管相连通。

进一步，每个流体驱动器的外顶面上均优选设置有若干条顶层沟槽13。

进一步，每个流体驱动器的侧面均优选设置有若干条侧面凹槽11。空腔17优选放置在侧面凹槽内。

上述顶层沟槽13和侧面凹槽11的设置，能使弹性体层更容易形变。

一个流体驱动器可控制该轮朝一个方向运动，则将两个个驱动器如图4所示反向拼装在一起，可使轮子朝两个方向转动。

所有上述顺时针流体驱动器围合形成顺时针轮圈，通过气泵对顺时针流体驱动器的交替充气，实现气动软体行走轮的顺时针滚动。

所有上述逆时针流体驱动器围合形成逆时针轮圈，通过气泵对逆时针流体驱动器的交替充气，能实现气动软体行走轮的逆时针滚动或制动。

当需要轮子右转时，给顺时针轮圈中的底层流体驱动器充气，空腔膨胀，空腔膨胀后弹性体层发生挤压产生较大形变(弯曲)，应变限制底层产生较小形变(弯曲)，弹性体层和应变限制底层的的应变差异使流体驱动器产生如图6中所示的弯曲，行走轮向右顺时针旋转，侧边着地，空腔放气后恢复初始状态，流体驱动器在空腔挤压的情况下恢复原状，完成右转运动。

同理，当需要左转时，则给逆时针轮圈中的底层流体驱动器内的空腔充气即可。

当需要减速时，则可通过两个流通驱动器的同时工作实现反向制动，由控制器根据当前转速得出制动力的大小，改变控制与当前运动方向相反的流体驱动器内空腔的充气量和速度的大小来控制制动力的大小。

当需要加速时，则控制器加快给相应流体驱动器内空腔充气的速度即可。

当需要通过低于轮子高度的岩洞空间时，如图7至图10所示，伸缩电机3驱动外支撑杆4做径向伸缩运动，外支撑杆收缩。

如图8所示，外支撑杆4a、4b、4c为非缩短状态，保证下半部分为一个半圆，不影响轮子行走；而上半部分，在外支撑杆4d、4e、4f、4g和4h的协调作用下，可产生大变形。

同时，外环会产生较大的形变来适应外支撑杆的伸缩，也即外环被向内拉；轮子的外形从而发生变化，也即轮子整体呈收缩状态；轮径降低，行走轮高度降低。同时，顶部的驱动器由于未充气，故其刚度较小，在外力挤压后，产生了如图10所示的变形，最终轮子轻松通过狭小的岩洞空间。

而当在沙地或松软地面上行进时，轮子对路面的压强为由于采用软体材料，其质量比刚性材料较轻，故重力g较小，同时外部流体驱动器在受压后，产生形变与接触面的接触面积s更大，故压强更小，给沙地等松软地面带来的凹陷形变会更小，更利于行走。

当对其整体进行受力分析时，如图11所示，采用现有技术中的刚性轮进行爬坡，所爬坡面的坡度为α，由于其仅受重力g，摩擦力f和支持力n的作用，故刚性轮的平面力学方程为：

竖直方向:

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足够大的情况下才能在在坡面上稳定运行，坡面的坡度越大，坡面对轮子的支持力减小，摩擦力也相应减小，重力的水平分力gsina也相应增大，则轮子向右下滑的可能性会增大。

如图12所示，本发明由于多了一个变形后发生弯曲的流体驱动器的支撑，故其摩擦力为：f＝μ(g+n2)cosa，其水平方向的合力则为：f合＝gsina-μ(g+n2)cosa。此时摩擦力明显增大，可在更大的坡度角下运动。

若将摩擦系数设为0.2，设变形后发生弯曲的流体驱动器的支撑力n2＝0.1g，经过测算，传统的刚性轮至多能爬坡的坡度角为11.3°(坡度为20％)的坡面，而本发明则能攀爬坡度角为12.4°(坡度为22％)的坡面，适用性更宽泛。

以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。