一种模块化多轮腿机器人的制作方法

1.本发明涉及爬行移动机器人领域，更具体地，涉及一种模块化多轮腿机器人。


背景技术：

2.目前，铁塔检修、船体表面探伤和水冷壁检修等高空作业严重依赖工人搭建脚手架来完成。对工人而言，这些高空作业不仅危险，而且强度大、效率低。具备全向移动能力且可自适应三维复杂曲面结构的灵活爬行机器人是执行上述高空作业的理想载体。但现有爬行移动机器人普遍笨重，存在机动性差、壁面适应性差等缺点，难以满足工业场景使用需求。
3.如公开号为“cn112026953a”，公开日为2020年12月4日的中国专利文件公开了一种模块化自重构六足机器人，通过模块化的设计令机器人能够在六足和四足之间切换来提高机器人的稳定性和机动性。同时设置具有三个转动关节的机械腿来提高机器人的灵活性。
4.但是在上述的技术方案中，机器人的模式切换只有四足和六足两种，其对环境的适应性还是较低。同时轮腿的三个转动关节均是仅仅通过电机的转动实现，导致轮腿在运动过程中也缺乏稳定性。


技术实现要素：

5.本发明为克服上述现有技术中机器人的适应性较低的问题，提供一种模块化多轮腿机器人，可根据任务需要安装不同数量的轮腿来调节机器人的负载能力和机动性，从而提高机器人的对不同任务环境的适应性。
6.为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种模块化多轮腿机器人，包括至少三个轮腿模块、基座模块和安装于所述基座模块上的电源模块；所述基座模块侧面设置有至少四个周向均布的接口座，所述接口座内均设置有基座电气接口，所述基座模块为圆形或正多边形；所述基座模块设置有控制电路板，所述控制电路板与所述基座电气接口和所述电源模块电连接；所述轮腿模块设置有与所述接口座可拆卸连接的对接部，所述对接部内设置有与所述基座电气接口连接的轮腿电气接口。
7.在上述的技术方案中，基座模块可以根据实际需要设置对应的接口座数量，机器人整体的构型通过在基座模块上安装轮腿模块的数量决定，可以根据实际的工况增减轮腿模块来调节机器人的负载能力和机动性。在对接部插入接口座之后，轮腿电气接口与基座电气接口完成连接，控制电路板通过电气接口将电源模块的电力和控制信号传输给轮腿模块，从而实现对轮腿模块的控制。
8.优选的，所述对接部相对的两侧均设置有卡爪部和第一弹性件，所述第一弹性件一端与所述对接部连接，另一端与所述卡爪部连接；所述接口座均设置有与所述卡爪部配合的卡合槽和连通至所述卡合槽内的快拆部，所述快拆部通过第二弹性件与所述接口座连接；按压所述快拆部令所述快拆部伸入所述卡合槽内，停止按压所述快拆部后第二弹性件
推动所述快拆部复位。对接部在装入接口座的时候，卡爪部与基座的内壁抵接，使得卡爪部压缩第一弹性件，当轮腿电气接口和基座电机接口完成对接后，卡爪部也位于卡合槽处，此时第一弹性件推动卡爪部复位，使得卡爪部卡紧在卡合槽内，完成轮腿模块与基座模块的安装。当需要拆卸轮腿模块的时候，按压快拆部从而令快拆部伸入卡合槽内，伸入卡合槽内的快拆部推动卡爪部压缩第一弹性件，使得卡爪部脱离卡合槽，令轮腿模块能够从基座模块上拨出。松开快拆部之后，第二弹性件推动快拆部复位。通过上述对接部和接口座的卡扣连接结构，实现轮腿模块和基座模块的快速装拆。
9.优选的，所述电源模块包括电池外壳、安装于电池外壳内的电池、电池电路板和电源接口；所述电池电路板与所述电池和所述电源接口电连接，所述电源接口用于与所述控制电路板连接；所述基座模块设置有用于容纳所述电池外壳的腔体，所述电池外壳装入所述腔体后与所述基座模块卡扣连接。电池模块装入至基座模块的腔体内，使得两者结构更加紧凑。电池通过电池电路板上的电源接口将电力输送至基座模块的控制电路板。电池外壳通过卡扣连接实现快速安装在基座模块上。
10.优选的，所述电池外壳的相对两侧设置有卡扣部、与卡扣部连接的卡合按钮和推动所述卡合按钮复位的第三弹性件，所述第三弹性件一端与所述电池外壳抵接，另一端与所述卡合按钮抵接；所述基座模块设置有与所述卡扣部配合的卡扣槽。当需要进行电源模块安装的时候，只需要按住卡合按钮，使得卡扣部向电池外壳的方向移动，然后将电池外壳装入基座模块的腔体内，然后松开卡合按钮，第三弹性件推动卡合按钮复位，卡扣部向远离电池外壳的方向移动并插入至卡扣槽内，完成电池模块和基座模块的快速安装。当需要拆卸电池模块的时候，只需要按压卡合按钮并拔出电池外壳即可。
11.优选的，所述轮腿模块还包括连杆、驱动所述连杆摆动的驱动组件、与所述连杆一端转轴连接的转向电机座、安装于转向电机座上的转向电机、与所述转向电机的输出轴连接的轮架、安装于所述轮架上的转动轮和驱动所述转动轮转动的驱动电机；所述连杆的另一端与所述接口部远离所述轮腿电气接口的一端转动连接。机器人接收到运动控制指令后，通过控制电路板逆解出每一个转向电机目标角度与驱动电机的目标速度或扭矩并控制其输出，从而实现机器人的全向运动。机器人在非水平的行走面上行走，不同的轮腿模块可以根据行走面的起伏情况驱动连杆摆动，从而改变轮腿模块能够处于合适的爬行位置上，让转动轮与行走面保持接触，令机器人整体保持稳定，提高爬行的机动性。
12.优选的，所述驱动组件包括丝杆驱动电机、丝杆、滑块、悬挂调节机构、摆动杆和连接杆；所述丝杆驱动电机安装于所述接口部上，所述丝杆与所述丝杆驱动电机的输出轴连接，所述滑块安装于丝杆上且与所述丝杆滑动连接，所述悬挂调节机构安装于所述丝杆上且用于带动所述滑块移动；所述摆动杆的一端与所述滑块转轴连接，另一端与所述连杆转轴连接；所述连接杆一端与所述接口部转轴连接，另一端与所述转向电机座转轴连接。
13.优选的，所述悬挂调节结构包括与所述丝杆螺纹连接的调节部，所述调节部与所述滑块连接。丝杆驱动电机驱动丝杆转动，从而令调节部随着丝杆上下移动，与调节部连接的滑块也沿着丝杆上下移动，在滑块移动的时候，与滑块转动连接的摆动杆能够推动或牵拉连杆摆动，从而令轮腿模块能够随着地形的起伏改变而调整悬挂位置输出。摆动杆、连杆和连接杆所构成的连杆结构使得连杆的运动更加稳定。
14.优选的，所述悬挂调节结构包括与所述丝杆螺纹连接的调节部和套装于丝杆上的
悬挂弹性件；所述悬挂弹性件位于所述调节部和所述滑块之间，所述悬挂弹性件的一端与所述调节部抵接，另一端与所述滑块抵接。滑块可沿着丝杆自由上下移动，通过丝杆令调节部相对于丝杆移动会调节悬挂弹性件的预压量以调整悬挂弹性件的弹力，使得轮腿模块随着地形的起伏改变所产生的外力自动调整轮腿模块的悬挂位置。摆动杆、连杆和连接杆所构成的连杆结构使得连杆的运动更加稳定。
15.优选的，所述转动轮包括永磁吸附单元和摩擦增强单元，所述永磁吸附单元和所述摩擦增强单元同轴心设置且处于堆叠状态。永磁吸附单元产生磁力，可以令机器人在金属材质的壁面或曲面上行走，而摩擦增强单元可以增加转动轮与壁面或曲面的摩擦力，令转动轮的行驶更加有效率。具体的，所述摩擦增强单元为硅胶驼峰胎；所述永磁吸附单元为轴向充磁环状磁铁。
16.与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明的机器人采用模块化设计，其轮腿模块与基座模块可快速连接或拆卸，可根据环境或任务来决定使用轮腿模块的数量，改变机器人的形态，从而提高机器人的机动性能或负载能力。故机器人能够用于执行多种任务，具有更强的环境适应性。
附图说明
17.图1是本发明一种模块化多轮腿机器人的爆炸图；
18.图2是基座模块和轮腿模块装配示意图；
19.图3是电源模块的爆炸图；
20.图4是基座模块和电源模块的装配后的结构示意图；
21.图5是本发明具有三个轮腿模块的一种模块化多轮腿机器人的结构示意图；
22.图6是本发明具有六个轮腿模块的一种模块化多轮腿机器人的结构示意图；
23.图7是轮腿模块的立体图；
24.图8是实施例2的轮腿模块的结构示意图；
25.图9是实施例3的轮腿模块的结构示意图；
26.图10是一种模块化多轮腿机器人在弯曲的壁面上行走的示意图；
27.图11是一种模块化多轮腿机器人在从水平面行走至竖直壁面的示意图。
具体实施方式
28.附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。附图中描述位置关系仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制。
29.本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”“长”“短”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
30.本发明实施例的附图中为了方便阅读理解，机壳结构中的前板、后板和顶板均为示出。
31.下面通过具体实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的具体描述：
32.实施例1
33.如图1
‑
4所示为一种模块化多轮腿机器人的实施例1，包括四个轮腿模块1、基座模块2和安装于基座模块2上的电源模块3；在本实施例中，基座模块2侧面设置有八个沿圆周等距分布的接口座201，接口座201内均设置有基座电气接口202，基座模块2为正多边形；基座模块2设置有控制电路板203，控制电路板203与基座电气接口202和电源模块3电连接；轮腿模块1设置有与接口座201可拆卸连接的对接部101，对接部101内设置有与基座电气接口202连接的轮腿电气接口102。
34.具体的，如图2所示，对接部101相对的两侧均设置有卡爪部1011和第一弹性件1012，第一弹性件1012一端与对接部101连接，另一端与卡爪部1011连接；接口座201均设置有与卡爪部1011配合的卡合槽2011和连通至卡合槽2011内的快拆部2012，快拆部2012通过第二弹性件2013与接口座201连接；按压快拆部2012令快拆部2012伸入卡合槽2011内，停止按压快拆部2012后第二弹性件2013推动快拆部2012复位。对接部101在装入接口座201的时候，卡爪部1011与基座的内壁抵接，使得卡爪部1011压缩第一弹性件1012，当轮腿电气接口102和基座电机接口完成对接后，卡爪部1011也位于卡合槽2011处，此时第一弹性件1012推动卡爪部1011复位，使得卡爪部1011卡紧在卡合槽2011内，完成轮腿模块1与基座模块2的连接安装。当需要拆卸轮腿模块1的时候，按压快拆部2012从而令快拆部2012伸入卡合槽2011内，伸入卡合槽2011内的快拆部2012推动卡爪部1011压缩第一弹性件1012，使得卡爪部1011脱离卡合槽2011，令轮腿模块1能够从基座模块2上拨出。松开快拆部2012之后，第二弹性件2013推动快拆部2012复位。通过上述对接部101和接口座201的卡扣连接结构，实现轮腿模块1和基座模块2的快速装拆。
35.优选的，如图3
‑
4所示，电源模块3包括电池外壳301、安装于电池外壳301内的电池302、电池电路板303和电源接口304；电池电路板303与电池302和电源接口304电连接，电源接口304用于与控制电路板203连接；基座模块2设置有用于容纳电池外壳301的腔体204，电池外壳301装入腔体204后与基座模块2卡扣连接。电源模块3装入至基座模块2的腔体204内，使得两者结构更加紧凑。电池302通过电池电路板303上的电源接口304将电力输送至基座模块2的控制电路板203。电池外壳301通过卡扣连接实现快速安装在基座模块2上。电池外壳301的相对两侧设置有卡扣部3011、与卡扣部3011连接的卡合按钮3012和推动卡合按钮3012复位的第三弹性件3013，第三弹性件3013一端与电池外壳301抵接，另一端与卡合按钮3012抵接；基座模块2设置有与卡扣部3011配合的卡扣槽205。当需要进行电源模块3安装的时候，只需要按住卡合按钮3012，使得卡扣部3011向电池外壳301的方向移动，然后将电池外壳301装入基座模块2的腔体204内，然后松开卡合按钮3012，第三弹性件3013推动卡合按钮3012复位，卡扣部3011向远离电池外壳301的方向移动并插入至卡扣槽205内，完成电源模块3和基座模块2的快速安装。当需要拆卸电源模块3的时候，只需要按压卡合按钮3012并拔出电池外壳301即可。
36.本发明的工作原理或工作流程：基座模块2可以根据实际需要设置对应的接口座201数量，机器人整体的构型通过在基座模块2上安装轮腿模块1的数量决定，可以根据实际
的工况增减轮腿模块1来调节机器人的负载能力和机动性，如在本实施例中，可以将四个轮腿模块1减少为三个轮腿模块1，变为如图5所示的机器人，也可以将四个轮腿模块1增加为六个轮腿模块1，变为如图6所示的机器人。在对接部101插入接口座201之后，轮腿电气接口102与基座电气接口202完成连接，控制电路板203通过电气接口将电源模块3的电力和控制信号传输给轮腿模块1，从而实现对轮腿模块1的控制。电源模块3也通过快速插拔安装的方式与基座模块2连接。
37.本实施例的有益效果：本发明的机器人采用模块化设计，其轮腿模块1与基座模块2可快速连接或拆卸，可根据环境或任务来决定使用轮腿模块的数量，改变机器人的形态，从而提高机器人的机动性能或负载能力。故机器人能够用于执行多种任务，具有更强的环境适应性。
38.实施例2
39.一种模块化多轮腿机器人的实施例2，与实施例1的区别在于，如图7
‑
8所示，对轮腿模块1进一步限定。
40.具体的，轮腿模块1还包括连杆103、驱动连杆103摆动的驱动组件、与连杆103一端转轴连接的转向电机座104、安装于转向电机座104上的转向电机105、与转向电机105的输出轴连接的轮架106、安装于轮架106上的转动轮107和驱动转动轮107转动的驱动电机108；连杆103的另一端与接口部远离轮腿电气接口102的一端转动连接。机器人接收到运动控制指令后，通过控制电路板203逆解出每一个转向电机105目标角度与驱动电机108的目标速度或扭矩并控制其输出，从而实现机器人的全向运动。机器人在非水平的行走面上行走，不同的轮腿模块1可以根据行走面的起伏情况驱动连杆103摆动，从而改变轮腿模块1能够处于合适的爬行位置上，让转动轮107与行走面保持接触，令机器人整体保持稳定，提高爬行的机动性。
41.具体的，驱动组件包括丝杆驱动电机109、丝杆110、滑块111、悬挂调节机构、摆动杆112和连接杆113；丝杆驱动电机109安装于接口部上，丝杆110与丝杆驱动电机109的输出轴连接，滑块111安装于丝杆110上且与丝杆110滑动连接，悬挂调节机构为安装于丝杆110上的调节部114且用于带动滑块111移动，调节部114与丝杆110螺纹连接；摆动杆112的一端与滑块111转轴连接，另一端与连杆103转轴连接；连接杆113一端与接口部转轴连接，另一端与转向电机座104转轴连接。丝杆驱动电机109驱动丝杆110转动，从而令调节部114随着丝杆110上下移动，与调节部114连接的滑块111也沿着丝杆110上下移动，在滑块111移动的时候，与滑块111转动连接的摆动杆112能够推动或牵拉连杆103摆动，从而令轮腿模块1能够随着地形的起伏改变而调整悬挂位置输出。摆动杆112、连杆103和连接杆113所构成的连杆103结构使得连杆103的运动更加稳定。在本实施例中，摆动杆112为叉臂连杆103。
42.另外的，转动轮107包括永磁吸附单元1071和摩擦增强单元1072，永磁吸附单元1071和摩擦增强单元1072同轴心设置且处于堆叠状态。永磁吸附单元1071产生磁力，可以令机器人在金属材质的壁面或曲面上行走，而摩擦增强单元1072可以增加转动轮107与壁面或曲面的摩擦力，令转动轮107的行驶更加有效率。具体的，摩擦增强单元1072为硅胶驼峰胎；永磁吸附单元1071为轴向充磁环状磁铁。
43.本实施例的有益效果：如图10
‑
11所示，转动轮107通过永磁吸附单元1071能够吸附在曲面和壁面上，机器人接收到运动控制指令后，通过控制电路板203逆解出每一个转向
电机105目标角度与驱动电机108的目标速度或扭矩并控制其输出，从而实现机器人的在水平面、曲面和壁面上的全向运动。而机器人在曲面或者起伏平面(如从水平面移动至壁面)，驱动组件通过带动连杆103摆动来改变轮腿模块1的悬挂状态，令轮腿模块1能够适应不同的行走面。
44.本实施例的其余特征和工作原理与实施例1一致。
45.实施例3
46.一种模块化多轮腿机器人的实施例3，与实施例1的区别在于，如图7、图9所示，对轮腿模块1进一步限定。
47.具体的，轮腿模块1还包括连杆103、驱动连杆103摆动的驱动组件、与连杆103一端转轴连接的转向电机座104、安装于转向电机座104上的转向电机105、与转向电机105的输出轴连接的轮架106、安装于轮架106上的转动轮107和驱动转动轮107转动的驱动电机108；连杆103的另一端与接口部远离轮腿电气接口102的一端转动连接。机器人接收到运动控制指令后，通过控制电路板203逆解出每一个转向电机105目标角度与驱动电机108的目标速度或扭矩并控制其输出，从而实现机器人的全向运动。机器人在非水平的行走面上行走，不同的轮腿模块1可以根据行走面的起伏情况驱动连杆103摆动，从而改变轮腿模块1能够处于合适的爬行位置上，让转动轮107与行走面保持接触，令机器人整体保持稳定，提高爬行的机动性。
48.驱动组件包括丝杆驱动电机109、丝杆110、滑块111、悬挂调节机构、摆动杆112和连接杆113；丝杆驱动电机109安装于接口部上，丝杆110与丝杆驱动电机109的输出轴连接，滑块111安装于丝杆110上且与丝杆110滑动连接，悬挂调节机构安装于丝杆110上且用于带动滑块111移动；摆动杆112的一端与滑块111转轴连接，另一端与连杆103转轴连接；连接杆113一端与接口部转轴连接，另一端与转向电机座104转轴连接。悬挂调节结构包括与丝杆110螺纹连接的调节部114和套装于丝杆110上的悬挂弹性件115；悬挂弹性件115位于调节部114和滑块111之间，悬挂弹性件115的一端与调节部114抵接，另一端与滑块111抵接。滑块111可沿着丝杆110自由上下移动，在本实施例中，丝杆可以为半螺纹杆，部分长度没有设置螺纹，处于光杆状态，滑块111在丝杆110的光杆位置上滑动，通过丝杆110令调节部114相对于丝杆110移动会调节悬挂弹性件115的预压量以调整悬挂弹性件115的弹力，使得轮腿模块1随着地形的起伏改变所产生的外力自动调整轮腿模块1的悬挂位置，加快轮腿模块1的反应调节速度。摆动杆112、连杆103和连接杆113所构成的连杆103结构使得连杆103的运动更加稳定。
49.另外的，转动轮107包括永磁吸附单元1071和摩擦增强单元1072，永磁吸附单元1071和摩擦增强单元1072同轴心设置且处于堆叠状态。永磁吸附单元1071产生磁力，可以令机器人在金属材质的壁面或曲面上行走，而摩擦增强单元1072可以增加转动轮107与壁面或曲面的摩擦力，令转动轮107的行驶更加有效率。具体的，摩擦增强单元1072为硅胶驼峰胎；永磁吸附单元1071为轴向充磁环状磁铁。
50.本实施例的有益效果：如图10
‑
11所示，转动轮107通过永磁吸附单元1071能够吸附在曲面和壁面上，机器人接收到运动控制指令后，通过控制电路板203逆解出每一个转向电机105目标角度与驱动电机108的目标速度或扭矩并控制其输出，从而实现机器人的在水平面、曲面和壁面上的全向运动。而机器人在曲面或者起伏平面(如从水平面移动至壁面)，
轮腿模块1所受到的外力会有所变化，从而令滑块111压缩悬挂弹性件115或者被悬挂弹性件115推动，令轮腿模块1能够随着行走面的起伏变化来自动调整悬挂状态，令轮腿模块1能够适应不同的行走面。
51.本实施例的工作原理与实施例1的工作原理一致。
52.显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。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，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。