CN101596836B - 一种具有变径轮子的越障机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有变径轮子的越障机器人，其包括有左轮组件(1)、左轮驱动组件(2)、右轮组件(3)、右轮驱动组件(4)、翻转组件(5)、翻转驱动组件(6)和底盘组件(7)；左轮组件(1)与左轮驱动组件(2)通过左车轮轴(101)实现连接，右轮组件(3)与右轮驱动组件(4)通过右车轮轴(301)实现连接，左轮驱动组件(2)、右轮驱动组件(4)、翻转组件(5)和翻转驱动组件(6)安装在底盘组件(7)上。本发明机器人既可以保持最小轮径，以连续光滑轮缘在平坦地面上稳定行驶，也可以改变其轮子直径，跨越不同高度的障碍或在崎岖地面上行驶。而且当机器人遇到其轮子难以跨越的障碍时，可以利用翻转臂与地面的反作用力，一定程度上增大了机器人向上攀爬的能力。

Description

一种具有变径轮子的越障机器人

技术领域

本发明涉及一种机器人结构。更特别地说，是指一种具有变径轮子的越障机器人。

背景技术

机器人(Robot)是一种自动执行工作的机器装置。它既可以接受人类指挥，又可以运行预先编排的程序，也可以根据以人工智能技术制定的原则纲领行动。它的任务是协助或取代人类工作的工作，例如生产业、建筑业，或是危险的工作。

轮子是一般移动机器人学和人类交通车辆中最流行的运动机构。因为轮式机构的结构可靠、高速稳定、能量利用率高，而且用比较简单的机械就可以实现它的制作。然而，随着人类对自身活动空间的不断扩大——探索宇宙、开发海洋，要在没有人工道路的自然环境下用传统轮子行走就有很多困难，有时甚至根本无法移动。

据调查，地球上一半以上的自然地貌是不适合传统轮子行驶的，尤其是崎岖不平砂石地形和软地形。任何传统轮式设备都仅限于水平方向的运动，牵引力很大程度上依赖于重力。面对松软沙地环境或者多障碍的砾石环境，传统轮子的种种思路已经面临巨大挑战，因而各种各样的异形轮应运而生。

目前，很多越障机器人为了适应崎岖路面，增大与地面的摩擦力，采用不连续的轮缘，结构复杂，而且，这种轮子行驶在常规平坦路面时会产生多边形效应，运动的平顺性很差，对传感和控制的要求也很高。有必要设计一种既能在常规路面平稳行驶，又能适应崎岖路面的具有变径轮子的越障机器人。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有变径轮子的越障机器人，该机器人既可以保持最小轮径，以连续光滑轮缘在平坦地面上稳定行驶，也可以改变其轮子直径，跨越不同高度的障碍或在崎岖地面上行驶。而且当机器人遇到其轮子难以跨越的障碍时，可以利用翻转臂与地面的反作用力，一定程度上增大了机器人向上攀爬的能力。

本发明的一种具有变径轮子的越障机器人，其包括有左轮组件、左轮驱动组件、右轮组件、右轮驱动组件、翻转组件、翻转驱动组件和底盘组件；左轮组件与左轮驱动组件通过左车轮轴实现连接，右轮组件与右轮驱动组件通过右车轮轴实现连接，左轮驱动组件、右轮驱动组件、翻转组件和翻转驱动组件安装在底盘组件上。

其中左轮组件与右轮组件的结构相同，采用六个变径杆的一端与车轮轮毂的连接，六个变径杆的另一端与二十四个轮缘片的连接的方式，通过电机的驱动实现轮径变形。

本发明的一种具有变径轮子的越障机器人在跨越大的障碍时，依据杠杆原理由翻转组件中的翻转臂与底盘组件中的支撑板配合提供向上的推力，从而机器人实现跨越。

本发明具有变径轮子的越障机器人的优点在于：

(1)采用左右轮系机构与翻转机构相结合的模式，机器人在不同地形上可以选择相对有效节能的不同的行走和越障方式，提高了越障机器人翻越障碍物的能力，使机器人可以适应更为广泛的复杂地形。

(2)在左右轮系机构中，采用了许多结构相同的一边为弧形的三角形轮缘片铰接使轮径可变，可变轮径保证机器人翻越不同高度的障碍的稳定性，并且当机器人为最小轮径时，轮缘为连续的圆形，保持了机器人在平坦地面的机动性；当机器人变大轮径时，轮缘由连续圆形变为尖刺形(三角形轮缘片中的一个顶点会与地面接触)，增大了机器人在松软地面的抓地力以翻越障碍，而且轮径越大可以翻越的障碍越高。

(3)在翻转机构中，运用了杠杆作用，机器人利用翻转臂与地面的反作用力，为机器人本体提供向上越障力，保证了机器人在翻越超过最大轮径所能翻越的障碍时，机器人仍有一定的越障能力。

附图说明

图1是本发明具有变径轮子的越障机器人的结构图。

图2是本发明左轮驱动组件的结构图。

图2A是本发明左轮驱动组件中左车轮轴与D齿轮、B离合器的分解图。

图3是本发明右轮驱动组件的结构图。

图4是本发明翻转组件与翻转驱动组件的结构图。

图5是本发明底盘组件的结构图。

图6是本发明左轮组件的结构图。

图6A是本发明左轮组件的另一视角结构图。

图6B是本发明左轮组件的分解图。

图6C是本发明左轮组件的A层轮缘的结构图。

图6D是本发明左轮组件的B层轮缘的结构图。

图6E是本发明左轮组件的左车轮轴的结构图。

图6F是本发明左轮组件的左轮轮毂的结构图。

图6G是本发明左轮组件的A层轮缘与B层轮缘的分解图。

图7是本发明右轮组件的结构图。

图7A是本发明右轮组件的另一视角结构图。

图7B是本发明右轮组件的分解图。

图7C是本发明右轮组件的C层轮缘的结构图。

图7D是本发明右轮组件的D层轮缘的结构图。

图7E是本发明右轮组件的右车轮轴的结构图。

图7F是本发明右轮组件的右轮轮毂的结构图。

图7G是本发明右轮组件的C层轮缘与D层轮缘的分解图。

图中：         1.左轮组件      1A.A层轮缘     1B.B层轮缘     101.左车轮轴

101a.驱动段    101b.轴承段     101c.卡合段    101d.切面      101e.A凸台

101f.B凸台     102.A轴承       103.B轴承      104.左轮轮毂   104a.A通孔

104b.圆凸台    104c.A沉头孔    104d.B沉头孔   104e.圆筒轴    104f.A轮毂盘

104g.B轮毂盘   105.左轮连接环  105a.内齿      105b.内圆环面  111.A变径杆

112.B变径杆    113.C变径杆     114.D变径杆    115.E变径杆    116.F变径杆

121.A左轮缘片  122.B左轮缘片   123.C左轮缘片  124.D左轮缘片  125.E左轮缘片

126.F左轮缘片  127.G左轮缘片   128.H左轮缘片  129.I左轮缘片  130.J左轮缘片

131.K左轮缘片  132.L左轮缘片   141.M左轮缘片  142.N左轮缘片  143.O左轮缘片

144.P左轮缘片    145.Q左轮缘片   146.R左轮缘片     147.S左轮缘片    148.T左轮缘片

149.U左轮缘片    150.V左轮缘片   151.W左轮缘片     152.X左轮缘片    160.A法兰轴承

161.A销轴        2.左轮驱动组件  201.A直流电机     201a.输出轴      202.A编码器

203.A电磁离合器  204.B电磁离合器 205.A齿轮         206.B齿轮        207.C齿轮

208.D齿轮        209.A安装架

3.右轮组件       3A.C层轮缘      3B.D层轮缘        301.右车轮轴     301a.驱动段

301b.轴承段      301c.卡合段     301d.切面         301e.C凸台       301f.D凸台

302.C轴承        303.D轴承       304.右轮轮毂      304a.B通孔       304b.圆凸台

304c.C沉头孔     304d.D沉头孔    304e.圆筒轴       304f.C轮毂盘     304g.D轮毂盘

305.右轮连接环   305a.内齿       305b.内圆环面     311.G变径杆      312.H变径杆

313.I变径杆      314.J变径杆     315.K变径杆       316.L变径杆

321.A′右轮缘片  322.B′右轮缘片 323.C′右轮缘片   324.D′右轮缘片  325.E′右轮缘片

326.F′右轮缘片  327.G′右轮缘片 328.H′右轮缘片   329.I′右轮缘片  330.J′右轮缘片

331.K′右轮缘片  332.L′右轮缘片 341.M′右轮缘片   342.N′右轮缘片  343.O′右轮缘片

344.P′右轮缘片  345.Q′右轮缘片 346.R′右轮缘片   347.S′右轮缘片  348.T′右轮缘片

349.U′右轮缘片  350.V′右轮缘片 351.W′右轮缘片   352.X′右轮缘片  360.B法兰轴承

361.B销轴        4.右轮驱动组件  401.B直流电机     401a.输出轴      402.B编码器

403.C电磁离合器  404.D电磁离合器 405.E齿轮         406.F齿轮        407.G齿轮

408.H齿轮        409.B安装架     5.翻转组件        501.支地端       502.翻转轴孔

503.U形端        504.翻转臂      504a.长曲杆       504b.短曲杆      505.支撑轮

6.翻转驱动组件   601.C直流电机   601a.输出轴       602.C编码器

7.底盘组件       7A.A半板面      7B.B半板面        701.支撑板       711.前端

712.后端         713.槽口        714.左肩          715.右肩         702.A电机安装板

703.A轴座        703a.E通孔      704.A离合器限位板                  705.B电机安装板

706.B轴座        706a.F通孔      707.B离合器限位板                  708.C电机安装板

781.C通孔        782.叉端        709.侧板          791.D通孔

具体实施方式

下面将结合附图对本发明做进一步的详细说明。

参见图1所示，本发明是一种具有变径轮子的越障机器人，其包括有左轮组件1、左轮驱动组件2、右轮组件3、右轮驱动组件4、翻转组件5、翻转驱动组件6和底盘组件7；其中左轮组件1与右轮组件3的结构相同；左轮驱动组件2与右轮驱动组件4的结构相同；

(一)左轮组件1

参见图1、图6、图6A～图6G所示，左轮组件1包括有左车轮轴101、左轮轮毂104、左轮连接环105、六个左变径杆和二十四个左轮缘片，每十二个左轮缘片按照圆形分布装配形成A层轮缘1A，另外十二个左轮缘片按照圆形分布装配形成B层轮缘1B。

参见图6E所示，左车轮轴101为一台阶轴，左车轮轴101上设有驱动段101a、轴承段101b和卡合段101c，轴承段101b设置在驱动段101a、卡合段101c之间，轴承段101b的两端分别设有A凸台101e、B凸台101f，A凸台101e上安装有A轴承102，B凸台101f上安装有B轴承103，卡合段101c上设有一切面101d，该切面101d用于与A电磁离合器203、B齿轮206、左轮轮毂104的安装。

参见图6F所示，左轮轮毂104为一体成型件，在A轮毂盘104f与B轮毂盘104g之间有圆筒轴104e，圆筒轴104e的中心设有A通孔104a，即A通孔104a是沿左轮轮毂104的中心轴线开设的，该A通孔104a用于左车轮轴101的卡合段101c端部安装在其内；

参见图6B所示，A轮毂盘104f上设有一个圆凸台104b、三个A沉头孔104c(三个A沉头孔均匀分布设置在A轮毂盘104f的盘体上)，该三个A沉头孔104c分别与A变径杆111一端的通孔配合、B变径杆112一端的通孔配合、C变径杆113一端的通孔配合，然后采用三个结构相同的法兰轴承实现A变径杆111、B变径杆112和C变径杆113与A轮毂盘104f的转动连接。该圆凸台104b用于将左轮连接环105安装在其上；

B轮毂盘104g上设有三个B沉头孔104d，该B沉头孔104d分别与D变径杆114一端的通孔配合、E变径杆115一端的通孔配合、F变径杆116一端的通孔配合，然后采用三个结构相同的法兰轴承实现D变径杆114、E变径杆115和F变径杆116与B轮毂盘104g的转动连接。

在本发明中，左轮轮毂104起到连接六个变径杆的作用，同时也起到使左轮组件1中的A层轮缘1A、B层轮缘1B形成车轮结构。

参见图6B所示，左轮连接环105为中空圆环结构，左轮连接环105的内圆环面105b上均匀设有多个内齿105a，该内齿105a啮合在B齿轮206的齿上。

参见图6C、图6D所示，六个左变径杆是指结构相同的A变径杆111、B变径杆112、C变径杆113、D变径杆114、E变径杆115和F变径杆116。每个左变径杆的两端分别设有通孔，左变径杆一端的通孔与左轮轮毂104上设有的沉头孔配合后，用法兰轴承实现转动连接，左变径杆另一端的通孔与左轮缘片上设有的通孔配合后，用销钉实现固定连接。

A变径杆111的一端与A轮毂盘104f连接；A变径杆111的另一端与B左轮缘片122连接。B变径杆112的一端与A轮毂盘104f连接；B变径杆112的另一端与F左轮缘片126连接。C变径杆113的一端与A轮毂盘104f连接；C变径杆113的另一端与J左轮缘片130连接。D变径杆114的一端与B轮毂盘104g连接；D变径杆114的另一端与N左轮缘片142连接。E变径杆115的一端与B轮毂盘104g连接；E变径杆115的另一端与R左轮缘片146连接。F变径杆116的一端与B轮毂盘104g连接；F变径杆116的另一端与V左轮缘片150连接。

在本发明中，左轮组件1中的六个左变径杆的一端连接在左轮缘片上，六个左变径杆的另一端连接在左轮轮毂104上，左轮轮毂104的A轮毂盘104f的圆凸台104b上安装有与B齿轮206啮合的左轮连接环105，在A直流电机201的驱动下，来带动左轮轮径的变化。

二十四个左轮缘片是指相同的A左轮缘片121、B左轮缘片122、C左轮缘片123、D左轮缘片124、E左轮缘片125、F左轮缘片126、G左轮缘片127、H左轮缘片128、I左轮缘片I29、J左轮缘片130、K左轮缘片131、L左轮缘片132、M左轮缘片141、N左轮缘片142、O左轮缘片143、P左轮缘片144、Q左轮缘片145、R左轮缘片146、S左轮缘片147、T左轮缘片148、U左轮缘片149、V左轮缘片150、W左轮缘片151、X左轮缘片152。

其中，A左轮缘片121、B左轮缘片122、C左轮缘片123、D左轮缘片124、E左轮缘片125、F左轮缘片126、G左轮缘片127、H左轮缘片128、I左轮缘片129、J左轮缘片130、K左轮缘片131和L左轮缘片132以左车轮轴101的轴心O为圆心按照圆形分布装配形成A层轮缘1A。

其中，M左轮缘片141、N左轮缘片142、O左轮缘片143、P左轮缘片144、Q左轮缘片145、R左轮缘片146、S左轮缘片147、T左轮缘片148、U左轮缘片149、V左轮缘片150、W左轮缘片151和X左轮缘片152以左车轮轴101的轴心O为圆心按照圆形分布装配形成B层轮缘1B。

A层轮缘1A与B层轮缘1B采用三角形连接关系(参见图6G，在B层轮缘1B中的虚线表示出，由ABC三点形成的等腰三角形)进行装配，如A层轮缘1A中的B左轮缘片122分别与B层轮缘1B中的X左轮缘片152、M左轮缘片141和N左轮缘片142的三角形连接关系为：A左轮缘片122上有三个安装孔记为A′孔、B′孔、C′孔，X左轮缘片152上的心部安装孔记为A孔，M左轮缘片141上的中部安装孔记为B孔，N左轮缘片142上的端部安装孔记为C孔，则有A′孔与A孔的采用A法兰轴承160与A销轴161的连接方式进行装配，B′孔与B孔的采用与A′孔与A孔同样的连接方式进行装配，C′孔与C孔的采用与A′孔与A孔同样的连接方式进行装配。同理得到，A层轮缘1A中的其它轮缘片与B层轮缘1B中的其它轮缘片的三角形连接关系。

在本发明中，采用多个轮缘片构形出机器人左边的变径轮子，在行进过程中，由变径杆支撑，在A直流电机201的驱动下，改变了A层轮缘1A和B层轮缘1B中的轮缘片间的几何关系，从而实现轮径变化。

(二)左轮驱动组件2

参见图1、图2、图2A所示，左轮驱动组件2包括有A直流电机201、A编码器202、A电磁离合器203、B电磁离合器204、A齿轮205、B齿轮206、C齿轮207、D齿轮208和A安装架209。A直流电机201的输出功率为15瓦～30瓦。

A直流电机201安装在底盘组件7的A电机安装板702上；A直流电机201的输出轴201a上连接有A齿轮205，A直流电机201的尾部安装有A编码器202，该A编码器202用于记录A直流电机201的转动圈数。

A齿轮205与B齿轮206啮合，构形第一组齿轮系。

B电磁离合器204安装在A安装架209上，A安装架209的底部安装在底盘组件7的A半板面7A上，A安装架209的侧板与A离合器限位板704连接，且安装在底盘组件7上的A离合器限位板704既作为B电磁离合器204安装位置的选取，也实现挡板的功能。

D齿轮208与C齿轮207啮合，构形第二组齿轮系。

C齿轮207安装在左轮组件1中的左车轮轴101的驱动段101a上，左车轮轴101的轴承段101b安装在底盘组件7上的A轴座703内；左车轮轴101的卡合段101c顺次穿过A电磁离合器203、B齿轮206后连接在左轮轮毂104上，且A电磁离合器203连接在B齿轮206上。B齿轮206上连接有左轮连接环105。

在本发明中，左轮驱动组件2通过A直流电机201驱动A齿轮205转动，由于A齿轮205与B齿轮206啮合，则B齿轮206随动。由于B齿轮206安装在左车轮轴101上，则左车轮轴101产生转动，进而使得本发明设计的越障机器人的左轮转动。越障机器人的右轮与左轮保持同步转动。

在本发明中，采用左边的两个电磁离合器(A电磁离合器203、B电磁离合器204)来实现对左轮轮径的放大和缩小进行控制。

在本发明中，采用左边的两个电磁离合器与左边的两组齿轮系的配合，使得本发明设计的越障机器人在尺寸上紧凑，控制方便。

(三)右轮组件3

参见图1、图7、图7A～图7G所示，右轮组件3包括有右车轮轴301、右轮轮毂304、右轮连接环305、六个右变径杆和二十四个右轮缘片，每十二个右轮缘片按照圆形分布装配形成A层轮缘3A，另外十二个右轮缘片按照圆形分布装配形成B层轮缘3B。

参见图7E所示，右车轮轴301为一台阶轴，右车轮轴301上设有驱动段301a、轴承段301b和卡合段301c，轴承段301b设置在驱动段301a、卡合段301c之间，轴承段301b的两端分别设有A凸台301e、B凸台301f，A凸台301e上安装有A轴承302，B凸台301f上安装有B轴承303，卡合段301c上设有一切面301d，该切面301d用于与C电磁离合器403、F齿轮406、右轮轮毂304的安装。

参见图7F所示，右轮轮毂304为一体成型件，在C轮毂盘304f与D轮毂盘304g之间有圆筒轴304e，圆筒轴304e的中心设有B通孔304a，即B通孔304a是沿右轮轮毂304的中心轴线开设的，该B通孔304a用于右车轮轴301的卡合段301c端部安装在其内；

参见图7B所示，C轮毂盘304f上设有一个圆凸台304b、三个C沉头孔304c(三个C沉头孔均匀分布设置在C轮毂盘304f的盘体上)，该三个C沉头孔304c分别与G变径杆311一端的通孔配合、H变径杆312一端的通孔配合、I变径杆313一端的通孔配合，然后采用三个结构相同的法兰轴承实现G变径杆311、H变径杆312和I变径杆313与C轮毂盘304f的转动连接。该圆凸台304b用于将右轮连接环305安装在其上；

D轮毂盘304g上设有三个D沉头孔304d，该D沉头孔304d分别与J变径杆314一端的通孔配合、K变径杆315一端的通孔配合、L变径杆316一端的通孔配合，然后采用三个结构相同的法兰轴承实现J变径杆314、K变径杆315和L变径杆316与D轮毂盘304g的转动连接。

在本发明中，右轮轮毂304起到连接六个变径杆的作用，同时也起到使右轮组件3中的C层轮缘3A、D层轮缘3B形成车轮结构。

参见图7B所示，右轮连接环305为中空圆环结构，右轮连接环305的内圆环面305b上均匀设有多个内齿305a，该内齿305a啮合在F齿轮406的齿上。

参见图7C、图7D所示，六个右变径杆是指结构相同的G变径杆311、H变径杆312、I变径杆313、J变径杆314、K变径杆315和L变径杆316。每个右变径杆的两端分别设有通孔，右变径杆一端的通孔与右轮轮毂304上设有的沉头孔配合后，用法兰轴承实现转动连接，右变径杆另一端的通孔与右轮缘片上设有的通孔配合后，用销钉实现固定连接。

G变径杆311的一端与C轮毂盘304f连接；G变径杆311的另一端与B′右轮缘片322连接。H变径杆312的一端与C轮毂盘304f连接；H变径杆312的另一端与F′右轮缘片326连接。I变径杆313的一端与C轮毂盘304f连接；I变径杆313的另一端与J′右轮缘片330连接。J变径杆314的一端与D轮毂盘304g连接；J变径杆314的另一端与N′右轮缘片342连接。K变径杆315的一端与D轮毂盘304g连接；K变径杆315的另一端与R′右轮缘片346连接。L变径杆316的一端与D轮毂盘304g连接；L变径杆316的另一端与V′右轮缘片350连接。

在本发明中，右轮组件3中的六个右变径杆的一端连接在右轮缘片上，六个右变径杆的另一端连接在右轮轮毂304上，右轮轮毂304的C轮毂盘304f的圆凸台304b上安装有与F齿轮406啮合的右轮连接环305，在B直流电机401的驱动下，来带动右轮轮径的变化。

二十四个右轮缘片是指相同的A′右轮缘片321、B′右轮缘片322、C′右轮缘片323、D′右轮缘片324、E′右轮缘片325、F′右轮缘片326、G′右轮缘片327、H′右轮缘片328、I′右轮缘片329、J′右轮缘片330、K′右轮缘片331、L′右轮缘片332、M′右轮缘片341、N′右轮缘片342、O′右轮缘片343、P′右轮缘片344、Q′右轮缘片345、R′右轮缘片346、S′右轮缘片347、T′右轮缘片348、U′右轮缘片349、V′右轮缘片350、W′右轮缘片351、X′右轮缘片352。

其中，A′右轮缘片321、B′右轮缘片322、C′右轮缘片323、D′右轮缘片324、E′右轮缘片325、F′右轮缘片326、G′右轮缘片327、H′右轮缘片328、I′右轮缘片329、J′右轮缘片330、K′右轮S缘片331和L′右轮缘片332以右车轮轴301的轴心O为圆心按照圆形分布装配形成C层轮缘3A。

其中，M′右轮缘片341、N′右轮缘片342、O′右轮缘片343、P′右轮缘片344、Q′右轮缘片345、R′右轮缘片346、S′右轮缘片347、T′右轮缘片348、U′右轮缘片349、V′右轮缘片350、W′右轮缘片351、X′右轮缘片352以右车轮轴301的轴心O为圆心按照圆形分布装配形成D层轮缘3B。

C层轮缘3A与D层轮缘3B采用三角形连接关系(参见图7G，在D层轮缘3B中的虚线表示出，由DEF三点形成的等腰三角形)进行装配，如C层轮缘3A中的B′右轮缘片322分别与D层轮缘3B中的X′右轮缘片352、M′右轮缘片341和N′右轮缘片342的三角形连接关系为：B′右轮缘片322上有三个安装孔记为D′孔、E′孔、F′孔，X′右轮缘片352上的心部安装孔记为D孔，M′右轮缘片341上的中部安装孔记为E孔，N′右轮缘片342上的端部安装孔记为F孔，则有D′孔与D孔的采用B法兰轴承360与B销轴361的连接方式进行装配，E′孔与E孔的采用与D′孔与D孔同样的连接方式进行装配，F′孔与F孔的采用与D′孔与D孔同样的连接方式进行装配。同理得到，C层轮缘3A中的其它轮缘片与D层轮缘3B中的其它轮缘片的三角形连接关系。

在本发明中，采用多个轮缘片构形出机器人右边的变径轮子，在行进过程中，由变径杆支撑，在B直流电机401的驱动下，改变了C层轮缘3A和D层轮缘3B中的轮缘片间的几何关系，从而实现轮径变化。

(四)右轮驱动组件4

参见图1、图3所示，右轮驱动组件4包括有B直流电机401、B编码器402、C电磁离合器403、D电磁离合器404、E齿轮405、F齿轮406、G齿轮407、H齿轮408和B安装架409。B直流电机401的输出功率为15瓦～30瓦。

B直流电机401安装在底盘组件7的B电机安装板705上；B直流电机401的输出轴401a上连接有E齿轮405，B直流电机401的尾部安装有B编码器402，该B编码器402用于记录B直流电机401的转动圈数。

E齿轮405与F齿轮406啮合，构形第三组齿轮系。

D电磁离合器404安装在B安装架409上，B安装架409的底部安装在底盘组件7的B半板面7B上，B安装架409的侧板与B离合器限位板707连接，且安装在底盘组件7上的B离合器限位板707既作为D电磁离合器404安装位置的选取，也实现挡板的功能。

H齿轮408与G齿轮407啮合，构形第四组齿轮系。

G齿轮407安装在左轮组件1中的右车轮轴301的驱动段301a上，右车轮轴301的轴承段301b安装在底盘组件7上的B轴座706内；右车轮轴301的卡合段301c顺次穿过C电磁离合器403、F齿轮406后连接在右轮轮毂304上，且C电磁离合器403连接在F齿轮406上。F齿轮406上连接有右轮连接环305。

在本发明中，右轮驱动组件4通过B直流电机401驱动E齿轮405转动，由于E齿轮405与F齿轮406啮合，则F齿轮406随动。由于F齿轮406安装在右车轮轴301上，则右车轮轴301产生转动，进而使得本发明设计的越障机器人的右轮转动。越障机器人的右轮与左轮保持同步转动。

在本发明中，采用右边的两个电磁离合器(C电磁离合器403、D电磁离合器404)来实现对右轮轮径的放大和缩小进行控制。

在本发明中，采用右边的两个电磁离合器与右边的两组齿轮系的配合，使得本发明设计的越障机器人在尺寸上紧凑，控制方便。

(五)翻转组件5

参见图1、图4所示，翻转组件5包括有翻转臂504和支撑轮505，支撑轮505安装在翻转臂504的U形端503上。翻转臂504一端为U形端503，翻转臂504另一端为支地端501，翻转臂504上设有翻转轴孔502，该翻转轴孔502内安装有C直流电机601的输出轴601a。

在本发明中，翻转臂504在C直流电机601的驱动下绕翻转轴孔502的轴孔中心线转动，可以实现在跨越高障碍时，使支地端501与地面接触，同时底盘组件7中的支撑板701翘起。支撑轮505一方面支撑起机器人，另一方面机器人在左车轮、右车轮同步行走时起到从动轮的功能。

翻转臂504分为长曲杆504a和短曲杆504b，长曲杆504a的长度记为L₁，短曲杆504b的长度记为L₂，则有长曲杆504a的长度L₁是短曲杆504b的长度L₂的3～5倍。

(六)翻转驱动组件6

参见图1、图4所示，翻转驱动组件6包括有C直流电机601和C编码器602，C直流电机601的输出轴601a安装在翻转臂504的翻转轴孔502内，C直流电机601的尾部安装有C编码器602。

C直流电机601安装在底盘组件7的C电机安装板708上，且C直流电机601的输出轴601a顺次穿过C电机安装板708上的C通孔781、翻转轴孔502后安装在侧板709的D通孔791内，该C直流电机601用于驱动翻转组件5中的翻转臂504绕翻转轴孔502的轴孔中心线转动。C编码器602用于记录C直流电机601的翻转位置。

在本发明中，C直流电机601的输出功率为15瓦～30瓦。

(七)底盘组件7

参见图1、图5、图6B、图7B所示，底盘组件7包括有支撑板701、A电机安装板702、B电机安装板705、C电机安装板708、A轴座703、B轴座706、A离合器安装板704、B离合器安装板707、侧板709；

支撑板701为一凸字形板，纵向中心线将支撑板701分为A半板面7A和B半板面7B，或者也称为左底板部分和右底板部分。

在支撑板701的前端711以纵向中心线对称安装有A离合器安装板704、B离合器安装板707，A离合器安装板704与A安装架209(A安装架209上安装有A电磁离合器203)连接，B离合器安装板707与B安装架409(B安装架409上安装有B电磁离合器303)连接。

支撑板701的后端712开有槽口713，槽口713的两侧分别安装有C电机安装板708、侧板709，C电机安装板708与侧板709之间安装有翻转臂504，C电机安装板708上安装有C直流电机601。

在支撑板701的左右两侧边上设有结构相同的A电机安装板702、B电机安装板705；A电机安装板702用于安装A直流电机201，B电机安装板705用于安装B直流电机301。

在支撑板701的左肩714上安装有A轴座703，A轴座703用于安装左车轮轴101。

在支撑板701的右肩715上安装有B轴座706，B轴座706用于安装右车轮轴301。

C电机安装板708为叉形结构，其叉端782安装在支撑板701的槽口713的左侧，C电机安装板708上开有C通孔781，该C通孔781用于C直流电机601的输出轴601a穿过后且安装在D通孔791中。

侧板709上开有D通孔791，该D通孔791用于安装C直流电机601的输出轴601a。

A轴座703与B轴座706的结构相同。

A轴座703为拱形座，在拱形座上开有E通孔703a，该E通孔703a内分别安装有A轴承102、B轴承103，A轴承102、B轴承103分别套接在左车轮轴101上(参见图6B所示)。

B轴座706为拱形座，在拱形座上开有F通孔706a，该F通孔706a内分别安装有C轴承302、D轴承303，C轴承302、D轴承303分别套接在右车轮轴301上(参见图7B所示)。

本发明设计的能够变径的越障机器人行驶在平坦路面上时，左轮组件1和右轮组件3可同时收缩为最小轮径状态，此时B电磁离合器204和D电磁离合器404断电，分别与左车轮轴101和右车轮轴301无接触，A电磁离合器203和C电磁离合器403通电，分别将左车轮轴101和右车轮轴103与左轮轮毂104和右轮轮毂304锁定，左轮组件1和右轮组件3分别由A直流电机201和B直流电机401驱动。轮缘为一边为弧形的三角形轮缘片组成的连续的圆，可平顺行驶。

跨越障碍时，左轮组件1和右轮组件3分别通过各自的变径杆带动轮缘片向外扩张，实现轮径变大，轮缘变成带有尖剌的圆盘外形，增大了与地面的接触，使得抓地力可以更好的适应崎岖路面。此时B电磁离合器204和D电磁离合器404通电，分别将左车轮轴101和右车轮轴103锁定，A电磁离合器203和C电磁离合器403断电，分别使左车轮轴101和右车轮轴103与左轮轮毂104和右轮轮毂304分离，左轮轮毂104和右轮轮毂304分别由A直流电机201和B直流电机401驱动，轮子变大。当轮子达到最大轮径后，B电磁离合器204和D电磁离合器404断电，分别与左车轮轴101和右车轮轴301无接触，A电磁离合器203和C电磁离合器403通电，分别将左车轮轴101和右车轮轴103与左轮轮毂104和右轮轮毂304锁定，轮子保持大直径由A直流电机201和B直流电机401驱动，可根据障碍高低选取适当的轮径大小。同时也可以在变换轮径之间任意锁定轮子大小，从而使不同轮径的轮子适合多种地形条件下的行走。

若机器人再次行驶在平坦地面上，此时B电磁离合器204和D电磁离合器404通电，分别将左车轮轴101和右车轮轴103锁定，A电磁离合器203和C电磁离合器403断电，分别使左车轮轴101和右车轮轴103与左轮轮毂104和右轮轮毂304分离，A直流电机201和B直流电机401反方向转动驱动轮盘回转，左轮组件1和右轮组件3变为最小轮径状态，平稳行驶。

Claims (4)

1.一种具有变径轮子的越障机器人，其特征在于：包括有左轮组件(1)、左轮驱动组件(2)、右轮组件(3)、右轮驱动组件(4)、翻转组件(5)、翻转驱动组件(6)和底盘组件(7)；左轮组件(1)与右轮组件(3)的结构相同；左轮驱动组件(2)与右轮驱动组件(4)的结构相同；

左轮组件(1)包括有左车轮轴(101)、左轮轮毂(104)、左轮连接环(105)、六个左变径杆和二十四个左轮缘片，每十二个左轮缘片按照圆形分布装配形成A层轮缘(1A)，另外十二个左轮缘片按照圆形分布装配形成B层轮缘(1B)；

左车轮轴(101)为一台阶轴，左车轮轴(101)上设有驱动段(101a)、轴承段(101b)和卡合段(101c)，轴承段(101b)设置在驱动段(101a)、卡合段(101c)之间，轴承段(101b)的两端分别设有A凸台(101e)、B凸台(101f)，A凸台(101e)上安装有A轴承(102)，B凸台(101f)上安装有B轴承(103)，卡合段(101c)上设有一切面(101d)，该切面(101d)用于与A电磁离合器(203)、B齿轮(206)、左轮轮毂(104)的安装；

左轮轮毂(104)为一体成型件，在A轮毂盘(104f)与B轮毂盘(104g)之间有圆筒轴(104e)，圆筒轴(104e)的中心设有A通孔(104a)；A轮毂盘(104f)上设有一个圆凸台(104b)、三个A沉头孔(104c)，该圆凸台(104b)用于将左轮连接环(105)安装在其上；B轮毂盘(104g)上设有三个B沉头孔(104d)；

左轮连接环(105)为中空圆环结构，左轮连接环(105)的内圆环面(105b)上均匀设有多个内齿(105a)，该内齿(105a)啮合在B齿轮(206)的齿上；

六个左变径杆是指结构相同的A变径杆(111)、B变径杆(112)、C变径杆(113)、D变径杆(114)、E变径杆(115)和F变径杆(116)；每个左变径杆的两端分别设有通孔，左变径杆一端的通孔与左轮轮毂(104)上设有的沉头孔配合后，用法兰轴承实现转动连接，左变径杆另一端的通孔与左轮缘片上设有的通孔配合后，用销钉实现固定连接；A变径杆(111)的一端与A轮毂盘(104f)连接；A变径杆(111)的另一端与B左轮缘片(122)连接；B变径杆(112)的一端与A轮毂盘(104f)连接；B变径杆(112)的另一端与F左轮缘片(126)连接；C变径杆(113)的一端与A轮毂盘(104f)连接；C变径杆(113)的另一端与J左轮缘片(130)连接；D变径杆(114)的一端与B轮毂盘(104g)连接；D变径杆(114)的另一端与N左轮缘片(142)连接；E变径杆(115)的一端与B轮毂盘(104g)连接；E变径杆(115)的另一端与R左轮缘片(146)连接；F变径杆(116)的一端与B轮毂盘(104g)连接；F变径杆(116)的另一端与V左轮缘片(150)连接；

二十四个左轮缘片是指相同的A左轮缘片(121)、B左轮缘片(122)、C左轮缘片(123)、D左轮缘片(124)、E左轮缘片(125)、F左轮缘片(126)、G左轮缘片(127)、H左轮缘片(128)、I左轮缘片(129)、J左轮缘片(130)、K左轮缘片(131)、L左轮缘片(132)、M左轮缘片(141)、N左轮缘片(142)、O左轮缘片(143)、P左轮缘片(144)、Q左轮缘片(145)、R左轮缘片(146)、S左轮缘片(147)、T左轮缘片(148)、U左轮缘片(149)、V左轮缘片(150)、W左轮缘片(151)、X左轮缘片(152)；其中，A左轮缘片(121)、B左轮缘片(122)、C左轮缘片(123)、D左轮缘片(124)、E左轮缘片(125)、F左轮缘 片(126)、G左轮缘片(127)、H左轮缘片(128)、I左轮缘片(129)、J左轮缘片(130)、K左轮缘片(131)和L左轮缘片(132)以左车轮轴(101)的轴心O为圆心按照圆形分布装配形成A层轮缘(1A)；其中，M左轮缘片(141)、N左轮缘片(142)、O左轮缘片(143)、P左轮缘片(144)、Q左轮缘片(145)、R左轮缘片(146)、S左轮缘片(147)、T左轮缘片(148)、U左轮缘片(149)、V左轮缘片(150)、W左轮缘片(151)和X左轮缘片(152)以左车轮轴(101)的轴心O为圆心按照圆形分布装配形成B层轮缘(1B)；

左轮驱动组件(2)包括有A直流电机(201)、A编码器(202)、A电磁离合器(203)、B电磁离合器(204)、A齿轮(205)、B齿轮(206)、C齿轮(207)、D齿轮(208)和A安装架(209)；A直流电机(201)安装在底盘组件(7)的A电机安装板(702)上；A直流电机(201)的输出轴(201a)上连接有A齿轮(205)，A直流电机(201)的尾部安装有A编码器(202)，该A编码器(202)用于记录A直流电机(201)的转动圈数；A齿轮(205)与B齿轮(206)啮合，构形第一组齿轮系；B电磁离合器(204)安装在A安装架(209)上，A安装架(209)的底部安装在底盘组件(7)的A半板面(7A)上，A安装架(209)的侧板与A离合器限位板(704)连接，且安装在底盘组件(7)上的A离合器限位板(704)既作为B电磁离合器(204)安装位置的选取，也实现挡板的功能；D齿轮(208)与C齿轮(207)啮合，构形第二组齿轮系；C齿轮(207)安装在左轮组件(1)中的左车轮轴(101)的驱动段(101a)上，左车轮轴(101)的轴承段(101b)安装在底盘组件(7)上的A轴座(703)内；左车轮轴(101)的卡合段(101c)顺次穿过A电磁离合器(203)、B齿轮(206)后连接在左轮轮毂(104)上，且A电磁离合器(203)连接在B齿轮(206)上；B齿轮(206)上连接有左轮连接环(105)；

右轮组件(3)包括有右车轮轴(301)、右轮轮毂(304)、右轮连接环(305)、六个右变径杆和二十四个右轮缘片，每十二个右轮缘片按照圆形分布装配形成A层轮缘(3A)，另外十二个右轮缘片按照圆形分布装配形成B层轮缘(3B)；右车轮轴(301)为一台阶轴，右车轮轴(301)上设有驱动段(301a)、轴承段(301b)和卡合段(301c)，轴承段(301b)设置在驱动段(301a)、卡合段(301c)之间，轴承段(301b)的两端分别设有A凸台(301e)、B凸台(301f)，A凸台(301e)上安装有A轴承(302)，B凸台(301f)上安装有B轴承(303)，卡合段(301c)上设有一切面(301d)，该切面(301d)用于与C电磁离合器(403)、F齿轮(406)、右轮轮毂(304)的安装；右轮轮毂(304)为一体成型件，在C轮毂盘(304f)与D轮毂盘(304g)之间有圆筒轴(304e)，圆筒轴(304e)的中心设有B通孔(304a)，即B通孔(304a)是沿右轮轮毂(304)的中心轴线开设的，该B通孔(304a)用于右车轮轴(301)的卡合段(301c)端部安装在其内；C轮毂盘(304f)上设有一个圆凸台(304b)、三个C沉头孔(304c)；该圆凸台(304b)用于将右轮连接环(305)安装在其上；D轮毂盘(304g)上设有三个D沉头孔(304d)，该D沉头孔(304d)分别与J变径杆(314)一端的通孔配合、K变径杆(315)一端的通孔配合、L变径杆(316)一端的通孔配合，然后采用三个结构相同的法兰轴承实现J变径杆(314)、K变径杆(315)和L变径杆(316)与D轮毂盘(304g)的转动连接；右轮连接环(305)为中空圆环结构，右轮连接环(305)的内圆环面(305b)上均匀设有多个内齿(305a)，该内齿(305a)啮合在F齿轮(406)的齿上；

六个右变径杆是指结构相同的G变径杆(311)、H变径杆(312)、I变径杆(313)、J 变径杆(314)、K变径杆(315)和L变径杆(316)；每个右变径杆的两端分别设有通孔，右变径杆一端的通孔与右轮轮毂(304)上设有的沉头孔配合后，用法兰轴承实现转动连接，右变径杆另一端的通孔与右轮缘片上设有的通孔配合后，用销钉实现固定连接；G变径杆(311)的一端与C轮毂盘(304f)连接；G变径杆(311)的另一端与B′右轮缘片(322)连接；H变径杆(312)的一端与C轮毂盘(304f)连接；H变径杆(312)的另一端与F′右轮缘片(326)连接；I变径杆(313)的一端与C轮毂盘(304f)连接；I变径杆(313)的另一端与J′右轮缘片(330)连接；J变径杆(314)的一端与D轮毂盘(304g)连接；J变径杆(314)的另一端与N′右轮缘片(342)连接；K变径杆(315)的一端与D轮毂盘(304g)连接；K变径杆(315)的另一端与R′右轮缘片(346)连接；L变径杆(316)的一端与D轮毂盘(304g)连接；L变径杆(316)的另一端与V′右轮缘片(350)连接；

二十四个右轮缘片是指相同的A′右轮缘片(321)、B′右轮缘片(322)、C′右轮缘片(323)、D′右轮缘片(324)、E′右轮缘片(325)、F′右轮缘片(326)、G′右轮缘片(327)、H′右轮缘片(328)、I′右轮缘片(329)、J′右轮缘片(330)、K′右轮缘片(331)、L′右轮缘片(332)、M′右轮缘片(341)、N′右轮缘片(342)、O′右轮缘片(343)、P′右轮缘片(344)、Q′右轮缘片(345)、R′右轮缘片(346)、S′右轮缘片(347)、T′右轮缘片(348)、U′右轮缘片(349)、V′右轮缘片(350)、W′右轮缘片(351)、X′右轮缘片(352)；其中，A′右轮缘片(321)、B′右轮缘片(322)、C′右轮缘片(323)、D′右轮缘片(324)、E′右轮缘片(325)、F′右轮缘片(326)、G′右轮缘片(327)、H′右轮缘片(328)、I′右轮缘片(329)、J′右轮缘片(330)、K′右轮S缘片(331)和L′右轮缘片(332)以右车轮轴(301)的轴心O为圆心按照圆形分布装配形成C层轮缘(3A)；其中，M′右轮缘片(341)、N′右轮缘片(342)、0′右轮缘片(343)、P′右轮缘片(344)、Q′右轮缘片(345)、R′右轮缘片(346)、S′右轮缘片(347)、T′右轮缘片(348)、U′右轮缘片(349)、V′右轮缘片(350)、W′右轮缘片(351)、X′右轮缘片(352)以右车轮轴(301)的轴心O为圆心按照圆形分布装配形成D层轮缘(3B)；

右轮驱动组件(4)包括有B直流电机(401)、B编码器(402)、C电磁离合器(403)、D电磁离合器(404)、E齿轮(405)、F齿轮(406)、G齿轮(407)、H齿轮(408)和B安装架(409)；B直流电机(401)安装在底盘组件(7)的B电机安装板(705)上；B直流电机(401)的输出轴(401a)上连接有E齿轮(405)，B直流电机(401)的尾部安装有B编码器(402)，该B编码器(402)用于记录B直流电机(401)的转动圈数；E齿轮(405)与F齿轮(406)啮合，构形第三组齿轮系；D电磁离合器(404)安装在B安装架(409)上，B安装架(409)的底部安装在底盘组件(7)的B半板面(7B)上，B安装架(409)的侧板与B离合器限位板(707)连接，且安装在底盘组件(7)上的B离合器限位板(707)既作为D电磁离合器(404)安装位置的选取，也实现挡板的功能；H齿轮(408)与G齿轮(407)啮合，构形第四组齿轮系；G齿轮(407)安装在左轮组件(1)中的右车轮轴(301)的驱动段(301a)上，右车轮轴(301)的轴承段(301b)安装在底盘组件(7)上的B轴座(706)内；右车轮轴(301)的卡合段(301c)顺次穿过C电磁离合器(403)、F齿轮(406)后连接在右轮轮毂(304)上，且C电磁离合器(403)连接在F齿轮(406)上；F齿轮(406)上连接有右轮连接环(305)；

翻转组件(5)包括有翻转臂(504)和支撑轮(505)，支撑轮(505)安装在翻转臂(504) 的U形端(503)上；翻转臂(504)一端为U形端(503)，翻转臂(504)另一端为支地端(501)，翻转臂(504)上设有翻转轴孔(502)，该翻转轴孔(502)内安装有C直流电机(601)的输出轴(601a)；翻转驱动组件(6)包括有C直流电机(601)和C编码器(602)，C直流电机(601)的输出轴(601a)安装在翻转臂(504)的翻转轴孔(502)内，C直流电机(601)的尾部安装有C编码器(602)；C直流电机(601)安装在底盘组件(7)的C电机安装板(708)上，且C直流电机(601)的输出轴(601a)顺次穿过C电机安装板(708)上的C通孔(781)、翻转轴孔(502)后安装在侧板(709)的D通孔(791)内，该C直流电机(601)用于驱动翻转组件(5)中的翻转臂(504)绕翻转轴孔(502)的轴孔中心线转动；C编码器(602)用于记录C直流电机(601)的翻转位置；

底盘组件(7)包括有支撑板(701)、A电机安装板(702)、B电机安装板(705)、C电机安装板(708)、A轴座(703)、B轴座(706)、A离合器安装板(704)、B离合器安装板(707)、侧板(709)；支撑板(701)为一凸字形板，纵向中心线将支撑板(701)分为A半板面(7A)和B半板面(7B)，或者也称为左底板部分和右底板部分；在支撑板(701)的前端(711)以纵向中心线对称安装有A离合器安装板(704)、B离合器安装板(707)，A离合器安装板(704)与A安装架(209)连接，B离合器安装板(707)与B安装架(409)连接；支撑板(701)的后端(712)开有槽口(713)，槽口(713)的两侧分别安装有C电机安装板(708)、侧板(709)，C电机安装板(708)与侧板(709)之间安装有翻转臂(504)，C电机安装板(708)上安装有C直流电机(601)；在支撑板(701)的左右两侧边上设有结构相同的A电机安装板(702)、B电机安装板(705)；A电机安装板(702)用于安装A直流电机(201)，B电机安装板(705)用于安装B直流电机(301)；在支撑板(701)的左肩(714)上安装有A轴座(703)，A轴座(703)用于安装左车轮轴(101)；在支撑板(701)的右肩(715)上安装有B轴座(706)，B轴座(706)用于安装右车轮轴(301)；C电机安装板(708)为叉形结构，其叉端(782)安装在支撑板(701)的槽口(713)的左侧，C电机安装板(708)上开有C通孔(781)，该C通孔(781)用于C直流电机(601)的输出轴(601a)穿过后且安装在D通孔(791)中；侧板(709)上开有D通孔(791)，该D通孔(791)用于安装C直流电机(601)的输出轴(601a)；A轴座(703)与B轴座(706)的结构相同；A轴座(703)为拱形座，在拱形座上开有E通孔(703a)，该E通孔(703a)内分别安装有A轴承(102)、B轴承(103)，A轴承(102)、B轴承(103)分别套接在左车轮轴(101)上；B轴座(706)为拱形座，在拱形座上开有F通孔(706a)，该F通孔(706a)内分别安装有C轴承(302)、D轴承(303)，C轴承(302)、D轴承(303)分别套接在右车轮轴(301)上。

2.根据权利要求1所述的一种具有变径轮子的越障机器人，其特征在于：左轮组件(1)和右轮组件(3)中的轮缘片为三角形。

3.根据权利要求1所述的一种具有变径轮子的越障机器人，其特征在于：翻转臂(504)分为长曲杆(504a)和短曲杆(504b)，长曲杆(504a)的长度记为L₁，短曲杆(504b)的长度记为L₂，则有长曲杆(504a)的长度L₁是短曲杆(504b)的长度L₂的3～5倍。

4.根据权利要求1所述的一种具有变径轮子的越障机器人，其特征在于：A直流电机(201)、B直流电机(401)和C直流电机(601)这三个电机的输出功率为15瓦～30瓦。 

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