CN101734295B - 变形履带机器人 - Google Patents

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赵希庆
谢惠详
杨军宏
王卓
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Abstract

本发明公开了一种变形履带机器人,包括机架和装设于机架上的机身,所述机架两侧各装有一套变形履带行走机构,所述变形履带行走机构包括行进驱动轴、履带变形驱动轴、履带和变形摆杆机构,所述行进驱动轴和履带变形驱动轴平行布置于机架上,所述变形摆杆机构一端与履带变形驱动轴固接,另一端经轴承支承于行进驱动轴上,所述行进驱动轴上装设有主动履带轮,所述履带变形驱动轴和变形摆杆机构上均装设有从动履带轮,所述主动履带轮和各从动履带轮均与履带啮合。该变形履带机器人行驶平稳、具有很强的越障、爬坡能力,且结构简单、工作稳定、控制可靠。

Description

变形履带机器人
技术领域
[0001] 本发明涉及履带机器人,尤其涉及具有履带变形功能的机器人。 背景技术
[0002] 在执行反恐、排爆、搜索、救援、侦察等危险任务时,常用到履带机器人,为了适应复杂多变的环境,要求履带机器人具有足够的机动能力,而履带变形机构是关系到履带机器人机动能力的关键因素。在现有履带机构中,单节双履带式、双节双履带式和多节多履带式履带机构可以适应复杂地形。其中,单节双履带式履带变形机构实现运动和控制简单,其主要包括倒梯形和扁长形两种结构,倒梯形履带其机动性能较优越,能够攀爬较高的障碍物,但是由于其重心较高且履带与坡面或楼梯接触长度短,运动稳定性差,而扁长形履带结构重心较低,其稳定性能优越,但其灵活性、机动性和攀爬障碍的能力却受到限制,另外,两种结构的支撑轮系构架与机车固定为一体,严重限制了减震的效果;双节双履带式和多节多履带式履带变形机构具有良好的越障爬坡能力,机动性强,运动也比较平稳,但由于其变形结构自由度太多,实现运动和控制比较复杂,应用受到较大的限制。
发明内容
[0003] 本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足,提供一种行驶平稳、具有很强的越障、爬坡能力,且结构简单、工作稳定、控制可靠的变形履带机器人。
[0004] 为解决上述技术问题,本发明采用以下技术方案:
[0005] 一种变形履带机器人,包括机架和装设于机架上的机身,所述机架两侧各装有一套变形履带行走机构,所述变形履带行走机构包括行进驱动轴、履带变形驱动轴、履带和变形摆杆机构,所述行进驱动轴和履带变形驱动轴平行布置于机架上,所述变形摆杆机构一端与履带变形驱动轴固接,另一端经轴承支承于行进驱动轴上,所述行进驱动轴上装设有主动履带轮,所述履带变形驱动轴和变形摆杆机构上均装设有从动履带轮,所述主动履带轮和各从动履带轮均与履带啮合。
[0006] 所述变形摆杆机构为由主动摆杆、从动摆杆和摆动连杆组成的平行四边形四杆机构,所述主动摆杆与履带变形驱动轴固接,所述从动摆杆经轴承支承于行进驱动轴上,所述摆动连杆一端与主动摆杆铰接,另一端与从动摆杆铰接,所述摆动连杆两端的铰接点上分别装设有一件从动履带轮。
[0007] 所述履带变形驱动轴与从动摆杆之间设有从动摆杆辅助装置,所述从动摆杆辅助装置包括辅助主动链轮、辅助从动链轮、辅助链条、副摆杆和销轴,所述辅助主动链轮与履带变形驱动轴键连接,所述辅助从动链轮通过轴承支承于行进驱动轴上,辅助从动链轮经辅助链条与辅助主动链轮连接,所述副摆杆一端与辅助从动链轮固接,另一端经销轴与从动摆杆连接。
[0008] 所述行进驱动轴由行进动力装置驱动,所述行进动力装置包括行进电机、行进主动链轮、行进从动链轮和行进传动链条,所述行进电机装设于机身上,所述行进主动链轮装设于行进电机的输出轴上,所述行进从动链轮装设于行进驱动轴上,行进主动链轮与行进从动链轮通过行进传动链条连接。
[0009] 所述履带变形驱动轴由变形动力装置驱动,所述变形动力装置包括变形电机、变形主动链轮、变形从动链轮和变形传动链条,所述变形电机装设于机身上,所述变形主动链轮装设于变形电机的输出轴上,所述变形从动链轮装设于履带变形驱动轴上,变形主动链轮与变形从动链轮通过变形传动链条连接。
[0010] 与现有技术相比,本发明的优点在于:本发明通过行进驱动轴驱动机器人行进,并通过履带变形驱动轴和变形摆杆机构控制变形摆杆机构上从动履带轮的位置,利用从动履带轮的位置变化控制履带的变形,使变形履带机器人通过变形的履带适应多种复杂地形, 提高机器人的越障能力和运动平稳性。变形摆杆机构为由主动摆杆、从动摆杆和摆动连杆组成的平行四边形四杆机构,主动摆杆和从动摆杆保持平行,在履带变形驱动轴的驱动下, 主动摆杆和从动摆杆分别绕履带变形驱动轴和行进驱动轴作360°的回转,使摆动连杆两端铰接点上的从动履带轮分别绕履带变形驱动轴和行进驱动轴作圆周运动,达到控制履带变形的目的,并且在履带变形的过程中,可时刻保持履带张紧,使主动摆杆和从动摆杆停止在任意角度时机器人都可实现平稳行进;同时,利用平行四边形四杆机构的变形特点,可以使履带机器人本身具有良好的减震作用。在履带变形驱动轴与从动摆杆之间设有从动摆杆辅助装置,该从动摆杆辅助装置通过链传动将履带变形驱动轴的旋转动力传递到副摆杆, 再由副摆杆传递到从动摆杆上,确保从动摆杆保持与主动摆杆同向转动,使履带变形的动力分布更加均勻,从而提高变形摆杆机构的变形能力,防止变形摆杆机构受地形和自身形态的限制而出现卡死状态。用于驱动行进驱动轴的行进电机和用于驱动履带变形驱动轴的变形电机均装设于机身上,使行进电机和变形电机受机身保护,减少机器人动力部分的故障率,使机器人的运转稳定可靠。
附图说明 [0011 [0012 [0013 [0014 [0015 [0016 [0017 [0018 [0019 [0020 [0021 [0022 [0023 [0024 [0025
图1是本发明的立体结构示意图;
图2是本发明双侧变形抬高摆动连杆后的立体结构示意图; 图3是本发明双侧变形抬高机架后的立体结构示意图; 图4是本发明单侧变形抬高摆动连杆后的立体结构示意图; 图5是本发明单侧变形抬高机架后的立体结构示意图; 图6是本发明的主视图; 图7是图6的A-A剖面视图;
图8是本发明行进动力装置和变形动力装置的机构简图; 图9是本发明驱动系统机构简图; 图10是行进驱动轴系的放大示意图; 图11是履带变形驱动轴系的放大示意图; 图12是本发明翻越普通突起型障碍的机构运动示意图; 图13是本发明翻越较高突起型障碍的机构运动示意图; 图14是本发明抬高机架跨过突起型障碍的机构运动示意图; 图15是本发明翻越普通壕沟型障碍的机构运动示意图;[0026] 图16是本发明翻越较宽壕沟型障碍的机构运动示意图;
[0027] 图17是本发明潜行通过河流型障碍的机构运动示意图;
[0028] 图18是本发明穿越河流型障碍的机构运动示意图;
[0029] 图19是本发明翻越台阶型障碍的机构运动示意图。
[0030] 图中各标号表示:
[0031] 1、机架
[0032] 3、变形履带行走机构
[0033] 302、履带变形驱动轴
[0034] 304、变形摆杆机构
[0035] 306、从动履带轮
[0036] 308、辅助从动链轮
[0037] 310、副摆杆
[0038] 312、行进动力装置
[0039] 3041、主动摆杆
[0040] 3043、摆动连杆
[0041] 3122、行进主动链轮
[0042] 3124、行进传动链条
[0043] 3132、变形主动链轮
[0044] 3134、变形传动链条
具体实施方式
[0045] 如图1至图11所示,本发明的变形履带机器人,包括机架1和装设于机架1上的机身2,机架1两侧各装有一套变形履带行走机构3,变形履带行走机构3包括行进驱动轴 301、履带变形驱动轴302、履带303和变形摆杆机构304,行进驱动轴301和履带变形驱动轴302平行布置于机架1上,变形摆杆机构304 —端与履带变形驱动轴302固接,另一端经轴承支承于行进驱动轴301上,行进驱动轴301上装设有主动履带轮305,履带变形驱动轴 302和变形摆杆机构304上均装设有从动履带轮306,主动履带轮305和各从动履带轮306 均与履带303啮合。本发明通过行进驱动轴301驱动机器人行进,并通过履带变形驱动轴 302和变形摆杆机构304控制变形摆杆机构304上从动履带轮306的位置,利用从动履带轮306的位置变化控制履带303的变形,使变形履带机器人通过变形的履带303适应多种复杂地形,提高机器人的越障能力和运动平稳性。
[0046] 本实施例中,变形摆杆机构304为平行四边形四杆机构,它由主动摆杆3041、从动摆杆3042和摆动连杆3043组成,机架1为该平行四边形四杆机构的固定杆,主动摆杆3041 与履带变形驱动轴302固接,从动摆杆3042经轴承支承于行进驱动轴301上,摆动连杆 3043 一端与主动摆杆3041铰接,另一端与从动摆杆3042铰接,摆动连杆3043两端的铰接点上分别装设有一件从动履带轮306。主动摆杆3041和从动摆杆3042时刻保持平行,在履带变形驱动轴302的驱动下,主动摆杆3041绕履带变形驱动轴302作360°的回转,从动摆杆3042绕行进驱动轴301作360°的回转,从而带动摆动连杆3043平动,摆动连杆3043两端铰接点上的从动履带轮306分别绕履带变形驱动轴302和行进驱动轴301作圆周运动,
2、机身
301、行进驱动轴 303、履带 305、主动履带轮 307、辅助主动链轮 309、辅助链条 311、销轴
313、变形动力装置 3042、从动摆杆 3121、行进电机 3123、行进从动链轮 3131、变形电机 3133、变形从动链轮达到控制履带303变形的目的,并且在履带303变形的过程中,可时刻保持履带303张紧, 使主动摆杆3041和从动摆杆3042停止在任意角度时机器人都可实现平稳行进;同时,利用平行四边形四杆机构的变形特点,可以使履带机器人本身具有良好的减震作用。
[0047] 本实施例中,履带变形驱动轴302与从动摆杆3042之间设有从动摆杆辅助装置, 从动摆杆辅助装置包括辅助主动链轮307、辅助从动链轮308、辅助链条309、副摆杆310和销轴311,辅助主动链轮307与履带变形驱动轴302键连接,辅助从动链轮308通过轴承支承于行进驱动轴301上,辅助从动链轮308经辅助链条309与辅助主动链轮307连接,副摆杆310 —端与辅助从动链轮308固接,另一端经销轴311与从动摆杆3042连接。该从动摆杆辅助装置通过链传动将履带变形驱动轴302的旋转动力传递到副摆杆310,再由副摆杆 310传递到从动摆杆3042上,确保从动摆杆3042保持与主动摆杆3041同向转动,使履带 303变形的动力分布更加均勻,从而提高变形摆杆机构304的变形能力,防止变形摆杆机构 304受地形和自身形态的限制而出现卡死状态。
[0048] 本实施例中,机身2装设于机架1的顶部,行进驱动轴301由行进动力装置312驱动,行进动力装置312包括行进电机3121、行进主动链轮3122、行进从动链轮3123和行进传动链条3124,行进电机3121装设于机身2上,行进主动链轮3122装设于行进电机3121 的输出轴上,行进从动链轮3123装设于行进驱动轴301上,行进主动链轮3122与行进从动链轮3123通过行进传动链条31M连接。履带变形驱动轴302由变形动力装置313驱动, 变形动力装置313包括变形电机3131、变形主动链轮3132、变形从动链轮3133和变形传动链条3134,变形电机3131装设于机身2上,变形主动链轮3132装设于变形电机3131的输出轴上,变形从动链轮3133装设于履带变形驱动轴302上,变形主动链轮3132与变形从动链轮3133通过变形传动链条3134连接。行进电机3121和变形电机3131均装设于机身2 上,使行进电机3121和变形电机3131受机身2保护,减少机器人动力部分的故障率,使机器人的运转稳定可靠。
[0049] 下面结合附图对本发明的变形履带机器人作进一步详细说明。
[0050] 如图1至图5所示,本发明的变形履带机器人具有五种变形形态,分别可以适应突起型、沟壑型、河流型、台阶型的不同类型障碍。
[0051] 本发明的变形履带机器人遇到突起型障碍时,可以根据不同情况采用三种翻越方式。
[0052] 如图8、图9和图12所示,当变形履带机器人遇到普通的突起型障碍物时,变形电机3131驱动主动摆杆3041按图12中箭头所示方向旋转,从动摆杆3042在从动摆杆辅助装置的副摆杆310的带动下同步转动,使啮合在从动摆杆3042两端的从动履带轮306之间的履带303压在障碍物边沿,在履带303的攀升力和主动履带轮305的推动力作用下,使变形履带机器人按图12中a、b、c、d四个步骤翻越障碍物。
[0053] 如图8、图9和图13所示,当变形履带机器人遇到较高的突起型障碍物时,变形电机3131驱动主动摆杆3041按图13中箭头所示方向旋转,从动摆杆3042在从动摆杆辅助装置和副摆杆310的带动下同步转动,从而将变形履带机器人的机架1和机身2抬起,使啮合在从动摆杆3042两端的从动履带轮306之间的履带303压在障碍物边沿,在履带303的攀升力和主动履带轮305的推动力作用下,使变形履带机器人按图13中a、b、c、d四个步骤翻越障碍物。[0054] 如图8、图9和图14所示,当变形履带机器人遇到高度小于主动摆杆3041的长度、 宽度小于变形履带机器人两侧履带303内侧间距的突起型障碍时,变形电机3131驱动主动摆杆3041按图14中箭头所示方向旋转,从动摆杆3042在副摆杆310的带动下同步转动, 从而将变形履带机器人的机架1和机身2抬起,使机架1的底部距离地面的高度大于障碍物的高度,使变形履带机器人按图14中a、b、c、d四个步骤翻越障碍物。
[0055] 本发明的变形履带机器人遇到沟壑型障碍时,可以根据不同情况采用两种越过方式。
[0056] 如图8、图9和图15所示,当变形履带机器人遇到普通的壕沟时,变形电机3131驱动主动摆杆3041旋转,使变形履带机器人主动摆杆3041、从动摆杆3042与摆动连杆3043 处于同一直线,即八个履带轮同时与地面接触。此时变形履带机器人的总长最长,这样变形履带机器人就会按图15中a、b、c、d四个步骤顺利通过壕沟。
[0057] 如图8、图9和图16所示,当变形履带机器人遇到较宽的壕沟时,变形电机3131驱动主动摆杆3041旋转,使变形履带机器人主动摆杆3041、从动摆杆3042与摆动连杆3043 处于同一直线,且三个从动履带轮306位于前端,主动履带轮305位于后端,变形履带机器人向前行进,当变形履带机器人处于壕沟中时,变形电机3131驱动主动摆杆3041按图16 步骤c中箭头所示方向旋转,使机构变形为主动摆杆3041、从动摆杆3042与摆动连杆3043 再次处于同一直线,变形履带机器人继续向前行进,由于变形履带机器人的两个变形状态总长均为最长,使得变形履带机器人的重心始终受到稳定支撑,变形履带机器人不会前翻, 也不会后翻,这样变形履带机器人就会按图16中a、b、c、d四个步骤顺利通过壕沟。
[0058] 本发明的变形履带机器人遇到河流型障碍时,可以根据不同情况采用两种越过方式。
[0059] 如图17所示,如果传动系统驱动电机部分采用了良好防水措施,变形履带机器人可以潜入水中行进。如图8、图9和图18所示,如果动力系统驱动电机部分的防水性能不好,可令变形电机3131驱动主动摆杆3041旋转进行变形,将变形履带机器人的机架1和机身2抬起,使传动系统驱动电机部分脱离水面,从而顺利通过河流。
[0060] 如图19所示,本发明的一种变形履带机器人遇到台阶型障碍时,攀越第一级台阶的原理与翻越突起型障碍相同,之后在行进电机3121、变形电机3131和履带303的共同作用下便可顺利爬上其余台阶。如果变形履带机器人需要爬下台阶型障碍时,则反向运动即可。

Claims (5)

1. 一种变形履带机器人,包括机架(1)和装设于机架(1)上的机身O),其特征在于: 所述机架(1)两侧各装有一套变形履带行走机构(3),所述变形履带行走机构C3)包括行进驱动轴(301)、履带变形驱动轴(302)、履带(30¾和变形摆杆机构(304),所述行进驱动轴(301)和履带变形驱动轴(30¾平行布置于机架(1)上,所述变形摆杆机构(304) —端与履带变形驱动轴(30¾固接,另一端经轴承支承于行进驱动轴(301)上,所述行进驱动轴(301)上装设有主动履带轮(305),所述履带变形驱动轴(30¾和变形摆杆机构(304)上均装设有从动履带轮(306),所述主动履带轮(30¾和各从动履带轮(306)均与履带(303) 啮合,所述变形摆杆机构(304)为由主动摆杆(3041)、从动摆杆(304¾和摆动连杆(3043) 组成的平行四边形四杆机构,所述主动摆杆(3041)与履带变形驱动轴(30¾固接,所述从动摆杆(304¾经轴承支承于行进驱动轴(301)上,所述摆动连杆(304¾ —端与主动摆杆 (3041)铰接,另一端与从动摆杆(304¾铰接,所述摆动连杆(304¾两端的铰接点上分别装设有一件从动履带轮(306)。
2.根据权利要求1所述的变形履带机器人,其特征在于:所述履带变形驱动轴(302) 与从动摆杆(304¾之间设有从动摆杆辅助装置,所述从动摆杆辅助装置包括辅助主动链轮(307)、辅助从动链轮(308)、辅助链条(309)、副摆杆(310)和销轴(311),所述辅助主动链轮(307)与履带变形驱动轴(30¾键连接,所述辅助从动链轮(308)通过轴承支承于行进驱动轴(301)上,辅助从动链轮(308)经辅助链条(309)与辅助主动链轮(307)连接,所述副摆杆(310) —端与辅助从动链轮(308)固接,另一端经销轴(311)与从动摆杆(3042) 连接。
3.根据权利要求1或2所述的变形履带机器人,其特征在于:所述行进驱动轴(301) 由行进动力装置(31¾驱动,所述行进动力装置(31¾包括行进电机(3121)、行进主动链轮(3122)、行进从动链轮(312¾和行进传动链条(31M),所述行进电机(3121)装设于机身(2)上,所述行进主动链轮(312¾装设于行进电机(3121)的输出轴上,所述行进从动链轮(312¾装设于行进驱动轴(301)上,行进主动链轮(312¾与行进从动链轮(312¾通过行进传动链条(3124)连接。
4.根据权利要求1或2所述的变形履带机器人,其特征在于:所述履带变形驱动轴(302)由变形动力装置(313)驱动,所述变形动力装置(313)包括变形电机(3131)、变形主动链轮(3132)、变形从动链轮(313¾和变形传动链条(3134),所述变形电机(3131)装设于机身(¾上,所述变形主动链轮(313¾装设于变形电机(3131)的输出轴上,所述变形从动链轮(313¾装设于履带变形驱动轴(30¾上,变形主动链轮(313¾与变形从动链轮 (3133)通过变形传动链条(3134)连接。
5.根据权利要求3所述的变形履带机器人,其特征在于:所述履带变形驱动轴(302) 由变形动力装置(31¾驱动,所述变形动力装置(31¾包括变形电机(3131)、变形主动链轮(3132)、变形从动链轮(313¾和变形传动链条(3134),所述变形电机(3131)装设于机身(2)上,所述变形主动链轮(313¾装设于变形电机(3131)的输出轴上,所述变形从动链轮(313¾装设于履带变形驱动轴(30¾上,变形主动链轮(313¾与变形从动链轮(3133) 通过变形传动链条(3134)连接。
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