CN102295029B - 一种自适应轮腿组合越障机构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自适应轮腿组合越障机构，该越障机构包括有右支撑腿组件、左支撑腿组件、右运动组件、左运动组件和连接件，其中右支撑腿组件与左支撑腿组件的结构相同；右运动组件与左运动组件的结构相同。右支撑腿组件的右接扣连接在连接件的一端上；左支撑腿组件的左接扣连接在连接件的另一端上；右运动组件的右舵机的机壳安装在连接件的底板一端上；左运动组件的左舵机的机壳安装在连接件的底板的另一端上。本发明越障机构在平地时以轮式移动为运动方式，机动性强、能耗低。遇到障碍物时依靠左右运动组件形成的行星轮滚动方式进行越障，环境适应能力强，在一定条件下可用跳跃的方式越障。

Description

一种自适应轮腿组合越障机构

技术领域

本发明涉及一种适用于机器人的越障机构，更特别地说，是指一种自适应轮腿组合越障机构。

背景技术

现阶段，研究机器人在复杂环境条件下的越障问题有很高的经济和实用价值。用于军事侦察、反恐防暴、灾害救援等领域的小型越障机器人以其体积小、环境适应能力强、运动灵活、操纵方便等特点成为机器人研究领域的一大热点。

越障机器人可以用于人员不能到达的特殊环境，比如有害物质集聚的空间，狭小和地形不明的空间，实施军事侦查或科学研究；可用于反恐防暴的现场，代替工作人员检查可疑危险物，排除危险，保证人员安全；当携带了相应的设备后，越障机器人可用于火灾、地震、泥石流等危险环境下的探测与救援工作，挽救宝贵的生命，同时减少灾害带来的损失；此外，在空间探测领域，越障机器人也大有作为。它可以代替宇航员执行星球表面的探测和物质采集工作，为科学研究提供极大的便利。

越障机器人工作的环境复杂多变，为了适应不同的环境需要，应保证机器人在不同的环境下都能稳定可靠的完成预定工作。不同于传统的机器人研究方向，复杂环境条件下的越障机器人在可靠性、机动性、可控性、越障能力以及环境适应能力等方面面临许多复杂的问题，需要寻找新的工程方法来解决。

为了解决复杂环境条件下的越障问题，研究人员进行了长期的探索。目前，针对楼梯这一特殊障碍环境，研究人员找到了三种常用的解决方案：履带式上楼梯机器人、导轨式移动平台、行星轮机构。其中，履带式上楼梯机器人体积和质量都较大，对复杂环境的适应能力弱；导轨式移动平台造价高，且只能固定在一段楼梯的旁边，机动性很弱，实用性不强；常规的自动控制行星轮上楼梯机构多由四个齿轮传动的行星轮组成，体积较大，传动方式复杂，能耗高。使用蓄电池供电时续航能力弱。

发明内容

本发明的目的是提供一种自适应轮腿组合越障机构，该越障机构在平地时以轮式移动为运动方式，机动性强、能耗低。遇到障碍物时依靠左右运动组件形成的行星轮滚动方式进行越障，环境适应能力强，在一定条件下可用跳跃的方式越障。

本发明的一种自适应轮腿组合越障机构，该越障机构包括有右支撑腿组件、左支撑腿组件、右运动组件、左运动组件和连接件，其中右支撑腿组件与左支撑腿组件的结构相同；右运动组件与左运动组件的结构相同。右支撑腿组件的右接扣连接在连接件的一端上；左支撑腿组件的左接扣连接在连接件的另一端上；右运动组件的右舵机的机壳安装在连接件的底板一端上；左运动组件的左舵机的机壳安装在连接件的底板的另一端上。右运动组件与左运动组件保持同步运动，右支撑腿组件与左支撑腿组件保持同步运动。

右运动组件(3)与左运动组件(4)同步实现平地行驶，右运动组件(3)与左运动组件(4)、右支撑腿组件(1)与左支撑腿组件(2)配合实现越障运动。

本发明越障机构的优点在于：

①运动组件采用舵机、滑环、轮系支架、电机和车轮形成一个三个车轮协作运动的行星轮滚动方式。这样的结构设计使得越障机构整体体积很小，重量轻，对狭小空间具有更强适应性，且携带、运输方便。相比四个行星轮组成的机器人结构，本发明体积大幅减小，运动更加灵活，机动性强，可实现零半径转向。

②支撑腿组件采用前腿、后腿、脚板和合页的结构，前腿与后腿组合能产生很大的跨度，前腿、后腿间设计了限制自由度的合页，保证了在越过较高的障碍时能提供稳定的支撑。脚板设计成T形能保证脚板上的底板始终以一个平面接触地面，有防止打滑的效果。

③本发明设计的越障机构在平地时以轮式移动为运动方式，速度比履带式机器人快，并且能耗低，续航时间长。

④本发明设计的越障机构在遇到障碍物时对复杂地形环境的适应性强，可在楼梯、草地、沙地、瓦砾堆等不同环境下实现越障功能。此种情况下，蜗轮蜗杆减速机构处于自锁状态，移动轮锁死，具有防滑和减小冲击的作用。支撑腿上的脚板贴有橡胶片起到防滑作用，保证了装载在越障机构上的机器人越障时的稳定性。

附图说明

图1是本发明越障机构的结构图。

图1A是本发明越障机构的另一视角结构图。

图1B是本发明越障机构在遇到障碍物时的状态图。

图1C是本发明越障机构的结构分解图。

图2是本发明越障机构中腿部的结构图。

图3是本发明越障机构中右运动组件的分解图。

图4是本发明越障机构中左运动组件的分解图。

图中：          1.右支撑腿组件 11.右合页     12.右前支板   13.右后支板

14.右脚板       141.纵板面     15.右接扣     151.横板面    152.竖板面

2.左支撑腿组件  21.左合页      22.左前支板   23.左后支板

24.左脚板       241.纵板面     25.左接扣     251.横板面    252.竖板面

3.右运动组件    31.右轮系支架  31A.A连接块   31B.B连接块   31C.C连接块

31D.A支臂       31E.B支臂      31F.C支臂     31G.轴孔      32.右滑环

33.右舵机       33A.机壳       33B.舵盘      34.紧固螺母   35.右转动轴

35A.连接盘      3A.A车轮       3B.B车轮      3C.C车轮

3D.A蜗轮蜗杆电机         3E.B蜗轮蜗杆电机    3F.C蜗轮蜗杆电机

4.左运动组件    41.左轮系支架  41A.A连接块   41B.B连接块   41C.C连接块

41D.A支臂       41E.B支臂      41F.C支臂     41G.轴孔      42.左滑环

44.左舵机       44A.机壳       43B.舵盘      44.紧固螺母   45.左转动轴

45A.连接盘      4A.D车轮       4B.E车轮      4C.F车轮

4D.D蜗轮蜗杆电机          4E.E蜗轮蜗杆电机        4F.F蜗轮蜗杆电机

5.连接件        51.右竖板      52.左竖板     53.底板

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、图1A所示，本发明的一种自适应轮腿组合越障机构，该越障机构包括有右支撑腿组件1、左支撑腿组件2、右运动组件3、左运动组件4和连接件5，其中右支撑腿组件1与左支撑腿组件2的结构相同；右运动组件3与左运动组件4的结构相同。

本发明设计的右运动组件3与左运动组件4同步实现平地行驶，右运动组件3与左运动组件4和右支撑腿组件1与左支撑腿组件2配合实现越障运动。

(一)右支撑腿组件1

参见图2所示，右支撑腿组件1包括有右合页11、右前支板12、右后支板13、右脚板14和右接扣15；其中，右前支板12与右后支板13的结构相同；

右接扣15为L形结构件，右接扣15上设有横板面151和竖板面152；

右脚板14为T形结构件，右脚板14上设有纵板面141和底板面142；

右合页11的上片页与右前支板12的一端连接，右合页11的下片页与右后支板13的一端连接；

右前支板12的下一端与右接扣15的横板面151连接，右接扣15的竖板面152与连接件5的右竖板51连接；

右后支板13的下一端与右脚板14的纵板面141连接。

(二)左支撑腿组件2

参见图2所示，左支撑腿组件2包括有左合页21、左前支板22、左后支板23、左脚板24和左接扣25；其中，左前支板22与左后支板23的结构相同；

左接扣25为L形结构件，左接扣25上设有横板面251和竖板面252；

左脚板24为T形结构件，左脚板24上设有纵板面241和底板面242；

左合页21的上片页与左前支板22的一端连接，左合页21的下片页与左后支板23的一端连接；

左前支板22的下一端与左接扣25的横板面251连接，左接扣25的竖板面252与连接件5的左竖板52连接；

左后支板23的下一端与左脚板24的纵板面241连接。

(三)右运动组件3

参见图3所示，右运动组件3包括有右轮系支架31、右滑环32、右舵机33、右紧固螺母34、右转动轴35、三个车轮(A车轮3A、B车轮3B、C车轮3C)和三个蜗轮蜗杆电机(A蜗轮蜗杆电机3D、B蜗轮蜗杆电机3E、C蜗轮蜗杆电机3F)。

右轮系支架31为三角形结构件，右轮系支架31上设有轴孔31G、A支臂31D、B支臂31E、C支臂31F；所述轴孔31G用于右转动轴35的一端穿过，然后右转动轴35的一端连接上右紧固螺母34。

A支臂31D的端部设有A连接块31A，该A连接块31A用于安装A蜗轮蜗杆电机3D；A蜗轮蜗杆电机3D的输出杆与A车轮3A的转轴连接。

B支臂31E的端部设有B连接块31B，该B连接块31B用于安装B蜗轮蜗杆电机3E；B蜗轮蜗杆电机3E的输出杆与B车轮3B的转轴连接。

C支臂31F的端部设有C连接块31C，该C连接块31C用于安装C蜗轮蜗杆电机3F；C蜗轮蜗杆电机3F的输出杆与C车轮3C的转轴连接。

右转动轴35的连接盘35A与右舵机33的舵盘33B连接，右转动轴35的一端顺次穿过右滑环32的中心通孔、右轮系支架31的轴孔31G后连接上右紧固螺母34；在本发明中，右转动轴35实现了右舵机33、右滑环32与右轮系支架31之间的连接。

右舵机33的机壳33A安装在连接件5的底板53的右端。

右运动组件3的运动是一个以三个车轮协作运动的行星轮滚动方式。即在右舵机33的驱动下，右轮系支架31通过右转动轴35的传递，使得右轮系支架31滚动；在右轮系支架31滚动的条件下，用于驱动车轮运动的蜗轮蜗杆电机自锁。当右轮系支架31滚过障碍物后，驱动车轮运动的蜗轮蜗杆电机作动，使车轮运动实现前行或者后退。

右运动组件3能够实现平地行驶，右运动组件3与右支撑腿组件1配合能够实现越障运动(遇障碍物时)。

平地行驶时，右舵机33处于锁定状态，与右轮系支架31连接的三个蜗轮蜗杆电机(A蜗轮蜗杆电机3D、B蜗轮蜗杆电机3E、C蜗轮蜗杆电机3F)保持同步运动，从而实现越障机构的前进和后退功能。

越障运动时，右转动轴35在右舵机33的驱动下，右支撑腿组件1中的右前支板12与右后支板13绕右合页11运动直到右脚板14与地面接触，之后右转动轴35带动右轮系支架31转动将车轮抬起从而跨过障碍物，此时右轮系支架31上安装的三个蜗轮蜗杆电机(A蜗轮蜗杆电机3D、B蜗轮蜗杆电机3E、C蜗轮蜗杆电机3F)处于自锁状态。

(四)左运动组件4

参见图4所示，左运动组件4包括有左轮系支架41、左滑环42、左舵机43、左紧固螺母44、左转动轴45、三个车轮(D车轮4A、E车轮4B、F车轮4C)和三个蜗轮蜗杆电机(D蜗轮蜗杆电机4D、E蜗轮蜗杆电机4E、F蜗轮蜗杆电机4F)。

左轮系支架41为三角形结构件，左轮系支架41上设有轴孔41G、A支臂41D、B支臂41E、C支臂41F；所述轴孔41G用于左转动轴45的一端穿过，然后左转动轴45的一端连接上左紧固螺母44。

A支臂41D的端部设有A连接块41A，该A连接块41A用于安装D蜗轮蜗杆电机4D；D蜗轮蜗杆电机4D的输出杆与D车轮4A的转轴连接。

B支臂41E的端部设有B连接块41B，该B连接块41B用于安装E蜗轮蜗杆电机4E；E蜗轮蜗杆电机4E的输出杆与E车轮4B的转轴连接。

C支臂41F的端部设有C连接块41C，该C连接块41C用于安装F蜗轮蜗杆电机4F；F蜗轮蜗杆电机4F的输出杆与F车轮4C的转轴连接。

左转动轴45的连接盘45A与左舵机43的舵盘43B连接，左转动轴45的一端顺次穿过左滑环42的中心通孔、左轮系支架41的轴孔41G后连接上左紧固螺母44；在本发明中，左转动轴45实现了左舵机43、左滑环42与左轮系支架41之间的连接。

左舵机43的机壳43A安装在连接件5的底板53的左端。

左运动组件4的运动是一个以三个车轮协作运动的行星轮滚动方式。即在左舵机43的驱动下，左轮系支架41通过左转动轴45的传递，使得左轮系支架41滚动；在左轮系支架41滚动的条件下，用于驱动车轮运动的蜗轮蜗杆电机自锁。当左轮系支架41滚过障碍物后，驱动车轮运动的蜗轮蜗杆电机作动，使车轮运动实现前行或者后退。

左运动组件4能够实现平地行驶，左运动组件4与左支撑腿组件2配合能够实现越障运动(遇障碍物时)。

平地行驶时，左舵机43处于锁定状态，与左轮系支架41连接的三个蜗轮蜗杆电机同步运动，从而实现越障机构的前进和后退功能。

越障运动时，左转动轴45在左舵机43的驱动下，左支撑腿组件2中的左前支板22与左后支板23绕左合页21运动直到左脚板24与地面接触，之后左转动轴45带动左轮系支架41转动将车轮抬起从而跨过障碍物，此时左轮系支架41上安装的三个蜗轮蜗杆电机处于自锁状态。

在本发明中，右舵机33与左舵机43选用的扭矩为15Kg·cm(工作电压7.2V)。右舵机33与左舵机43选用北京龙凡汇众机器人科技有限公司生产的型号为DF 15SR 360度连续旋转舵机。

在本发明中，六个蜗轮蜗杆电机(A蜗轮蜗杆电机3D、B蜗轮蜗杆电机3E、C蜗轮蜗杆电机3F、D蜗轮蜗杆电机4D、E蜗轮蜗杆电机4E、F蜗轮蜗杆电机4F)的转速50转/分、扭矩2Kg·cm、电流0.3安、电压12V。可以选用广东三拓电机厂生产的型号为GW370-65的微型蜗轮蜗杆减速直流电机。

(五)连接件5

参见图1B所示，连接件5为π字形结构件，连接件5上设有右竖板51、左竖板52和底板53；右竖板51用于与右支撑腿组件1的右前支板12的下端连接，左竖板52用于与左支撑腿组件2的左前支板22的下端连接，底板53的一端与右运动组件3的右舵机的机壳连接，底板53的另一端与左运动组件4的左舵机的机壳连接。

在本发明中，采用连接件5的目的就是让对称设置的左右两个部分形成一个整体，更佳有利于实现仿蝗虫运动的方式。

本发明设计的越障机构的连接为：

右支撑腿组件1的右接扣15连接在连接件5的一端上；

左支撑腿组件2的左接扣25连接在连接件5的另一端上；

右运动组件3的右舵机32的机壳安装在连接件5的底板一端上；

左运动组件4的左舵机42的机壳安装在连接件5的底板的另一端上。

本发明设计的越障机构具有如下的运动方式，需要说明的是右运动组件3与左运动组件4保持同步运动，右支撑腿组件1与左支撑腿组件2保持同步运动：

参见图1所示，平地运动时，右运动组件3中的B车轮3B与C车轮3C着地，同时左运动组件4中的E车轮4B与F车轮4C着地；车轮在蜗轮蜗杆电机的驱动下，驱动四轮(B车轮3B与C车轮3C、E车轮4B与F车轮4C)的蜗轮蜗杆电机同向运动，则带动本发明越障机构前进或后退。

参见图1B所示，遇到障碍物时，车轮在蜗轮蜗杆电机的驱动下，右运动组件3中的C车轮3C和左运动组件4中的F车轮4C着地，同时右脚板14和左脚板24着地；与此同时右运动组件3中的A车轮3A和左运动组件4中的D车轮4A向前，右轮系支架31在右转动轴35(右转动轴35与右舵机32的舵盘连接)的传动下，左轮系支架41在左转动轴45(左转动轴45与左舵机42的舵盘连接)的传动下，使得轮系支架31和左轮系支架41向前滚动，从而实现本发明越障机构越过障碍物。

本发明设计的越障机构，在重力加速度较小的环境中(如月球环境)，右舵机33带动右脚板14和左舵机43带动左脚板24以较大加速度对地面施加作用力，在反作用力的推动下实现跳跃功能。

Claims (5)

1.一种自适应轮腿组合越障机构，其特征在于：该越障机构包括有右支撑腿组件（1）、左支撑腿组件（2）、右运动组件（3）、左运动组件（4）和连接件（5），其中右支撑腿组件（1）与左支撑腿组件（2）的结构相同；右运动组件（3）与左运动组件（4）的结构相同；

右支撑腿组件（1）包括有右合页（11）、右前支板（12）、右后支板（13）、右脚板（14）和右接扣（15）；其中，右前支板（12）与右后支板（13）的结构相同；

右接扣（15）上设有横板面（151）和竖板面（152）；

右脚板（14）上设有纵板面（141）和底板面（142）；

右合页（11）的上片页与右前支板（12）的一端连接，右合页（11）的下片页与右后支板（13）的一端连接；

右前支板（12）的下一端与右接扣（15）的横板面（151）连接，右接扣（15）的竖板面（152）与连接件（5）的右竖板（51）连接；

右后支板（13）的下一端与右脚板（14）的纵板面（141）连接；

左支撑腿组件（2）包括有左合页（21）、左前支板（22）、左后支板（23）、左脚板（24）和左接扣（25）；其中，左前支板（22）与左后支板（23）的结构相同；

左接扣（25）上设有横板面（251）和竖板面（252）；

左脚板（24）上设有纵板面（241）和底板面（242）；

左合页（21）的上片页与左前支板（22）的一端连接，左合页（21）的下片页与左后支板（23）的一端连接；

左前支板（22）的下一端与左接扣（25）的横板面（251）连接，左接扣（25）的竖板面（252）与连接件（5）的左竖板（52）连接；

左后支板（23）的下一端与左脚板（24）的纵板面（241）连接；

右运动组件（3）包括有右轮系支架（31）、右滑环（32）、右舵机（33）、右紧固螺母（34）、右转动轴（35）、A车轮（3A）、B车轮（3B）、C车轮（3C）、A蜗轮蜗杆电机（3D）、B蜗轮蜗杆电机（3E）、C蜗轮蜗杆电机（3F）；

右轮系支架（31）为三角形结构件，右轮系支架（31）上设有轴孔（31G）、A支臂（31D）、B支臂（31E）、C支臂（31F）；所述轴孔（31G）用于右转动轴（35）的一端穿过，然后右转动轴（35）的一端连接上右紧固螺母（34）；

A支臂（31D）的端部设有A连接块（31A），该A连接块（31A）用于安装A蜗轮蜗杆电机（3D）；A蜗轮蜗杆电机（3D）的输出杆与A车轮（3A）的转轴连接；

B支臂（31E）的端部设有B连接块（31B），该B连接块（31B）用于安装B蜗轮蜗杆电机（3E）；B蜗轮蜗杆电机（3E）的输出杆与B车轮（3B）的转轴连接；

C支臂（31F）的端部设有C连接块（31C），该C连接块（31C）用于安装C蜗轮蜗杆电机（3F）；C蜗轮蜗杆电机（3F）的输出杆与C车轮（3C）的转轴连接；

右转动轴（35）的连接盘（35A）与右舵机（33）的舵盘（33B）连接，右转动轴（35）的一端顺次穿过右滑环（32）的中心通孔、右轮系支架（31）的轴孔（31G）后连接上右紧固螺母（34）；

右舵机（33）的机壳（33A）安装在连接件（5）的底板（53）的右端；

左运动组件（4）包括有左轮系支架（41）、左滑环（42）、左舵机（43）、左紧固螺母（44）、左转动轴（45）、A车轮（4A）、B车轮（4B）、C车轮（4C）、D蜗轮蜗杆电机（4D）、E蜗轮蜗杆电机（4E）、F蜗轮蜗杆电机（4F）；

左轮系支架（41）为三角形结构件，左轮系支架（41）上设有轴孔（41G）、A支臂（41D）、B支臂（41E）、C支臂（41F）；所述轴孔（41G）用于左转动轴（45）的一端穿过，然后左转动轴（45）的一端连接上左紧固螺母（44）；

A支臂（41D）的端部设有A连接块（41A），该A连接块（41A）用于安装A蜗轮蜗杆电机（4D）；A蜗轮蜗杆电机（4D）的输出杆与A车轮（4A）的转轴连接；

B支臂（41E）的端部设有B连接块（41B），该B连接块（41B）用于安装B蜗轮蜗杆电机（4E）；B蜗轮蜗杆电机（4E）的输出杆与B车轮（4B）的转轴连接；

C支臂（41F）的端部设有C连接块（41C），该C连接块（41C）用于安装C蜗轮蜗杆电机（4F）；C蜗轮蜗杆电机（4F）的输出杆与C车轮（4C）的转轴连接；

左转动轴（45）的连接盘（45A）与左舵机（43）的舵盘（43B）连接，左转动轴（45）的一端顺次穿过左滑环（42）的中心通孔、左轮系支架（41）的轴孔（41G）后连接上左紧固螺母（44）；

左舵机（43）的机壳（43A）安装在连接件（5）的底板（53）的左端；

连接件（5）上设有右竖板（51）、左竖板（52）和底板（53）；右竖板（51）用于与右支撑腿组件（1）的右前支板（12）的下端连接，左竖板（52）用于与左支撑腿组件（2）的左前支板（22）的下端连接，底板（53）的一端与右运动组件（3）的右舵机的机壳连接，底板（53）的另一端与左运动组件（4）的左舵机的机壳连接。

2.根据权利要求1所述的一种自适应轮腿组合越障机构，其特征在于：右运动组件（3）与左运动组件（4）同步实现平地行驶，右运动组件（3）与左运动组件（4）、右支撑腿组件（1）与左支撑腿组件（2）配合实现越障运动；

平地行驶时，右舵机（33）处于锁定状态，与右轮系支架（31）连接的A蜗轮蜗杆电机（3D）、B蜗轮蜗杆电机（3E）和C蜗轮蜗杆电机（3F）保持同步运动，从而实现越障机构的前进和后退功能；左舵机（43）处于锁定状态，与左轮系支架（41）连接的D蜗轮蜗杆电机（4D）、E蜗轮蜗杆电机（4E）和F蜗轮蜗杆电机（4F）保持同步运动，从而实现越障机构的前进和后退功能；

越障运动时，右转动轴（35）在右舵机（33）的驱动下，右支撑腿组件（1）中的右前支板（12）与右后支板（13）绕右合页（11）运动直到右脚板（14）与地面接触，之后右转动轴（35）带动右轮系支架（31）转动将车轮抬起从而跨过障碍物，此时右轮系支架（31）上安装的A蜗轮蜗杆电机（3D）、B蜗轮蜗杆电机（3E）和C蜗轮蜗杆电机（3F）处于自锁状态；左转动轴（45）在左舵机（43）的驱动下，左支撑腿组件（2）中的左前支板（22）与左后支板（23）绕左合页（21）运动直到左脚板（24）与地面接触，之后左转动轴（45）带动左轮系支架（41）转动将车轮抬起从而跨过障碍物，此时左轮系支架（41）上安装的D蜗轮蜗杆电机（4D）、E蜗轮蜗杆电机（4E）和F蜗轮蜗杆电机（4F）处于自锁状态。

3.根据权利要求1所述的一种自适应轮腿组合越障机构，其特征在于：右支撑腿组件（1）与左支撑腿组件（2）的伸展运动均采用了仿蝗虫运动的方式。

4.根据权利要求1所述的一种自适应轮腿组合越障机构，其特征在于：右舵机（33）与左舵机（43）的输出扭矩为15Kg·cm，工作电压7.2V。

5.根据权利要求1所述的一种自适应轮腿组合越障机构，其特征在于：该越障机构在运动时，右运动组件（3）与左运动组件（4）保持同步运动，右支撑腿组件（1）与左支撑腿组件（2）保持同步运动。

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