CN102328704A - 可展轮式移动机器人 - Google Patents

Abstract

一种可展轮式移动机器人，包括车架、能相对车架摆动的摆动悬架组件、分别可转动地连接于摆动悬架组件两端的四个驱动轴组件、分别固定连接于四个驱动轴组件，使车轮组相对于车架可转动的四个车轮组。每个车轮组包括圆柱形的正常车轮、三个可展轮缘、三个二叉杆及驱动件。每个可展轮缘为弓形，且具有两个轴承孔。三个二叉杆围绕正常车轮的轴心设置，每个二叉杆具有两个自由端及一个弯折部，弯折部可转动地连接于正常车轮的外侧，每个二叉杆的两个自由端分别与其中一个可展轮缘中间轴承孔及相邻可展轮缘的边缘轴承孔可转动地连接。驱动件驱动三个二叉杆绕各自的弯折部中心转动。上述可展轮式移动机器人的越障能力较好。

Description

可展轮式移动机器人

【技术领域】

本发明涉及一种机器人，特别涉及一种可展轮式移动机器人。

【背景技术】

各种地面移动机构(轮式、腿式、履带式)在快速性、平稳性、越障性等方面各有长短。虽然轮式移动机构移动快速、平稳，但其越障性能较差。如果能设计出越障性能好的轮式移动机构，那么轮式移动机器人的应用范围将在更大程度上得以提高。

国内外对于移动机器人的移动系统研究比较多，但对于移动机构本身尤其是轮式移动机构的改进方面研究尚处于起步阶段。其中，北京航空航天大学提出了一种适用于可变直径轮的摆动变直径轮架。所述轮架由轮辐、弹性变形件和轮脚板组成。弹性变形件安装在轮辐和轮脚板之间，所述变直径机构通过两侧的轮辐与中间的轮辐产生相对转动，带动弹性变形件在圆周方向上产生螺旋扭转，使轮脚张开或合拢，从而实现车轮的轮径可变，在中国专利第200910078938.4号中有所述及。中国专利号为200620028478.6阐述了吉林大学研制的复式步行轮机构，所述机构适应了沙地等松软的地面，但是由于机构的伸缩比有限，所述机构的越障性能不能达到较满意的效果。

因此，目前的移动机器人能高速高效的行走但越障能力不足，能越过障碍但行进却很缓慢，并且稳定性不足。

【发明内容】

鉴于上述状况，有必要提供一种越障能力较好的可展轮式移动机器人。

一种可展轮式移动机器人，包括：

车架；

摆动悬架组件，与所述车架连接且相对所述车架可摆动；

四个驱动轴组件，分别可转动地连接于所述摆动悬架组件的两端；

四个车轮组，分别固定连接于所述四个驱动轴组件，使所述车轮组能够相对于所述车架转动，每个车轮组包括：

正常车轮，为掏空的圆柱形；

三个可展轮缘，每个可展轮缘为弓形，且具有一个中心轴承孔及一个边缘轴承孔；

三个二叉杆，围绕所述正常车轮的轴心设置，每个二叉杆具有两个自由端及一个弯折部，所述弯折部可转动地连接于所述正常车轮的外侧，所述每个二叉杆的两个自由端分别与其中一个可展轮缘的中心轴承孔及相邻可展轮缘的边缘轴承孔可转动地连接，使所述三个二叉杆与所述三个可展轮缘实现联动；

驱动件，驱动所述三个二叉杆绕各自的弯折部中心转动。

上述可展轮式移动机器人的车轮组的可展轮缘可伸出正常车轮的轮缘外，使得车轮组可轻易越过乱石堆、沙砾、台阶等特殊地形，从而快速地在崎岖的路面行驶，因此，上述可展轮式移动机器人的越障能力较好。

进一步地，所述三个二叉杆围绕所述正常车轮的轴心均匀分布，所述三个可展轮缘可围成与所述正常车轮的轮缘相等的圆。

进一步地，所述摆动悬架组件包括：

支承座，与所述车架固定连接；

转轴，固定地穿设所述支承座；

摆臂，可转动地套设于所述转轴上。

进一步地，每个驱动轴组件包括：

驱动轴，其一端与所述正常车轮固定连接；

导电滑环，套设于所述驱动轴上；

轴承座，可转动地套设于所述驱动轴上；

联轴器，与所述驱动轴远离所述正常车轮的一端固定连接；

行走电机，其驱动轴与所述联轴器连接，用于驱动所述驱动轴转动；及行走电机座，套设于所述行走电机上，所述轴承座及所述行走电机座均与所述摆臂的一端固定连接。

进一步地，所述可展轮式移动机器人还包括传动机构，所述传动机构包括：

从动齿轮，可转动地连接于所述正常车轮的轴心处；

三叉杆，其中部与所述从动齿轮固定连接，所述三叉杆具有三个自由端；

三个连杆，每个连杆的一个自由端与一个所述可展轮缘的中心轴承孔可转动地连接，另一个自由端与所述三个叉杆的一个自由端可转动地连接；

主动齿轮，可转动地连接于所述正常车轮的一侧，且与所述从动齿轮相啮合，所述驱动件固定在正常车轮上，且其驱动轴与所述主动齿轮固定连接，从而带动所述从动齿轮旋转。

进一步地，所述三个可展轮缘均开设有减重孔。

进一步地，所述每个车轮组还包括传动机构，所述传动机构包括：

三个传动齿轮组，每一个传动齿轮组包括末端齿轮及与所述末端齿轮相啮合的过渡齿轮，所述末端齿轮固定于所述弯折部上，所述过渡齿轮可转动地设于所述正常车轮的一侧；

主动齿轮，可转动地设于所述正常车轮的轴心处，且同时与三个过渡齿轮相啮合，所述驱动件的驱动轴穿设所述正常车轮且与所述主动齿轮固定连接，从而驱动所述主动齿轮旋转。

进一步地，所述每个车轮组还包括传动机构，所述传动机构包括：

三个同步带轮，每个同步带轮固定于一个所述二叉杆的弯折部，且可转动地设于所述正常车轮的一侧；

同步带，套设于所述三个同步带轮上，且带动所述三个同步带轮同步转动；

传动齿轮组，其中一个传动齿轮与所述三个同步带轮中的一个同轴连接，所述驱动件通过所述齿轮组啮合，把动力传到与所述传动齿轮同轴的同步带轮上。

本发明的优点在于：

(1)上述可展轮式移动机器人的车轮组实际上是由两部分组成，一部分是可折展车轮一部分是正常车轮，故车轮可在常规路面上稳定快速行走，并且在遇到正常车轮无法跨越的障碍时，可展轮缘展开来帮助辅助跨越障碍。

(2)上述可展轮式移动机器人的车轮组与车架通过摆动悬架组件连接，使驱动轴可相对车架有一定范围的旋转角度，这样不仅能保证移动机器人对地面有一定的适应性并且在单个车轮组遇到障碍的情况下，能保证四个车轮组同时着地，提高了可展轮式移动机器人的地面附着性。

【附图说明】

图1为本发明实施例一的可展轮式移动机器人的立体图；

图2为图1所示的可展轮式移动机器人的摆动悬架组件的分解图；

图3为图1所示的可展轮式移动机器人的驱动轴组件的分解图；

图4为图1所示的可展轮式移动机器人的车轮组的展开状态图；

图5为图1所示的可展轮式移动机器人的车轮组的折叠状态图；

图6为实施例二的车轮组的结构示意图；

图7为实施例三的车轮组的结构示意图。

【具体实施方式】

下面主要结合附图说明本发明的具体实施方式。

请参阅图1，本实施例的可展轮式移动机器人10包括车架101、摆动悬架组件102、驱动轴组件103及车轮组104。其中，摆动悬架组件102通过转轴与车架101相连。驱动轴组件103为四个，且分别可转动地连接于摆动悬架组件102的两端。车轮组为四个，且分别固定连接于四个驱动轴组件102。

具体的，车架101包括上车架1011、下车架1012及支撑杆1013。下车架1012及下车架1012均为板状结构。支撑杆1013为多个，且两端分别与上车架1011及下车架1012固定连接，使上车架1011、下车架1012及支撑杆1013共同形成一个中空的框架。

请参阅图2，摆动悬架组件102包括支承座1021、转轴1024及摆臂1025。支承座1201与车架101固定连接。转轴1024固定地穿设支承座1201。摆臂1205可转动地套设于转轴1024上。

具体的，支撑座1201大致为倒T型，其顶端与车架101的上车架1011固定连接，底端的外边缘设有一个套筒1022及两个限位柱1023。套筒1022位于两个限位柱1023之间。转轴1024穿设套筒1022，且通过螺纹锁固件锁紧。摆臂1025大致为弓形，其弯曲的两端分别与两个限位柱1023相抵接，可使摆臂1025左右摆动。摆臂1023的中部通过轴承1026可转动地套设于转轴1024上。

需要说明的，摆动悬架组件102不限于上述结构，也可为其它结构，例如，与车架101的下车架1012可转动连接的两块限位板，每一块限位板分别与一个驱动轴组件103连接。

请参阅图3，每个驱动轴组件103包括驱动轴1031、导电滑环1032、轴承座1034、联轴器1035、行走电机1036及行走电机座1037。驱动轴1031的一端与车轮组104的正常车轮110固定连接。导电滑环1032套设于驱动轴1031上。轴承座1034可转动地套设于驱动轴1031上。联轴器1035与驱动轴1031远离正常车轮110的一端固定连接。行走电机1036的驱动轴与联轴器1035连接，用于驱动驱动轴1031转动。行走电机座1037套设于行走电机1036上，轴承座1034及行走电机座1037均与摆动悬架组件102的摆臂1025的一端固定连接。具体的，轴承座1034通过轴承1033与驱动轴1031可转动地连接。

需要说明的是，驱动轴组件103不限于上述结构，也可为其它结构，例如，为了减少机器人宽度方向的尺寸，行走电机1036也可以偏置放置，即通过一对齿轮传动把动力传到驱动轴上。

请参阅图4及图5，本实施例的车轮组104的包括正常车轮110、可展轮缘120、二叉杆130、驱动件140及传动机构150(含主动齿轮157、被动齿轮151、二叉杆155、三叉杆153)；由于所述机构呈中心对称布置，可分为三个支链，每个支链由可展轮缘120及与可展轮缘120相连的两个二叉杆130构成；旋转的三叉杆153带动每个连杆155转动，实现可展轮缘120的伸出和折叠。所述车轮组104的运动机构为单自由度，动力由中心的旋转三叉杆提供。

正常车轮110为圆柱形，其一侧的中部设有一个圆形的轮毂111。正常车轮110上开始有多个减重孔113。多个减重孔113围绕轮毂111均匀分布。

在本实施例中，可展轮缘120为三个。每个可展轮缘120为弓形，且具有一个中心轴承孔121及一个边缘轴承孔123。中心轴承孔121位于可展轮缘120的中心。边缘轴承孔123位于可展轮缘120的圆弧的端部。每个可展轮缘120还开设有减重孔125。减重孔125大致为三角形。

在本实施例中，二叉杆130为三个，围绕正常车轮110的轴心设置。每个二叉杆130大致为V形，其具有两个自由端(图未标)及一个弯折部(图未标)。弯折部可转动地连接于正常车轮110的轮毂111的边缘。每个二叉杆130的两个自由端分别与其中一个可展轮缘120的中心轴承孔121及相邻可展轮缘的边缘轴承孔123可转动地连接，使三个二叉杆130与三个可展轮缘120联动起来。

具体在本实施例中，三个二叉杆130围绕正常车轮110的轴心均匀分布；三个可展轮缘120收缩后可围成与正常车轮110的轮缘相等的圆。

驱动件140驱动三个二叉杆130绕各自的弯折部转动。驱动件140可为伺服电机、步进电机、旋转气缸等。具体在本实施例中，驱动件140为伺服电机。

传动机构150包括从动齿轮151、三叉杆153、三个连杆155及主动齿轮157。从动齿轮151可转动地连接于正常车轮110的轮毂111上，且位于正常车轮110的轴心处。三叉杆153的中部与从动齿轮151的转轴固定连接。三个叉杆153大致为三叉星状，其具有三个自由端(图未标)。每个连杆155的一个自由端与一个可展轮缘120的中心轴承孔121转动连接，另一个自由端与三个叉杆153的一个自由端可转动地连接。具体在本实施例中，三叉杆153的三个自由端分别与连杆155的自由端连接。主动齿轮157可转动地连接于正常车轮110的轮毂111上，且与从动齿轮151相啮合。驱动件140的驱动轴穿设正常车轮110，且与所主动齿轮157固定连接，从而驱动从动齿轮151旋转。

当车轮组104在平坦的路上行驶时，三个可展轮缘120收缩于正常车轮110的一侧，此时，正常车轮110的轮缘与路面接触，从而可在平地上稳定快速行驶。当车轮组104在诸如乱石堆、沙砾、台阶等特殊地形时，驱动件140驱动主动齿轮157旋转，主动齿轮157与从动齿轮151相啮合从而带动从动齿轮151旋转，从动齿轮151与三叉杆153固定连接而使三叉杆153转动，三叉杆153通过连杆155带动可展轮缘120的中心轴承孔121转动，并使二叉杆130联动，二叉杆130与可展轮缘120的一个轮缘端123可转动地连接，从而使可展轮缘120伸出正常车轮110轮缘外，使可展轮缘120与地面接触，正常车轮110悬空。此时，可展轮缘120可轻易越过乱石堆、沙砾、台阶等特殊地形，从而快速地在崎岖的路面行驶。如果将可展轮缘120收缩于正常车轮110的轮缘内，则驱动件140驱动主动齿轮157反向旋转即可。

上述车轮组104的可展轮缘120可伸出正常车轮110的轮缘外，使得车轮组104可轻易越过乱石堆、沙砾、台阶等特殊地形，从而快速地在崎岖的路面行驶，因此，上述可展轮式移动机器人100的越障能力较好。

并且，可展轮缘120的刚性好，且采用设于正常车轮110上的二叉杆130驱动，其支撑强度高，可大大提高可展轮式移动机器人100的承载能力。

可以理解，二叉杆130不限于三个，也可为三个以上，同时，可设置同样数目的可展轮缘120，即三叉杆153可采用四叉杆、五叉杆、六叉杆等替代。三个可展轮缘120收缩时，不限于围成一个与正常车轮110的轮缘相等的圆，只需所述可展轮缘120收缩于正常车轮110的轮缘内即可。

参见图6，实施例二的车轮组204与实施例一的车轮组104基本相似，其不同之处在于：车轮组204的传动机构250与车轮组104的传动机构150。传动机构250包括三个传动齿轮组(图未标)及一个主动齿轮257。每一个传动齿轮组包括末端齿轮251及与末端齿轮相啮合的过渡齿轮252。末端齿轮251固定于一个二叉杆230的弯折部上。过渡齿轮252可转动地连接于正常车轮210的一侧。主动齿轮257可转动地连接于正常车轮210的轴心处，且同时与三个过渡齿轮252相啮合。驱动件(图未示)的驱动轴穿设正常车轮210且与主动齿轮257固定连接，从而驱动主动齿轮257旋转。

参见图7，实施例三的车轮组304与实施例一的车轮组104基本相似，其不同之处在于：车轮组304的传动机构350与车轮组104的传动机构150。传动机构350包括三个同步带轮351、同步带353及齿轮传动组357。每个同步带轮351固定于一个二叉杆330的弯折部，且可转动地连接于正常车轮310的一侧。同步带353连接于三个同步带轮351上，且带动三个同步带轮351同步转动。传动齿轮组357中的一个与三个同步带轮351中的一个同轴连接。驱动件通过传动齿轮组357传动，把动力传到与传动齿轮357同轴的同步带轮351上。

可以理解，实施例三的同步带轮可替代为链轮。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (8)

1.一种可展轮式移动机器人，其特征在于，包括：

车架；

摆动悬架组件，与所述车架连接且相对所述车架可摆动；

四个驱动轴组件，分别可转动地连接于所述摆动悬架组件的两端；

四个车轮组，分别固定连接于所述四个驱动轴组件，使所述车轮组能够相对于所述车架转动，每个车轮组包括：

正常车轮，为掏空的圆柱形；

三个可展轮缘，每个可展轮缘为弓形，且具有一个中心轴承孔及一个边缘轴承孔；

三个二叉杆，围绕所述正常车轮的轴心设置，每个二叉杆具有两个自由端及一个弯折部，所述弯折部可转动地连接于所述正常车轮的外侧，所述每个二叉杆的两个自由端分别与其中一个可展轮缘的中心轴承孔及相邻可展轮缘的边缘轴承孔可转动地连接，使所述三个二叉杆与所述三个可展轮缘实现联动；

驱动件，驱动所述三个二叉杆绕各自的弯折部中心转动。

2.如权利要求1所述的可展轮式移动机器人，其特征在于，所述三个二叉杆围绕所述正常车轮的轴心均匀分布，所述三个可展轮缘可围成与所述正常车轮的轮缘相等的圆。

3.如权利要求1所述的可展轮式移动机器人，其特征在于，所述摆动悬架组件组件包括：

支承座，与所述车架固定连接；

转轴，固定地穿设所述支承座；

摆臂，可转动地套设于所述转轴上。

4.如权利要求3所述的可展轮式移动机器人，其特征在于，每个驱动轴组件包括：

驱动轴，其一端与所述正常车轮固定连接；

导电滑环，套设于所述驱动轴上；

轴承座，可转动地套设于所述驱动轴上；

联轴器，与所述驱动轴远离所述正常车轮的一端固定连接；

行走电机，其驱动轴与所述联轴器连接，用于驱动所述驱动轴转动；及

行走电机座，套设于所述行走电机上，所述轴承座及所述行走电机座均与所述摆臂的一端固定连接。

5.如权利要求1所述的可展轮式移动机器人，其特征在于，所述每个车轮组还包括传动机构，所述传动机构包括：

从动齿轮，可转动地连接于所述正常车轮的轴心处；

三叉杆，其中部与所述从动齿轮固定连接，所述三叉杆具有三个自由端；

三个连杆，每个连杆的一个自由端与一个所述可展轮缘的中心轴承孔可转动地连接，另一个自由端与所述三个叉杆的一个自由端可转动地连接；

主动齿轮，可转动地连接于所述正常车轮的一侧，且与所述从动齿轮相啮合，所述驱动件固定在正常车轮上，且其驱动轴与所述主动齿轮固定连接，从而带动所述从动齿轮旋转。

6.如权利要求1所述的可展轮式移动机器人，其特征在于，所述三个可展轮缘均开设有减重孔。

7.如权利要求1所述的可展轮式移动机器人，其特征在于，所述每个车轮组还包括传动机构，所述传动机构包括：

三个传动齿轮组，每一个传动齿轮组包括末端齿轮及与所述末端齿轮相啮合的过渡齿轮，所述末端齿轮固定于所述弯折部上，所述过渡齿轮可转动地设于所述正常车轮的一侧；

主动齿轮，可转动地设于所述正常车轮的轴心处，且同时与三个过渡齿轮相啮合，所述驱动件的驱动轴穿设所述正常车轮且与所述主动齿轮固定连接，从而驱动所述主动齿轮旋转。

8.如权利要求1所述的可展轮式移动机器人，其特征在于，所述可展轮式移动机器人还包括传动机构，所述传动机构包括：

三个同步带轮，每个同步带轮固定于一个所述二叉杆的弯折部，且可转动地设于所述正常车轮的一侧；

同步带，套设于所述三个同步带轮上，且带动所述三个同步带轮同步转动；及

传动齿轮组，其中一个传动齿轮与所述三个同步带轮中的一个同轴连接，所述驱动件通过所述齿轮组啮合，把动力传到与所述传动齿轮同轴的同步带轮上。

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