CN102700634B

CN102700634B - 基于连杆机构的小型履带机器人

Info

Publication number: CN102700634B
Application number: CN201210173502.5A
Authority: CN
Inventors: 刘少刚; 郭云龙; 赵丹; 林珊颖; 刘铮; 鱼展; 谷清明; 刘海丰; 李芳�; 李少杰
Original assignee: Harbin Engineering University
Current assignee: Harbin Engineering University
Priority date: 2012-05-30
Filing date: 2012-05-30
Publication date: 2014-03-26
Anticipated expiration: 2032-05-30
Also published as: CN102700634A

Abstract

本发明的目的在于提供基于连杆机构的小型履带机器人，包括车体、行走机构、连接机构、驱动电机、连杆电机，行走机构和连接机构均有两组、对称的安装在车体的两侧，连杆电机包括第一连杆电机和第二连杆电机，驱动电机、第一-第二连杆电机均安装在车体上。本发明将连杆机构引入机器人构型设计当中，提高了履带连架的刚性定位状态与位置精度，连杆机构可减小电机负荷，为进一步减小机器人体积提供必要条件，连杆采用多孔加工，可根据具体地形调整连杆配合长度，改变杆组的构型姿态和变化范围，机器人可实现21种的机器人构型变化状态。具有非常好的地形适应能力。

Description

基于连杆机构的小型履带机器人

技术领域

本发明涉及的是一种机器人，具体地说是越障机器人。

背景技术

机器人的越障构型设计在机器人的学术领域中具有重要的科研和应用价值。越障机构的移动载体系统，按其运动机构可分为无肢类、轮式、腿式、轮腿式、以及履带式。无肢类机器人具有运动稳定性好、适应地形能力强和高的牵引力等特点，但多自由度的控制困难，运动速度低。轮式机器人具有结构简单、重量轻、轮式滚动摩擦阻力小和机械效率高等特点，但越过壕沟、台阶的能力差。腿式机器人具有适应地形能力强的特点，能越过大的壕沟和台阶，其缺点是速度慢、控制复杂。轮腿式机器人融合腿式机构的地形适应能力和轮式机构的高速高效性能，其缺点是结构复杂，控制繁琐。履带式移动系统因自身地形适应能力强，控制简单，动载荷小等特点在移动机器人领域已得到广泛的应用。但履带式机器人其车体的净空高度一般较小且体积较大，在杂乱复杂的环境中易被卡阻；关节履带机器人可利用摆臂履带辅助越障，但在未知的、复杂的非结构环境中很难做到精确操作。

发明内容

本发明的目的在于提供越障性能好、地形适应强、灵活性高、控制简单准确、构型驱动稳定的基于连杆机构的小型履带机器人。

本发明的目的是这样实现的：

本发明基于连杆机构的小型履带机器人，其特征是：包括车体、行走机构、连接机构、驱动电机、连杆电机，行走机构和连接机构均有两组、对称的安装在车体的两侧，连杆电机包括第一连杆电机和第二连杆电机，驱动电机、第一-第二连杆电机均安装在车体上；所述的行走机构包括第一-第九履带轮、第一-第四履带，第一履带缠绕在第一-第二履带轮上组成第一行走单元，第二履带缠绕在第三-第四履带轮上组成第二行走单元，第三履带缠绕在第五-第七履带轮上组成第三行走单元，第四履带缠绕在第八-第九履带轮上组成第四行走单元，第二履带轮与第三履带轮同轴，第四履带轮与第五履带轮同轴，第七履带轮与第八履带轮同轴；所述的连接机构包括第一连接单元和第二连接单元，第一连接单元包括第一-第七连杆，第一连杆连接第一履带轮和第二履带轮，第二连杆连接第三履带轮和第四履带轮，第三连杆一端连接第一连杆、另一端连接第五连杆，第四连杆一端连接第一连杆、另一端连接第五连杆，第五连杆的一端固定在车体上，第六连杆一端连接第五连杆、另一端通过第七连杆连接第一连杆电机；所述的第二连接单元包括第八-第十一连杆，第八连杆连接第八履带轮和第九履带轮，第九连杆连接第第七履带轮和第九履带轮，第十连杆一端连接第九连杆、另一端通过第十一连杆连接第二连杆电机；驱动电机连接并驱动第七履带轮。

本发明还可以包括：

1、还包括第三连杆电机，第三连杆电机连接并驱动第二连杆。

2、连杆上至少开有两个孔，两个连杆之间通过连杆上的孔相连、并可通过调整连接的孔从而调整连杆长度。

3、第三连杆与第一连杆通过第一滑块连接，第三连杆可在第一连杆上滑动，第十连杆和第九连杆通过第二滑块连接，第十连杆可在第九连杆上滑动。

本发明的优势在于：

第一，将连杆机构引入机器人构型设计当中，提高了履带连架的刚性定位状态与位置精度。

第二，连杆机构可减小电机负荷，为进一步减小机器人体积提供必要条件。

第三，在大大减小机器人的体积的同时，保证了相对较强的越障性能。

第四，连杆采用多孔加工，可根据具体地形调整连杆配合长度，改变杆组的构型姿态和变化范围。

第五，可实现单侧同步驱动四履带的驱动方式，增强了动力输出。

第六，机器人可实现21种的机器人构型变化状态。具有非常好的地形适应能力。

第七，本发明通过不同控制模块的植入可以实现不同的功能应用，依托于此结构平台的后续可开发性高、应用前景广阔。

附图说明

图1为本发明三维示意图；

图2为本发明内部传动示意图；

图3a-图3g为本发明杆组Ⅳ构型姿态图；

图4a-图4c为本发明杆组Ⅲ构型姿态图；

图5为本发明杆组Ⅳ平面示意图；

图6为本发明杆组Ⅲ平面示意图；

图7为本发明杆组Ⅳ空间示意图；

图8为本发明杆组Ⅲ空间示意图；

图9为本发明杆组组合构型姿态图；

图10a-图10g为本发明越障动Ⅰ动作过程示意图；

图11a-图11i为本发明越障动Ⅱ动作过程示意图；

图12a-图12e为本发明越障动Ⅲ动作过程示意图。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

结合图1～12，本发明包括的部件：机器人主要是由杆组4、14、15、32，履带轮1、2、5、6、10、11、13、17、18、19、21、25、26、28、29、31、33、40，履带3、7、12、16、23、27、30、34，连杆电机8、9、37，驱动电机41、44，车体24等。

在车体24一侧，见图1，图2：轴Ⅶ48的一端与杆组Ⅳ32中的连杆Ⅳ54一端固连。轴Ⅵ47的一端与杆组Ⅳ32中的连杆Ⅳ54、连杆Ⅴ55的为转动副连接配合，另一端与连杆Ⅵ56的一端为转动副连接配合。履带轮ⅩⅥ31与轴Ⅶ为同心异步转动安装配合。履带轮ⅩⅤ29与履带轮ⅩⅣ28固连为一体并与轴Ⅵ47为同心异步转动安装配合。轴Ⅴ46一端通过联轴器与涡轮蜗杆减速箱Ⅰ36输出端固连，另一端与杆组Ⅳ32中的连杆Ⅵ56一端为转动副连接配合。履带轮ⅩⅡ25与履带轮ⅩⅢ26固连为一体并与轴Ⅴ46为同心异步转动安装配合。轴Ⅳ45与车体24为固连安装配合，履带轮ⅩⅠ21与轴Ⅳ45为同心异步转动安装配合。履带轮Ⅸ18与履带轮Ⅹ19固连为一体，履带轮Ⅹ19与涡轮蜗杆减速箱43输出轴端为同心固连安装配合。履带轮Ⅷ17与杆组Ⅲ15中的轴Ⅸ65为同心异步安装配合。连杆电机Ⅰ8、连杆电机Ⅱ9分别通过连杆电机架Ⅱ22、连杆电机架Ⅰ20安装在车体24上。连杆电机Ⅰ8的一输出端与杆组Ⅳ32中的连杆ⅩⅣ64为转动副连接配合，连杆电机Ⅱ9的一输出端与杆组Ⅲ15中的连杆Ⅶ57为转动连接副配合。

杆组Ⅳ32见图7包括连杆ⅩⅣ64、连杆Ⅰ50、连杆Ⅱ51、连杆Ⅲ52、连杆Ⅳ54、连杆Ⅴ55、连杆Ⅵ56、滑块Ⅰ53、轴Ⅵ47，轴Ⅴ46。其中，滑块Ⅰ53与连杆Ⅳ54为移动副连接配合；连杆Ⅲ52底端与滑块Ⅰ53为转动副连接配合；连杆Ⅲ52顶端与连杆Ⅱ51顶端为转动副连接配合；连杆Ⅱ51中上部与连杆Ⅴ55顶端为转动副连接配合；轴Ⅵ47一端与连杆Ⅳ54一端、连杆Ⅴ55底端均为转动副连接配合；轴Ⅵ47另一端与连杆Ⅵ56一端为转动副连接配合；连杆Ⅵ56另一端与轴Ⅴ46一端为转动副连接配合；轴Ⅴ46另一端与车体24即机架为转动副连接配合；连杆Ⅰ50一端与连杆Ⅱ51中上部为转动副连接配合；连杆Ⅱ51底端与车体24即机架为转动副连接配合；连杆Ⅰ50另一端与连杆ⅩⅢ64底端为转动副连接配合；连杆ⅩⅢ64顶端与车体24即机架为转动副连接配合。轴Ⅵ47、轴Ⅴ46，连杆Ⅵ56处于同一安装平面Ⅰ。连杆ⅩⅣ64，连杆Ⅰ50，连杆Ⅱ51，连杆Ⅲ52，连杆Ⅳ54，连杆Ⅴ55，滑块Ⅰ53处于同一安装平面Ⅱ。安装平面Ⅰ，安装平面Ⅱ互相垂直。根据上述关系，可将安装平面Ⅱ投影至安装平面Ⅰ内见图5，得到杆组Ⅳ32的平面示意图。将连杆构件数、运动副连接配合关系代入自由度计算公式F=3n-2p_L-p_H中，可得杆组Ⅳ的自由度F=3*8-2*11-0=2。

杆组Ⅲ15包括连杆Ⅶ57、连杆Ⅷ58、连杆Ⅸ59、连杆Ⅹ60、连杆ⅩⅠ61、连杆ⅩⅡ62、连杆ⅩⅢ63、轴Ⅸ65，连杆ⅩⅤ66见图8。其中，连杆Ⅶ57一端与车体24即机架为转动副连接配合；连杆Ⅶ57另一端与连杆Ⅷ58一端为转动副连接配合；连杆Ⅷ58另一端与连杆Ⅸ59中部为转动副连接配合；连杆ⅩⅢ63一端与车体24即机架为转动副连接配合；连杆ⅩⅢ63另一端与连杆ⅩⅠ61一端为转动副连接配合；杆ⅩⅠ61另一端与连杆ⅩⅤ66一端为转动副连接配合；连杆ⅩⅡ62一端与车体24即机架为转动副连接配合；连杆ⅩⅡ62另一端与轴Ⅸ65一端为转动副连接配合。连杆Ⅸ59，连杆Ⅹ60，轴Ⅸ65，连杆ⅩⅤ66固连为一体。连杆Ⅸ59，连杆Ⅹ60，连杆ⅩⅤ66三者互相垂直。连杆Ⅹ60，连杆ⅩⅠ61，轴Ⅸ65，连杆ⅩⅤ66四者构成一矩形安装平面Ⅲ。连杆Ⅸ59垂直于安装平面Ⅲ。连杆ⅩⅡ62、连杆ⅩⅢ63处于同一安装平面Ⅳ内。安装平面Ⅳ与安装平面Ⅲ相互垂直。连杆Ⅶ57、连杆Ⅷ58、连杆Ⅸ59处于同一安装平面Ⅴ内。根据上述关系，可将安装平面Ⅳ、安装平面Ⅲ投影至安装平面Ⅴ内见图6，得到杆组Ⅲ15的平面示意图见图6。将连杆构件数、运动副连接配合关系代入自由度计算公式F=3n-2p_L-p_H中，可得杆组Ⅲ的自由度F=3*5-2*7-0=1。

在车体的另一侧对阵位置，零部件装配布置方式相同。从而完成机器人整体机构装配。

现说明一下本发明的具体的驱动方式，见图1、图2，驱动电机Ⅱ44的输出端与涡轮减速箱Ⅲ43输入端相连。首先，涡轮减速箱Ⅲ43输出端驱动履带轮Ⅹ19转动。一方面，履带轮Ⅹ19转动通过履带Ⅴ23带动履带轮ⅩⅠ21，履带轮ⅩⅢ26转动。另一方面，由履带轮Ⅹ19与履带轮Ⅸ18固连关系，履带轮Ⅹ19与履带轮Ⅸ18同速同向转动，履带轮Ⅸ18转动通过履带Ⅳ16带动履带轮Ⅷ17转动。其次，由履带轮26ⅩⅢ与履带轮ⅩⅡ25固连关系，履带轮ⅩⅢ26与履带轮ⅩⅡ25同速同向转动，履带轮ⅩⅡ25转动通过履带Ⅵ27转动带动了履带轮28ⅩⅣ转动。最后，由履带轮ⅩⅣ28与履带轮ⅩⅤ29固连关系，履带轮28ⅩⅣ与履带轮ⅩⅤ29同速同向转动，履带轮ⅩⅤ29转动通过履带Ⅶ30带动履带轮ⅩⅥ31转动。至此，在以单侧驱动电机Ⅱ44为动力输出源的驱动方式下，可同时驱动单侧四条履带30272316同步转动。车体24另一侧的驱动方式相同，通过控制驱动电机Ⅱ44，驱动电机Ⅰ41的转速、转向即可实现机器人前进，后退，差速转向等动作。

连杆电机Ⅰ8，连杆电机9分别安装于连杆电机架22，连杆电机架23上，见图1、图2、图5、图7。在车体一侧，连杆电机Ⅲ37的输出端与涡轮蜗杆减速箱Ⅰ36的输入端相连。涡轮蜗杆减速箱Ⅰ36的输出端与杆组Ⅳ32中的连杆Ⅵ56固连，连杆电机Ⅰ8的一输出端与杆组Ⅳ32中的连杆ⅩⅤ54固连。则连杆电机Ⅰ8，连杆电机Ⅲ37通过驱动杆组Ⅳ32中的连杆ⅩⅤ54，连杆Ⅵ56可控制杆组Ⅳ32的两自由度构型变化。连杆电机Ⅱ9的一输出端与杆组Ⅲ15中的连杆Ⅶ57固连，则连杆电机Ⅱ9通过驱动杆组Ⅲ15中的连杆Ⅶ57来驱动连杆ⅩⅡ62转动可控制杆组Ⅲ15的单自由度构型变化见图6，图8。

杆组Ⅳ32在连杆电机Ⅰ8，连杆电机Ⅲ37驱动下的7种构型形态见图3。杆组Ⅲ15在连杆电机Ⅱ9驱动下的3种构型形态见图4。杆组杆组Ⅳ32，杆组Ⅲ15构型组合可实现机器人整体21种不同的构型姿态见图9a～(u)。

第一，结合图10(a)～(g)说明本发明的越障动作Ⅰ。

车体24以图9中所示构型n沿地面67直线行走，当遇到上台阶障碍68时。连杆电机Ⅰ8连杆电机Ⅲ37分别驱动杆组Ⅳ32中的连杆56与连杆54，连杆电机Ⅱ9驱动杆组Ⅲ15中的连杆连杆ⅩⅡ62进行构型姿态变化。在上述驱动方式下。依次实现图9所示的构型h，构型e，构型u，构型l，构型o，构型n6种构型动作组合。过程中，配合驱动电机Ⅰ41驱动电机Ⅱ44驱动车体24前进，可实现越障动作Ⅰ。

第二，结合图11(a)～(i)说明本发明的越障动作Ⅱ。

车体24以图9中所示构型u沿地面67直线行走，当遇到矩形障碍物69时。连杆电机Ⅰ8连杆电机Ⅲ37分别驱动杆组Ⅳ32中的连杆56与连杆54，连杆电机Ⅱ9驱动杆组Ⅲ15中的连杆连杆ⅩⅡ62进行构型姿态变化。在上述驱动方式下。依次实现图9所示构型c，构型i，构型f，构型r，构型q，构型j，构型m，构型n8种构型动作组合。过程中，配合驱动电机Ⅰ41驱动电机Ⅱ44驱动车体24前进，可实现越障动作Ⅱ。

第三，结合图12(a)～(e)说明本发明的越障动作Ⅲ。

车体24以图9中所示构型n沿地面67直线行走，当遇到矩形障碍物69时。连杆电机Ⅰ8连杆电机Ⅲ37分别驱动杆组Ⅳ32中的连杆56与连杆54，连杆电机Ⅱ9驱动杆组Ⅲ15中的连杆连杆ⅩⅡ62进行构型姿态变化。在上述驱动方式下。依次实现图9所示构型q，构型j，构型m，构型n4种构型动作组合。过程中，配合驱动电机Ⅰ41驱动电机Ⅱ44驱动车体24前进，可实现越障动作Ⅲ。

以上仅对比较典型的地形障碍进行越障动作的描述说明。机器人的21种构型姿态可以在更加复杂的地形环境完成作业任务。

Claims

1.基于连杆机构的小型履带机器人，其特征是：包括车体、行走机构、连接机构、驱动电机和连杆电机，行走机构和连接机构均有两组、对称的安装在车体的两侧，连杆电机包括第一连杆电机和第二连杆电机，驱动电机、第一-第二连杆电机均安装在车体上；所述的行走机构包括第一-第九履带轮和第一-第四履带，第一履带缠绕在第一-第二履带轮上组成第一行走单元，第二履带缠绕在第三-第四履带轮上组成第二行走单元，第三履带缠绕在第五-第七履带轮上组成第三行走单元，第四履带缠绕在第八-第九履带轮上组成第四行走单元，第二履带轮与第三履带轮同轴，第四履带轮与第五履带轮同轴，第七履带轮与第八履带轮同轴；所述的连接机构包括第一连接单元和第二连接单元，第一连接单元包括第一-第七连杆，第一连杆连接第一履带轮和第二履带轮，第二连杆连接第三履带轮和第四履带轮，第三连杆一端连接第一连杆、另一端连接第五连杆，第四连杆一端连接第一连杆、另一端连接第五连杆，第五连杆的一端固定在车体上，第六连杆一端连接第五连杆、另一端通过第七连杆连接第一连杆电机；所述的第二连接单元包括第八-第十一连杆，第八连杆连接第八履带轮和第九履带轮，第九连杆连接第第七履带轮和第九履带轮，第十连杆一端连接第九连杆、另一端通过第十一连杆连接第二连杆电机；驱动电机连接并驱动第七履带轮。

2.根据权利要求1所述的基于连杆机构的小型履带机器人，其特征是：还包括第三连杆电机，第三连杆电机连接并驱动第二连杆。

3.根据权利要求1或2所述的基于连杆机构的小型履带机器人，其特征是：连杆上至少开有两个孔，两个连杆之间通过连杆上的孔相连、并可通过调整连接的孔从而调整连杆长度。

4.根据权利要求1或2所述的基于连杆机构的小型履带机器人，其特征是：第三连杆与第一连杆通过第一滑块连接，第三连杆可在第一连杆上滑动，第十连杆和第九连杆通过第二滑块连接，第十连杆可在第九连杆上滑动。

5.根据权利要求3所述的基于连杆机构的小型履带机器人，其特征是：第三连杆与第一连杆通过第一滑块连接，第三连杆可在第一连杆上滑动，第十连杆和第九连杆通过第二滑块连接，第十连杆可在第九连杆上滑动。