CN102765433A - 新型变结构轮-腿式机器人 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种新型变结构轮-腿式机器人，包括车体、驱动机构和轮腿机构。所述车体与四个轮腿机构和四个驱动机构组合成对称结构，每个轮腿机构由一个驱动机构驱动，并通过驱动机构连接车体；所述轮腿机构是由三个摇杆滑块机构串联而成；每一个轮腿机构与一个驱动机构构成一个轮腿系统，每个轮腿系统共由三个电机驱动：固连在车体上的一个电机Ⅰ输出轴联动驱动机构实现轮腿系统的前后摆动，一个电机Ⅱ安装在驱动机构上通过两组间歇槽轮机构传动实现轮腿系统的上下抬和弯曲动作；轮腿系统的末端装有独立驱动轮，该独立驱动轮由电机Ⅲ驱动。本发明结构简单，减少了腿部关节，降低了控制难度，结合了轮式机高机动性和足式机较强环境适应性的优点。

Description

新型变结构轮-腿式机器人

技术领域

本发明涉及一种轮-腿式移动机器人，特别是一种新型变结构轮-腿机器人。 

背景技术

随着移动机器人技术的不断成熟与发展，机器人在工程探险 、反恐防爆 、军事侦察灾难搜救、星际探测等领域将会得到广泛应用。移动机构的性能是移动机器人的核心和关键，传统的轮式机器人、腿式机器人和履带式机器人除了自身具备的特点外，还有较大的局限性。为使机器人具有更好的实用性，研制具有较好环境适应能力和机动性的复合式移动机构成为移动机器人研究的热点。其中，轮-腿混合式移动机器人在国内外得到了广泛的研究和发展。由于大多数轮-腿机器人自由度多并且结构复杂，使得各个关节协调控制复杂。 

发明内容

本发明目的就是对已有技术存在的缺陷，提供一种新型变结构轮-腿式移动机器人，结构简单，减少了腿部关节，降低了控制难度，有效地结合了轮式机高机动性和足式机较强环境适应性的优点。 

为了达到上述目的，本发明的构思是： 

机器人腿部是基于三个摇杆滑块机构的串联组合结构而设计的。基于摇杆滑块机构的串联组合结构由三个摇杆滑块机构通过串联组合设计形成，通过摇杆滑块机构间的角度传递，使相邻两个连杆之间产生关联，实现多个连杆同时转动，使机器人进行轮式、足式移动模式切换。整个串联组合结构只有一个自由度，且具有结构简单，控制容易等特点。驱动机构是基于槽轮间歇机构完成的。腿部由两个电机驱动，分别实现腿的前后摆和上下抬放及弯曲动作，腿部末端为独立驱动轮。本发明设计了一种减少腿部关节数的轮-腿机构，结构简单，很好的结合轮式和足式移动机器人的优点，具有很大的实际应用性。

根据上述构思，本发明采用下述技术方案： 

一种新型变结构轮-腿式机器人，包括车体、驱动机构和轮腿机构。其特征在于：所述车体与四个轮腿机构和四个驱动机构组合成对称结构，每个轮腿机构由一个驱动机构驱动，并通过驱动机构连接车体；所述轮腿机构是由三个摇杆滑块机构串联而成；每一个轮腿机构与一个驱动机构构成一个轮腿系统，每个轮腿系统共由三个电机驱动：固连在车体上的一个电机Ⅰ输出轴联动驱动机构实现轮腿系统的前后摆动，一个电机Ⅱ安装在驱动机构上通过两组间歇槽轮机构传动实现轮腿系统的上下抬和弯曲动作；轮腿系统的末端装有独立驱动轮，该独立驱动轮由一个由电机Ⅲ驱动。  

所述轮腿机构中的摇杆滑块机构包括主动连杆a、被动连杆b、被动连杆c、被动连杆d和被动连杆e,这些杆件之间搭接铰链采用销轴Ⅰ和其两端的深沟球轴承承接，由单个销轴Ⅱ通过深沟球轴承实现这些杆件间叉接铰连，即主动连杆a的下端叉头通过单个深沟球轴承和轴销Ⅱ与被动连杆d的上端插头叉接铰连，被动连杆d的上中部和下中部分别各通过一根轴销Ⅰ及其两端的深沟球轴承与被动连杆b中部和被动连杆c中部搭接铰连，被动连杆d的下端叉头通过单个深沟球轴承和一根轴销Ⅱ与被动连杆e上端插头叉接铰连，被动连杆e中部通过一根轴销Ⅰ及其两端的深沟球轴承与被动连杆c下端搭接铰连，被动连杆c的上端插头通过单个深沟球轴承和一根轴销Ⅱ与被动连杆b下端叉头叉接铰连，从而组成摇杆滑块机构。

所述的驱动机构是：所述电机Ⅰ安装在车体上，其输出轴上固定一个小齿轮与一个大齿轮啮合，大齿轮固定在一根销轴Ⅲ上，销轴Ⅲ与一个连接板Ⅳ通过方形固接；连接板Ⅳ与一个连接板Ⅲ、连接板Ⅲ与一个连接板Ⅰ以及连接板Ⅰ与一个连接板Ⅱ通过均螺钉固接；一个支架Ⅰ和一个支架Ⅱ的一端与一根轴Ⅱ通过轴承铰接，轴Ⅱ与所述连接板Ⅰ固接，所述主动连杆a 通过轴套Ⅰ与一根轴Ⅰ固接；所述电机Ⅱ的输出轴与一根轴Ⅲ通过联轴器连接，带动固接在轴Ⅲ上的一个拨盘Ⅰ和一个拨盘Ⅱ转动，拨盘Ⅰ与固接在轴Ⅱ上的一个槽轮Ⅰ啮合，实现整条轮腿的抬放，拨盘Ⅱ与固接在轴Ⅰ上的一个槽轮Ⅱ啮合，从而带动串联组合结构的主动连杆a转动，带动整个轮腿系统的弯曲。 

所述的串联组合结构由三个相同的摇杆滑块机构串联而成，通过设计给定摇杆极限角度为30°，使得末端位置可以实现90°弯曲，从而实现轮式、足式运动模式的切换。 

本发明所述的一个轮-腿子系统的驱动方式：通过电机Ⅰ驱动整条腿的前后摆，电机Ⅱ通过两组槽轮间隙机构的传动实现腿的弯曲和抬放动作，即一个电机驱动两个自由度。腿部末端轮为独立驱动轮，由电机Ⅲ驱动，可实现轮式运动。 

本发明与现有技术相比较，具有如下突出实质的特点和显著的优点：采用摇杆滑块机构的串联组合结构，一方面省去了如传统仿生机器人腿部的膝关节，简化了结构；一方面省去了专门的辅助机构，可以实现机器人的轮式和足式两种运动模式。总之，本发明的结构简单、新颖，控制容易，且各零件制造加工相对容易，价格低廉。 

附图说明

图1是变结构轮-腿式机器人的整体结构装配示意图。 

图2是一个轮-腿子系统结构的主视图。 

图3是图1的剖视图。 

1-车体；2-电机Ⅰ；3-电机Ⅱ；4-驱动机构；5-轮-腿；6-电机Ⅲ；7- 小齿轮；8-销轴Ⅲ；9-大齿轮； 10-连接板Ⅳ；11-轴套Ⅱ；12-连接板Ⅲ；13-拨盘Ⅰ； 14-轴Ⅲ；15-拨盘Ⅱ； 

16-连接板Ⅰ； 17-轴Ⅱ； 18-支架Ⅰ； 19-轴Ⅰ； 20-槽轮Ⅱ； 21-杆b; 22-销轴Ⅰ； 

23-销轴Ⅱ； 24-杆c; 25-连接板Ⅱ； 26-槽轮Ⅰ； 27-支架Ⅱ； 28-轴套Ⅰ；29-杆a; 

30-杆d；31-销轴Ⅱ； 32-杆e。

具体实施方式

本发明的优选实施例结合附图详述如下： 

实施例一：

参考图1～图3，本新型变结构轮-腿式机器人，包括车体、驱动机构和轮腿机构。其特征在于：所述车体与四个轮腿机构和四个驱动机构组合成对称结构，每个轮腿机构由一个驱动机构驱动，并通过驱动机构连接车体；所述轮腿机构是由三个摇杆滑块机构串联而成；每一个轮腿机构与一个驱动机构构成一个轮腿系统，每个轮腿系统共由三个电机驱动：固连在车体上的一个电机Ⅰ输出轴联动驱动机构实现轮腿系统的前后摆动，一个电机Ⅱ安装在驱动机构上通过两组间歇槽轮机构传动实现轮腿系统的上下抬和弯曲动作；轮腿系统的末端装有独立驱动轮，该独立驱动轮由一个由电机Ⅲ驱动。  

实施例二：

本实施例与实施例一基本相同，特别之处如下：

所述轮腿机构中的摇杆滑块机构包括主动连杆a、被动连杆b、被动连杆c、被动连杆d和被动连杆e,这些杆件之间搭接铰链采用销轴Ⅰ和其两端的深沟球轴承承接，由单个销轴Ⅱ通过深沟球轴承实现这些杆件间叉接铰连，即主动连杆a的下端叉头通过单个深沟球轴承和轴销Ⅱ与被动连杆d的上端插头叉接铰连，被动连杆d的上中部和下中部分别各通过一根轴销Ⅰ及其两端的深沟球轴承与被动连杆b中部和被动连杆c中部搭接铰连，被动连杆d的下端叉头通过单个深沟球轴承和一根轴销Ⅱ与被动连杆e上端插头叉接铰连，被动连杆e中部通过一根轴销Ⅰ及其两端的深沟球轴承与被动连杆c下端搭接铰连，被动连杆c的上端插头通过单个深沟球轴承和一根轴销Ⅱ与被动连杆b下端叉头叉接铰连，从而组成摇杆滑块机构。

所述的驱动机构是：所述电机Ⅰ安装在车体上，其输出轴上固定一个小齿轮与一个大齿轮啮合，大齿轮固定在一根销轴Ⅲ上，销轴Ⅲ与一个连接板Ⅳ通过方形固接；连接板Ⅳ与一个连接板Ⅲ、连接板Ⅲ与一个连接板Ⅰ以及连接板Ⅰ与一个连接板Ⅱ通过均螺钉固接；一个支架Ⅰ和一个支架Ⅱ的一端与一根轴Ⅱ通过轴承铰接，轴Ⅱ与所述连接板Ⅰ固接，所述主动连杆a 通过轴套Ⅰ与一根轴Ⅰ固接；所述电机Ⅱ的输出轴与一根轴Ⅲ通过联轴器连接，带动固接在轴Ⅲ上的一个拨盘Ⅰ和一个拨盘Ⅱ转动，拨盘Ⅰ与固接在轴Ⅱ上的一个槽轮Ⅰ啮合，实现整条轮腿的抬放，拨盘Ⅱ（与固接在轴Ⅰ上的一个槽轮Ⅱ啮合，从而带动串联组合结构的主动连杆a转动，带动整个轮腿系统的弯曲。 

实施例三： 

图1为本变结构轮-腿式移动机器人整体结构示意图，由车体1、驱动机构4和轮腿5三部分组成。结合图2和图3：电机2安装在车体1上，通过齿轮7,9传动，带动销轴8转动，销轴8与连接板10通过轴承承接,连接板10与12，12与16,16与25通过螺钉固接，杆29通过轴套28与轴19固接。支架18、27与轴17轴承承接，轴17与连接板16螺钉固接。可以看出轮-腿子系统是基于三个摇杆滑块机构的串联组合结构和槽轮间歇机构而构成的。电机3与轴14通过联轴器连接，带动固接在轴14上的拨盘13和拨盘15转动，拨盘13与固接在轴17上的槽轮26配合，实现整条腿的抬放，拨盘15与固接在轴19上的槽轮20配合，从而带动串联组合结构的主动杆29转动，带动整个串联组合结构的弯曲。

具体腿部动作实现过程如下：初始状态为足式模式，当电机3转过一定角度，带动与轴14固接的拨盘13和15转动，拨盘13与槽轮26啮合，实现整条轮腿的抬起，此时拨盘15槽轮20处于锁止弧期，串联组合结构不实现弯曲。电机2转动，使整条腿旋转一定角度，然后电机3反转，拨盘13和槽轮26反转，轮腿着地。当拨盘15和槽轮20啮合，运动传递至串联组合结构的主动杆a，带动整个串联组合结构弯曲到初始水平位置，此时，拨盘13和槽轮26处于锁止弧期，电机2锁死，配合驱动轮子转动的电机6可以实现轮式运动。 

Claims (3)

1.一种新型变结构轮-腿式机器人，包括车体（1）、驱动机构（4）和轮腿机构(5)，其特征在于：所述车体（1）与四个轮腿机构（5）和四个驱动机构（4）组合成对称结构，每个轮腿机构（5）由一个驱动机构（4）驱动，并通过驱动机构（4）连接车体（1）；所述轮腿机构（5）是由三个摇杆滑块机构串联而成；每一个轮腿机构（5）与一个驱动机构（4）构成一个轮腿系统，每个轮腿系统共由三个电机驱动：固连在车体(1)上的一个电机Ⅰ(2)输出轴联动驱动机构（4）实现轮腿系统的前后摆动，一个电机Ⅱ(3)安装在驱动机构（4）上通过两组间歇槽轮机构传动实现轮腿系统的上下抬和弯曲动作；轮腿系统的末端装有独立驱动轮，该独立驱动轮由一个由电机Ⅲ(6)驱动。

2.根据权利要求1所述的新型变结构轮-腿式机器人，其特征在于：所述轮腿机构（5）中的摇杆滑块机构包括主动连杆a（29）、被动连杆b（21）、被动连杆c（24）、被动连杆d（30）和被动连杆e（32）,这些杆件之间搭接铰连采用销轴Ⅰ(22)和其两端的深沟球轴承承接，由单个销轴Ⅱ(23)通过深沟球轴承(31)实现这些杆件间叉接铰连，即主动连杆a（29）的下端叉头通过单个深沟球轴承（31）和轴销Ⅱ（23）与被动连杆d(30)的上端插头叉接铰连，被动连杆d(30)的上中部和下中部分别各通过一根轴销Ⅰ（22）及其两端的深沟球轴承与被动连杆b（21）中部和被动连杆c（24）中部搭接铰连，被动连杆d(30)的下端叉头通过单个深沟球轴承（31）和一根轴销Ⅱ（23）与被动连杆e（32）上端插头叉接铰连，被动连杆e（32）中部通过一根轴销Ⅰ（22）及其两端的深沟球轴承与被动连杆c(24)下端搭接铰连，被动连杆c（24）的上端插头通过单个深沟球轴承和一根轴销Ⅱ（23）与被动连杆b(21)下端叉头叉接铰连，从而组成摇杆滑块机构。

3.根据权利要求1所述的新型变结构轮-腿机器人，其特征在于：所述的驱动机构是：所述电机Ⅰ(2)安装在车体（1）上，其输出轴上固定一个小齿轮（7）与一个大齿轮（9）啮合，大齿轮（9）固定在一根销轴Ⅲ（8）上，销轴Ⅲ（8）与一个连接板Ⅳ（10）通过方形固接；连接板Ⅳ(10)与一个连接板Ⅲ（12）、连接板Ⅲ（12）与一个连接板Ⅰ（16）以及连接板Ⅰ（16）与一个连接板Ⅱ（25）通过均螺钉固接；一个支架Ⅰ（18）和一个支架Ⅱ（27）的一端与一根轴Ⅱ（17）通过轴承铰接，轴Ⅱ（17）与所述连接板Ⅰ（16）固接，所述主动连杆a （29）通过轴套Ⅰ（28）与一根轴Ⅰ（19）固接；所述电机Ⅱ（3）的输出轴与一根轴Ⅲ（14）通过联轴器连接，带动固接在轴Ⅲ（14）上的一个拨盘Ⅰ（13）和一个拨盘Ⅱ（15）转动，拨盘Ⅰ（13）与固接在轴Ⅱ（17）上的一个槽轮Ⅰ（26）啮合，实现整条轮腿的抬放，拨盘Ⅱ（15）与固接在轴Ⅰ（19）上的一个槽轮Ⅱ（20）啮合，从而带动串联组合结构的主动连杆a（29）转动，带动整个轮腿系统的弯曲。

Images