CN103085902A - 一种用于轮履变结构移动机器人的四连杆轮履变换机构 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于轮履变结构移动机器人的四连杆轮履变换机构，包括两套相同的四连杆机构、两套小脚轮组件、蜗轮蜗杆电机、齿轮传动和驱动轴，每套四连杆机构驱动一套小脚轮组件。由于两套四连杆机构完全相同，设计时，只需设计出其中一套四连杆机构结构，然后再确定两套四连杆机构中原动杆之间的夹角，极大简化了四连杆式轮履变换机构的设计过程。同时本发明小脚轮组件中的两个小脚轮能够伸缩，可以灵活地调整小脚轮与履带的接触点位置，从而可适用于多种不同形式的履带，或随着履带的周边磨损及时调整接触点的位置。

Description

一种用于轮履变结构移动机器人的四连杆轮履变换机构

技术领域

发明涉及一种轮履变换机构，具体涉及一种用于轮履变结构移动机器人的四连杆轮履变换机构，属于机器人技术领域。

背景技术

轮式移动机器人具有移动的快速性，而履带式移动机器人的跨越障碍能力很强，即履带式移动机器人对复杂地形具有很高的通过性能。将轮式、履带式移动机器人的优点结合在一起将大大有利于机器人技术的发展，高效的轮履变换机构是轮式与履带式运动机构变换的关键技术。轮履变换机构需要满足可靠、低沉本和高效能的要求。专利文献[公开号：CN101570216]提出了包括电动推杆、螺旋副机构和四连杆机构三种方案，在三种方案中，电动推杆和螺旋副机构的设计方案较为简单，四杆机构具有刚度大、成本低、效率高、易于安装维护等特点，但该四连杆机构的设计分析较困难。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种用于轮履变结构移动机器人的四连杆式轮履变换机构，该机构中采用两套完全相同的四连杆机构实现轮履变换，简化了对四连杆机构的设计分析过程；同时轮履变换机构中的小脚轮组件能够伸缩，能够灵活地调整小脚轮与履带的接触点位置，可适用于多种不同形式的履带。

本发明的用于轮履变结构移动机器人的四连杆轮履变换机，包括两套相同的四连杆机构、两套小脚轮组件、蜗轮蜗杆电机A、齿轮组和四连杆驱动轴；每套四连杆机构驱动一套小脚轮组件；所述四连杆机构包括原动杆、连杆、从动杆和固定座，两套四连杆机构的安装方式相同。

所述蜗轮蜗杆电机A通过齿轮组将动力传递至四连杆驱动轴；所述原动杆的一端固接在四连杆驱动轴上，设该连接处的四连杆驱动轴的轴心为A点；另一端与连杆铰接；连杆的另一端与从动杆在非端点处铰接，设该铰接点为C点；所述从动杆的一端连接小脚轮组件，另一端与固定座铰接；所述固定座通过螺杆机器人箱体固接。

所述小脚轮组件包括两个小脚轮、蜗轮蜗杆电机B和两套相同的伸缩机构；所述两个小脚轮同轴放置，蜗轮蜗杆电机B位于两个小脚轮中间，蜗轮蜗杆电机B的安装座与四连杆机构中从动杆的端部固接；蜗轮蜗杆电机B的两侧均通过螺杆输出动力，每个螺杆驱动一套伸缩机构，每套伸缩机构带动一个小脚轮的伸缩。

所述伸缩机构包括深沟球轴承、导向筒B；小脚轮的内圆周面和深沟球轴承的外圈固接；导向筒B的一端与深沟球轴承的内圈固接，导向筒B的内圆周面上加工有与蜗轮蜗杆电机B的动力输出螺杆相配合的内螺纹，用于将螺杆的转动转换为导向筒B的直线运动；所述涡轮蜗杆电机B两侧螺杆的螺纹旋向相反或两侧小脚轮上使用的导向筒B上内螺纹的旋向相反。

设所述轮履变换机构展开时，所述从动杆与水平方向的夹角为α₀，A点和C点的连线与从动杆之间的夹角为β₀，则两套四连杆机构中原动杆之间的夹角为180+2α₀-2β₀。

所述小脚轮组件中，每套伸缩机构还包括导向筒A；所述导向筒A固定安装在蜗轮蜗杆电机B上，且与导向筒B同轴；导向筒A的中心孔用于穿过蜗轮蜗杆电机B的输出轴，在导向筒A中心孔的两侧沿其轴向对称分别延伸有小导向筒a；所述导向筒B轴向端面上与两个小导向筒a对应的位置分别加工有小导向筒b；所述两个小导向筒a分别套装与两个小导向筒b中。

所述导向筒A上的两个小导向筒a的外圆周面上分别固定有滚珠保持架A；所述导向筒B上两个小导向筒b的内圆周面上分别固定有滚珠保持架B。

有益效果：

（1）在本发明中，轮履变结构中采用完全相同的双四连杆结构，通过简单分析便可得到原动杆件夹角这一关键参数法，简化了双四连杆结构的设计分析过程。

（2）在本发明中，小脚轮可沿轴向外伸和内收，这样小脚轮可以灵活地调整与履带的接触点位置，这样使得车体可适用于多种不同形式的履带，或随着履带的周边磨损等状况及时调整接触点的位置。

附图说明

图1为本发明的四连杆轮履变换机构的示意图；

图2为本发明的轮履变换机构驱动部分示意图；

图3为本发明的一组小脚轮示意图；

图4是本发明的小脚轮组件的剖面图；

图5是本发明的四连杆机构的作图法设计示意图；

图6是本发明的四连杆机构的解析法设计示意图。

其中：1-四连杆驱动轴，2-原动杆，3-连杆，4-从动杆，5-固定座，6-小脚轮，7-螺杆，8-涡轮蜗杆电机A，9-齿轮传动，10-深沟球轴承，11-涡轮蜗杆电机B，12-导向筒A，13-导向筒B，14-小导向筒a，15-小导向筒b。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本实施提供一种用于轮履变结构移动机器人的四连杆轮履变换机构，其具体结构如图1和图2所示，包括两套四连杆机构、两套小脚轮组件、蜗轮蜗杆电机A8、齿轮传动9和四连杆驱动轴1。每套四连杆机构驱动一套小脚轮组件。所述四连杆机构包括原动杆2、连杆3、从动杆4和固定座5。

两套四连杆机构的安装方式相同，下面仅以一套四连杆机构的安装方式为例，对该轮履变换机构的结构进行详细介绍。蜗轮蜗杆减速电机A8通过齿轮传动9将动力传递至四连杆驱动轴1，四连杆驱动轴1和外片行走轮驱动轴采用套轴方式，原动杆2的一端通过紧钉螺丝固连在四连杆驱动轴1上，设该连接处的轴心为A点(如图5)，另一端与连杆3铰接，设该铰接点为B（如图5），连杆3的另一端与从动杆4在非端点处铰接，设该铰接点为C（如图5），从动杆4的一端连接小脚轮组件，另一端与固定座5铰接，设该铰接点为D（如图5）。所述固定座5通过螺杆7固定在机器人箱体上。蜗轮蜗杆电机A8转动时通过原动杆2带动连杆3转动，带动从动杆4绕点D转动，从而轮履变换机构完成小脚轮组件的收缩或张开。由于蜗轮蜗杆电机A8本身具有自锁性，履带的反作用力不会造成轮履变换机构的被动动作，轮履变换机构的动作只受蜗轮蜗杆电机A8的主动控制。为了使轮履变换机器人更加稳定协调地工作，两套四连杆机构在保障能够展开到最大对称角度和收缩到轮毂内的基础上，两侧的从动杆4最好在展开和收缩的动态过程中也能够保持与竖直方向线的对称。

结合图5说明本实施例中两套四连杆机构的设计机理，所述轮履变换机构展开，即轮履变结构移动机器人以履带方式行走时，两侧四连杆机构中的原动杆、连杆以及A点和C点的连线所组成的三角形在此静态下是完全相等的，两侧的从动杆4与水平方向的夹角也相等，且在动态过程中上述两个三角形任意时刻保持全等，因此可以通过两套相同的四连杆机构实现轮履变换。由于两套四连杆机构中的杆长参数完全相同，所以在设计时候只需要设计一套，然后确定两套四连杆机构中原动杆之间的夹角即可，这样简化了设计流程。

通过以上分析可知，在两套四连杆机构的设计中，两个原动杆间的夹角是设计的关键参数，本实施例中针对该夹角的设计提供了作图法和解析法两种设计方法。

结合附图5介绍两个原动杆间夹角的解析法设计方法。轮履变换机构完全展开时（由于两侧的从动杆与水平方向的夹角在动态过程中始终相等，所以也可以选择轮履变换展开为其它任一角度时进行设计）。设从动杆与水平方向的夹角为α₀，A点和C点的连线与从动杆之间的夹角为β₀，A点与C点连线与A点与C’点连线间的夹角为θ₁，两个原动杆间的夹角设为θ₂。由于三角形ABC与三角形A’B’C’全等，则有r₁＝r₂，所以θ₁＝θ₂；根据五边形ACDC'D' 的内角和为540度，可以计算出θ₁＝180+2α₀-2β₀，则两个原动杆间的夹角应选为180+2α₀-2β₀。在θ₁确定的基础上，通过解析法或作图法设计出一侧四连杆机构的杆长参数，然后考虑机构运动过程中的干涉问题，可以方便地设计出一套完整的四连杆轮履变换机构。

结合附图6介绍两个原动杆间夹角的作图法设计方法。假设已设计出一套四连杆机构，即图6中的原动杆AB'，连杆B'C'，从动杆C'D'已知；然后以A点为圆心，以原动杆AB'的杆长作圆，从动杆C'D'沿着过A点的竖直直线镜像得到从动杆CD，再接着以C点为圆心，以连杆B'C'的长度作圆，该圆与以A点为圆心的圆的交点即为原动杆AB与连杆BC的交点B点，AB和AB'之间的夹角即为所求的夹角值。

该轮履变换机构中的小脚轮组件能够外伸和内收，以保证小脚轮可以灵活地调整与履带的接触点位置。所述小脚轮组件的结构如图3和图4。两套小脚轮组件的结构相同，下面仅以一套为例对其进行详细介绍。

小脚轮组件包括两个小脚轮6、蜗轮蜗杆电机B11和两套相同的伸缩机构；所述两个小脚轮同轴放置，蜗轮蜗杆电机B11位于两个小脚轮6中间，蜗轮蜗杆电机B11安装在四连杆机构中的从动杆4上；蜗轮蜗杆电机B11的双输出轴上均是加工有螺纹的螺杆结构，每个螺杆驱动一套伸缩机构，每套伸缩机构带动一个小脚轮的伸缩。下面仅以一套伸缩机构为例进行具体介绍，所述伸缩机构包括深沟球轴承10、导向筒B13。

深沟球轴承10的外圈通过顶丝固接安装在小脚轮6上，导向筒B13的一端通过螺钉固定安装在深沟球轴承10的内圈。导向筒B13的圆柱孔面上加工有与蜗轮蜗杆电机B11的螺杆相配合的螺纹，从而将螺杆转动转化为导向筒B13的直线运动。导向筒A12固定连接在蜗轮蜗杆电机B11上，导向筒A12的中心孔用于穿过蜗轮蜗杆电机B11的输出轴。在导向筒A12中心孔的两侧沿其轴向对称分别延伸有小导向筒a14；所述导向筒B13轴向端面上与两个小导向筒对应的位置分别加工有小导向筒b15；两个小导向筒a14分别套装与两个小导向筒b15中。在导向筒A12的两个轴向小导向筒a14的外圆周面分别固定有滚珠保持架；在导向筒B13上的两个小导向筒b15的内圆周面分别固定有滚珠保持架。圆形滚珠保持架用于将滑动变为滚动，在圆柱滚珠保持架的作用下，导向筒B13和导向筒A12之间通过滚动摩擦完成轴向导向作用。涡轮蜗杆电机B11两侧螺杆的螺纹旋向相反或两侧小脚轮上的轴向导向筒B13上的螺纹旋向相反，当涡轮蜗杆电机B11输出动力时，通过两侧的导向筒B13带动两个小脚轮在轴向的同时伸缩和外张。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种用于轮履变结构移动机器人的四连杆轮履变换机构，其特征在于，包括两套相同的四连杆机构、两套小脚轮组件、蜗轮蜗杆电机A（8）、齿轮组（9）和四连杆驱动轴（1）；每套四连杆机构驱动一套小脚轮组件；所述四连杆机构包括原动杆（2）、连杆（3）、从动杆（4）和固定座（5），两套四连杆机构的安装方式相同；

所述蜗轮蜗杆电机A（8）通过齿轮组（9）将动力传递至四连杆驱动轴（1）；所述原动杆（2）的一端固接在四连杆驱动轴（1）上，设该连接处的四连杆驱动轴（1）的轴心为A点；另一端与连杆（3）铰接；连杆（3）的另一端与从动杆（4）在非端点处铰接，设该铰接点为C点；所述从动杆（4）的一端连接小脚轮组件，另一端与固定座（5）铰接；所述固定座（5）与机器人箱体固接；

所述小脚轮组件包括两个小脚轮（6）、蜗轮蜗杆电机B（11）和两套相同的伸缩机构；所述两个小脚轮同轴放置，蜗轮蜗杆电机B（11）位于两个小脚轮（6）中间，蜗轮蜗杆电机B（11）的安装座与四连杆机构中从动杆（5）的端部固接；蜗轮蜗杆电机B（11）的两侧均通过螺杆输出动力，每个螺杆驱动一套伸缩机构，每套伸缩机构带动一个小脚轮的伸缩；

所述伸缩机构包括深沟球轴承（10）、导向筒B（13）；小脚轮（6）的内圆周面和深沟球轴承（10）的外圈固接；导向筒B（13）的一端与深沟球轴承（10）的内圈固接，导向筒B（13）的内圆周面上加工有与蜗轮蜗杆电机B（11）的动力输出螺杆相配合的内螺纹，用于将螺杆的转动转换为导向筒B（13）的直线运动；所述涡轮蜗杆电机B（11）两侧螺杆的螺纹旋向相反或两侧小脚轮上使用的导向筒B（13）上内螺纹的旋向相反。

2.如权利要求1所述的一种用于轮履变结构移动机器人的双四连杆轮履变换机构，其特征在于，设所述轮履变换机构展开时，所述从动杆（4）与水平方向的夹角为α₀，A点和C点的连线与从动杆（4）之间的夹角为β₀，则两套四连杆机构中原动杆之间的夹角为180+2α₀-2β₀。

3.如权利要求1所述的一种用于轮履变结构移动机器人的四连杆轮履变换机构，其特征在于，所述小脚轮组件中，每套伸缩机构还包括导向筒A（12）；所述导向筒A（12）固定安装在蜗轮蜗杆电机B（11）上，且与导向筒B（13）同轴；导向筒A（12）的中心孔用于穿过蜗轮蜗杆电机B（11）的输出轴，在导向筒A（12）中心孔的两侧沿其轴向对称分别延伸有小导向筒a（14）；所述导向筒B（13）轴向端面上与两个小导向筒a（14）对应的位置分别加工有小导向筒b（15）；所述两个小导向筒a（14）分别套装与两个小导向筒b（15）中。

4.如权利要求3所述的一种用于轮履变结构移动机器人的四连杆轮履变换机构，其特征在于，所述导向筒A（12）上的两个小导向筒a（14）的外圆周面上分别固定有滚珠保持架A；所述导向筒B（13）上两个小导向筒b（15）的内圆周面上分别固定有滚珠保持架B。

Images