CN103318288A - 一种同步带传动式全履带机器人 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种同步带传动式全履带机器人。它包括两个独立驱动的主履带装置、四个独立驱动的摆臂装置、四个支撑机构，一个机架等。所述两个独立驱动的主履带装置完全相同而平行并列安装在所述机架上，使其履带完全上下全包裹以所述机架为主体的机器人机身，所述四个独立驱动的摆臂装置分别通过所述四个支撑机构安装在机架的四角处；所述两个主履带装置实现机器人移动行走；而两个主履带装置分别独立驱动而实现移动转弯的转速差；四个独立驱动的摆臂装置用于实现机器人多姿态适应地形地貌问题。该机器人可以完成行走、转弯、爬坡、越障、跨沟和上下台阶等行为。该机器人采用橡胶和铝合金框架材料，质量25kg，具有极高的机动性能。

Description

一种同步带传动式全履带机器人

技术领域

本发明属于地面移动机器人领域，涉及一种可以适应复杂地形地貌、核环境建筑物内部多而窄的阶梯地形、机身采用橡胶履带全包覆的同步带传动式全履带机器人。

背景技术

随着社会的快速发展，人类活动领域的不断拓展，大量的灾难诸如核泄露、地震、火灾、水灾、和煤矿矿井瓦斯爆炸等正威胁着人类的安全，日益引起了人们的广泛关注。应用地面移动机器人来收集事故灾难现场的信息已经引起世界各国的广泛关注。目前地面移动机器人多是轮式、履带式或轮履复合式移动机器人，大多履带机器人采用窄带或者部分履带包覆结构，在非结构复杂地形下，履带机器人因底盘易直接触地或碰撞而卡死。另一方面，现地面移动履带机器人多采用链式和齿轮式传动，这在机械结构上无形中增加了移动机器人的重量，这使得在有较高工作要求场合普通的履带机器人并不能满足使用要求。特别是核环境建筑物内部多楼梯和窄道环境下，要求核机器人在远程遥控下可以完成行走、转弯、爬坡、越障、跨沟和上下台阶等行为，这对机器人的机械结构和机动性能要求提出了严格的要求。要克服移动机器人的以上问题，达到高机动性目的，需要对地面移动履带机器人的履带包覆程度以及履带机器人的传动方式做出合理的设计。

发明内容

本发明的目的在于针对以上问题，提供一种同步带传动式全履带机器人，以满足下述的性能要求：一、解决崎岖凹凸不平地形下，移动机器人地盘触地卡死问题；二、满足运动性能下，摈弃常用齿轮或者链传动等传动方式，摈弃常用的金属结构履带和橡胶链结构履带，最小化机器人重量，提高机器人的机动性能；三、整体结构尺寸适当，保证较好的运动性能和较多的机器人姿势。

为了达到上述要求，本发明的构思是：

设计履带移动机器人，该机器人包括两条主橡胶履带进行机器人机身全包覆，来消除可能的底盘触地情况；采用四个完全一致的摆臂装置来均布在机器人四个角处，来实现机器人多姿态适应地形地貌问题；采用六个电机驱动独自控制的方式，其中2个主电机驱动2条主履带，来实现机器人移动行走问题，且采用摆臂履带和主履带相同线速度设计，保证移动和转弯出现的速度差问题，4个摆臂电机分别驱动4条摆臂履带，六自由度的机器人结构设计适合更广泛的非结构环境；摈弃常用齿轮或者链传动等传动方式，采用同步带传动方式，合理的传动布局，在传动性能满足要求的情况下，减少整机质量，提高整机机动性能；摈弃目前常用的金属结构履带和橡胶链结构履带，采用橡胶履带，进一步减少整机质量，提高整机机动性能。

根据上述发明构思，本发明采用下述技术方案：

一种同步带传动式全履带机器人，包括两个独立驱动的主履带装置、四个独立驱动的摆臂装置、四个支撑结构，一个机架组成，其特征在于：所述两个独立驱动的主履带装置完全相同而平行并列安装在所述机架上，使其履带完全上下全包裹以所述机架为主体的机器人机身，所述四个独立驱动的摆臂装置分别通过所述四个支撑机构安装在机架的四角处；所述两个主履带装置实现机器人移动行走；而两个主履带装置分别独立驱动而实现移动转弯的转速差；四个独立驱动的摆臂装置用于实现机器人多姿态适应地形地貌问题。

所述两个独立驱动的主履带装置完全相同，都是由主驱动电机、主减速器、主编码器、主小同步带轮、主同步带、主大同步带轮、主动主轴、后摆臂轮、摆臂橡胶履带、前摆臂轮、主动轮、主橡胶履带、被动轮、被动主轴等组成。两个独立驱动的主履带装置左右对称，两个主驱动电机左右对称且相向布置，这是为了履带机器人结构上质量对称分布，整机有更好的平衡性能。主驱动电机、主减速器、主编码器均选用maxon产品，主驱动电机转速经主减速器减速后传给主小同步带轮，再采用同步带传动方式将转动传给主大同步带轮，主大同步带轮、主动轮、后摆臂轮均键联接于主动主轴。后摆臂轮和主动轮随主动主轴一起同速度转动，在结构上后摆臂轮和主动轮外径相等，使得后摆臂轮和主动轮以相同的线速度运动，消除运动时可能出现的后摆臂轮和主动轮之间的速差问题，此描述亦适合于后摆臂轮与被动轮消除速差问题。前摆臂轮由摆臂橡胶履带带动与后摆臂轮一起转动，被动轮由主橡胶履带带动与主动轮一起转动，这实现了前摆臂橡胶履带、主橡胶履带、后摆臂橡胶履带以相同的线速度转动。左右主履带装置两个驱动电机独立驱动，左右两侧橡胶履带同速转动可实现直线前进和后退，左右两侧橡胶履带正差速转动可实现转弯前进和后退，左右两侧橡胶履带逆差速转动可实现原地转弯。

所述四个独立驱动的摆臂装置完全相同，都是由摆臂驱动电机、摆臂减速器、摆臂编码器、摆臂小同步带轮、摆臂同步带、摆臂大同步带轮、摆臂板、摆臂销轴等组成。臂驱动电机、摆臂减速器、摆臂编码器均选用maxon产品，臂驱动电机转速经主减速器减速后传给摆臂小同步带轮，再采用同步带传动方式将转动传给摆臂大同步带轮，摆臂板经四个螺栓均布联接于摆臂大同步带轮。摆臂装置经深沟球轴承安装于主动主轴，隔开主动传动，此描述亦适合于摆臂装置经深沟球轴承安装于被动主轴。四个摆臂装置前后左右对称布置且分别独立驱动，四个摆臂驱动电机前后左右对称且相对布置，这保证履带机器人整机质量对称，具有更好的稳定性。摆臂编码器用于实时测摆臂转动角度，以获得实时状态下摆臂姿态。摆臂驱动电机的正反转可实现摆臂的前抬和下摆运动，四个摆臂装置的联合独立控制，可以灵活实现履带机器人多姿态问题，以适应复杂非结构环境。

所述四个支撑结构完全相同，都是由外支撑套筒、固定端盖、圆锥滚子轴承、套筒等组成。外支撑套筒和固定端盖分布于机架支撑板两侧并用四个螺栓固定连接，支撑结构经两个圆锥滚子轴承安装于主动主轴和被动主轴，两圆锥滚子轴承之间装有套筒隔开来轴向定位。

所述机架由主架，机架中板，机架侧板，机架支撑板，支撑滚轮条等组成，其均为铝合金材料。机架中板共两个且完全相同，前后对称中间布置螺栓连接于主架；机架侧板共四个且完全相同，前后左右对称布置螺栓连接于主架；机架支撑板共四个且完全相同，前后左右对称布置螺栓连接于主架；支撑滚轮条共四条且完全相同，螺栓连接均布于主架底部。

所述主橡胶履带带宽150mm，大宽度的橡胶履带增大机器人与地面的接触面积，可以实现在松软地形和雪地环境的移动，主橡胶履带内侧橡胶传动齿宽为带宽一半且从带宽中心左右对称布置，支撑滚轮条的滚轮与主橡胶履带内侧光面接触，此可以在满足运动功能的同时减小支持滚轮与橡胶履带间的接触阻力；摆臂橡胶履带带宽30mm，内侧传动齿与带宽一致；主橡胶履带和摆臂橡胶履带均有外部防滑齿，用以增加橡胶履带与地面的接触摩擦，提高运动性能，安装过橡胶履带的后摆臂轮、主动轮、被动轮应在同一平面接触地，消除摆臂橡胶履带和主橡胶履带的速差。

机架内部布置控制系统、电源、充电模块、其他传感器等部件。

 

本发明与现有技术相比，具有如下实质性特点和显著优点：

（1）    该履带机器人摈弃了齿轮传动和链传动方式，全部采用同步带传动方式，实现机器人运动功能的同时，减少了整机重量；

（2）    该履带机器人实现机身和摆臂履带全包覆，避免了摆臂和机身与地面的接触情形，该履带机器人有六自由度，多自由度实现多姿态适应非结构环境地形，具有更好的稳定性；

（3）    该机器人采用橡胶履带和铝合金框架质材，整机重量25kg，具有高机动性能。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图。

图2是本发明的卸橡胶履带仰视结构示意图。

图3是本发明的主履带装置示意图。

图4是本发明的主动主轴系分解图。

图5是本发明的被动主轴系分解图。

图6是本发明的支撑装置零件分解示意图。

图7是本发明的支架示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例作进一步的说明。

    实施例一：

1.参见图1，本同步带传动式全履带机器人，包括两个独立驱动的主履带装置1-A、1-B，四个独立驱动的摆臂装置2-A、2-B、2-C、2-D，四个支撑结构3-A、3-B、3-C、3-D，一个机架4等。所述两个独立驱动的主履带装置1-A、1-B完全相同而平行并列安装在所述机架4上，使其履带完全上下全包裹以所述机架4为主体的机器人机身，所述四个独立驱动的摆臂装置2-A、2-B、2-C、2-D分别通过所述四个支撑机构3-A、3-B、3-C、3-D安装在机架4的四角处；所述两个主履带装置1-A、1-B实现机器人移动行走；而两个主履带装置1-A、1-B分别独立驱动而实现移动转弯的转速差；四个独立驱动的摆臂装置2-A、2-B、2-C、2-D用于实现机器人多姿态适应地形地貌问题。

实施例二：本实施例与实施例一基本相同，特别之处如下：

上述两个独立驱动的主履带装置1-A和1-B完全相同，如图2所示，都是由主驱动电机5、主减速器6、主编码器7、主小同步带轮8、主同步带9、主大同步带轮10、主动主轴11、后摆臂轮12a和12b、摆臂橡胶履带13、前摆臂轮14a和14b、主动轮15、主橡胶履带16、被动轮17 、被动主轴18等组成。主减速器6通过螺栓联接机架中板19，如图7所示，且主减速器6布置在下述主橡胶履带16外侧；主驱动电机5通过双头螺柱联接主减速器6、主编码器7通过双头螺柱联接主驱动电机5；主小同步带轮8键联接于主减速器6输出轴一起转动，主小同步带轮8将电机转动经主同步带9传递给主大同步带轮10，主大同步带轮10键联接于主动主轴11一起转动，后摆臂轮12键联接于主动主轴11一起转动，后摆臂轮12a将转动经摆臂橡胶履带13传递给前摆臂轮14a；主动轮15键联接于主动主轴11一起转动，主动轮15转动经主橡胶履带16传递给被动轮17，被动轮17键联接于被动主轴18一起转动，后摆臂轮12b键联接于被动主轴18一起转动，后摆臂轮12b将转动经摆臂橡胶履带13传递给前摆臂轮14b。

上述四个独立驱动的摆臂装置2-A、2-B、2-C、2-D完全相同，如图4和图5所示，都是由摆臂驱动电机20、摆臂减速器21、摆臂编码器22、摆臂小同步带轮23、摆臂同步带24、摆臂大同步带轮25、摆臂板26、摆臂销轴27等组成。摆臂减速器21螺栓固定于机架侧板28，如图7所示，且内向布置，摆臂驱动电机20双头螺柱联接摆臂减速器21，摆臂编码器21双头螺柱联接摆臂驱动电机20，摆臂小同步带轮23键联接于摆臂减速器21一起转动，摆臂小同步带轮23转动经摆臂同步带24传递给摆臂大同步带轮25，摆臂板26螺栓固定联接于摆臂大同步带轮25，前摆臂轮14a和14b经深沟球轴承联接于摆臂销轴27，摆臂销轴27联接于摆臂板26前端，摆臂大同步带轮25经深沟球轴承联接于被动主轴18和主动主轴11各一个。

上述四个支撑结构3-A、3-B、3-C、3-D完全相同，如图5和图6所示，都是由外支撑套筒29、固定端盖30等组成。外支撑套筒29和固定端盖30分布于机架支撑板31两侧并用螺栓固定连接，支撑结构3-A、3-B、3-C、3-D经两个圆锥滚子轴承安装于主动主轴11和被动主轴18，两圆锥滚子轴承之间装有套筒隔开。

上述机架4由主架32，机架中板19，机架侧板28，机架支撑板31，支撑滚轮条32等组成。机架中板19共两个且完全相同，前后对称中间布置螺栓连接于主架32；机架侧板28共四个且完全相同，前后左右对称布置螺栓连接于主架32；机架支撑板31共四个且完全相同，前后左右对称布置螺栓连接于主架32；支撑滚轮条33共4条且完全相同，螺栓连接均布于主架32底部。

实施例三：本实施例与实施例一基本相同，特别之处如下：

上述主驱动电机5共两个且完全相同，前后对称分布于机架4外侧且朝向相反安装于机架中板19；摆臂驱动电机20共四个完全相同，前后左右对称相向布置于机架4外侧且安装于机架侧板28；

实施例四：本实施例与实施例一基本相同，特别之处如下：

上述主橡胶履带16的带宽为150mm±5mm，主橡胶履带16内侧橡胶传动齿宽为带宽一半且从带宽中心左右对称布置，支撑滚轮条33的滚轮与主橡胶履带16内侧光面接触；摆臂橡胶履带13的带宽为30mm±2mm，内侧传动齿与带宽一致。

本发明所述的结构并不限于具体实施方式中所述的实施例，本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其它的实施方式，同样属于本发明的技术创新范围。 

Claims (7)

1.一种同步带传动式全履带机器人，包括两个独立驱动的主履带装置（1-A、1-B）、四个独立驱动的摆臂装置（2-A、2-B、2-C、2-D）、四个支撑机构（3-A、3-B、3-C、3-D），一个机架（4）等，其特征在于：所述两个独立驱动的主履带装置（1-A、1-B）完全相同而平行并列安装在所述机架（4）上，使其履带完全上下全包裹以所述机架（4）为主体的机器人机身，所述四个独立驱动的摆臂装置（2-A、2-B、2-C、2-D）分别通过所述四个支撑机构（3-A、3-B、3-C、3-D）安装在机架（4）的四角处；所述两个主履带装置（1-A、1-B）实现机器人移动行走；而两个主履带装置（1-A、1-B）分别独立驱动而实现移动转弯的转速差；四个独立驱动的摆臂装置（2-A、2-B、2-C、2-D）用于实现机器人多姿态适应地形地貌问题。

2.根据权利要求1所述的同步带传动式全履带机器人，其特征在于：所述两个独立驱动的主履带装置（1-A、1-B）完全相同：包括主驱动电机(5)、主减速器(6)、主编码器(7)、主小同步带轮(8)、主同步带(9)、主大同步带轮(10)、主动主轴(11)、后摆臂轮（12a、12b）、摆臂橡胶履带（13）、前摆臂轮（14a、14b）、主动轮(15)、主橡胶履带（16）、被动轮(17)和被动主轴(18)，所述主减速器(6)通过螺栓联接所述机架（4）中的一个机架中板（19），且主减速器(6)布置在所述主橡胶履带（16）外侧；主驱动电机(5)通过双头螺柱联接主减速器(6)、主编码器(7)通过双头螺柱联接主驱动电机(5)；所述主小同步带轮(8)键联接于主减速器(6)输出轴而一起转动，主小同步带轮(8)经主同步带(9)传动联接主大同步带轮(10)，主大同步带轮(10)键联接于主动主轴(11)而一起转动，后摆臂轮（12a）键联接于主动主轴(11)而一起转动，后摆臂轮（12a）经摆臂橡胶履带（13）传动联接前摆臂轮（14a）；所述主动轮(15)键联接于主动主轴(11)而一起转动，主动轮(15)经主橡胶履带（16）传动联接被动轮(17)，被动轮(17)键联接于被动主轴(18)而一起转动，后摆臂轮（12b）键联接于被动主轴(18)而一起转动，后摆臂轮（12b）经摆臂橡胶履带（13）传动联接前摆臂轮（14b）。

3.根据权利要求2所述的同步带传动式全履带机器人，其特征在于：所述四个独立驱动的摆臂装置（2-A、2-B、2-C、2-D）完全相同：包括摆臂驱动电机（20）、摆臂减速器（21）、摆臂编码器（22）、摆臂小同步带轮（23）、摆臂同步带（24）、摆臂大同步带轮（25）、摆臂板（26）和摆臂销轴（27）。所述摆臂减速器（21）螺栓固定于机架（4）的机架侧板（28）上且内向布置，摆臂驱动电机（20）通过双头螺柱联接摆臂减速器（21），摆臂编码器（21）通过双头螺柱联接摆臂驱动电机（20），摆臂小同步带轮（23）键联接于摆臂减速器（21）输出轴上而一起转动，摆臂小同步带轮（23）经摆臂同步带（24）传动联接摆臂大同步带轮（25），摆臂板（26）通过螺栓固定联接于摆臂大同步带轮（25）轮盘上，前摆臂轮（14a、14b）经深沟球轴承支承安装于摆臂销轴（27）上，摆臂销轴（27）固定联接于摆臂板（26）前端，两个摆臂大同步带轮（25）分别经深沟球轴承支承安装于被动主轴(18)上和主动主轴(11)上。

4.根据权利要求3所述的同步带传动式全履带机器人，其特征在于：所述四个支撑结构（3-A、3-B、3-C、3-D）完全相同：包括外支撑套筒（29）、固定端盖（30）、圆锥滚子轴承和套筒。所述外支撑套筒（29）和固定端盖（30）分布于机架（4）的一个机架支撑板（31）两侧并用螺栓固定连接，四个支撑结构（3-A、3-B、3-C、3-D）分别经两个圆锥滚子轴承安装于主动主轴（11）和被动主轴（18）上，两圆锥滚子轴承之间装有套筒隔开。

5.根据权利要求1所述的同步带传动式全履带机器人，其特征在于：所述机架（4）包括主架（32），机架中板（19），机架侧板（28），机架支撑板（31），支撑滚轮条（32）。所述机架中板（19）共两个且完全相同，前后对称中间布置而通过螺栓连接于主架（32）；机架侧板（28）共四个且完全相同，前后左右对称布置而通过螺栓连接于主架（32）；机架支撑板（31）共四个且完全相同，前后左右对称布置而通过螺栓连接于主架（32）；支撑滚轮条（33）共4条且完全相同，通过螺栓连接均布于主架（32）底部。

6.根据权利要求5所述的同步带传动式全履带机器人，其特征在于：所述主驱动电机（5）共两个且完全相同，前后对称分布于机架（4）外侧且朝向相反安装于机架中板（19）；摆臂驱动电机（20）共四个完全相同，前后左右对称相向布置于机架（4）外侧且安装于机架侧板（28）上。

7.根据权利要求3所述的同步带传动式全履带机器人，其特征在于所述主橡胶履带（16）带宽150mm±5mm，主橡胶履带（16）内侧橡胶传动齿宽为带宽一半且从带宽中心左右对称布置，支撑滚轮条（33）的滚轮与主橡胶履带（16）内侧光面接触；摆臂橡胶履带（13）带宽30mm±2mm，内侧传动齿与带宽一致。

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