CN103448831B - 一种越障载运机器人 - Google Patents
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Abstract
一种越障载运机器人，包括车体（A）和布置在车体（A）上的第一到第五越障车轮（B、C、D、E、F）。第一到第五越障车轮（B、C、D、E、F）完全相同，第一越障车轮（A）安装在车体（A）的机械臂上，第二到第五车轮（C、D、E、F）安装于车体（A）四个顶点处。越障车轮可由内部的独立驱动系统实现车轮外轮廓变形，越障车轮配合机械臂实现机器人的高越障性能和载运功能。该机器人机构具有良好的机动性、可靠性和地形适应能力，可用于军事侦察，灾害救援，物资运送和星球探测等领域。
Description
技术领域
本发明涉及机器人领域，尤其涉及一种越障机器人。本发明一种越障载运机器人是利用可实现轮径变化的越障车轮和车体机械臂实现越障功能的机器人机构。
背景技术
目前，越障机器人的研究逐渐成为机器人研究领域的一个热点。越障机器人可以适应复杂多变的环境，代替人员到达特殊环境完成军事侦察和科学研究等任务，多用于物资运送、灾害救援、星球探测等领域。越障机器人需要在复杂环境下具有可靠性、机动性、可控性和越障能力的特点。
变形车轮通过改变车轮的有效半径，提高轮式行走机构的行走机动能力和越障性能。已公开的专利201020268767.X提出一种多路况行走变形轮，通过内轮盘的转动带动辐条扭转使轮缘发生变形，变形后机构形状呈叶轮形，增大车轮的有效半径，提高车辆的越障能力。但是该车轮结构变形后外轮廓不为圆形影响车辆行进稳定性。
美国专利公告号US4942700公开了由霍伯曼伸缩单元构成的径向伸缩机构，所提到的霍伯曼单元由两个完全相同的角梁单元通过中部铰接而成，将n个霍伯曼单元依次连接组成可获得较大径向位移的闭合环形连杆机构。该机构多用于建筑场馆开合屋盖、建筑雕塑等。
发明内容
本发明要解决的问题是提供一种可实现高越障性能的越障载运机器人。
本发明的技术方案：
一种越障载运机器人包括车体和布置在车体上的第一到第五越障车轮。第一到第五越障车轮完全相同，第一越障车轮安装在第二机械臂上，第二到第五越障车轮安装在底盘的四个顶点处。第一到第五越障车轮由车轮内部的独立驱动系统实现车轮外轮廓变形以及机器人的行进、后退和差速转向。车体上设置有第一、第二机械臂，且第一、第二机械臂由两个第三电机驱动实现机器人的越障功能。
第一越障车轮包括：电机罩、第一电机、外轮板、电机连接件、内轮板、轮毂、变形轮环、弧形胎皮、轮板胎皮、辐条。第一电机放入外轮板中心孔中，并与外轮板固定，同时，电机罩与外轮板固定，保护第一电机。轮毂与内轮板安装固定。外轮板的非电机安装面与内轮板的非轮毂安装面分别转动连接六根辐条。电机连接件的一端固定于第一电机的输出轴上，另一端与内轮板沿中心布置的安装孔配合固定。与外轮板和内轮板连接的十二根辐条经端部安装孔分别转动连接于变形轮环的十二个变形单元上，变形轮环一侧配合的六根辐条以间隔一个变形单元的形式配置在六个变形单元上。外轮板与内轮板外圈布置轮板胎皮。
第一越障车轮上的变形轮环由十二个变形单元依次连接而成，十二个变形单元完全相同。变形单元包括：第一曲杆、第二曲杆、第三曲杆。第一到第三曲杆外形特征完全相同：第一到第三曲杆分别由凸弧和凹弧组成，第一到第三曲杆的两端和中部布置有安装孔。第一、第二、第三曲杆通过各自中部的安装孔铰接，第一、第二曲杆凸弧位于中部安装孔同侧，第三曲杆的凸弧与第一、第二曲杆的凸弧位于中部安装孔异侧。变形轮环中两个变形单元通过第一、第二、第三曲杆端部安装孔形成转动配合，将十二个变形单元依次连接构成变形轮环。每一个变形单元的第一到第三曲杆凸弧端布置弧形胎皮。轮环在完全展开状态下外轮廓曲线为圆形。
一种越障载运机器人车体包括：第二电机、第三电机、载物架、底盘、第一机械臂、第二机械臂、电机安装件和摄像头。四个第二电机分别通过电机安装件固定于底盘一侧的四个顶点处。底盘另一侧长边中部固接一个L型连接件安装第三电机，其电机输出轴穿过L型件与第一机械臂一端固定，第一机械臂另一端配合固定一个第三电机，其电机输出轴穿过第一机械臂与第二机械臂一端固接，第二机械臂另一端同侧固接一个第二电机。载物架通过下端四个圆形凸台固定在底盘上。载物架与底盘之间布置摄像头用于勘测地形。将第一至第五越障车轮与车体配合。机器人第二机械臂端部固接的第二电机输出轴穿过第二机械臂与第一越障车轮上的轮毂安装孔配合固接。第二至第五越障车轮安装在底盘上的四个第二电机输出轴端，安装方式与第一越障车轮的安装方式相同。
其中，第一电机采用了较大减速比的减速器来满足变形过程及变形后支撑载运的大力矩要求，第二电机采用了较小减速比的减速器以实现轮式的高速、灵活运动性能，第三电机采用了较大减速比的减速器配合电机实现更强的越障功能。
本发明和已有技术相比具有的有益效果：
所提到的越障车轮结构利用两个轮板之间相对转动实现轮体的变形，变形后获得更大的轮径以实现高越障性能，有效的提高机器人的越障能力，变形后轮体外轮廓为圆环型可保证机器人的机动性和稳定性。同时，布置在车体上的机械臂可以辅助车体完成轮式机器人无法上下阶梯和翻越壕沟的功能。
附图说明
图1一种越障载运机器人整体三维图；
图2第一越障车轮爆炸视图(不包括变形轮环)；
图3第一越障车轮整体三维图；
图4变形轮环整体三维图；
图5变形单元外形图；
图6越障车轮变形图；
图7车体整体三维图；
图8一种越障载运机器人跨遇到壕沟示意图；
图9一种越障载运机器人跨越壕沟示意图；
图10一种越障载运机器人遇到垂直墙示意图；
图11一种越障载运机器人跨越垂直墙示意图；
图12一种越障载运机器人遇到连续台阶示意图；
图13一种越障载运机器人爬连续台阶示意图；
具体实施方式
下面将结合附图及实施例对本发明的技术方案进行详细的说明。
如图1所示，一种越障载运机器人包括车体A和布置在车体A上的第一到第五越障车轮B、C、D、E、F。第一到第五越障车轮B、C、D、E、F完全相同，第一越障车轮B安装在第二机械臂A-f上，第二到第五越障车轮C、D、E、F安装在底盘A-d的四个顶点处。第一到第五越障车轮B、C、D、E、F由车轮内部的独立驱动系统实现车轮外轮廓变形以及机器人的行进、后退和差速转向。车体A上设置有第一、第二机械臂A-e、A-f，且第一、第二机械臂A-e、A-f由两个第三电机A-b驱动实现机器人的越障功能。
如图2、3所示，第一越障车轮B包括：电机罩B-b、第一电机B-c、外轮板B-d、电机连接件B-e、内轮板B-f、轮毂B-g、变形轮环B-h、弧形胎皮1、轮板胎皮2、辐条3。第一电机B-c放入外轮板B-d中心孔中，并与外轮板B-d固定，同时，电机罩B-b与外轮板B-d固定，保护第一电机B-c。轮毂B-g与内轮板B-f安装固定。外轮板B-d的非电机安装面与内轮板B-f的非轮毂安装面分别转动连接六根辐条3。电机连接件B-e的一端固定于第一电机B-c的输出轴上，另一端与内轮板B-f沿中心布置的安装孔配合固定，上述第一越障车轮B连接方式如图2所示。与外轮板B-d和内轮板B-f连接的十二根辐条3经端部安装孔分别转动连接于变形轮环B-h的十二个变形单元B-a上，变形轮环B-h一侧配合的六根辐条3以间隔一个变形单元B-a的形式配置在六个变形单元B-a上。外轮板B-d与内轮板B-f外圈布置轮板胎皮2。装配完成的第一越障车轮B如图3所示。
第一越障车轮B上的变形轮环B-h如图4所示，变形轮环B-h由十二个变形单元B-a依次连接而成，十二个变形单元B-a完全相同。如图5所示，变形单元B-a包括：第一曲杆B-a-1、第二曲杆B-a-2、第三曲杆B-a-3。第一到第三曲杆B-a-1、B-a-2、B-a-3外形特征完全相同：第一到第三曲杆B-a-1、B-a-2、B-a-3分别由凸弧和凹弧组成，第一到第三曲杆B-a-1、B-a-2、B-a-3的两端和中部布置有安装孔；第一、第二、第三曲杆B-a-1、B-a-2、B-a-3通过各自中部的安装孔铰接，第一、第二曲杆B-a-1、B-a-2凸弧位于中部安装孔同侧，第三曲杆B-a-3的凸弧与第一、第二曲杆B-a-1、B-a-2的凸弧位于中部安装孔异侧。变形轮环B-h中两个变形单元B-a通过第一、第二、第三曲杆B-a-1、B-a-2、B-a-3端部安装孔形成转动配合，将十二个变形单元B-a依次连接构成变形轮环B-h。每一个变形单元B-a的第一到第三曲杆B-a-1、B-a-2、B-a-3凸弧端布置弧形胎皮1。越障车轮变形过程如图6所示，轮环B-h在完全展开状态下外轮廓曲线为圆形。
一种越障载运机器人车体A如图7所示，车体A包括：第二电机A-a、第三电机A-b、载物架A-c、底盘A-d、第一机械臂A-e、第二机械臂A-f、电机安装件A-g和摄像头4。四个第二电机A-a分别通过电机安装件A-g固定于底盘A-d一侧的四个顶点处。底盘A-d另一侧长边中部固接一个L型连接件安装第三电机A-b，其电机输出轴穿过L型件与第一机械臂A-e一端固定，第一机械臂A-e另一端配合固定一个第三电机A-b，其电机输出轴穿过第一机械臂A-e与第二机械臂A-f一端固接，第二机械臂A-f另一端同侧固接一个第二电机A-a。载物架A-c通过下端四个凸台固定在底盘A-d上。载物架A-c与底盘A-d之间布置摄像头4用于勘测地形。将第一至第五越障车轮B、C、D、E、F与车体A配合。机器人第二机械臂A-f端部固接的第二电机A-a输出轴穿过第二机械臂A-f与第一越障车轮B上的轮毂B-g安装孔配合固接。第二至第五越障车轮C、D、E、F安装在底盘A-d上的四个第二电机A-a输出轴端，安装方式与第一越障车轮B的安装方式相同。所述的第一电机B-c采用了较大减速比的减速器来满足变形过程及变形后支撑载运的大力矩要求，第二电机A-a采用了较小减速比的减速器以实现轮式的高速、灵活运动性能，第三电机A-b采用了较大减速比的减速器配合电机实现更强的越障功能。
如图8所示为一种越障载运机器人跨遇到壕沟情况，图9所示为越障车轮变形跨越壕沟示意图。
如图10所示为一种越障载运机器人遇到垂直墙情况，图11所示为越障车轮轮体变形后，利用机械臂攀爬垂直墙示意图。
如图12所示为一种越障载运机器人遇到连续台阶的情况，图13所示为越障车轮轮体变形后，利用机械臂调整姿态攀爬楼梯示意图。
Claims (2)
1.一种越障载运机器人，其特征在于：一种越障载运机器人包括车体(A)和布置在车体(A)上的第一到第五越障车轮(B、C、D、E、F)；第一到第五越障车轮(B、C、D、E、F)完全相同，第一越障车轮(B)安装在第二机械臂(A-f)上，第二到第五越障车轮(C、D、E、F)安装在底盘(A-d)的四个顶点处；第一到第五越障车轮(B、C、D、E、F)由车轮内部的独立驱动系统实现车轮外轮廓变形；车体(A)上设置有第一、第二机械臂(A-e、A-f)，且第一、第二机械臂(A-e、A-f)由两个第三电机(A-b)驱动实现机器人的越障功能；
第一越障车轮(B)包括：电机罩(B-b)、第一电机(B-c)、外轮板(B-d)、电机连接件(B-e)、内轮板(B-f)、轮毂(B-g)、变形轮环(B-h)、弧形胎皮(1)、轮板胎皮(2)、辐条(3)；
第一电机(B-c)放入外轮板(B-d)中心孔中，并与外轮板(B-d)固定，同时，电机罩(B-b)与外轮板(B-d)固定，保护第一电机(B-c)；轮毂(B-g)与内轮板(B-f)安装固定；外轮板(B-d)的非电机安装面与内轮板(B-f)的非轮毂安装面分别转动连接六根辐条(3)；电机连接件(B-e)的一端固定于第一电机(B-c)的输出轴上，另一端与内轮板(B-f)沿中心布置的安装孔配合固定；与外轮板(B-d)和内轮板(B-f)连接的十二根辐条(3)经端部安装孔分别转动连接于变形轮环(B-h)的十二个变形单元(B-a)上，变形轮环(B-h)一侧配合的六根辐条(3)以间隔一个变形单元(B-a)的形式配置在六个变形单元(B-a)上；外轮板(B-d)与内轮板(B-f)外圈布置轮板胎皮(2)；
第一越障车轮(B)上的变形轮环(B-h)由十二个变形单元(B-a)依次连接而成，十二个变形单元(B-a)完全相同；变形单元(B-a)包括：第一曲杆(B-a-1)、第二曲杆(B-a-2)、第三曲杆(B-a-3)；第一到第三曲杆(B-a-1、B-a-2、B-a-3)外形特征完全相同：第一到第三曲杆(B-a-1、B-a-2、B-a-3)分别由凸弧和凹弧组成，第一到第三曲杆(B-a-1、B-a-2、B-a-3)的两端和中部布置有安装孔；第一、第二、第三曲杆(B-a-1、B-a-2、B-a-3)通过各自中部的安装孔铰接，第一、第二曲杆(B-a-1、B-a-2)凸弧位于中部安装孔同侧，第三曲杆(B-a-3)的凸弧与第一、第二曲杆(B-a-1、B-a-2)的凸弧位于中部安装孔异侧；变形轮环(B-h)中两个变形单元(B-a)通过第一、第二、第三曲杆(B-a-1、B-a-2、B-a-3)端部安装孔形成转动配合，将十二个变形单元(B-a)依次连接构成变形轮环(B-h)；每一个变形单元(B-a)的第一到第三曲杆(B-a-1、B-a-2、B-a-3)凸弧端布置弧形胎皮(1)；轮环(B-h)在完全展开状态下外轮廓曲线为圆形。
2.权利要求1所述的一种越障载运机器人，其特征在于：
一种越障载运机器人车体(A)包括：第二电机(A-a)、第三电机(A-b)、载物架(A-c)、底盘(A-d)、第一机械臂(A-e)、第二机械臂(A-f)、电机安装件(A-g)和摄像头(4)；
四个第二电机(A-a)分别通过电机安装件(A-g)固定于底盘(A-d)一侧的四个顶点处；底盘(A-d)另一侧长边中部固接一个L型连接件安装第三电机(A-b)，其电机输出轴穿过L型件与第一机械臂(A-e)一端固定，第一机械臂(A-e)另一端配合固定一个第三电机(A-b)，其电机输出轴穿过第一机械臂(A-e)与第二机械臂(A-f)一端固接，第二机械臂(A-f)另一端同侧固接一个第二电机(A-a)；载物架(A-c)通过下端四个凸台固定在底盘(A-d)上；载物架(A-c)与底盘(A-d)之间布置摄像头(4)用于勘测地形；
将第一至第五越障车轮(B、C、D、E、F)与车体(A)配合；机器人第二机械臂(A-f)端部固接的第二电机(A-a)输出轴穿过第二机械臂(A-f)与第一越障车轮(B)上的轮毂(B-g)安装孔配合固接；第二至第五越障车轮(C、D、E、F)安装在底盘(A-d)上的四个第二电机(A-a)输出轴端，安装方式与第一越障车轮(B)的安装方式相同；
固定于第一至第五越障车轮(B、C、D、E、F)上的五个第一电机(B-c)驱动实现越障车轮轮径变化，第一电机(B-c)采用了较大减速比的减速器来满足变形过程及变形后支撑载运的大力矩要求；固定于车体(A)上的五个第二电机(A-a)采用了较小减速比的减速器以实现轮式的高速、灵活运动性能；固定于第一机械臂(A-e)和第二机械臂(A-f)上的两个第三电机(A-b)采用了较大减速比的减速器配合电机实现更强的越障功能。
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