CN103600787B - 一种万向移动机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种万向移动机器人。目前移动机器人对于复杂地形适应能力差，且多不具备独立作业能力。本发明包括上车体、下车体、驱动系统和万向轮；驱动系统包括蜗轮、蜗轮安装轴、主动直齿轮、从动直齿轮、万向轮安装轴、主动锥齿轮、从动锥齿轮、从动锥齿轮安装轴、差速器、主驱动电机、蜗杆、差速器驱动电机和主动锥齿轮安装轴；每根蜗轮安装轴的两端均固定有一个主动直齿轮，每个主动直齿轮与一个从动直齿轮啮合，每个从动直齿轮活套在一根万向轮安装轴上；每根万向轮安装轴的一端与一个万向轮固定。本发明可实现在水平面内的平移运动及绕某点的圆周运动、垂直水平面的旋转运动。
Description
技术领域
本发明属于机器人技术领域，涉及一种移动机器人，具体涉及一种具有三自由度完全解耦的万向移动机器人。
背景技术
机器人技术的发展使得机器人应用的领域和范围不断扩展，不仅在军事、工业、农业、医疗、服务、空间探测等行业中得到广泛的应用，而且在航天、海洋探测、危险或条件恶劣的特殊环境中也获得了大量应用。随着机器人应用范围的扩大，人们希望机器人能完成更加复杂的任务。移动机器人作为承载的工作平台，其运动性能对任务的完成效果有直接影响。对于一些执行特殊任务的移动机器人，要求其不仅能在狭窄的地形环境下具有灵活运动的能力，还要求其具有跟踪近距离任意的运动轨迹的能力。目前移动机器人对于多变的复杂地形适应能力相对较差，且多不具备独立作业能力。结合移动机器人的任务需求，迫切需要设计一种具有三自由度(水平面内的两个平移自由度，竖直面内的转动自由度)完全解耦的机器人，使其自主适应复杂地形环境，并独立完成探测任务和实现一定的作业功能。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种万向移动机器人，该移动机器人可以通过驱动系统实现在水平面内任意方向的平移运动、垂直于水平面的旋转运动和水平面内绕某点的圆周运动。
本发明包括上车体、下车体、驱动系统和万向轮。所述的上车体和下车体均为箱体，上车体设置在下车体上，且两者可拆卸连接。驱动系统整体设置在上车体和下车体内部，万向轮设置在上车体和下车体外部，驱动系统驱动万向轮旋转。
所述的驱动系统包括蜗轮、蜗轮安装轴、主动直齿轮、从动直齿轮、万向轮安装轴、主动锥齿轮、从动锥齿轮、从动锥齿轮安装轴、差速器、主驱动电机、蜗杆、差速器驱动电机和主动锥齿轮安装轴；所述两个主驱动电机的输出轴均与一根蜗杆固定连接，每根蜗杆与一个蜗轮啮合，每个蜗轮固定在一根蜗轮安装轴中部；两根蜗轮安装轴水平垂直设置，每根蜗轮安装轴的两端均固定有一个主动直齿轮，每个主动直齿轮与一个从动直齿轮啮合，每个从动直齿轮活套在一根万向轮安装轴上；相邻两根万向轮安装轴垂直设置，每根万向轮安装轴的一端与一个万向轮的中心固定连接。所述差速器驱动电机的输出轴与主动锥齿轮安装轴固定连接，主动锥齿轮固定在主动锥齿轮安装轴上，并同时与沿圆周均布的四个从动锥齿轮啮合，每个从动锥齿轮固定在一根从动锥齿轮安装轴的一端，每根从动锥齿轮安装轴的另一端与对应的万向轮安装轴的另一端均通过一个差速器连接，每个差速器的差速器壳体与对应的从动直齿轮固定。所述的蜗杆、蜗轮安装轴、万向轮安装轴、主动锥齿轮安装轴和从动锥齿轮安装轴均与下车体轴承连接。
所述的差速器包括差速器壳体、输入轴、行星轴、输入锥齿轮、行星锥齿轮和输出锥齿轮；所述的输入轴和行星轴均与差速器壳体轴承连接；所述的输入锥齿轮固定在输入轴上，两个行星锥齿轮固定在行星轴的两端；两个行星锥齿轮的一侧均与输入锥齿轮啮合，另一侧均与输出锥齿轮啮合。每个差速器的输入轴伸出差速器壳体外，并通过离合器与一根从动锥齿轮安装轴连接，每根万向轮安装轴伸入对应差速器的差速器壳体内，并与输出锥齿轮固定。
所述的万向轮包括两个轮体、滚子和支架；每个轮体沿圆周均布设置有多个滚子，每个滚子通过一根滚子安装轴与固定在轮体上的支架轴承连接。所述的两个轮体固定连接，且一个轮体上的滚子与另一个轮体上的滚子沿圆周方向依次交替排布。
本发明的有益效果：
1、本发明可以通过驱动系统实现在水平面内任意方向的平移运动、垂直于水平面的旋转运动和水平面内绕某点的圆周运动；
2、本发明中万向轮的设计保证了车轮与地面的连续接触，有效减少本发明的车体振动，增加轮地的附着系数，增强其越障性能；
3、本发明中驱动系统的传动机构采用蜗轮蜗杆、直齿轮副和锥齿轮副，结构简单、安装方便、定位准确、精度高、动作快，具有较好的灵活性和适应性，工作效率高。
4、本发明采用三个动力源（电机），分别对三个自由度进行控制操作，操作简便，驱动效率高，车体空间利用率高；
5、本发明应用广泛，除可在军事、工业、农业、医疗、服务、空间探测等行业中使用外，还可在航天、海洋探测、危险或条件恶劣的特殊环境中用作移动探测载体，还可作为教育领域的实验平台。
附图说明
图1为本发明的整体结构立体图；
图2为本发明去除上车体后的结构立体图；
图3为本发明的机构运动简图；
图4为图3的正视图；
图5为本发明中差速器的结构示意图；
图6为本发明中万向轮的结构立体图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步说明。
如图1和2所示，一种万向移动机器人包括上车体1、下车体2、驱动系统和万向轮3。上车体1和下车体2均为箱体，上车体1设置在下车体2上，且两者可拆卸连接。驱动系统整体设置在上车体1和下车体2内部，万向轮3设置在上车体1和下车体2外部，驱动系统驱动万向轮3旋转。
如图2、3和4所示，驱动系统包括蜗轮4、蜗轮安装轴5、主动直齿轮6、从动直齿轮7、万向轮安装轴8、主动锥齿轮9、从动锥齿轮10、从动锥齿轮安装轴11、差速器12、主驱动电机13、蜗杆14、差速器驱动电机15和主动锥齿轮安装轴16；两个主驱动电机13的输出轴均与一根蜗杆14固定连接，每根蜗杆14与一个蜗轮4啮合，每个蜗轮4固定在一根蜗轮安装轴5中部；两根蜗轮安装轴5水平垂直设置，每根蜗轮安装轴5的两端均固定有一个主动直齿轮6，每个主动直齿轮6与一个从动直齿轮7啮合，每个从动直齿轮7活套在一根万向轮安装轴8上；相邻两根万向轮安装轴8垂直设置，每根万向轮安装轴8的一端与一个万向轮3的中心固定连接。差速器驱动电机15的输出轴与主动锥齿轮安装轴16固定连接，主动锥齿轮9固定在主动锥齿轮安装轴16上，并同时与沿圆周均布的四个从动锥齿轮10啮合，每个从动锥齿轮10固定在一根从动锥齿轮安装轴11的一端，每根从动锥齿轮安装轴11的另一端与对应的万向轮安装轴8的另一端均通过一个差速器12连接，每个差速器的差速器壳体12-1与对应的从动直齿轮7固定。蜗杆14、蜗轮安装轴5、万向轮安装轴8、主动锥齿轮安装轴16和从动锥齿轮安装轴11均与下车体2轴承连接。
如图2、3和5所示，差速器12包括差速器壳体12-1、输入轴12-2、行星轴12-3、输入锥齿轮12-4、行星锥齿轮12-5和输出锥齿轮12-6；输入轴12-2和行星轴12-3均与差速器壳体12-1轴承连接；输入锥齿轮12-4固定在输入轴12-2上，两个行星锥齿轮12-5固定在行星轴12-3的两端；两个行星锥齿轮12-5的一侧均与输入锥齿轮12-4啮合，另一侧均与输出锥齿轮12-6啮合。每个差速器12的输入轴12-2伸出差速器壳体12-1外，并通过离合器与一根从动锥齿轮安装轴11连接，每根万向轮安装轴8伸入对应差速器12的差速器壳体12-1内，并与输出锥齿轮12-4固定。
如图6所示，万向轮3包括两个轮体3-1、滚子3-2和支架3-3；每个轮体3-1沿圆周均布设置有四个滚子3-2，每个滚子3-2通过一根滚子安装轴3-4与固定在轮体上的支架3-3轴承连接。两个轮体3-1固定连接，且一个轮体3-1上的滚子3-2与另一个轮体3-1上的滚子3-2沿圆周方向依次交替排布。
该万向移动机器人实现各个运动的原理如下：
在水平面内任意方向的平移运动：差速器驱动电机15不开启，两个主驱动电机13配合使用，分别将动力传递给对应的蜗杆14，蜗轮4与蜗杆14啮合将动力传递至蜗轮安装轴5，蜗轮安装轴5带动其两端的主动直齿轮6旋转，主动直齿轮6和从动直齿轮7啮合并经差速器12将动力传至万向轮3，两对万向轮3由于不同的转速可以合成任意方向、大小的速度，进而该万向移动机器人实现沿任意设定好的方向做平移动作。此时所有的离合器处于分离状态。
垂直于水平面的旋转运动：两个主驱动电机13均不开启，差速器驱动电机15开启，动力传递至主动锥齿轮安装轴16，主动锥齿轮安装轴16带动主动锥齿轮9旋转，主动锥齿轮9同时与四个从动锥齿轮10啮合，进而将动力传至四根从动锥齿轮安装轴11，动力经离合器和差速器12传递给万向轮3，四个万向轮3的同向转动转换为该万向移动机器人垂直于水平面的旋转运动。此时所有的离合器处于联动状态。
水平面内绕某点的圆周运动：两个主驱动电机13及差速器驱动电机15配合使用，机器人在水平面内平移时，差速器驱动电机15通过控制四个离合器的离合状态对动力进行重新分配；一对万向轮3所受到的载荷不同时，这两个万向轮3之间存在速度差，进而该万向移动机器人做绕某点的圆周运动。
该万向移动机器人的每个轮体3-1的滚子3-2沿圆周均布，且两个轮体3-1上的滚子3-2沿圆周方向依次交替排布，使得万向轮3与地面接触的任何一点在绕万向轮安装轴8旋转时到万向轮安装轴8的距离不变。
该万向移动机器人具有操作简单、体积小、结构紧凑的特点，可以通过驱动系统实现在水平面内任意方向的平移运动、垂直于水平面的旋转运动和水平面内绕某点的圆周运动，以满足其在狭窄、拥挤的场合能灵活地自由运动的需要，且有能力跟踪近距离任意的运动轨迹，具有独立作业能力。
Claims (3)
1.一种万向移动机器人，包括上车体、下车体、驱动系统和万向轮，其特征在于：
所述的上车体和下车体均为箱体，上车体设置在下车体上，且两者可拆卸连接；驱动系统整体设置在上车体和下车体内部，万向轮设置在上车体和下车体外部，驱动系统驱动万向轮旋转；
所述的驱动系统包括蜗轮、蜗轮安装轴、主动直齿轮、从动直齿轮、万向轮安装轴、主动锥齿轮、从动锥齿轮、从动锥齿轮安装轴、差速器、主驱动电机、蜗杆、差速器驱动电机和主动锥齿轮安装轴；两个主驱动电机的输出轴均与一根蜗杆固定连接，每根蜗杆与一个蜗轮啮合，每个蜗轮固定在一根蜗轮安装轴中部；两根蜗轮安装轴水平垂直设置，每根蜗轮安装轴的两端均固定有一个主动直齿轮，每个主动直齿轮与一个从动直齿轮啮合，每个从动直齿轮活套在一根万向轮安装轴上；相邻两根万向轮安装轴垂直设置，每根万向轮安装轴的一端与一个万向轮的中心固定连接；所述差速器驱动电机的输出轴与主动锥齿轮安装轴固定连接，主动锥齿轮固定在主动锥齿轮安装轴上，并同时与沿圆周均布的四个从动锥齿轮啮合，每个从动锥齿轮固定在一根从动锥齿轮安装轴的一端，每根从动锥齿轮安装轴的另一端与对应的万向轮安装轴的另一端均通过一个差速器连接，每个差速器的差速器壳体与对应的从动直齿轮固定；所述的蜗杆、蜗轮安装轴、万向轮安装轴、主动锥齿轮安装轴和从动锥齿轮安装轴均与下车体轴承连接。
2.根据权利要求1所述的一种万向移动机器人，其特征在于：所述的差速器包括差速器壳体、输入轴、行星轴、输入锥齿轮、行星锥齿轮和输出锥齿轮；所述的输入轴和行星轴均与差速器壳体轴承连接；所述的输入锥齿轮固定在输入轴上，两个行星锥齿轮固定在行星轴的两端；两个行星锥齿轮的一侧均与输入锥齿轮啮合，另一侧均与输出锥齿轮啮合；每个差速器的输入轴伸出差速器壳体外，并通过离合器与一根从动锥齿轮安装轴连接，每根万向轮安装轴伸入对应差速器的差速器壳体内，并与输出锥齿轮固定。
3.根据权利要求1所述的一种万向移动机器人，其特征在于：所述的万向轮包括两个轮体、滚子和支架；每个轮体沿圆周均布设置有多个滚子，每个滚子通过一根滚子安装轴与固定在轮体上的支架轴承连接；所述的两个轮体固定连接，且一个轮体上的滚子与另一个轮体上的滚子沿圆周方向依次交替排布。
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