CN103863433B - 一种移动机器人的自动切换式轮爪结构 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种移动机器人的自动切换式轮爪结构，其特征在于：包括主轮，外轮，丝杠，主驱动电机，辅助电机，爪，螺纹管机构；所述主轮位于移动机器人的内侧，外轮位于移动机器人的外侧，两者同轴且固定连接；所述丝杠与螺纹管机构同轴螺纹配合，且位于所述主轮及外轮的轴心处；多个爪分别与外轮的内侧端铰接，爪身与各自支撑杆一端铰接，支撑杆另一端与螺纹管机构铰接；辅助电机的输出端与丝杠连接，驱动丝杠转动，丝杠带动螺纹管机构水平移动，螺纹管机构带动支撑杆摆动，支撑杆带动爪收起/撑开；所述主驱动电机是主轮转动的驱动电机。

Description

一种移动机器人的自动切换式轮爪结构
技术领域
本发明涉及一种移动机器人，具体来说是一种移动机器人的自动切换式轮爪结构，属于机器人技术领域。
背景技术
随着机器人技术的飞速发展,许多国家在机器人领域投入的研究越来越多，并且也取得了很多成果。其中移动机器人的研究是必不可少的环节，已经成为研究的热点。
当前，移动机器人移动方式主要有四种：轮式结构、履带式结构、腿式结构以及复合式结构。
1、轮式结构的特点是运动稳定，速度快，转向灵活等。但其爬坡、爬台阶、越障能力不强。
2、履带式结构的特点是爬坡，越障能力强，负载能力强。但其运行速度缓慢，机动性能差，能源利用率低。
3、腿式结构特点是适应各种路况，属于全地形结构。但其运动缓慢，负载能力差，控制较难。
4、针对以上单独的结构优缺点，人们发明出了一些复合结构，比较典型的有轮爪复合结构，轮履复合结构，轮腿复合结构，轮履腿复合结构等。复合结构特点是积诸多优点于一身，但其结构复杂，控制难度大。
现有技术中的移动机器人的轮爪结构：
例如公开日为2007年9月5日，公开号为CN101028871A，名称为“新型轮爪式行星探测机器人车轮”的专利文献，实际公开了一种轮爪结构，该轮爪机构的爪片铰接在轮子上，并通过弹簧使爪片绕铰接点转动，爪片和轮子相继着地，使爪片辅助轮子运动，从而达到提高轮体抓地能力，并翻越障碍的效果。这种轮爪结构的爪片刚性较低，翻越障碍的高度较低，而且不适应在平坦底面行走，应用范围较小；爪相对较短不适合在地球复杂地面行走，且越障性能不好；用弹簧张紧导致承载能力不强。主车轮中间部分有空隙，如有块状物卡在车轮里将导致车轮整体无法移动；轮爪不能自动切换，给移动带来不便。
再例如公布日为2012年4月25日，公布号为CN102424076A，名称为“轮爪复合式机器人的行走机构”的专利文献，也公开了一种轮爪结构，其结构相对简单，但其采用两块体型较大的爪叶作为行走构件，虽然能够在田地里行走，但是行动缓慢，无法在路况较好的平地上行走，转弯性能不佳，负载能力不强，而且轮体和爪叶之间有间隙，容易被外物卡住。
发明内容
本发明需要解决的技术问题是：现有的轮爪式移动机器人的轮爪，爪相对较短不适合在地球复杂地面行走，且越障性能不好；承载能力不强；容易被块状物卡在车轮里将导致车轮整体无法移动；轮爪不能自动切换，转弯性能不佳，给移动带来不便。
本发明采取以下技术方案：
一种移动机器人的自动切换式轮爪结构，包括主轮1，外轮23，丝杠16，主驱动电机2，辅助电机3，爪6，螺纹管机构；所述主轮1位于移动机器人的内侧，外轮23位于移动机器人的外侧，两者同轴且固定连接；所述丝杠16与螺纹管机构同轴螺纹配合，且位于所述主轮1及外轮23的轴心处；多个爪6分别与外轮23的内侧端铰接，爪身与各自支撑杆7一端铰接，支撑杆7另一端与螺纹管机构铰接；辅助电机3的输出端与丝杠16连接，驱动丝杠16转动，丝杠16带动螺纹管机构水平移动，螺纹管机构带动支撑杆7摆动，支撑杆7带动爪收起/撑开；所述主驱动电机2是主轮1转动的驱动电机。
本技术方案的特点是：采用了主驱动电机和辅助电机两个动力源，而且通过合理的传动连接，使爪自动撑开和收起，主轮位于机器人内侧，外轮位于机器人外侧，爪与外轮的铰接处位于外轮靠近主轮的部位，外轮的撑开过程不受主轮处地面状况的干扰，而且撑开后的爪与主轮之间的间隙很小，不会因外物卡入导致机器人移动的卡滞。爪通过丝杠传动实现轮爪的相互切换，当在平地上时用轮结构，这样就保证了移动体有较快的速度，转弯也比较灵活，当在复杂地面（如草地，砂石地等）运动时将爪展开移动，由于结构的原因，爪的长度可以设置成很长，数量也可以设置成很多，能够适应复杂状况的地面，能够实现较大距离的越障和跨沟。爪用材料比较粗，且爪较多，也能够承载大的负载。从结构来看控制也比较简单。
进一步的，所述外轮23上具有与爪6对应的爪槽，所述爪6收起后位于所述爪槽内。
更进一步的，所述外轮23的外径略小于主轮1的外径。
再进一步的，所述爪6呈长条形，其头部与地面接触的部位呈球形。
再进一步的，所述爪6与外轮23的铰接处紧贴外轮23靠近主轮1的边缘处。
再进一步的，所述爪6的长度略小于外轮23的宽度。
再进一步的，所述螺纹管机构包括丝杠螺母12，所述丝杠螺母12与法兰盘固定连接，所述法兰盘与支撑杆7铰接。
再进一步的，所述主驱动电机2设于主轮1的内侧轴心处。
再进一步的，所述辅助电机设于主轮1的内部空间内。
本发明的有益效果在于:
1）轮爪切换的稳定性较好。
2）机器人行走的稳定性高。
3）由于结构的原因，爪的长度可以设置成很长，数量也可以设置成很多，能够适应复杂状况的地面。
4）主轮设置在内侧，爪设置在外侧，且主轮与爪之间的间隙很小，不会被外物卡入导致机器人行走卡滞。
5）越障性能强，承载能力强。
6）轮爪实现自动切换。
7）转弯性能好。
附图说明
图1是自动切换式轮爪结构的立体示意图，其中爪和支撑杆只画了一个，作为示意。
图2是螺纹管机构的主视图。
图3是螺纹管机构的俯视图。
图4是图2中B-B向局部剖面图。
图5是外轮上靠近主轮的法兰盘，通过该法兰盘使爪与其上的圆柱销固定连接，从而实现爪与外轮的铰接。
图6是图5的俯视图。
图7是与图6对应的局部剖面图。
图8是自动切换式轮爪结构所有爪收起后的示意图。
图9是自动切换式轮爪结构所有爪展开后的示意图。
图10是自动切换式轮爪结构的总装图。
图中，1主轮，2.主驱动电机，3.辅助电机，4.联轴器，5.轴承，6.爪，7.支撑杆，8.大卡片a，9.大卡片b，10.圆柱销a，11.螺钉a，12.丝杠螺母，13.小卡片a，14.小卡片b，15.螺栓，16.丝杠，17.端盖，18.螺钉b，19圆柱销b，20.销钉，21.螺钉c，22.螺钉d，23.外轮。
具体实施方式
下面结合具体实施例和附图对本发明进一步说明。
参见图1-10，一种移动机器人的自动切换式轮爪结构，包括主轮1，外轮23，丝杠16，主驱动电机2，辅助电机3，爪6，螺纹管机构；所述主轮1位于移动机器人的内侧，外轮23位于移动机器人的外侧，两者同轴且固定连接；所述丝杠16与螺纹管机构同轴螺纹配合，且位于所述主轮1及外轮23的轴心处；多个爪6分别与外轮23的内侧端铰接，爪身与各自支撑杆7一端铰接，支撑杆7另一端与螺纹管机构铰接；辅助电机3的输出端与丝杠16连接，驱动丝杠16转动，丝杠16带动螺纹管机构水平移动，螺纹管机构带动支撑杆7摆动，支撑杆7带动爪收起/撑开；所述主驱动电机2是主轮1转动的驱动电机。
参见图8-9，所述外轮23上具有与爪6对应的爪槽，所述爪6收起后位于所述爪槽内。
参见图8，所述外轮23的外径略小于主轮1的外径,主轮1旋转时，外轮不会对其造成干扰。
参见图8-9，所述爪6呈长条形，其头部与地面接触的部位呈球形。
参见图8-9，所述爪6与外轮23的铰接处紧贴外轮23靠近主轮1的边缘处。
参见图8，所述爪6的长度略小于外轮23的宽度。
参见图10，所述螺纹管机构包括丝杠螺母12，所述丝杠螺母12与法兰盘固定连接，所述法兰盘与支撑杆7铰接。
参见图10，所述主驱动电机2设于主轮1的内侧轴心处。
参见图10，所述辅助电机设于主轮1的内部空间内。
本发明采用了主驱动电机和辅助电机两个动力源，而且通过合理的传动连接，使爪自动撑开和收起，主轮位于机器人内侧，外轮位于机器人外侧，爪与外轮的铰接处位于外轮靠近主轮的部位，外轮的撑开过程不受主轮处地面状况的干扰，而且撑开后的爪与主轮之间的间隙很小，不会因外物卡入导致机器人移动的卡滞。爪通过丝杠传动实现轮爪的相互切换，当在平地上时用轮结构，这样就保证了移动体有较快的速度，转弯也比较灵活，当在复杂地面（如草地，砂石地等）运动时将爪展开移动，爪采用比较长的设计，能够实现较大距离的越障和跨沟。爪用材料比较粗，且爪较多，也能够承载大的负载。从结构来看控制也比较简单。

Claims (5)

1.一种移动机器人的自动切换式轮爪结构，其特征在于：
包括主轮(1)，外轮(23)，丝杠(16)，主驱动电机(2)，辅助电机(3)，爪(6)，螺纹管机构；
所述主轮(1)位于移动机器人的内侧，外轮(23)位于移动机器人的外侧，两者同轴且固定连接；
所述丝杠(16)与螺纹管机构同轴螺纹配合，且位于所述主轮(1)及外轮(23)的轴心处；
多个爪(6)分别与外轮(23)的内侧端铰接，爪身与各自支撑杆(7)一端铰接，支撑杆(7)另一端与螺纹管机构铰接；
辅助电机(3)的输出端与丝杠(16)连接，驱动丝杠(16)转动，丝杠(16)带动螺纹管机构水平移动，螺纹管机构带动支撑杆(7)摆动，支撑杆(7)带动爪收起/撑开；
所述主驱动电机(2)是主轮(1)转动的驱动电机；
所述外轮(23)上具有与爪(6)对应的爪槽，所述爪(6)收起后位于所述爪槽内；
所述外轮(23)的外径略小于主轮(1)的外径；
所述爪(6)呈长条形，其头部与地面接触的部位呈球形；
所述爪(6)与外轮(23)的铰接处紧贴外轮(23)靠近主轮(1)的边缘处。
2.如权利要求1所述的自动切换式轮爪结构，其特征在于：所述爪(6)的长度略小于外轮(23)的宽度。
3.如权利要求1所述的自动切换式轮爪结构，其特征在于：所述螺纹管机构包括丝杠螺母(12)，所述丝杠螺母(12)与法兰盘固定连接，
所述法兰盘与支撑杆(7)铰接。
4.如权利要求1所述的自动切换式轮爪结构，其特征在于：所述主驱动电机(2)设于主轮(1)的内侧轴心处。
5.如权利要求4所述的自动切换式轮爪结构，其特征在于：所述辅助电机设于主轮(1)的内部空间内。
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