CN104044658A - 一种新型轮腿复合式移动机器人行走机构 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种在林区、市区、建筑物内等复杂自然环境下具备较好环境适应性、越障能力的轮腿复合式移动机器人的行走机构,该机构由一个三腿轮盘和三个小轮组成,小轮布置在轮盘腿的末端;采用单电机双模式多轮驱动的结构,通过离合器及内外轴实现双模式变换驱动,通过一个锥齿轮同时驱动三个齿轮轴的结构实现多轮同驱,整体结构紧凑,便于控制。该机构融合了轮式机构和腿式机构的优点,可以根据不同路面情况,变换运动形式,在平稳路面采用轮式运动实现远距离高速移动,在复杂路面采用腿式运动,可以跨越树枝、石块、阶梯、沟槽等各类障碍物。
Description
技术领域
本发明为具有高越障能力的移动机器人行走机构,属于机器人技术和自动化领域,该机构既能实现轮式机构的快速移动功能,又有腿式机构的高越障能力,同时具有结构紧凑、易于控制等特点。
背景技术
随着对移动机器人的深入研究,对机器人的越障能力及地面通过性提出了更高要求,以使其适应各种复杂路面情况。目前主要采用的运动方式有轮式、腿式、履带式以及复合式。轮式机构运动平稳、能在平坦路面高速运动,但其越障能力有限;腿式机构具有较强的越障能力,但其结构稳定性较差、且难于控制;履带式机构支撑面积大,接地比压小,在松软或泥泞地面附着性能和通过性能好,但功耗较大。复合式机构为近年移动机器人的研究热点,通过将不同移动方式复合,达到取长补短的目的,增强机器人的地面适应性和机动性。
以林区综合应用为背景,林区环境复杂多变,障碍物、复杂地形遍布,这就要求在林区中使用的机器人必须有很强的越障能力及机动性。
发明内容
本发明提出了一种在林区、市区、建筑物内等复杂自然环境下具备较好环境适应性、越障能力的轮腿复合式移动机器人的行走机构,该机构融合了轮式机构和腿式机构的优点,可以根据不同路面情况,变换运动形式,在平稳路面采用轮式运动实现远距离高速移动,在复杂路面采用腿式运动,可以跨越树枝、石块、阶梯、沟槽等各类障碍物。
本发明采用的设计方案是:整个行走机构分为4个对称分布的轮-腿复合轮组成,单个复合轮为一个运动单元,每个运动单元由一个三腿轮盘和三个小轮组成,小轮布置在轮盘腿的末端,由电机经过三级齿轮减速及增速来驱动,轮盘由电机经过一级齿轮减速并通过离合器闭合来驱动,通过小轮的转动来实现轮式快速移动,利用轮盘的转动来实现腿式跨越运动。每个运动单元,采用了小体积、轻重量、大输出扭矩的DC电机经减速器输出至主传动轴来驱动。该行走机构具有与一般轮式移动机器人的相同的高速直线运动、转向、爬坡等功能,又具有腿式机构的高越障性、适应性和机动性。
为满足单电机双模式驱动,设计中采用电磁离合器结合内外轴的结构形式,动力在主传动轴上通过离合器的离合分别驱动内外轴,离合器闭合时,动力传输到轮盘,驱动轮盘转动实现越障,离合器分离时动力经内轴通过二级锥齿轮传动驱动小轮旋转运动。为实现一个电机驱动三个小轮,设计中采用一个大齿轮同时啮合三个小齿轮的结构形式。
为实现越障时的高扭矩要求,驱动主传动轴时采用较大减速比降低转速以提高驱动力矩,增强其越障能力;小轮要求具有较高转速来实现快速移动,而本设计只采用单个电机,因此在主轴处于较低转速的情况下,采用较高速比的二级锥齿轮加速来实现小轮高速转动。由于小轮处于轮盘腿末端,轮盘转动进行越障时需要防止小轮转动的干扰,采用将驱动小轮的中转轴嵌入轮盘腿中,保证了轮盘转动时小轮的驱动齿轮保持相对静止状态,以约束小轮的转动。
本发明机构融合了移动机器人腿式机构和轮式机构的优点,具有快速移动、高越障性能、高机动性等特点,可以根据不同道路情况,采用不同运动形式,环境适应性强。而且,采用单电机通过电磁离合器结合内外轴结构实现双模式驱动,减少电机使用量,易于控制。
附图说明
图1是行走机构外形图
图2(a)是行走机构结构示意主视图;图2(b)为行走机构结构示意左视图
图3是行走机构传动原理图
图4是离合器内外轴传动结构图
图5是一驱三齿轮传动结构图
以下是说明书附图中各项内容的具体说明:
1.小轮 2.三腿轮盘 3.离合器内外轴驱动机构 4.换向齿轮箱5.电机 6.减速器 7.一级锥齿轮 8.主驱动轴 9.齿轮轴 10.一级圆柱小齿轮 11.一级圆柱大齿轮 12.二级大锥齿轮 13.二级小锥齿轮14.机架 15.键 16.轮盘盖
具体实施方式
整个行走机构分为4个对称分布的轮-腿复合轮组成,每个复合轮由小轮1、三腿轮盘2、离合器内外轴驱动机构3组成。三腿轮盘末端装有换向齿轮箱4,小轮与齿轮箱输出轴相连,可以绕其转动;三个小轮呈120°均匀分布在轮盘上,运动时其中两个与地面接触。机构驱动由电机5经减速器6传动至驱动轴8,再经锥齿轮7及齿轮轴9传输至齿轮箱。
行走机构运动由电机、减速器、离合器、齿轮组成,本设计采用单个电机双模式多轮驱动方式,可以减少电机使用量,使结构紧凑,并且降低控制难度。电机5通过集成减速器6,经一级圆柱齿轮10和11减速传入主驱动轴(内轴)8,驱动轴上装有离合器(外轴)3,离合器断开时,驱动动力经内轴通过锥齿轮7换向加速传动至中转齿轮轴9,再经由锥齿轮12和13再次换向加速传输至小轮,驱动其旋转;离合器闭合时动力传输至三腿轮盘2,轮盘与换向齿轮箱4连接,带动整个机构旋转。
本设计采用离合器内外轴双模式驱动,其中离合器采用电磁式离合器方便控制,离合器3的左半部分通过键与主驱动轴(内轴)8连接,跟随轴一起转动,离合器3采用螺钉17与机架14连接起到离合器轴向固定作用,右半部分(外轴)通过键15以及紧定螺钉与轮盘盖16连接,轮盘盖则通过螺栓与轮盘2相连,齿轮轴9安装在轮盘内部,可跟随轮盘一起转动。动力经齿轮11传入主驱动轴后,通过离合器的离合来分离控制,离合器分开时,动力经内轴通过锥齿轮7输入齿轮轴9,从而带动小车轮转动;离合器闭合时,动力传输到离合器右半部分(外轴),通过键连接及螺栓链接驱动轮盘转动,由于小轮处于轮盘腿末端,轮盘转动进行越障时需要防止小轮转动的干扰,采用将驱动小轮的中转齿轮轴9嵌入轮盘腿中,跟随轮盘一起转动,从而使锥齿轮7与齿轮轴9处于相对静止状态,以约束小轮的转动。为实现多轮驱动,采用一个锥齿轮7,同时驱动三个齿轮轴9的结构形式。
Claims (6)
1.一种轮腿复合式行走机构,其特征在于:该行走机构在机器人上对称布置,由四个相同的轮腿复合轮组成,每个复合轮为一个运动单元;每个运动单元包括一个三腿轮盘和三个小车轮;每个运动单元采用单个电机驱动,通过内外轴及离合器分别控制小轮转动行驶和轮盘旋转越障,在越障性能方面表现突出。
2.如权利要求1所述的机器人其特征在于:具有轮式快速运动、腿式越障运动两种运动模式;利用小车轮旋转可以实现机器人长距离快速高效的运动要求;利用轮盘腿的旋转,产生腿式的跨越越障运动,可以实现跨越树枝、石块、楼梯、沟槽等各类障碍物。
3.如权利要求1所述的机器人采用了一种通过离合器实现的内外轴传动机构,其特征在于:采用单个电机驱动实现两个运动;离合器闭合时,动力传输到轮盘,驱动轮盘转动实现越障,离合器分离时动力经内轴通过二级锥齿轮传动驱动小轮旋转运动。
4.如权利要求1、3所述的机器人结构,其特征在于:采用一驱多的齿轮传动结构形式,可以实现单电机多轮驱动。
5.如权利要求1、3所述的机器人结构,其特征在于:采用先减速后加速的传动比设置,既能满足越障时的高扭矩要求,又能满足小轮移动的高速度要求。
6.如权利要求1、3所述的机器人结构,其特征在于:由于小轮处于轮盘腿末端,轮盘转动进行越障时需要防止小轮转动的干扰,采用将驱动小轮的中转轴嵌入轮盘腿中,保证了轮盘转动时小轮的驱动齿轮保持相对静止状态,以约束小轮的转动。
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