CN104477262A

CN104477262A - 一种履-臂混合式可重构机器人

Info

Publication number: CN104477262A
Application number: CN201410705072.6A
Authority: CN
Inventors: 王黎喆; 胡明; 田芳菲; 钱萍; 秦玉冬
Original assignee: Zhejiang University of Technology ZJUT
Current assignee: Zhejiang University of Technology ZJUT
Priority date: 2014-11-27
Filing date: 2014-11-27
Publication date: 2015-04-01
Anticipated expiration: 2034-11-27
Also published as: CN104477262B

Abstract

本发明公开了一种履-臂混合式可重构机器人。可重构机器人占用空间小，作业时可选择有利的工作构态，在星球探测、军事空投等领域具有独特优势。本发明包括履带行星轮式组件、车体组件、机械臂组件和机械手组件；车体组件驱动履带行星轮式组件和机械臂组件，机械臂组件驱动机械手组件；机械手组件包括控制电机、爪盘、螺纹轴和手爪组件；车体组件包括驱动电机、前板、固定轴、臂座和肩关节舵机；机械臂组件包括大臂、臂关节舵机、中臂、肘关节舵机、小臂、腕关节舵机、辅助轮轴和辅助轮。本发明在未知恶劣地形环境中，可通过双螺旋防脱落机械手组件稳定可靠连接，实现多机器人协同操作，增强了机器人系统的作业能力。

Description

一种履-臂混合式可重构机器人

技术领域

本发明属于机器人技术领域，涉及可重构机器人，具体涉及一种履-臂混合式可重构机器人。

背景技术

随着移动机器人在战场、医疗、服务等领域的广泛应用和星球探测时代的来临，对未知环境中自主移动机器人的需求日益增长。履带式机器人因具有良好的地形适应能力，已开发的单节双履带式、双节四履带式、多节多履带式、多节轮履复合式以及可重构式等，已成为移动机器人领域研究的热点。可重构机器人由于在运输过程中，占用空间小，作业时可根据不同周围环境，选择有利的工作构态，在某些特定领域如星球探测、军事空投等具有独特优势。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种履-臂混合式可重构机器人，该机器人在运输过程中，占用空间小，作业时可以根据不同环境，选择有利的工作构态；且遇到障碍时，履带行星轮式结构可助其越障。同时，在未知地形环境中，该机器人可以通过双螺旋防脱落机械手组件的稳定可靠连接，实现多机器人系统的重构与协同工作，增加机器人系统的作业能力。

本发明采用的技术方案如下：

本发明包括履带行星轮式组件、车体组件、机械臂组件和机械手组件。所述的履带行星轮式组件和机械臂组件设置在车体组件的两侧；所述的机械臂组件与车体组件连接构成转动副。

所述的履带行星轮式组件包括行星架、中心轴、中心齿轮、支撑轴、过渡齿轮、主动轮轴、主动齿轮、驱动轮和履带。所述的行星架通过轴承支承在中心轴上，中心齿轮固接于中心轴上；所述的车体组件驱动中心轴；三根支撑轴沿圆周均布，且均通过轴承支承在行星架上，每根支撑轴与一个过渡齿轮固接；三个过渡齿轮均与中心齿轮构成齿轮副；三根主动轮轴沿圆周均布，且均通过轴承支承在行星架上；每根主动轮轴的中部固接有一个主动齿轮，两端分别固接有一个驱动轮；每个主动齿轮与对应的一个过渡齿轮构成齿轮副；所述的履带套置在六个驱动轮上。

所述的机械手组件包括控制电机、爪盘、第一锥齿轮、第二锥齿轮、螺纹轴和手爪组件。所述的机械臂组件驱动爪盘；所述控制电机的底座固接在爪盘上，第一锥齿轮固接于控制电机的输出轴上；两根螺纹轴相对设置，且均通过轴承支承在爪盘上；两根螺纹轴均固接有第二锥齿轮，两个第二锥齿轮均与第一锥齿轮构成齿轮副；两个手爪组件对中设置，所述的手爪组件包括手爪、滑动轴、压簧、限位销和缓冲垫片；两个手爪组件的手爪底部分别与对应的一个螺纹轴构成螺纹副，且两个手爪组件的手爪均与爪盘的滑道通过滑动副连接；所述手爪的多个滑槽分别与一根滑动轴的一端通过滑动副连接，所有滑动轴的另一端均与缓冲垫片固接；每根滑动轴的限位槽内嵌有一根限位销，所有限位销均固接在手爪上；套置在滑动轴上的压簧两端分别压紧缓冲垫片和手爪；两个手爪组件的缓冲垫片相对设置。

所述的车体组件包括驱动电机、前板、固定轴、臂座和肩关节舵机。所述的臂座通过四根固定轴与前板固定，驱动电机的底座固接于前板上，驱动电机的输出轴与履带行星轮式组件的中心轴固接；两个肩关节舵机的底座均固定在臂座上；两个肩关节舵机驱动机械臂组件。

所述的机械臂组件包括大臂、臂关节舵机、中臂、肘关节舵机、小臂、腕关节舵机、辅助轮轴和辅助轮。所述臂关节舵机和肘关节舵机的底座分别固接于中臂的一端，臂关节舵机的输出轴与大臂固接；肘关节舵机的输出轴与小臂固接；所述腕关节舵机的底座固接于小臂上，腕关节舵机驱动机械手组件；所述的辅助轮轴固接于小臂的伸出杆上，辅助轮与辅助轮轴铰接；所述的车体组件驱动大臂两侧的两块驱动板。

本发明的有益效果：

1、本发明的履带行星轮式组件结合了履带和外行星轮系的优点，可较好地适应非结构化地形环境；

2、本发明的机械手采用双螺旋防脱落结构，在机器人单体作业时，可有效可靠地抓取物体，在多机器人协同作业时，可稳定可靠地连接，并利用自锁螺纹实现了冗余锁定；

3、本发明采用模块化设计方法，单体机器人可独立行驶、越障和作业；

4、本发明在未知恶劣地形环境中，可通过双螺旋防脱落机械手组件稳定可靠连接，实现多机器人协同操作，较大地增强了机器人系统的作业能力。

附图说明

图1为本发明的整体结构立体图；

图2为本发明中履带行星轮式组件的结构立体图；

图3为本发明中履带行星轮式组件的传动原理图；

图4为本发明中车体组件的结构立体图；

图5为本发明中机械臂组件的结构立体图；

图6为本发明中机械手组件的结构立体图；

图7为本发明中机械手组件的传动原理图；

图8为本发明中手爪组件的各个零件立体图；

图9为本发明在平坦地形的行驶状态示意图；

图10为本发明的爬坡状态示意图；

图11为本发明的越障状态示意图；

图12为本发明的工作状态立体图；

图13为本发明实现双体重构机器人的结构立体图；

图14为本发明实现四体重构机器人的结构立体图。

图中：1、履带行星轮式组件，2、车体组件，3、机械臂组件，4、机械手组件； 1-1、行星架，1-2、中心轴，1-3、中心齿轮，1-4、支撑轴，1-5、过渡齿轮，1-6、主动轮轴，1-7、主动齿轮，1-8、驱动轮，1-9、履带，1-10、第一轴承，1-11、第二轴承，1-12、第三轴承；2-1、驱动电机，2-2、前板，2-3、固定轴，2-4、臂座，2-5、肩关节舵机；3-1、大臂，3-2、臂关节舵机，3-3、中臂，3-4、肘关节舵机，3-5、小臂，3-6、腕关节舵机，3-7、辅助轮轴，3-8、辅助轮；4-1、控制电机，4-2、爪盘，4-3、第一锥齿轮，4-4、第二锥齿轮，4-5、螺纹轴，4-6、手爪，4-7、滑动轴，4-8、压簧，4-9、第四轴承，4-10、限位销，4-11、缓冲垫片。

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所示，一种履-臂混合式可重构机器人，包括履带行星轮式组件1、车体组件2、机械臂组件3和机械手组件4。履带行星轮式组件1和机械臂组件3设置在车体组件2的两侧，且均与车体组件2连接构成转动副；机械手组件4与机械臂组件3连接构成转动副。

如图2和3所示，履带行星轮式组件1包括行星架1-1、中心轴1-2、中心齿轮1-3、支撑轴1-4、过渡齿轮1-5、主动轮轴1-6、主动齿轮1-7、驱动轮1-8和履带1-9。行星架1-1通过第一轴承1-10支承在中心轴1-2上，中心齿轮1-3固接于中心轴1-2上；三根支撑轴1-4沿圆周均布，且分别通过第二轴承1-11支承在行星架1-1上，每根支撑轴1-4与一个过渡齿轮1-5固接；三个过渡齿轮1-5均与中心齿轮1-3构成齿轮副；三根主动轮轴1-6沿圆周均布，且分别通过第三轴承1-12支承在行星架1-1上；每根主动轮轴1-6的中部固接有一个主动齿轮1-7，两端分别固接有一个驱动轮1-8；每个主动齿轮1-7与对应的一个过渡齿轮1-5构成齿轮副；履带1-9套置在六个驱动轮1-8上。

如图4所示，车体组件2包括驱动电机2-1、前板2-2、固定轴2-3、臂座2-4和肩关节舵机2-5。臂座2-4通过四根固定轴2-3与前板2-2固定，驱动电机2-1的底座固接于前板2-2上，驱动电机2-1的输出轴与履带行星轮式组件的中心轴1-2固接；两个肩关节舵机2-5的底座均固定在臂座2-4上。

如图5所示，机械臂组件3包括大臂3-1、臂关节舵机3-2、中臂3-3、肘关节舵机3-4、小臂3-5、腕关节舵机3-6、辅助轮轴3-7和辅助轮3-8。臂关节舵机3-2和肘关节舵机3-4的底座分别固接于中臂3-3的一端，臂关节舵机3-2的输出轴与大臂3-1固接；肘关节舵机3-4的输出轴与小臂3-5固接；腕关节舵机3-6的底座固接于小臂3-5上；辅助轮轴3-7固接于小臂3-5的伸出杆上，辅助轮3-8与辅助轮轴3-7铰接；大臂3-1两侧的两块驱动板分别与车体组件的一个肩关节舵机2-5的输出轴固接。

如图6、7和8所示，机械手组件4包括控制电机4-1、爪盘4-2、第一锥齿轮4-3、第二锥齿轮4-4、螺纹轴4-5、第四轴承4-9和手爪组件。爪盘4-2与腕关节舵机3-6的输出轴固接；控制电机4-1的底座固接在爪盘4-2上，第一锥齿轮4-3固接于控制电机4-1的输出轴上；两根螺纹轴4-5相对设置，且分别通过第四轴承4-9支承在爪盘4-2上；两根螺纹轴4-5均固接有第二锥齿轮4-4，两个第二锥齿轮4-4均与第一锥齿轮4-3构成齿轮副；两个手爪组件对中设置，手爪组件包括手爪4-6、滑动轴4-7、压簧4-8、限位销4-10和缓冲垫片4-11；两个手爪组件的手爪4-6底部分别与对应的一个螺纹轴4-5构成螺纹副，且两个手爪组件的手爪4-6均与爪盘4-2的滑道通过滑动副连接；手爪4-6的四个滑槽分别与一根滑动轴4-7的一端通过滑动副连接，四根滑动轴4-7的另一端均与缓冲垫片4-11固接，固接在手爪4-6上的四根限位销4-10头部分别嵌入对应一根滑动轴4-7的限位槽内；套置在滑动轴4-7上的压簧4-8两端分别压紧缓冲垫片4-11和手爪4-6；两个手爪组件的缓冲垫片4-11相对设置。

该履-臂混合式可重构机器人的工作原理是：

该履-臂混合式可重构机器人具有两种工作模式：单体作业模式和多体作业模式。

单体作业模式：如图9和10所示，在平坦地形或斜坡地形时，履带行星轮式组件的履带1-9与地面的摩擦力驱动该履-臂混合式可重构机器人正常行驶，辅助轮3-8用于支撑机械臂组件3和机械手组件4；如图11所示，该履-臂混合式可重构机器人可以通过履带行星轮式组件1适应环境，在遇到障碍时，履带1-9转速减缓，驱动轮1-8驱动整个履带行星轮式组件1绕中心轴1-2转动，克服障碍。如图12所示，行驶至指定工作地点后，该履-臂混合式可重构机器人通过机械臂组件3转换成工作状态，并通过机械手组件4完成相关任务。

多体作业模式：当遇到未知环境时，多个履-臂混合式可重构机器人可通过机械手组件4的稳定可靠连接，可实现如图13所示的双体作业模式，也可实现如图14所示的多个机器人的协同工作，增加机器人系统的作业能力。

Claims

1. 一种履-臂混合式可重构机器人，包括履带行星轮式组件、车体组件、机械臂组件和机械手组件，其特征在于：所述的履带行星轮式组件和机械臂组件设置在车体组件的两侧；所述的机械臂组件与车体组件连接构成转动副；

所述的履带行星轮式组件包括行星架、中心轴、中心齿轮、支撑轴、过渡齿轮、主动轮轴、主动齿轮、驱动轮和履带；所述的行星架通过轴承支承在中心轴上，中心齿轮固接于中心轴上；所述的车体组件驱动中心轴；三根支撑轴沿圆周均布，且均通过轴承支承在行星架上，每根支撑轴与一个过渡齿轮固接；三个过渡齿轮均与中心齿轮构成齿轮副；三根主动轮轴沿圆周均布，且均通过轴承支承在行星架上；每根主动轮轴的中部固接有一个主动齿轮，两端分别固接有一个驱动轮；每个主动齿轮与对应的一个过渡齿轮构成齿轮副；所述的履带套置在六个驱动轮上；

所述的机械手组件包括控制电机、爪盘、第一锥齿轮、第二锥齿轮、螺纹轴和手爪组件；所述的机械臂组件驱动爪盘；所述控制电机的底座固接在爪盘上，第一锥齿轮固接于控制电机的输出轴上；两根螺纹轴相对设置，且均通过轴承支承在爪盘上；两根螺纹轴均固接有第二锥齿轮，两个第二锥齿轮均与第一锥齿轮构成齿轮副；两个手爪组件对中设置，所述的手爪组件包括手爪、滑动轴、压簧、限位销和缓冲垫片；两个手爪组件的手爪底部分别与对应的一个螺纹轴构成螺纹副，且两个手爪组件的手爪均与爪盘的滑道通过滑动副连接；所述手爪的多个滑槽分别与一根滑动轴的一端通过滑动副连接，所有滑动轴的另一端均与缓冲垫片固接；每根滑动轴的限位槽内嵌有一根限位销，所有限位销均固接在手爪上；套置在滑动轴上的压簧两端分别压紧缓冲垫片和手爪；两个手爪组件的缓冲垫片相对设置。

2.根据权利要求1所述的一种履-臂混合式可重构机器人，其特征在于：所述的车体组件包括驱动电机、前板、固定轴、臂座和肩关节舵机；所述的臂座通过四根固定轴与前板固定，驱动电机的底座固接于前板上，驱动电机的输出轴与履带行星轮式组件的中心轴固接；两个肩关节舵机的底座均固定在臂座上；两个肩关节舵机驱动机械臂组件。

3.根据权利要求1所述的一种履-臂混合式可重构机器人，其特征在于：所述的机械臂组件包括大臂、臂关节舵机、中臂、肘关节舵机、小臂、腕关节舵机、辅助轮轴和辅助轮；所述臂关节舵机和肘关节舵机的底座分别固接于中臂的一端，臂关节舵机的输出轴与大臂固接；肘关节舵机的输出轴与小臂固接；所述腕关节舵机的底座固接于小臂上，腕关节舵机驱动机械手组件；所述的辅助轮轴固接于小臂的伸出杆上，辅助轮与辅助轮轴铰接；所述的车体组件驱动大臂两侧的两块驱动板。