CN104709369A - 一种行星差动越障式履带机器人 - Google Patents

一种行星差动越障式履带机器人 Download PDF

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胡明
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陈文华
张阳
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Abstract

本发明公开了一种行星差动越障式履带机器人。将欠驱动、模块化与履带式移动机器人相结合，可使移动机器人在空间探测、灾难搜救、军事行动等领域获得更为广泛的应用。本发明包括驱动轮组件、车体组件、机械臂组件和末端执行器组件；车体组件两侧固接有四个驱动轮组件，机械臂组件与车体组件的顶部固接，机械臂组件驱动末端执行器组件。本发明将欠驱动技术运用到履带式移动机器人，增强其适应复杂地形环境的能力；驱动轮组件行驶和越障仅需要一个电机，且采用封闭的模块化设计，易于密封和更换。

Description

一种行星差动越障式履带机器人
技术领域
本发明属于机器人技术领域，涉及移动机器人，具体涉及一种行星差动越障式履带机器人。
背景技术
履带式机器人在爬坡、越障和跨壕沟等方面具有优越性，常被应用于军事、消防及核工业等领域。欠驱动机械系统可提高机械系统灵活性、降低成本和能源消耗等，已逐渐成为机器人领域研究的热点。若将欠驱动技术、模块化技术与履带式移动机器人相结合，使其具有自适应复杂地面环境、多运动模式、多运动姿态、控制便捷和低能耗的特点，可使移动机器人在空间探测、灾难搜救、军事行动等领域获得更为广泛的应用。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，提出一种行星差动越障式履带机器人，将欠驱动技术运用到履带式移动机器人，增强其适应复杂地形环境的能力；驱动轮组件行驶和越障仅需要一个电机，且采用封闭的模块化设计，易于密封和更换。
本发明采用的技术方案如下：
本发明包括驱动轮组件、车体组件、机械臂组件和末端执行器组件；所述的车体组件两侧固接有四个驱动轮组件，所述的机械臂组件与车体组件的顶部固接，机械臂组件驱动末端执行器组件。
所述的驱动轮组件包括驱动电机、锥齿轮对、轴承、主轴、主动轮、第一减速器、第二减速器、第一齿轮对、第二齿轮对、齿轮轴、第三齿轮对、编码器、电机箱、摆臂、从动轮和履带；所述的第一减速器包括太阳轮、行星轮、行星架和齿圈。所述的驱动电机安装于电机箱的电机支撑套中；主轴通过轴承支承在电机箱内，并与驱动电机的输出轴固接，通过锥齿轮对传输动力；所述的太阳轮与主轴固接，行星架铰接在主轴上，行星轮铰接在行星架上；所述的主动轮与行星架固接；所述的齿圈与行星轮构成齿轮副，并与第一齿轮对通过第二减速器传输动力；所述的第一齿轮对与齿轮轴通过第二齿轮对传递动力；摆臂的一端固接在齿轮轴上，且两侧臂之间通过连接杆连接；从动轮铰接在摆臂的另一端；所述的主动轮与从动轮通过履带连接；所述的齿轮轴给第三齿轮对传输动力，编码器检测第三齿轮对的转速。
所述的机械臂组件包括机械臂舵机、支架、推力球轴承，臂座 、肩关节舵机、大臂、臂关节舵机、中臂、肘关节舵机、小臂和腕关节舵机。所述的支架固接于车体组件顶部，机械臂舵机固接于支架，其输出轴与臂座固接；所述的臂座通过推力球轴承支承于支架，臂座与支架构成周转副；两个肩关节舵机均固接于臂座，大臂的两侧与两个肩关节舵机的输出轴固接；所述的臂关节舵机固接于中臂，臂关节舵机的输出轴与大臂的一侧固接，大臂的另一侧与中臂铰接；所述的肘关节舵机固接于中臂；小臂的一侧与肘关节舵机的输出轴固接，另一侧与中臂铰接；所述的腕关节舵机固接于小臂。
所述的末端执行器组件包括执行器舵机、爪盘、第一连杆、第二连杆和手爪。所述的爪盘固接于腕关节舵机的输出轴，爪盘与小臂构成周转副；所述的执行器舵机固接于爪盘，第一连杆的中部固接于执行器舵机的输出轴，两端分别与一根第二连杆的一端铰接；两只手爪对中设置，中部均与爪盘的滑道构成  移动副，尾部分别与一根第二连杆的另一端铰接。
所述的车体组件包括底板、上板、左板、右板、后板和前板；所述左板、右板、前板和后板的底部均固接于底板，顶部均与上板固接；所述机械臂组件的支架固接于车体组件的上板，四个驱动轮组件的电机箱均固接于底板上。
本发明的有益效果：
1、本发明的驱动轮组件采用行星差动式欠驱动传动，行驶、越障仅需一个动力源；
2、本发明的驱动轮组件采用模块化设计，易于密封和更换；
3、本发明的末端执行器组件采用曲柄滑块机构实现运动传递，执行器舵机靠近执行端的手爪，操作稳定性好。
4、本发明的四个驱动轮组件为独立驱动模块，增加了履带机器人系统的运动灵活性，通过驱动轮组件间的差速可实现机器人的零半径转向。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为本发明中驱动轮组件的传动原理图；
图3为本发明中驱动轮组件的结构示意图；
图4为本发明中车体组件的各个零件示意图；
图5为本发明中机械臂组件的结构示意图；
图6为本发明中机械臂组件各个零件间的运动副示意图；
图7为本发明中末端执行器组件的结构示意图；
图8为本发明的行驶状态示意图；
图9为本发明的作业状态示意图；
图10为本发明的越障状态示意图；
图11为本发明的越障恢复状态示意图。
图中：1、驱动轮组件，2、车体组件，3、机械臂组件，4、末端执行器组件， 1-1、驱动电机，1-2、锥齿轮对，1-3、轴承，1-4、主轴，1-5、主动轮，1-6、第一减速器，1-7、第二减速器，1-8、第一齿轮对，1-9、第二齿轮对，1-10、齿轮轴，1-11、第三齿轮对，1-12、编码器，1-13、电机箱，1-14、连接杆，1-15、摆臂，1-16、从动轮，1-17、太阳轮，1-18、行星轮，1-19、行星架，1-20、齿圈，1-21、履带，2-1、底板，2-2、上板，2-3、左板，2-4、右板，2-5、后板，2-6、前板，3-1、机械臂舵机，3-2、支架，3-3、推力球轴承，3-4、臂座,3-5、肩关节舵机，3-6、大臂，3-7、臂关节舵机，3-8、中臂，3-9、肘关节舵机，3-10、小臂，3-11、腕关节舵机，4-1、执行器舵机，4-2、爪盘，4-3、第一连杆，4-4、第二连杆，4-5、手爪。
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，一种行星差动越障式履带机器人，包括驱动轮组件1、车体组件2、机械臂组件3和末端执行器组件4；车体组件2两侧固接有四个驱动轮组件1，机械臂组件3与车体组件2的顶部固接，机械臂组件3驱动末端执行器组件4。
如图2和图3所示，驱动轮组件1包括驱动电机1-1、锥齿轮对1-2、轴承1-3、主轴1-4、主动轮1-5、第一减速器1-6、第二减速器1-7、第一齿轮对1-8、第二齿轮对1-9、齿轮轴1-10、第三齿轮对1-11、编码器1-12、电机箱1-13、摆臂1-15、从动轮1-16和履带1-21；第一减速器1-6包括太阳轮1-17、行星轮1-18、行星架1-19和齿圈1-20。驱动电机1-1安装于电机箱1-13的电机支撑套中；主轴1-4通过轴承1-3支承在电机箱1-13内，并与驱动电机1-1的输出轴通过锥齿轮对1-2传输动力；太阳轮1-17与主轴1-4固接，行星架1-19铰接在主轴1-4上，行星轮1-18铰接在行星架1-19上；主动轮1-5与行星架1-19固接；齿圈1-20与行星轮1-18构成齿轮副，并与第一齿轮对1-8通过第二减速器1-7传输动力；第一齿轮对1-8与齿轮轴1-10通过第二齿轮对1-9传递动力；摆臂1-15的一端固接在齿轮轴1-10上，且两侧臂之间通过连接杆1-14连接；从动轮1-16铰接在摆臂1-15的另一端；主动轮1-5与从动轮1-16通过履带1-21连接；齿轮轴1-10给第三齿轮对1-11传输动力，编码器1-12检测第三齿轮对1-11的转速，从而测量齿轮轴1-10和摆臂1-15的转速。
如图4所示，车体组件2包括底板2-1、上板2-2、左板2-3、右板2-4、后板2-5和前板2-6；左板2-3、右板2-4、前板2-6和后板2-5的底部均固接于底板2-1，顶部均与上板2-2固接；四个驱动轮组件1的电机箱1-13均固接于底板2-1上。
如图5和图6所示，机械臂组件3包括机械臂舵机3-1、支架3-2、推力球轴承3-3，臂座 3-4、肩关节舵机3-5、大臂3-6、臂关节舵机3-7、中臂3-8、肘关节舵机3-9、小臂3-10和腕关节舵机3-11。支架3-2固接于车体组件2的上板2-2，机械臂舵机3-1固接于支架3-2，其输出轴与臂座3-4固接；臂座3-4通过推力球轴承3-3支承于支架3-2，臂座3-4与支架3-2构成周转副；两个肩关节舵机3-5均固接于臂座3-4，大臂3-6的两侧与两个肩关节舵机3-5的输出轴固接；臂关节舵机3-7固接于中臂3-8，臂关节舵机3-7的输出轴与大臂3-6的一侧固接，大臂3-6的另一侧与中臂3-8铰接；肘关节舵机3-9固接于中臂3-8；小臂3-10的一侧与肘关节舵机3-9的输出轴固接，另一侧与中臂3-8铰接；腕关节舵机3-11固接于小臂3-10。
如图6和图7所示，末端执行器组件4包括执行器舵机4-1、爪盘4-2、第一连杆4-3、第二连杆4-4和手爪4-5。爪盘4-2固接于腕关节舵机3-11的输出轴，爪盘4-2与小臂3-10构成周转副；执行器舵机4-1固接于爪盘4-2，第一连杆4-3的中部固接于执行器舵机4-1的输出轴，两端分别与一根第二连杆4-4的一端铰接；两只手爪4-5对中设置，中部均与爪盘4-2的滑道构成滑动副，尾部分别与一根第二连杆4-4的另一端铰接；执行器舵机4-1的转动实现两只手爪4-5的移动从而对中开合。
该行星差动越障式履带机器人的工作原理是：
如图1所示，该行星差动越障式履带机器人具有两种工作模式：移动模式和作业模式。
如图7、8和图9所示，在平坦地形时，四个驱动轮组件1的驱动电机1-1将动力通过锥齿轮对1-2、主轴1-4、太阳轮1-17、行星轮1-18全部传递给行星架1-19，行星架1-19驱动与其固接的主动轮1-5转动，主动轮1-5进而驱动履带1-21转动，机器人正常行驶，并利用四个驱动轮组件1之间的差速实现转向；机械臂组件3驱动末端执行器组件4执行抓取任务；
如图10和图11所示，当遇到障碍时，驱动轮组件1的履带1-21转速减缓，使得驱动电机1-1的动力仅一部分传递给行星架1-19，行星架1-19驱动与其固接的主动轮1-5转动，主动轮1-5带动履带1-21转动；另一部分动力通过齿圈1-20传递给第二减速器1-7，并经第一齿轮对1-8、第二齿轮对1-9传递给齿轮轴1-10，齿轮轴1-10驱动与其固接的摆臂1-15摆动，另一部分传递给摆臂1-15，机器人实现越障。越过障碍后，机器人系统复位到行驶状态继续移动。

Claims (2)

1. 一种行星差动越障式履带机器人，包括驱动轮组件、车体组件、机械臂组件和末端执行器组件，其特征在于：所述的车体组件两侧固接有四个驱动轮组件，所述的机械臂组件与车体组件的顶部固接，机械臂组件驱动末端执行器组件；
所述的驱动轮组件包括驱动电机、锥齿轮对、轴承、主轴、主动轮、第一减速器、第二减速器、第一齿轮对、第二齿轮对、齿轮轴、第三齿轮对、编码器、电机箱、摆臂、从动轮和履带；所述的第一减速器包括太阳轮、行星轮、行星架和齿圈；所述的驱动电机安装于电机箱的电机支撑套中；主轴通过轴承支承在电机箱内，并与驱动电机的输出轴固接，通过锥齿轮对传输动力；所述的太阳轮与主轴固接，行星架铰接在主轴上，行星轮铰接在行星架上；所述的主动轮与行星架固接；所述的齿圈与行星轮构成齿轮副，并与第一齿轮对通过第二减速器传输动力；所述的第一齿轮对与齿轮轴通过第二齿轮对传递动力；摆臂的一端固接在齿轮轴上，且两侧臂之间通过连接杆连接；从动轮铰接在摆臂的另一端；所述的主动轮与从动轮通过履带连接；所述的齿轮轴给第三齿轮对传输动力，编码器检测第三齿轮对的转速；
所述的机械臂组件包括机械臂舵机、支架、推力球轴承，臂座 、肩关节舵机、大臂、臂关节舵机、中臂、肘关节舵机、小臂和腕关节舵机；所述的支架固接于车体组件顶部，机械臂舵机固接于支架，其输出轴与臂座固接；所述的臂座通过推力球轴承支承于支架，臂座与支架构成周转副；两个肩关节舵机均固接于臂座，大臂的两侧与两个肩关节舵机的输出轴固接；所述的臂关节舵机固接于中臂，臂关节舵机的输出轴与大臂的一侧固接，大臂的另一侧与中臂铰接；所述的肘关节舵机固接于中臂；小臂的一侧与肘关节舵机的输出轴固接，另一侧与中臂铰接；所述的腕关节舵机固接于小臂；
所述的末端执行器组件包括执行器舵机、爪盘、第一连杆、第二连杆和手爪；所述的爪盘固接于腕关节舵机的输出轴，爪盘与小臂构成周转副；所述的执行器舵机固接于爪盘，第一连杆的中部固接于执行器舵机的输出轴，两端分别与一根第二连杆的一端铰接；两只手爪对中设置，中部均与爪盘的滑道构成  移动副，尾部分别与一根第二连杆的另一端铰接。
2.根据权利要求1所述的一种行星差动越障式履带机器人，其特征在于：所述的车体组件包括底板、上板、左板、右板、后板和前板；所述左板、右板、前板和后板的底部均固接于底板，顶部均与上板固接；所述机械臂组件的支架固接于车体组件的上板，四个驱动轮组件的电机箱均固接于底板上。
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