CN104875802A - 一种轻量化折叠式履带机器人底盘 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种轻量化折叠式履带机器人底盘，包括主履带主动轮、主履带从动轮、副履带主动轮、副履带从动轮、第一驱动装置和第二驱动装置。同侧的主履带和副履带具有相同的线速度，和独立的另一侧实现差速转向。驱动系统中电机、减速器均采用Maxon的产品，布局紧凑整体尺寸小，且部件采用碳纤维、铝合金等复合材料，具有比较高的强度且大大减轻底盘的重量，提高机器人的机动性。此外，摆臂的设计可以增强环境适应性，可以应对苛刻的地形环境。

Description

一种轻量化折叠式履带机器人底盘

技术领域

本发明涉及移动机器人领域，具体涉及一种轻量化折抵式履带机器人底盘。

背景技术

在抗震救灾、地质勘探、矿井、反恐等场合均需要移动机器人的参与，履带机器人以其运动稳定、适应性广、承载能力大等特点，受到比较广泛的应用。

履带机器人自身结构复杂，行走阻力大，造成其自重较大，整体尺寸大，机动性相较轮式或其他驱动方式较差。如果单从提高动力方式提高其机动性能，又会造成驱动电机、减速器等成本提高，续航能力减弱等其他负面效应。

发明内容

本发明需要解决的技术问题是：为了提高履带机器人的机动性能和场地适应范围，本发明提供一种轻量化的履带机器人底盘设计。本发明提供的履带机器人与传统设计的履带机器人相比，具有以下几种特点：优化驱动系统，简化传动方案，部件分布紧凑，占据空间小；采铝合金、碳纤维等材料，强度高重量小；驱动系统全部采用Maxon电机，功率密度高，负载能力大。

本发明的技术方案是：设计一种轻量化折叠式履带机器人底盘，包括主履带主动轮、主履带从动轮、副履带主动轮、副履带从动轮、第一驱动装置、第二驱动装置、主动轴和从动轴；主动轴和从动轴相互平行；副履带主动轮对称分布在主履带主动轮的外侧；主履带主动轮通过滚动轴承与主动轴配合，主履带从动轮通过滚动轴承与从动轴配合；副履带主动轮通过滚动轴承与主动轴配合，并通过两端带有花键齿的连接体连接，保持同步旋转；所述第一驱动装置包括第一电机、第一减速器、第一编码器、第一齿轮和第二齿轮，第一编码器控制第一电机，第一电机输出端连接第一减速器，第一减速器输出端驱动第一齿轮；第二齿轮与第 一齿轮相互啮合；第二齿轮与主履带主动轮同轴保持同步旋转，所述第二驱动装置包括涡轮蜗杆组件、第二电机、第三齿轮、第四齿轮、第二编码器和第二减速器；蜗轮位于主动轴上，蜗轮的轴线方向与蜗杆的轴线方向相互垂直，蜗轮蜗杆相互啮合且蜗杆驱动蜗轮；第二编码器控制第二电机，第二电机输出端连接第二减速器，第二减速器输出端连接第三齿轮；蜗杆的一端连接第四齿轮，第四齿轮与第三齿轮啮合。

本发明的进一步技术方案为：还包括底板和侧板，两个侧板相互平行且通过底板进行连接，且底板所在平面方向与侧板所在平面方向相互垂直。

本发明的进一步技术方案为：主履带主动轮和主履带从动轮的外径相同。

本发明的进一步技术方案为：副履带主动轮的外径大于副履带从动轮的外径。

本发明的进一步技术方案为：主履带主动轮的外径和副履带主动轮的外径相同。

本发明的进一步技术方案为：还包括承重装置，所述承重装置包含两排承重轮、承重轴、承重机架，两排承重轮分别与承重轴通过滚动轴承连接，承重轴一端与承重机架固连，另一端与侧板固连。

本发明的工作过程为：

1.行走运动：第一电机与第一编码器构成闭环控制回路，第一电机输出通过第一减速器、第一齿轮、第二齿轮将动力传递到主履带主动轮，主履带主动轮旋转带动副履带主动轮旋转，主、副履带主动轮驱动主、副履带移动，驱动机器人行走。

2.摆臂运动：第二电机与第二编码器构成闭环控制回路，第二电机输出端通过第二减速器、第三齿轮、第四齿轮、蜗杆、涡轮，将动力传递到主动轴，主动轴驱动两个臂板转动。

发明效果

本发明的技术效果在于：本发明提出一种轻量化折叠式履带机器人底盘，构件采用碳纤维或者铝合金复合材料制造，布局紧凑，强度高且可以大大减轻机器人底盘的重量，从而提高移动机动性。此外，摆臂的设计可以增强环境适应性，可以应对苛刻的地形环境。

附图说明

图1是本发明第一驱动装置结构示意图；

图2是本发明主履带和副履带主动轮连接结构示意图；

图3是本发明第二驱动装置结构示意图；

图4是本发明剖面图；

图5是本发明承重机构结构示意图。

附图标记说明：1—第一电机；2—第一编码器；3—第一减速器；4—第一齿轮；5—第二齿轮；6—主履带主动轮；7—主履带从动轮；8—主履带；9—副履带主动轮；10—连接体；11—副履带从动轮；12—副履带；13—第二编码器；14—第二电机；15—第二减速器；16—第三齿轮；17—第四齿轮；18—蜗杆；19—蜗轮；20—蜗杆座；21—轴承盖；22—主动轴；23—臂板；24—第二电机座；25—侧板；26—底板；27—主动轴座；28—从动轴；29-承重轮；30-承重轴；31-承重机架；

具体实施方式

下面结合具体实施实例，对本发明技术方案进一步说明。

如附图1-5示，一种轻量化折叠式履带机器人底盘，其特征在于：包括两个左右对称的主履带驱动装置、副履带驱动装置，摆臂驱动装置以及机架。

所述主履带驱动装置包括第一电机、第一编码器、第一减速器、第一齿轮、第 二齿轮、主履带主动轮、主履带从动轮、主履带。

所述副履带驱动装置包括连接体、副履带主动轮、左副履带从动轮、副履带。

所述摆臂驱动装置包括第二电机、第二编码器、第二减速器、第三齿轮、第四齿轮、蜗杆、蜗轮、主动轴以及两个对称的臂板。

所述机架包括底板、第二电机座、蜗杆座、从动轴以及两个左右对称的侧板、承重轮装置、主动轴座。

进一步的，描述所述主履带驱动装置的连接，所述第一电机末端连接第一编码器，第一电机头端连接第一减速器，第一减速器输出轴端与第一齿轮以平键配合，第一减速器与所述机架中侧板通过螺栓固连，第二齿轮与主履带主动轮固连，并与第一齿轮啮合，主履带主动轮与所述摆臂驱动装置中主动轴通过滚动轴承配合，主履带从动轮与所述机架中从动轮轴通过滚动轴承配合，主履带环绕主履带主动轮、主履带从动轮以同步带形式连接，同步旋转。

进一步的，描述所述副履带驱动装置的连接，所述副履带驱动装置连接体一端通过花键齿与所述左主履带驱动装置中主履带主动轮上的花键槽插合，另一端通过花键齿与副履带主动轮上的花键槽插合，副履带主动轮与所述摆臂驱动装置中主动轴通过滚动轴承配合，副履带从动轮与所述机架中副履带从动轮轴通过滚动轴承配合，副履带环绕副履带主动轮、副履带从动轮以同步带形式连接，同步旋转。

进一步的，描述所述摆臂驱动装置的连接，所述摆臂驱动装置中第二电机末端连接第二编码器，头端连接第二减速器，第二减速器输出端与第三齿轮以平键连接，第二减速器通过螺栓与所述机架中第二电机座固连，第四齿轮与第三齿轮啮合，第四齿轮通过平键与蜗杆伸出端配合，蜗杆一端通过滚动轴承与所述机架中第二电机座固定，另一端通过滚动轴承与机架中蜗杆座固定，蜗轮与蜗杆啮合，蜗轮通过平键与主动轴配合，并通过紧固螺钉紧固，主动轴两端分别与左右对称的两个摆臂臂 板固连，中间段分别通过滚动轴承与机架中两个左右对称的主动轴座固定。

进一步的，描述所述机架的连接，所述机架中左侧板与右侧板通过底板固连(螺栓或者焊接方式)，左、右承重轮装置分别通过螺栓与左、右侧板外侧固连，第二电机座、蜗杆座分别通过螺栓与底板上表面紧固，主动轴座通过螺纹与侧板紧固，主履带从动轮轴与侧板固连。

所述承重轮装置，包含两排承重轮、承重轴、承重机架，两排承重轮分别与承重轴通过滚动轴承连接，承重轴一端与承重机架固连，另一端与侧板固连。

所述侧板、底板采用铝合金材料，外圈全部具有翻边结构并设有加强筋，提高强度重量比。

上述所有履带驱动轮、从动轮、承重轮均采用聚酰胺材料制造，并镂有放射状的减重孔。

上述所有履带采用橡胶或者聚氨酯材料制造。

如附图2所示的结构示意图，第一电机1末端连接第一编码器2，第一电机出轴端连接第一减速器3，为了提高布局的紧凑性，驱动电机、编码器、减速器均采用Maxon的产品。第一减速器3输出端通过平键与第一齿轮4连接，并采用紧固螺钉紧固。第二齿轮5与主履带主动轮6通过阵列的螺栓紧固保持同步旋转，并与第一齿轮4保持齿轮的啮合关系。主履带主动轮6通过滚动轴承与主动轴22配合，通过主履带8将运动传递到主履带从动轮7，主履带从动轮7通过滚动轴承与从动轴28配合。

进一步地，如附图3所示的结构示意图，图中连接体9通过两端的花键齿分别与副履带主动轮10和主履带主动轮6上面的花键槽插合，传递动力保持同步转动，且两个驱动轮与履带的啮合直径相等，保证主履带和副履带具有相同的线速度。副履带主动轮10通过滚动轴承与主动轴22配合，通过副履带12将运动传递到副履 带从动轮11。

进一步地，如附图4所示为摆臂驱动装置结构示意图，第二电机14末端连接第二编码器13，输出轴端连接第二减速器15，第二减速器15与机架中第二电机座24通过螺栓紧固，减速器输出端通过平键连接第三齿轮16，并通过紧固螺钉紧固。第四齿轮17与第三齿轮16啮合，并与蜗杆18输入动力端通过平键连接。蜗杆18两端通过滚动轴承分别与机架中第二电机座24和蜗杆座20固定，并通过轴承盖21进行轴向定位。蜗轮19通过平键和紧固螺钉与主动轴22固定，并与蜗杆18保持啮合运动。臂板23与主动轴22固连，保持同步转动。这样，第二电机输出的动力通过齿轮副、蜗轮蜗杆副传递到摆臂臂板。摆臂蜗轮蜗杆具有自锁关系，这样在摆臂臂板旋转到位时可以减小驱动电机的保持电流，提高整体续航续航能力，同时可以防止摆臂的冲击对减速器的破坏。第二编码器13为绝对值编码器，这样可以随时反馈摆臂的绝对位置，方便进一步运动控制。

如附图所示承重机构结构示意图，为了提高履带机器人底盘运动的平稳性以及承载能力，在左右两个侧板均设计有承重结构，承重轴30一端与侧板固连，另一端与承重机架31固连，承重轮29通过滚动轴承与承重轴30配合。承重机架上方可用于安放控制电路板以及蓄电池等。

两个摆臂用于行走的姿态调整，遇到起伏较大的环境时可抬升摆臂与地面行成三角支撑越过障碍。

Claims (6)

1.一种轻量化折叠式履带机器人底盘，其特征在于：包括主履带主动轮、主履带从动轮、副履带主动轮、副履带从动轮、第一驱动装置、第二驱动装置、主动轴和从动轴；主动轴和从动轴相互平行；副履带主动轮对称分布在主履带主动轮的两侧；主履带主动轮通过滚动轴承与主动轴配合，主履带从动轮通过滚动轴承与从动轴配合；副履带主动轮通过滚动轴承与主动轴配合，并通过两端带有花键齿的连接体连接，保持同步旋转；所述第一驱动装置包括第一电机、第一减速器、第一编码器、第一齿轮和第二齿轮，第一编码器控制第一电机，第一电机输出端连接第一减速器，第一减速器输出端驱动第一齿轮；第二齿轮与第一齿轮相互啮合；第二齿轮与主履带主动轮同轴保持同步旋转，所述第二驱动装置包括涡轮蜗杆组件、第二电机、第三齿轮、第四齿轮、第二编码器和第二减速器；蜗轮位于主动轴上，蜗轮的轴线方向与蜗杆的轴线方向相互垂直，蜗轮蜗杆相互啮合且蜗杆驱动蜗轮；第二编码器控制第二电机，第二电机输出端连接第二减速器，第二减速器输出端连接第三齿轮；蜗杆的一端连接第四齿轮，第四齿轮与第三齿轮啮合。

2.如权利要求1所述的一种轻量化折叠式履带机器人底盘，其特征在于：还包括底板和侧板，两个侧板相互平行且通过底板进行连接，且底板所在平面方向与侧板所在平面方向相互垂直。

3.如权利要求1所述的一种轻量化折叠式履带机器人底盘，其特征在于：主履带主动轮和主履带从动轮的外径相同。

4.如权利要求1所述的一种轻量化折叠式履带机器人底盘，其特征在于：副履带主动轮的外径大于副履带从动轮的外径。

5.如权利要求1所述的一种轻量化折叠式履带机器人底盘，其特征在于：主履带主动轮的外径和副履带主动轮的外径相同。

6.如权利要求2所述的一种轻量化折叠式履带机器人底盘，其特征在于：还包括承重装置，所述承重装置包含两排承重轮、承重轴和承重机架，两排承重轮分别与承重轴通过滚动轴承连接，承重轴一端与承重机架固连，另一端与侧板固连。