CN105564148A - 一种变形式轮履腿复合机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种变形式轮履腿复合机器人，包括底盘和行进驱动机构，行进驱动机构包括行进动力装置、履带驱动轮和履带从动轮，底盘上安装有三个以上变形轮部件，变形轮部件包括变形轮圈和变形切换机构，变形轮圈包括由多个弧形轮圈片首尾铰接相连成一个轮圈，轮圈的外侧包裹有履带，履带用来与履带驱动轮和履带从动轮发生配合形成履带驱动状态；变形切换机构包括两根以上的弹簧拉伸杆及变形动力装置，每块弧形轮圈片对应与一根弹簧拉伸杆的伸缩端配合，在变形动力装置的驱动下通过弹簧拉伸杆的伸缩令相邻弧形轮圈片之间发生位移从而改变轮圈的形状和行进姿态。本发明具有结构简单紧凑、运动方式灵活、地形适应能力强等优点。

Description

一种变形式轮履腿复合机器人

技术领域

本发明主要涉及到移动机器人领域，特指一种变形式轮履腿复合机器人。

背景技术

众所周知，用于火灾、矿难、核泄漏等危险作业的小型地面移动机器人以其体积小、成本低、生存能力强、运动灵活等特点成为移动机器人研究领域的又一热点。移动机器人最基本的行走方式有轮式、履带式及腿式三种：其中轮式结构运行平稳、高速高效，然而其越障能力、适应复杂地形的能力却非常有限；履带式行走装置接地比压小，能够适应沙土、泥泞等松软地形，但同时也存在转弯性较差、速度及效率较低等缺点；腿式结构具有越障能力强、适应性好的优点，但是其行进速度低、能耗高。

发明内容

本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种结构简单紧凑、运动方式灵活、地形适应能力强的变形式轮履腿复合机器人。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种变形式轮履腿复合机器人，包括底盘和行进驱动机构，所述行进驱动机构包括行进动力装置、履带驱动轮和履带从动轮，所述底盘上安装有三个以上变形轮部件，所述变形轮部件包括变形轮圈和变形切换机构，所述变形轮圈包括由多个弧形轮圈片首尾铰接相连成一个轮圈，所述轮圈的外侧包裹有履带，所述履带用来与履带驱动轮和履带从动轮发生配合形成履带驱动状态；所述变形切换机构包括两根以上的弹簧拉伸杆及变形动力装置，每块所述弧形轮圈片对应与一根弹簧拉伸杆的伸缩端配合，在变形动力装置的驱动下通过弹簧拉伸杆的伸缩令相邻弧形轮圈片之间发生位移从而改变轮圈的形状和行进姿态。

作为本发明的进一步改进：在所述行进动力装置的输出端上连接有轮架，所述变形轮圈支撑于轮架的两长端，所述履带驱动轮与履带从动轮分别可转动地装设于轮架的两长端上，所述变形动力装置装设于轮架上。

作为本发明的进一步改进：在所述轮架的两短端上设置两个履带支撑轮。

作为本发明的进一步改进：所述弧形轮圈片为四块，即包含四个中心角为90度的弧形轮圈片；四个弧形轮圈片首尾铰接相连成一个圆形轮圈、处于相对位置的两个铰接点铰接支撑于轮架的两端，履带包裹于圆形轮圈外、并与履带驱动轮及履带从动轮啮合。

作为本发明的进一步改进：所述弹簧拉伸杆为两根、且呈交叉状设置；所述弹簧拉伸杆为单向拉伸且两端分别铰接支撑于处于相对位置的弧形轮圈片上、并交叉于变形轮圈的中心处。

作为本发明的进一步改进：还设置一变形滑块，所述变形滑块装设于轮架的滑槽之内、并与两个弹簧拉伸杆铰接于交叉点。

作为本发明的进一步改进：所述行进动力装置包括电机座、圆轮驱动电机、履带驱动电机、自转同步带轮组、公转同步带轮组、驱动主轴以及驱动法兰；所述电机座固设于底盘上，所述圆轮驱动电机与履带驱动电机均安装于电机座上，所述驱动主轴同轴固设于履带驱动电机输出轴上，所述自转同步带轮组的输入端同轴固设于驱动主轴上、输出端与履带驱动轮同轴固联、并将履带驱动电机输出的动力传递给履带驱动轮，机器人以履带方式行进；所述公转同步带轮组的输入端同轴固设于圆轮驱动电机输出轴上、输出端可转动地套设在驱动主轴上且与驱动法兰同轴固联，圆轮驱动电机通过公转同步带轮组驱动与驱动法兰固联的轮架公转。

作为本发明的进一步改进：所述变形动力装置包括变形驱动电机、齿轮减速器以及丝杠，所述变形驱动电机装设于轮架上，所述齿轮减速器的输入端联接变形电机输出轴、输出端联接丝杠、并与所述变形滑块上的螺纹孔配合，所述变形驱动电机用来驱动丝杠转动、以推动连在螺母上的变形滑块沿轮架上的滑槽滑动，令变形轮圈被辐条撑开。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

本发明的变形式轮履腿复合式机器人，能够根据所处地状况不同分别以圆轮、履带或者直腿的形式行进，既能以轮式运动模式在平坦硬路面运动，也能以履带式运动模式在松软地形上行走，还能够以腿式运动模式在崎岖不平的地形行走，能够以合理的运动模式在不同复杂地面高效地运动。在较为平坦地形行进时，变形轮的轮圈呈圆形，圆轮驱动电机通过同步带传动驱动轮架带动变形轮圈旋转，橡胶履带包裹在轮圈之上充当“轮胎”，机器人为轮式模式。在较为松软的地形行进时，变形轮的轮圈呈“∞形”，驱动轮、从动轮以及承重轮将橡胶履带支起，形成履带式行走装置，履带驱动电机通过同步带传动驱动驱动轮旋转，使得整个履带行走装置前进。在乱石及台阶的崎岖地形行进时，变形轮的轮圈呈“∞形”，圆轮驱动电机通过同步带传动驱动轮架旋转，整个腿式结构绕着输入轴公转，机器人以直腿方式行进。本发明的变形式轮履腿复合机器人方案新颖，轮、履、腿式之间相互切换方便，结构简单，行进速度快、能耗低、机动能力强，爬坡、越障、跨沟能力强。

附图说明

图1是本发明的车轮模式的立体结构示意图。

图2是本发明的履带模式的立体结构示意图。

图3是本发明的直腿模式的立体结构示意图。

图4是本发明整体爆炸结构示意图。

图5是本发明的变形轮部件结构示意图。

图6是本发明的行进动力装置示意图。

图7是本发明的变形轮圈爆炸结构示意图。

图8是本发明的变形轮圈圆轮模式结构示意图。

图9是本发明的变形轮圈变形过程示意图。

图10是本发明的变形轮圈“∞形”结构示意图。

图11是本发明的轮式模式驱动原理示意图。

图12是本发明的履带模式驱动原理示意图。

图13是本发明的直腿模式驱动原理示意图。

图例说明：

1、底盘；2、变形轮部件；21、行进动力装置；211、电机座；212、圆轮驱动电机；213、履带驱动电机；214、自转同步带轮组；215、公转同步带轮组；216、驱动主轴；217、驱动法兰；22、轮架；23、履带驱动轮；24、履带从动轮；25、履带支撑轮；26、变形动力装置；261、变形驱动电机；262、齿轮减速器；263、丝杠；27、变形轮圈；271、弧形轮圈片；272、履带；273、变形滑块；274、弹簧拉伸杆。

具体实施方式

以下将结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。

如图1～图13所示，本发明的变形式轮履腿复合机器人，包括底盘1、三个以上装设于底盘1上的变形轮部件2（本实例为四个）以及行进驱动机构。该行进驱动机构包括行进动力装置21、履带驱动轮23和履带从动轮24。变形轮部件2包括变形轮圈27和变形切换机构，变形轮圈27包括由多个弧形轮圈片271首尾铰接相连成一个轮圈，轮圈的外侧包裹有履带272（如橡胶履带），履带272用来与履带驱动轮23和履带从动轮24发生配合形成履带驱动状态；变形切换机构包括两根以上的弹簧拉伸杆274及变形动力装置26，每块弧形轮圈片271对应与一根弹簧拉伸杆274的伸缩端配合，在变形动力装置26的驱动下通过弹簧拉伸杆274的伸缩令相邻弧形轮圈片271之间发生位移从而改变轮圈的形状，从而形成圆轮、履带或者直腿。这样变形轮部件2就可根据工作地形的不同分别以圆轮、履带或者直腿的方式行进，能够适应各种复杂地形，具有很强的机动能力和越障能力。

参见图5～图7，行进动力装置21固设于底盘1上，用于驱动机器人行进。在行进动力装置21的输出端上连接有轮架22，变形轮圈27支撑于轮架22的两长端，履带驱动轮23与履带从动轮24分别可转动地装设于轮架22的两长端上，变形动力装置26也装设于轮架22上。进一步，还可以在轮架22的两短端上设置两个履带支撑轮25。

在具体应用实例中，弧形轮圈片271可以根据实际需要设置数量，本实例中为四块，即四个中心角为90度的弧形轮圈片271，弹簧拉伸杆274为两根、且呈交叉状设置。四个弧形轮圈片271首尾铰接相连成一个圆形轮圈、处于相对位置的两个铰接点铰接支撑于轮架22的两端，履带272包裹于圆形轮圈外、并与履带驱动轮23及履带从动轮24啮合，弹簧拉伸杆274可单向拉伸且、两端分别铰接支撑于处于相对位置的弧形轮圈片271上、并交叉于变形轮圈27的中心处。

进一步，作为优选方案，本实例中还设置一变形滑块273，该变形滑块273装设于轮架22的滑槽之内、并与两个弹簧拉伸杆274铰接于交叉点。

通过采用上述结构，在变形动力装置26的驱动下，当变形轮圈27为圆形时，装设于轮架22两短端的两履带支撑轮25位于变形轮圈27内部；当变形动力装置26驱动变形滑块273沿轮架22上的滑槽直线滑动时，交叉成“X形”的两弹簧拉伸杆273将折叠起来，变形轮圈27由圆形转换成“∞形”，轮架22的可伸缩长端将伸出、将两长端外缘推出“∞形”轮圈的两端，于此同时，两履带支撑轮25伸出“∞形”变形轮圈27之外，履带驱动轮23、履带从动轮24以及两个履带支撑轮25将履带272撑起，形成一个四边形的履带环。

在具体应用实例中，行进动力装置21包括电机座211、圆轮驱动电机212、履带驱动电机213、自转同步带轮组214、公转同步带轮组215、驱动主轴216以及驱动法兰217。电机座211固设于底盘1上，圆轮驱动电机212与履带驱动电机213均安装于电机座211上，驱动主轴216同轴固设于履带驱动电机213输出轴上，自转同步带轮组214的输入端同轴固设于驱动主轴216上、输出端与履带驱动轮23同轴固联、并将履带驱动电机213输出的动力传递给履带驱动轮23,机器人以履带方式行进。公转同步带轮组215的输入端同轴固设于圆轮驱动电机212输出轴上、输出端可转动地套设在驱动主轴216上且与驱动法兰217同轴固联，圆轮驱动电机212通过公转同步带轮组215驱动与驱动法兰217固联的轮架22公转：当支撑于轮架22变形轮圈27为圆形时，机器人以圆轮方式行进；当变形轮圈27为“∞形”时，机器人以直腿方式行进。

在具体应用实例中，变形动力装置26包括变形驱动电机261、齿轮减速器262以及丝杠263。变形驱动电机261装设于轮架22上，齿轮减速器262的输入端联接变形驱动电机261输出轴、输出端联接丝杠263、并与变形滑块273上的螺纹孔配合，变形驱动电机261可驱动丝杠263转动、以推动连在螺母264上的变形滑块274沿轮架22上的滑槽滑动，变形轮圈27被辐条撑开，由圆形变为“∞形”。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种变形式轮履腿复合机器人，包括底盘（1）和行进驱动机构，所述行进驱动机构包括行进动力装置（21）、履带驱动轮（23）和履带从动轮（24），其特征在于：所述底盘（1）上安装有三个以上变形轮部件（2），所述变形轮部件（2）包括变形轮圈（27）和变形切换机构，所述变形轮圈（27）包括由多个弧形轮圈片（271）首尾铰接相连成一个轮圈，所述轮圈的外侧包裹有履带（272），所述履带（272）用来与履带驱动轮（23）和履带从动轮（24）发生配合形成履带驱动状态；所述变形切换机构包括两根以上的弹簧拉伸杆（274）及变形动力装置（26），每块所述弧形轮圈片（271）对应与一根弹簧拉伸杆（274）的伸缩端配合，在变形动力装置（26）的驱动下通过弹簧拉伸杆（274）的伸缩令相邻弧形轮圈片（271）之间发生位移从而改变轮圈的形状和行进姿态。

2.根据权利要求1所述的变形式轮履腿复合机器人，其特征在于，在所述行进动力装置（21）的输出端上连接有轮架（22），所述变形轮圈（27）支撑于轮架（22）的两长端，所述履带驱动轮（23）与履带从动轮（24）分别可转动地装设于轮架（22）的两长端上，所述变形动力装置（26）装设于轮架（22）上。

3.根据权利要求2所述的变形式轮履腿复合机器人，其特征在于，在所述轮架（22）的两短端上设置两个履带支撑轮（25）。

4.根据权利要求2或3所述的变形式轮履腿复合机器人，其特征在于，所述弧形轮圈片（271）为四块，即包含四个中心角为90度的弧形轮圈片（271）；四个弧形轮圈片（271）首尾铰接相连成一个圆形轮圈、处于相对位置的两个铰接点铰接支撑于轮架（22）的两端，履带（272）包裹于圆形轮圈外、并与履带驱动轮（23）及履带从动轮（24）啮合。

5.根据权利要求4所述的变形式轮履腿复合机器人，其特征在于，所述弹簧拉伸杆（274）为两根、且呈交叉状设置；所述弹簧拉伸杆（274）为单向拉伸且两端分别铰接支撑于处于相对位置的弧形轮圈片（271）上、并交叉于变形轮圈（27）的中心处。

6.根据权利要求5所述的变形式轮履腿复合机器人，其特征在于，还设置一变形滑块（273），所述变形滑块（273）装设于轮架（22）的滑槽之内、并与两个弹簧拉伸杆（274）铰接于交叉点。

7.根据权利要求2或3所述的变形式轮履腿复合机器人，其特征在于，所述行进动力装置（21）包括电机座（211）、圆轮驱动电机（212）、履带驱动电机（213）、自转同步带轮组（214）、公转同步带轮组（215）、驱动主轴（216）以及驱动法兰（217）；所述电机座（211）固设于底盘（1）上，所述圆轮驱动电机（212）与履带驱动电机（213）均安装于电机座（211）上，所述驱动主轴（216）同轴固设于履带驱动电机（213）输出轴上，所述自转同步带轮组（214）的输入端同轴固设于驱动主轴（216）上、输出端与履带驱动轮（23）同轴固联、并将履带驱动电机（213）输出的动力传递给履带驱动轮（23），机器人以履带方式行进；所述公转同步带轮组（215）的输入端同轴固设于圆轮驱动电机（212）输出轴上、输出端可转动地套设在驱动主轴（216）上且与驱动法兰（217）同轴固联，圆轮驱动电机（212）通过公转同步带轮组（215）驱动与驱动法兰（217）固联的轮架（22）公转。

8.根据权利要求6所述的变形式轮履腿复合机器人，其特征在于，所述变形动力装置（26）包括变形驱动电机（261）、齿轮减速器（262）以及丝杠（263），所述变形驱动电机（261）装设于轮架（22）上，所述齿轮减速器（262）的输入端联接变形驱动电机（261）输出轴、输出端联接丝杠（263）、并与所述变形滑块（273）上的螺纹孔配合，所述变形驱动电机（261）用来驱动丝杠（263）转动、以推动连在螺母（264）上的变形滑块（273）沿轮架（22）上的滑槽滑动，令变形轮圈（27）被辐条撑开。