CN105711669B - 连杆欠驱动爬行机器人 - Google Patents

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雷应波
田恬
陈晨
王福华
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Abstract

本发明属于爬行机器人技术领域,具体地说是一种连杆欠驱动爬行机器人。包括机座、驱动轮、后轮驱动装置、前轮、前轮转向装置、夹紧驱动装置、传动装置及两个夹紧机构,其中机座的前端设有前轮和前轮转向装置,所述前轮与前轮转向装置连接,所述机座的后端设有驱动轮和后轮驱动装置,所述驱动轮与后轮驱动装置连接,所述两个夹紧机构对称设置于机座的两侧,所述夹紧驱动装置设置于与机座上、并通过两个传动装置分别与两个夹紧机构连接,两个夹紧机构通过夹紧驱动装置的驱动,实现夹紧功能。本发明仅需一个执行驱动电机即可实现夹紧动作,减少驱动器数量,简化驱动器控制,增强爬行自适应性。

Description

连杆欠驱动爬行机器人
技术领域
[0001] 本发明属于爬行机器人技术领域,具体地说是一种连杆欠驱动爬行机器人。
背景技术
[0002] 爬行机器人的研宄已成为机器人学科中一个热门的研究领域,因其能代替人工进 行实际操作,尤其是石油,化工,核工业,太空等危险及恶劣的环境。比如石油,太空,水下管 道的维修和建设等,一些发达的国家进一步将爬行机器人应用到军事,航空航天等高科技 领域,其前景十分广阔。目前国内外所研制开发的爬行机器人大多基于仿生学原理,采用独 立全驱动的执行驱动源。在特定的环境下完成特定的任务和作业。其功能比较单一,自适应 性较差,限制了其在实际的应用范围。而且结构复杂,控制繁琐,成本较高。
发明内容
[0003] 针对上述问题,本发明的目的在于提供一种连杆欠驱动爬行机器人。该连杆欠驱 动爬行机器人结构简单,容易控制,且具有多功能的优点。
[0004] 为了实现上述目的,本发明采用以下技术方案:
[0005] 一种连杆欠驱动爬行机器人,包括机座、驱动轮、后轮驱动装置、前轮、前轮转向装 置、夹紧驱动装置、传动装置及两个夹紧机构,其中机座的前端设有前轮和前轮转向装置, 所述前轮与前轮转向装置连接,所述机座的后端设有驱动轮和后轮驱动装置,所述驱动轮 与后轮驱动装置连接,所述两个夹紧机构对称设置于机座的两侧,所述夹紧驱动装置设置 于机座上、并通过两个传动装置分别与两个夹紧机构连接,两个夹紧机构通过夹紧驱动装 置的驱动,实现夹紧功能。
[0006] 所述机座两侧的夹紧机构结构相同,均包括末端关节、中间关节、首端关节及驱动 连杆机构,其中末端关节、中间关节及首端关节依次铰接,所述首端关节与机座铰接,所述 驱动连杆机构依次与相邻关节之间的铰接点及相对应的所述传动装置铰接,所述驱动连杆 机构驱动各关节的运动。
[0007] 所述驱动连杆机构包括推杆、摇杆、第一驱动连杆、摇板及第二驱动连杆,其中推 杆的一端与传动装置铰接,另一端与摇杆铰接,所述摇杆的一端与首端关节和机座的铰接 处铰接,另一端与第一驱动连杆的一端铰接,所述第一驱动连杆的另一端与摇板铰接,所述 摇板的一端与首端关节和中间关节铰接处较接,另一端与第二驱动连杆的一端较接,所述 第二驱动连杆的另一端与末端关节铰接。
[0008]所述首端关节和第一驱动连杆通过第一弹簧相连,所述中间关节和第二驱动连杆 通过第二弹簧连接,所述末端关节和中间关节之间、中间关节和首端关节之间及首端关节 与机座之间的铰接处均设有机械限位块。所述末端关节的末端端部设有行走轮。
[0009]所述首端关节上装有首关节滚动轮,所述中间关节内安装有中关节滚动轮,所述 末端关节内安装有末关节滚动轮。
[0010]所述夹紧驱动装置包括主动齿轮和主驱动电机,其中主驱动电机设置于机座上、 并输出端与主动齿轮连接,所述主动齿轮通过两个传动装置分别与机座两侧的夹紧机构连 接。
[0011] 所述两个传动装置结构相同,均包括从动齿轮、丝杆及螺母,其中丝杆的一端与机 座转动连接,另一端设有从动齿轮,所述从动齿轮与主动齿轮啮合,所述螺母与丝杆螺纹配 合、并与相对应的夹紧机构较接。所述螺母与安装在机座上的导轨滑动连接。
[0012] 所述前轮转向装置为转向电机,所述转向电机的输出端与前轮支架连接,所述前 轮可转动地安装在前轮支架上;所述后轮驱动装置为驱动电机,所述驱动轮通过减速器与 驱动电机连接。
[0013] 本发明优点和有益效果是:
[0014] 1.本发明利用连杆欠驱动机构,实现机器人在回转物体上的夹紧,再通过齿轮丝 杠螺母传动机构使机器人两夹紧机构实现同步运动,两个夹紧机构的夹紧运动过程通过一 个驱动电机完成实现的。减少了驱动电机的数量,同时简化控制系统。
[0015] 2.本发明在爬行过程时,由滚动代替常规的爬行,提高了爬行效率,拓展机器人的 功能。
附图说明
[0016] 图1是本发明的结构示意图;
[0017] 图2是本发明两夹紧机构整体展开结构示意图;
[0018]图3是本发明两夹紧机构夹紧爬行示意图;
[0019]图4是本发明的夹紧机构的结构示意图;
[0020]图5a-5d是本发明的两夹紧机构夹紧过程示意图。
[0021] 其中:1为行走轮,2为末端关节,3为中间关节,4为首端关节,5为机座,6为驱动 轮,7为驱动电机,8为主动齿轮,9为从动齿轮,10为转向电机,11为前轮,12为驱动连杆机 构,m为推杆,I22为摇杆,123为第一驱动两岸,124为摇板,125为第二驱动连杆,13为前 轮支架,14为主驱动电机,15为首关节滚轮,16为中关节滚轮,17为末关节滚轮,18为轴承, 19为导轨,20为丝杠,21为丝杠螺母,22为回转物体,23为首关节机械限位块,24为第一弹 簧,25为中关节机械限位块,26为第二弹簧,27为末关节机械限位块。
具体实施方式
[0022]下面结合附图对本发明作进一步的详细描述。
[0023]如图1-3所示,本发明包括机座5、驱动轮6、后轮驱动装置、前轮11、前轮转向装置、 夹紧驱动装置、传动装置及两个夹紧机构,其中机座5的前端设有前轮11和前轮转向装置, 所述前轮11与前轮转向装置连接,所述机座5的后端设有驱动轮6和后轮驱动装置,所述驱 动轮6与后轮驱动装置连接。所述两个夹紧机构对称设置于机座5的两侧,所述夹紧驱动装 置设置于机座5上、并通过两个传动装置分别与两个夹紧机构连接,两个夹紧机构通过夹紧 驱动装置的驱动,实现夹紧功能。
[GG24]所述机座5两侧的夹紧机构结构相同,均包括末端关节2、中间关节3、首端关节4及 驱动连杆机构12,其中末端关节2、中间关节3及首端关节4依次铰接,所述首端关节4与机 座5铰接,所述驱动连杆机构12依次与相邻关节之间的铰接点及相对应的所述传动装置铰 接。所述驱动连杆机构12驱动各关节的运动。
[0025]所述夹紧驱动装置包括主动齿轮8和主驱动电机14,其中主驱动电机14设置于机 座5上、并输出端与主动齿轮8连接,所述主动齿轮8通过两个传动装置分别与机座5两侧的 夹紧机构连接。
[0026]如图4所示,所述两个传动装置结构相同,均包括从动齿轮9、丝杆20及螺母21,其 中丝杆20的一端通过轴承18与机座5转动连接,另一端设有从动齿轮9,所述从动齿轮9与主 动齿轮8啮合,所述螺母21与丝杆20螺纹配合、并与相对应的夹紧机构铰接。所述螺母21与 安装在机座5上的导轨19滑动连接。
[0027]所述驱动连杆机构12包括推杆121、摇杆122、第一驱动连杆123、摇板124及第二 驱动连杆125,其中推杆121的一端与螺母21铰接,另一端与摇杆122铰接,所述摇杆122的一 端与首端关节4和机座5的铰接处铰接,另一端与第一驱动连杆123的一端铰接,所述第一驱 动连杆123的另一端与摇板124铰接,所述摇板124的一端与首端关节4和中间关节3的铰接 处铰接,另一端与第二驱动连杆125的一端铰接,所述第二驱动连杆125的另一端与末端关 节2铰接。所述首端关节4上装有首关节滚动轮17,所述中间关节3内安装有中关节滚动轮 16,所述末端关节2内安装有末关节滚动轮15,所述末端关节2的末端端部设有行走轮1。所 述首端关节4、摇杆122、第一驱动连杆123及摇板124组成四连杆机构。中间端关节3、第二驱 动连杆125、摇板124及末端关节2组成四连杆机构。
[0028]如图5a所示,所述首端关节4和第一驱动连杆123通过第一弹簧24相连,所述中间 关节3和第二驱动连杆125通过第二弹簧26连接,所述末端关节2和中间关节3之间、中间关 节3和首端关节4之间及首端关节4与机座5之间的铰接处分别设有末关节机械限位块27、 中关节机械限位块25及首关节机械限位块23。所述末端关节2、中间关节3及首端关节4在第 一弹簧24、第二弹簧26及各机械限位机构的作用下整体构成伪刚性体。
[0029]所述前轮转向装置为转向电机10,所述转向电机10的输出端与前轮支架13连接, 所述前轮11可转动地安装在前轮支架13上。所述后轮驱动装置为驱动电机7,所述驱动轮6 通过减速器与驱动电机7连接。
[0030] 本发明的工作原理是:
[0031] 所述主驱动电机14上的主动齿轮8分别同时与两个从动齿轮9啮合,从动齿轮9分 别于丝杠20同轴固定,在主驱动电机14的驱动下将驱动力通过从动齿轮9分别传递分配到 丝杠20中,丝杠2〇旋转推动螺母21作直线往复运动,螺母21与推杆121通过销轴连接。推杆 121推动摇杆122,关节向被夹紧物体(回转物体22)靠近,三个关节在第一弹簧24、第二弹 簧26和机械限位机构的作用下整体构成伪刚性体,如图5a所示。当首端关节4与回转物体22 接触时,首端关节4的运动受到回转物体22的约束限制,首端关节4的运动停止,如图5b所 示。随着推杆121的继续推动摇杆I22,首端关节4与中间关节3之间的中关节机械限位失效, 中间关节3与末端关节2组成伪刚性体,摇杆122推动第一驱动连杆123,第一驱动连杆123推 动摇板124继续向回转物体22靠近。当中间关节3与回转物体22接触时,同理中间关节3的 运动受到回转物体22的约束限制而停止,如图5c所示。随着推杆121继续推动摇杆122,中间 关节3与末端关节2之间的末关节机械限位失效,第二驱动连杆I25推动末端关节2与回转 物体22接触后停止,整个夹紧过程完成,如图5d所示。夹紧完成后,驱动电机7带动驱动轮6 运动,实现机器在回转物体22上的爬行。
[0032] 机器人在地面行走时,机座5两侧的夹紧机构在主驱动电机14的作用下,各夹紧机 构的三个关节构成为伪刚性体,整体展开,如图2所示。在驱动电机7的作用下,驱动轮6在 地面上滚动。实现机器人在地面上行走。前轮11通过转向电机10实现在地面上行走的转向。
[0033] 本发明欠驱动机构夹紧机构仅需一个执行驱动电机即可实现夹紧动作,减少驱动 器数量,简化驱动器控制,增强爬行自适应性。在夹紧机构展开的状态下,该机器人能够在 地面上行走。在夹紧状态时又具有爬行树干等回转体物体,具体为:在地面行走时,机器人 的两夹紧机构三个关节整体展开,利用两末端关节的行走轮1和机座前后的滚轮支撑机体, 由机座后轮(驱动轮6)实现驱动,前轮11实现转弯;在爬行树木时,两夹紧关节呈环抱姿态 抱紧树干,再由后轮驱动,以滚动方式代替爬行,提高了爬行效率。

Claims (7)

1.一种连杆欠驱动爬行机器人,其特征在于:包括机座(5)、驱动轮(6)、后轮驱动装置、 前轮(11)、前轮转向装置、夹紧驱动装置、传动装置及两个夹紧机构,其中机座(5)的前端设 有前轮(11)和前轮转向装置,所述前轮(11)与前轮转向装置连接,所述机座(5)的后端设有 驱动轮(6)和后轮驱动装置,所述驱动轮(6)与后轮驱动装置连接,所述两个夹紧机构对称 设置于机座(5)的两侧,所述夹紧驱动装置设置于机座(5)上、并通过两个传动装置分别与 两个夹紧机构连接,两个夹紧机构通过夹紧驱动装置的驱动,实现夹紧功能;夹紧完成后, 所述后轮驱动装置带动所述驱动轮(6)运动,实现机器人在回转物体(22)上的爬行; 所述机座(5)两侧的夹紧机构结构相同,均包括末端关节(2)、中间关节(3)、首端关节 ⑷及驱动连杆机构(12),其中末端关节(2)、中间关节⑶及首端关节(4)依次铰接,所述首 端关节⑷与机座(5)较接,所述驱动连杆机构(12)依次与相邻关节之间的铰接点及相对应 的所述传动装置铰接,所述驱动连杆机构(12)驱动各关节的运动; 所述末端关节(2)的末端端部设有行走轮(1),所述首端关节(4)上装有首关节滚动轮 (17),所述中间关节(3)内安装有中关节滚动轮(16),所述末端关节(2)内安装有末关节滚 动轮(15)。
2. 按权利要求1所述的连杆欠驱动爬行机器人,其特征在于:所述驱动连杆机构(12)包 括推杆(121)、摇杆(122)、第一驱动连杆(123)、摇板(124)及第二驱动连杆(125),其中推杆 (121)的一端与传动装置铰接,另一端与摇杆(122)铰接,所述摇杆(122)的一端与首端关节 (4)和机座(5)的较接处铰接,另一端与第一驱动连杆(123)的一端较接,所述第一驱动连杆 (123)的另一端与摇板(124)铰接,所述摇板(124)的一端与首端关节(4)和中间关节(3)铰 接处铰接,另一端与第二驱动连杆(125)的一端铰接,所述第二驱动连杆(125)的另一端与 末端关节(2)铰接。
3. 按权利要求2所述的连杆欠驱动爬行机器人,其特征在于:所述首端关节(4)和第一 驱动连杆(123)通过第一弹簧(24)相连,所述中间关节(3)和第二驱动连杆(125)通过第二 弹簧(26)连接,所述末端关节⑵和中间关节(3)之间、中间关节⑶和首端关节⑷之间及 首端关节⑷与机座(5)之间的铰接处均设有机械限位块。
4. 按权利要求1-3任一项所述的连杆欠驱动爬行机器人,其特征在于:所述夹紧驱动装 置包括主动齿轮⑻和主驱动电机(14),其中主驱动电机(14)设置于机座(5)上、并输出端 与主动齿轮(8)连接,所述主动齿轮(8)通过两个传动装置分别与机座(5)两侧的夹紧机构 连接。
5. 按权利要求4所述的连杆欠驱动爬行机器人,其特征在于:所述两个传动装置结构相 同,均包括从动齿轮(9)、丝杆(20)及螺母(21),其中丝杆(20)的一端与机座⑸转动连接, 另一端设有从动齿轮⑼,所述从动齿轮⑼与主动齿轮⑻啮合,所述螺母(21)与丝杆(2〇) 螺纹配合、并与相对应的夹紧机构铰接。
6. 按权利要求5所述的连杆欠驱动爬行机器人,其特征在于:所述螺母(21)与安装在机 座(5)上的导轨(19)滑动连接。
7. 按权利要求1所述的连杆欠驱动爬行机器人,其特征在于:所述前轮转向装置为转向 电机(10),所述转向电机(1〇)的输出端与前轮支架(13)连接,所述前轮(11)可转动地安装 在前轮支架(13)上;所述后轮驱动装置为驱动电机(7),所述驱动轮(6)通过减速器与驱动 电机⑺连接。
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