CN105711672B - 一种基于关节耦合手轮机构的行走攀爬机器人 - Google Patents
一种基于关节耦合手轮机构的行走攀爬机器人 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及爬行机器人技术领域，具体地说是一种基于关节耦合手轮机构的行走攀爬机器人，包括可移动的机身和设置于机身两侧的肢臂，所述肢臂包括近肢节、中部肢节和末端肢节，末端肢节上设有夹持轮，机身内设有肢臂驱动电机和肢臂传动机构，近肢节内设有近肢节传动机构，且近肢节传动机构为锥齿轮传动机构，中部肢节内设有中部肢节传动机构，且中部肢节传动机构为连杆机构，两侧肢臂上的近肢节、中部肢节和末端肢节均通过肢臂驱动电机驱动摆动，用于传递转矩的肢臂传动机构、近肢节传动机构和中部肢节传动机构依次相连，机身下侧设有控制转向的前轮和驱动行走的后轮。本发明既能在地面上行走，又具有攀爬树干等柱状物体的功能，控制灵活精确。
Description
技术领域
本发明涉及爬行机器人技术领域，具体地说是一种基于关节耦合手轮机构的行走攀爬机器人。
背景技术
爬行机器人的研究已成为机器人学科中一个热门的研究领域，因其能代替人进行生产操作，尤其是一些恶劣的环境或是比较危险的场所，比如搜索、勘察等，有些国家已经将爬行机器人应用到实际当中，其前景十分广阔。现有技术中，爬行机器人的研制开发大多基于仿生学原理，模仿生物的运动方式、关节、姿态等构造机器人的机械结构，如日本的蛇形机器人、美国NASA的机器蜘蛛、美国DARPA和iRobot机器人公司共同研制的类似螃蟹的机器人等等。但是由于昆虫等生物的关节自由度较多，结构较为复杂，给控制带来较大的难度，且定位不易精确。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于关节耦合手轮机构的行走攀爬机器人，包括可移动的机身和设置于机身两侧可抱合的肢臂，既能在地面上行走，又具有攀爬树干等柱状物体的功能，控制灵活且定位精确。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
一种基于关节耦合手轮机构的行走攀爬机器人，其特征在于：包括可移动的机身和设置于所述机身两侧的肢臂，每个肢臂包括依次转动连接的近肢节、中部肢节和末端肢节，所述末端肢节上设有夹持轮，所述机身内设有肢臂驱动电机和肢臂传动机构，所述近肢节内设有近肢节传动机构，所述中部肢节内设有中部肢节传动机构，两侧肢臂上的近肢节、中部肢节和末端肢节均通过所述肢臂驱动电机驱动摆动，所述肢臂驱动电机依次通过所述肢臂传动机构、近肢节传动机构和中部肢节传动机构传递转矩。
所述肢臂传动机构上设有第一肢臂驱动锥齿轮和第二肢臂驱动锥齿轮，所述近肢节通过近肢节转轴与机身相连，所述近肢节转轴上固装有近肢节固连锥齿轮，所述第一肢臂驱动锥齿轮和第二肢臂驱动锥齿轮分别与两侧近肢节上的近肢节固连锥齿轮啮合，所述中部肢节通过中部肢节转轴与所述近肢节相连，所述近肢节传动机构上设有中部肢节固连锥齿轮，所述中部肢节传动机构上设有中部肢节连杆，所述中部肢节固连锥齿轮和所述中部肢节连杆均固装在所述中部肢节转轴上。
所述肢臂传动机构除所述第一肢臂驱动锥齿轮和第二肢臂驱动锥齿轮外还包括第一锥齿轮、第二锥齿轮、第一传动齿轮和第二传动齿轮，其中肢臂驱动电机与一个减速机相连，所述减速机的输出轴与所述第一锥齿轮固连，所述第一锥齿轮与所述第二锥齿轮啮合，所述第二锥齿轮、第一肢臂驱动锥齿轮和第一传动齿轮同轴固连，所述第一传动齿轮与所述第二传动齿轮啮合，所述第二传动齿轮与所述第二肢臂驱动锥齿轮同轴固连。
所述近肢节传动机构除所述中部肢节固连锥齿轮外还包括近肢节转 轴锥齿轮和同步锥齿轮组，其中近肢节转 轴锥齿轮固装于所述近肢节转轴上，同步锥齿轮组包括一个锥轴和两个锥齿轮，且两个锥齿轮分别设置于所述锥轴的两端，其中一个锥齿轮与所述近肢节转 轴锥齿轮啮合，另一个锥齿轮与所述中部肢节固连锥齿轮啮合。
所述近肢节内设有一个支承架，所述同步锥齿轮组通过所述支承架支承可转动地设置于近肢节内；所述近肢节传动机构传动比为1： 1。
所述中部肢节传动机构除所述中部肢节连杆外还包括驱动连杆和末端肢节连杆，所述末端肢节通过末端肢节转轴与所述中部肢节相连，所述末端肢节连杆固装在所述末端肢节转轴上，所述中部肢节连杆通过所述驱动连杆与所述末端肢节连杆相连。
所述驱动连杆的两端向两侧弧状折弯，所述中部肢节传动机构的输入与输出角度之比为1：1。
所述中部肢节内设有一个连杆防护架，所述驱动连杆穿过所述连杆防护架并在所述连杆防护架内摆动。
所述机身下侧前端设有前轮，所述机身内部设有驱动所述前轮转向的前轮驱动机构，所述前轮驱动机构包括前轮驱动电机、前轮减速机和一个锥齿轮组，所述锥齿轮组包括相互啮合的前轮驱动锥齿轮和前轮传动锥齿轮，前轮驱动电机与前轮减速机相连，所述前轮减速机的输出轴与所述前轮驱动锥齿轮固连，所述前轮传动锥齿轮固装在一个驱动轴上，所述驱动轴穿过机身的底板后与两个前轮之间的连接架固连。
所述机身下侧后端设有后轮，所述机身内部设有驱动所述后轮行走的后轮驱动机构，所述后轮驱动机构包括后轮驱动电机、后轮减速机和一个传动齿轮组，所述传动齿轮组包括相互啮合的后轮驱动齿轮和后轮传动齿轮，所述后轮驱动电机与后轮减速机相连，所述后轮减速机的输出轴与所述后轮驱动齿轮固连，所述后轮与所述后轮传动齿轮同轴固连。
本发明的优点与积极效果为：
1、本发明两肢臂结构相同，均包括近肢节、中部肢节和末端肢节，在地面行走时，两肢臂展开，攀爬时两肢臂呈环抱姿态抱紧树干等柱状物体，使用灵活方便，且两侧的各个肢节只通过一个电机控制驱动，整体结构小巧紧凑，控制灵活精确。
2、本发明的肢臂依次通过近肢节内部的近肢节传动机构和中部肢节内部的中部肢节传动机构传递电机力矩，其中近肢节传动机构为传动比为1：1的锥齿轮传动机构，中部肢节传动机构为输入与输出角度比为1：1的连杆机构，保证各个肢节同步等角度转动，以利于肢臂抱合攀爬，定位精确。
3、本发明在机身下侧设有控制转向的前轮和用于驱动的后轮，在攀爬树木时由机身上的后轮驱动，通过滚轮滚动的方式实现移动，提高了攀爬效率。
附图说明
图1是本发明两肢臂展开时的结构示意图。
图2是图1中本发明两肢臂弯曲时的结构示意图。
图3是图1中本发明的肢臂结构示意图。
图4是图3中肢臂的侧视图。
图5是图1中本发明的机身内部结构示意图。
图6是图5中的肢臂传动机构的示意图。
图7是图6中的肢臂传动机构的俯视图。
图8是图5中的前轮驱动机构的示意图。
图9是图8中的前轮驱动机构的侧视图。
图10是图5中的后轮驱动机构的示意图。
图11是图10中的后轮驱动机构的主视图。
其中，1为机身，2为肢臂，3为后轮，4为前轮，5为夹持轮， 6为近肢节，7为中部肢节，8为末端肢节，9为近肢节转轴，10为近肢节转轴锥齿轮，11为近肢节固连锥齿轮，12为支承架，13为同步锥齿轮组，14为中部肢节固连锥齿轮，15为中部肢节转轴，16为连杆防护架，17为驱动连杆，18为中部肢节连杆，19为末端肢节连杆，20为末端肢节转轴，21为肢臂传动机构，22为肢臂驱动电机， 23为前轮驱动电机，24为减速机，25为第一锥齿轮，26为第二锥齿轮，27为第一肢臂驱动锥齿轮，28为第一传动齿轮，29为第二传动齿轮，30为第二肢臂驱动锥齿轮，31为传动轴，32为前轮减速机， 33为前轮驱动锥齿轮，34为前轮传动锥齿轮，35为连接架，36为后轮驱动电机，37为后轮减速机，38为后轮驱动齿轮，39为后轮传动齿轮，40为前轮驱动机构，41为后轮驱动机构，42为安装板，43为近肢节传动机构，44为中部肢节传动机构，45为支板，46为支承板， 47为支板，48为驱动轴，49为支板。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详述。
如图1～2所示，本发明包括机身1和设置于机身1两侧的肢臂 2，机身两侧肢臂2结构相同，均包括近肢节6、中部肢节7和末端肢节8，如图3所示，所述近肢节6通过近肢节转轴9可转动地安装在机身1上，如图5所示，所述机身1两侧分别设有一个缺口，在每个缺口处均设有安装板42，所述近肢节转轴9即安装在所述安装板 42上，如图3所示，所述中部肢节7通过中部肢节转轴15与所述近肢节6转动连接，所述末端肢节8通过末端肢节转轴20与所述中部肢节7转动连接，用于夹持物体的夹持轮5设置于所述末端肢节8远离所述中部肢节7的一端，所述肢臂2工作时向内侧摆动抱合树干等柱状物体。
如图5所示，机身1内设有肢臂驱动电机22和肢臂传动机构21，所述肢臂驱动电机22通过所述肢臂传动机构21传动驱动两侧肢臂2 的近肢节6绕所述近肢节转轴9转动，如图6～7所示，所述肢臂传动机构21包括第一锥齿轮25、第二锥齿轮26、第一肢臂驱动锥齿轮27、第一传动齿轮28、第二传动齿轮29和第二肢臂驱动锥齿轮30，其中肢臂驱动电机22与一个减速机24相连，所述减速机24安装在设置于机身1底面上的一个支板45上，所述减速机24的输出轴与所述第一锥齿轮25固连，所述第二锥齿轮26、第一肢臂驱动锥齿轮27 和第一传动齿轮28均安装在一个传动轴31，所述传动轴31通过两个支承板46支承设置于机身1内，所述第一锥齿轮25与所述第二锥齿轮26啮合，并通过所述第二锥齿轮26传动带动第一肢臂驱动锥齿轮27和第一传动齿轮28旋转，所述第一传动齿轮28与第二传动齿轮29啮合，所述第二传动齿轮29与第二肢臂驱动锥齿轮30同轴固连，所述第一传动齿轮28即通过第二传动齿轮29传动带动第二肢臂驱动锥齿轮30转动。如图3所示，在所述近肢节6的近肢节转轴9 上固装有一个近肢节固连锥齿轮11，所述第一肢臂驱动锥齿轮27和第二肢臂驱动锥齿轮30分别与两侧近肢节6上的近肢节固连锥齿轮 11啮合，并通过所述近肢节固连锥齿轮11驱动近肢节6绕近肢节转轴9转动。
如图3所示，所述近肢节6内设有近肢节传动机构43，所述近肢节传动机构43为锥齿轮传动机构，与机身1内的肢臂传动机构21 相啮合的近肢节固连锥齿轮11通过所述近肢节传动机构43驱动所述中部肢节7绕中部肢节转轴15转动。所述近肢节传动机构43包括近肢节转轴锥齿轮10、同步锥齿轮组13和中部肢节固连锥齿轮14，其中近肢节转轴锥齿轮10固装于所述近肢节转轴9上并通过所述近肢节固连锥齿轮11带动旋转，中部肢节固连锥齿轮14固装于所述中部肢节转轴15上，所述同步锥齿轮组13包括一个锥轴和两个锥齿轮，其中两个锥齿轮分别设置于锥轴的两端，其中一个锥齿轮与所述近肢节转轴锥齿轮10啮合，另一个锥齿轮与所述中部肢节固连锥齿轮14 啮合，在近肢节6内设有一个支承架12，所述同步锥齿轮组13通过所述支承架12支承可转动地设置于近肢节6内。
如图3～4所示，所述中部肢节7内设有中部肢节传动机构44，所述中部肢节传动机构44为一个连杆机构，所述固装于中部肢节转轴15上的中部肢节固连锥齿轮14通过所述中部肢节传动机构44驱动所述末端肢节8绕末端肢节转轴20转动。所述中部肢节传动机构 44包括驱动连杆17、中部肢节连杆18和末端肢节连杆19，其中中部肢节连杆18固装于所述中部肢节转轴15上并通过所述中部肢节固连锥齿轮14带动旋转，末端肢节连杆19固装于所述末端肢节转轴 20上，所述驱动连杆17的两端分别向两侧弧状折弯并分别与所述中部肢节连杆18和末端肢节连杆19的端部固连，中部肢节连杆18通过所述驱动连杆17推动末端肢节连杆19带动末端肢节8转动，在中部肢节7内设有一个连杆防护架16，所述驱动连杆17穿过所述连杆防护架16并在连杆防护架16内摆动。所述中部肢节连杆18和末端肢节连杆19的长度相同，所述中部肢节传动机构44可实现输入与输出角度的1：1传动。
如图5所示，在机身1内部的前端和后端分别设有前轮驱动机构 40和后轮驱动机构41，如图8～9所示，所述前轮驱动机构40包括前轮驱动电机23、前轮减速机32和一个锥齿轮组，其中前轮驱动电机23与前轮减速机32相连，所述前轮减速机32安装在一个设置于机身1内部底面上的支板47上，所述锥齿轮组包括相互啮合的前轮驱动锥齿轮33和前轮传动锥齿轮34，所述前轮减速机32的输出轴与所述前轮驱动锥齿轮33固连，所述前轮传动锥齿轮34固装在一个驱动轴48上，所述驱动轴48可转动地安装在机身1的底板上，且所述驱动轴48穿过机身1的底板后与两个前轮4之间的连接架35固连，两个前轮4即通过所述前轮驱动电机23驱动绕所述驱动轴48转动以实现机身1的转向。
如图10～11所示，所述后轮驱动机构41包括后轮驱动电机36、后轮减速机37和一个传动齿轮组，其中所述传动齿轮组包括相互啮合的后轮驱动齿轮38和后轮传动齿轮39，所述后轮驱动电机36与后轮减速机37相连，所述后轮减速机37的输出轴与所述后轮驱动齿轮38固连，所述后轮减速机37和后轮传动齿轮39均安装在一个支板49上，所述支板49固设于机身1的底板上，机身1的后轮3与所述后轮传动齿轮39同轴固连，所述后轮3即通过所述后轮驱动电机 36驱动转动，以实现驱动机身1行走。
本实施例中，所有锥齿轮参数相同，传动比均为1：1，肢臂传动机构21中第一传动齿轮28与第二传动齿轮29传动比为1：1，所述后轮驱动机构41中的后轮驱动齿轮38和后轮传动齿轮39传动比为2：1，所述中部肢节传动机构44可实现输入与输出角度的1：1 传动，因此肢臂2的三个肢节摆动时的转动角度比为1：1：1。
本发明的工作原理为：
本发明机身1两侧的肢臂2包括近肢节6、中部肢节7和末端肢节8，机身1内设有肢臂驱动电机22和肢臂传动机构21，近肢节6 内设有近肢节传动机构43，中部肢节7内设有中部肢节传动机构44，肢臂驱动电机22通过肢臂传动机构21驱动两侧的近肢节6摆动，进而依次通过所述近肢节传动机构43和中部肢节传动机构44驱动中部肢节7和末端肢节8摆动，本发明在地面行走时，两肢臂2展开，攀爬时两肢臂2呈环抱姿态抱紧树干等柱状物体。
本发明在机身1的下侧设有控制转向的前轮4和用于驱动行走的后轮3，其中前轮4通过前轮驱动机构40驱动实现转向，后轮3通过后轮驱动机构41驱动移动，在攀爬树木时由机身1上的后轮3驱动，通过滚轮滚动的方式实现移动，提高了攀爬效率。
Claims (6)
1.一种基于关节耦合手轮机构的行走攀爬机器人，其特征在于：包括可移动的机身(1)和设置于所述机身(1)两侧的肢臂(2)，每个肢臂(2)包括依次转动连接的近肢节(6)、中部肢节(7)和末端肢节(8)，所述末端肢节(8)上设有夹持轮(5)，所述机身(1)内设有肢臂驱动电机(22)和肢臂传动机构(21)，所述近肢节(6)内设有近肢节传动机构(43)，所述中部肢节(7)内设有中部肢节传动机构(44)，两侧肢臂(2)上的近肢节(6)、中部肢节(7)和末端肢节(8)均通过所述肢臂驱动电机(22)驱动摆动，且所述肢臂驱动电机(22)依次通过所述肢臂传动机构(21)、近肢节传动机构(43)和中部肢节传动机构(44)传递转矩；
所述肢臂传动机构(21)设有第一肢臂驱动锥齿轮(27)和第二肢臂驱动锥齿轮(30)，所述近肢节(6)通过近肢节转轴(9)与机身(1)相连，且所述近肢节转轴(9)上设有近肢节固连锥齿轮(11)，所述第一肢臂驱动锥齿轮(27)和第二肢臂驱动锥齿轮(30)分别与两侧近肢节(6)上的近肢节固连锥齿轮(11)啮合，所述中部肢节(7)通过中部肢节转轴(15)与所述近肢节(6)相连，所述末端肢节(8)通过末端肢节转轴(20)与所述中部肢节(7)相连；
所述肢臂传动机构(21)除所述第一肢臂驱动锥齿轮(27)和第二肢臂驱动锥齿轮(30)外还包括第一锥齿轮(25)、第二锥齿轮(26)、第一传动齿轮(28)和第二传动齿轮(29)，其中肢臂驱动电机(22)与一个减速机(24)相连，所述减速机(24)的输出轴与所述第一锥齿轮(25)固连，所述第一锥齿轮(25)与所述第二锥齿轮(26)啮合，所述第二锥齿轮(26)、第一肢臂驱动锥齿轮(27)和第一传动齿轮(28)同轴固连，所述第一传动齿轮(28)与所述第二传动齿轮(29)啮合，所述第二传动齿轮(29)与所述第二肢臂驱动锥齿轮(30)同轴固连；
所述近肢节传动机构(43)包括近肢节转轴锥齿轮(10)、同步锥齿轮组(13)和中部肢节固连锥齿轮(14)，其中近肢节转轴锥齿轮(10)固装于所述近肢节转轴(9)上，中部肢节固连锥齿轮(14)固装于所述中部肢节转轴(15)上，同步锥齿轮组(13)包括一个锥轴和两个锥齿轮，且两个锥齿轮分别设置于所述锥轴的两端，其中一个锥齿轮与所述近肢节转轴锥齿轮(10)啮合，另一个锥齿轮与所述中部肢节固连锥齿轮(14)啮合；
所述中部肢节传动机构(44)包括中部肢节连杆(18)、驱动连杆(17)和末端肢节连杆(19)，所述中部肢节连杆(18)固装在所述中部肢节转轴(15)上，所述末端肢节连杆(19)固装在所述末端肢节转轴(20)上，所述中部肢节连杆(18)通过所述驱动连杆(17)与所述末端肢节连杆(19)相连。
2.根据权利要求1所述的基于关节耦合手轮机构的行走攀爬机器人，其特征在于：所述近肢节(6)内设有一个支承架(12)，所述同步锥齿轮组(13)通过所述支承架(12)支承可转动地设置于近肢节(6)内；所述近肢节传动机构(43)传动比为1：1。
3.根据权利要求1所述的基于关节耦合手轮机构的行走攀爬机器人，其特征在于：所述驱动连杆(17)的两端向两侧弧状折弯，所述中部肢节传动机构(44)的输入与输出角度之比为1：1。
4.根据权利要求1所述的基于关节耦合手轮机构的行走攀爬机器人，其特征在于：所述中部肢节(7)内设有一个连杆防护架(16)，所述驱动连杆(17)穿过所述连杆防护架(16)并在所述连杆防护架(16)内摆动。
5.根据权利要求1所述的基于关节耦合手轮机构的行走攀爬机器人，其特征在于：所述机身(1)下侧前端设有前轮(4)，所述机身(1)内部设有驱动所述前轮(4)转向的前轮驱动机构(40)，所述前轮驱动机构(40)包括前轮驱动电机(23)、前轮减速机(32)和一个锥齿轮组，所述锥齿轮组包括相互啮合的前轮驱动锥齿轮(33)和前轮传动锥齿轮(34)，前轮驱动电机(23)与前轮减速机(32)相连，所述前轮减速机(32)的输出轴与所述前轮驱动锥齿轮(33)固连，所述前轮传动锥齿轮(34)固装在一个驱动轴(48)上，所述驱动轴(48)穿过机身(1)的底板后与两个前轮(4)之间的连接架(35)固连。
6.根据权利要求1所述的基于关节耦合手轮机构的行走攀爬机器人，其特征在于：所述机身(1)下侧后端设有后轮(3)，所述机身(1)内部设有驱动所述后轮(3)行走的后轮驱动机构(41)，所述后轮驱动机构(41)包括后轮驱动电机(36)、后轮减速机(37)和一个传动齿轮组，所述传动齿轮组包括相互啮合的后轮驱动齿轮(38)和后轮传动齿轮(39)，所述后轮驱动电机(36)与后轮减速机(37)相连，所述后轮减速机(37)的输出轴与所述后轮驱动齿轮(38)固连，所述后轮(3)与所述后轮传动齿轮(39)同轴固连。
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