CN106114661A - 一种基于四杆机构的履带可变形机器人移动平台 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于四杆机构的履带可变形机器人移动平台，其主要技术特点是：机器人本体包括箱体、主动传动轴、从动传动轴、驱动电机机构；轮履复合行走模块包括履带支撑连杆机构和履带机构，履带支撑连杆机构包括前支撑杆、中间连接杆、变形限位机构、第一拉杆、第一后支撑杆、变形复位机构、第二后支撑杆和第二拉杆；所述履带机构包括主动大履带轮、主动小履带轮、第一从动大履带轮、第二从动小履带轮、第一从动小履带轮、传动履带和传动行走履带。本发明设计合理，能根据障碍物的尺寸被动地改变履带的外形，并能在变形的同时自主地实现轮、履两种运动模式的切换，具有很强的自主地形适应能力，提高了轮式运动的速度，且节约能量。

Description

一种基于四杆机构的履带可变形机器人移动平台

技术领域

本发明属于机器人移动平台技术领域，尤其是一种基于四杆机构的履带可变形机器人移动平台。

背景技术

当前的机器人移动机构中，轮式机器人移动灵活，能够通过较为复杂的地面环境，但其效率低下，控制算法复杂。履带式机器人的应用研究广泛，兼具了效率和障碍物通过性能，普通的履带机器人大多为关节摆臂式结构，通过调节关节摆臂的角度，主动地适应环境变化，这类机器人很大程度上依赖于传感器所反馈的环境信息以及主动的控制调节。而被动自适应履带机器人能将环境中的约束力作为一种有效的输出，使履带外形轮廓被动地发生改变，从而更好地适应环境，从而减少了机器人对传感系统和控制系统的依赖性，并提高行走效率，成为履带机器人的一个重要研究方向。

现有的被动自适应履带机器人研究有：专利号为ZL2013101764130的中国专利公开了一种被动自适应履带可变形移动机器人平台，该机器人平台采用欠驱动的平面六杆机构作为支撑履带的机构，能通过高于履带的障碍，但其变形不大，平整路面速度较低，且辅助摆臂模块在实际应用中达不到太大效果。专利号为ZL2010102195152的中国专利公开了一种具有自适应能力的轮-履复合变形移动机器人，该机器人具有轮-履两种运动模式，但其在轮式运动时，履带作为虚拟轮仍接触地面，且要保持和主动轮相同的线速度，容易产生履带与地面的摩擦，其前轮驱动的方式使得其在轮式运动模式下越障能力不足，且需要主动避开正前方小于车体宽度的小障碍。

发明内容

本发明的目的在于弥补现有技术的不足之处，提供一种基于四杆机构的履带可变形机器人移动平台，解决了前轮驱动方式造成的轮式运动模式下越障能力不足以及平整路面的通过效率问题。

本发明解决现有的技术问题是采取以下技术方案实现的：

一种基于四杆机构的履带可变形机器人移动平台，包括机器人本体和两个轮履复合行走模块，

所述机器人本体包括箱体、主动传动轴、从动传动轴、驱动电机机构；所述主动传动轴安装在箱体内的前端并连接箱体两侧的第一车轮，所述从动传动轴安装在箱体内的后端并连接箱体两侧的第二车轮；所述驱动电机机构安装在箱体内，该驱动电机机构包括驱动电机、第一齿轮、第二齿轮、第三齿轮、第四齿轮、第五齿轮，驱动电机连接第一齿轮，第一齿轮和第二齿轮相互啮合，第二齿轮和主动传动轴配合并同步转动，第三齿轮和第二齿轮同轴同步，第三齿轮和主动传动轴配合且同轴同步，第三齿轮和第四齿轮相互啮合，第四齿轮和第五齿轮相互啮合，第五齿轮和第一车轮同轴同步，第四齿轮固装在箱底内的底板上；

所述轮履复合行走模块包括履带支撑连杆机构和履带机构，所述履带支撑连杆机构包括前支撑杆、中间连接杆、变形限位机构、第一拉杆、第一后支撑杆、变形复位机构、第二后支撑杆和第二拉杆；前支撑杆、中间连接杆、第二后支撑杆组成平行四边形机构，第二后支撑杆、第一后支撑杆、第一拉杆、第二拉杆、变形限位机构共同组成伞骨机构，该变形限位机构安装在机器人本体两侧固装的连杆机构轨道上；所述履带机构包括主动大履带轮、主动小履带轮、第一从动大履带轮、第二从动小履带轮、第一从动小履带轮、传动履带和传动行走履带；前支撑杆的两端分别轴连接在主动大履带轮和第一从动小履带轮上，中间连接杆两端分别轴连接在第一从动小履带轮和第二从动小履带轮上，第一后支撑杆、第二后支撑杆一端分别轴连接在第一从动大履带轮、第二从动小履带轮上，第一后支撑杆、第二后支撑杆另一端连接变形限位机构并与第一拉杆和第二拉杆安装在一起；所述主动小履带轮安装在主动传动轴上并且与第二齿轮同轴同步，其通过传动履带将动力传递到主动大履带轮上，所述主动大履带轮、主动小履带轮、第一从动大履带轮、第二从动小履带轮和第一从动小履带轮与传动行走履带啮合在一起。

所述主动传动轴通过主动传动轴支架安装在箱体内，该主动传动轴支架安装在箱体内底板上，该传动轴支架和61900深沟球轴承配合；所述从动传动轴通过从动传动轴支架安装在箱体内，该从动传动轴支架安装在箱体内底板上，该传动轴支架和61900深沟球轴承配合；所述驱动电机通过驱动电机支架安装在箱体内，该驱动电机支架安装在主动传动轴内侧的箱体内底板上。

所述变形复位机构为复位弹簧。

本发明的优点和积极效果是：

1、本发明采用模块化设计，具有被动自适应能力：在轮履复合行走模块中以平行四边形和曲柄滑块机构为基础构成被动自适应机构的结构基础，该结构能够根据具体障碍物的尺寸产生变形，从而使履带外轮廓的形状改变，且履带长度的变化可控制在一定的微小范围内，能够实现楼梯、斜坡、沟槽等复杂环境的平稳高效行走，并能跨越高于自身的障碍物。

2、本发明具有轮-履两种运动模式，可以被动的实现两种模式的转换，具有很强的自主地形适应能力，且不需要复杂的控制算法就可以实现；在平整路面，主动车轮和驱动后轮直接接触地面，移动平台做轮式运动，能避免出现履带作为虚拟轮仍接触地面，与地面产生摩擦的问题，且轮、履两种运动的驱动系统相互独立，提高了轮式运动的速度，且节约能量。

3、本发明设计合理，能根据环境中障碍物的尺寸被动地改变履带的外形，并能在变形的同时自主地实现轮、履两种运动模式的切换，在确保复杂地形适应能力的前提下，增强了平整路面的通过效率，避免了履带与地面的摩擦，且履带在整个变形过程中的长度变化在可控范围内，进一步增加移动平台对障碍物的通过性。

附图说明

图1为本发明的立体结构示意图；

图2为本发明的机器人本体的结构示意图；

图3a为本发明的轮履复合行走模块的结构图；

图3b为本发明的轮履复合行走模块的结构简图；

图4为本发明的机器人本体与轮履复合行走模块的连接示意图；

图5为本发明的轮履复合行走自适应原理图；

图6为本发明的机器人翻越小障碍原理图；

图7a为本发明的机器人翻越大障碍原理示意图(自适应状态一)；

图7b为本发明的机器人翻越大障碍原理示意图(自适应状态二)；

图中，1-机器人本体，2-轮履复合行走模块；1-1：侧板，1-2：前板，1-3：驱动电机支架，1-4：主传动轴支架，1-5：前车轮支架，1-6：后车轮支架，1-7：从传动轴支架，1-9：连杆机构轨道，1-8：后板，1-10：底板；2-1：前支撑杆，2-2：车轮，2-3：中间连接杆，2-4：变形限位机构，2-5：第一拉杆，2-6：第一后支撑杆，2-7：变形复位机构，2-8：第二后支撑杆，2-9:第二拉杆，2-10：从动传动轴，2-11：主动传动轴；3-1：第一从动大履带轮，3-2：第二从动小履带轮，3-3：第二车轮，3-4：第一从动小履带轮，3-5：第一车轮，3-6：主动小履带轮，3-7：传动履带，3-8：主动大履带轮，3-9：传动行走履带，3-10：第五齿轮，3-11：第三齿轮，3-12：第四齿轮，3-13：第二齿轮，3-14：第一齿轮，3-15：驱动电机，3-16：箱体。

具体实施方式

以下结合附图对本发明实施例做进一步详述：

一种基于四杆机构的履带可变形机器人移动平台，如图1所示，包括机器人本体1和两个轮履复合行走模块2，两个轮履复合行走模块对称安装在本体结构两侧。如图2及图4所示，所述机器人本体由前板1-2、后板1-8、两块侧板1-1、底板1-10、上盖(图中未示出)、驱动电机支架1-3、主传动轴支架1-4、前车轮支架1-5、后车轮支架1-6、从传动轴支架1-7、连杆机构轨道1-9和驱动电机机构组成。一块前板、一块后板、两块侧板、一块底板、一块上盖构成一个长方形箱体3-16，每个板的边缘制有安装螺纹孔并通过螺栓安装在一起。主传动轴支架、从传动轴支架起到固定和支撑主动传动轴和从动传动轴的作用，该主动传动轴支架和从传动轴支架均通过螺栓与底板上的螺纹孔进行连接，传动轴支架和61900深沟球轴承配合。前车轮支架和后车轮支架安装在底板上且位于主动传动轴支架和从动传动轴支架旁边，分别用于安装第一车轮3-5和第二车轮3-3，主动传动轴、从动传动轴分别与第一车轮和第二车轮安装在一起，两个传动轴相对于车体位置不变，在连杆机构中起机架的作用。所述驱动电机支架安装在主动传动轴内侧的底板上用于安装驱动电机机构。所述驱动电机机构包括驱动电机3-15、第一齿轮3-14、第二齿轮3-13、第三齿轮3-12、第四齿轮3-11、第五齿轮3-10，3-16；所述驱动电机安装在驱动电机支架上，所述第一齿轮和第二齿轮相互啮合，该驱动电机通过第一齿轮将动力传递到第二齿轮上，第二齿轮和主动传动轴配合并同步转动，所述第三齿轮和第二齿轮同轴同步，所述第三齿轮和第四齿轮相互啮合，第四齿轮和第五齿轮相互啮合，第三齿轮在获得动力后通过第四齿轮传递到第五齿轮，第五齿轮和第一车轮同轴同步，第三齿轮和机器人主动传动轴配合且同轴同步，第四齿轮通过齿轮支架固定于机器人本体的底板上。所述连杆机构轨道对称安装在后车轮支架外侧的侧板上，其通过内六角螺栓和侧板进行连接；该连杆机构轨道有两个功能，一方面作为滑块轨道用于限制连杆机构的运动方向并确定轨迹，另一方面连杆机构轨道设计成闭式结构，起前后极限位置限位的作用。

如图3a、图3b及图4所示，所述轮履复合行走模块包括履带支撑连杆机构、车轮2-2和履带机构。所述履带支撑连杆机构包括前支撑杆2-1、中间连接杆2-3、变形限位机构2-4、第一拉杆2-5、第一后支撑杆2-6、变形复位机构2-7、第二后支撑杆2-8、第二拉杆2-9。第二后支撑杆和前支撑杆通过中间连接杆相连接，前支撑杆、中间连接杆、第二后支撑杆组成平行四边形机构，第一后支撑杆会跟随前支撑杆的转动而转动且同步转动。第二后支撑杆、第一后支撑杆、第一拉杆、第二拉杆、变形限位机构共同组成伞骨机构，该变形限位机构安装在机器人本体的左右侧板上，通过螺栓固定的方式固定，该变形限位机构除限制四杆机构变形位置外，也充当移动副作为第一拉杆、第二拉杆铰接点的轨道限制铰接点移动方向。第二后支撑杆转动时，推动第一拉杆运动，第一拉杆推动移动滑块在变形限位机构中运动，移动滑块运动的同时，拉动第二拉杆，第二拉杆拉动第一后支撑杆。第一拉杆和第二拉杆长度相等，因此第一后支撑杆和第二后支撑杆之间的角度以相同的角度增量增大，随着前支撑杆和后支撑杆角度的增大。随着前支撑杆和后支撑杆角度的增大，机器人中心抬高，并且运动模式逐渐由轮式转化到履带式，完成越障。变形复位机构的作用是机器人行走机构在越过障碍物或者越过复杂的环境到达较适合轮式运动模式的环境后，使行走机构由履带运动模式恢复到轮式运动模式。

所述履带机构包括主动大履带轮3-8、主动小履带轮3-6、第一从动大履带轮3-1、第二从动小履带轮3-2、第一从动小履带轮3-4、传动履带3-7和传动行走履带3-9。履带机构与履带支撑连杆机构具体安装方式为：前支撑杆的两端分别轴连接在主动大履带轮和第一从动小履带轮上，中间连接杆两端分别轴连接在第一从动小履带轮和第二从动小履带轮上，第一后支撑杆、第二后支撑杆一端分别轴连接在第一从动大履带轮、第二从动小履带轮上，第一后支撑杆、第二后支撑杆另一端连接变形限位机构并与第一拉杆和第二拉杆安装在一起。所述主动小履带轮安装在主动传动轴上并且与第二齿轮同轴同步，其通过传动履带将动力传递到主动大履带轮上，所述主动大履带轮和传动行走履带为啮合的H型同步带轮传动。履带轮主要起支撑履带并且和履带同步啮合传动运动的作用。

本发明的电机驱动原理为：驱动电机通过第一齿轮将动力传递到第二齿轮上，第二齿轮和主动传动轴配合，同步转动。第二齿轮的动力分成两股：其一，第二齿轮和主动小履带轮同轴同步，主动小履带轮通过传动履带将动力传递到主动大履带轮，主动小履带轮安装于主动传动轴，并且和主动传动轴同步转动，从动大履带轮、第一从动小履带轮、主动大履带轮、第二从动小履带轮安装于轮履复合行走模块，共同支撑传动行走履带。因此，主动大履带轮在获得动力后驱动传动行走履带；其二，第三齿轮和第二齿轮同轴同步，第三齿轮在获得动力后通过第四齿轮传递到第五齿轮，第五齿轮和第一车轮3-5同轴同步。第二车轮为从动轮。第三齿轮和机器人主动传动轴配合，且同轴同步。

本移动平台的机器人被动自适应原理如图5所示，杆ABC、杆CD、杆DF、杆BF组成平行四边形机构，杆FD、杆EH、滑块H组成第一曲柄滑块机构，滑块方向根据机器人整体结构确定方向，杆FG、杆HG、滑块H组成的第二曲柄滑块机构并与第一曲柄滑块机构对称，其中杆FE、杆FG等长。因此，在杆ABC受到力F作用后开始旋转，旋转的杆ABC带动连杆CD平动，杆CD拉动杆FD，从而驱动曲柄滑块机构1，将杆ABC的转动转化成滑块H的平动，滑块的平动又带动曲柄FG的转动。

如图6所示，机器人在翻越小障碍物时，机器人在轮式运动模式下即可翻越障碍。当机器人翻越较大障碍物时，机器人从轮式运动模式转换成履带式运动模式。其转换过程如机器人遇到较高障碍物时，如图7a中所示，机器人所保持的轮式运动模式不足以跨越障碍，在外力的干涉下，机器人开始运动模式的转换，由轮式转化到履带式运动模式，以跨越障碍，如图7b所示。

需要强调的是，本发明所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明包括并不限于具体实施方式中所述的实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本发明保护的范围。

Claims (3)

1.一种基于四杆机构的履带可变形机器人移动平台，包括机器人本体和两个轮履复合行走模块，其特征在于：

所述机器人本体包括箱体、主动传动轴、从动传动轴、驱动电机机构；所述主动传动轴安装在箱体内的前端并连接箱体两侧的第一车轮，所述从动传动轴安装在箱体内的后端并连接箱体两侧的第二车轮；所述驱动电机机构安装在箱体内，该驱动电机机构包括驱动电机、第一齿轮、第二齿轮、第三齿轮、第四齿轮、第五齿轮，驱动电机连接第一齿轮，第一齿轮和第二齿轮相互啮合，第二齿轮和主动传动轴配合并同步转动，第三齿轮和第二齿轮同轴同步，第三齿轮和主动传动轴配合且同轴同步，第三齿轮和第四齿轮相互啮合，第四齿轮和第五齿轮相互啮合，第五齿轮和第一车轮同轴同步，第四齿轮固装在箱底内的底板上；

所述轮履复合行走模块包括履带支撑连杆机构和履带机构，所述履带支撑连杆机构包括前支撑杆、中间连接杆、变形限位机构、第一拉杆、第一后支撑杆、变形复位机构、第二后支撑杆和第二拉杆；前支撑杆、中间连接杆、第二后支撑杆组成平行四边形机构，第二后支撑杆、第一后支撑杆、第一拉杆、第二拉杆、变形限位机构共同组成伞骨机构，该变形限位机构安装在机器人本体两侧固装的连杆机构轨道上；所述履带机构包括主动大履带轮、主动小履带轮、第一从动大履带轮、第二从动小履带轮、第一从动小履带轮、传动履带和传动行走履带；前支撑杆的两端分别轴连接在主动大履带轮和第一从动小履带轮上，中间连接杆两端分别轴连接在第一从动小履带轮和第二从动小履带轮上，第一后支撑杆、第二后支撑杆一端分别轴连接在第一从动大履带轮、第二从动小履带轮上，第一后支撑杆、第二后支撑杆另一端连接变形限位机构并与第一拉杆和第二拉杆安装在一起；所述主动小履带轮安装在主动传动轴上并且与第二齿轮同轴同步，其通过传动履带将动力传递到主动大履带轮上，所述主动大履带轮、主动小履带轮、第一从动大履带轮、第二从动小履带轮和第一从动小履带轮与传动行走履带啮合在一起。

2.根据权利要求1所述的一种基于四杆机构的履带可变形机器人移动平台，其特征在于：所述主动传动轴通过主动传动轴支架安装在箱体内，该主动传动轴支架安装在箱体内底板上，该传动轴支架和61900深沟球轴承配合；所述从动传动轴通过从动传动轴支架安装在箱体内，该从动传动轴支架安装在箱体内底板上，该传动轴支架和61900深沟球轴承配合；所述驱动电机通过驱动电机支架安装在箱体内，该驱动电机支架安装在主动传动轴内侧的箱体内底板上。

3.根据权利要求1所述的一种基于四杆机构的履带可变形机器人移动平台，其特征在于：所述变形复位机构为复位弹簧。