CN106697097A - 一种欠驱动变形轮式越障机器人 - Google Patents

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姚燕安
王杰
王志瑞
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Abstract

一种欠驱动变形轮式越障机器人，其整体外形呈“T”字型，由两个单动力驱动的结构相同的轮系及车身构成，其中两个轮系与车身形成转动配合。车子在滚动前进过程中，可以通过控制电机的正反转来反转车身以及控制轮系中钩爪的伸缩。当其在平坦的路面上滚动时，可将轮子变为圆形进行滚动前进。当其遇到障碍物时，可通过电机的反转进而带动车身反转180°，此时轮系变形为钩爪模式，可翻越一定高度的障碍。本发明创造性的将欠驱动原理融入到车轮轮系之中，实现了单个电机同时控制车轮变形以及滚动的功能，提供了一种机械结构较为简单且制造成本较低的欠驱动变形轮式越障机器人。

Description

一种欠驱动变形轮式越障机器人
技术领域
本发明涉及机器人技术领域，具体涉及一种欠驱动变形轮式越障机器人。
背景技术
目前常见轮式越障机器人大都是在车轮的基础上赋予其变形能力从而使其具有越障能力。
中国专利CN103407327A提出一种单自由度变形车轮，该单自由度变形车轮主要由：轮板、轮辋、轮毂、曲柄、曲柄连杆、辐条构成。轮辋通过辐条与轮毂套管配合，轮毂插杆插入轮辋、轮毂套管中，轮板布置于轮辋上，通过曲柄、曲柄连杆连接，组成该单自由度变形车轮的机构部分。在电机驱动下，曲柄带动机构转动变形，实现该车轮有效轮径变化。但该车轮在变形前后外形仍然保持轮形，轮形结构限制了其越障能力。
中国专利CN203958366U公开了“一种欠驱动自适应越障轮系”，其结构为多臂星形轮系，包括齿轮箱、轮架轴、中轴、小轴和车轮，轮架轴通过轴承设置在齿轮箱上，在轮架轴上固定套装有大齿轮；所述中轴和小轴固定在齿轮箱内，在中轴上活动套装有中齿轮，在小轴上活动套装有小齿轮，所述小齿轮、中齿轮和大齿轮均设置在齿轮箱内；车轮与小齿轮数量相同，且与小齿轮固定连接，大齿轮与中齿轮相啮合，中齿轮与小齿轮相啮合；其在运行的过程中，可以越过路上的障碍，也可以实现爬楼梯的功能。但其结构较为复杂，三个独立的轮子降低了它的能量利用效率并且增加了轮系自身的质量。
综上所述，轮式越障机器人速度快、运动噪声低，但目前常见的轮式越障机器人大都是在轮子的基础上加上复杂的变形机构以及控制系统，结构复杂，控制繁琐，且成本较高。
发明内容
本发明要解决的技术问题：本发明的目的在于克服上述不足，提供一种由单电机驱动的同时具有变形与滚动能力的轮式越障机器人。
本发明的技术方案：一种欠驱动变形轮式越障机器人包括车身、左轮系与右轮系。
所述车身外形呈“T”字型，左轮系与右轮系均为单动力可变形轮系；左轮系、右轮系与车身形成转动配合。
所述车身由车体外壳，电机，左支撑座和右支撑座构成；其中电机与车体外壳实现固定连接，左支撑座、右支撑座与车体外壳形成固定连接；电机的输出轴通过轴承与左支撑座、右支撑座形成转动配合，左支撑座、右支撑座对左轮系和右轮系的输入轴以及电机的输出轴起到支撑作用。
所述的左轮系由轮毂部分，曲柄滑块部分和输入轴部分组成。
所述左轮系中部件的连接方式为：轮毂部分与输入轴部分转动连接，曲柄滑块部分与输入轴部分固定连接。
所述的轮毂部分由轮盘1、轮盘2、连接轴1、连接轴2、连接轴3以及轴承1、轴承2构成；轮盘1与轮盘2通过连接轴1、连接轴2、连接轴3形成固定连接；连接轴1、连接轴2、连接轴3在形状以及机械机构上完全相同；轴承1与轮盘1实现固定连接，轴承2与轮盘2实现固定连接。
所述的曲柄滑块部分由曲柄、第一连杆、第二连杆、第三连杆、第一钩爪、第二钩爪、第三钩爪、第一滑块导轨、第二滑块导轨、第三滑块导轨、第一限位螺栓、第二限位螺栓和第三限位螺栓、滚动轴承、推力轴承、轴1、轴2构成。
以曲柄与第一连杆、第一钩爪、第一滑块导轨、第一限位螺栓的连接方式为例，曲柄与第一连杆形成转动连接；第一连杆与第一钩爪之间形成转动连接；第一滑块导轨与轮盘1形成固定连接。
所述的曲柄滑块部分中，第一连杆、第二连杆、第三连杆的零件形状以及装配方式完全相同；第一钩爪、第二钩爪、第三钩爪的零件形状以及装配方式完全相同；第一滑块导轨、第二滑块导轨、第三滑块导轨的零件形状以及装配方式完全相同；第一限位螺栓、第二限位螺栓、第三限位螺栓的零件形状以及装配方式完全相同；滚动轴承、推力轴承均为标准件。
所述的输入轴部分由主轴，轴套，套筒1和套筒2构成；主轴上开有键槽，主轴与曲柄之间通过键实现固定连接，轴套、套筒1、套筒2均套在主轴上通过阶梯轴实现轴向定位。
右轮系与左轮系的机械结构以及装配方式完全相同。
本发明与现有技术比较，其优点和有益成果是：
(1)本发明创造性的将欠驱动原理融入到车轮轮系之中，实现了单电机同时控制车轮变形以及滚动的功能。
(2)本发明所述的欠驱动轮式越障机器人具有较强的地面适应能力，当其在平坦的路面上前进时，车轮整周回转向前滚动，当其在地面上遇到障碍物时，可控制车轮变形为钩爪模式达到翻越障碍物的目的。
(3)本发明与现有研究技术相比，提供一种机械结构较为简单且制造成本较低的欠驱动变形轮式越障机器人。
附图说明
图1一种欠驱动变形轮式越障机器人整体三维图；
图2车身整体三维图；
图3左轮系整体三维图；
图4左轮系中轮毂部分整体三维图；
图5左轮系中曲柄滑块部分内部结构示意图；
图6左轮系中输入轴部分示意图；
图7欠驱动变形轮式越障机器人变形过程分解图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明
如图1所示，一种欠驱动变形轮式越障机器人由车身A和左轮系B、右轮系C组成；左轮系B、右轮系C的输入轴与车身A的电机轴通过轴承以及联轴器形成转动副连接。
如图2所示，车身A由车体外壳A-1、电机A-2、左支撑座A-3、右支撑座A-4构成。其中电机A-2本身具有安装孔，与车体外壳A-1实现固定连接；左支撑座A-3、右支撑座A-4通过螺栓与车体外壳实现固定连接。左支撑座A-3、右支撑座A-4对左轮系B和右轮系C的输入轴以及电机A-2的输出轴起到支撑作用。
如图3所示，左轮系B由轮毂部分B-1、曲柄滑块部分B-2、输入轴部分B-3组成。其中轮毂部分B-1与输入轴部分B-3通过轴承实现转动连接；曲柄滑块部分B-2与输入轴部分B-3通过键实现固定连接。
如图4所示,轮毂部分B-1由轮盘1B-1-1、轮盘2B-1-2、连接轴1B-1-3、连接轴2B-1-4、连接轴3B-1-5以及轴承1B-1-6、轴承2B-1-7构成；连接轴1B-1-3、连接轴2B-1-4、连接轴3B-1-5在形状以及机械机构上完全相同；轮盘1B-1-1与轮盘2B-1-2、连接轴1B-1-3、连接轴2B-1-4、连接轴3B-1-5通过螺栓形成固定连接；轴承1B-1-6与轮盘1B-1-1实现固定连接；轴承2B-1-7与轮盘2B-1-2固定连接。轮盘B-1-1、轮盘B-1-2的中心开有轴承孔用以装轴承，轮盘B-1-1、轮盘B-1-2与输入轴B-2之间通过轴承形成转动副连接。
如图5所示，曲柄滑块部分B-2由曲柄B-2-1、第一连杆B-2-2、第二连杆B-2-3、第三连杆B-2-4、第一钩爪B-2-5、第二钩爪B-2-6、第三钩爪B-2-7、第一滑块导轨B-2-8、第二滑块导轨B-2-9、第三滑块导轨B-2-10、第一限位螺栓B-2-11、第二限位螺栓B-2-12、第三限位螺栓B-2-13、滚动轴承B-2-14、推力轴承B-2-15、轴1B-2-16、轴2B-2-17构成。
以曲柄B-2-1与第一连杆B-2-2、第一钩爪B-2-5、第一滑块导轨B-2-8、第一限位螺栓B-2-11的连接方式为例，曲柄B-2-1与第一连杆B-2-2通过轴1B-2-16以及滚动轴承B-2-14、推力轴承B-2-15形成转动副连接。第一连杆B-2-2与第一钩爪B-2-5之间通过轴2B-2-17以及滚动轴承B-2-14、推力轴承B-2-15形成转动副连接。第一滑块导轨B-2-8通过螺栓与轮盘1B-1-1形成固定连接，其中滑块可在其导轨上自由滑动；第一钩爪B-2-5与安装在轮盘1B-1-1上的第一滑块导轨B-2-8形成固定连接。第一限位螺栓B-2-11穿过第一滑块导轨B-2-8与轮盘1B-1-1形成固定连接。
在曲柄滑块部分B-2中，第一连杆B-2-2、第二连杆B-2-3、第三连杆B-2-4的零件形状以及装配方式完全相同；第一钩爪B-2-5、第二钩爪B-2-6、第三钩爪B-2-7的零件形状以及装配方式完全相同；第一滑块导轨B-2-8、第二滑块导轨B-2-9、第三滑块导轨B-2-10的零件形状以及装配方式完全相同；第一限位螺栓B-2-11、第二限位螺栓B-2-12、第三限位螺栓B-2-13的零件形状以及装配方式完全相同。
如图6所示，输入轴部分B-3由主轴B-3-1，轴套B-3-2，套筒1B-3-3和套筒2B-3-4构成；主轴B-3-1上开有键槽，主轴B-3-1与曲柄B-2-1之间通过键实现固定连接，轴套B-3-2、套筒1B-3-3、套筒2B-3-4均套在主轴B-3-1上通过阶梯轴实现轴向定位。
右轮系C与左轮系B的机械结构以及装配方式完全相同。
图7为欠驱动变形轮式越障机器人变形过程分解图。车子在滚动前进过程中，可以通过控制电机的正反转来反转车身以及控制轮系中钩爪的伸缩。
图7(a)至图7(d)为该机器人从钩爪模式变形为车轮模式的示意图，当电机正转，曲柄带动滑块导轨上的钩爪缩回轮毂内部，左、右轮系变为圆形进行滚动前进。
反之，图7(d)至图7(a)为该机器人从车轮模式变形为钩爪模式的示意图。当电机反转，曲柄带动滑块导轨上钩爪的伸出轮毂外部，当钩爪接触到限位螺栓，由于受到电机扭矩的作用，钩爪在到达限位螺栓的位置后，相当于与轮盘固连为一体，此时整个左、右轮系变形为钩爪模式，可翻越一定高度的障碍。

Claims (1)

1.一种欠驱动变形轮式越障机器人，其特征在于：该欠驱动变形轮式越障机器人由车身(A)、左轮系(B)以及右轮系(C)构成；
所述车身(A)外形呈“T”字型，左轮系(B)与右轮系(C)均为单动力可变形轮系；左轮系(B)、右轮系(C)与车身(A)形成转动配合；
所述车身(A)由车体外壳(A-1)，电机(A-2)，左支撑座(A-3)和右支撑座(A-4)构成；其中电机(A-2)与车体外壳(A-1)实现固定连接，左支撑座(A-3)、右支撑座(A-4)与车体外壳(A-1)形成固定连接；电机(A-2)的输出轴通过轴承与左支撑座(A-3)、右支撑座(A-4)形成转动配合；左支撑座(A-3)、右支撑座(A-4)对左轮系(B)和右轮系(C)的输入轴以及电机(A-2)的输出轴起到支撑作用；
所述的左轮系(B)由轮毂部分(B-1)，曲柄滑块部分(B-2)和输入轴部分(B-3)组成；
所述左轮系(B)中部件的连接方式为：轮毂部分(B-1)与输入轴部分(B-3)转动连接；曲柄滑块部分(B-2)与输入轴部分(B-3)固定连接；
所述的轮毂部分(B-1)由轮盘1(B-1-1)、轮盘2(B-1-2)、连接轴1(B-1-3)、连接轴2(B-1-4)、连接轴3(B-1-5)以及轴承1(B-1-6)、轴承2(B-1-7)构成；轮盘1(B-1-1)与轮盘2(B-1-2)通过连接轴1(B-1-3)、连接轴2(B-1-4)、连接轴3(B-1-5)形成固定连接；连接轴1(B-1-3)、连接轴2(B-1-4)、连接轴3(B-1-5)在形状以及机械结构上完全相同；轴承1(B-1-6)与轮盘1(B-1-1)实现固定连接；轴承2(B-1-7)与轮盘2(B-1-2)实现固定连接；
所述的曲柄滑块部分(B-2)由曲柄(B-2-1)、第一连杆(B-2-2)、第二连杆(B-2-3)、第三连杆(B-2-4)、第一钩爪(B-2-5)、第二钩爪(B-2-6)、第三钩爪(B-2-7)、第一滑块导轨(B-2-8)、第二滑块导轨(B-2-9)、第三滑块导轨(B-2-10)、第一限位螺栓(B-2-11)、第二限位螺栓(B-2-12)、第三限位螺栓(B-2-13)、滚动轴承(B-2-14)、推力轴承(B-2-15)、轴1(B-2-16)、轴2(B-2-17)构成；
以曲柄(B-2-1)与第一连杆(B-2-2)、第一钩爪(B-2-5)、第一滑块导轨(B-2-8)、第一限位螺栓(B-2-11)的连接方式为例，曲柄(B-2-1)与第一连杆(B-2-2)形成转动连接；第一连杆(B-2-2)与第一钩爪(B-2-5)之间形成转动连接；第一滑块导轨(B-2-8)与轮盘1(B-1-1)形成固定连接；
所述的曲柄滑块部分(B-2)中，第一连杆(B-2-2)、第二连杆(B-2-3)、第三连杆(B-2-4)的零件形状以及装配方式完全相同；第一钩爪(B-2-5)、第二钩爪(B-2-6)、第三钩爪(B-2-7)的零件形状以及装配方式完全相同；第一滑块导轨(B-2-8)、第二滑块导轨(B-2-9)、第三滑块导轨(B-2-10)的零件形状以及装配方式完全相同；第一限位螺栓(B-2-11)、第二限位螺栓(B-2-12)、第三限位螺栓(B-2-13)的零件形状以及装配方式完全相同；滚动轴承(B-2-14)、推力轴承(B-2-15)均为标准件；
所述的输入轴部分(B-3)由主轴(B-3-1)，轴套(B-3-2)，套筒1(B-3-3)和套筒2(B-3-4)构成；主轴(B-3-1)上开有键槽，主轴(B-3-1)与曲柄(B-2-1)之间通过键实现固定连接；轴套(B-3-2)、套筒1(B-3-3)、套筒2(B-3-4)均套在主轴(B-3-1)上通过阶梯轴实现轴向定位；
右轮系(C)与左轮系(B)的机械结构以及装配方式完全相同。
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