CN107021145A - 一种变位驱动机构及变姿态移动机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种变位驱动机构及变姿态移动机器人。变姿态移动机器人包括底座及变位驱动机构。变位驱动机构包括两个驱动件、至少三个支脚、及驱动装置，两个驱动件沿一中心轴排布，至少三个支脚环绕驱动件排布，各支脚上远离中心轴的一端设置有全向轮，各支脚均同时转动连接于两个驱动件，且两个驱动件连接至支脚长度方向上相异位置处；驱动装置连接于驱动件，用以驱动两个驱动件沿中心轴相互靠近或远离。通过两个驱动件的相对移动实现支脚的摆动，驱动件较小位移即可实现全向轮的较大幅度移动，使得整体结构紧凑；利用全向轮可以实现多个自由度运动，且全向轮的位置变化可以实现对不同部件的运动控制，采用较少驱动器即可，降低成本。

Description

一种变位驱动机构及变姿态移动机器人

技术领域

本发明涉及机器人领域，尤其涉及一种变位驱动机构及变姿态移动机器人。

背景技术

当前流行桌面机器人基本采用云台设计方式，实现头部俯仰及水平旋转，通常结构紧凑但工作区间有限，应用场景固定。这类只依靠云台调节姿态的产品，无法实现机器人整体的平面移动。

对于多自由度机器人系统，通常每个自由度都需要配置一个驱动器。如果桌面机器人需要调节姿态并平面移动，则需要设计移动底盘再叠加云台来实现。然而，采用在移动底盘上装云台这种设计常常存在部分驱动器使用率不高，例如装有底盘的可移动桌面机器人通常被放在桌子上不移动。因此，如何利用少量驱动器实现复杂多自由度系统对机构设计是尚待解决的技术问题。

发明内容

本发明实施例提供一种变位驱动机构及变姿态移动机器人，其可以利用少量驱动器实现多自由度运动，结构紧凑，降低成本。

一方面，本发明实施例提供了一种变位驱动机构，包括两个驱动件、至少三个支脚、及驱动装置，两个所述驱动件沿一中心轴排布，所述至少三个支脚环绕所述驱动件排布，各所述支脚上远离所述中心轴的一端设置有全向轮，各所述支脚均同时转动连接于两个所述驱动件，且两个所述驱动件连接至所述支脚长度方向上相异位置处；所述驱动装置连接于所述驱动件，用以驱动两个所述驱动件沿所述中心轴相互靠近或远离。

其中，两个所述驱动件分别为固定件及活动件，所述固定件相对所述底座固定设置，所述活动件连接于所述驱动装置，并在所述驱动装置的带动下沿所述中心轴移动。

其中，所述活动件与所述支脚之间设置有滑动结构，所述滑动结构用于使所述活动件与所述支脚能够同时相对滑动及转动；所述滑动结构包括滑槽及滑动销轴，所述滑槽设置于所述活动件或所述支脚，相应所述滑动销轴设置于所述支脚或所述活动件，所述滑动销轴滑动穿设所述滑槽，以使所述滑动销轴能够靠近及远离所述中心轴移动；或者，

所述活动件上设置有摇杆，所述摇杆的两端分别转动连接于所述支脚与活动件。

其中，所述活动件连接至所述支脚长度方向的中间位置，所述固定件连接至所述支脚上靠近所述中心轴的一端；或者，

所述固定件连接至所述支脚长度方向的中间位置，所述活动件连接至所述支脚上靠近所述中心轴的一端。

其中，所述驱动装置包括丝杆及驱动电机，所述丝杆沿所述中心轴设置，所述丝杆绕自身轴向转动连接于所述固定件，所述活动件上设置有与所述丝杆相配合的螺纹孔，所述丝杆螺纹连接于所述螺纹孔，所述驱动电机传动连接于所述丝杆，以带动所述丝杆绕自身轴向转动，进而带动所述活动件沿所述丝杆移动；或者，

所述驱动装置为气缸，所述气缸固定于所述固定件，所述气缸的活塞与所述活动件固定连接，所述气缸的活塞沿所述中心轴伸缩移动；或者，

所述驱动装置包括驱动电机、齿轮及齿条，所述齿条沿中心轴设置，所述齿条与活动件固定连接，所述齿轮与齿条相啮合，所述驱动电机固定于所述固定件，所述驱动电机传动连接于齿轮，以带动齿条直线移动。

其中，两个所述驱动件均沿所述中心轴移动设置，以同时相互靠近移动或远离移动；

所述驱动装置为两个，分别驱动两个所述驱动件移动；或者，

所述驱动装置为一个，同时驱动两个所述驱动件移动。

其中，在所述驱动装置为一个的情况下，所述驱动装置包括正反丝杆及驱动电机，两个所述驱动件分别螺纹连接至所述正反丝杆的两端，所述驱动电机传动连接于所述正反丝杆，用以驱动所述正反丝杆绕自身轴向转动。

另一方面，本发明提供了一种变姿态移动机器人，包括底座及前述的变位驱动机构；所述变位驱动机构设置在所述底座内。

其中，所述底座为壳体状；所述底座的底部为开口状，所述底座的顶部设置有顶板，所述顶板上与全向轮相对应的位置处设置有通孔。

其中，所述变位驱动机构中的一个驱动板与所述底座固定连接；或者，

所述底座的一部分形成一个所述驱动板。

其中，所述变姿态移动机器人还包括主体，所述主体放置于所述底座上，所述主体具有一朝向所述底座的球形面。

本发明实施例提供的变位驱动机构及变姿态移动机器人，底座内含有至少三个带全向轮的支腿，通过两个驱动件的相对移动实现支脚的摆动，驱动件较小位移即可实现全向轮的较大幅度移动，使得整体结构紧凑；利用全向轮可以实现多个自由度运动，且全向轮的位置变化可以实现对不同部件的运动控制，采用较少驱动器即可，降低成本。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明优选实施例提供的变姿态移动机器人的结构示意图；

图2是图1中变姿态移动机器人中主体与底座分离时的结构示意图；

图3是图1中变姿态移动机器人的变位驱动机构支撑于主体时轴向剖视图；

图4是图1中变姿态移动机器人的变位驱动机构支撑于底座时轴向剖视图；

图5是图3中变位驱动机构的立体示意图；

图6是图5中变位驱动机构另一角度的示意图；

图7是图6中变位驱动机构的轴向剖面图；

图8是图4中变位驱动机构的立体示意图；

图9是图8中变位驱动机构的轴向剖面图；

图10是本发明另一实施例提供的变姿态移动机器人的示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

参见图1-4，为本发明中优选实施例提供的一种变姿态移动机器人，包括主体100、底座200及变位驱动机构300，主体100放置于底座200上，变位驱动机构300设置于底座200内，变位驱动机构300能够支撑在底座200的下方，带动底座200及主体100进行移动，变位驱动机构300通过变位调节，可以抵接并支撑在主体100的下方，仅带动主体100动作。

主体100可以作为用户交互界面或装载功能器件，例如可以设置有摄像头、微型投影仪、交互器件(显示屏、喇叭等)、传感器(摄像头、Mic阵列、惯性传感器件等)、处理器、电源等。主体独立可工作，不含有机械驱动机构，并且可以直接从底座200上取下。本实施例中，主体100装载有摄像头，当然在其他实施例中，如图10所示，主体还可以装载有人机交互界面的触控显示屏等。使用者可以根据需要替换成具有不同功能的主体100。主体100也可以为使用者自行购买的装饰品等物件。主体100可以为整体球形，以方便实现角度变化，主体100可以仅具有一朝向底座的球形面，例如仅主体100的底部为球形面，实现与变位驱动机构300的配合。利用球形面与全向轮的配合，可以实现主体200的动作变化。

如图2-4所示，底座200为壳体状，以形成收容变位驱动机构300的空间。底座200的底部为开口状，以便将变位驱动机构300从底部装入到底座200内。底座200的顶部设置有顶板201，顶板201上与全向轮相对应的位置处设置有通孔202，以方便变位驱动机构300经过变位后能够通过通孔202突出于底座200的上表面，以便能够支撑在主体100的下方。

如图5-图9所示，变位驱动机构300包括两个驱动件(分别为固定件3及活动件4)、至少三个支脚1、及驱动装置2。各支脚1均与同时两个驱动件转动配合，驱动装置2驱动两个驱动件相对靠近或远离运动，可以使得支脚1摆动，从而使得支脚1可以支撑在底座200的下方，并可以变位使得支脚1支撑在主体100的下方。

两个驱动件沿一中心轴排布。可以理解的，中心轴为自底座200顶部至底部的轴向，当底座200摆放在水平面上时，中心轴即为竖直轴。

至少三个支脚1环绕驱动件排布，以使得各支脚1均可以与驱动件相连。各支脚1上远离中心轴的一端设置有全向轮11，两个驱动件连接至支脚1长度方向上相异位置处，驱动装置2连接于驱动件，用以带动两个驱动件沿中心轴相互靠近或远离，以使支脚1摆动，进而使支脚1上的全向轮11上下移动，当支脚1摆动使全向轮11移动至较低位置处时，全向轮11突出于底座200的底面并支撑在底座200的下方，带动底座200及主体100进行移动，支脚1摆动使全向轮11移动至高位置处时，全向轮11可以突出于底座200的顶面，以抵接并支撑在主体100的下方，使主体100向上离开底座200的顶面，全向轮11可以仅带动主体100动作。

本实施例中，支脚1为三个，利用三个支脚1即可实现对底座200及主体100的平稳支撑。当然，在其他实施例中，也可以设置更多支脚1。

支脚1端部设置全向轮11，利用三个全向轮11可以实现多角度驱动，实现底座200的多方位平移，以及主体100的多角度转动。底座200的顶板201上与三个全向轮11对应设置有三个通孔202，以便使得全向轮11能够突出于底座200的顶面而将主体100支撑起。支脚1的内部设置有全向驱动器12，全向驱动器12连接于全向轮11，用于为全向轮11提供驱动力。

本实施例中，参见图7至图9，两个驱动件一个固定设置，一个活动设置，故分别命名为固定件3及活动件4，固定件3相对底座200固定设置，活动件4连接于驱动装置2，并在驱动装置2的带动下沿中心轴移动。固定件3可以直接与底座200固定连接，也可以通过其他结构件实现与底座200的固定连接，或者与底座200内其他固定不动的部件相固定连接，使得底座200与固定件3的位置保持固定即可。固定件3与支脚1转动连接。支脚1上靠近中心轴的一端设置有销轴13，销轴13与固定件3转动连接。

活动件4在驱动装置2的带动下移动，即可实现活动件4与固定件3二者之间的位置变化。活动件4连接至支脚1长度方向的中间位置。此处，可以理解的是，支脚1长度方向的中间位置是指支脚1上位于其两端之间的某一位置，并非一定是正中间，该中间位置越靠近中心轴，支脚1的摆动幅度越大。另外，在其他实施方式中，也可以是，活动件4连接至支脚1上靠近中心轴的一端，固定件3连接至支脚1长度方向的中间位置，只要活动件4与固定件3二者相对靠近或远离移动能够使得支脚1上的全向轮11上下摆动即可。

活动件4相对于固定件3靠近底座200的顶部，以使得三个支脚1设置有全向轮11的端部处于聚拢状态，从而能够更好地与主体100相配合抵接。在其他实施方式中，也可以是，活动件4相对固定件3靠近底座200的底部。

活动件4与支脚1之间设置有滑动结构5，滑动结构5用于使活动件4与支脚能够同时相对滑动及转动，以方便构成曲柄滑块机构。滑动结构5包括滑槽51及滑动销轴52，滑槽51设置于活动件4，相应滑动销轴52设置于支脚1，滑动销轴52滑动穿设滑槽51，以使滑动销轴52能够靠近及远离中心轴移动，利用滑动结构5，使得支脚1在摆动过程中，支脚1即可以相对活动件4转动，又可以在中心轴径向上产生位移，以形成曲柄滑块机构，方便实现支脚1的摆动。滑动结构5包括的滑槽51为两个，滑动销轴52的两端分别位于两个滑槽51中，支脚1位于两个滑槽51之间，利用两个滑槽51与滑动销轴52的配合，可以保证支脚1在摆动过程中的稳定性，且可以增强结构强度。此处，在其他实施方式中，也可以是，滑槽51设置于支脚1，相应滑动销轴52设置于活动件4。另外，本实施例中利用曲柄滑块机构使得支脚摆动，作为另一种实施方式，活动件4上可以设置摇杆，摇杆的两端分别转动连接至支脚与活动件，从而构成曲柄摇杆机构，也可以使得支脚摆动。

活动件4整体可以呈圆盘状。滑动结构还包括条形件53，滑槽51设置在所述条形件53上。利用条形件53，可以方便设置滑槽51。条形件53的数目与滑槽51数目相同，二者一一对应。各条形件53对应设置有一滑槽51，即本实施例中一个滑动结构5对应有两个条形件53，条形件53沿活动件4的径向固定设置在活动件上，活动件4上对应设置有六个条形件53。当滑槽设置在支脚上时，对应条形件设置在支脚上。

进一步，支脚1上设置有凸起14，凸起14位于支脚1长度方向上的中间位置，且处于支脚1的上侧位置处，滑动销轴52的中部安装于凸起14，利于凸起14可以方便滑动销轴52的装配。

驱动装置2包括丝杆21及驱动电机22，丝杆21沿中心轴设置，丝杆21绕自身轴向转动连接于固定件3，活动件4上设置有与丝杆21相配合的螺纹孔，丝杆21螺纹连接于螺纹孔，驱动电机22传动连接于丝杆21，以带动丝杆21绕自身轴向转动，进而带动活动件4沿丝杆21移动。

为了保证丝杆21转动的稳定性，丝杆21与固定件3之间设置有轴承23。进一步，由于固定件3位于活动件4下方，丝杆21的底部可以与固定件3转动连接，丝杆21的顶端可以与底座200的顶板201转动连接，使得丝杆21的两端均有支撑，可以有效保证丝杆21转动的稳定性。

活动件4上设置有螺母41，螺纹孔形成在螺母41中。利用螺母41可以方便在活动件4上形成螺纹孔，从而利于加工制备。当然，在其他实施方式中，也可以直接在活动件4上开设螺纹孔。

驱动电机22可以与固定件3固定连接，也可以与底座200固定连接，使得驱动电机22相对底座200固定设置即可。驱动电机22与丝杆21之间通过齿轮组传动连接。此处的传动连接是指，驱动电机22能够将自身的转动力传递给丝杆21，以使得丝杆21转动。更具体的，齿轮组包括相互啮合的主动轮25及从动轮24，主动轮25固定于驱动电机22的输出轴，从动轮24同轴固定连接于丝杆21，从动轮24的齿数小于主动轮25的齿数，以便降低转速并提高转矩，使得丝杆21的转动更加稳定。进一步，丝杆21的底端延伸至所述固定件3的下方，从动轮24固定于丝杆21的底端，从动轮24位于固定件3的下方，从而方便从动轮24与丝杆21之间的装配连接。

此处，在其他实施方式中，齿轮组也可以采用其他数目的齿轮配合，驱动电机22与丝杆21之间也可以通过其他传动机构实现传动连接，例如，可以采用链传动、带传动等，驱动电机22的输出轴也可以直接与丝杆21固定连接，以直接驱动丝杆21转动。

本发明提供的变姿态移动机器人，配置有3+1个驱动器，即三个全向驱动器及驱动电机，通过的机构设计可以实现3+3自由度，这些自由度包含：平面的移动及回转自由度x,y,thet；以及主体的俯仰、摇摆、回转三个姿态自由度。系统配置3+1个驱动器中三个全向驱动器实现运动合成；第四个驱动电机实现机构变位。

本发明的底座200内含有三个带全向轮11的支腿1，通过两个驱动件即固定件3与活动件4的相对移动实现支脚1的摆动即倾角调节，驱动件较小位移即可实现全向轮11的较大幅度移动，使得整体结构紧凑。当全向轮11移动至所述底座200的底部时，主体100的球形面抵接于底座200，全向轮11突出于底座200的下表面，使得底座200被全向轮11支起。由于采用全向轮11进行底座200平移控制，三个全向轮11可以合成任意方向的平面运动矢量及自旋运动矢量；也就是说通过调节三个全向轮11的运动，变姿态移动机器人能够按照合成的运动矢量移动(产生x,y,thet)。当变位驱动机构300推动全向轮11上置时，底座200着地静止，全向轮11移动至底座200的顶部，主体100的球形面抵接于全向轮11，主体11被全向轮驱动阵列托住，进而三个全向轮的运动矢量会直接导致主体绕其自身球心旋转，完成主体的俯仰、摇摆、回转三个自由度运动。通过变位驱动机构的动作，当三个支腿处于最下姿态时，变姿态移动机器人变成移动平台，处于移动控制模式；当三个支腿处于最上姿态角时，变姿态移动机器人进入主体姿态调节模式。

系统应用层面，底座200内可以设置控制模块，控制模块电连接至变位驱动机构，控制模块根据需要通过变位驱动机构调节三个全向轮支腿姿态，进而确定变姿态移动机器人的有效作业模式(移动或调姿)。底座200内还可以设置无线通讯模块，无线通讯模块电连接于控制模块，实现控制模块与外部设置的无线连接，同时，可以使得底座与主体通过无线通讯关联运动控制。底座200内置电池，电池与控制模块、变位驱动机构电连接，为控制模块、变位驱动机构提供电能，其可通过无线充电或者有线充电。

在上述实施例中，利用活动件4与丝杆21之间形成的螺纹副，并以驱动电机22提供驱动力形成驱动装置2，当丝杆21绕自身轴向转动时，即可使得活动件4直线移动。此处，在其他实施方式中，驱动装置还可以为气缸，气缸固定于固定件，气缸的活塞与活动件固定连接，气缸的活塞沿中心轴伸缩移动，利用活塞的伸缩移动，即可带动活动件相对固定件移动。作为再一种实施方式，驱动装置还可以包括驱动电机、齿轮及齿条，齿条沿中心轴设置，齿条与活动件固定连接，齿轮与齿条相啮合，驱动电机固定于所述固定件，驱动电机传动连接于齿轮，以带动齿条直线移动，从而带动活动件相对固定件移动。

在上述实施方式中，两个驱动件一个固定设置形成固定件，一个活动设置形成活动件，作为另外的实施方式，两个驱动件可以均活动设置，两个驱动件均沿中心轴移动设置，两个驱动件可以同时相互靠近移动或相互远离移动，从而带动支脚1摆动，具体的，驱动装置可以为两个，分别带动两个驱动件移动，此时，驱动装置可以采用前述任一实施方式中的驱动装置；或者，驱动装置为一个，同时驱动两个所述驱动件移动。驱动装置为一个时，可以将前述实施例中的丝杆替换为正反丝杆，即驱动装置包括驱动电机与正反丝杆，两个驱动件分别螺纹连接至正反丝杆的两端，驱动电机传动连接于正反子杆，以驱动正反丝杆21绕自身轴向转动，利用正反丝杆上的正反螺纹，即可同时带动两个驱动件移动，并实现两个驱动件之间的相互靠近或远离动作，进而使得支脚摆动。此时，可以在底座内固定一支撑架，正反丝杆绕自身轴向转动连接于支撑架，或者正反丝杆直接转动连接于底座。

在上述实施方式中，固定件作为其中一个驱动板，其可以为单独一个部件，与底座进行固定连接，或者通过驱动装置与底座固定连接，作为另外的实施方式，也可以是固定件为底座的一部分，即利用底座的一部分形成一个驱动板，例如，利用底座的顶板形成一个驱动板，支脚直接与顶板转动配合。

以上的实施方式，并不构成对该技术方案保护范围的限定。任何在上述实施方式的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在该技术方案的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种变位驱动机构，其特征在于，包括两个驱动件、至少三个支脚、及驱动装置，两个所述驱动件沿一中心轴排布，所述至少三个支脚环绕所述驱动件排布，各所述支脚上远离所述中心轴的一端设置有全向轮，各所述支脚均同时转动连接于两个所述驱动件，且两个所述驱动件连接至所述支脚长度方向上相异位置处；所述驱动装置连接于所述驱动件，用以驱动两个所述驱动件沿所述中心轴相互靠近或远离。

2.根据权利要求1所述的变位驱动机构，其特征在于，两个所述驱动件分别为固定件及活动件，所述固定件相对所述底座固定设置，所述活动件连接于所述驱动装置，并在所述驱动装置的带动下沿所述中心轴移动。

3.根据权利要求2所述的变位驱动机构，其特征在于，所述活动件与所述支脚之间设置有滑动结构，所述滑动结构用于使所述活动件与所述支脚能够同时相对滑动及转动；所述滑动结构包括滑槽及滑动销轴，所述滑槽设置于所述活动件或所述支脚，相应所述滑动销轴设置于所述支脚或所述活动件，所述滑动销轴滑动穿设所述滑槽，以使所述滑动销轴能够靠近及远离所述中心轴移动；或者，

所述活动件上设置有摇杆，所述摇杆的两端分别转动连接于所述支脚与活动件。

4.根据权利要求2所述的变位驱动机构，其特征在于，所述活动件连接至所述支脚长度方向的中间位置，所述固定件连接至所述支脚上靠近所述中心轴的一端；或者，

所述固定件连接至所述支脚长度方向的中间位置，所述活动件连接至所述支脚上靠近所述中心轴的一端。

5.根据权利要求2所述的变位驱动机构，其特征在于，所述驱动装置包括丝杆及驱动电机，所述丝杆沿所述中心轴设置，所述丝杆绕自身轴向转动连接于所述固定件，所述活动件上设置有与所述丝杆相配合的螺纹孔，所述丝杆螺纹连接于所述螺纹孔，所述驱动电机传动连接于所述丝杆，以带动所述丝杆绕自身轴向转动，进而带动所述活动件沿所述丝杆移动；或者，

所述驱动装置为气缸，所述气缸固定于所述固定件，所述气缸的活塞与所述活动件固定连接，所述气缸的活塞沿所述中心轴伸缩移动；或者，

所述驱动装置包括驱动电机、齿轮及齿条，所述齿条沿中心轴设置，所述齿条与活动件固定连接，所述齿轮与齿条相啮合，所述驱动电机固定于所述固定件，所述驱动电机传动连接于齿轮，以带动齿条直线移动。

6.根据权利要求1所述的变位驱动机构，其特征在于，两个所述驱动件均沿所述中心轴移动设置，以同时相互靠近移动或远离移动；

所述驱动装置为两个，分别驱动两个所述驱动件移动；或者，

所述驱动装置为一个，同时驱动两个所述驱动件移动。

7.根据权利要求6所述的变位驱动机构，其特征在于，在所述驱动装置为一个的情况下，所述驱动装置包括正反丝杆及驱动电机，两个所述驱动件分别螺纹连接至所述正反丝杆的两端，所述驱动电机传动连接于所述正反丝杆，用以驱动所述正反丝杆绕自身轴向转动。

8.一种变姿态移动机器人，其特征在于，包括底座及权利要求1-7任一项所述的变位驱动机构；所述变位驱动机构设置在所述底座内。

9.根据权利要求8所述的变姿态移动机器人，其特征在于，所述底座为壳体状；所述底座的底部为开口状，所述底座的顶部设置有顶板，所述顶板上与全向轮相对应的位置处设置有通孔。

10.根据权利要求8所述的变姿态移动机器人，其特征在于，所述变位驱动机构中的一个驱动板与所述底座固定连接；或者，

所述底座的一部分形成一个所述驱动板。

11.根据权利要求8所述的变姿态移动机器人，其特征在于，所述变姿态移动机器人还包括主体，所述主体放置于所述底座上，所述主体具有一朝向所述底座的球形面。