CN107140053B - 基于球面并联机构的轮腿式移动机器人 - Google Patents

Abstract

本发明涉及机器人领域，特别是一种基于球面并联机构的轮腿式移动机器人，解决了现有轮腿式机器人存在的机械结构非常复杂，控制方法复杂、返修率较高的问题，包括底盘和在底盘长度方向对称设置的轮腿系统，轮腿系统包括结构及规格完全相同的I号轮腿系统、II号轮腿系统、III号轮腿系统和IV号轮腿系统。本发明其腿部结构为两支链的球面并联机构，每条支链为RPR结构，因此其腿部末端可以在其末端球面上运动，满足了腿部运动的灵活性，且由于并联机构的引入大大提高了机器人的承载能力，采用多个离合器协调的工作模式，减少了电机数目，节约了成本，降低了控制难度。

Description

基于球面并联机构的轮腿式移动机器人

技术领域

本发明涉及机器人领域，特别是一种基于球面并联机构的轮腿式移动机器人。

背景技术

可用于矿难、地震、爆炸等现场排险及救援的机器人是一直是世界各国学者研发的热点。目前很多具有特殊结构和功能机器人已被运用到救援工作中。由于灾后的救援环境复杂多变，单一运动模式的机器人并不能满足其需求。救援机器人的组成通常包括移动平台和延伸机构两个方面。移动平台主要是各类移动驱动机构，延伸机构主要是以机械臂为主的执行机构。轮式机器人在平坦地面上可高速运动，但越障能力差；腿式机器人在崎岖路面上具有较强的越障能力，但其运动效率低。轮腿式机器人是一种可重构机器人，其原理是将轮子和机械腿通过不同的方法组合在一起，使其同时具备轮式机器人和腿式机器人的优点。轮腿式机器人的运动机理是当机器人在平坦的路面移动时，机器人利用轮子快速移动，当遇到障碍时，机器人将由轮式运动方式切换为腿式运动方式，以便越过障碍。轮腿式复合移动方式兼有轮式移动的高效性和腿式移动的良好越障性能，将成为未来机器人发展的方向。

专利CN104527835B公开了一种轮腿模式可切换机器人，在车体两侧长边对称安装有四条结构完全相同的腿和四个车轮，在车体内安装有车轮电机驱动装置用于驱动四个车轮，每条腿均包括弧形连接架、大腿、小腿和脚，小腿底部安装在脚上，小腿顶部安装在大腿两部分之间，在大腿上安装有大腿驱动装置和小腿驱动装置，弧形连接架安装在车体和大腿之间，该弧形连接架由安装在车体侧边的弧形连接架电机驱动并可绕车轮旋转。该发明将轮式机器人和足式机器人结合在一起，可以根据具体情况选择不同的行走方式，提高地形的适应能力，但其足式行走属于机器人常规运动方式中的关节式移动。

专利CN101219683B公开了一种轮足两用式移动机器人，采用轮腿结合运动模式，在车体的两侧长边分别安装有四条结构相同的具有轮、足两用功能的腿，在车体内部带有两块电池，用于为车载计算机、内置摄像机及扩展插件提供能源，每条腿由大腿和小腿组成，具有两级动力输入单元，通过离合器进行轮腿模式切换，第一电机通过安装座固定在车体底板上，座把第一周固定到车体侧面上在车体内安装有内置摄像机可以作为机器人的眼睛，车载计算机作为整个机器人运动的规划控制中心，小轮为被动轮有电磁抱闸控制从动或止转。此发明虽然能提高机器人行走时对不同地形地貌的适应程度，但轮、足转换是通过转动轮子并改变轮子与机器人腿之间的相对位置来进行加以实现，此种转换模式需要的机械结构非常复杂，控制方法也很复杂，使得返修率较高。

并联机构由于具有无累积误差，精度较高；驱动装置可置于定平台上或接近定平台的位置，这样运动部分重量轻，速度高，动态响应好；结构紧凑，刚度高，承载能力大；完全对称的并联机构具有较好的各向同性以及工作空间较小等优点，越来越受到科研人员的重视。

发明内容

本发明针对现有轮腿式机器人存在的上述问题，基于球面并联机构的特性，提供了一种基于球面并联机构的轮腿式移动机器人，将机器人腿部结构设置成两支链的球面并联机构，每条支链为RPR结构，使得腿部末端可以在其末端球面上运动，满足了腿部运动的灵活性，同时并联机构的引入大大提升了机器人的承载能力。

本发明是通过如下技术方案实现的：包括底盘和沿底盘长度方向对称设置的四个结构及规格完全相同的轮腿系统，轮腿系统包括轮结构和腿部结构，腿部结构为两支链的球面并联机构且每条支链为RPR结构，轮腿系统包含I号轮腿系统、II号轮腿系统、III号轮腿系统和IV号轮腿系统，I号轮腿系统包括I号电机，I号电机装设在底盘的电机槽内，I号电机连接有减速器，减速器固定在轴承座上，轴承座固定在底盘上，减速器的输出轴通过联轴器连接有I号电磁离合器，I号电磁离合器固定在离合器座上，离合器座固定在底盘上，减速器的输出轴在位于减速器的输出轴和I号电磁离合器的输入轴间连接有I号同步轮，I号电磁离合器的输出轴上设置有II号同步轮，II号同步轮通过IV号同步带连接有VIII号同步轮；I号同步轮通过I号同步带连接有III号同步轮，III号同步轮两端的输出轴上分别连接有II号电磁离合器和III号电磁离合器，II号电磁离合器的输出轴上连接有IV号同步轮，III号电磁离合器的输出轴上连接有V号同步轮，IV号同步轮通过II号同步带连接有VI号同步轮，VI号同步轮固接在外轴上，V号同步轮通过III号同步带连接有VII号同步轮，VII号同步轮固接在中间轴上，外轴通过轴承和配套的轴承座固定在底盘上，中间轴装在外轴内，且通过轴承和配套的轴承座与底盘连接，外轴与中间轴间设置有润滑油，内轴装在中间轴内，中间轴与内轴间设置有润滑油，内轴的端部通过轴承和配套的轴承座与底盘固定，且内轴的一端与VIII号同步轮连接，内轴的另一端与轮胎连接；外轴末端连接有支撑杆一，支撑杆一固接有II号电机，支撑杆一铰接有连杆一，连杆一的一端与II号电机的电机轴固接，连杆一的另一端固接有滑块一，滑块一套设在圆弧腿一上，中间轴的末端固接有支撑杆二，支撑杆二上固接有III号电机，支撑杆二铰接有连杆二，连杆二的一端与III号电机的电机轴固接，连杆二的另一端固接有滑块二，滑块二套设在圆弧腿二上，圆弧腿二固接有行走腿，圆弧腿二和行走腿的连接处与圆弧腿一的端部铰接。

滑块一和圆弧腿一间设有滚轮，滑块二和圆弧腿二间设有滚轮。滚轮的设置有助于减小滑块与圆弧腿之间摩擦阻力，有利于降低腿式运动中的能量损失及装置间的相互磨损。

行走腿与地面接触部分设置有橡胶层，以减少机器人在腿运动模式下的震动。

本发明的优点和积极效果是：

1、基于球面并联机构的轮腿式机器人，其腿部结构为两支链的球面并联机构，每条支链为RPR结构，因此其腿部末端可以在其末端球面上运动，满足了腿部运动的灵活性，且由于并联机构的引入大大提升了机器人的承载能力。

2、由于在腿运动模式下运动过程中存在机械振动，因此与地面接触的圆弧杆采用具有一定柔性的橡胶材料可以在很大程度上减小机械振动，并且在一定程度上可以增强越障能力。

3、基于球面并联机构的轮腿式机器人，采用四轮驱动提升机器人的灵活性和承载能力。

4、基于球面并联机构的轮腿式机器人，采用多个离合器协调的工作模式，减少了电机数目，节约了成本，降低了控制难度。

附图说明

图1为基于球面并联机构的轮腿式移动机器人的轮模式状态示意图；

图2为基于球面并联机构的轮腿式移动机器人的腿模式状态示意图；

图3为基于球面并联机构的轮腿式移动机器人的I号轮腿系统的结构局部示意图；

图4为基于球面并联机构的轮腿式移动机器人的I号轮腿系统的腿部结构局部示意图。

图中：I-I号轮腿系统，II-II号轮腿系统，III-III号轮腿系统，IV-IV号轮腿系统，1-底盘，2-轴承座，3-连轴器，4-I号电机，5-减速器，6-I号同步轮，7-I号同步带，8-IV号同步轮，9-II号电磁离合器，10-内轴，11-离合器座，12-外轴，13-VI号同步轮，14-II号同步带，15-III号同步轮，16-中间轴，17-III号电磁离合器，18-III号同步带，19-VII号同步轮，20-VIII号同步轮，21-IV号同步带，22-连杆一，23-V号同步轮，24-I号电磁离合器，25-II号同步轮，26-滑块一，26a-滑块二，27-圆弧腿一，28-圆弧腿二，29-行走腿，30-连杆二，31-III号电机，32-支撑杆二，33-支撑杆一，34-II号电机，35-轮胎。

具体实施方式

结合附图1—4对本发明做进一步说明，一种基于球面并联机构的轮腿式移动机器人，包括底盘1和沿底盘1长度方向对称设置的轮腿系统，轮腿系统包括结构及规格完全相同的I号轮腿系统I、II号轮腿系统II、III号轮腿系统III和IV号轮腿系统IV，I号轮腿系统I包括I号电机4，I号电机4装设在底盘1的电机槽内，I号电机4连接有减速器5，减速器5固定在轴承座2上，轴承座2固定在底盘1上，减速器5的输出轴通过联轴器3连接有I号电磁离合器24，I号电磁离合器24固定在离合器座11上，离合器座11固定在底盘1上，减速器5的输出轴与I号电磁离合器24的输入轴间连接有I号同步轮6，I号电磁离合器24的输出轴上设置有II号同步轮25，II号同步轮25通过IV号同步带21连接有VIII号同步轮20；I号同步轮6通过I号同步带7连接有III号同步轮15，III号同步轮15两端的输出轴上分别连接有II号电磁离合器9和III号电磁离合器17，II号电磁离合器9的输出轴上连接有IV号同步轮8，III号电磁离合器17的输出轴上连接有V号同步轮23，IV号同步轮8通过II号同步带14连接有VI号同步轮13，VI号同步轮13固接在外轴12上，V号同步轮23通过III号同步带18连接有VII号同步轮19，VII号同步轮19固接在中间轴16上，外轴12通过轴承和配套的轴承座固定在底盘1上，中间轴16装在外轴12内，且通过轴承和配套的轴承座与底盘1连接，外轴12与中间轴16间设置有润滑油，内轴10装在中间轴16内，中间轴16与内轴10间设置有润滑油，内轴10的端部通过轴承和配套的轴承座与底盘1固定，且内轴10的一端与VIII号同步轮20连接，内轴10的另一端与轮胎35连接；外轴12末端连接有支撑杆一33，支撑杆一33固接有II号电机34，支撑杆一33铰接有连杆一22，连杆一22的一端与II号电机34的电机轴固接，连杆一22的另一端固接有滑块一26，滑块一26套设在圆弧腿一27上，中间轴16的末端固接有支撑杆二32，支撑杆二32上固接有III号电机31，支撑杆二32铰接有连杆二30，连杆二30的一端与III号电机31的电机轴固接，连杆二30的另一端固接有滑块二26a，滑块二26a套设在圆弧腿二28上，圆弧腿二28固接有行走腿29，圆弧腿二28和行走腿29的连接处与圆弧腿一27的端部铰接。

滑块一26和圆弧腿一27间设置有滚轮，滑块二26a和圆弧腿二28间设置有滚轮。

本发明由四个完全对称的轮腿系统组成，各轮腿系统独立运动互不干扰。轮腿系统包括I～VIII号同步轮、I～III号电磁离合器、I～III号电机、I～IV号同步带、减速器5、联轴器3、轴承座2、离合器座11、内轴10、中间轴16、外轴12、支撑杆一33、轮胎35、支撑杆二32、连杆一22、连杆二30、滑块一26、滑块二26a、圆弧腿一27、圆弧腿二28、底盘1以及各轴与底盘1间连接用的轴承。

本发明的运动过程包括：轮式运动、腿式运动以及轮腿切换过程。

轮式运动：

如图1所示为轮式运动下机构的状态。以I号轮腿系统I为例说明其运动过程，其他三个轮腿系统与I号轮腿系统I的运动过程完全相同。I号电机4固定在底盘1上的电机槽内，减速器5的一端固定在轴承座2上，轴承座2通过螺栓与底盘1固接，减速器5的另一端与I号电机4固接，用于降低I号电机4的转速，I号同步轮6固定在减速器5的输出轴上，并且在减速器5输出轴的末端通过连轴器3与I号电磁离合器24的输入轴固接，I号电磁离合器24通过螺栓固定在离合器座11上，离合器座11通过螺栓固定在底盘1上，I号电磁离合器24的输出轴通过联轴器3与II号同步轮固接，I号电机4通过减速器5减速后带动I号同步轮6转动和I号电磁离合器24的输入轴转动，轮运动模式下I号电磁离合器24处于工作状态，因此带动II号同步轮25转动，II号同步轮25通过IV号同步带21驱动固定在内轴10一端的VIII号同步轮20，VIII号同步轮20带动内轴10转动，内轴10带动固接在其另一端的轮胎35转动，I号同步轮6通过I号同步带带动III号同步轮15转动，轮运动模式下II号电磁离合器9和III号电磁离合器17处于非工作状态，此时固接于II号电磁离合器9输出轴上的IV号同步轮8与固接于III号电磁离合器上17输出轴上的V号同步轮23不转动，因此通过II号同步带14与IV号同步轮8传动的VI号同步轮13以及通过III号同步带18与V同步轮8传动的VII号同步轮 20不转动，与VI号同步轮13固接的外轴和与VII号同步轮20固接的中间轴也不转动，且此时II号电机34与III号电机31不转动，圆弧腿一27、圆弧腿二28和行走腿29所在的扇形面共面且与水平面平行且保持不动。

腿式运动：

如图2所示为腿运动模式下的机构的状态。以I号轮腿系统I为例说明其运动过程，其他三个轮腿系统与I号轮腿系统I的运动过程完全相同。I号电机4带动减速器5，减速器5带动与其固接的I号同步轮5，此时I号电磁离合器24处于非工作状态，此时II号同步轮25不转动，而与之通过IV号同步带21传动的VIII号同步轮20不转动，因此与VIII号同步轮20固接的内轴10不转动，且固接于其末端的轮胎35也不转动，I号同步轮6通过I号同步带7带动III号同步轮15转动，此时II号电磁离合器9和III号电磁离合器17也处于非工作状态，IV号同步轮8，V号同步轮23，VI号同步轮13，VII号同步轮19，中间轴16，外轴12处于静止状态，与外轴12固接的撑杆一33处于静止状态且其轴线与水平面垂直，与中间轴固接的撑杆二32处于静止状态且其轴线与水平面平行，固接于撑杆一33上的II号电机34和固接于撑杆二32III号电机31处于运动状态，II号电机34驱动与撑杆一33铰接的连杆一22绕铰接处转动，通过连杆一22末端连接的滑块一26带动圆弧腿一27运动，III号电机驱动与撑杆二32铰接的连杆二30绕铰接处转动，通过连杆二30末端的滑块二26a带动圆弧腿二28运动，圆弧腿二28带动与其固定连接的行走腿29运动，由于圆弧腿一27铰接有圆弧腿二28和行走腿29，因此可以通过II号电机34和III号电机31的协调运动可以使得行走腿29来回摆动来实现机器人的腿部行走。

轮腿切换过程：

以I号轮腿系统I为例说明其从轮模式下转换成腿模式的过程，而腿模式转换成轮模式的过程与其类似，其他三个轮腿系统与I号轮腿系统I的运动过程是完全一样的。I号电机4带动减速器5，减速器5带动与其固接的I号同步轮5，此时I号电磁离合器24处于非工作状态，此时II号同步轮25不转动，而与之通过IV号同步带21传动的VIII号同步轮20不转动，因此与VIII号同步轮20固接的内轴10不转动，且固接于其末端的轮胎35也不转动，I号同步轮6通过I号同步带7带动III号同步轮15转动，此时II号电磁离合器9和III号电磁离合器17处于工作状态，II号电磁离合器9驱动IV号同步轮8，III号电磁离合器17驱动V号同步轮23，IV号同步轮8通过II号同步带14带动VI号同步轮13转动，VI号同步轮13带动与其固接的外轴10转动，外轴10驱动与其固接的撑杆一33转动，使得撑杆一33的轴线水平，V号同步轮23通过III号同步带18带动VII号同步轮19转动，VII号同步轮19带动与其固接的中间轴16转动，中间轴16驱动与其固接的撑杆二32转动使其轴线由原来的水平状态转化为垂直状态，此时转换完毕，当由腿模式转换为轮模式时，当撑杆一33和撑杆二32运动到轮模式状态下的位置后，II号电机34和III号电机31通过协同运动使得连杆一22，连杆二30，圆弧腿一27，圆弧腿二28运动到轮模式下的相应位置。行走腿29具有一定的刚度，其与地面接触的部分外侧覆盖有橡胶材料，以减少腿运动模式下的震动，轮腿系统为能独立运动的轮运动系统和腿运动系统，在一种模式下运动时，另一种模式的结构不动，使得两种运动系统在运动过程中互不干扰。

最后应说明的是：以上仅用以说明本发明的技术方案，而非对其进行限制，尽管参照前具体实施方式对本发明进行了详细的说明，本领域的技术人员对所记载的技术方案进行修改，包括对本发明的部分或全部技术特征进行等同替换，其相应技术方案的本质并不脱离本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种基于球面并联机构的轮腿式移动机器人，包括底盘（1）和沿底盘（1）长度方向对称设置的四个结构及规格完全相同的轮腿系统，其特征在于：轮腿系统包括轮结构和腿部结构，腿部结构为两支链的球面并联机构且每条支链为RPR结构，轮腿系统包含I号轮腿系统（I）、II号轮腿系统（II）、III号轮腿系统（III）和IV号轮腿系统（IV），I号轮腿系统（I）包括I号电机（4），I号电机（4）装设在底盘（1）的电机槽内，I号电机（4）连接有减速器（5），减速器（5）固定在轴承座（2）上，轴承座（2）固定在底盘（1）上，减速器（5）的输出轴通过联轴器（3）连接有I号电磁离合器（24），I号电磁离合器（24）固定在离合器座（11）上，离合器座（11）固定在底盘（1）上，减速器（5）的输出轴在位于其与I号电磁离合器（24）的输入轴间连接有I号同步轮（6），I号电磁离合器（24）的输出轴上设置有II号同步轮（25），II号同步轮（25）通过IV号同步带（21）连接有VIII号同步轮（20）；I号同步轮（6）通过I号同步带（7）连接有III号同步轮（15），III号同步轮（15）两端的输出轴上分别连接有II号电磁离合器（9）和III号电磁离合器（17），II号电磁离合器（9）的输出轴上连接有IV号同步轮（8），III号电磁离合器（17）的输出轴上连接有V号同步轮（23），IV号同步轮（8）通过II号同步带（14）连接有VI号同步轮（13），VI号同步轮（13）固接在外轴（12）上，V号同步轮（23）通过III号同步带（18）连接有VII号同步轮（19），VII号同步轮（19）固接在中间轴（16）上，外轴（12）通过轴承和配套的轴承座固定在底盘（1）上，中间轴（16）装在外轴（12）内，且通过轴承和配套的轴承座与底盘（1）固定，外轴（12）与中间轴（16）间设置有润滑油，内轴（10）装在中间轴（16）内，中间轴（16）与内轴（10）间设置有润滑油，内轴（10）通过轴承和配套的轴承座与底盘（1）固定，且内轴（10）的一端与VIII号同步轮（20）连接，内轴（10）的另一端与轮胎（35）连接；外轴（12）末端连接有支撑杆一（33），支撑杆一（33）固接有II号电机（34），支撑杆一（33）铰接有连杆一（22），连杆一（22）的一端与II号电机（34）的电机轴固接，连杆一（22）的另一端固接有滑块一（26），滑块一（26）套设在圆弧腿一（27）上，中间轴（16）的末端固接有支撑杆二（32），支撑杆二（32）上固接有III号电机（31），支撑杆二（32）铰接有连杆二（30），连杆二（30）的一端与III号电机（31）的电机轴固接，连杆二（30）的另一端固接有滑块二（26a），滑块二（26a）套设在圆弧腿二（28）上，圆弧腿二（28）固接有行走腿（29），圆弧腿二（28）和行走腿（29）的连接处与圆弧腿一（27）的端部铰接。

2.根据权利要求1所述的基于球面并联机构的轮腿式移动机器人，其特征在于：滑块一（26）和圆弧腿一（27）间设置有滚轮，滑块二（26a）和圆弧腿二（28）间设置有滚轮。

3.根据权利要求1所述的基于球面并联机构的轮腿式移动机器人，其特征在于：行走腿（29）与地面接触部分设置有橡胶层。

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