CN107600200A - 双变形履带行走部及具有其的机器人移动平台 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双变形履带行走部及具有其的机器人移动平台，包括中间变形驱动单元和连杆式履带单元；中间变形驱动单元包括框架及设置在框架上的定轴轮系，定轴轮系包括相互啮合且齿数相同的第一齿轮和第二齿轮，第一齿轮下方设置与之啮合的第三齿轮，第二齿轮下方设置与之啮合的第四齿轮，变形驱动单元与第一齿轮或第二齿轮相连；连杆式履带单元为两个，连杆式履带单元包括第一连杆、第二连杆、第三连杆、履带轮和履带，第一连杆、第二连杆、第三连杆和框架构成平面四杆机构，在第一连杆的两端、第三连杆的两端以及第一连杆远离第三连杆的一侧均设置履带轮，履带绕在履带轮外。本发明具有更好的地形适应性与移动性。

Description

双变形履带行走部及具有其的机器人移动平台

技术领域

本发明涉及一种双变形履带行走部及具有其的机器人移动平台，属于移动机器人机构技术领域。

背景技术

履带式行走机构具有地形适应性强，越障性能好等优点，在移动机器人领域得到了广泛应用。为了获得更好的移动性能，研究人员对可变形的履带式行走机构进行了研究，也提出了一些很好的技术方案，比如，中国矿业大学提出了一种变形履轮复合悬架及具有其的移动平台(申请号：201520668899.4)，其变形履轮复合悬架可以根据地形的需要，通过齿轮式变形驱动组件进行变形调节，从而改变履带式行走机构的形状，来改变履带接地形式、重心高度等，使其具有更好的克服障碍地形的能力。但此种设计需要采用两个相互啮合且与履带单元连接的齿轮，来驱动两个履带单元变形。这样需要这副传动齿轮的节线半径要大于履带轮半径与履带厚度的和，才能保证两个履带不会出现碰撞。而齿轮齿顶圆过大会超出履带，在某个状态时可能会与地面接触碰撞从而影响了履带行走机构的移动性能。因此，一种合理的变形驱动技术方案，有利于机器人移动性能的提高。

发明内容

发明目的：为了解决上述问题，提出了一种采用定轴轮系实现变形的双变形履带行走部及具有其的机器人移动平台。

为了实现上述目的，本发明采用了如下的技术方案：一种双变形履带行走部，包括中间变形驱动单元和连杆式履带单元；

中间变形驱动单元包括框架以及设置在框架上的定轴轮系和变形驱动单元，定轴轮系包括等高的第一齿轮和第二齿轮，第一齿轮和第二齿轮相互啮合并且齿数相同，在第一齿轮的下方远离第二齿轮一侧设置第三齿轮，第三齿轮与第一齿轮相互啮合，在第二齿轮的下方远离第一齿轮一侧设置与第三齿轮等高并且齿数相同的第四齿轮，第四齿轮与第二齿轮相互啮合，变形驱动单元包括驱动减速电机，驱动减速电机与驱动齿轮相连，驱动齿轮与第一齿轮或第二齿轮相互啮合；

连杆式履带单元为两个，连杆式履带单元包括第一连杆、第二连杆、第三连杆、履带轮和履带，其中一个连杆式履带单元的第一连杆的第一端与第三齿轮固定连接，另一个连杆式履带单元的第一连杆的第一端与第四齿轮固定连接，第二连杆的第一端与第一连杆的第二端转动连接，第三连杆的第一端与第二连杆的第二端转动连接，第三连杆的第二端与框架转动连接，在第一连杆的两端、第三连杆的两端以及第一连杆远离第三连杆的一侧均设置履带轮，履带绕在履带轮外。

进一步的，所述框架包括括内侧板、外侧板、横板和支撑件，内侧板和外侧板设置在横板两侧，内侧板和外侧板之间通过支撑件相连，内侧板和外侧板上均设有轴座；所述第一齿轮、第二齿轮、第三齿轮和第四齿轮的齿轮轴设置在轴座上。

进一步的，所述连杆式履带单元的其中一个履带轮作为驱动轮，其余履带轮作为从动轮。

进一步的，还包括主驱动系统，主驱动系统通过第二挠性件传动机构与其中一个连杆式履带单元的驱动轮相连，两个连杆式履带单元的驱动轮之间通过第一挠性件传动机构相连。

进一步的，所述框架的下部左右对称的设置两个行走车轮，行走车轮设置轮毂电机。

进一步的，所述连杆式履带单元的驱动轮设置轮毂电机。

进一步的，所述第一齿轮、第二齿轮、第三齿轮和第四齿轮均为双层圆柱齿轮，所述驱动减速电机为蜗轮蜗杆减速器，驱动减速电机的输出轴两端均设有驱动齿轮，两个驱动齿轮分别与第一齿轮或第二齿轮的两个齿轮相互啮合。

一种机器人移动平台，包括中间车体，在中间车体的两侧设置上述的双变形履带行走部。

有益效果：(1)采用本发明的双变形履带行走部结构，驱动连杆式履带单元变形的第三齿轮与第四齿轮的外径不需超出履带，使其具有更好的地形适应性与移动性；(2)采用双层圆柱齿轮可以改善所述变形驱动部的所述定轴轮系地受力状况与强度；(3)采用了本发明的所述双变形履带行走部的移动平台同样具有良好的移动性能和地形适应性。

附图说明

图1是双变形履带行走部的机构原理示意图；

图2是双变形履带行走部处于最高位时的机构示意图；

图3是双变形履带行走部处于最低位时的机构示意图；

图4是根据本发明的一实施例的双变形履带行走部的立体示意图；

图5是图4所示实施例的双变形履带行走部的局部剖视立体示意图；

图6是采用图4所示双变形履带行走部的移动平台结构示意图；

图7是图6所示实施例的机器人移动平台的立体示意图；

图8是图4所示实施例的一连杆式履带单元的连杆机构结构及驱动部分示意图；

图9是图4所示实施例的另一连杆式履带单元的结构及驱动部分示意图；

图10是图4所示实施例的连杆式履带单元的第一连杆结构示意图；

图11是根据本发明的另一实施例的双变形履带行走部的局部剖视结构示意图；

图12是图7所示机器人移动平台低位行驶时的立体示意图；

图13是图7所示机器人移动平台高位行驶时的立体示意图；

图14是图4所示双变形履带行走部安装行走车轮后的结构示意图；

图15是图13所示双变形履带行走部变形后的状态示意图；

图16是采用图14所示双变形履带行走部移动平台轮式行走模式时的示意图；

附图标记：

100-双变形履带行走部；200-中间车体；

1-中间变形驱动单元；11-框架；111-内侧板；112-外侧板；113-横板；114-支撑件；12-定轴轮系；121-第一齿轮；122-第二齿轮；123-第三齿轮；124-第四齿轮；13-变形驱动单元；131-驱动减速电机；132-驱动齿轮；14-轴座；141-第一轴座；142-第二轴座；143-第三轴座；

2-连杆式履带单元；21-第一连杆；211-齿轮连接板；212-内支撑横板；213-下履带轮支撑板；214-外支撑横板；215-支撑侧板；216-支撑肋板；217-履带轮轴；22-第二连杆；221-侧连接板；222-中间连接板；223-中间支撑肋板；23-第三连杆；231-中间支撑板；232-连接侧板；24-从动轮；241-驱动轮；25-履带；

3-第一挠性件传动机构；31-第一挠性件轮；32-第二挠性件轮；33-第一挠性件；34-挠性件保护盒；

4-第二挠性件传动机构；41-第三挠性件轮；42-第四挠性件轮；43-第二挠性件；

5-主驱动系统；51-主驱动电机；52-封闭轴承座；53-开口轴承座；54-中空主轴；55-滚动轴承；56-弹性卡簧；57-锁紧螺母；58-动力输出轴；59-箱体连接座；

6-行走车轮。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明做更进一步的解释。

如图1至3所示，根据本发明的双变形履带行走部，简要介绍其组成情况，主要包括：中间变形驱动单元1和连杆式履带单元2。

下面结合图4-图5，详细说明中间变形驱动单元1的结构。具体的，中间变形驱动单元1包括框架11、定轴轮系12、变形驱动单元13和轴座14，定轴轮系12、变形驱动单元13和轴座14均设置在框架11上。

框架11包括内侧板111、外侧板112、横板113和支撑件114，内侧板111和外侧板112设置在横板113两侧，内侧板111和外侧板112之间通过支撑件114相连，其中横板113与支撑件114共同作为中间支撑部。具体的，内侧板111和外侧板112上设有槽孔和圆孔，横板113的两边设有凸缘，支撑件114两端通过圆孔固定在内侧板111和外侧板112中间，横板113两边的凸缘插入两个侧板的槽孔中，最后进行连接固定。轴座14通过螺栓连接安装在内侧板111和外侧板112上，轴座14包括第一轴座141、第二轴座142和第三轴座143。轴座14用于支撑定轴轮系12的齿轮轴，使定轴轮系12的齿轮能够在框架11上转动。

定轴轮系12包括等高的第一齿轮121和第二齿轮122，第一齿轮121和第二齿轮122相互啮合并且齿数相同，在第一齿轮121的下方远离第二齿轮122一侧设置第三齿轮123，第三齿轮123与第一齿轮121相互啮合，在第二齿轮122的下方远离第一齿轮121一侧设置与第三齿轮123等高并且齿数相同的第四齿轮124，第四齿轮124与第二齿轮122相互啮合，第一齿轮的齿轮轴设置在第一轴座141上，第二齿轮的齿轮轴设置在第三轴座143。

变形驱动单元13包括驱动减速电机131和驱动齿轮132，驱动减速电机131采用了蜗轮蜗杆减速器，驱动减速电机131通过螺栓安装在横板113上，驱动齿轮132的齿轮轴设置在第二轴座142上。驱动减速电机131输出轴与驱动齿轮132通过键连接，驱动齿轮132与第一齿轮121或第二齿轮122相互啮合，使驱动减速电机131的动力传输到定轴轮系12，为变形提供动力。

第一齿轮121、第二齿轮122、第三齿轮123、第四齿轮124均为双层圆柱齿轮，驱动减速电机131的输出轴两端均设有驱动齿轮132，两个驱动齿轮132分别与第一齿轮121或第二齿轮122的两个齿轮相互啮合。这样，整体上改善了定轴轮系地强度与受力状况。

结合图5、8和9详细说明连杆式履带单元2的结构组成。连杆式履带单元2为两个，连杆式履带单元2包括第一连杆21、第二连杆22、第三连杆23、履带轮和履带25，其中一个连杆式履带单元2的第一连杆21的第一端与第三齿轮123固定连接，另一个连杆式履带单元2的第一连杆21的第一端与第四齿轮124固定连接，第二连杆22的第一端与第一连杆21的第二端转动连接，第三连杆23的第一端与第二连杆22的第二端转动连接，第三连杆23的第二端与框架11转动连接。这样，第一连杆21、第二连杆22、第三连杆23与框架11构成四连杆机构。

如图1至3所示，在第一连杆21的两端、第三连杆23的两端以及第一连杆21远离第三连杆23的一侧均设置履带轮，履带25绕在履带轮外。通过上述五个履带轮将履带25撑成五边形。除了上述五个履带轮外，还可以在第一连杆21、第二连杆22和第三连杆23的中部增设额外的履带轮，如图4、5、8和9所示，在第一连杆21、第二连杆22和第三连杆23的中部分别增设一个履带轮，增设的履带轮同样支撑履带25，但不会改变履带25五边形状态。

根据图4、8、9和10，详细说明连杆式履带单元2的第一连杆21、第二连杆22、第三连杆23的装配结构，第一连杆21包括：齿轮连接板211，内支撑横板212，下履带轮支撑板213，外支撑横板214，支撑侧板215，支撑肋板216，履带轮轴217。齿轮连接板211的上部设有凸缘，中部设有开槽，内支撑横板212的两端设有凸缘，外支撑横板214上设有多个开槽，两个齿轮连接板211上部的凸缘插入外支撑横板214靠近两端的开槽，并且内支撑横板212两端的凸缘插入齿轮连接板211中部的开槽，然后通过焊接等方式连接在一起；两个下履带轮支撑板213的上部设有凸缘，插入外支撑横板214靠近中间的开槽里，通过焊接固定；两个支撑侧板215的末端设有凸缘，中间设有3个开槽，支撑肋板216的两端插入支撑侧板215中间的开槽中，支撑侧板215末端的凸缘插入外支撑横板214的相应开槽内，最后通过焊接固定；多个履带轮轴217焊接在相应的支撑板上，履带轮分别安装在履带轮轴217上。

同样的，第二连杆22包括侧连接板221，中间连接板222，中间支撑肋板223，两个侧连接板221和中间连接板222的内部设有多个开槽，中间支撑肋板223的两端设有凸缘，在装配时，两个侧连接板221和中间连接板222平行放置，中间支撑肋板223两端的凸缘插入相应的开槽中，然后焊接在一起；第三连杆23包括中间支撑板231和连接侧板232，中间支撑板231两端的凸缘插入两个连接侧板232的开槽中，最后通过焊接等方法固定连接。

如图4、5和8所示，所述连杆式履带单元2的其中一个履带轮作为驱动轮241，其余履带轮作为从动轮24。

通过上述技术方案，变形驱动单元13驱动定轴轮系12运动，定轴轮系12带动连杆式履带单元2发生变形。具体地，定轴轮系12的第三齿轮123、第四齿轮124分别与两个连杆式变形履带单元2相连，第一齿轮121和第二齿轮122啮合，第一齿轮121与第三齿轮123啮合，第二齿轮122与第四齿轮124啮合；变形驱动单元13的驱动齿轮132与第一齿轮121或第二齿轮122相啮合，驱动齿轮132转动将驱动定轴轮系12动作，第三齿轮123和第四齿轮124驱动两个连杆式履带单元2变形。采用这种技术方案，第三齿轮123和第四齿轮124避免了相互啮合，因此其齿顶圆直径可以较小，这样就可以避免超过履带。因为连杆式履带单元2的第一连杆21、第二连杆22、第三连杆23与框架11构成四连杆机构，第三齿轮123与第四齿轮124分别与两个连杆式履带单元2的第一连杆21固定连接，因此第三齿轮123与第四齿轮124同步反向转动时，将带动两个第一连杆21动作，从而带动四连杆机构变形，进而带动连杆式履带单元2变形。

下面结合图5、6、8和9，本发明的双变形履带行走部还包括主驱动系统5，主驱动系统5通过第二挠性件传动机构4与其中一个连杆式履带单元2的驱动轮241相连，两个连杆式履带单元2的驱动轮241之间通过第一挠性件传动机构3相连。具体的，第一挠性件传动机构3包括第一挠性件轮31、第二挠性件轮32、第一挠性件33和挠性件保护盒34；第二挠性件传动机构4包括第三挠性件轮41、第四挠性件轮42、第二挠性件43；主驱动系统5包括主驱动电机51、封闭轴承座52、开口轴承座53、中空主轴54、滚动轴承55、弹性卡簧56、锁紧螺母57、动力输出轴58和箱体连接座59。

具体的，第一挠性件轮31、第二挠性件轮32、第三挠性件轮41和第四挠性件轮42均为链轮，第一挠性件33和第二挠性件43均为链条。

根据图8所示的其中一个连杆式履带单元2，两个开口轴承座53通过螺栓连接固定在框架11上，第一连杆21的一个齿轮连接板211和第三齿轮123的其中一个齿轮通过螺栓连接固定在一起，整体套在开口轴承座53的颈部上，弹性卡簧56限制其轴向位移，同样的，另一个齿轮连接板211和第三齿轮123的另一个齿轮通过螺栓连接组成的整体套在开口轴承座53的颈部上，这样，第一连杆21和第三齿轮123组成的整体可以绕固定在框架11上的两个轴承座的颈部转动，两个滚动轴承55分别安装在开口轴承座53中，中空主轴54的两端与滚动轴承55的内圈配合，滚动轴承55可以用轴肩和轴承座肩进行限位，驱动轮241通过键连接固定在中空主轴54的中间部位，轴肩和弹性卡簧56限制其轴向位移，第二挠性件传动机构4的第四挠性件轮42通过键连接固定在中空主轴54的一端，通过锁紧螺母57和轴肩进行限位。第一挠性件传动机构3的第一挠性件轮31通过键连接固定在中空主轴54的另一端，同样通过锁紧螺母57和轴肩进行限位。

根据图9所示，另一个连杆式履带单元2也采用相似的装配结构，另一个连杆式履带单元2的第一连杆21和第四齿轮124组成的整体也可以绕固定在框架11上的封闭轴承座52和开口轴承座53的颈部转动，两个滚动轴承55分别安装在封闭轴承座52和开口轴承座53中，中空主轴54的两端与滚动轴承55的内圈配合，滚动轴承55可以用轴肩和轴承座肩进行限位，驱动轮241通过键连接固定在中空主轴54的中间部位，轴肩和弹性卡簧56限制其轴向位移，第一挠性件传动机构3的第二挠性件轮32通过键连接固定在中空主轴54的一端，第一挠性件33绕在第一挠性件轮31和第二挠性件轮32上。

根据图5、6、8和9，详细说明连杆式履带单元2的主驱动过程。中间车体200和双变形履带行走部100通过箱体连接座59固定连接在一起，主驱动电机51位于中间车体200内部，其动力输出轴58和第二挠性件传动机构4的第三挠性件轮41通过键连接固定。主驱动电机51转动，驱动第二挠性件传动机构4的第三挠性件轮41转动，通过第二挠性件43的传动，带动第四挠性件轮42转动，进而带动中空主轴54转动，最终带动驱动轮241转动，并且两个连杆式履带单元2的驱动轮241之间采用第一挠性件传动机构3传动，这样，一个驱动电机51就能驱动两个连杆式履带单元2的驱动轮241同时转动。

结合图11，也可以在本发明的所述连杆式履带单元2的驱动轮241上设置轮毂电机，其特点是可以独自提供驱动力，两个连杆式履带单元2的驱动轮241均设有轮毂电机，这样，两个连杆式履带单元2就可以进行独立驱动。在运动过程中，中间变形驱动单元1如上述方案所示，控制连杆式履带单元2的变形，而连杆式履带单元2的主驱动方面，轮毂电机式驱动轮242可以进行独立的驱动，节省了主驱动系统5、第一挠性件传动机构3和第二挠性件传动机构4，大大简化了传动机构的复杂程度，这样布置，使整机更为机动灵活。

图12和13是双变形履带行走部机器人移动平台的变形状态示意图。图12中，移动平台的重心较低，可获得较高的稳定性，双变形履带行走部的倾斜段履带最多，便于爬越一些复杂的障碍，例如楼梯、台阶和沟壑等，越障能力较为突出。图13中，本发明的双变形履带行走部的接地长度较小，便于转向，此时重心较高，可以通过一些低矮的障碍物。

如图14所示，也可以在保留主驱动系统5、第一挠性件传动机构3和第二挠性件传动机构4的基础上，在所述框架11的下部左右对称的设置两个行走车轮6，行走车轮6设置轮毂电机。

如图15和16所示，双变形履带行走部安装行走车轮6后，经过变形，可以切换为轮式行走模式，在平坦的地面上行驶时，可以大大加快移动速度，同时，由于其重心很低，便于在一些狭窄低矮的通道中移动。

此外，本发明还提出了一种机器人移动平台，如图7所示，包括中间车体200和两个上述的双变形履带行走部100。因为采用了所述的双变形履带行走部，所以该移动平台具有良好的移动性能和地形适应性。

对于移动平台、机器人和其他移动设备的其他构成，已为现有技术，且为本领域的普通技术人员熟知，故不再详细描述。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种双变形履带行走部，其特征在于，包括中间变形驱动单元(1)和连杆式履带单元(2)；

中间变形驱动单元(1)包括框架(11)以及设置在框架(11)上的定轴轮系(12)和变形驱动单元(13)，定轴轮系(12)包括等高的第一齿轮(121)和第二齿轮(122)，第一齿轮(121)和第二齿轮(122)相互啮合并且齿数相同，在第一齿轮(121)的下方远离第二齿轮(122)一侧设置第三齿轮(123)，第三齿轮(123)与第一齿轮(121)相互啮合，在第二齿轮(122)的下方远离第一齿轮(121)一侧设置与第三齿轮(123)等高并且齿数相同的第四齿轮(124)，第四齿轮(124)与第二齿轮(122)相互啮合，变形驱动(13)单元包括驱动减速电机(131)，驱动减速电机(131)与驱动齿轮(132)相连，驱动齿轮(132)与第一齿轮(121)或第二齿轮(122)相互啮合；

连杆式履带单元(2)为两个，连杆式履带单元(2)包括第一连杆(21)、第二连杆(22)、第三连杆(23)、履带轮和履带(25)，其中一个连杆式履带单元(2)的第一连杆(21)的第一端与第三齿轮(123)固定连接，另一个连杆式履带单元(2)的第一连杆(21)的第一端与第四齿轮(124)固定连接，第二连杆(22)的第一端与第一连杆(21)的第二端转动连接，第三连杆(23)的第一端与第二连杆(22)的第二端转动连接，第三连杆(23)的第二端与框架(11)转动连接，在第一连杆(21)的两端、第三连杆(23)的两端以及第一连杆(21)远离第三连杆(23)的一侧均设置履带轮，履带(25)绕在履带轮外。

2.根据权利要求1所述的双变形履带行走部，其特征在于：所述框架(11)包括括内侧板(111)、外侧板(112)、横板(113)和支撑件(114)，内侧板(111)和外侧板(112)设置在横板(113)两侧，内侧板(111)和外侧板(112)之间通过支撑件(114)相连，内侧板(111)和外侧板(112)上均设有轴座(14)；所述第一齿轮(121)、第二齿轮(122)、第三齿轮(123)和第四齿轮(124)的齿轮轴设置在轴座(14)上。

3.根据权利要求1所述的双变形履带行走部，其特征在于：所述连杆式履带单元(2)的其中一个履带轮作为驱动轮(241)，其余履带轮作为从动轮(24)。

4.根据权利要求3所述的双变形履带行走部，其特征在于：还包括主驱动系统(5)，主驱动系统(5)通过第二挠性件传动机构(4)与其中一个连杆式履带单元(2)的驱动轮(241)相连，两个连杆式履带单元(2)的驱动轮(241)之间通过第一挠性件传动机构(3)相连。

5.根据权利要求4所述的双变形履带行走部，其特征在于：所述框架(11)的下部左右对称的设置两个行走车轮(6)，行走车轮(6)设置轮毂电机。

6.根据权利要求3所述的双变形履带行走部，其特征在于：所述连杆式履带单元(2)的驱动轮(241)设置轮毂电机。

7.根据权利要求1所述的双变形履带行走部，其特征在于：所述第一齿轮(121)、第二齿轮(122)、第三齿轮(123)和第四齿轮(124)均为双层圆柱齿轮，所述驱动减速电机(131)为蜗轮蜗杆减速器，驱动减速电机(131)的输出轴两端均设有驱动齿轮(132)，两个驱动齿轮(132)分别与第一齿轮(121)或第二齿轮(122)的两个齿轮相互啮合。

8.一种机器人移动平台，其特征在于：包括中间车体(200)，在中间车体(200)的两侧设置权利要求1至7项中任意一项所述的双变形履带行走部(100)。