CN107891918B

CN107891918B - 轮-履复合式移动机器人

Info

Publication number: CN107891918B
Application number: CN201711307104.7A
Authority: CN
Inventors: 王宪伦; 何臣; 侯振国; 秦然
Original assignee: Qingdao University of Science and Technology
Current assignee: Qingdao University of Science and Technology
Priority date: 2017-12-11
Filing date: 2017-12-11
Publication date: 2023-08-11
Anticipated expiration: 2037-12-11
Also published as: CN107891918A

Abstract

本发明为一种新型的轮‑履复合式移动机器人，可用于野外侦查和特种作业，由两个前轮腿系统，机身，后轮腿系统，左右履腿系统四部分组成。三个车轮具有独立的驱动转向结构，使机器人移动更加灵活。两个独立的前轮腿系统中的腿机构使用平行四连杆结构，且装有扭转弹簧的特殊模式转换系统与机身相连，机器人在越障时，前轮腿系统可以随地形起伏在一定范围内被动上下摆动，对地形具有良好的适应性，保证车轮在越障时始终与地面间的良好接触，提高越障通过能力；同时，依靠模式转换系统，两个前轮腿系统可以由被动摆动转变为在一定范围内的主动摆动，可以用来辅助翻越障碍及调整车身的重心高低位置，提高其对竖直高台类障碍的翻越能力与移动稳定性。

Description

轮-履复合式移动机器人

技术领域：

本发明涉及一种机器人，具体涉及一种能够在非结构化地形下机动行驶，具有较高机动性，较高越障性和较高的自适应性的轮-履复合式移动机器人。

背景技术：

随着社会的发展，机器人技术的成熟，机器人已经不只被期望用于工业环境中进行劳动生产，在其他方面如军事、水下探测、空间探测、抢险救灾、核工业等领域都需要能够在非结构化环境下完成作业任务的机器人。因此对能够在非结构化环境下积极适应并灵活移动的“特种机器人”的研究越来越受到各个国家的一致重视。

现有移动机器人的移动机构主要分为四类：轮式、腿式、履带式、复合式(如轮腿式、轮履式等)。任何一种移动机构在特定的环境中都具有其独特的优势，但也存在一些自身无法克服的不足和缺陷。相比较之下，复合式移动机器人较只具有单一类型移动机构的机器人具有更好的环境适应性，但目前各国的复合式移动机器人受本身结构的限制，越障性能并非理想，因此积极开展对复合移动机构的创新及研究工作具有重要意义。

发明内容：

本发明克服现有技术的不足，所要解决的技术问题是提供一种能够在非结构化地形下机动行驶，具有较高机动性，较高越障性和较高的自适应性的轮-履复合式移动机器人。

本发明采取的技术方案是：一种轮-履复合式移动机器人，机器人系统采用对称结构，主要由两个前轮腿系统，机身，后轮腿系统，左右履腿系统，四部分组成。在相对平坦且较硬的地面上移动时，主要考虑其机动性能与移动灵活性，要求机器人移动机构移动速度快，转向灵活，能够实现原地360度旋转且移动控制简单；为提高其移动的隐蔽性与行驶及转向的平稳性，应要求车体重心尽量降低。在通过沼泽、沙地等松软地面时，要求保证一定的移动速度的同时具有良好的通过性，避免因车轮陷入地面所受摩擦阻力过大而不能移动的状况，因此要求机器人移动机构具有较小的接地比压与良好的牵引性能。在通过崎岖路面时，要求良好通过性能，因此机器人结构与地面间应具有较高的离地间隙，同时为了协调上述所提“车体重心尽量降低”设计要求，则移动机器人应具有能够主动调整自身重心高低的优良悬架结构，以满足通过崎岖路面时，每个轮子都能与地面进行良好接触，传递充足动力要求的同时保证移动机器人具有较好的移动平顺性，为搭载的仪器设备提供较平稳的搭载平台，利于保证侦查质量。与相似尺寸类型的机器人相比较，具有较强的垂直台阶的翻越能力，同时为保证良好的隐蔽性，要求结构简单，体积小，重量轻。而翻越竖直台阶的能力往往与机器人本身的结构尺寸密切相关，设计了一套整体协作机动的翻越策略。

本发明的有益效果为：可以在复杂、非结构化环境下作业，具有很好的灵活性、几何通过性、越障性、抗倾覆性、行驶平顺性等特性。轮-履复合式移动机构兼有轮式移动结构和履带式移动机构的优点，具有较强环境适应性，在相对平坦且较硬的地面上移动时，具有良好的机动性能与移动灵活性；在通过沼泽、沙地等松软泥泞地面时，保证一定的移动速度的同时具有良好的通过性和牵引性能；在通过崎岖路面时，具有良好通过性能而且具有较强的垂直断面翻越能力，同时保证良好的隐蔽性，要求结构简单，体积小，重量轻。

附图说明：

图1为本发明轮-履复合式移动机器人的整体装配图；

图2为本发明轮-履复合式移动机器人的整体装配图；

图3为本发明轮-履复合式移动机器人的转向驱动机构的结构示意图；

图4为本发明轮-履复合式移动机器人的模式转换机构的结构示意图；

图5为本发明轮-履复合式移动机器人的机身结构及传动系统的结构示意图；

图6为本发明轮-履复合式移动机器人的履带上支架传动系统的结构示意图；

图7为本发明轮-履复合式移动机器人的履带支架结构示意图；

图8为本发明轮-履复合式移动机器人的三角履带轮机构结构示意图；

具体实施方式：

下面结合附图和具体实施例，对本发明作进一步说明，但本发明的内容并不仅限于所属范围。

如图1所示，轮-履复合式移动机器人系统采用对称结构，主要由两个前轮腿系统(1)、(2)，机身(3)，后轮腿系统(4)，左右履带轮系统(5)、(6)四部分组成。共包含三个车轮，两个三角履带轮机构，三个车轮具有独立的驱动转向结构，使机器人移动更加灵活；两个独立的前轮腿系统(1)、(2)中的腿机构(7)使用平行四连杆结构，腿机构的一端连接车轮(8)，另一端通过位于机身内，且装有扭转弹簧的模式转换机构与机身(3)相连，机器人在越障时，前轮腿系统(1)、(2)可以随地形起伏在一定范围内被动上下摆动，对地形具有良好的适应性，保证车轮(8)在越障时始终与地面间的良好接触，以传递充足动力，提高越障通过能力；同时，依靠模式转换机构，两个前轮腿系统可以由被动摆动转变为在一定范围内的主动摆动，可以用来辅助翻越障碍及调整车身的重心高低位置，提高其对竖直高台类障碍的翻越能力与移动稳定性。

如图2所示，轮-履复合式移动机器人重要机构主要有履带上支架传动系统机构(9)，模式转换机构(10)，转向驱动机构(11)，三角履带轮机构(12)，履带支架结构(13)。以上机构在下文一一说明。

如图3所示，驱动转向机构(11)由两个独立的电机(14)、(15)及其电机架(16)、(17)，端盖(18)，车轮转轴(19)及滑动轴承(20)构成。车轮外径0.15m,外圈为实心橡胶轮胎，车轮通过转轴与电机(15)输出轴连接，因此电机(15)提供车轮沿自身轴线方向的扭矩，为机器人的移动提供动力。电机(15)固定在电机架(17)内，电机架(17)与固定在电机架(16)内的电机(14)输出轴相连，电机(14)提供的扭矩实现车轮垂直于其自身轴线方向的转动，从而使机器人能够灵活转向。转轴与电机架(17)，电机架(17)与电机架(16)之间的连接方式均采用圆柱凸起与凹槽相配合的结构，目的是将车轮受到的地面冲击力经由电机架直接传递给扭转弹簧，避免使电机的输出轴承受外力及其引起的震动，达到保护电机输出轴，保证电机具有可靠地工作状态及稳定的扭矩输出。另外，凸起与凹槽配合结构内均装有滑动轴承，减少电机输出的摩擦损耗，为机器人移动跃障，提供更充足的动力。

如图4所示，模式转换机构主要有轮腿驱动电机(21)，锥齿轮组(22)，直齿圆柱齿轮组(23)，压缩弹簧(24)，主齿轮轴(25)，牙嵌式轴套(26)、(27)，滑动键(28)，拨叉(29)，滚子(30)，圆柱凸轮轴(31)，凸轮轴齿轮组(32)，扭转弹簧(33)，凸轮轴驱动电机(34)，及滑动轴承、套筒等组成。扭转弹簧(33)的一端与机身固定，另一端与牙嵌式轴套(27)固定，牙嵌式轴套(26)、(27)之间通过端面的矩形凸起相互啮合在一起，装有滑动轴瓦的牙嵌式轴套(27)空套在主齿轮轴(25)上，因此牙嵌式齿轮套(27)可以沿主齿轮轴(25)的周向自由转动；牙嵌式轴套(26)通过三个滑动键(28)与主齿轮轴(25)连接，因此牙嵌式轴套(26)可以沿主齿轮轴(25)的轴向进行滑移，且为了装配方便，牙嵌式轴套(26)分为两个部分。直齿圆柱齿轮组(23)中具有较多齿数的齿轮套在牙嵌式轴套(26)上，之间以平键连接。拨叉(29)也套在牙嵌式轴套(26)上，且对轴套(26)上的齿轮起到轴向固定的作用。牙嵌式轴套(26)的末端通过压缩弹簧(24)与机身相连。主齿轮轴(25)的右端通过平键与螺栓跟前轮腿系统的前臂主杆杆件固连在一起。直齿圆柱齿轮组(23)的两个齿轮没有啮合在一起，牙嵌式轴套(26)、(27)在右端压缩弹簧(24)及圆柱凸轮轴(31)位置的限制下，其端面矩形齿想互紧密啮合。此时前轮腿系统受到的地面作用力将经由主齿轮轴(25)、滑动键(28)、牙嵌式轴套(26)、(27)传递给扭转弹簧，由扭转弹簧的形变产生的扭矩进行平衡。此时，前轮腿系统将能够根据地形实现被动的适应，进行上下灵活摆动及变形。当需要前轮腿系统主动输出扭矩，起到前轮腿系统攀爬或支撑辅助跃障作用时，凸轮轴驱动电机(34)转动，扭矩通过凸轮轴齿轮组(32)传递到圆柱凸轮轴(31)，从而带动其绕轴线转动。圆柱凸轮轴(31)的转动将使拨叉(29)推动牙嵌式轴套(26)沿着主齿轮轴(25)上的键槽进行向右的轴向滑移，从而使直齿圆柱齿轮组(23)的一对齿轮进行啮合，此时通过启动轮腿驱动电机(21)便可以实现前轮腿系统的主动扭矩输出，实现其在移动范围内的主动摆动，以辅助翻越障碍。

如图5所示，车体采用了机械传动与电气传动结合的方式。考虑到为了提高机器人的动作精度，为方便调速与控制，传动系统中驱动电机均选用步进电机，且为了使电机减速以获得较大的扭矩，机身内传动系统中使用了多组圆柱齿轮与锥齿轮对电机进行减速，同时考虑实际装配与机器人质量的平均分配，使其移动更加平稳，对机身壳体及内部结构进行了设计，机身由机身左侧板(35)，中部机身(36)，机身右侧板(37)及内部支架结构(38)组成。均采用铝合金材料，其中件(35)、(36)、(37)均采用铸造方式加工，各零件之间以螺钉连接。

如图6所示，履带上支架传动系统由图6中的驱动电机(39)，圆柱齿轮组(40)，锥齿轮组(41)，齿轮轴(42)、(43)等部分组成。履带上支架与齿轮轴(43)的末端连接，驱动电机输出的扭矩通过圆柱齿轮组(40)，锥齿轮组(41)，传递到齿轮轴(43)上，从而可以实现履带上支架绕齿轮轴(43)轴线的主动转动。

如图7所示，履带上支架(44)与履带下支架(45)通过类似前述的凸起与凹槽相配合的方式连接，且连接处装有扭转弹簧(46)，因此履带下支架可以根据地形起伏而相对履带上支架在一定范围内摆动。

如图8所示，履带下支架的另一端可以安装用以驱动如图8所示的三角履带轮机构相对履带下支架(45)转动的电机(47)，该端与三角履带轮机构的连接也通过凸起与凹槽相配合的连接方式。三角履带轮机构的支架结构主要由从动轮(48)，“L”型支架(49)，履带内支架(50)，减速齿轮组(51)，主动轮(52)，驱动电机(53)等组成。驱动电机的扭矩经过减速齿轮组传递至主动轮(52)，实现履带运转。崎岖路面移动时，“L”型支架(49)可以相对履带内支架(50)在一定范围内被动摆动，增加履带对地面的接触面积，提高履带的跃障能力。

Claims

1.轮-履复合式移动机器人，系统采用对称结构，主要由两个前轮腿系统(1)、(2)，机身(3)，后轮腿系统(4)，左右履带轮系统(5)、(6)四部分组成；共包含三个车轮，两个三角履带轮机构，三个车轮具有独立的驱动转向机构，使机器人移动更加灵活；两个独立的前轮腿系统(1)、(2)中的腿机构(7)使用平行四连杆结构，腿机构的一端连接车轮(8)，另一端通过位于机身内，且装有扭转弹簧的模式转换机构与机身(3)相连，机器人在越障时，前轮腿系统(1)、(2)可以随地形起伏在一定范围内被动上下摆动，对地形具有良好的适应性，保证车轮(8)在越障时始终与地面间的良好接触，以传递充足动力，提高越障通过能力；同时，依靠模式转换机构(10)，两个前轮腿系统(1)(2)可以由被动摆动转变为在一定范围内的主动摆动，可以用来辅助翻越障碍及调整车身的重心高低位置，提高对竖直高台类障碍的翻越能力与移动稳定性；模式转换机构主要由轮腿驱动电机(21)，锥齿轮组(22)，直齿圆柱齿轮组(23)，压缩弹簧(24)，主齿轮轴(25)，牙嵌式轴套(26)、(27)，滑动键(28)，拨叉(29)，滚子(30)，圆柱凸轮轴(31)，凸轮轴齿轮组(32)，扭转弹簧(33)，凸轮轴驱动电机(34)，及滑动轴承、套筒组成；扭转弹簧(33)的一端与机身固定，另一端与牙嵌式轴套(27)固定，牙嵌式轴套(26)、(27)之间通过端面的矩形凸起相互啮合在一起，装有滑动轴瓦的牙嵌式轴套(27)空套在主齿轮轴(25)上，牙嵌式轴套(27)可以沿主齿轮轴(25)的周向自由转动；牙嵌式轴套(26)通过三个滑动键(28)与主齿轮轴(25)连接，牙嵌式轴套(26)可以沿主齿轮轴(25)的轴向进行滑移，且为了装配方便，牙嵌式轴套(26)分为两个部分；直齿圆柱齿轮组(23)中具有较多齿数的齿轮套在牙嵌式轴套(26)上，之间以平键连接；拨叉(29)也套在牙嵌式轴套(26)上，且对牙嵌式轴套(26)上的齿轮起到轴向固定的作用；牙嵌式轴套(26)的末端通过压缩弹簧(24)与机身相连；主齿轮轴(25)的右端通过平键与螺栓跟前轮腿系统的前臂主杆杆件固连在一起；直齿圆柱齿轮组(23)的两个齿轮没有啮合在一起，牙嵌式轴套(26)、(27)在右端压缩弹簧(24)及圆柱凸轮轴(31)位置的限制下，端面矩形齿相互紧密啮合；前轮腿系统受到的地面作用力将经由主齿轮轴(25)，滑动键(28)，牙嵌式轴套(26)、(27)传递给扭转弹簧，由扭转弹簧的形变产生的扭矩进行平衡；前轮腿系统将能够根据地形实现被动的适应，进行上下灵活摆动及变形；当需要前轮腿系统主动输出扭矩，起到前轮腿系统攀爬或支撑辅助跃障作用时，凸轮轴驱动电机(34)转动，扭矩通过凸轮轴齿轮组(32)传递到圆柱凸轮轴(31)，从而带动其绕轴线转动；圆柱凸轮轴(31)的转动将使拨叉(29)推动牙嵌式轴套(26)沿着主齿轮轴(25)上的键槽进行向右的轴向滑移，从而使直齿圆柱齿轮组(23)的一对齿轮进行啮合，通过启动轮腿驱动电机(21)便可以实现前轮腿系统的主动扭矩输出，实现其在移动范围内的主动摆动，以辅助翻越障碍；后轮腿系统通过一个“L”型支架(49)将车轮与机身相连，“L”型支架(49)可以绕与机身的铰接点在一定范围内被动的摆动；左右履带轮系统分别由履带上支架(44)，履带下支架(45)，三角履带轮机构(12)组成；履带上支架(44)与机身内齿轮轴相连，齿轮轴有独立的驱动电机，通过驱动电机转动带动齿轮轴旋转，可以实现履带上支架(44)绕与机身连接点处的360度旋转；履带上支架(44)与履带下支架(45)之间通过装有扭转弹簧的结构相连接，使得履带下支架(45)可以相对履带上支架(44)在一定范围内被动的旋转。

2.按照权利要求1所述的轮-履复合式移动机器人，其特征是：三角履带轮机构(12)包含两个驱动电机，一个用来提供履带传动的动力，另一个用来实现三角履带轮机构(12)绕与履带下支架(45)相连接点处的360度主动旋转；通过三角履带轮机构(12)与履带上支架(44)的主动转动，可以实现左右履带轮系统的位置变化与收放，进而使机器人可以实现轮式移动与轮-履混合式移动的变换。