CN108163068A - 一种基于椭圆原理的可变形机器人行走装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于椭圆原理的可变形机器人行走装置，该行走装置包括第一张紧轮、第二张紧轮、驱动轮和从动轮，驱动轮安装于第一椭圆的左焦点上，从动轮安装于第二椭圆的右焦点上，第一椭圆与第二椭圆相交，第一张紧轮位于第一椭圆的圆周上，第二张紧轮位于第二椭圆的圆周，第一张紧轮的中心通过第一摆臂张紧机构连接第一椭圆的中心，第二张紧轮的中心通过第二摆臂张紧机构连接第二椭圆的中心，第一张紧轮、驱动轮和从动轮通过履带连接，第二张紧轮、驱动轮和从动轮通过履带连接。与现有技术相比，本发明具有运行稳定性好、较强的越障性能、结构简单紧凑和易维护保养等优点。

Description

一种基于椭圆原理的可变形机器人行走装置
技术领域
本发明涉及机器人行走装置，尤其是涉及一种基于椭圆原理的可变形机器人行走装置。
背景技术
移动机器人主要适用于运输环境或多变复杂的非结构化环境等特定环境场合。这些工作区域主要是人工不方便作业的地方，例如进行运输物品、搬运负载、执行特种任务等作业。对于地形复杂的区域需要有很高的越障性能和机动性能，对于环境恶劣的区域需要有很高的耐腐蚀、耐高温等性能，这就对机器人在零部件的选材上提出了较高的要求，同时要求机器人具有较强的环境适应能力。移动机器人需要具有结构简单、运动稳定性高的特点，同时还需要具有一定越障能力以适应不同的作业环境。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于椭圆原理的可变形机器人行走装置。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种基于椭圆原理的可变形机器人行走装置，所述的行走装置包括第一张紧轮、第二张紧轮、驱动轮和从动轮，所述的驱动轮安装于第一椭圆的左焦点上，所述的从动轮安装于第二椭圆的右焦点上，所述的第一椭圆与第二椭圆相交，所述的第一张紧轮位于第一椭圆的圆周上，所述的第二张紧轮位于第二椭圆的圆周，所述的第一张紧轮的中心通过第一摆臂张紧机构连接第一椭圆的中心，所述的第二张紧轮的中心通过第二摆臂张紧机构连接第二椭圆的中心，所述的第一张紧轮、驱动轮和从动轮通过履带连接，所述的第二张紧轮、驱动轮和从动轮通过履带连接。
优选地，所述的第二椭圆的右焦点与第一椭圆的右端点重合，所述的第一椭圆的左焦点与第二椭圆的左端点重合。
优选地，所述的第一摆臂张紧机构包括第一张紧轮、第一行星杆、第一张紧弹簧、第一导轨、第一凸轮滚子、第一凸轮和第一摆臂回转轴，所述的第一张紧轮安装于第一行星杆的一端，所述的第一行星杆的另一端连接第一导轨，所述的第一导轨上套设第一张紧弹簧，所述的第一导轨连接第一摆臂回转轴，所述的第一摆臂回转轴上安装第一凸轮，所述的第一凸轮滚子连接导轨，所述的第一凸轮滚子与第一凸轮表面接触。
优选地，所述的第一凸轮滚子通过第一直角连杆连接第一导轨，所述的第一凸轮滚子连接第一直角连杆的一边，所述的第一直角连杆的另一边套设于第一导轨上，所述的第一直角连杆与第一导轨相对滑动。
优选地，所述的第二摆臂张紧机构包括第二张紧轮、第二行星杆、第二张紧弹簧、第二导轨、第二凸轮滚子、第二凸轮和第二摆臂回转轴，所述的第二张紧轮安装于第二行星杆的一端，所述的第二行星杆的另一端连接第二导轨，所述的第二导轨上套设第二张紧弹簧，所述的第二导轨连接第二摆臂回转轴，所述的第二摆臂回转轴上安装第二凸轮，所述的第二凸轮滚子连接导轨，所述的第二凸轮滚子与第二凸轮表面接触。
优选地，所述的第二凸轮滚子通过第二直角连杆连接第二导轨，所述的第二凸轮滚子连接第二直角连杆的一边，所述的第二直角连杆的另一边套设于第二导轨上，所述的第二直角连杆与第二导轨相对滑动。
优选地，所述的装置包括柔性支重轮，所述的柔性支重轮与履带采用半刚性悬挂方式连接。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、运行稳定性好：装置基于两个椭圆设置驱动轮、从动轮和张紧轮，并设置柔性支重轮，采用半悬挂连接形式，使得行走装置保持较好的运行稳定性，装置负载能力强，具有灵活的运输能力；
2、较强的越障性能：通过摆臂机构保证装置在行走过程中履带的张紧力，并通过带动摆臂机构及张紧轮做摆动运动，可以通过陡坡、台阶、沟壑、崎岖路段等障碍；
3、结构简单紧凑，易维护保养：仅采用两个摆臂机构即可实现履带的变形，结构紧凑；
4、较强的执行能力，可以在非结构化环境中执行搬运、夹取等特种作业。
附图说明
图1为本发明行走装置原理图；
图2为本发明中双椭圆机构示意图；
图3为本发明中后轮驱动原理示意图；
图4为本发明摆臂机构结构示意图；
图5为本发明中装置越障时的状态一示意图；
图6为本发明中装置越障时的状态二示意图；
图7为本发明中装置越障时的状态三示意图；
图8为本发明中装置越障时的状态四示意图；
其中，1、张紧轮；2、行星杆；3、导轨；4、张紧弹簧；5、凸轮滚子；6、凸轮；7、摆臂回转轴；8、车体；9、摆臂张紧机构；10、履带；11、从动轮；12、柔性支重轮；13、驱动轮。
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，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。
实施例
本发明公开一种基于椭圆原理的可变形机器人行走装置，机器人满足以下的功能要求：
1)较强的负载能力，灵活的运输能力；
2)较强的越障性能，可以通过陡坡、台阶、沟壑、崎岖路段等障碍；
3)结构简单紧凑，易维护保养；
4)较强的执行能力，可以在非结构化环境中执行搬运、夹取等特种作业。
明确移动机器人的工作环境及使用条件是确定整机功能与性能指标的主要依据，也是总体设计前最重要的工作。
为实现以上的功能要求，移动机器人在结构形式、移动速度、运动稳定性、越障性能、负载等方面有以下具体要求：
结构形式：本研究的机器人属于小型移动机器人，其外形尺寸应在期望工作环境所能限制的尺寸范围内，结构要简单可靠；
移动速度：机器人在不同的路段需要以不同的速度到达工作现场，因此需要能够灵活的切换行驶速度，并规定速度安全界限；
运动稳定性：机器人在不同的路段其运动性能不同，特别实在崎岖复杂的路段需要有较高的抓地能力和稳定性；
越障性能：越障性能是评价机器人翻越障碍能力的重要指标之一，需要能越过一定高度的障碍、一定深度的沟壑、一定角度的陡坡等障碍；
负载：机器人执行任务时不仅要承载车体8及行走装置的负载，还要有足够的额外负载能力以实现一定的运输功能而且还要满足以上运动性能；
作业环境：高温、高压、辐射、污染、真空、高负载等人工无法直接作业的环境
将椭圆形成原理引入机器人行走机构的设计中，可推衍出摆臂张紧机构中心对称的可变构型的关节履带复合结构。本文采用双椭圆机构，如图2所示，F1、F2分别表示左椭圆的左右焦点，在F1上安装驱动轮，F3、F4分别表示右椭圆的左右焦点，在F4上安装从动轮，P1和P2分别是左右椭圆轨迹上的动点，在此处安装张紧轮，机构原理如图1所示。
图1中，R,r1分别表示驱动轮半径和张紧轮半径，La、Lb分别表示椭圆的长半轴、短半轴，P1和P2分别是左右椭圆轨迹上的动点，其中O1和O2分别是左椭圆的左焦点、右椭圆的右焦点。基于椭圆的特殊几何关系，在焦点O1，O2上分别安装驱动轮和从动轮，在动点P1，P2上安装张紧轮，张紧轮的椭圆运动轨迹是由摆臂张紧机构的运动实现的。其中摆臂张紧机构的作用是实现机器人更好的越障能力，两摆动主臂的摆动轨迹均不是整椭圆，而是有一定摆动角度限制的部分椭圆轨迹，但仍能满足越障要求。
移动机器人履带行走机构的驱动轮采用后轮驱动的方式，如图3。履带装置的节距因磨损而增大，导致履带伸长，若不进行调整以保持一定的张紧程度，就易发生脱轨与掉链等情况，因而需要装设张紧装置。本课题研究的是可变形履带行走装置，为保证履带变形过程中处于张紧状态，采用具有自动张紧能力的摆臂张紧机构。为增大机器人的负载能力，安装柔性支重轮系统，为减小运行阻力，采用少支点式的支重轮，且支承轮与履带梁之间采用半刚性悬挂。
具体结构
一种基于椭圆原理的可变形机器人行走装置，该行走装置包括第一张紧轮、第二张紧轮、驱动轮13、柔性支重轮12和从动轮11，驱动轮13安装于第一椭圆的左焦点上，从动轮11安装于第二椭圆的右焦点上，第一椭圆与第二椭圆相交，第二椭圆的右焦点与第一椭圆的右端点重合，所述的第一椭圆的左焦点与第二椭圆的左端点重合。第一张紧轮位于第一椭圆的圆周上，第二张紧轮位于第二椭圆的圆周，第一张紧轮通过第一摆臂张紧机构连接第一椭圆的中心，第二张紧轮通过第二摆臂张紧机构连接第二椭圆的中心，第一张紧轮、驱动轮和从动轮通过履带10连接，第二张紧轮、驱动轮和从动轮通过履带连接。柔性支重轮与履带采用半刚性悬挂方式连接。
第一摆臂张紧机构和第二摆臂张紧机构结构相同，本机器人构型的摆臂张紧机构的结构示意图如图4所示。摆臂张紧机构9包括张紧轮1、行星杆2、张紧弹簧4、导轨3、凸轮滚子5、凸轮6和摆臂回转轴7，张紧轮1安装于行星杆2的一端，行星杆2的另一端连接导轨3，导轨3上套设张紧弹簧4，导轨3连接摆臂回转轴7，摆臂回转轴7上安装凸轮6，凸轮滚子5连接导轨3，凸轮滚子5与凸轮6表面接触。
凸轮滚子通过直角连杆连接导轨，凸轮滚子连接直角连杆的一边，直角连杆的另一边套设于导轨上，直角连杆与导轨相对滑动。
图5、图6、图7和图8分别是装置越障时的几种状态示意图。图5中装置质心后置，车体与地面为履带面接触，图6中装置质心较低且后置，车体与地面为多处线接触，图7中装置质心较高且置于车体后部，车体与地面为多处线接触，图8中装置质心较低且置于车体前部，车体与地面为履带面接触。
本机构的结构特点是摆臂回转轴旋转运动时，整个摆臂机构带动张紧轮同步旋转，其运作机理：由电机减速器将驱动力矩传递给摆臂回转轴，带动摆臂张紧机构及张紧轮做摆动运动，此时，可以实现履带的变形，同时，通过凸轮与凸轮滚子的运动，使导轨沿轴向往复运动，张紧弹簧保证履带的张紧力，此时，可以实现履带张紧。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种基于椭圆原理的可变形机器人行走装置，其特征在于，所述的行走装置包括第一张紧轮、第二张紧轮、驱动轮(13)和从动轮(11)，所述的驱动轮(13)安装于第一椭圆的左焦点上，所述的从动轮(1)安装于第二椭圆的右焦点上，所述的第一椭圆与第二椭圆相交，所述的第一张紧轮位于第一椭圆的圆周上，所述的第二张紧轮位于第二椭圆的圆周上，所述的第一张紧轮的中心通过第一摆臂张紧机构连接第一椭圆的中心，所述的第二张紧轮的中心通过第二摆臂张紧机构连接第二椭圆的中心，所述的第一张紧轮、驱动轮和从动轮通过履带连接，所述的第二张紧轮、驱动轮和从动轮通过履带连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于椭圆原理的可变形机器人行走装置，其特征在于，所述的第二椭圆的右焦点与第一椭圆的右端点重合，所述的第一椭圆的左焦点与第二椭圆的左端点重合。
3.根据权利要求1所述的一种基于椭圆原理的可变形机器人行走装置，其特征在于，所述的第一摆臂张紧机构包括第一张紧轮、第一行星杆、第一张紧弹簧、第一导轨、第一凸轮滚子、第一凸轮和第一摆臂回转轴，所述的第一张紧轮安装于第一行星杆的一端，所述的第一行星杆的另一端连接第一导轨，所述的第一导轨上套设第一张紧弹簧，所述的第一导轨连接第一摆臂回转轴，所述的第一摆臂回转轴上安装第一凸轮，所述的第一凸轮滚子连接导轨，所述的第一凸轮滚子与第一凸轮表面接触。
4.根据权利要求3所述的一种基于椭圆原理的可变形机器人行走装置，其特征在于，所述的第一凸轮滚子通过第一直角连杆连接第一导轨，所述的第一凸轮滚子连接第一直角连杆的一边，所述的第一直角连杆的另一边套设于第一导轨上，所述的第一直角连杆与第一导轨相对滑动。
5.根据权利要求1所述的一种基于椭圆原理的可变形机器人行走装置，其特征在于，所述的第二摆臂张紧机构包括第二张紧轮、第二行星杆、第二张紧弹簧、第二导轨、第二凸轮滚子、第二凸轮和第二摆臂回转轴，所述的第二张紧轮安装于第二行星杆的一端，所述的第二行星杆的另一端连接第二导轨，所述的第二导轨上套设第二张紧弹簧，所述的第二导轨连接第二摆臂回转轴，所述的第二摆臂回转轴上安装第二凸轮，所述的第二凸轮滚子连接导轨，所述的第二凸轮滚子与第二凸轮表面接触。
6.根据权利要求5所述的一种基于椭圆原理的可变形机器人行走装置，其特征在于，所述的第二凸轮滚子通过第二直角连杆连接第二导轨，所述的第二凸轮滚子连接第二直角连杆的一边，所述的第二直角连杆的另一边套设于第二导轨上，所述的第二直角连杆与第二导轨相对滑动。
7.根据权利要求1所述的一种基于椭圆原理的可变形机器人行走装置，其特征在于，所述的装置包括柔性支重轮(12)，所述的柔性支重轮与履带采用半刚性悬挂方式连接。
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