CN108313158B - 一种移动机器人及其棘爪棘轮高弹力间歇运动装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种移动机器人及其棘爪棘轮高弹力间歇运动装置，属于机器人机械结构设计技术领域。本发明包括曲柄和箱体，曲柄伸出箱体，所述的箱体内部设置阻力单元一、阻力单元二及阻力切换单元；阻力单元一和阻力单元二分设于曲柄的两侧，其中：阻力单元一、阻力单元二分别为曲柄不同角度范围内逆时针运动提供阻力，阻力切换单元在曲柄转动到对应位置时控制阻力单元一或阻力单元二动作。本发明实现了分段控制的效果，在移动机器人上坡或下坡时，保证了机器人的平衡，实现了机器人在不同地形的运动。

Description

一种移动机器人及其棘爪棘轮高弹力间歇运动装置

技术领域

本发明属于机器人机械结构设计技术领域，更具体地说，涉及一种移动机器人及其棘爪棘轮高弹力间歇运动装置。

背景技术

移动机器人的行走方式包括轮式、足式、履带式以及混合式。轮式机器人具有运行速度快、结构简单等优点，但轮式机器人越障能力较差。足式机器人越障能力强，但结构和控制系统复杂。履带式机器人重心低，越障能力强，但其速度通常比较慢。轮腿式机器人相比于轮式、腿式以及履带式机器人，结构和控制简单，运行速度快，越障能力强等综合优点。且采用欠驱动行走机构的轮腿式机器人不仅具有上述优点，而且在实际使用中表现出很高的性能稳定性。轮腿式机器人也存在自身的一些缺点，如车体重心较高，机器人下楼梯或者过壕沟时，容易出现倾覆现象。

目前，很多国家的高校或研究机构对欠驱动轮腿式机器人有深入的研究，如瑞士申请的专利WO01/53145A1，该申请案提供的机器人的行走机构包括：布置于机器人前端的双曲柄攀爬机构，对称分布于车体两侧的平行四边形爬升机构，固接于车体后端的平衡机构。设置于机器人本体前段的双曲柄攀爬机构上安装有弹簧，由于双曲柄机构的偏转角较大，故弹簧弹力的变化范围较大，但在机器人下台阶时双曲柄机构往下偏转，此时弹簧形变量较小，所能提供的弹力也较小，不利于提高机器人下台阶的稳定性。

经检索，中国专利号ZL 201210367066.5，发明创造名称为：复位机构及其自平衡电动两轮机器人转向装置；该申请案公开了一种复位机构，包括机架、转轴、齿轮、齿条、齿条复位装置和齿条限位装置。齿轮套设在转轴上，并与齿条啮合；齿条的背面设有第一限位部和第二限位部；齿条复位装置包括弹性元件以及第三限位部和第四限位部。齿条限位装置用于支撑齿条和弹性元件。当转轴和齿条均处于初始位置时，第一限位部与第三限位部相对，第二限位部与第四限位部相对，弹性元件的一端抵靠第一限位部和第三限位部，另一端抵靠第二限位部和第四限位部。该申请案通过齿轮和齿条实现转轴的复位，在操作者撤销施加给自平衡电动两轮机器人的转向装置的转动力矩后，能够使自平衡电动两轮机器人的转向装置自动复位到初始位置。但该申请案应用场景较单一，推广应用性不强。

发明内容

1.发明要解决的技术问题

本发明的目的在于克服现有移动机器人下楼梯或者过壕沟时，容易出现倾覆现象的问题，提供了一种移动机器人及其棘爪棘轮高弹力间歇运动装置；本发明提供的高弹力间歇运动装置能应用在移动机器人的双曲柄结构上，可以在曲柄被动的转动时，间歇提供均匀的阻力，有助于移动机器人保持平衡状态。

2.技术方案

为达到上述目的，本发明提供的技术方案为：

本发明的一种棘爪棘轮高弹力间歇运动装置，包括曲柄和箱体，曲柄伸出箱体，所述的箱体内部设置阻力单元一、阻力单元二及阻力切换单元；阻力单元一和阻力单元二分设于曲柄的两侧，其中：阻力单元一、阻力单元二分别为曲柄不同角度范围内逆时针运动提供阻力，阻力切换单元在曲柄转动到对应位置时控制阻力单元一或阻力单元二动作。

更进一步地，所述的阻力单元一包括第一齿轮、第二齿轮和第一齿条，第一齿轮和第二齿轮啮合传动，第一齿条和第二齿轮啮合传动，第一齿条活动套设在箱体内部设置的滑槽中，该滑槽中设置第一齿条弹簧，第一齿条弹簧一端与第一齿条固接，另一端连接滑槽内壁。

更进一步地，所述的第一齿轮为不完全齿轮。

更进一步地，所述的阻力单元二包括第三齿轮、第四齿轮和第二齿条，第三齿轮和第四齿轮啮合传动，第二齿条和第四齿轮啮合传动，第二齿条活动套设在箱体内部设置的另一滑槽中，该滑槽中设置第二齿条弹簧，第二齿条弹簧一端与第二齿条固接，另一端连接滑槽内壁。

更进一步地，所述的阻力切换单元包括拨盘、棘轮、销轴和销轴弹簧，曲柄固接在第一齿轮的第一齿轮轴上，所述拨盘滑动套接在第一齿轮轴上，拨盘上设置有棘爪，棘轮与棘爪形成单向传动关系；所述的曲柄上以第一齿轮轴为中心的两侧设置销轴，所述销轴一端活动套接在曲柄上，另一端固接在拨盘上，销轴弹簧套接在销轴上，该销轴弹簧一端固接在曲柄上，另一端固接在拨盘上。

更进一步地，所述的拨盘的转动方向上设置有上挡板和下挡板，该上挡板和下挡板与拨盘的接触面均为曲面。

更进一步地，所述的第一齿轮轴和第三齿轮的第三齿轮轴同心，棘轮固接在第三齿轮轴上。

更进一步地，所述的第一齿条弹簧、第二齿条弹簧采用拉簧，销轴弹簧采用压簧。

本发明的一种移动机器人，该移动机器人应用所述的棘爪棘轮高弹力间歇运动装置。

本发明的一种移动机器人，包括机器人本体、攀爬驱动轮、平衡驱动轮、转架驱动轮，所述的棘爪棘轮高弹力间歇运动装置设置于靠近攀爬驱动轮的一端，该棘爪棘轮高弹力间歇运动装置的曲柄与攀爬驱动轮的连杆相连。

3.有益效果

采用本发明提供的技术方案，与已有的公知技术相比，具有如下显著效果：

(1)本发明的一种棘爪棘轮高弹力间歇运动装置，能应用在移动机器人的双曲柄结构上，可以在曲柄被动的逆时针转动时，通过设置的两阻力单元间歇提供均匀的阻力，在移动机器人上坡或下坡时，保证了机器人的平衡，实现了机器人在不同地形的平稳运动；

(2)本发明的一种棘爪棘轮高弹力间歇运动装置，利用棘轮棘爪、齿轮齿条啮合传动，多个弹簧等机构，在曲柄被动转动时，根据不完全齿轮的齿数和上挡板、下挡板所在位置，间歇的提供大力矩，实现分段控制的效果，控制原理简单，运行稳定；

(3)本发明的移动机器人，应用所述的棘爪棘轮高弹力间歇运动装置，结构简单，安装维护方便，可靠性强，适用范围广，具有较好的市场应用前景。

附图说明

图1为本发明设计的棘爪棘轮高弹力间歇运动装置一种实施例安装于六轮无人移动机器人的外观图。

图2为本发明设计的棘爪棘轮高弹力间歇运动装置一种实施例的立体外观图。

图3为图2所示实施例除去箱体后的正视图。

图4为图2所示实施例的剖视图，体现第一齿轮、第二齿轮、第一齿条与第一齿条弹簧之间的位置与传动关系。

图5为图2所示实施例的局部剖视图，体现第三齿轮、第四齿轮、第二齿条与第二齿条弹簧之间的位置与传动关系。

图6为图2所示实施例的局部视图，体现棘轮棘爪装置相互啮合关系。

图7为图2所示实施例的内部立体视图。

示意图中的标号说明：

1、曲柄；2、箱体；21、箱体左板；22、箱体右板；23、箱体盖板；24、箱体左板滑槽；25、箱体右板滑槽；31、第一齿轮；32、第二齿轮；33、第三齿轮；34、第四齿轮；35、第一齿条；36、第二齿条；4、拨盘；41、棘爪；42、棘轮；51、第一齿轮轴；52、第二齿轮轴；53、第三齿轮轴；54、第四齿轮轴；6、销轴；61、销轴弹簧；71、第一齿条弹簧；72、第二齿条弹簧；81、上挡板；82、下挡板；83、隔板；91、机器人本体；92、攀爬驱动轮；93、平衡驱动轮；94、转架驱动轮。

具体实施方式

为进一步了解本发明的内容，结合附图和实施例对本发明作详细描述。

实施例1

结合图2，本实施例的一种棘爪棘轮高弹力间歇运动装置，包括曲柄1和箱体2，箱体2上部设置有箱体盖板23，中部设置有滑槽，曲柄1通过该滑槽伸出箱体2，也将箱体2分成了左箱体和右箱体。本实施例中箱体2内部设置阻力单元一、阻力单元二及阻力切换单元；阻力单元一和阻力单元二分设于曲柄1的两侧，其中：阻力单元一、阻力单元二分别为曲柄1不同角度范围内逆时针运动提供阻力，阻力切换单元在曲柄1转动到对应位置时控制阻力单元一或阻力单元二动作。下面将结合附图，进行具体介绍：

参看图3和图4，所述的阻力单元一包括第一齿轮31、第一齿轮轴51、第二齿轮32、第二齿轮轴52、第一齿条35和第一齿条弹簧71，第一齿轮轴51活动套设在箱体左板21上，第二齿轮轴52活动套设在箱体左板21上，所述第一齿轮轴51中心线与第二齿轮轴52中心线平行，第一齿轮31固接在第一齿轮轴51上，第二齿轮32固接在第二齿轮轴52上，所述第一齿轮31与第二齿轮32啮合形成传动关系；第一齿轮31为不完全齿轮。第一齿条35活动套接在箱体左板滑槽24中，所述第一齿条35与第二齿轮32啮合形成传动关系。第一齿条弹簧71一端与第一齿条35固接，另一端与箱体左板滑槽24固接。

参看图5，所述的阻力单元二包括第三齿轮33、第四齿轮34、第三齿轮轴53、第四齿轮轴54、第二齿条36和第二齿条弹簧72，第三齿轮轴53活动套设在箱体右板22上，第四齿轮轴54活动套设在箱体右板22上，所述第三齿轮轴53中心线与第四齿轮轴54中心线活动平行；所述第一齿轮轴51与第三齿轮轴53同心。第三齿轮33固接在第三齿轮轴53上，第四齿轮34固接在第四齿轮轴54上，所述第三齿轮33与第四齿轮34啮合形成传动关系。第二齿条36活动套接在箱体右板滑槽25中，第二齿条弹簧72一端与第二齿条36固接，另一端与箱体右板滑槽25固接。

参看图6和图7，所述的阻力切换单元包括拨盘4、棘轮42、销轴6、销轴弹簧61、上挡板81和下挡板82，所述曲柄1固接在第一齿轮轴51上，所述拨盘4滑动套接在第一齿轮轴51上，拨盘4上设置有棘爪41，棘轮42固接在第三齿轮轴53上，棘轮42与棘爪41形成单向传动关系。所述的曲柄1上以第一齿轮轴51为中心的两侧设置销轴6，所述销轴6一端活动套接在曲柄1上，另一端固接在拨盘4上，销轴弹簧61套接在销轴6上，该销轴弹簧61一端固接在曲柄1上，另一端固接在拨盘4上。所述的拨盘4的转动方向上设置有上挡板81和下挡板82，上挡板81和下挡板82之间通过隔板83相连，该上挡板81和下挡板82与拨盘4的接触面均为曲面。本实施例中第一齿条弹簧71、第二齿条弹簧72采用拉簧，销轴弹簧61采用压簧。

本实施例的工作原理，结合附图叙述如下：

曲柄1初始位置如图2所示。当曲柄1在外力作用下，绕第一齿轮轴51向上或向下转动时，会发生两种情况，在此分别介绍：

在初始状态下，处于曲柄1和拨盘4之间的销轴弹簧61处于压缩状态，推动着拨盘4远离曲柄1，此时与拨盘4相固接棘轮42与棘爪41相啮合，如图6所示，当曲柄1向上逆时针摆动时，棘爪41在逆时针拨动棘轮42，由于齿形的原因，将带动着棘轮42一起逆时针转动。由于第三齿轮33与棘轮42一同固接在第三齿轮轴53上，第三齿轮33也将逆时针转动。第四齿轮34与第三齿轮33啮合，第四齿轮34与镶嵌在滑槽中的第二齿条36啮合，推动第二齿条36向左运动。与第二齿条36固接的第二齿条弹簧72处于拉伸状态，使曲柄1向上运动产生一定的阻力。此时固接在第一齿轮轴51上的第一齿轮31无法与第二齿轮32啮合，第一齿条弹簧71恢复原长。

当曲柄1向上运动到一定角度时，拨盘4与固接在箱体右板22上的上挡板81接触，上挡板81的曲面边缘与拨盘4的曲面边缘接触，推动着拨盘4靠近曲柄1，与拨盘4固接的棘爪41与棘轮42分离，第二齿条弹簧72拉着第二齿条36回归原长。此时固接在第一齿轮轴51上的第一齿轮31恰好与第二齿轮32啮合，当曲柄继续往上转动时，第一齿条弹簧71将会被拉伸。

当曲柄1从最上的位置向下运动时，在拨盘4与上挡板81接触时，棘爪41与棘轮42是分离的，第一齿轮31与第二齿轮32仍处于啮合阶段。此时第一齿条弹簧71在回复原长过程中推动曲柄1顺时针转动。当曲柄1继续向下转动时，拨盘4与上挡板81分离，销轴弹簧61伸长，使拨盘4远离曲柄1，棘爪41与棘轮42啮合，此时拨盘4带动着棘爪41顺时针转动，棘爪41齿面与棘轮42啮合时，棘轮42弧形齿面推动着棘爪41远离，销轴弹簧61被压缩，则曲柄1在向下运动过程中不会带动着棘轮42转动。

曲柄1从最底端向上运动时，过程相反，不再赘述。

本实施例的一种棘爪棘轮高弹力间歇运动装置，利用棘轮棘爪、齿轮齿条啮合传动，多个弹簧等机构，能应用在移动机器人的双曲柄结构上，可以在曲柄被动的逆时针转动时，根据不完全齿轮的齿数和上挡板、下挡板所在位置，间歇的提供大力矩，实现分段控制的效果，在移动机器人上坡或下坡时，保证了机器人的平衡，实现了机器人在不同地形的平稳运动，控制原理简单，运行稳定。

实施例2

结合图1，本实施例的一种移动机器人，包括机器人本体91、攀爬驱动轮92、平衡驱动轮93、转架驱动轮94，该移动机器人应用了实施例1所述的棘爪棘轮高弹力间歇运动装置，棘爪棘轮高弹力间歇运动装置设置于靠近攀爬驱动轮92的一端，该棘爪棘轮高弹力间歇运动装置的曲柄1与攀爬驱动轮92的连杆相连。结构简单，安装维护方便，可靠性强，适用范围广，具有较好的市场应用前景。

以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种棘爪棘轮高弹力间歇运动装置，包括曲柄（1）和箱体（2），曲柄（1）伸出箱体（2），其特征在于：所述的箱体（2）内部设置阻力单元一、阻力单元二及阻力切换单元；阻力单元一和阻力单元二分设于曲柄（1）的两侧，其中：阻力单元一、阻力单元二分别为曲柄（1）不同角度范围内逆时针运动提供阻力，阻力切换单元在曲柄（1）转动到对应位置时控制阻力单元一或阻力单元二动作；

所述的阻力单元一包括第一齿轮（31）、第一齿轮轴（51）、第二齿轮（32）、第二齿轮轴（52）和第一齿条（35），第一齿轮轴（51）活动套设在箱体左板（21）上，第二齿轮轴（52）活动套设在箱体左板（21）上，所述第一齿轮轴（51）中心线与第二齿轮轴（52）中心线平行，第一齿轮（31）固接在第一齿轮轴（51）上，第二齿轮（32）固接在第二齿轮轴（52）上，第一齿轮（31）和第二齿轮（32）啮合传动，第一齿条（35）和第二齿轮（32）啮合传动，第一齿条（35）活动套设在箱体（2）内部设置的滑槽中，该滑槽中设置第一齿条弹簧（71），第一齿条弹簧（71）一端与第一齿条（35）固接，另一端连接滑槽内壁；

所述的第一齿轮（31）为不完全齿轮；

所述的阻力单元二包括第三齿轮（33）、第四齿轮（34）、第三齿轮轴（53）、第四齿轮轴（54）和第二齿条（36），第三齿轮轴（53）活动套设在箱体右板（22）上，第四齿轮轴（54）活动套设在箱体右板（22）上，所述第三齿轮轴（53）中心线与第四齿轮轴（54）中心线平行；第三齿轮（33）固接在第三齿轮轴（53）上，第四齿轮（34）固接在第四齿轮轴（54）上，第三齿轮（33）和第四齿轮（34）啮合传动，第二齿条（36）和第四齿轮（34）啮合传动，第二齿条（36）活动套设在箱体（2）内部设置的另一滑槽中，该滑槽中设置第二齿条弹簧（72），第二齿条弹簧（72）一端与第二齿条（36）固接，另一端连接滑槽内壁；

所述的阻力切换单元包括拨盘（4）、棘轮（42）、销轴（6）和销轴弹簧（61），曲柄（1）固接在第一齿轮（31）的第一齿轮轴（51）上，所述拨盘（4）滑动套接在第一齿轮轴（51）上，拨盘（4）上设置有棘爪（41），棘轮（42）与棘爪（41）形成单向传动关系；所述的曲柄（1）上以第一齿轮轴（51）为中心的两侧设置销轴（6），所述销轴（6）一端活动套接在曲柄（1）上，另一端固接在拨盘（4）上，销轴弹簧（61）套接在销轴（6）上，该销轴弹簧（61）一端固接在曲柄（1）上，另一端固接在拨盘（4）上；

所述的拨盘（4）的转动方向上设置有上挡板（81）和下挡板（82），该上挡板（81）和下挡板（82）与拨盘（4）的接触面均为曲面；

所述的第一齿轮轴（51）和第三齿轮（33）的第三齿轮轴（53）同心，棘轮（42）固接在第三齿轮轴（53）上；

所述的第一齿条弹簧（71）、第二齿条弹簧（72）采用拉簧，销轴弹簧（61）采用压簧。

2.一种移动机器人，其特征在于：该移动机器人应用权利要求1所述的棘爪棘轮高弹力间歇运动装置。

3.根据权利要求2所述的一种移动机器人，其特征在于：包括机器人本体（91）、攀爬驱动轮（92）、平衡驱动轮（93）、转架驱动轮（94），所述的棘爪棘轮高弹力间歇运动装置设置于靠近攀爬驱动轮（92）的一端，该棘爪棘轮高弹力间歇运动装置的曲柄（1）与攀爬驱动轮（92）的连杆相连。