CN108556560B - 一种变直径轮辐式滚动机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种变直径轮辐式滚动机器人，主要包含两个变直径车轮以及并联驱动单元，并联驱动单元与变直径车轮通过轮盘连接杆和可伸缩万向节联轴器连接。变直径车轮采用轮辐式结构，轮辐杆穿过T型柱圆孔且其一端与球头关节轴承固连，轮辐杆另一端与夹头连接，相邻两个圆弧片分别通过圆孔和长孔与夹头连接，全部圆弧片构成变直径车轮的外圈。并联驱动单元中三叶板的转动输出驱动两组小轮盘相对于大轮盘转动，实现两个车轮直径增大及减小同步变化；具有一定重量的电池组、控制器的位置改变实现滚动机器人的滚动驱动，结合轮径变化实现转弯。本发明机械结构简单，可行性高，在研究、娱乐、探测等领域具有广泛的应用前景。

Description

一种变直径轮辐式滚动机器人

技术领域

本发明涉及滚动机器人领域，具体涉及一种包含两个可变直径轮辐的滚动机器人。

背景技术

滚动机器人主要应用于研究、娱乐、探测等领域，是区别于轮式、足式机器人的一种通过重心调整实现行走的新型机器人。当前典型的滚动机器人大部分采用球形结构，即机器人外部轮廓为一球形，通过球内电机改变活动质量块的位置进而改变质心的位置，最终实现滚动和转弯。该类机器人和地面为点接触但外形不能根据路况改变，虽运动灵活，但对方向的控制较难，且路面质量对其行走影响较大，难以跨越障碍。

轮形的滚动机器人和地面为线接触，一定程度可弥补球形机器人的不足。中国专利CN200520022908.9公开了一种基于平面四杆机构的轮形滚动机器人，通过自身平行四边形的变形和机构在自身杆件的运动惯性完成翻滚行进。中国专利CN201210127096公开了一种包括一个连接杆、两个独立的类车轮六边形机构组成的机器人，通过改变共用一个顶点的三个平行四边形内角的变化，改变每个类车轮六边形机构的形状，实现机构变形并翻滚。上述轮形滚动机器人主要为平面多边形连杆机构，为了降低驱动难度其边数较少，其外形较圆形具有较大差异，普遍存在运动不平稳、速度慢、转弯困难、承载能力不强等缺点。轮形滚动机器人为了实现转弯，可通过改变轮子直径的方法来实现，中国专利CN201310234304.X公开了一种基于摇杆滑块串联组合的变直径轮，通过齿轮驱动平面闭环连杆机构实现外端的包络圆直径的变化，单个分支连杆数量较多结构复杂，不仅影响整体刚度同时其分支数量不易增多，致使实际输出为多边形，不适用于利用质心调整进行驱动的滚动机器人。

发明内容

本发明目的在于提供一种低成本、结构简单、滚动效果明显、能转弯、路况适应性强的变直径轮辐式滚动机器人。

为实现上述目的，采用了以下技术方案：本发明所述机器人包含两个变直径车轮以及中间并联驱动单元；

所述变直径车轮采用轮辐式结构，由中间转轴、法兰轴承、小轮盘、大轮盘、球头关节轴承、T型柱、轮辐杆、夹头以及圆弧片组成；大轮盘与法兰轴承固连，中间转轴穿过法兰轴承与小轮盘固连；小轮盘即可实现相对于大轮盘的转动；T型柱细轴端与大轮盘外圈设置的圆孔连接形成转动副，球头关节轴承通过小轮盘外圈设置的圆孔与其固连；轮辐杆穿过T型柱圆孔且其一端与球头关节轴承固连，轮辐杆另一端与夹头连接，相邻两个圆弧片分别通过圆孔和长孔与夹头连接；全部圆弧片构成变直径车轮的外圈，通过大轮盘和小轮盘间的转动实现直径变化；由于全部圆弧片所在外圈在直径变化过程中始终近似圆形，确保滚动过程中运动平缓。

所述并联驱动单元由轮盘连接杆、舵机支架、双输出轴舵机、U型连接架、U型驱动杆、从动杆、三叶板、中间圆盘、输出圆盘、电池组、控制板组成；其中，三个呈120度布置的轮盘连接杆分别通过舵机支架与双输出轴舵机固连，舵机输出轴与U型连接架固连，U型连接架与U型驱动杆固连，U型驱动杆与从动杆通过轴孔连接；从动杆与三叶板通过轴孔连接，构成三自由度并联3-RRR机构，输出圆盘与三叶板固连，两个输出圆盘间固连一个中间圆盘，由中间圆盘隔成的两个空间分别固定电池组和控制板；

所述并联驱动单元与变直径车轮通过轮盘连接杆和可伸缩万向节联轴器连接；可伸缩万向节联轴器一端与输出圆盘固连，另一端与中间转轴固连，且中间转轴与小轮盘固连，实现舵机对小轮盘的回转驱动；轮盘连接杆两端连接两个变直径车轮的大轮盘。在3个双输出轴舵机的驱动下两个三叶板带动输出圆盘及其之间的电池组、控制器等进行移动，由于质心位置变化将驱动滚动机器人进行滚动，三叶板所具有的转动自由度带动小轮盘实现回转运动，进而调整两个变直径车轮的直径，且两个变直径车轮的直径一个变大一个变小，结合向前的滚动即可实现转弯运动。

进一步的，变直径车轮外圈的每个圆弧片上设有一个圆孔和一个槽孔，相邻两个圆弧片共用一个铁夹转轴。

进一步的，并联驱动单元包含三叶板和输出圆盘两个相互固连的独立构件，输出圆盘设有轴肩以增大输出圆盘盘面和三叶板之间距离，有效降低机械加工成本且提高系统驱动能力。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：结构简单高效，可行性高，在研究、娱乐、探测等领域具有广泛的应用前景。

附图说明

图1为本发明变直径轮辐式滚动机器人的整体三维图。

图2为变直径车轮三维图。

图3为并联驱动单元三维图。

图4为车轮外圈圆弧片局部放大图。

图5为平面3-RRR机构的结构图。

图6为三叶板与联轴器连接结构图。

图7为法兰轴承连接局部视图。

附图标号：1—大轮盘、2—轮盘连接杆、3—法兰轴承、4—电池组、5—从动杆、6—U型驱动杆、7—U型连接架、8—双输出轴舵机、9—舵机支架、10—中间圆盘、11—控制板、12—三叶板、13—T型柱、14—轮辐杆、15—夹头、16—圆弧片、17—中间转轴、18—小轮盘、19—球头关节轴承、20—可伸缩万向节联轴器、21—输出圆盘、22—铜柱。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明：

如图1所示，本发明主要包含两个变直径车轮以及中间并联驱动单元两部分，其中，变直径车轮采用轮辐式结构，由中间转轴17、法兰轴承3、小轮盘18、大轮盘1、球头关节轴承19、T型柱13、轮辐杆14、夹头15以及圆弧片16组成，并联驱动单元由轮盘连接杆2、舵机支架9、双输出轴舵机8、U型连接架7、U型驱动杆6、从动杆5、三叶板12、中间圆盘10、输出圆盘21、电池组4、控制板11组成；并联驱动单元与变直径车轮通过轮盘连接杆和可伸缩万向节联轴器20连接。所述各部的具体连接为：

如图7所示，大轮盘与法兰轴承固连，中间转轴穿过法兰轴承与小轮盘固连，中间转轴上设有轴用卡环，用于法兰轴承的限位，小轮盘即可实现相对于大轮盘的转动，T型柱细轴端与大轮盘外圈设置的圆孔连接形成转动副，采用螺栓连接限制其轴向运动，球头关节轴承通过小轮盘外圈设置的圆孔与其通过螺栓固连，轮辐杆穿过T型柱圆孔且其一端与球头关节轴承固连，轮辐杆另一端与夹头连接，如图4所示，夹头上的小转轴与球头关节轴承的转轴以及T型柱细轴端共线。相邻两个圆弧片分别通过圆孔和长孔与夹头连接，全部圆弧片构成变直径车轮的外圈，如图2所示，通过大轮盘和小轮盘间的转动实现直径变化。由于全部圆弧片所在外圈在直径变化过程中始终近似圆形，确保滚动过程中运动平缓。

如图3所示，在并联驱动单元中，三个呈120度布置的轮盘连接杆分别通过舵机支架与双输出轴舵机固连，舵机输出轴通过法兰盘与U型连接架固连，U型连接架与U型驱动杆通过固连，U型驱动杆与从动杆通过轴孔形成转动副连接，转轴方向与轮盘连接杆方向一致，从动杆另一端与三叶板通过轴孔形成转动副连接，转轴方向与轮盘连接杆方向一致，构成三自由度并联3-RRR机构，如图5所示。输出圆盘与三叶板固连，两个输出圆盘中间通过铜柱22固连一个中间圆盘，由中间圆盘隔成的两个空间分别固定电池组和控制板。

如图6所示，可伸缩万向节联轴器的两端分别与输出圆盘及中间转轴的轴端固连，通过顶丝实现其周向固定，轮盘连接杆两端连接两个变直径车轮的大轮盘，为了保证机器人的强度，采用6根轮盘连接杆进行连接，如图1所示。

由于驱动单元的平面3-RRR机构具有两个移动自由度和一个转动自由度，在3个双输出轴舵机的驱动下，两个三叶板带动输出圆盘及其之间的电池组、控制器等进行移动，由于质心位置变化将驱动滚动机器人进行滚动；三叶板所具有的转动自由度通过可伸缩万向节联轴器带动小轮盘实现回转运动，进而调整两个变直径车轮的直径，且初始位置时，两个变直径车轮成反向布置，因此两个变直径车轮的直径一个变大一个变小，结合向前的滚动即可实现转弯运动。

以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (3)

1.一种变直径轮辐式滚动机器人，其特征在于：所述机器人包含两个变直径车轮以及中间并联驱动单元；

所述变直径车轮采用轮辐式结构，由中间转轴、法兰轴承、小轮盘、大轮盘、球头关节轴承、T型柱、轮辐杆、夹头以及圆弧片组成；大轮盘与法兰轴承固连，中间转轴穿过法兰轴承与小轮盘固连；T型柱细轴端与大轮盘外圈设置的圆孔连接形成转动副，球头关节轴承通过小轮盘外圈设置的圆孔与其固连；轮辐杆穿过T型柱圆孔且其一端与球头关节轴承固连，轮辐杆另一端与夹头连接，相邻两个圆弧片分别通过圆孔和长孔与夹头连接；全部圆弧片构成变直径车轮的外圈，通过大轮盘和小轮盘间的相对转动实现直径变化；

所述并联驱动单元由轮盘连接杆、舵机支架、双输出轴舵机、U型连接架、U型驱动杆、从动杆、三叶板、中间圆盘、输出圆盘、电池组、控制板组成；其中，三个呈120度布置的轮盘连接杆分别通过舵机支架与双输出轴舵机固连，舵机输出轴与U型连接架固连，U型连接架与U型驱动杆固连，U型驱动杆与从动杆通过轴孔连接；从动杆与三叶板通过轴孔连接，构成三自由度并联3-RRR机构，输出圆盘与三叶板固连，两个输出圆盘间固连一个中间圆盘，由中间圆盘隔成的两个空间分别固定电池组和控制板；

所述并联驱动单元与变直径车轮通过轮盘连接杆和可伸缩万向节联轴器连接；可伸缩万向节联轴器一端与输出圆盘固连，另一端与中间转轴固连，且中间转轴与小轮盘固连；轮盘连接杆两端连接两个变直径车轮的大轮盘。

2.根据权利要求1所述的一种变直径轮辐式滚动机器人，其特征在于：变直径车轮外圈的每个圆弧片上设有一个圆孔和一个槽孔，相邻两个圆弧片共用一个铁夹转轴。

3.根据权利要求1所述的一种变直径轮辐式滚动机器人，其特征在于：并联驱动单元包含三叶板和输出圆盘两个相互固连的独立构件，输出圆盘设有轴肩。