CN108790591B - 一种可变形轮式机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可变形轮式机器人。本发明的可变形轮式机器人包括可变径轮、驱动电机和连接两个可变径轮的平面单闭链多连杆结构。可变径轮的变径结构简单，机器人可根据操作空间调节高度，并且通过平面单闭链多连杆结构越过障碍物。

Description

一种可变形轮式机器人

技术领域

本发明涉及轮式机器人领域，尤其涉及一种可变形轮式机器人。

背景技术

在工业、军事或生活的部分任务或事务具有特殊性，若该类任务或事务由人来完成，则需要执行人员需要熟练的技术，较好的体力，执行人员执行某些任务或事务时会具有一定的危险性。例如，在校园绑架等紧急事件中，若由警察等去执行侦查被绑架人员和实际地形情况的任务，则警察等执行人员极其容易被绑匪发现，因而他们自身会有生命危险；一旦被绑匪发现，被绑人员的生命安全更加无法保证。因而，体积较小，易于隐藏，且操作灵活的机器人显得尤为重要。

公告号为CN101596836B的发明公开了一种变径轮子的越障机器人，机器人的轮子可根据地面情况来更改直径从而保证可以正常行进。该发明公开的越障机器人中含有两组可变径的轮子、相应的驱动部件以及用于翻转的翻转组件5等，左边的轮子与右边的轮子对称设置。其中，左轮组件1包括双层设置的车轮片，B层车轮片与左轮轮毂104的B轮毂盘转动连接，不同层的车轮片通过利用位于其圆心位置的左轮轮毂104连接。当越障机器人行驶在平坦路面上时，左轮组件1和右轮组件3可同时收缩为最小轮径状态，此时B电磁离合器204和D电磁离合器404断电，分别与左车轮轴101和右车轮轴301无接触，A电磁离合器203和C电磁离合器403通电，分别将左车轮轴101和右车轮轴103与左轮轮毂104和右轮轮毂304锁定，左轮组件1和右轮组件3分别由A直流电机201和B直流电机401驱动。当跨越障碍时，左轮组件1和右轮组件3分别通过各自的变径杆带动车轮片向外扩张，实现轮径变大，轮缘变成带有尖刺的圆盘外形，增大了与地面的接触，使得抓地力可以更好的适应崎岖路面。此时B电磁离合器204和D电磁离合器404通电，分别将左车轮轴101和右车轮轴103锁定，A电磁离合器203和C电磁离合器403断电，分别使左车轮轴101和右车轮轴103与左轮轮毂104和右轮轮毂304分离，左轮轮毂104和右轮轮毂304分别由A直流电机201和B直流电机401驱动，轮子变大。当轮子达到最大轮径后，B电磁离合器204和D电磁离合器404断电，分别与左车轮轴101和右车轮轴301无接触，A电磁离合器203和C电磁离合器403通电，分别将左车轮轴101和右车轮轴103与左轮轮毂104和右轮轮毂304锁定，轮子保持大直径由A直流电机201和B直流电机401驱动，可根据障碍高低选取适当的轮径大小。同时也可以在变换轮径之间任意锁定轮子大小，从而使不同轮径的轮子适合多种地形条件下的行走。然而，对于该类机器人，其轮子的变径机构复杂，且翻转过程需要以翻转臂504为圆心进行翻转，翻转过程存在直接撞击地面的过程，容易制造出易于被人发觉的噪音。

公开号为CN102180204A的发明公开了一种地面移动机器人，其具有导臂式前轮关节机构。导臂式前轮关节机构设置于车架行进方向的前端，其包括第一导臂81及其顶端的第一随动轮91、第二导臂82及其顶端的第二随动轮92。在遇到障碍物时，通过力矩传感器感知，并转动第一导臂81、第二导臂82，架起车架头部，从而越过障碍物。然而，对于该类机器人，在遇到台阶等较大障碍物时，第一导臂81、第二导臂82架起车架头部后，车架抬升角度较大，此时，由于机器人前进的动力主要由后轮来提供，机器人很难越过这类障碍物。

因此，现有的机器人还存在车轮变径结构复杂，难以越过较大障碍物的问题。

发明内容

本发明提出了一种可变形轮式机器人，其具有简单的轮子变径结构以及可变形的车架结构，且轮子角度可根据需要变换角度，解决了现有技术中机器人存在的车轮变径结构复杂，可变形角度有限，难以越过较大障碍物的技术问题。

本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题的：

本发明提供了一种可变形轮式机器人，其包括可变径轮、驱动电机和连接两个可变径轮的平面单闭链多连杆结构，其中，

可变径轮包括具有相同构造的左轮和右轮，并且左轮或右轮包括：

第一车轮连接件，其设有多个第一车轮连接孔，且多个所述第一车轮连接孔以所述可变径轮的圆心为中心均匀分布；

第一车轮组件，所述第一车轮组件具有多个第一车轮片，所述第一车轮片具有扇形形状，多个所述第一车轮片以所述圆心为中心均匀分布，且均具有位于所述第一车轮片的圆心角的第一车轮铰接孔、位于所述第一车轮片的一个角部的第二车轮铰接孔以及位于所述第一车轮片的另一个角部的第三车轮铰接孔，所述第一车轮铰接孔与所述第一车轮连接孔配合从而使得所述第一车轮片与所述第一车轮连接件铰接；

第二车轮连接件，其设有多个第二车轮连接孔，且多个所述第二车轮连接孔以所述圆心为中心均匀分布；

第二车轮组件，所述第二车轮组件具有多个第二车轮片，所述第二车轮片具有扇形形状，多个所述第二车轮片以所述圆心为中心均匀分布，且均具有位于所述第二车轮片的圆心角的第四车轮铰接孔、位于所述第二车轮片的一个角部的第五车轮铰接孔以及位于所述第二车轮片的另一个角部的第六车轮铰接孔，所述第四车轮铰接孔与所述第二车轮连接孔配合使得所述第二车轮片与所述第二车轮连接件铰接，所述第五车轮铰接孔与所述第二车轮铰接孔配合使得所述第二车轮片与一个所述第一车轮片铰接，且所述第六车轮铰接孔与所述第三车轮铰接孔配合而所述第二车轮片与另一个所述第一车轮片铰接；

变形电机，其位于所述圆心，并且连接所述第一车轮连接件和所述第二车轮连接件，所述变形电机能够带动所述第二车轮连接件相对于所述第一车轮连接件转动，从而使得所述可变径车轮进行变径；

平面单闭链多连杆结构包括车架平台、与所述车架平台的一端铰接的第一连杆组、与所述车架平台的另一端铰接的第二连杆组，所述第一连杆组具有多个第一连杆，所述第一连杆之间通过第一铰接电机而铰接，所述第一连杆和所述车架平台的一端通过第二铰接电机而铰接，所述第二连杆组具有多个第二连杆，所述第二连杆之间通过第三铰接电机而铰接，所述第二连杆和所述车架平台的另一端通过第四铰接电机而铰接，所述第一连杆的数量大于所述第二连杆的数量，所述车架平台、所述第一连杆组、所述第二连杆组形成同一平面的铰接关系；

驱动电机，驱动电机分别固定于所述左轮对应的车架平台和与所述右轮对应的车架平台上，所述驱动电机用于驱动所述可变径轮转动使得所述机器人前进或后退。

较佳地，所述第一车轮连接件和/或第二车轮连接件为圆形板结构。

较佳地，所述第一车轮连接件和/或第二车轮连接件具有多个沿半径方向延伸，且沿所述可变径轮的圆周方向均匀分布的臂的结构。

较佳地，所述第一连杆组具有四个所述第一连杆，所述第二连杆组具有两个所述连杆。

较佳地，所述第一车轮组件具有三个所述第一车轮片，且所述第二车轮组件具有三个所述车轮片。

较佳地，所述第二连杆组上还设有变形车尾巴。

在符合本领域常识的基础上，上述各优选条件，可任意组合，即得本发明各较佳实例。

本发明的积极进步效果在于：

本发明的可变形轮式机器人包括可变径轮、驱动电机和连接两个可变径轮的平面单闭链多连杆结构。可变径轮的变径结构简单，具有特殊的平面单闭链多连杆结构保证了机器人可根据操作空间调节高度，并且顺利越过障碍物。

附图说明

图1为本发明一较佳实施例的可变形轮式机器人的立体图。

图2为处于最大直径状态的可变径轮的侧视图。

图3为处于较小直径状态、且省去第一车轮连接件后的可变径轮的侧视图。

图4为示出了本发明一较佳实施例的可变形轮式机器人的部分部件的立体图。

图5为示出了本发明一较佳实施例的可变形轮式机器人的部分部件的立体图。

图6为示出了本发明一较佳实施例的可变形轮式机器人的部分部件的立体图。

图7为本发明一较佳实施例的可变形轮式机器人的平面单闭链多连杆结构的立体图。

图8为本发明一较佳实施例的可变形轮式机器人的平面单闭链多连杆结构和可变径轮的立体图。

图9为降低了高度的本发明一较佳实施例的可变形轮式机器人的立体图。

图10为已进行侧翻后的本发明一较佳实施例的可变形轮式机器人的正视图。

图11为本发明一较佳实施例的可变形轮式机器人翻越障碍物的示意图。

附图标记说明

1：机器人

2：可变径轮

3：驱动电机

4：障碍物

5：第一车轮连接件

51：第一车轮连接孔

52：臂

6：第一车轮组件

61：第一车轮片

611：第一车轮铰接孔

612：第二车轮铰接孔

613：第三车轮铰接孔

7：第二车轮连接件

71：第二车轮连接孔

8：第二车轮组件

81：第二车轮片

811：第四车轮铰接孔

812：第五车轮铰接孔

813：第六车轮铰接孔

9：变形电机

10：平面单闭链多连杆结构

101：车架平台

102：第一连杆组

103：第二连杆组

104：第一铰接电机

105：第二铰接电机

106：第三铰接电机

107：第四铰接电机

1021：第一连杆

1031：第二连杆

11：驱动电机

12：变形车尾巴

具体实施方式

下面结合说明书附图，进一步对本发明的优选实施例进行详细描述，以下的描述为示例性的，并非对本发明的限制，任何的其他类似情形也都落入本发明的保护范围之中。

在以下的具体描述中，方向性的术语，例如“左”、“右”、“上”、“下”、“前”、“后”、“横向”等，参考附图中描述的方向使用。本发明的实施例的部件可被置于多种不同的方向，方向性的术语是用于示例的目的而非限制性的。

实施例一

以下结合图1-图11详细说明根据本发明一较佳实施例的可变形轮式机器人1。如图1-图11所示，本发明的可变形轮式机器人1可变形轮式机器人1，其包括可变径轮2、驱动电机11和连接两个可变径轮2的平面单闭链多连杆结构10。其中，可变径轮2包括左轮和右轮。左轮和右轮采用相同构造，并均具有第一车轮连接件5、第一车轮组件6、第二车轮连接件7、第二车轮组件8、变形电机9。

参见图1-6，其中图2示出了处于最大直径状态的可变径轮2的侧视图；图3示出了处于较小直径状态的可变径轮2的侧视图，为了清楚示出变形电机9，图3省去了第一车轮连接件5；图4-6中清楚地示出了变形电机9、第二车轮连接件7、驱动电机11之间的连接关系。在该实施例中，第一车轮连接件5设有三个第一车轮连接孔51，且三个第一车轮连接孔51以可变径轮2的圆心为中心均匀分布。第一车轮组件6具有三个第一车轮片61。第一车轮片61具有扇形形状，三个第一车轮片61以圆心为中心均匀分布，且均具有位于第一车轮片61的圆心角的第一车轮铰接孔611、位于第一车轮片61的一个角部的第二车轮铰接孔612以及位于第一车轮片61的另一个角部的第三车轮铰接孔613，第一车轮铰接孔611与第一车轮连接孔51配合从而使得第一车轮片61与第一车轮连接件5铰接。

第二车轮连接件7设有三个第二车轮连接孔71，且三个第二车轮连接孔71以圆心为中心均匀分布。第二车轮组件8具有多个第二车轮片81，第二车轮片81具有扇形形状，三个第二车轮片81以圆心为中心均匀分布，且均具有位于第二车轮片81的圆心角的第四车轮铰接孔811、位于第二车轮片81的一个角部的第五车轮铰接孔812以及位于第二车轮片81的另一个角部的第六车轮铰接孔813，第四车轮铰接孔811与第二车轮连接孔71配合使得第二车轮片81与第二车轮连接件7铰接，第五车轮铰接孔812与第二车轮铰接孔612配合使得第二车轮片81与一个第一车轮片61铰接，且第六车轮铰接孔813与第三车轮铰接孔613配合而第二车轮片81与另一个第一车轮片61铰接。在本实施例中，第二车轮片81具有和第一车轮片61之间具有完全相同的构造，第一车轮连接件5和第二车轮连接件7之间也具有完全相同的构造。

优选地，第一车轮片61、第二车轮片81可以都设置成具有如图1-图6所示的内空结构，也可以部分地设置成内空结构。在设置内空结构的情况下，有助于减轻机器人1的整体重量，实现轻量化设计。设计过程中，应保证内空部分不会影响机器人1的工作强度要求。

在图3-图5的示例中，变形电机9位于可变径轮2的圆心，并且分别连接第一车轮连接件5和第二车轮连接件7。变形电机9能够带动第二车轮连接件7相对于第一车轮连接件5转动，从而使得可变径车轮进行变径。在图3-图5的实施例中，变形电机9的底部固定于第二车轮连接件7，其动力轴与第一车轮连接件5连接。启动变形电机9即可使得第二车轮连接件7相对于第一车轮连接件5转动，从而调节了第一车轮组件6中各第一车轮片61与第二车轮组件8中各第二车轮片81之间的角度，可变形轮实现变径的目的。可变形轮的直径大小可通过调整第二车轮连接件7与第一车轮连接件5之间的相对角度来调整。需要说明的是，变形电机9也可采用其他固定方式或动力传送方式。例如，变形电机9的底部可固定于第一车轮连接件5，其动力轴与第二车轮连接件7连接。动力轴可通过齿轮传动的方式输出动力，也可采用销、轴连接的方式传输动力。

在图1、图7-图11的示例中，平面单闭链多连杆结构10包括车架平台101、与车架平台101的一端铰接的第一连杆组102、与车架平台101的另一端铰接的第二连杆组103。第一连杆组102具有四个第一连杆1021，第一连杆1021之间通过第一铰接电机104而铰接，第一连杆1021和车架平台101的一端通过第二铰接电机105而铰接，第二连杆组103具有两个第二连杆1031，第二连杆1031之间通过第三铰接电机106而铰接，第二连杆1031和车架平台101的另一端通过第四铰接电机107而铰接。车架平台101、第一连杆组102、第二连杆组103形成同一平面的铰接关系，也即车架平台101、第一连杆组102、第二连杆组103内各部件之间形成铰接关系的各个方向位于同一平面内。优选地，车架平台101为大致具有长方形截面的板状结构，其长度不大于可变径轮2的最小直径。

如图7-图9所示，驱动电机11分别固定于左轮对应的车架平台101和与右轮对应的车架平台101上。驱动电机11用于驱动可变径轮2转动使得机器人1前进或后退。具体地，驱动电机11可采用如同变形电机9的动力传动方式中的任一方式将动力传送至第二车轮连接件7，从而驱动可变径轮2转动，使得机器人1前进或后退。

在图1-9所示的优选实施例中，第一车轮连接件5、第二车轮连接件7具有三个沿半径方向延伸，且沿可变径轮2的圆周方向均匀分布的臂52的结构。

较佳地，如图1、图8-图9所示，第二连杆组103上还可设有变形车尾巴12。变形车尾巴12具有维持机器人1平衡等功能。

以下详细说明采用上述结构的机器人1的避障、越障过程。

在遇到具有较矮的空间，需要进行避障作业任务时，如图9所示，机器人1经过变径后，调节部分或全部第一铰接电机104，同时两个第二铰接电机105，使得可变径轮2与第二连杆组103之间成锐角关系，从而降低机器人1的整体高度。此后再开启驱动电机11，从而保证机器人1可正常进入较矮的空间内进行作业。

在遇到诸如台阶等较大的障碍物4时。如图10-图11所示，调节机器人1的第一连杆组102和第二连杆组103等，使得可变径轮2中的左轮的侧面抵靠在障碍物4前的地面(参见图10)，而后启动驱动电机11，转动第二连杆组103、第一连杆组102，使得第二连杆组103被转动至靠近障碍物4一侧，此时调节分别调节第二铰接电机105、第一铰接电机104，使得右轮转移至障碍物4上方，在部分第二连杆1031和右轮抵靠在障碍物4上方后(参见图11)，再调节第一铰接电机104、第二铰接电机105，使得左轮也越过障碍物4，机器人1即完成越障作业。

其他实施例

需要说明的是，图1-图11仅示出了一个实施例，然而其仅为优选实施例，本发明还具有其他多种可替代的实施例。以下仅对可替代的各组成部分进行部分说明。

第一车轮片61、第二车轮片81的数量可设置成其他数量，例如4片、5片、6片等。在设置的数量越多的情况下，可以有效地保证可变径轮2变形成各个直径后，其外形轮廓均具有趋近于圆形的轮廓。

第一车轮片61、第二车轮片81的扇形轮廓的半径也可以设置成不同。

作为非穷举的示例，第一连杆1021的数量也可以设置成3、5、6、7、8等其他数量，第二连杆1031的数量也可设置成4、5、6等其他数量。第一连杆1021的数量应设置成大于第二连杆1031的数量，且应保证机器人1在进行翻转以越过障碍物4时，第一连杆组102能够被调整成不影响第一连杆组102的角度。

第一车轮连接件5、第二车轮连接件7可替换为圆形板结构。第一车轮连接件5和第二车轮连接件7可采用相同的构造，也可以采用不同的构造。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种可变形轮式机器人，包括可变径轮、驱动电机，可变径轮包括具有相同构造的左轮和右轮，其特征在于：其包括连接两个可变径轮的平面单闭链多连杆结构；其中，

左轮或右轮包括：

第一车轮连接件，其设有多个第一车轮连接孔，且多个所述第一车轮连接孔以所述可变径轮的圆心为中心均匀分布；

第一车轮组件，所述第一车轮组件具有多个第一车轮片，所述第一车轮片具有扇形形状，多个所述第一车轮片以所述圆心为中心均匀分布，且均具有位于所述第一车轮片的圆心角的第一车轮铰接孔、位于所述第一车轮片的一个角部的第二车轮铰接孔以及位于所述第一车轮片的另一个角部的第三车轮铰接孔，所述第一车轮铰接孔与所述第一车轮连接孔配合从而使得所述第一车轮片与所述第一车轮连接件铰接；

第二车轮连接件，其设有多个第二车轮连接孔，且多个所述第二车轮连接孔以所述圆心为中心均匀分布；

第二车轮组件，所述第二车轮组件具有多个第二车轮片，所述第二车轮片具有扇形形状，多个所述第二车轮片以所述圆心为中心均匀分布，且均具有位于所述第二车轮片的圆心角的第四车轮铰接孔、位于所述第二车轮片的一个角部的第五车轮铰接孔以及位于所述第二车轮片的另一个角部的第六车轮铰接孔，所述第四车轮铰接孔与所述第二车轮连接孔配合使得所述第二车轮片与所述第二车轮连接件铰接，所述第五车轮铰接孔与所述第二车轮铰接孔配合使得所述第二车轮片与一个所述第一车轮片铰接，且所述第六车轮铰接孔与所述第三车轮铰接孔配合而所述第二车轮片与另一个所述第一车轮片铰接；

变形电机，其位于所述圆心，并且连接所述第一车轮连接件和所述第二车轮连接件，所述变形电机能够带动所述第二车轮连接件相对于所述第一车轮连接件转动，从而使得所述可变径车轮进行变径；

平面单闭链多连杆结构包括车架平台、与所述车架平台的一端铰接的第一连杆组、与所述车架平台的另一端铰接的第二连杆组，所述第一连杆组具有多个第一连杆，多个所述第一连杆之间通过第一铰接电机而铰接，所述第一连杆组和所述车架平台的一端通过第二铰接电机而铰接，所述第二连杆组具有多个第二连杆，多个所述第二连杆之间通过第三铰接电机而铰接，所述第二连杆组和所述车架平台的另一端通过第四铰接电机而铰接，所述第一连杆的数量大于所述第二连杆的数量，所述车架平台、所述第一连杆组、所述第二连杆组形成同一平面内的铰接关系；

驱动电机，驱动电机分别固定于所述左轮对应的车架平台和与所述右轮对应的车架平台上，所述驱动电机用于驱动所述可变径轮转动使得所述机器人前进或后退。

2.如权利要求1所述的可变形轮式机器人，其特征在于，所述第一车轮连接件和/或第二车轮连接件为圆形板结构。

3.如权利要求1所述的可变形轮式机器人，其特征在于，所述第一车轮连接件和/或第二车轮连接件具有多个沿半径方向延伸，且沿所述可变径轮的圆周方向均匀分布的臂的结构。

4.如权利要求1所述的可变形轮式机器人，其特征在于，所述第一连杆组具有四个所述第一连杆，所述第二连杆组具有两个所述连杆。

5.如权利要1所述的可变形轮式机器人，其特征在于，所述第一车轮组件具有三个所述第一车轮片，且所述第二车轮组件具有三个所述车轮片。

6.如权利要求1所述的可变形轮式机器人，其特征在于，所述第二连杆组上还设有变形车尾巴。

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