CN109515538B - 可重构式关节履带复合移动机器人 - Google Patents

Abstract

本发明涉及移动机器人领域，具体地说是一种可重构式关节履带复合移动机器人，包括主车体、横摆关节和副履带模块，主车体设有主履带，且主履带主动轮内设有离合制动器和第一轮关节，主履带从动轮内设有第二轮关节，主车体上设有主履带驱动机构和轮关节驱动机构，主履带主动轮通过主履带驱动机构驱动转动，且主履带驱动机构与对应的离合制动器相连，第二轮关节通过轮关节驱动机构驱动旋转，各个轮关节与横摆关节对应相连，横摆关节与副履带模块转动连接，横摆关节内设有驱动副履带模块摆动的横摆驱动机构，副履带模块内设有副履带驱动机构和驱动整个副履带模块转动的旋转驱动机构。本发明能够实现复杂多变的行走形态，适用于各种复杂地形环境。

Description

可重构式关节履带复合移动机器人

技术领域

本发明涉及移动机器人领域，具体地说是一种可重构式关节履带复合移动机器人。

背景技术

移动机器人经常需要快速进入复杂地形并在复杂地形中作业，比如勘测地形并传递勘测现场的环境信息，而由于移动机器人的活动地形非常复杂，有人工建造的台阶、楼梯、沟道等地形，有灾后形成的凌乱地形，也有环境空间狭窄的地形，这就要求移动机器人的移动底盘具有克服上述复杂地形的能力，但现有技术中用于探测作业的移动机器人其行走机构形式单一，地形适应性差且灵活性低，难以满足狭小通道、沟壑、台阶等复杂地形的移动要求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可重构式关节履带复合移动机器人，通过改变不同的横摆关节和副履带模块角度实现结构重构，能够实现复杂多变的行走形态，并且适用于狭窄通道、宽沟壑、台阶地形移动、台阶攀爬、崎岖路面移动等各种复杂地形环境。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种可重构式关节履带复合移动机器人，包括主车体、横摆关节和副履带模块，主车体设有主履带，且主履带主动轮内设有固连在一起的离合制动器和第一轮关节，主履带从动轮内设有第二轮关节，所述主车体上设有主履带驱动机构和轮关节驱动机构，其中主履带主动轮通过所述主履带驱动机构驱动转动，且所述主履带驱动机构与所述离合制动器相连，第二轮关节通过所述轮关节驱动机构驱动旋转，所述第一轮关节和第二轮关节分别与对应的横摆关节相连，在横摆关节远离主车体一端设有转接座，在副履带模块上设有副履带，且副履带第一轮轴的轴端与对应横摆关节上的转接座转动连接，在所述横摆关节内设有横摆驱动机构，且所述副履带模块通过对应横摆关节内的横摆驱动机构驱动摆动，在所述副履带模块内设有副履带驱动机构和旋转驱动机构，且所述副履带通过所述副履带驱动机构驱动旋转，整个副履带模块通过所述旋转驱动机构驱动绕所述副履带第一轮轴转动。

所述主车体内设有主履带第一轮轴和主履带第二轮轴，且主履带第一轮轴两端设有主履带主动轮，主履带第二轮轴两端设有主履带从动轮，位于同侧的主履带主动轮和主履带从动轮通过主履带相连，在主车体内设有两个主履带驱动机构和两个轮关节驱动机构，每个主履带主动轮通过对应的主履带驱动机构驱动转动，每个主履带从动轮内的第二轮关节通过对应的轮关节驱动机构驱动转动。

所述主履带驱动机构包括主履带驱动装置、主履带驱动齿轮和主履带从动齿轮，主履带驱动装置固设于主车体内，主履带驱动齿轮安装于所述主履带驱动装置的输出轴上，主履带从动齿轮固设于对应的主履带主动轮内且与所述主履带主动轮内的离合制动器相连，所述主履带驱动齿轮和所述主履带从动齿轮啮合。

所述轮关节驱动机构包括轮关节驱动装置、轮关节驱动齿轮和轮关节从动齿轮，轮关节驱动装置固设于主车体内，轮关节驱动齿轮安装于所述轮关节驱动装置的输出轴上，轮关节从动齿轮转动设置于对应的主履带从动轮中，且所述轮关节从动齿轮与所述主履带从动轮中的第二轮关节固连，所述轮关节驱动齿轮与所述轮关节从动齿轮啮合。

所述横摆关节设有关节外壳，横摆驱动机构设于所述横摆关节外壳中，所述横摆驱动机构包括横摆驱动装置、横摆驱动齿轮和横摆从动锥齿轮，横摆驱动装置固设于横摆关节外壳内，横摆驱动齿轮安装于横摆驱动装置的输出轴上并与横摆从动锥齿轮啮合，所述横摆从动锥齿轮与对应的副履带第一轮轴的轴端固连。

横摆关节外壳一端设有横摆连接件，另一端设有转接座，且所述横摆驱动齿轮和横摆从动锥齿轮均设于所述转接座内。

所述副履带模块包括副履带第一轮轴、副履带第二轮轴、副履带车架和副履带，所述副履带第一轮轴和副履带第二轮轴分设于副履带车架两端，且副履带第一轮轴上设有副履带从动轮，副履带第二轮轴上设有副履带主动轮，所述副履带主动轮和副履带从动轮通过副履带相连，在所述副履带车架上设有所述副履带驱动机构和旋转驱动机构。

所述副履带驱动机构包括副履带驱动装置、副履带驱动齿轮和副履带从动齿轮，副履带驱动装置固设于副履带车架内，副履带驱动齿轮安装于副履带驱动装置的输出轴上且与副履带从动齿轮啮合，副履带从动齿轮与副履带第二轮轴固连。

所述旋转驱动机构包括副履带模块旋转驱动装置、旋转驱动齿轮、旋转从动齿轮、蜗杆和蜗轮，副履带模块旋转驱动装置固设于副履带车架内，旋转从动齿轮和蜗杆同轴且可转动地设于副履带车架内，旋转驱动齿轮安装于副履带模块旋转驱动装置的输出轴上，且旋转驱动齿轮与所述旋转从动齿轮啮合，蜗轮固设于副履带第一轮轴上，且蜗轮与所述蜗杆啮合。

所述主车体上设有传感器模块。

本发明的优点与积极效果为：

1、本发明通过改变不同的横摆关节和副履带模块角度实现结构重构，能够实现复杂多变的行走形态，并且适用于狭窄通道、宽沟壑、台阶地形移动、台阶攀爬、崎岖路面移动等各种复杂地形环境，能够较好地满足灾害地形和复杂地形的通过性需要，以及对灾害现场和复杂地形现场进行环境信息探测、现场场景信息采集等需要。

2、本发明通过主履带主动轮内的离合制动器实现驱动相应横摆关节摆动，当离合制动器非制动时，主履带和副履带实现共同行走模式，使用灵活。

附图说明

图1为本发明的立体示意图，

图2为图1中的主车体结构示意图，

图3为图2中的从动轮结构示意图，

图4为图2中的主动轮结构示意图，

图5为图1中的横摆关节结构示意图，

图6为图1中的副履带模块结构示意图，

图7为本发明的另一种行走形式示意图，

图8为本发明的又一种行走形式示意图，

图9为本发明的再一种行走形式示意图，

图10为本发明通过狭窄通道时的示意图，

图11为本发明通过宽沟壑时的示意图，

图12为本发明通过台阶地形时的示意图，

图13为本发明攀爬台阶时的示意图，

图14为本发明在崎岖路面上移动时的示意图。

其中，1为主车体，101为主履带，102为控制器，103为主履带第二轮轴，104为轮关节驱动装置，105为主履带从动轮，1051为轮关节从动齿轮，1052为第二轮关节，1053为第二轮关节轴承，106为轮关节驱动齿轮，107为主履带驱动齿轮，108为主履带主动轮，1081为主履带从动齿轮，1082为离合制动器，1083为第一轮关节，1084为第一轮关节轴承，109为主履带驱动装置，110为导电滑环，111为主车架，112为主车体盖板，113为主履带第一轮轴；2为横摆关节，201为横摆从动锥齿轮，202为横摆关节外壳，203为横摆连接件，204为横摆驱动装置，205为横摆轴承，206为横摆驱动齿轮，207为转接座，3为副履带模块，301为副履带第一轮轴，3011为轴端，302为副履带车架，303为副履带驱动装置，304为副履带，305为副履带驱动齿轮，306为副履带从动齿轮，307为副履带第二轮轴，308为副履带主动轮，309为副履带模块旋转驱动装置，310为蜗轮，311为副履带从动轮，312为旋转驱动齿轮，313为旋转从动齿轮，314为蜗杆，315为副履带轴承；4为传感器模块，401为视觉传感器，402为安装支架，403为环境信息探测传感装置。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详述。

如图1～6所示，本发明包括主车体1、横摆关节2和副履带模块3，如图2～4所示，所述主车体1两侧均设有主履带101，且主履带主动轮108内设有固连在一起的离合制动器1082和第一轮关节1083，主履带从动轮105内设有第二轮关节1052，所述主车体1上设有主履带驱动机构和轮关节驱动机构，其中所述主履带主动轮108通过所述主履带驱动机构驱动转动并带动所述主履带101移动，所述主履带驱动机构与所述离合制动器1082相连，当所述离合制动器1082制动时，所述离合制动器1082和第一轮关节1083随主履带主动轮108一起转动，当所述离合制动器1082未制动时，所述主履带驱动机构仅驱动主履带主动轮108转动，第一轮关节1083不发生转动，此时主履带101和副履带模块3共同实现行走模式，所述第二轮关节1052通过所述轮关节驱动机构驱动旋转，所述第一轮关节1083和第二轮关节1052分别与对应的横摆关节2相连，且每个横摆关节2均与一个副履带模块3转动连接，如图5～6所示，所述横摆关节2远离主车体1一端设有转接座207，所述副履带模块3上设有副履带304，且副履带第一轮轴301的轴端3011与对应横摆关节2上的转接座207转动连接，在所述横摆关节2内设有横摆驱动机构，且所述副履带模块3通过对应横摆关节2内的横摆驱动机构驱动摆动，在所述副履带模块3内设有副履带驱动机构和旋转驱动机构，副履带模块3上的副履带304通过所述副履带驱动机构驱动旋转移动，整个副履带模块3通过所述旋转驱动机构驱动绕所述副履带第一轮轴301转动。

如图2所示，所述主车体1内设有主履带第一轮轴113和主履带第二轮轴103，且主履带第一轮轴113两端设有主履带主动轮108，主履带第二轮轴103两端设有主履带从动轮105，位于同侧的主履带主动轮108和主履带从动轮105通过主履带101相连，在主车体1内设有两个主履带驱动机构和两个轮关节驱动机构，每个主履带主动轮108通过对应的主履带驱动机构驱动转动，每个主履带从动轮105内的第二轮关节1052通过对应的轮关节驱动机构驱动转动。如图2所示，所述主履带第一轮轴113和主履带第二轮轴103内部中空可用于走线。

如图2和图4所示，所述主履带驱动机构包括主履带驱动装置109、主履带驱动齿轮107和主履带从动齿轮1081，主履带驱动装置109固设于主车体1内，主履带驱动齿轮107安装于所述主履带驱动装置109的输出轴上，主履带从动齿轮1081固设于主履带主动轮108内且与所述离合制动器1082相连，所述主履带驱动齿轮107和主履带从动齿轮1081啮合。设备工作时，主履带驱动装置109通过所述主履带驱动齿轮107和主履带从动齿轮1081传递转矩驱动主履带主动轮108转动，进而驱动主履带101移动，当所述离合制动器1082制动时，所述离合制动器1082和主履带从动齿轮1081连接，第一轮关节1083随主履带主动轮108一起转动。所述离合制动器1082为本领域公知技术且为市购产品，另外本实施例中，所述主履带驱动装置109为连接在一起的电机和减速机。

如图2所示，在所述主履带第一轮轴113上设有导电滑环110，所述导电滑环110包括内圈定子和外圈转子，所述定子套装固定于主履带第一轮轴113上，所述离合制动器1082的线缆与所述导电滑环110外圈转子相连，当主履带主动轮108旋转时，离合制动器1082线缆也随之旋转，导电滑环110转子与离合制动器1082线缆另一端同步旋转，防止离合制动器1082线缆发生绞线。所述导电滑环110为本领域公知技术。

如图2和图3所示，所述轮关节驱动机构包括轮关节驱动装置104、轮关节驱动齿轮106和轮关节从动齿轮1051，轮关节驱动装置104固设于主车体1内，轮关节驱动齿轮106安装于轮关节驱动装置104的输出轴上，轮关节从动齿轮1051通过轴承支撑转动设置于主履带从动轮105中，且轮关节从动齿轮1051与第二轮关节1052固连并与所述轮关节驱动齿轮106啮合。设备工作时，轮关节驱动装置104通过轮关节驱动齿轮106和轮关节从动齿轮1051传递转矩驱动所述第二轮关节1052转动。本实施例中，所述轮关节驱动装置104为连接在一起的电机和减速机。

如图3和图4所示，第一轮关节1083通过第一轮关节轴承1084支承安装于主履带主动轮108上，第二轮关节1052通过第二轮关节轴承1053支承安装于主履带从动轮105上，横摆关节2摆动时不影响主履带101转动行走。

如图2所示，所述主车体1包括承载各个驱动机构以及控制器102的主车架111，在所述主车架111上侧设有主车体盖板112，所述离合制动器1082通过所述控制器102控制。

如图5所示，所述横摆关节2包括横摆关节外壳202、横摆连接件203、转接座207和横摆驱动机构，横摆关节外壳202一端设有横摆连接件203与对应的第一轮关节1083或第二轮关节1052相连，本实施例中，所述横摆连接件203为90°转向弯管且内部用于走线，横摆关节外壳202另一端设有转接座207与对应的副履带模块3转动连接，横摆驱动机构设于所述横摆关节外壳202中。

如图5所示，所述横摆驱动机构包括横摆驱动装置204、横摆驱动齿轮206和横摆从动锥齿轮201，横摆驱动装置204固设于横摆关节外壳202内，横摆驱动齿轮206安装于横摆驱动装置204的输出轴上，副履带第一轮轴301的轴端3011通过横摆轴承205支承与横摆关节2的转接座207转动连接，横摆驱动齿轮206与横摆从动锥齿轮201啮合，且所述横摆从动锥齿轮201与所述副履带第一轮轴301的轴端3011固连，所述横摆驱动齿轮206和横摆从动锥齿轮201均设于转接座207内。设备工作时，横摆驱动装置204通过横摆驱动齿轮206和横摆从动锥齿轮201传递转矩，进而驱动副履带模块3绕所述轴端3011的轴向转动。本实施例中，所述横摆驱动装置204包括依次相连的电机、一级减速机和二级减速机。

如图6所示，所述副履带模块3包括副履带第一轮轴301、副履带第二轮轴307、副履带车架302和副履带304，所述副履带第一轮轴301和副履带第二轮轴307分设于副履带车架302两端，且副履带第一轮轴301上设有副履带从动轮311，副履带第二轮轴307上设有副履带主动轮308，所述副履带主动轮308和副履带从动轮311通过副履带304相连，在所述副履带车架302上设有所述副履带驱动机构和旋转驱动机构。所述副履带第一轮轴301内部中空用于走线。

如图6所示，所述副履带驱动机构包括副履带驱动装置303、副履带驱动齿轮305和副履带从动齿轮306，副履带驱动装置303固设于副履带车架302内，副履带从动齿轮306与副履带第二轮轴307固连，副履带驱动齿轮305安装于副履带驱动装置303的输出轴上且与副履带从动齿轮306啮合。设备工作时，副履带驱动装置303通过副履带驱动齿轮305和副履带从动齿轮306传递转矩驱动副履带第二轮轴307转动，进而通过副履带主动轮308驱动副履带304移动。本实施例中，所述副履带驱动装置303为相连的电机和减速机。

如图6所示，所述旋转驱动机构包括副履带模块旋转驱动装置309、旋转驱动齿轮312、旋转从动齿轮313、蜗杆314和蜗轮310，副履带模块旋转驱动装置309固设于副履带车架302内，旋转从动齿轮313和蜗杆314同轴且可转动地设于副履带车架302内，旋转驱动齿轮312安装于副履带模块旋转驱动装置309的输出轴上，且旋转驱动齿轮312与所述旋转从动齿轮313啮合，蜗轮310固设于副履带第一轮轴301上，且蜗轮310与所述蜗杆314啮合。设备工作时，旋转驱动装置309依次通过旋转驱动齿轮312、旋转从动齿轮313、蜗杆314和蜗轮310传递转矩，使副履带模块3整体绕副履带第一轮轴301转动。本实施例中，所述副履带模块旋转驱动装置309为相连的电机和减速机，另外所述副履带第一轮轴301中部设有副履带轴承315支承安装于副履带车架302上。

如图1～2所示，所述主车体1上设有传感器模块4，本实施例中，所述传感器模块4包括安装支架402、视觉传感器401和环境信息探测传感装置403，所述安装支架402固装于主车体1上，视觉传感器401和环境信息探测传感装置403安装于所述安装支架402上。所述视觉传感器401和环境信息探测传感装置403为本领域公知技术且为市购产品。

本发明的工作原理为：

本发明工作时，各个驱动机构均受控制器102控制，其中所述主履带驱动机构驱动主履带101移动，并且当主履带主动轮108内的离合制动器1082制动时，所述离合制动器1082和主履带从动齿轮1081连接，第一轮关节1083随主履带主动轮108一起转动，进而带动相应的横摆关节2摆动，当离合制动器1082非制动时，主履带101和副履带304共同实现行走模式，主履带从动轮105内的第二轮关节1052则通过所述轮关节驱动机构驱动旋转，进而带动相应的横摆关节2摆动，横摆关节2摆动即带动相应的副履带模块3摆动，并且在所述横摆关节2内设有横摆驱动机构驱动副履带模2绕着横摆关节2轴端的转接座207中轴线转动，另外在所述副履带模块3内除了设有驱动副履带304移动的副履带驱动机构，还设有旋转驱动机构驱动整个副履带模块3绕副履带第一轮轴301转动。如图7～14所示，本发明通过改变不同的横摆关节2和副履带模块3角度，能够实现复杂多变的行走形态，并且适用于狭窄通道、宽沟壑、台阶地形移动、台阶攀爬、崎岖路面移动等各种复杂地形环境，比如将副履带模块3向上倾斜一定角度可增加爬升能力，副履带模块3全部侧置，可增加本发明通过狭小通道的能力，主履带101前进同时旋转第一轮关节1083，使本发明利用步态模式跨越更高的障碍或爬升台阶，另外通过控制各个关节的角度还可以调整本发明的中心位置以及净空高度。

Claims (10)

1.一种可重构式关节履带复合移动机器人，其特征在于：包括主车体(1)、横摆关节(2)和副履带模块(3)，主车体(1)设有主履带(101)，且主履带主动轮(108)内设有固连在一起的离合制动器(1082)和第一轮关节(1083)，主履带从动轮(105)内设有第二轮关节(1052)，所述主车体(1)上设有主履带驱动机构和轮关节驱动机构，其中主履带主动轮(108)通过所述主履带驱动机构驱动转动，且所述主履带驱动机构与所述离合制动器(1082)相连，第二轮关节(1052)通过所述轮关节驱动机构驱动旋转，所述第一轮关节(1083)和第二轮关节(1052)分别与对应的横摆关节(2)相连，在横摆关节(2)远离主车体(1)一端设有转接座(207)，在副履带模块(3)上设有副履带(304)，且副履带第一轮轴(301)的轴端(3011)与对应横摆关节(2)上的转接座(207)转动连接，在所述横摆关节(2)内设有横摆驱动机构，且所述副履带模块(3)通过对应横摆关节(2)内的横摆驱动机构驱动摆动，在所述副履带模块(3)内设有副履带驱动机构和旋转驱动机构，且所述副履带(304)通过所述副履带驱动机构驱动旋转，整个副履带模块(3)通过所述旋转驱动机构驱动绕所述副履带第一轮轴(301)转动。

2.根据权利要求1所述的可重构式关节履带复合移动机器人，其特征在于：所述主车体(1)内设有主履带第一轮轴(113)和主履带第二轮轴(103)，且主履带第一轮轴(113)两端设有主履带主动轮(108)，主履带第二轮轴(103)两端设有主履带从动轮(105)，位于同侧的主履带主动轮(108)和主履带从动轮(105)通过主履带(101)相连，在主车体(1)内设有两个主履带驱动机构和两个轮关节驱动机构，每个主履带主动轮(108)通过对应的主履带驱动机构驱动转动，每个主履带从动轮(105)内的第二轮关节(1052)通过对应的轮关节驱动机构驱动转动。

3.根据权利要求1或2所述的可重构式关节履带复合移动机器人，其特征在于：所述主履带驱动机构包括主履带驱动装置(109)、主履带驱动齿轮(107)和主履带从动齿轮(1081)，主履带驱动装置(109)固设于主车体(1)内，主履带驱动齿轮(107)安装于所述主履带驱动装置(109)的输出轴上，主履带从动齿轮(1081)固设于对应的主履带主动轮(108)内且与所述主履带主动轮(108)内的离合制动器(1082)相连，所述主履带驱动齿轮(107)和所述主履带从动齿轮(1081)啮合。

4.根据权利要求1或2所述的可重构式关节履带复合移动机器人，其特征在于：所述轮关节驱动机构包括轮关节驱动装置(104)、轮关节驱动齿轮(106)和轮关节从动齿轮(1051)，轮关节驱动装置(104)固设于主车体(1)内，轮关节驱动齿轮(106)安装于所述轮关节驱动装置(104)的输出轴上，轮关节从动齿轮(1051)转动设置于对应的主履带从动轮(105)中，且所述轮关节从动齿轮(1051)与所述主履带从动轮(105)中的第二轮关节(1052)固连，所述轮关节驱动齿轮(106)与所述轮关节从动齿轮(1051)啮合。

5.根据权利要求1所述的可重构式关节履带复合移动机器人，其特征在于：所述横摆关节(2)设有关节外壳(202)，横摆驱动机构设于所述横摆关节外壳(202)中，所述横摆驱动机构包括横摆驱动装置(204)、横摆驱动齿轮(206)和横摆从动锥齿轮(201)，横摆驱动装置(204)固设于横摆关节外壳(202)内，横摆驱动齿轮(206)安装于横摆驱动装置(204)的输出轴上并与横摆从动锥齿轮(201)啮合，所述横摆从动锥齿轮(201)与对应的副履带第一轮轴(301)的轴端(3011)固连。

6.根据权利要求5所述的可重构式关节履带复合移动机器人，其特征在于：横摆关节外壳(202)一端设有横摆连接件(203)，另一端设有转接座(207)，且所述横摆驱动齿轮(206)和横摆从动锥齿轮(201)均设于所述转接座(207)内。

7.根据权利要求1所述的可重构式关节履带复合移动机器人，其特征在于：所述副履带模块(3)包括副履带第一轮轴(301)、副履带第二轮轴(307)、副履带车架(302)和副履带(304)，所述副履带第一轮轴(301)和副履带第二轮轴(307)分设于副履带车架(302)两端，且副履带第一轮轴(301)上设有副履带从动轮(311)，副履带第二轮轴(307)上设有副履带主动轮(308)，所述副履带主动轮(308)和副履带从动轮(311)通过副履带(304)相连，在所述副履带车架(302)上设有所述副履带驱动机构和旋转驱动机构。

8.根据权利要求7所述的可重构式关节履带复合移动机器人，其特征在于：所述副履带驱动机构包括副履带驱动装置(303)、副履带驱动齿轮(305)和副履带从动齿轮(306)，副履带驱动装置(303)固设于副履带车架(302)内，副履带驱动齿轮(305)安装于副履带驱动装置(303)的输出轴上且与副履带从动齿轮(306)啮合，副履带从动齿轮(306)与副履带第二轮轴(307)固连。

9.根据权利要求7所述的可重构式关节履带复合移动机器人，其特征在于：所述旋转驱动机构包括副履带模块旋转驱动装置(309)、旋转驱动齿轮(312)、旋转从动齿轮(313)、蜗杆(314)和蜗轮(310)，副履带模块旋转驱动装置(309)固设于副履带车架(302)内，旋转从动齿轮(313)和蜗杆(314)同轴且可转动地设于副履带车架(302)内，旋转驱动齿轮(312)安装于副履带模块旋转驱动装置(309)的输出轴上，且旋转驱动齿轮(312)与所述旋转从动齿轮(313)啮合，蜗轮(310)固设于副履带第一轮轴(301)上，且蜗轮(310)与所述蜗杆(314)啮合。

10.根据权利要求1所述的可重构式关节履带复合移动机器人，其特征在于：所述主车体(1)上设有传感器模块(4)。

Images