CN109533069B - 恒扭矩轮式越障机器人 - Google Patents

Abstract

本发明属于机器人技术领域，尤其涉及一种恒扭矩轮式越障机器人，包括车架和三个爪式越障轮，车架的前侧设置有对称布置的两个恒扭矩电机，车架的后侧设置有万向组件，其中两个爪式越障轮分别位列于车架前侧左右对称布置，且分别与两个恒扭矩电机驱动连接，另一个爪式越障轮可转动地安装于万向组件上。本发明的恒扭矩轮式越障机器人，通过恒扭矩电机可以将动力传递给爪式越障轮并用于驱动爪式越障轮转动，在该两个爪式越障轮速度变化时，保持恒扭矩电机的恒转矩，即使遇到障碍，依然具有足够的动力越障，从而避免因扭矩不足而产生的机器人打滑及机器人倾覆等问题，进而使得机器人在进行前进、后退及转弯时更加平稳，作业效率更高。

Description

恒扭矩轮式越障机器人

技术领域

本发明属于机器人技术领域，尤其涉及一种恒扭矩轮式越障机器人。

背景技术

在核能、船舶、化工、风电等领域，金属外壁由导磁钢板焊接而成，由于风吹日晒、海水浸泡、海生物附着，导致金属壁大面积脱漆甚至生锈，不仅影响了外观，更严重的影响了金属外壁的使用寿命。海洋生物对船体壁面的附着，增加了船体的负载，降低了燃油效率。上述现象对金属外壁的检测、清洗和除锈等提出了要求。目前具有检测、清洗和除锈等功能的机器人大多只能适应平面和小曲率的曲面，不能灵活快速的越过障碍。

目前主流的具有越障功能的轮式机器人存在以下缺点：(1)作业效率不高。机器人在遇到障碍时，首先轮子停止转动，足腿伸缩机构在电机等驱动元件的带动下伸出后吸附壁面，使轮子抬高，跨越机构带动机器人越过障碍，然后足腿在电机的驱动下后缩脱离壁面，最后跨越机构回复原位。上述过程为单步串联工序，完成整个越障过程需要时间较长，影响了机器人的作业效率。(2)结构复杂，体积大。机器人足腿伸缩和跨越机构需要设计电机等驱动单元、滚珠丝杠等执行单元、磁铁轭铁等吸附单元和其他附件等。上述附加结构无疑增加了机器人的设计难度，而且使机器人的体积增大。(3)越障能力有限。采用足腿式越障机构，由于足腿长度有限，越障机构行程有限，只能越过一定高度的单一障碍，难以实现大沟槽，连续障碍等复杂地形的越障。(4)负载能力有限。由于结构复杂，增加了机器人本体的重量，从而降低了机器人本身的有效负载，在载荷过大的情况下，容易出现机器人打滑和倾覆等故障问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种恒扭矩轮式越障机器人，旨在解决现有技术中的越障机器人越障能力差的技术问题。

为实现上述目的，本发明实施例提供一种恒扭矩轮式越障机器人，包括车架和三个爪式越障轮，所述车架的前侧设置有对称布置的两个恒扭矩电机，所述车架的后侧设置有万向组件，其中两个所述爪式越障轮分别位列于所述车架前侧左右对称布置，且分别与两个所述恒扭矩电机驱动连接，另一个所述爪式越障轮可转动地安装于所述万向组件上。

可选地，所述车架的前侧设置有对称布置的两个前轮架和位于两个所述前轮架之间的电机固定架，两个所述前轮架上均设置有安装法兰，所述安装法兰上安装有联轴器，两个所述恒扭矩电机分别固定于所述电机固定架的相对两侧，且两个所述恒扭矩电机分别通过两个所述联轴器与两个所述爪式越障轮连接。

可选地，两个所述前轮架均包括两个转接板和连接于两个所述转接板之间的加强筋，每个所述前轮架的两个所述转接板的顶端均连接于所述车架的底部，所述加强筋连接于两个所述转接板之间，所述安装法兰连接于两个所述转接板的底端之间。

可选地，所述电机固定架包括两个电机法兰和连接于两个所述电机法兰之间的加强板，两个所述电机法兰的顶端均连接于所述车架的底部，所述加强板连接于两个所述电机法兰之间，两个所述恒扭矩电机分别固定于两个所述电机法兰的底端。

可选地，所述万向组件包括后轮架、定位法兰、轴承和螺钉，所述车架的后侧设有安装孔，所述定位法兰穿过所述安装孔并通过所述螺钉固定于所述车架上，所述轴承固定于所述定位法兰与所述安装孔的内壁之间，所述后轮架固定于所述定位法兰的底部，位于所述车架后侧的所述爪式越障轮可转动地安装于所述后轮架的底部。

可选地，各所述爪式越障轮均包括车轮主体、驱动机构、传动机构、拨轮和多个爪式摆杆，所述车轮主体上设置有轮轴，位于所述车架前侧的两个所述轮轴分别与两个所述恒扭矩电机驱动连接，位于所述车架后侧的所述轮轴与所述万向组件可转动连接，所述驱动机构和所述传动机构均设置于所述车轮主体内，所述传动机构的输入端与所述驱动机构的输出端连接，所述拨轮与所述车轮主体同轴设置，且所述拨轮与所述传动机构的输出端连接，各所述爪式摆杆沿所述车轮主体的圆周方向均匀布置，所述爪式摆杆转动连接于所述车轮主体上，所述爪式摆杆的一端与所述拨轮滑动连接，所述爪式摆杆的另一端为自由端。

可选地，所述拨轮包括主体部和连接轴，所述主体部沿其周向开设有与所述爪式摆杆一一对应且以所述主体部的圆心为中部呈放射状布置的多个滑槽，所述爪式摆杆的一端设有穿过所述滑槽且能够沿所述滑槽滑动的导向轴，所述连接轴与所述主体部固定连接且位于所述主体部的圆心位置并沿所述车轮主体的轴向设置，所述连接轴与所述传动机构的输出端连接。

可选地，所述爪式摆杆包括磁铁件和紧贴设置于所述磁铁件的相对两侧且呈对称布置的轭铁件，两个所述轭铁件的一端分别与所述导向轴的两端连接。

可选地，所述轭铁件呈“7”字形状且包括依序连接的直杆段和圆弧杆段，所述直杆段的一端与所述导向轴连接。

可选地，所述车轮主体包括第一轮毂、第二轮毂和多根连杆转轴，所述第一轮毂与所述第二轮毂对称设置，各所述连杆转轴连接于所述第一轮毂和所述第二轮毂之间且与所述爪式摆杆一一对应，所述爪式摆杆转动连接于对应的所述连杆转轴上，位于所述车架前侧的两个所述轮轴分别固定于两个所述第一轮毂上，位于所述车架后侧的所述轮轴穿设固定于所述第一轮毂和所述第二轮毂上。

可选地，所述驱动机构包括电机和电机支架，所述电机支架设置于所述第一轮毂或所述第二轮毂上，所述电机安装于所述电机支架上，所述电机的输出轴与所述传动机构的输入端连接。

可选地，所述传动机构包括主动齿轮和从动齿轮，所述主动齿轮套设于所述电机的输出轴上，所述从动齿轮与所述主动齿轮啮合，且所述从动齿轮与所述拨轮连接并同步转动。

可选地，所述第一轮毂和第二轮毂均沿自身周向开设有多个弧形缺口，所述弧形缺口的数量与所述爪式摆杆的数量匹配。

可选地，各所述爪式越障轮均包括六个所述爪式摆杆。

本发明实施例提供的恒扭矩轮式越障机器人中的上述一个或多个技术方案至少具有如下技术效果之一：恒扭矩轮式越障机器人的三个爪式越障轮呈三角形布置安装在车架上，形成三轮式机器人，由于位于车架前侧的两个爪式越障轮分别通过一个恒扭矩电机连接驱动，这样通过该恒扭矩电机可以将动力传递给爪式越障轮并用于驱动爪式越障轮转动，在该两个爪式越障轮速度变化时，保持恒扭矩电机的恒转矩，即使遇到障碍，依然具有足够的动力越障，从而避免因扭矩不足而产生的机器人打滑及机器人倾覆等问题，进而使得机器人在进行前进、后退及转弯时更加平稳，越障能力强，作业效率更高；而位于车架后侧的一个爪式越障轮则由于其安装在万向组件上，通过万向组件可以使得该爪式越障轮可以实现360°自由旋转，让机器人的行走更加自由，进一步辅助提升提升机器人的越障能力。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的恒扭矩轮式越障机器人的第一种状态的结构示意图。

图2为图1中的恒扭矩轮式越障机器人的第一种状态的另一视角的结构示意图。

图3为本发明实施例提供的恒扭矩轮式越障机器人的第二种状态的结构示意图。

图4为图3中的恒扭矩轮式越障机器人的第二状态的另一视角的结构示意图。

图5为本发明实施例提供的恒扭矩轮式越障机器人的机架的结构示意图。

图6为本发明实施例提供的恒扭矩轮式越障机器人的机架与万向组件连接处的结构剖视图。

图7为本发明实施例提供的恒扭矩轮式越障机器人的爪式越障轮的结构示意图。

图8为图7中的爪式越障轮的另一视角的结构示意图。

图9为本发明实施例提供的恒扭矩轮式越障机器人的爪式越障轮的第一种状态的截面剖视图。

图10为本发明实施例提供的恒扭矩轮式越障机器人的爪式越障轮的第二中状态的截面剖视图。

图11为本发明实施例提供的恒扭矩轮式越障机器人的爪式越障轮与万向组件的后轮架连接的结构示意图。

图12为本发明实施例提供的恒扭矩轮式越障机器人的爪式摆杆的结构示意图。

图13为本发明实施例提供的恒扭矩轮式越障机器人的爪式越障轮的结构分解示意图。

图14为本发明实施例提供的恒扭矩轮式越障机器人的拨轮的结构示意图。

图15是本发明实施例提供的恒扭矩轮式越障机器人的越障状态与行走状态之间的切换示意图。

图16是本发明实施例提供的恒扭矩轮式越障机器人在竖直面时的行走状态示意图。

图17是本发明实施例提供的恒扭矩轮式越障机器人在水平面时的行走状态示意图。

图18是本发明实施例提供的恒扭矩轮式越障机器人的爪式越障轮的越障过程示意图。

其中，图中各附图标记：

10—恒扭矩电机 11—安装法兰 12—联轴器

20—万向组件 21—后轮架 22—定位法兰

23—轴承 24—螺钉 25—轴承垫

26—止动垫片 27—卡圈 30—前轮架

31—转接板 32—加强筋 40—电机固定架

41—电机法兰 42—加强板 50—车轮主体

51—第一轮毂 52—第二轮毂 53—连杆转轴

60—驱动机构 61—电机 62—电机支架

70—传动机构 71—主动齿轮 72—从动齿轮

80—拨轮 81—主体部 82—连接轴

90—爪式摆杆 91—磁铁件 92—轭铁件

100—爪式越障轮 200—车架 211—U形槽

501—弧形缺口 502—轮轴 811—滑槽

901—导向轴 921—直杆段 922—圆弧杆段。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图1～18描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图1～4所示，在本发明的一个实施例中，提供一种恒扭矩轮式越障机器人，可以作为除锈机器人、清洁机器人、搬运机器人、检测机器人等使用，并且适合在水平面、竖直面、曲面等场所行走。具体地，该恒扭矩轮式越障机器人包括车架200和三个爪式越障轮100，车架200作为整个机器人的支撑安装结构，除可以供爪式越障轮100安装之外，还可以供一些执行部件安装，例如机械手、清洗器等。

进一步地，所述车架200的前侧设置有对称布置的两个恒扭矩电机10，所述车架200的后侧设置有万向组件20，万向组件20可以相对于车架200实现360°的转动，一般地，万向组件20具有轴连接件，通过该轴连接件可以实现相对于车架200的360°的转动。其中两个所述爪式越障轮100分别位列于所述车架200前侧左右对称布置，且分别与两个所述恒扭矩电机10驱动连接，即车架200上设置的两个恒扭矩电机10分别用于驱动两个位于车架200前侧的爪式越障轮100转动，前侧的第一个和第二个爪式越障轮100作为主动轮以实现驱使整个机器人的行走，另一个所述爪式越障轮100可转动地安装于所述万向组件20上，该第三个爪式越障轮100则作为从动轮随着前侧的作为主动轮的第一个和第二个爪式越障轮100动作而动作，并且其由于安装在万向组件20时，因为其行走过程中可以实现相对于机架的360°转动，能够最大限度的辅助机器人平稳行走。

以下对本发明实施例提供的恒扭矩轮式越障机器人作进一步说明：三个爪式越障轮100呈三角形布置安装在车架200上，形成三轮式机器人，由于位于车架200前侧的两个爪式越障轮100分别通过一个恒扭矩电机10连接驱动，这样通过该恒扭矩电机10可以将动力传递给爪式越障轮100并用于驱动爪式越障轮100转动，在该两个爪式越障轮100速度变化时，保持恒扭矩电机10的恒转矩，即使遇到障碍(例如凸起结构、大曲率地形障碍物、梯形台阶等越障物)，依然具有足够的动力越障，从而避免因扭矩不足而产生的机器人打滑及机器人倾覆等问题，进而使得机器人在进行前进、后退及转弯时更加平稳，越障能力强，作业效率更高；而位于车架200后侧的一个爪式越障轮100则由于其安装在万向组件20上，通过万向组件20可以使得该爪式越障轮100可以实现360°自由旋转，让机器人的行走更加自由，进一步辅助提升提升机器人的越障能力。

在本发明的另一个实施例中，如图1和图3所示，该恒扭矩轮式越障机器人的车架200呈“T”字形状，其中，两个爪式越障轮100位列于“T”字形状的车架200的头部，而第三个爪式越障轮100则位列于“T”字形状的车架200的尾部，如此可以使得整个机器人的布置更加协调，稳定性更好，行走过程中不易倾倒或倾覆。

在本发明的另一个实施例中，该恒扭矩轮式越障机器人的车架200一体成型制作，例如可以采用金属板制造成型，金属板制造成型的车架200结构强度高，质量好，使用寿命长。金属板可以是钢板等。

在本发明的另一个实施例中，该恒扭矩轮式越障机器人中，其垂直于车架200前侧设置的两个爪式越障轮100的连线的线穿过车架200后侧设置的爪式越障轮100，如此使得车架200后侧设置的爪式越障轮100与车架200前侧设置的两个爪式越障轮100之间的连线的长度均相等，三个爪式越障轮100的连线形成等边三角形。

在本发明的另一个实施例中，如图2和图5所示，该恒扭矩轮式越障机器人的所述车架200的前侧设置有对称布置的两个前轮架30和位于两个所述前轮架30之间的电机固定架40，前轮架30用于供车架200前侧的爪式越障轮100安装固定，电机固定架40则用于供恒扭矩电机10安装固定。两个所述前轮架30上均设置有安装法兰11，所述安装法兰11上安装有联轴器12，安装法兰11的设置可以起到居中连接联轴器12和前轮架30。两个所述恒扭矩电机10分别固定于所述电机固定架40的相对两侧，即两个恒扭矩电机10的输出轴呈相反方向延伸设置，且两个所述恒扭矩电机10分别通过两个所述联轴器12与两个所述爪式越障轮100连接。具体地，联轴器12的两端分别与恒扭矩电机10的输出轴连接以及与对应的爪式越障轮100连接。联轴器12将将恒扭矩电机10输出的动力动力和传递到相应连接的爪式越障轮100爪式越障轮100上，如此就实现了驱动该爪式越障轮100转动，以使得机器人实现行走。

在本发明的另一个实施例中，如图2和图5所示，该恒扭矩轮式越障机器人的两个所述前轮架30均包括两个转接板31和连接于两个所述转接板31之间的加强筋32，每个所述前轮架30的两个所述转接板31的顶端均连接于所述车架200的底部，转接板31与车架200的连接可以采用焊接、紧固件连接等。所述加强筋32连接于两个所述转接板31之间，加强筋32的设置可以使得整个前轮架30的稳定性更强，如此确保具有足够的强度供其中一个爪式越障轮100的安装固定。所述安装法兰11连接于两个所述转接板31的底端之间，安装法兰11的相对两侧可以通过紧固件分别与两个转接板31锁紧连接，这样，安装法兰11可以实现与前轮架30的稳定连接。具体地，本实施例中的前轮架30可以起到居中连接车架200和爪式越障轮100。这样爪式越障轮100转动时，则可以通过前轮架30带动车架200移动，三个爪式越障轮100的共同配合下，可以实现驱动整个机器人的行走。

在本发明的另一个实施例中，该恒扭矩轮式越障机器人的所述前轮架30一体成型。

在本发明的另一个实施例中，如图2和图5所示，该恒扭矩轮式越障机器人的所述电机固定架40包括两个电机法兰41和连接于两个所述电机法兰41之间的加强板42，两个所述电机法兰41的顶端均连接于所述车架200的底部，所述加强板42连接于两个所述电机法兰41之间，加强板42的设置使得两个电机法兰41实现了连接，并且也使得电机法兰41安装在车架200底部的稳定性和可靠性得以提升。两个所述恒扭矩电机10分别固定于两个所述电机法兰41的底端。具体地，两个恒扭矩电机10的机身可以通过紧固件分别锁紧固定在两个电机法兰41上，这样就实现了对两个恒扭矩电机10的安装固定。如此，恒扭矩电机10可以稳定地输出动力，通过联轴器12将动力输出到与其连接的爪式越障轮100上，进而驱动该爪式越障轮100转动，并且可以保持恒转矩，即使遇到凸起结构、大曲率地形障碍物、梯形台阶等情况时，依然能够有效实现越障。

在本发明的另一个实施例中，该恒扭矩轮式越障机器人的所述电机固定架40一体成型。

在本发明的另一个实施例中，如图6所示，该恒扭矩轮式越障机器人的所述万向组件20包括后轮架21、定位法兰22、轴承23和螺钉24，所述车架200的后侧设有安装孔(图未示)，所述定位法兰22穿过所述安装孔并通过所述螺钉24固定于所述车架200上，所述轴承23固定于所述定位法兰22与所述安装孔的内壁之间，即轴承23的外圈与安装孔的内壁固定连接，轴承23的内圈与定位法兰22固定连接，如此，定位法兰22在该轴承23的作用下可以相对于车架200转动。进一步地，所述后轮架21固定于所述定位法兰22的底部，这样，后轮架21在定位法兰22的作用下可以相对于车架200转动，并且实现的转动角度为360°，即轴承23的内圈与外圈沿自身轴向的360°转动。进一步地，位于所述车架200后侧的所述爪式越障轮100可转动地安装于所述后轮架21的底部。如此，位于车架200后的爪式越障轮100即可实现以垂直于车架200的轴线为中心绕该轴线作360°的转动。

在本发明的另一个实施例中，如图6所示，该恒扭矩轮式越障机器人的所述万向组件20还包括轴承垫25，该轴承垫25设置于轴承23和车架200的上方，并通过螺钉24压紧于轴承23和车架200上。轴承垫25的设置可以避免杂物进入到轴承23中，影响轴承23的正常转动。

在本发明的另一个实施例中，如图7～10和图13所示，该恒扭矩轮式越障机器人的各所述爪式越障轮100均包括车轮主体50、驱动机构60、传动机构70、拨轮80和多个爪式摆杆90，所述车轮主体50上设置有轮轴502，位于所述车架200前侧的两个所述车轮主体50上的所述轮轴502分别与两个所述恒扭矩电机10驱动连接，位于所述车架200后侧的所述车轮主体50上的所述轮轴502与所述万向组件20可转动连接。

进一步地，所述驱动机构60和所述传动机构70均设置于所述车轮主体50内，其中，所述驱动机构60用于为传动机构70提供动力，所述传动机构70的输入端与所述驱动机构60的输出端连接，所述拨轮80与所述车轮主体50同轴设置，且所述拨轮80与所述传动机构70的输出端连接，传动机构70用于将驱动机构60的动力传送给拨轮80，以驱动所述拨轮80转动。各所述爪式摆杆90沿所述车轮主体50的圆周方向均匀布置，所述爪式摆杆90转动连接于所述车轮主体50上，即爪式摆杆90可以以与车轮主体50的连接点为中心转动，所述爪式摆杆90的一端与所述拨轮80滑动连接，所述爪式摆杆90的另一端为自由端。如此，爪式摆杆90的一端相对于拨轮80滑动时，整个爪式摆杆90还相对于车轮主体50转动，那么爪式摆杆90的另一端即可以自由摆动而实现张开或者收缩。

进一步地，以下对本实施例中的爪式越障轮100的工作原理作进一步说明：整个爪式越障轮100通过其车轮主体50的轮轴502与恒扭矩电机10或者万向组件20连接而可以转动，主动转动或者被动转动。同时，车轮主体50内的驱动机构60可以通过传动机构70驱使拨轮80转动，拨轮80在转动过程中，使得与其滑动连接的爪式摆杆90相对于该拨轮80滑动，同时，该爪式摆杆90又相对于车轮主体50转动，如此，随着驱动机构60的正向驱动或者反向驱动，爪式摆杆90的自由端即可张开或者收缩，这样可以在面对障碍物时，通过爪式摆杆90的张开，形成爪式攀爬车轮，有利于越障，当完成越障后，爪式摆杆90收缩使得爪式越障轮100重新变回圆形，从而实现越障与壁面移动的快速切换，整个过程中机器人不需要停止，极大地提高了机器人的作业效率。

相对于现有的足腿式机器人，本实施例中的恒扭矩轮式越障机器人能够实现车轮形状实时快速变换，极大地提高作业效率。并且整体结构并不复杂，能够减少结设计的复杂程度，进而减小机器人的体积和重量，提高机器人的灵活性与负载能力。再者，爪式摆杆90爪式越障轮100可以在圆形和爪式形状之间自由切换，可以保证在非越障工作状态下机器人工作的稳定性的同时，提高越障能力。

在本发明的另一个实施例中，如图2、图7～11和图13～14所示，该恒扭矩轮式越障机器人的各所述爪式越障轮100均包括车轮主体50、驱动机构60、传动机构70、拨轮80和多个爪式摆杆90，所述车轮主体50上设置有轮轴502，位于所述车架200前侧的两个所述车轮主体50上的所述轮轴502分别与两个所述恒扭矩电机10驱动连接，位于所述车架200后侧的所述车轮主体50上的所述轮轴502与所述万向组件20可转动连接。所述车架200的前侧设置有对称布置的两个前轮架30和位于两个所述前轮架30之间的电机固定架40，两个所述前轮架30上均设置有安装法兰11，所述安装法兰11上安装有联轴器12，两个所述恒扭矩电机10分别固定于所述电机固定架40的相对两侧，且两个所述恒扭矩电机10分别通过两个所述联轴器12与两个所述轮轴502连接。所述万向组件20包括后轮架21、定位法兰22、轴承23和螺钉24，所述车架200的后侧设有安装孔，所述定位法兰22穿过所述安装孔并通过所述螺钉24固定于所述车架200上，所述轴承23固定于所述定位法兰22与所述安装孔的内壁之间，所述后轮架21固定于所述定位法兰22的底部，位于所述车架200后侧的所述爪式越障轮100的车轮主体50上连接的轮轴502可转动地安装于所述后轮架21的底部。进一步地，所述驱动机构60和所述传动机构70均设置于所述车轮主体50内，其中，所述驱动机构60用于为传动机构70提供动力，所述传动机构70的输入端与所述驱动机构60的输出端连接，所述拨轮80与所述车轮主体50同轴设置，且所述拨轮80与所述传动机构70的输出端连接，传动机构70用于将驱动机构60的动力传送给拨轮80，以驱动所述拨轮80转动。各所述爪式摆杆90沿所述车轮主体50的圆周方向均匀布置，所述爪式摆杆90转动连接于所述车轮主体50上，即爪式摆杆90可以以与车轮主体50的连接点为中心转动，所述爪式摆杆90的一端与所述拨轮80滑动连接，所述爪式摆杆90的另一端为自由端。如此，爪式摆杆90的一端相对于拨轮80滑动时，整个爪式摆杆90还相对于车轮主体50转动，那么爪式摆杆90的另一端即可以自由摆动而实现张开或者收缩。

进一步地，本实施例中，恒扭矩电机10的输出轴通过联轴器12与车架200前侧的车轮主体50的轮轴502连接。在该爪式越障轮100速度变化时，保持恒扭矩电机10的恒转矩，从而避免因扭矩不足而产生的机器人车轮打滑及机器人倾覆等问题。圆形的爪式越障轮100向爪式的爪式越障轮100向变换时，电机61正传驱动齿轮机构的主动齿轮71以使从动齿轮72带动拨轮80反转，爪式摆杆90在拨轮80的驱动作用下张开，电机61停转。爪式的爪式越障轮100向向圆形的爪式越障轮100变换时，电机61反传驱动齿轮机构的主动齿轮71以使从动齿轮72带动拨轮80正转，爪式摆杆90在拨轮80的驱动作用下闭合，电机61停转。整个越障过程中机器人运动与越障同步进行，不需停止，极大的提高了机器人的作业效率。

在本发明的另一个实施例中，如图2和图5所示，该恒扭矩轮式越障机器人的后轮架21为П字形状，其两个末端间隔设置形成开口，且该两个末端的侧部均设有U形槽211供与位于车架200后侧的车轮主体50上设置的轮轴502连接，并且还该轮轴502上设有止动垫片26以防止轮轴502脱离与U形槽211的连接。进一步地，位于车架200后侧的车轮主体50与该轮轴502之间通过滚珠轴承(图未示)连接，并且，车轮主体50上还设置有用于对该车轮主体50进行轴向定位的卡圈27，如此设计可以确保整个车轮在进行360°转动且相对于轮轴502转动时，不会出现脱落的现象。

在本发明的另一个实施例中，如图9～10和图13～14所示，该恒扭矩轮式越障机器人的所述拨轮80包括主体部81和连接轴82，所述主体部81沿其周向开设有与所述爪式摆杆90一一对应且以所述主体部81的圆心为中部呈放射状布置的多个滑槽811，所述爪式摆杆90的一端设有穿过所述滑槽811且能够沿所述滑槽811滑动的导向轴901，导向轴901在滑槽811中的滑动过程即为爪式摆杆90的张开或者收缩过程中。所述连接轴82与所述主体部81固定连接且位于所述主体部81的圆心位置并沿所述车轮主体50的轴向设置，所述连接轴82与所述传动机构70的输出端连接。具体地，驱动机构60通过传动机构70驱动连接轴82转动，由于该连接轴82与主体部81连接，这样连接轴82转动时，主体部81也转动，主体部81上设置的滑槽811在空间中也绕着连接轴82转动，此时，穿过滑槽811的导向轴901会沿着滑槽811并且在滑槽811内滑动，如此就驱使了一端与导向轴901连接且转动连接与车轮主体50的爪式摆杆90的自由端张开或者收缩，随着驱动机构60的正向驱动或反向驱动，进而实现爪式越障轮100在圆形和爪式形状之间切换。

在本发明的另一个实施例中，该恒扭矩轮式越障机器人的所述拨轮80的主体部81和连接轴82一体成型而制。

在本发明的另一个实施例中，如图14所示，该恒扭矩轮式越障机器人的所述拨轮80的主体部81设置的滑槽811为长条状结构且两端封闭的槽。

在本发明的另一个实施例中，如图7和图12所示，该恒扭矩轮式越障机器人的所述爪式摆杆90包括磁铁件91和紧贴设置于所述磁铁件91的相对两侧且呈对称布置的轭铁件92，两个所述轭铁件92的一端分别与所述导向轴901的两端连接。具体地，如此设计的爪式摆杆90可以形成闭合的磁路，从而提高磁铁的磁能利用率，增强爪式越障轮100与导磁壁面的吸附力。同时，这种结构能够提高爪式越障轮100的姿态适应能力，例如可用于垂直壁面、底面等多种工况。本实施例中，爪式越障轮100在导磁壁面可以适应垂直壁面爬行和吸附底面爬行。

在本发明的另一个实施例中，如图2和图5所示，该恒扭矩轮式越障机器人的所述拨轮80采用铁磁材料制造，如此可以使得爪式摆杆90与铁磁材料的拨轮80始终保持磁吸附力。

在本发明的另一个实施例中，如图12所示，该恒扭矩轮式越障机器人的所述轭铁件92呈“7”字形状且包括依序连接的直杆段921和圆弧杆段922，所述直杆段921的一端与所述导向轴901连接。具体地，磁铁件91设置在两个轭铁件92的圆弧杆段922之间，并且该磁铁件91与圆弧杆段922的形状相适配。两个轭铁件92的直杆段921之间形成间距不接触，即未设置磁铁件91，可减轻爪式摆杆90的重量，进而可以减轻整个爪式越障轮100的整体重量。进一步地，磁铁件91和轭铁件92之间可以通过铆钉连接。

进一步地，轭铁件92的圆弧杆段922设置不仅可以保证爪式摆杆90摆动前，爪式越障轮100为圆形，而且爪式摆杆90受力不与杆壁垂直，爪式越障轮100越障时可以提高爪式摆杆90的刚度。具体地，多个爪式摆杆90的轭铁件92的圆弧杆段922可围合形成一个圆。

在本发明的另一个实施例中，如图7～8所示，该恒扭矩轮式越障机器人的所述车轮主体50包括第一轮毂51、第二轮毂52和多根连杆转轴53，连杆转轴53的数量与爪式摆杆90的数量适配。所述第一轮毂51与所述第二轮毂52对称设置，各所述连杆转轴53连接于所述第一轮毂51和所述第二轮毂52之间且与所述爪式摆杆90一一对应。并且，所述爪式摆杆90转动连接于对应的所述连杆转轴53上，即爪式摆杆90可以以该连杆转轴53为中心轴实现转动。其中，位于所述车架200前侧的两个所述轮轴502分别固定于两个所述第一轮毂51上，位于所述车架200后侧的所述轮轴502穿设固定于所述第一轮毂51和所述第二轮毂52上。在本实施例中，车轮主体50内部镂空，即间隔设置的第一轮毂51和第二轮毂52之间由于通过连杆转轴53连接，从而形成间隔镂空，可降低车轮整体的重量。同时，第一轮毂51和第二轮毂52之间形成的间距还便于安装驱动机构60、传动机构70和拨轮80。在具体应用中，连杆转轴53的两端分别穿过第一轮毂51和第二轮毂52，并通过螺栓固定。

在本发明的另一个实施例中，如图8～10所示，该恒扭矩轮式越障机器人的所述驱动机构60包括电机61和电机支架，所述电机支架设置于所述第一轮毂51或所述第二轮毂52上，所述电机61安装于所述电机支架上，所述电机61的输出轴垂直于第一轮毂51和第二轮毂52，所述电机61的输出轴与所述传动机构70的输入端连接。在本实施例中，电机61安装于第一轮毂51或第二轮毂52远离车轮主体50的中心轴的位置，即电机61偏心安装，通过传动机构70输出动力，可避免电机61安装于车轮主体50的中心造成与轮轴502发生干涉，如此可以降低了后续机器人的设计难度。在具体应用中，电机支架大致呈U字型，电机61收容于电机支架的内部空间内，电机61的输出轴穿过电机支架后与传动机构70的输入端连接，电机支架通过紧固件固定于第一轮毂51或者第二轮毂52上，电机61通过紧固件固定于电机支架远离第一轮毂51或者第二轮毂52的一端上。

在本发明的另一个实施例中，该恒扭矩轮式越障机器人的所述驱动机构60的电机61为伺服电机。

在本发明的另一个实施例中，如图8～10和图13所示，该恒扭矩轮式越障机器人的所述传动机构70包括主动齿轮71和从动齿轮72，所述主动齿轮71套设于所述电机61的输出轴上，所述从动齿轮72与所述主动齿轮71啮合，且所述从动齿轮72与所述拨轮80连接并同步转动，即从动齿轮72可以带动拨轮80转动。在本实施例中，电机61通过正转或反转驱动主动齿轮71正转或反转，从而带动从动齿轮72正转或者反转，进而拨轮80也实现正转或反转。优选地，主动齿轮71为部分齿结构，即有一部分主动齿轮71没有齿，以限制拨轮80的转动角度，使得爪式摆杆90在合理范围内张合。

在本发明的另一个实施例中，该恒扭矩轮式越障机器人的所述传动机构70可以是同步带轮组件或齿轮齿条组件。

在本发明的另一个实施例中，如图7和图13所示，该恒扭矩轮式越障机器人的所述第一轮毂51和第二轮毂52均沿自身周向开设有多个弧形缺口501，所述弧形缺口501的数量与所述爪式摆杆90的数量匹配。并且，弧度缺口的位置与爪式摆杆90的位置对应。在本实施例中，弧形缺口501可有效地防止爪式越障轮100在越障时与障碍物发生干涉，从而导致车轮卡滞的现象，以进一步提升越障能力。具体请参阅图15和图18，其详细地示意了车轮越障的过程，其中，图18中的(1)～(5)示意了爪式越障轮100在越障时，爪式摆杆90的相对运动位置。具体地，当爪式越障轮100处于状态(1)时，爪式摆杆90逐渐张开；当爪式越障轮100处于状态(2)时，爪式摆杆90完全张开；当爪式越障轮100处于状态(3)时，爪式摆杆90处于越障过程中；当车轮处于状态(4)时，爪式摆杆90完成越障，；当车轮处于状态(5)时，爪式摆杆905收拢，直至最后变回原形。

其中，图16和图17示意了爪式越障车轮在苛刻的垂直壁面和倒置平面环境下的行走状态。

在本发明的另一个实施例中，如图13所示，该恒扭矩轮式越障机器人的第一轮毂51和第二轮毂52均呈星形，第一轮毂51和第二轮毂52的相邻两个弧形缺口501之间形成凸起(图未示)，连杆转轴53的两端分别连接于对应的第一轮毂51和第二轮毂52的凸起上。

在本发明的另一个实施例中，如图13所示，该恒扭矩轮式越障机器人的各所述爪式越障轮100均包括六个所述爪式摆杆90。相应地，车轮主体50包括六个连杆转轴53，拨轮80的主体部81开设有六个滑槽811，第一轮毂51和第二轮毂52均开设有六个弧形缺口501。在本实施例中，六个爪式摆杆90能够保证车轮可以越过一定高度的障碍，同时可以保证爪式越障轮100的越障速度，其与足腿式越障机构相比，通过电机61带动主动齿轮71进而电动从动齿轮72驱动拨轮80转动，如此实现六个爪式摆杆90同时摆动一定角度，可以实现爪式越障轮100的形状自由快速切换。

可以理解的是，在其它实施例中，爪式摆杆90的数量也可以是四个、五个或者六个以上，只需保证爪式摆杆90、连杆转轴53、滑槽811和弧形缺口501数量相同即可。

本实施例的恒扭矩轮式越障机器人由于其具有运动灵活等诸多优点，适用于检测、清洗、除锈等领域。并且在面对凸起结构、大曲率地形障碍物、梯形台阶等情况时，能够有效实现越障，并且能够确保越障快速和越障稳定，避免出现卡滞、倾倒、倾覆等现象，越障能力极佳，有效满足多种地形越障能力的要求。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种恒扭矩轮式越障机器人，其特征在于：包括车架和三个爪式越障轮，所述车架的前侧设置有对称布置的两个恒扭矩电机，所述车架的后侧设置有万向组件，其中两个所述爪式越障轮分别位列于所述车架前侧左右对称布置，且分别与两个所述恒扭矩电机驱动连接，另一个所述爪式越障轮可转动地安装于所述万向组件上；

各所述爪式越障轮均包括车轮主体、驱动机构、传动机构、拨轮和多个爪式摆杆，所述车轮主体上设置有轮轴，位于所述车架前侧的两个所述轮轴分别与两个所述恒扭矩电机驱动连接，位于所述车架后侧的所述轮轴与所述万向组件可转动连接，所述驱动机构和所述传动机构均设置于所述车轮主体内，所述传动机构的输入端与所述驱动机构的输出端连接，所述拨轮与所述车轮主体同轴设置，且所述拨轮与所述传动机构的输出端连接，各所述爪式摆杆沿所述车轮主体的圆周方向均匀布置，所述爪式摆杆转动连接于所述车轮主体上，所述爪式摆杆的一端与所述拨轮滑动连接，所述爪式摆杆的另一端为自由端；

所述拨轮包括主体部和连接轴，所述主体部沿其周向开设有与所述爪式摆杆一一对应且以所述主体部的圆心为中部呈放射状布置的多个滑槽，所述爪式摆杆的一端设有穿过所述滑槽且能够沿所述滑槽滑动的导向轴，所述连接轴与所述主体部固定连接且位于所述主体部的圆心位置并沿所述车轮主体的轴向设置，所述连接轴与所述传动机构的输出端连接；

所述爪式摆杆包括磁铁件和紧贴设置于所述磁铁件的相对两侧且呈对称布置的轭铁件，两个所述轭铁件的一端分别与所述导向轴的两端连接；

所述轭铁件呈“7”字形状且包括依序连接的直杆段和圆弧杆段，所述直杆段的一端与所述导向轴连接。

2.根据权利要求1所述的恒扭矩轮式越障机器人，其特征在于：所述车架的前侧设置有对称布置的两个前轮架和位于两个所述前轮架之间的电机固定架，两个所述前轮架上均设置有安装法兰，所述安装法兰上安装有联轴器，两个所述恒扭矩电机分别固定于所述电机固定架的相对两侧，且两个所述恒扭矩电机分别通过两个所述联轴器与两个所述爪式越障轮连接。

3.根据权利要求2所述的恒扭矩轮式越障机器人，其特征在于：两个所述前轮架均包括两个转接板和连接于两个所述转接板之间的加强筋，每个所述前轮架的两个所述转接板的顶端均连接于所述车架的底部，所述加强筋连接于两个所述转接板之间，所述安装法兰连接于两个所述转接板的底端之间。

4.根据权利要求2所述的恒扭矩轮式越障机器人，其特征在于：所述电机固定架包括两个电机法兰和连接于两个所述电机法兰之间的加强板，两个所述电机法兰的顶端均连接于所述车架的底部，所述加强板连接于两个所述电机法兰之间，两个所述恒扭矩电机分别固定于两个所述电机法兰的底端。

5.根据权利要求1~4任一项所述的恒扭矩轮式越障机器人，其特征在于：所述万向组件包括后轮架、定位法兰、轴承和螺钉，所述车架的后侧设有安装孔，所述定位法兰穿过所述安装孔并通过所述螺钉固定于所述车架上，所述轴承固定于所述定位法兰与所述安装孔的内壁之间，所述后轮架固定于所述定位法兰的底部，位于所述车架后侧的所述爪式越障轮可转动地安装于所述后轮架的底部。

6.根据权利要求1所述的恒扭矩轮式越障机器人，其特征在于：所述车轮主体包括第一轮毂、第二轮毂和多根连杆转轴，所述第一轮毂与所述第二轮毂对称设置，各所述连杆转轴连接于所述第一轮毂和所述第二轮毂之间且与所述爪式摆杆一一对应，所述爪式摆杆转动连接于对应的所述连杆转轴上，位于所述车架前侧的两个所述轮轴分别固定于两个所述第一轮毂上，位于所述车架后侧的所述轮轴穿设固定于所述第一轮毂和所述第二轮毂上。

7.根据权利要求6所述的恒扭矩轮式越障机器人，其特征在于：所述驱动机构包括电机和电机支架，所述电机支架设置于所述第一轮毂或所述第二轮毂上，所述电机安装于所述电机支架上，所述电机的输出轴与所述传动机构的输入端连接。

8.根据权利要求7所述的恒扭矩轮式越障机器人，其特征在于：所述传动机构包括主动齿轮和从动齿轮，所述主动齿轮套设于所述电机的输出轴上，所述从动齿轮与所述主动齿轮啮合，且所述从动齿轮与所述拨轮连接并同步转动。

9.根据权利要求6~8任一项所述的恒扭矩轮式越障机器人，其特征在于：所述第一轮毂和第二轮毂均沿自身周向开设有多个弧形缺口，所述弧形缺口的数量与所述爪式摆杆的数量匹配。

10.根据权利要求1、6~8任一项所述的恒扭矩轮式越障机器人，其特征在于：各所述爪式越障轮均包括六个所述爪式摆杆。