CN109606487A - 轮履复合变构型机器人 - Google Patents

Abstract

本公开提供一种轮履复合变构型机器人，包括变构型机构，变构型机构包括摇臂、摇臂驱动机构、驱动轮和驱动轮驱动机构；摇臂的数目为四个，每个摇臂的两端均配置一个驱动轮；每个摇臂上的两个驱动轮被履带包覆；摇臂驱动机构用于对四个摇臂进行驱动，驱动轮驱动机构用于对驱动轮进行驱动。

Description

轮履复合变构型机器人

技术领域

本公开属于机器人领域，尤其涉及一种轮履复合变构型机器人。

背景技术

移动机器人一般采用轮式或履带式行走方式，轮式地面运动效率较高，但是牵引力较低，野外环境的通过性较差；履带式具有较为平均的接地比压，在松软地面、砾石路面具有较高的通过性，但是履带运动效率较低，续航时间收到影响。移动机器人特别是小型机器人需要同时兼顾通过性与效率性能，传统的单一履带与轮式构型无法满足其需求。同时，单一构型的行走机构一般通过障碍高度为其轮子半径，通过性的增加必然带来机器人整体尺寸的增加，从而降低其隐蔽性，增加其能量消耗。构型的改变可有效提升通过性，同时在常规构型下保证良好的运行效率。

发明内容

为了解决背景技术中提到的至少一个技术问题，本公开提供一种新型结构的轮履复合变构型机器人，通过以下技术方案实现。

轮履复合变构型机器人，包括变构型机构，变构型机构包括摇臂、摇臂驱动机构、驱动轮和驱动轮驱动机构；

摇臂的数目为四个，每个摇臂的两端均配置一个驱动轮；

每个摇臂上的两个驱动轮被履带包覆；

摇臂驱动机构用于对四个摇臂进行驱动，驱动轮驱动机构用于对驱动轮进行驱动。

根据本公开的至少一个实施方式，还包括车体，四个摇臂均通过旋转轴与车体连接，四个摇臂中的第一摇臂和第二摇臂配置在车体左侧，第三摇臂和第四摇臂配置在车体右侧。

根据本公开的至少一个实施方式，摇臂驱动机构包括四个摇臂驱动装置，四个摇臂驱动装置分别用于驱动四个摇臂。

根据本公开的至少一个实施方式，驱动轮驱动机构包括四个驱动轮驱动装置，每个驱动轮驱动装置用于驱动配置在同一个摇臂上的两个驱动轮。

根据本公开的至少一个实施方式，还包括控制部，控制部控制摇臂的角速度和/或驱动轮的角速度。

根据本公开的至少一个实施方式，摇臂驱动装置还包括摇臂角度传感器，摇臂角度传感器用于测量摇臂相对于车体的角度；控制部控制摇臂驱动机构对摇臂相对于车体的角度即摇臂角度进行调整。

根据本公开的至少一个实施方式，履带沿履带周向配置有凹部，驱动轮沿驱动轮周向配置有凸部，凹部与凸部卡合；履带的周向两侧配置有履带挡齿，用于防止驱动轮沿履带横向脱出；驱动轮的外周还配置有纹部，履带的内侧配置有纹部，驱动轮的纹部与履带的纹部配合，防止驱动轮在履带内打滑。

根据本公开的至少一个实施方式，履带的内部还配置有纤维布。

根据本公开的至少一个实施方式，驱动轮的外侧还配置有挡轮，挡轮的外圆直径与驱动轮的外圆直径相同。

根据本公开的至少一个实施方式，摇臂驱动装置为摇臂电机，驱动轮驱动机构为驱动轮电机。

根据本公开的至少一个实施方式，第一摇臂和第二摇臂上的驱动轮被同一条履带包覆，第三摇臂和第四摇臂上的驱动轮被同一条履带包覆。

根据本公开的至少一个实施方式，第一摇臂上的驱动轮被同一条履带包覆，第二摇臂上的驱动轮被同一条履带包覆，第三摇臂上的驱动轮被同一条履带包覆，第四摇臂上的驱动轮被同一条履带包覆。

附图说明

附图示出了本公开的示例性实施方式，并与其说明一起用于解释本公开的原理，其中包括了这些附图以提供对本公开的进一步理解，并且附图包括在本说明书中并构成本说明书的一部分。

图1是本公开至少一个实施方式的轮履复合变构型机器人在拆下履带时、两履带驱动时和四履带驱动时的示意图。

图2是本公开至少一个实施方式的轮履复合变构型机器人采用四履带形式在崎岖地形爬行示意图。

图3是本公开至少一个实施方式的轮履复合变构型机器人的驱动轮驱动机构(双轮联动驱动机构)的结构示意图。

图4是本公开至少一个实施方式的轮履复合变构型机器人的摇臂驱动机构的结构示意图。

图5是本公开至少一个实施方式的轮履复合变构型机器人的履带防脱结构示意图。

图6是本公开至少一个实施方式的轮履复合变构型机器人(两履带)的五种构型样式示意图。

图7是本公开至少一个实施方式的轮履复合变构型机器人(两履带)的变构型逻辑关系示意图。

图8是本公开至少一个实施方式的轮履复合变构型机器人(两履带)的变构型带来的全地形适应性示意图。

图9是本公开至少一个实施方式的轮履复合变构型机器人的四级组合式抗冲击吸震结构示意图。

图10是本公开至少一个实施方式的轮履复合变构型机器人(两履带)的空投耐冲击吸震过程示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施方式对本公开作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于解释相关内容，而非对本公开的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本公开相关的部分。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本公开中的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施方式来详细说明本公开。

如图1-9所示，本公开的轮履复合变构型机器人，包括变构型机构，变构型机构包括摇臂、摇臂驱动机构、驱动轮和驱动轮驱动机构；摇臂的数目为四个，每个摇臂的两端均配置一个驱动轮；每个摇臂上的两个驱动轮被履带包覆；摇臂驱动机构用于对四个摇臂进行驱动，驱动轮驱动机构用于对驱动轮进行驱动。

在本公开的至少一个实施方式中，还包括车体，四个摇臂均通过旋转轴与车体连接，四个摇臂中的第一摇臂和第二摇臂配置在车体左侧，第三摇臂和第四摇臂配置在车体右侧。

在本公开的至少一个实施方式中，第一摇臂和第二摇臂上的驱动轮被同一条履带包覆，第三摇臂和第四摇臂上的驱动轮被同一条履带包覆，即构成两履带机器人。

在本公开的至少一个实施方式中，第一摇臂上的驱动轮被同一条履带包覆，第二摇臂上的驱动轮被同一条履带包覆，第三摇臂上的驱动轮被同一条履带包覆，第四摇臂上的驱动轮被同一条履带包覆，即构成四履带机器人。

本公开的轮履复合变构型机器人有三种驱动形式。两履带形式可以通过构型变换适应绝大多数野外地形环境，是主要采用的驱动形式；八轮形式(即拆除履带)适合在城镇快速布控或连续巡逻；四履带形式可以通过前后摇臂自适应主动旋转来保持履带与地面接触，从而在山区或建筑废墟等特别崎岖的地形上有效爬行。

如图6所示，(1)为匍匐构型，外形低矮，车体长，对地面压强小，适合隐蔽接近和在沙地、浅滩行驶，也适合越壕、爬坡。(2)为耐冲击构型，构型为正梯形，下宽上窄，提高平台落地稳定性；平台落地后倾斜45°的哑铃摇臂受力，弹性阻尼摇臂轴旋转，吸收冲击振动。(3)为越障构型，构型为菱形，构成前倾履带，适合翻越障碍；越障时后边一对哑铃摇臂轮起到支撑作用，防止平台后仰翻倒。(4)为涉水构型，构型为矩形，哑铃摇臂与地面垂直，最大限度将底盘撑高，增加涉水深度；这种构型也有利于增加侦查装备高度，扩大侦查范围。(5)为转弯构型，构型为倒梯形，缩短与地面接触的履带长度，从而减小转向时履带与地面的滑移阻力，适合在转弯较多的环境下采用。

四哑铃摇臂两履带变构型依据几何学中菱形、矩形和梯形内角和为360°，以及变形过程中4条边长之和不变原理。变形过程中遵守平行变形或对称变形原则，履带就不会松动。通过变构型原则推出，梯形构型(耐冲击构型和转弯构型)、涉水构型和匍匐构型之间可以任意转换；越障构型和匍匐构型、涉水构型之间可以任意转换；越障构型与梯形构型之间需要通过匍匐构型或涉水构型作为过渡进行转换。各构型之间转换逻辑关系如图7所示。

在本公开的至少一个实施方式中，摇臂驱动机构包括四个摇臂驱动装置，四个摇臂驱动装置分别用于驱动四个摇臂。

在本公开的至少一个实施方式中，驱动轮驱动机构包括四个驱动轮驱动装置，每个驱动轮驱动装置用于驱动配置在同一个摇臂上的两个驱动轮。

在本公开的至少一个实施方式中，还包括控制部，控制部控制摇臂的角速度和/或驱动轮的角速度。

在本公开的至少一个实施方式中，摇臂驱动装置还包括摇臂角度传感器，摇臂角度传感器用于测量摇臂相对于车体的角度；控制部控制摇臂驱动机构对摇臂相对于车体的角度即摇臂角度进行调整。

本公开的摇臂变构型过程中摇臂和驱动轮需要同时配合旋转才能顺利实现构型转换。设摇臂角速度为Wy，将摇臂轴A与车轮轴B连线的延长线与车轮边缘的交点C与A的距离设为摇臂半径ry。变形过程中要求与地面接触的履带不与地面发生相对运动、驱动轮与履带不滑齿，则交点C处履带相对于A轴的线速度Vy必须等于车轮边缘C点履带的线速度Vc。车轮半径为rc，则车轮角速度Wc＝Vc/rc＝Vy/rc＝ry·Wy/rc。以该公式为控制规律，控制部分别控制摇臂电机和驱动轮电机转速，即可实现各构型之间顺利转换。

在本公开的至少一个实施方式中，履带沿履带周向配置有凹部，驱动轮沿驱动轮周向配置有凸部，凹部与凸部卡合；履带的周向两侧配置有履带挡齿，用于防止驱动轮沿履带横向脱出；驱动轮的外周还配置有纹部，履带的内侧配置有纹部，驱动轮的纹部与履带的纹部配合，防止驱动轮在履带内打滑。

在本公开的至少一个实施方式中，履带的内部还配置有纤维布。

在本公开的至少一个实施方式中，驱动轮的外侧还配置有挡轮，挡轮的外圆直径与驱动轮的外圆直径相同。

具体的，如图5所示，履带中间夹例如凯夫拉纤维布，提高抗拉强度，使履带受较大拉力情况下保持长度不变。为防止履带过硬造成能量损耗大，在每节履带内外侧开槽，使履带容易弯曲。将图5所示三重防脱结构融入履带和驱动轮设计，履带两侧有挡齿，中间有限位槽(凹部)，驱动轮外有挡轮。

为减轻平整地面下采用轮式运动时车轮和地面之间的振动，将履带卡槽(凹部)与避震花纹(纹部)相结合。驱动轮中间的凸部填补了履带卡槽的凹部，使驱动轮侧面轮廓为边缘光滑的圆形。挡轮外圆与驱动轮外圆直径相同，使机器人在轮式运动时轮胎与地面不会因轮胎带有齿槽结构而产生振动。

采用驱动轮弹性设计实现履带预紧。装履带前用工装施加外力使摇臂两端驱动轮靠近，然后安装履带。去掉工装后，驱动轮中的海绵内胆橡胶轮胎和螺旋辐条弹性轮毂为履带提供预紧力，进一步防止履带脱落。

在本公开的至少一个实施方式中，摇臂驱动装置为摇臂电机，驱动轮驱动机构为驱动轮电机。

在本公开的至少一个实施方式中，摇臂为哑铃状摇臂。

具体的，如图4所示，摇臂的驱动轴通过一对圆锥滚子轴承与车身固定，使摇臂的驱动轴能承受静态跌落时的径向冲击力以及转向时的滑移阻力。摇臂驱动机构工作方式为间歇性的，大部分时间需要保持姿态，因此采用减速比大且有自锁性的涡轮蜗杆机构驱动摇臂旋转。机器人跌落触地时摇臂驱动轴会受到一个较大的冲击扭矩，采用大模数宽齿面人字形齿轮做涡轮蜗杆机构与摇臂驱动轴之间的传动,提高摇臂驱动机构抗冲击能力。

具体的，如图3所示，驱动轮电机通过并联双链轮分别驱动哑铃摇臂两端的驱动轮同向旋转。驱动轮轴承载机器人重量、越野机动或跌落时的冲击，因此选用大直径高强度空心轴做轮轴。轮轴通过一对圆锥滚子轴承与哑铃摇臂固定，能承受静态跌落时的径向力、侧倾跌落和转向时产生的轴向力。

具体的，图9示出了轮履复合变构型机器人的四级组合式抗冲击吸震结构，该结构由海绵内胆柔性轮胎、螺旋辐条弹性轮毂、橡胶内芯储能回弹扭转轴、弹性联轴器串并联组成。研究柔性轮胎、弹性轮毂、储能回弹车轴和弹性联轴器的杨氏模量、弹性系数和刚度系数，获得四个减震部件的振动模态模型；分析四级减震部件组合状态下的耦合振动模态，建立以结构参数为变量的振动模态参数方程，搭建实验装置，通过理论优化和仿真实验确定结构参数，使四级组合式抗冲击吸震结构的固有频率远离冲击震荡频率和越野振动频率，最大限度吸收空投触地的冲击振动，防止落地后弹起，减小高速越野时的振动。

本公开的四级组合式抗冲击吸震结构除了吸收空投伞降的冲击振动，还能在快速越野时减震，为侦察设备提供平稳的工作条件。另外，空投触地后弹起会给平台最终落地姿态带来不确定性，并且有损搭载的作业设备，本公开的四级组合式抗冲击吸震结构能避免无人平台触地后弹起。图10示出了本公开的轮履复合变构型机器人(两履带)的空投耐冲击吸震过程。

此外，机器人防水密封对提高机器人环境适应性至关重要。在驱动轮轴和摇臂之间、摇臂轴与车体底盘之间采用轴用旋转密封圈实现动密封。

本领域的技术人员应当理解，上述实施方式仅仅是为了清楚地说明本公开，而并非是对本公开的范围进行限定。对于所属领域的技术人员而言，在上述公开的基础上还可以做出其它变化或变型，并且这些变化或变型仍处于本公开的范围内。

Claims (10)

1.轮履复合变构型机器人，其特征在于，包括变构型机构，所述变构型机构包括摇臂、摇臂驱动机构、驱动轮和驱动轮驱动机构；

摇臂的数目为四个，每个摇臂的两端均配置一个驱动轮；

每个摇臂上的两个驱动轮被履带包覆；

所述摇臂驱动机构用于对四个所述摇臂进行驱动，所述驱动轮驱动机构用于对驱动轮进行驱动。

2.根据权利要求1所述的轮履复合变构型机器人，其特征在于，还包括车体，四个所述摇臂均通过旋转轴与车体连接，四个摇臂中的第一摇臂和第二摇臂配置在车体左侧，第三摇臂和第四摇臂配置在车体右侧。

3.根据权利要求1或2所述的轮履复合变构型机器人，其特征在于，所述摇臂驱动机构包括四个摇臂驱动装置，四个摇臂驱动装置分别用于驱动四个所述摇臂。

4.根据权利要求1至3任一项所述的轮履复合变构型机器人，其特征在于，所述驱动轮驱动机构包括四个驱动轮驱动装置，每个驱动轮驱动装置用于驱动配置在同一个摇臂上的两个驱动轮。

5.根据权利要求1至4任一项所述的轮履复合变构型机器人，其特征在于，还包括控制部，所述控制部控制摇臂的角速度和/或驱动轮的角速度。

6.根据权利要求1至5任一项所述的轮履复合变构型机器人，其特征在于，所述摇臂驱动装置还包括摇臂角度传感器，所述摇臂角度传感器用于测量摇臂相对于所述车体的角度；所述控制部控制所述摇臂驱动机构对摇臂相对于所述车体的角度即摇臂角度进行调整。

7.根据权利要求1至6任一项所述的轮履复合变构型机器人，其特征在于，所述履带沿履带周向配置有凹部，所述驱动轮沿驱动轮周向配置有凸部，所述凹部与所述凸部卡合；所述履带的周向两侧配置有履带挡齿，用于防止驱动轮沿履带横向脱出；所述驱动轮的外周还配置有纹部，所述履带的内侧配置有纹部，驱动轮的纹部与履带的纹部配合，防止驱动轮在履带内打滑。

8.根据权利要求1至7任一项所述的轮履复合变构型机器人，其特征在于，所述履带的内部还配置有纤维布。

9.根据权利要求1至8任一项所述的轮履复合变构型机器人，其特征在于，所述驱动轮的外侧还配置有挡轮，所述挡轮的外圆直径与所述驱动轮的外圆直径相同。

10.根据权利要求2所述的轮履复合变构型机器人，其特征在于，所述第一摇臂和第二摇臂上的驱动轮被同一条履带包覆，所述第三摇臂和第四摇臂上的驱动轮被同一条履带包覆；或者

所述第一摇臂上的驱动轮被同一条履带包覆，所述第二摇臂上的驱动轮被同一条履带包覆，所述第三摇臂上的驱动轮被同一条履带包覆，所述第四摇臂上的驱动轮被同一条履带包覆。