CN109703639B - 一种可变结构机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可变结构机器人，包括一种可变结构机器人，包括履带、转动机构、对称分布于转动机构两侧的第一移动机构、第二移动机构，所述转动机构包括驱动组件、第一转动组件、第二转动组件，通过驱动组件驱动第一转动组件与第二转动组件的相对转动，所述第一移动机构包括支撑架、履带驱动组件、线性移动组件，所述履带驱动组件驱动履带移动，线性移动组件驱动转动机构相对第一移动机构或第二移动机构线性移动，第二移动机构与第一移动机构结构相同。本发明通过转动运动与直线运动的配合，实现机器人不同行进模式的转换，使得机器人同时具备履带机器人重心较低、稳定性优越的特性和足式机器人机动灵活、越障能力强的特性。

Description

一种可变结构机器人

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，特别是涉及一种可变结构机器人。

背景技术

步行机器人种类繁多，可用于军事、生活服务、抢险救灾和娱乐等多个领域。按照

机器人的行走方式，可以将机器人分为轮式机器人、足式机器人和履带式机器人。足式机器人凭借其在行走过程中与地面的非连续接触特性表现出了很强的适应性，尤其在有障碍物的通道上或很难接近的工作场地上具有更广阔的发展前景。轮式机器人和履带式机器人移动方式对周围环境的要求较高，因此其应用范围受到一定的限制。

履带移动机器人具有牵引力大、不易打滑、越野性能好等优点。为了适应复杂多变的环境，需要履带机器人具有足够的机动能力，而履带变形机构是关系到履带机器人机动能力的关键因素。现有的履带机构中，单节双履带变形机构实现运动和控制相对简单，主要包括倒梯形和扁长形两种结构。倒梯形履带其机动性能较优越，能够攀爬较高的障碍物，但是由于其重心较高且履带与坡面或楼梯接触长度短，运动性能稳定性差，而扁长形履带结构重心较低，其稳定性优越，但其灵活性、机动性和攀爬障碍的能力却受到限制。双节履带式和多节履带式履带变形结构具有良好的越障爬坡能力、机动性强，运动也比较平稳，但由于其变形结构自由度太多、实现运动和控制比较复杂，应用受到极大的限制。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种可变结构机器人，通过调整机器人两侧的履带机构的相对位置，使机器人具备足式机器人和履带式机器人的双重优点。

为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种可变结构机器人，包括履带、转动机构、对称分布于转动机构两侧的第一移动机构、第二移动机构，所述履带分别连接在第一移动机构和第二移动机构的外部；

所述转动机构包括驱动组件、第一转动组件、第二转动组件，所述第一转动组件、第二转动组件的内端部转动连接，并通过驱动组件驱动第一转动组件与第二转动组件的相对转动；

所述第一移动机构包括支撑架、履带驱动组件、线性移动组件；所述履带驱动组件安装于支撑架上，并驱动履带移动；所述第一移动机构内的线性移动组件与第一转动组件的外端部活动连接，并驱动第一转动组件相对第一移动机构线性移动；

所述第二移动机构与第一移动机构的结构相同，其内部的线性移动组件与第二转动组件的外端部活动连接，并驱动第二转动组件相对第二移动机构线性移动。

进一步的，所述第一转动组件包括固定轴、固定轴内端部固定连接的连接板、固定轴外端部固定连接的第一滑动块；

所述第二转动组件包括转动轴、转动轴外端部固定连接的第二滑动块；

所述驱动组件包括固定于连接板上的旋转电机、旋转电机输出轴端固定连接的大齿轮、与大齿轮啮合连接的小齿轮；

所述小齿轮固定连接于转动轴的内端部外侧。

进一步的，所述第一滑动块的侧面上固定连接有第一丝杠螺母，所述第二滑动块的侧面上固定连接有第二丝杠螺母，第一丝杠螺母与第一移动机构内的线性移动组件活动连接，第二丝杠螺母与第二移动机构内的线性移动组件活动连接。

进一步的，所述履带驱动组件包括固定安装在支撑架内部一端的履带电机、固定安装于履带电机输出轴端的驱动齿轮、转动连接于支撑架两端的履带齿轮；

所述驱动齿轮、履带齿轮分别与履带的内侧啮合连接；

所述线性移动组件包括固定安装在支撑架内部另一端的丝杠电机、转动安装于支撑架内部的丝杠；

所述丝杠电机的输出轴端通过传动构件与丝杠的一端连接。

进一步的，所述支撑架为截面呈腰型孔状的壳体结构，其顶面和底面均开设有减重通孔。

进一步的，所述支撑架的两端分别设置有开口，所述驱动齿轮、履带齿轮分别位于开口内。

进一步的，所述支撑架的内部两端分别设置有轴承支架，所述丝杠的两端分别通过轴承与轴承支架转动连接。

进一步的，所述第一滑动块、第二滑动块的顶部和底部均分别转动连接有滚轮，所述支撑架的上下内侧面上分别设置有滚轮导槽，滚轮分别对应嵌入滚轮导槽内。

本发明的有益效果为：

本发明采用转动机构连接两个移动机构的结构，通过驱动转动机构内固定轴与转动轴的相对转动，实现两个移动机构的移动方向在垂直面内夹角的改变，即两个移动机构分别相对转动机构转动运动；

同时转动机构的两个转轴分别通过丝杠螺母机构与两个移动机构连接，通过丝杠螺母在丝杠上位置的变动，实现转动机构在移动机构传动方向上的位置调整，即两个移动机构分别相对转动机构直线运动。

通过转动运动与直线运动的配合，实现机器人不同行进模式的转换，使得机器人同时具备履带机器人重心较低、稳定性优越的特性和足式机器人机动灵活、越障能力强的特性。

附图说明

图1为本发明的立体结构示意图；

图2为本发明的主视结构示意图；

图3为图2中A-A处的剖视结构示意图；

图4为图3中B处的局部放大结构示意图；

图5为所述转动机构的立体结构示意图；

图6为所述移动机构的立体结构示意图；

图7为所述支撑架的立体结构示意图；

图8为本发明的机构运动状态示意图；

图中：1转动机构、11驱动组件、111旋转电机、112大齿轮、113小齿轮、12第一转动组件、121固定轴、122连接板、123第一滑动块、124第一丝杠螺母、125固定板、13第二转动组件、131转动轴、132第二滑动块、133第二丝杠螺母、134滚轮、135轴承端盖、2第一移动机构、21支撑架、211开口、212履带导槽、213滚轮导槽、214减重通孔、215轴承支架、22履带驱动组件、221履带电机、222驱动齿轮、223履带齿轮、23线性移动组件、231丝杠电机、232丝杠、233传动构件、3第二移动机构、4履带。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

请参阅图1至图3，一种可变结构机器人，包括履带4、转动机构1、对称分布于转动机构1两侧的第一移动机构2、第二移动机构3，履带4分别连接在第一移动机构2和第二移动机构3的外部，通过转动机构1驱动第一移动移动机构2和第二移动机构3发生相对转动，改变第一移动移动机构2和第二移动机构3前进方向的夹角。履带4分别连接在第一移动机构2和第二移动机构3的外部，第一移动移动机构2和第二移动机构3分别驱动履带4实现机器人向前行进，通过转动机构1与第一移动移动机构2、第二移动机构3连接位置的相对移动，改变第一移动移动机构2和第二移动机构3前进方向的相对位置。

参阅图3至图5，转动机构1包括驱动组件11、第一转动组件12、第二转动组件13，第一转动组件12、第二转动组件13的内端部转动连接，并通过驱动组件11驱动第一转动组件12与第二转动组件13的相对转动。

具体的，第一转动组件12包括固定轴121、固定轴121内端部固定连接的连接板122、固定轴121外端部固定连接的第一滑动块123。本实施例中，固定轴121的轴端外侧焊接有固定板125，固定板125通过螺栓固定连接于连接板122的一端侧面，使固定轴121固定于连接板122上。固定轴121的外部端固定连接有第一滑动块123、内部端贯穿连接板122并转动连接有转动轴131。

第二转动组件13包括转动轴131、转动轴131外端部固定连接的第二滑动块132。本实施例中，转动轴131的内部端通过轴承与固定轴121的内部端转动连接，轴承的内圈套接于固定轴121的轴端外部、外圈内嵌于转动轴131的轴端侧面内。优选的，轴承的外侧通过轴承端盖135限位，轴承端盖135通过螺钉固定连接于转动轴131的轴端侧面，其中心处空套在固定轴121的轴端外部、并通过卡环固定于固定轴121的端部。

驱动组件11包括固定于连接板122上的旋转电机111、旋转电机111输出轴端固定连接的大齿轮112、与大齿轮112啮合连接的小齿轮113，小齿轮113固定连接于转动轴131的内端部外侧。

其中，第一滑动块123的侧面上固定连接有第一丝杠螺母124，第二滑动块132的侧面上固定连接有第二丝杠螺母133，第一丝杠螺母124、第二丝杠螺母133分别与第一移动机构2内的丝杠232螺纹连接。本实施例中，第一滑动块123、第二滑动块132的顶部和底部均分别转动连接有滚轮134。

参阅图3至图6，第一移动机构2、第二移动机构3均包括支撑架21、履带驱动组件22、线性移动组件23，履带驱动组件22安装于支撑架21上，并驱动履带4移动。第一移动机构2内的线性移动组件23与第一转动组件12的外端部活动连接，并驱动第一转动组件12相对第一移动机构2线性移动，第二移动机构3内的线性移动组件23与第二转动组件13的外端部活动连接，并驱动第二转动组件13相对第二移动机构3线性移动。本实施例中，第一移动机构2、第二移动机构3采用相同的结构。

具体的，履带驱动组件22包括固定安装在支撑架21内部一端的履带电机221、固定安装于履带电机221输出轴端的驱动齿轮222、转动连接于支撑架21两端的履带齿轮223，驱动齿轮222、履带齿轮223分别与履带4的内侧啮合连接。本实施例中，履带齿轮223的数量为三个，驱动齿轮222与履带齿轮223的齿数和模数均相同。

线性移动组件23包括固定安装在支撑架21内部另一端的丝杠电机231、转动安装于支撑架21内部的丝杠232，丝杠电机231的输出轴端通过传动构件233与丝杠232的一端连接。本实施例中，由于丝杠232沿支撑架21的长度方向布置，丝杠电机231的输出轴与丝杠232的轴线向垂直，因而传动构件233采用锥形齿轮传动结构。第一移动机构2内的丝杠电机231通过驱动丝杠232转动，驱动第一滑动块123沿第一移动机构2内的丝杠232的长度方向移动，实现第一移动机构2相对于转动机构1的线性运动。同样的，第一移动机构2内的丝杠电机231通过驱动丝杠232转动，驱动第二滑动块132沿第一移动机构2内的丝杠232的长度方向移动，实现第二移动机构3相对于转动机构1的线性运动。

本实施例中，支撑架21为截面呈腰型孔状的壳体结构，其顶面和底面均开设有减重通孔214，以减轻支撑架21的整体质量。履带电机221和丝杠电机231分别位于支撑架21两端内侧的弧形通口内，且履带电机221和丝杠电机231的尾端嵌装在支撑架21的侧壁内。

支撑架21的内部两端分别设置有轴承支架215，轴承支架215为L型结构，履带电机221和丝杠电机231的输出轴端分别固定安装于轴承支架215的内侧面上。丝杠232的两端分别通过轴承与轴承支架215转动连接，丝杠电机231的输出轴端通过传动构件26与丝杠232的一端连接。

支撑架21的两端分别设置有开口211，每端设置两个开口211，四个开口211在支撑架21上对称分布，三个履带齿轮223和一个驱动齿轮222分别位于开口211内。优选的，履带齿轮223分别通过轴承转动连接于履带电机221和丝杠电机231的外部，使得履带齿轮223能够分别以履带电机221和丝杠电机231为转轴自由转动。

支撑架21的侧面上设置有履带导槽212，履带4活动套设于支撑架21的外侧且位于履带导槽212内，并分别与履带齿轮223、驱动齿轮222啮合连接，履带电机221通过驱动齿轮222和履带齿轮223驱动履带4在履带导槽212内滑动平移。

支撑架21的上下内侧面上分别设置有滚轮导槽213，滚轮134分别对应嵌入滚轮导槽213内，以保证第一滑动块123、第二滑动块132在支撑架21移动过程中保持顺畅及预设的直线度。

各轴承、齿轮的安装和固定方式为本领域常用的技术手段，此处不作赘述。

下面结合附图对本发明的可变结构机器人的行进越障过程中的各种运动状态作进一步详细说明，为便于描述，将第一移动机构2和第二移动机构3分别标记为A和B。

如图8所示，本发明的可变结构机器人具有三种行进模式，即直行模式（A与B并列同步行进）、匍匐模式（A与B并列交替行进）、跨越模式（A与B交叉配合行进）。

①直行模式：参阅图8中所示的运动过程一，此时A和B处于平行并列状态，转动机构1处于待机状态，A和B内的履带电机221分别通过驱动齿轮222驱动履带4在移动机构上循环移动，两侧的履带4同步运动，履带4作用于地面上，驱动机器人整体直线前行。机器人此时表现为普通的扁长形履带结构的履带机器人，具有重心较低，稳定性优越的特点，可适应表面相对平缓的路况。

②匍匐模式：参阅图8中所示的运动过程一至运动过程三，此时A和B处于平行并列状态，转动机构1处于待机状态。在运动时，A内的履带电机221驱动履带4移动，B内的履带电机221处于待机状态，B内的履带4保持静止状态，同时A内的丝杠电机231驱动丝杠232转动，使A前进的同时，第一滑动块123相对于A内的丝杠232沿反方向移动，如此A相对于B前进一段距离。而后A内的履带电机221切换至待机状态，A内的履带4保持静止状态，B内的履带电机221切换至工作状态，驱动B内的履带4移动，同时A内的丝杠电机231切换至反转状态，驱动A内的丝杠232反向转动，使B前进的同时，第一滑动块123相对于A内的丝杠232沿前进方向移动，如此B相对于A前进相同的一段距离，并与A重新恢复至并列状态。重复以上过程，实现A和B的交替行进，通过改变交替行进的单次距离，可改变机器人整体长度的变化，以适应沟壑等表面凹陷的路况。

③跨越模式：参阅图8中所示的运动过程三至运动过程九，当机器人在行进过程中遇到阻碍物，如地面凸起、台阶等，则自动切换至跨越模式。此时，A和B内的履带电机221切换至待机状态，两侧的履带4均不发生移动；转动机构1内的旋转电机111工作，驱动大齿轮112转动预设的角度，驱动大齿轮112和小齿轮113之间的啮合传动，由于旋转电机111、固定轴121均固定在连接板122上、固定轴121与转动轴131可相对转动，小齿轮113的轴线与固定轴121、转动轴131的轴线重合，因而大齿轮112与小齿轮113啮合传动的过程中，转动轴131与固定轴121发生相对转动。

以转动轴131相对固定轴121顺时针转动一定角度，机器人通过台阶为例。此时，A和B的移动方向在垂直面内的夹角发生改变，则A的前部接地、后部抬起，同时B的后部接地、前部抬起，如图中运动过程四所示。

A与B内部的履带电机221同步工作，分别驱动两履带4同向同步移动，直至A的前部抵在台阶的侧面。此时，A内的丝杠电机231工作，驱动A内的丝杠232转动，进而驱动第一滑动块123向A的前部移动。进而转动机构1及B沿行进方向移动一定距离，同时B的前部被抬高并与台阶的顶面接触，B内的履带4与台阶的顶面形成咬合力，如图中运动过程五所示。

B内的丝杠电机231工作，通过丝杠232与第二滑动块132之间的螺纹传动，使得丝杠232相对第二滑动块132向前移动一段距离，则B沿台阶的顶面继续前行一段距离，并恢复至水平状态，直至第二滑动块132位于B中丝杠232的尾端，B内的履带电机221切换至待机状态。同时A内的履带4与台阶的侧面作用，形成向上的提升力，A内的丝杠电机231驱动丝杠232相对第一滑动块123向上移动，使A整体上移，如图中运动过程六所示。

当A的前部沿台阶侧面向上移动至台阶的顶面时，转动机构1内的旋转电机111反向工作，驱动大齿轮112反向转动预设的角度，驱动大齿轮112和小齿轮113之间的啮合传动，使转动轴131相对固定轴121逆时针转动一定角度，使A与B恢复至平行状态，如图中运动过程七所示。

A继续前行，直至A全部位于台阶的顶面上，同时第二滑动块132向前移动至B内丝杠232的中部位置，如图中运动过程八所示。

A内的履带电机221切换至待机状态，B内的履带电机221切换至工作状态，驱动B向前行进，直至与A恢复至并列状态，如图中运动过程九所示。

本发明通过两组移动机构的相对转动运动与各自直线运动的配合，实现机器人不同行进模式的转换，使得机器人同时具备履带机器人重心较低、稳定性优越的特性和足式机器人机动灵活、越障能力强的特性。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (7)

1.一种可变结构机器人，其特征在于：包括履带(4)、转动机构(1)、对称分布于转动机构(1)两侧的第一移动机构(2)、第二移动机构(3)，所述履带(4)分别连接在第一移动机构(2)和第二移动机构(3)的外部；

所述转动机构(1)包括驱动组件(11)、第一转动组件(12)、第二转动组件(13)，所述第一转动组件(12)、第二转动组件(13)的内端部转动连接，并通过驱动组件(11)驱动第一转动组件(12)与第二转动组件(13)的相对转动；

所述第一转动组件(12)包括固定轴(121)、固定轴(121)内端部固定连接的连接板(122)、固定轴(121)外端部固定连接的第一滑动块(123)；

所述第二转动组件(13)包括转动轴(131)、转动轴(131)外端部固定连接的第二滑动块(132)；

所述驱动组件(11)包括固定于连接板(122)上的旋转电机(111)、旋转电机(111)输出轴端固定连接的大齿轮(112)、与大齿轮(112)啮合连接的小齿轮(113)；所述小齿轮(113)固定连接于转动轴(131)的内端部外侧；

所述第一移动机构(2)包括支撑架(21)、履带驱动组件(22)、线性移动组件(23)，所述履带驱动组件(22)安装于支撑架(21)上，并驱动履带(4)移动，所述第一移动机构(2)内的线性移动组件(23)与第一转动组件(12)的外端部活动连接，并驱动第一转动组件(12)相对第一移动机构(2)线性移动；

所述第二移动机构(3)与第一移动机构(2)的结构相同，其内部的线性移动组件(23)与第二转动组件(13)的外端部活动连接，并驱动第二转动组件(13)相对第二移动机构(3)线性移动。

2.根据权利要求1所述的一种可变结构机器人，其特征在于：所述第一滑动块(123)的侧面上固定连接有第一丝杠螺母(124)，所述第二滑动块(132)的侧面上固定连接有第二丝杠螺母(133)，第一丝杠螺母(124)与第一移动机构(2)内的线性移动组件(23)活动连接，第二丝杠螺母(133)与第二移动机构(3)内的线性移动组件(23)活动连接。

3.根据权利要求1所述的一种可变结构机器人，其特征在于：所述履带驱动组件(22)包括固定安装在支撑架(21)内部一端的履带电机(221)、固定安装于履带电机(221)输出轴端的驱动齿轮(222)、转动连接于支撑架(21)两端的履带齿轮(223)；

所述驱动齿轮(222)、履带齿轮(223)分别与履带(4)的内侧啮合连接；

所述线性移动组件(23)包括固定安装在支撑架(21)内部另一端的丝杠电机(231)、转动安装于支撑架(21)内部的丝杠(232)；

所述丝杠电机(231)的输出轴端通过传动构件(233)与丝杠(232)的一端连接。

4.根据权利要求1所述的一种可变结构机器人，其特征在于：所述支撑架(21)为截面呈腰型孔状的壳体结构，其顶面和底面均开设有减重通孔(214)。

5.根据权利要求3所述的一种可变结构机器人，其特征在于：所述支撑架(21)的两端分别设置有开口(211)，所述驱动齿轮(222)、履带齿轮(223)分别位于开口(211)内。

6.根据权利要求3所述的一种可变结构机器人，其特征在于：所述支撑架(21)的内部两端分别设置有轴承支架(215)，所述丝杠(232)的两端分别通过轴承与轴承支架(215)转动连接。

7.根据权利要求1所述的一种可变结构机器人，其特征在于：所述第一滑动块(123)、第二滑动块(132)的顶部和底部均分别转动连接有滚轮(134)，所述支撑架(21)的上下内侧面上分别设置有滚轮导槽(213)，滚轮(134)分别对应嵌入滚轮导槽(213)内。

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