CN110065545B - 履带式越障机器人及越障方法 - Google Patents

Abstract

履带式越障机器人，包括底架、平行四边形机构、履带、联动轴、变形驱动机构、行走驱动机构及顶升机构；平行四边形机构包括依次铰接的上底盘、摇臂A、下底盘及摇臂B；履带绕设在平行四边形机构外；变形驱动机构与联动轴关联；行走驱动机构分别与两个平行四边形机构关联；顶升机构活动安装在底架中部。一种越障方法，应用于履带式越障机器人，步骤如下：S01，底架翻转；S02，攀上障碍物。本发明的优点在于，路面适应性好；越障性能好；拓展性能好。

Description

履带式越障机器人及越障方法

技术领域

本发明涉及机械自动化工程领域，特别是一种履带式越障机器人及越障方法。

背景技术

开发非结构地形环境下的移动机器人是当今机器人研究中的重点课题。随着星球探测、军事侦察和救灾探险等方面的需求增加，对非结构化环境移动检修机器人的研究得到充分的重视，为了适应非结构化环境的作业需要，近年来世界各国开发和研制了各式各样的机器人。

随着越来越多的机器人投入到野外复杂环境的工作中，如何提高其对复杂环境的适应能力(适应能力体现在灵活性、可操控性及越障能力)，成为衡量机器人性能的重要指标。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，而提供一种履带式越障机器人及越障方法，其对复杂地形环境具有较强的适应能力，具有优秀的越障能力、可操控性及灵活性。

本发明的技术方案是：履带式越障机器人，包括底架、平行四边形机构、履带、联动轴、变形驱动机构、行走驱动机构及顶升机构；

底架中部设有用于安装顶升机构和和供顶升机构活动的缺口；

平行四边形机构包括依次铰接的上底盘、摇臂A、下底盘及摇臂B，摇臂A与摇臂B相互平行布置，上底盘与下底盘相互平行布置，从而形成一个可变形的平行四边形框架结构，平行四边形机构的数量为两个，两个平行四边形机构分别通过各自的下底盘固接在底架的两侧；

履带绕设在平行四边形机构外；

联动轴一端与一个平行四边形机构的摇臂A与下底盘的铰接轴固接，另一端与另一个平行四边形机构的摇臂A与下底盘的铰接轴固接；

变形驱动机构与联动轴关联，以驱动联动轴转动，进而驱动两个平行四边形机构同步变形；

行走驱动机构分别与两个平行四边形机构关联，以分别驱动绕设在两个平行四边形机构外的履带运转；

顶升机构活动安装在底架中部的缺口中。

本发明进一步的技术方案是：平行四边形机构还包括传动轮及支撑轮；传动轮活动安装在上底盘和下底盘的两端，支撑轮活动安装在上底盘和下底盘的两个传动轮之间。

本发明再进一步的技术方案是：行走驱动机构包括步进电机A和联轴器；步进电机A安装在底架上，其机轴通过联轴器与平行四边形机构的传动轮连接。步进电机A的机轴转动带动传动轮转动，进而驱动履带运转。

本发明更进一步的技术方案是：顶升机构包括回转轴、液压马达A、液压缸、回转马达、液压马达B、夹爪座、液压马达C及夹爪；回转轴两端活动安装在底架缺口内，液压马达A固定安装在底架缺口内，并与回转轴关联，以驱动回转轴转动，液压缸固定安装在回转轴上，其随回转轴同步转动，回转马达固定安装在液压缸的活塞杆的端部，液压马达B固定安装在回转马达上，并与夹爪座固定连接，两个液压马达C分别固定安装在夹爪座上，夹爪分别连接在两个液压马达C上，并相对布置。

本发明更进一步的技术方案是：变形驱动机构包括步进电机B、锥齿轮A和锥齿轮B；步进电机B安装在底架上，锥齿轮A和锥齿轮B分别固定安装在步进电机B的机轴和联动轴上，并相互啮合。

本发明更进一步的技术方案是：其还包括安装在底架上端的摄像头。

本发明的技术方案是：一种越障方法，应用于上述的履带式越障机器人，所述越障方法是指履带式越障机器人在平路上行走时遇到障碍物进行翻越的方法；越障之前，履带式越障机器人处在行走状态，行走状态下，平行四边形机构的下底盘位于下端，上底盘位于上端，并向行进方向的后方倾斜，顶升机构向行进方向斜上方伸出；

越障步骤如下：

S01，底架翻转：

a、变形驱动机构的步进电机B启动，驱动两个平行四边形机构同时变形，使上底盘向行进方向的前方倾斜；与此同时，顶升机构的液压马达A启动，使液压缸向下转动，直至夹爪与地面相抵；

b、行走驱动机构的步进电机A启动，带动整个履带式越障机器人向前行进，从而通过顶升机构将平行四边形机构和底架顶升一定角度；

c，顶升机构的液压缸启动，使活塞缸伸长，则平行四边形机构和底架的顶升角度不断变大，当顶升角度大于90°时，平行四边形机构和底架便在重力的作用下发生翻转，翻转之后，平行四边形机构的上底盘位于下端，下底盘位于上端，并向行进方向的前方倾斜，顶升机构向行进方向斜上方伸出；

本步骤在接触障碍物之前完成；

S02，攀上障碍物：

a、行走驱动机构的步进电机A启动，带动整个履带式越障机器人向前行进，当履带与障碍物接触后，履带式越障机器人仍在向前行进，使平行四边形机构和底架被逐渐顶升，此过程中，履带前端与障碍物相抵，履带后端与地面相抵；

b，顶升机构的液压马达A启动，使液压缸向下转动，直至夹爪与地面相抵，然后顶升机构的液压缸启动，使活塞缸持续伸长，将整个履带式越障机器人向上顶升，此过程中，履带前端沿着障碍物不断向上移动，直至履带前端爬上障碍物；

c、爬上障碍物后，顶升机构的液压缸的活塞杆缩回，同时，顶升机构的液压马达A启动，使顶升机构转动至背向行进方向斜上方伸出。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

1、路面适应性好：可通过翻转底架的操作增大底架与地面之间的距离，从而有效防止在崎岖路面上行进时，底架与地面发生剐蹭。

2、越障性能好：可通过顶升机构的辅助，轻松翻越高于自身高度的障碍物，实现了在保证结构小型化的前提下，又具有优良的越障性能，极大拓展了其应用范围。

3、拓展性能好：底架上安装有摄像头，可基于摄像头的拍摄图像进行远程操控，另外，顶升机构的端部设有夹爪，可用于抓取小型部件。

以下结合图和实施例对本发明作进一步描述。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为平行四边形机构的结构示意图；

图3为本发明的各部件连接关系及安装位置示意图；

图4为行走状态示意图；

图5为翻转底架时的第一状态示意图；

图6为翻转底架时的第二状态示意图；

图7为翻转底架时的第三状态示意图；

图8为翻转底架完成状态示意图；

图9为攀越障碍物时的第一状态示意图；

图10为攀越障碍物时的第二状态示意图；

图11为攀越障碍物时的第三状态示意图；

图12为攀越障碍物完成状态示意图。

具体实施方式

实施例1：

如图1-3所示，履带式越障机器人，包括底架1、平行四边形机构、履带3、联动轴4、变形驱动机构、行走驱动机构及顶升机构。

底架1中部设有用于安装顶升机构和和供顶升机构活动的缺口11。

平行四边形机构包括依次铰接的上底盘21、摇臂A22、下底盘23、摇臂B24、传动轮25及支撑轮26。摇臂A22与摇臂B24相互平行布置，上底盘21与下底盘23相互平行布置，从而形成一个可变形的平行四边形框架结构。传动轮25活动安装在上底盘21和下底盘23的两端，支撑轮26活动安装在上底盘21和下底盘23的两个传动轮25之间。平行四边形机构的数量为两个，两个平行四边形机构分别通过各自的下底盘23固接在底架1的两侧。

履带3绕设在平行四边形机构外，并与平行四边形机构上所有的传动轮和支撑轮接触，并处于张紧状态。

联动轴4一端与一个平行四边形机构的摇臂A22与下底盘23的铰接轴固接，另一端与另一个平行四边形机构的摇臂A22与下底盘23的铰接轴固接。当联动轴4转动时，带动两个平行四边形机构的摇臂A22同步转动。

变形驱动机构包括步进电机B51、锥齿轮A和锥齿轮B。步进电机B51安装在底架1上，锥齿轮A和锥齿轮B分别固定安装在步进电机B51的机轴和联动轴4上，并相互啮合。步进电机B51可驱动联动轴4转动，进而驱动两个平行四边形机构同步变形。

行走驱动机构包括步进电机A61和联轴器62。步进电机A61安装在底架1上，其机轴通过联轴器62与平行四边形机构的传动轮25连接。步进电机A61的机轴转动带动传动轮25转动，进而驱动履带3运转。

顶升机构活动安装在底架1中部的缺口11中，顶升机构包括回转轴71、液压马达A72、液压缸73、回转马达74、液压马达B75、夹爪座76、液压马达C77及夹爪78。回转轴71两端活动安装在底架1缺口11内，液压马达A72固定安装在底架1缺口11内，并与回转轴71关联，以驱动回转轴71转动，液压缸73固定安装在回转轴71上，其随回转轴71同步转动，回转马达74固定安装在液压缸73的活塞杆的端部，液压马达B75固定安装在回转马达74上，并与夹爪座76固定连接，两个液压马达C77分别固定安装在夹爪座76上，夹爪78分别连接在两个液压马达C77上，并相对布置，通过控制两个液压马达C77的动作，可使夹爪78模拟出人手抓握的动作。

优选，其还包括安装在底架1上端的摄像头12，可基于摄像头12的拍摄图像进行远程操控。

本发明的行走方法如下：所述行走流程是指履带式越障机器人在平路上行走的方法，包括直行和转弯。行走驱动机构的步进电机A61启动，带动传动轮25转动，进而驱动对应的履带3运转，通过控制步进电机A61机轴的转速使两条履带3的运转速度一致，即可实现直行，当两条履带3的运转速度不一致时，即可实现差速转弯。

本发明的越障方法如下：所述越障方法是指履带式越障机器人在平路上行走时遇到障碍物进行翻越的方法；越障之前，履带式越障机器人处在行走状态(参看图4)，行走状态下，平行四边形机构的下底盘23位于下端，上底盘21位于上端，并向行进方向的后方倾斜，顶升机构向行进方向斜上方伸出。

越障步骤如下：

S01，底架翻转：

a、变形驱动机构的步进电机B51启动，驱动两个平行四边形机构同时变形，使上底盘21向行进方向的前方倾斜；与此同时，顶升机构的液压马达A72启动，使液压缸73向下转动，直至夹爪78与地面相抵(参看图5)；

b、行走驱动机构的步进电机A61启动，带动整个履带式越障机器人向前行进，从而通过顶升机构将平行四边形机构和底架1顶升一定角度(参看图6)；

c，顶升机构的液压缸73启动，使活塞缸伸长，则平行四边形机构和底架1的顶升角度不断变大(参看图7)，当顶升角度大于90°时，平行四边形机构和底架1便在重力的作用下发生翻转，翻转之后，平行四边形机构的上底盘21位于下端，下底盘23位于上端，并向行进方向的前方倾斜，顶升机构向行进方向斜上方伸出(参看图8)；

本步骤在接触障碍物之前完成。

S02，攀上障碍物：

a、行走驱动机构的步进电机A61启动，带动整个履带式越障机器人向前行进，当履带3与障碍物接触后，履带式越障机器人仍在向前行进，使平行四边形机构和底架1被逐渐顶升，此过程中，履带3前端与障碍物相抵，履带3后端与地面相抵(参看图9)；

b，顶升机构的液压马达A72启动，使液压缸73向下转动，直至夹爪78与地面相抵，然后顶升机构的液压缸73启动，使活塞缸持续伸长，将整个履带式越障机器人向上顶升(参看图10)，此过程中，履带3前端沿着障碍物不断向上移动，直至履带3前端爬上障碍物(参看图11)；

c、爬上障碍物并保持稳定(即不会因重心不稳而发生倾翻)后，顶升机构的液压缸73的活塞杆缩回，同时，顶升机构的液压马达A72启动，使顶升机构转动至背向行进方向斜上方伸出(参看图12)。

Claims (4)

1.履带式越障机器人，其特征是：包括底架、平行四边形机构、履带、联动轴、变形驱动机构、行走驱动机构及顶升机构；

底架中部设有用于安装顶升机构和供顶升机构活动的缺口；

平行四边形机构包括依次铰接的上底盘、摇臂A、下底盘及摇臂B，摇臂A与摇臂B相互平行布置，上底盘与下底盘相互平行布置，从而形成一个可变形的平行四边形框架结构，平行四边形机构的数量为两个，两个平行四边形机构分别通过各自的下底盘固接在底架的两侧；平行四边形机构还包括传动轮及支撑轮；传动轮活动安装在上底盘和下底盘的两端，支撑轮活动安装在上底盘和下底盘的两个传动轮之间；

履带绕设在平行四边形机构外；

联动轴一端与一个平行四边形机构的摇臂A与下底盘的铰接轴固接，另一端与另一个平行四边形机构的摇臂A与下底盘的铰接轴固接；

变形驱动机构与联动轴关联，以驱动联动轴转动，进而驱动两个平行四边形机构同步变形；

行走驱动机构分别与两个平行四边形机构关联，以分别驱动绕设在两个平行四边形机构外的履带运转；行走驱动机构包括步进电机A和联轴器；步进电机A安装在底架上，其机轴通过联轴器与平行四边形机构的传动轮连接；步进电机A的机轴转动带动传动轮转动，进而驱动履带运转；

顶升机构活动安装在底架中部的缺口中；顶升机构包括回转轴、液压马达A、液压缸、回转马达、液压马达B、夹爪座、液压马达C及夹爪；回转轴两端活动安装在底架缺口内，液压马达A固定安装在底架缺口内，并与回转轴关联，以驱动回转轴转动，液压缸固定安装在回转轴上，其随回转轴同步转动，回转马达固定安装在液压缸的活塞杆的端部，液压马达B固定安装在回转马达上，并与夹爪座固定连接，两个液压马达C分别固定安装在夹爪座上，夹爪分别连接在两个液压马达C上，并相对布置。

2.如权利要求1所述的履带式越障机器人，其特征是：变形驱动机构包括步进电机B、锥齿轮A和锥齿轮B；步进电机B安装在底架上，锥齿轮A和锥齿轮B分别固定安装在步进电机B的机轴和联动轴上，并相互啮合。

3.如权利要求2所述的履带式越障机器人，其特征是：其还包括安装在底架上端的摄像头。

4.一种越障方法，应用于权利要求1-3中任一项所述的履带式越障机器人，所述越障方法是指履带式越障机器人在平路上行走时遇到障碍物进行翻越的方法，其特征是：越障之前，履带式越障机器人处在行走状态，行走状态下，平行四边形机构的下底盘位于下端，上底盘位于上端，并向行进方向的后方倾斜，顶升机构向行进方向斜上方伸出；

越障步骤如下：

S01，底架翻转：

a、变形驱动机构的步进电机B启动，驱动两个平行四边形机构同时变形，使上底盘向行进方向的前方倾斜；与此同时，顶升机构的液压马达A启动，使液压缸向下转动，直至夹爪与地面相抵；

b、行走驱动机构的步进电机A启动，带动整个履带式越障机器人向前行进，从而通过顶升机构将平行四边形机构和底架顶升一定角度；

c，顶升机构的液压缸启动，使活塞缸伸长，则平行四边形机构和底架的顶升角度不断变大，当顶升角度大于90°时，平行四边形机构和底架便在重力的作用下发生翻转，翻转之后，平行四边形机构的上底盘位于下端，下底盘位于上端，并向行进方向的前方倾斜，顶升机构向行进方向斜上方伸出；

本步骤在接触障碍物之前完成；

S02，攀上障碍物：

a、行走驱动机构的步进电机A启动，带动整个履带式越障机器人向前行进，当履带与障碍物接触后，履带式越障机器人仍在向前行进，使平行四边形机构和底架被逐渐顶升，此过程中，履带前端与障碍物相抵，履带后端与地面相抵；

b，顶升机构的液压马达A启动，使液压缸向下转动，直至夹爪与地面相抵，然后顶升机构的液压缸启动，使活塞缸持续伸长，将整个履带式越障机器人向上顶升，此过程中，履带前端沿着障碍物不断向上移动，直至履带前端爬上障碍物；

c、爬上障碍物并保持稳定后，顶升机构的液压缸的活塞杆缩回，同时，顶升机构的液压马达A启动，使顶升机构转动至背向行进方向斜上方伸出。

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