CN110126562B - 一种空地一体化电动并联式轮足驱动机构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种空地一体化电动并联式轮足驱动机构，包括机身、Stewart平台、飞行驱动模块、轮足驱动模块及传动连杆；飞行驱动模块可实现飞行运动，轮足驱动模块可通过对滚轮的锁定与解锁实现足式运动、轮式运动以及轮足复合运动的切换；Stewart平台倒置，机身与Stewart平台的下平台固定连接，飞行驱动模块安装在机身上，轮足驱动模块安装在Stewart平台的上平台，飞行驱动模块通过传动连杆与轮足驱动模块连接构成驱动装置；四个驱动装置均匀设置在机身四周，通过控制飞行驱动模块、轮足驱动模块分别与传动连杆的连接与断开实现飞行运动、足式运动、轮式运动以及轮足复合运动的切换。本发明能够避免常规机器人在复杂、有障碍物的路面乃至极端环境下无法通过的缺陷。

Description

一种空地一体化电动并联式轮足驱动机构

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，具体涉及一种空地一体化电动并联式轮足驱动机构。

背景技术

机器人技术的发展给人们的生活带来了极大便利，在残障辅助、医疗救护、抢险救灾、资源勘探以及消防作业等领域不乏机器人的身影，机器人功能的专一性很好地取代了人类在特定领域完成特殊的任务，而功能的单一性又限制了其在其他领域的应用。此外，传统机器人以轮式、足式、轮足式见多，这些机器人不管是在机构或者运动性能上都互有优缺点。轮式机器人以运动效率高见长，但在复杂且有障碍物路面以轮式运动模式很难运行；而足式机器人可以在此种路面环境下越过障碍，但其运动时间较长、运行效率低的缺点又较为凸显；轮足式机器人则可有效兼顾上述两种机器人的优点，在复杂且有障碍物的路面环境下通过轮足复合运动可以高效地完成越障。然而，在极端场合，如：高墙、河流、悬崖等环境下，无论是轮式、足式还是轮足复合式运动都无法通过。所以，需要一款能够在任何环境下都能够很好地驱动机器人完成通行任务的驱动机构。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种空地一体化电动并联式轮足驱动机构，能够避免常规机器人在复杂不规则、有障碍物的路面乃至极端环境下无法通过的缺陷。

本发明采取的技术方案如下：

一种空地一体化电动并联式轮足驱动机构，包括机身、Stewart平台、飞行驱动模块、轮足驱动模块及传动连杆；

飞行驱动模块可实现飞行运动，轮足驱动模块可通过对滚轮的锁定与解锁实现足式运动、轮式运动以及轮足复合运动的切换；

所述Stewart平台倒置，所述机身与Stewart平台的下平台固定连接，飞行驱动模块安装在机身上，轮足驱动模块安装在Stewart平台的上平台，飞行驱动模块通过传动连杆与轮足驱动模块连接构成驱动装置；四个驱动装置均匀设置在机身四周，通过控制飞行驱动模块、轮足驱动模块分别与传动连杆的连接与断开实现飞行运动、足式运动、轮式运动以及轮足复合运动的切换。

进一步地，所述飞行驱动模块和轮足驱动模块由同一个双出轴电机驱动。

进一步地，所述飞行驱动模块包括电磁离合器Ⅰ和螺旋桨，螺旋桨通过上端传动连杆与电磁离合器Ⅰ连接，所述电磁离合器Ⅰ与双出轴电机上端连接。

进一步地，所述轮足驱动模块包括电磁离合器Ⅱ、橡胶轮、减速机及自锁装置；

一对同轴平行的橡胶轮对称安装在减速机两侧，减速机安装于Stewart平台的上平台，减速机通过下端传动连杆与电磁离合器Ⅱ相连，电磁离合器Ⅱ与双出轴电机下端连接，通过自锁装置的控制实现对橡胶轮的锁定与解锁。

进一步地，所述驱动机构还包括姿态传感器，安装在机身上，根据姿态传感器反馈的姿态信息，控制Stewart平台电动缸的伸缩量以及调节双出轴电机的转速来改变运动方向。

有益效果：

本发明通过将机器人轮式、足式、轮足复合式以及飞行式的运动模式相结合，它可在平坦路面开启轮式运动模式，该模式具有运动速度快、能量消耗少、运行效率高等特点；在有障碍物的路面开启足式运动模式，该模式具有越障能力强的特点；同时，在复杂且有障碍物的路面可进行轮足复合运动，从而高效、平稳、快速地通过障碍路面；而遇到障碍物巨大且机器人以轮式或者足式运动都无法通过该环境时，如高墙、河流、悬崖等极端环境则开启飞行模式，该模式下机器人可飞离地面并越过障碍物，从而达到越障的目的，由此可见，本发明不仅弥补了现有陆地机器人无法越过极端环境下障碍物的缺点，而且同时兼顾常规机器人轮式、足式以及轮足复合式运动的优势，有效拓展了机器人的运动性能，可在复杂、恶劣环境下执行物资运输、抢险救灾、资源勘探、伤员运输等任务，赋予了机器人能够全天候全地形下的运动能力，

附图说明

图1为本发明的总体结构示意图；

图2为驱动机构单一部分结构示意图。

其中，1-第一单驱动装置、2-第二单驱动装置、3-第三单驱动装置、4-第四单驱动装置、5-机身、111-双出轴电机、112-螺旋桨、113-伺服电动缸、114-Stewart平台的上平台、115-电磁离合器Ⅰ、116-T型减速机、117-橡胶轮、118-足端电机、119-传动连杆。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本实施例提供了一种空地一体化电动并联式轮足驱动机构，具有轮式运动、足式运动、轮足复合运动以及飞行运动四种运动模式，它既可以类似无人机完成飞行任务，也可以作为陆地负载驱动机器人使用，如图1所示，该驱动机构由四个单驱动装置：第一单驱动装置1、第二单驱动装置2、第三单驱动装置3及第四单驱动装置4分别安装于机身5四周所组成，一个单驱动装置作为机器人的一条腿。

第一单驱动装置1、第二单驱动装置2、第三单驱动装置3及第四单驱动装置4结构一致，以第一单驱动装置1为例进行说明，如图2所示，包括机身5、Stewart平台、飞行驱动模块、轮足驱动模块及传动连杆119，机身5可以与Stewart平台的下平台固定连接，也可以直接作为Stewart平台的下平台，采用硬铝合金，六根伺服电动缸113通过万向联轴器固定连接在机身5与Stewart平台的上平台114之间，且六根伺服电动缸113上端与机身5通过螺钉固定，六根伺服电动缸113下端通过万向联轴器与Stewart平台的上平台114的斜垫块相连，增加斜垫块的目的是保证运动时万向联轴器在中位附近运动，从而使机器人的工作空间最大化，机身5设置在Stewart平台的上平台114上方构成倒立的Stewart平台。

飞行驱动模块安装在机身5上，包括螺旋桨112、双出轴电机111、电磁离合器Ⅰ115。传动连杆119包含上端传动连杆和下端传动连杆，螺旋桨112通过上端传动连杆与上端的电磁离合器Ⅰ115连接，电磁离合器Ⅰ与双出轴电机111上端连接。螺旋桨112采用碳纤维结构，这样既减轻了装置的整体负载也降低了上升的临界升力，同时也保证了螺旋桨112的结构硬度。

轮足驱动模块通过对橡胶轮117的锁定与解锁可实现足式运动、轮式运动以及轮足复合运动的切换，包括电磁离合器Ⅱ、橡胶轮117、双出轴电机111、T型减速机116及足端电机118；轮足驱动模块与飞行驱动模块由同一个双出轴电机111驱动。

一对同轴平行的橡胶轮117对称安装在T型减速机116两侧，T型减速机116安装于Stewart平台的上平台114延伸出的圆柱上，T型减速机116通过下端传动连杆与下端的电磁离合器Ⅱ相连，电磁离合器Ⅱ与双出轴电机111下端连接，通过足端电机118的开启与关闭实现对橡胶轮117的锁定与解锁。橡胶轮117能够在驱动机构进行路面行进或者飞行降落时起到减震作用，一对同轴平行橡胶轮117能够增加轮子触地的接触面积，从而提高机器人的稳定性。

电磁离合器Ⅰ115、电磁离合器Ⅱ以及足端电机118都通过信号线与中控计算机连接，以此来接收不同运动模式下的控制指令，并以CAN总线的方式相互通信。

驱动机构还包括姿态传感器，安装在机身5上，能够实时接收机器人的姿态信息，根据姿态传感器反馈的姿态信息，控制伺服电动缸113的伸缩量以及调节双出轴电机111的转速来改变运动方向。

运动过程具体实现如下：

(1)飞行运动

当机器人所遇的障碍物以轮式、足式以及轮足复合式运动都无法通过时，机器人切换到飞行模式，机器人的主控计算机以CAN通信的方式发送控制指令使得四个足端电机118处于到自锁状态，同时通过信号线发送断开指令给电磁离合器Ⅱ，使其断开与机身5下端传动连杆的连接，并带动上端传动连杆的螺旋桨112进行高速转动，从而让机体获得能够克服重力的升力；在飞行过程中整个装置的前后左右移动和转动都由双出轴电机111的转速来控制，此外，根据姿态传感器反馈的机器人姿态信息，保证机器人在飞行过程中飞行姿态的稳定。待机体降落时，由于存在降落冲击，机器人根据姿态传感器识别与地面的距离，当橡胶轮117与地面最先接触时，每条腿的六根伺服电动缸113将进行伸缩运动，从而达到减震的效果，防止落地冲击对机械装置造成损害。其运动的具体过程如下：

a.机身电机111通过上端传动连杆带动螺旋桨112开始高速转动；

b.四条腿的橡胶轮117通过足端电机118切换到自锁状态；

c.通过调节各双出轴电机111的转速来改变机体的运动方向，并通过姿态传感器实时反馈机体姿态信息；

d.机体下降时，每条腿的伺服电动缸113根据反馈信息调整自身伸缩量，从而达到减振的效果。

(2)轮式运动

本实施例的驱动机构可以使得机器人具有在陆地轮式运动的能力，此时橡胶轮117解锁，每条腿可以在三维空间内转动，实现原地回转、斜方向行进等功能。轮式运动主要过程如下：

a.高速运转的双出轴电机111通过下端传动连杆以及T型减速机116带动橡胶轮117转动；

b.通过每根伺服电动缸113的伸缩改变轮子的转向从而调整机体的运动方向。

(3)足式运动

足式运动时，六根伺服电动缸113的伸缩运动可以实现足式三个方向(X、Y和Z方向)的平移运动以及绕X、Y、Z三个方向的旋转运动，并且机器人的腿部机构采用并联式设计，保证了每条腿的运动精度，大大提升了机器人腿部的灵活性。当机器人进行足式运动时，中控计算机通过CAN通信给四个足端电机118发送锁定指令，将四对橡胶轮117锁住，足式运动的方向直接决定了机器人的运动方向，例如当进行前进运动(X方向)时，其具体过程如下：

a.通过六根伺服电动缸113的伸缩运动先将Stewart平台的上平台114(足端)抬起(Z方向运动)；

b.控制足端向预先设定的方向(X方向)产生一定的运动距离；

c.达到运动距离后足端开始下降，直至接触地面(Z方向运动)；

d.每条腿重复执行a,b,c三个动作，直至完成足式行走任务。

(4)轮足复合式

当机器人运动在坎坷路面时，此时机器人在轮式运动或者足式运动模式下都可以运动，但在不平的路面机器人以轮式运动将造成机身不稳，而以足式运动时则运动速度过慢，故机器人切换到轮足复合运动模式，机器人即可以保持较快的运动速度，同样可以保证机身5姿态水平稳定，此时橡胶轮117解锁。轮足复合运动主要过程如下：

a.主控计算机发送断开控制指令给双出轴电机111上端的电磁离合器Ⅰ115，此时电磁离合器Ⅰ115断开与上端的传动连杆连接，从而双出轴电机111运转时不会带动上端的螺旋桨112旋转；

b.四个双出轴电机111驱动四对橡胶轮117在地面运动，姿态传感器感知机器人的姿态变化，并将姿态角发送给主控计算机，主控计算机根据姿态角的变化计算出每条腿在垂直方向(Z轴)的调整量ΔP_i(i＝1,2,3,4),i指代第几条腿，并分别发送给子控计算机从而控制每条腿在垂直方向的伸缩量。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种空地一体化电动并联式轮足驱动机构，其特征在于，包括机身、Stewart平台、飞行驱动模块、轮足驱动模块及传动连杆；

飞行驱动模块可实现飞行运动，轮足驱动模块可通过对滚轮的锁定与解锁实现足式运动、轮式运动以及轮足复合运动的切换；

所述飞行驱动模块和轮足驱动模块由同一个双出轴电机驱动；所述飞行驱动模块包括电磁离合器Ⅰ和螺旋桨，螺旋桨通过上端传动连杆与电磁离合器Ⅰ连接，所述电磁离合器Ⅰ与双出轴电机上端连接；

所述轮足驱动模块包括电磁离合器Ⅱ、橡胶轮、减速机及自锁装置；一对同轴平行的橡胶轮对称安装在减速机两侧，减速机安装于Stewart平台的上平台，减速机通过下端传动连杆与电磁离合器Ⅱ相连，电磁离合器Ⅱ与双出轴电机下端连接，通过自锁装置的控制实现对橡胶轮的锁定与解锁；

所述Stewart平台倒置，所述机身与Stewart平台的下平台固定连接，飞行驱动模块安装在机身上，轮足驱动模块安装在Stewart平台的上平台，飞行驱动模块通过传动连杆与轮足驱动模块连接构成驱动装置；四个驱动装置均匀设置在机身四周，通过控制飞行驱动模块、轮足驱动模块分别与传动连杆的连接与断开实现飞行运动、足式运动、轮式运动以及轮足复合运动的切换。

2.如权利要求1所述的空地一体化电动并联式轮足驱动机构，其特征在于，所述驱动机构还包括姿态传感器，安装在机身上，根据姿态传感器反馈的姿态信息，控制Stewart平台电动缸的伸缩量以及调节双出轴电机的转速来改变运动方向。

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