CN110588809A - 一种轮-履式切换式全地形机器人 - Google Patents

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Abstract

一种轮‑履式切换式全地形机器人，包括四个三角履带轮、驱动系统和模式转换系统；通过步进电机驱动传动轴Ⅰ，使主动齿轮、传动齿轮、从动齿轮、主动齿轮Ⅰ、从动齿轮Ⅰ、主动履带轮及两个从动履带轮产生联动，在较为平缓的地形情况下，以履带模式运行；通过打开模式转换电机驱动锥齿轮副，带动模式转换传动轴，使模式转换齿轮、上齿条、下齿条、传动轴Ⅱ、主动齿轮Ⅱ和从动齿轮Ⅱ产生联动，在复杂地形情况下，以轮式模式运行；四个驱动轮组分别由四台步进电机驱动，通过左右两侧驱动轮组速度差来实现转向；在平坦路面上时，只驱动其中两个步进电机，改为两驱模式；本发明具有工作效率高、实用性强、经济节约及活动灵活的优点。

Description

一种轮-履式切换式全地形机器人
技术领域
本发明涉及一种机器人，具体涉及一种轮-履式切换式全地形机器人。
背景技术
随着科技的发展，机器人技术越来越成熟，机器人已经被用于工业周期性机械化生产中，在军事、水下探测、空间探测、抢险救灾、核工业等领域也都被用于在复杂、恶劣路况下完成作业任务。因此对能够在特殊环境下积极适应并灵活移动的“特种机器人”的研究越来越受到各个国家的一致重视。
现有的机器人主要分为四类：轮式、腿式、履带式、复合式(如轮腿式、轮履式等)，其中轮式和履带式使用最为广泛，轮式机器人移动速度快、控制灵活，尤其转向比较容易实现，但是应对复杂、恶劣路况适应性较差。履带式机器人，适应性强，履带与地面接触面积大，但运动速度较慢，不够灵活，机动性较差，且往往能量消耗较大。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种轮-履式切换式全地形机器人，通过机身内的模式转换系统，实现轮-履交替工作，能够有效跨越高度差较大的障碍物，提高了对复杂地形的适应性，移动更加灵活，动力更充沛，具有越障能力及续航能力强、经济节能、实用性强的优点。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种轮-履式切换式全地形机器人，包括安装于机架1上的四个可轮-履切换的三角履带轮、驱动系统和模式转换系统；
所述三角履带轮包括两个呈正三角形的对称设置的履带轮支架2，履带轮支架2的三个顶端分别与主动履带轮3及两个从动履带轮4的中心轴固定连接，两个履带轮支架2中心之间轴固定有主动齿轮5，所述主动齿轮5与传动齿轮6相啮合，所述传动齿轮6与从动齿轮7相啮合，主动履带轮3对称设置于从动齿轮7两侧，与从动齿轮7同轴固定在一起，所述主动齿轮5外侧，同轴设置有与履带轮支架2固定连接的齿轮槽8；
所述驱动系统包括四个步进电机10，所述步进电机10的动力输出轴与无级变速器12的动力输入端相连接，无级变速器12的动力输出端与传动轴Ⅰ13的动力输入端相连接，传动轴Ⅰ13上固定设置有主动齿轮Ⅰ14及主动齿轮Ⅱ15，其中主动齿轮Ⅱ15位于传动轴Ⅰ13末端；
所述模式转换系统包括模式转换电机11，所述模式转换电机11的动力输出轴与相互啮合的锥齿轮副的第一锥齿轮16固定连接，锥齿轮副的第二锥齿轮17与模式转换传动轴18的正中轴固定连接，所述模式转换传动轴18的两端分别设置有模式转换齿轮19，模式转换齿轮19分别与上齿条20及下齿条21相啮合，上齿条20及下齿条21滑动连接于机架1上固定设置的滑槽内，所述上齿条20与下齿条21运动方向相反的一侧分别通过连杆与其同侧的特制十字头万向节22的齿条连接端铰接，特制十字头万向节22的转轴连接端与传动轴Ⅱ23的动力输入端相连接，所述传动轴Ⅱ23上设置有从动齿轮Ⅰ24和从动齿轮Ⅱ25，所述传动轴Ⅱ23动力输出端与三角履带轮中心的主动齿轮5的轴心固定连接；所述从动齿轮Ⅰ24与主动齿轮Ⅰ14构成一对齿轮副，所述从动齿轮Ⅱ25与主动齿轮Ⅱ15构成一对齿轮副。
所述主动齿轮Ⅰ14与从动齿轮Ⅰ24模数相同，齿数比为1：1，主动齿轮Ⅱ15与从动齿轮Ⅱ25模数相同，齿数比为2：1。
所述主动齿轮Ⅰ14与从动齿轮Ⅰ24啮合时，主动齿轮Ⅱ15与从动齿轮Ⅱ25轴向间距为10mm-30mm，同理，当主动齿轮Ⅱ15与从动齿轮Ⅱ25啮合时，主动齿轮Ⅰ14与从动齿轮Ⅰ24轴向间距为10mm-30mm。
所述主动齿轮5与齿轮槽8之间间距10mm-30mm。
所述主动履带轮3及两个从动履带轮4的外表面与履带9内表面设置有相互吻合的齿槽。
所述履带9外表面设置有履带纹。
所述特制十字头万向节22包括齿条连接端的十字头万向节26，十字头万向节26与转轴连接端的轴承座27的一端铰接或螺纹连接，轴承座27的另一端与轴承28外圈相连接，轴承28的内圈与轴套29相连接。
所述主动履带轮3及两个从动履带轮4的外表面两侧设置有履带挡板，履带9安装在履带挡板形成的凹槽内，围绕覆盖主动履带轮3及两个从动履带轮4。
本发明设置四个可轮-履切换的三角履带轮、驱动系统和模式转换系统，在较为平缓的地形情况下，通过驱动系统中步进电机10驱动传动轴Ⅰ13，进而使主动齿轮5、传动齿轮6、从动齿轮7、主动齿轮Ⅰ14、从动齿轮Ⅰ24、主动履带轮3及两个从动履带轮4产生联动，以履带模式运行；在复杂地形情况下，通过打开模式转换电机11驱动动锥齿轮副，带动模式转换传动轴18，进而使模式转换齿轮19、上齿条20、下齿条21、传动轴Ⅱ23、主动齿轮Ⅱ15和从动齿轮Ⅱ25产生联动。
本发明在履带式结构的全地形车基础上，增加轮式履带车的特征，通过模式转换系统，实现轮-履交替工作，四个驱动轮组分别由四台步进电机驱动，通过左右两侧驱动轮组速度差来实现转向，使机器人移动更加灵活，动力更充沛；当机器人通过泥泞土地和沙漠时，步进电机单独驱动四个三角履带轮以履带模式工作；当跨越壕沟、攀爬楼梯和台阶时，将四个三角履带轮切换到轮式工作模式，跨越性能更强；在平坦路面上时，单独驱动其中两个履带轮，将四驱模式改为两驱模式，节省动力，续航能力更强。本发明轮-履式切换式全地形移动机器人，更适用于复杂多变的地形，具有工作效率高、实用性强、经济节约及活动灵活的优点。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是本发明三角轮履带结构示意图。
图3是本发明三角轮履带轮式模式工作示意图。
图4是本发明三角轮履带及支架结构立体示意图。
图5是本发明三角轮履带及履带齿轮组结构立体示意图。
图6是本发明三角轮履带正视图。
图7是本发明模式转换齿轮与上齿条、下齿条连接示意图。
图8是本发明十字头万向联轴器结构示意图。
图中：1、机架；2、履带轮支架；3主动履带轮、；4、从动履带轮；5、主动齿轮；6、传动齿轮；7、从动齿轮；8、齿轮槽；9、履带；10、步进电机；11、模式转换电机；12、无级变速器；13、传动轴Ⅰ；14、主动齿轮Ⅰ；15、主动齿轮Ⅱ；16、第一锥齿轮；17、第二锥齿轮；18、模式转换传动轴；19、模式转换齿轮；20、上齿条；21、下齿条；22、特制十字头万向节；23、传动轴Ⅱ；24、从动齿轮Ⅰ；25、从动齿轮Ⅱ；26、十字头万向节；27、轴承座；28、轴承；29、轴套。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的结构原理和工作原理做详细说明。
参见图1、图2，一种轮-履式切换式全地形机器人，包括安装于机架1上的四个可轮-履切换的三角履带轮、驱动系统和模式转换系统；
参见图4至图6，所述三角履带轮包括两个呈正三角形的对称设置的履带轮支架2，履带轮支架2的三个顶端分别与主动履带轮3及两个从动履带轮4的中心轴固定连接，两个履带轮支架2中心之间轴固定有主动齿轮5，所述主动齿轮5与传动齿轮6相啮合，所述传动齿轮6与从动齿轮7相啮合，主动履带轮3对称设置于从动齿轮7两侧，通过轴、键与从动齿轮7同轴固定在一起，所述主动齿轮5外侧，同轴设置有与履带轮支架2固定连接的齿轮槽8；
参见图2，所述驱动系统包括四个步进电机10，所述步进电机10的动力输出轴与无级变速器12的动力输入端相连接，无级变速器12的动力输出端与传动轴Ⅰ13的动力输入端相连接，传动轴Ⅰ13上固定设置有主动齿轮Ⅰ14及主动齿轮Ⅱ15，其中主动齿轮Ⅱ15位于传动轴Ⅰ13末端；
所述模式转换系统包括模式转换电机11，所述模式转换电机11的动力输出轴与相互啮合的锥齿轮副的第一锥齿轮16固定连接，锥齿轮副的第二锥齿轮17与模式转换传动轴18的正中轴固定连接，所述模式转换传动轴18的两端分别设置有模式转换齿轮19；参见图1、图7，模式转换齿轮19分别与上齿条20及下齿条21相啮合，上齿条20及下齿条21滑动连接于机架1上固定设置的滑槽内，所述上齿条20与下齿条21运动方向相反的一侧分别通过连杆与其同侧的特制十字头万向节22的齿条连接端铰接，参见图1、图8，特制十字头万向节22的转轴连接端与传动轴Ⅱ23的动力输入端相连接，所述传动轴Ⅱ23上设置有从动齿轮Ⅰ24和从动齿轮Ⅱ25，所述传动轴Ⅱ23动力输出端与三角履带轮中心的主动齿轮5的轴心固定连接；所述从动齿轮Ⅰ24与主动齿轮Ⅰ14构成一对齿轮副，所述从动齿轮Ⅱ25与主动齿轮Ⅱ15构成一对齿轮副。
所述主动齿轮Ⅰ14与从动齿轮Ⅰ24模数相同，齿数比为1：1，主动齿轮Ⅱ15与从动齿轮Ⅱ25模数相同，齿数比为2：1。
参见图1，所述主动齿轮Ⅰ14与从动齿轮Ⅰ24啮合时，主动齿轮Ⅱ15与从动齿轮Ⅱ25轴向间距为10mm-30mm，同理，当主动齿轮Ⅱ15与从动齿轮Ⅱ25啮合时，主动齿轮Ⅰ14与从动齿轮Ⅰ24轴向间距为10mm-30mm。
参见图2、图6，所述主动齿轮5与齿轮槽8之间间距10mm-30mm。
所述主动履带轮3及两个从动履带轮4的外表面与履带9内表面设置有相互吻合的齿槽，可以更好地传递动力。
所述履带9外表面设置有履带纹，可以增强抓地力。
参见图8，所述特制十字头万向节22包括齿条连接端的十字头万向节26，十字头万向节26与转轴连接端的轴承座27的一端铰接或螺纹连接，轴承座27的另一端与轴承28外圈相连接，轴承28的内圈与轴套29相连接。
所述主动履带轮3及两个从动履带轮4的外表面两侧设置有履带挡板，履带9安装在履带挡板形成的凹槽内，围绕覆盖主动履带轮3及两个从动履带轮4。
本发明的工作原理为：
本发明设置四个可轮-履切换的三角履带轮、驱动系统和模式转换系统，在较为平缓的地形情况下，通过驱动系统中步进电机10驱动传动轴Ⅰ13，进而使主动齿轮5、传动齿轮6、从动齿轮7、主动齿轮Ⅰ14、从动齿轮Ⅰ24、主动履带轮3及两个从动履带轮4产生联动，以履带模式运行；在复杂地形情况下，通过打开模式转换电机11驱动动锥齿轮副，带动模式转换传动轴18，进而使模式转换齿轮19、上齿条20、下齿条21、传动轴Ⅱ23、主动齿轮Ⅱ15和从动齿轮Ⅱ25产生联动，主动齿轮Ⅰ14与从动齿轮Ⅰ24脱开，主动齿轮Ⅱ15与从动齿轮Ⅱ25啮合，同时主动齿轮5与传动齿轮6脱开，主动齿轮5与齿轮槽8啮合抱紧，履带9停止运行，三角履带轮切换为轮式模式运行；本发明在履带式结构的全地形车基础上，增加轮式履带车的特征，通过模式转换系统，实现轮-履交替工作，四个驱动轮组分别由四台步进电机驱动，通过左右两侧驱动轮组速度差来实现转向，使机器人移动更加灵活，动力更充沛；当机器人通过泥泞土地和沙漠时，步进电机单独驱动四个三角履带轮以履带模式工作；当跨越壕沟、攀爬楼梯和台阶时，将四个三角履带轮切换到轮式工作模式，跨越性能更强；在平坦路面上时，单独驱动其中两个履带轮，将四驱模式改为两驱模式，节省动力，续航能力更强。
以上具体实施方式只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时对于本领域的一般技术人员，依据本发明实施例的思想，在具体实施方式及应用范围和材料上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种轮-履式切换式全地形机器人，包括安装于机架(1)上的四个可轮-履切换的三角履带轮、驱动系统和模式转换系统；其特征在于：所述三角履带轮包括两个呈正三角形的对称设置的履带轮支架(2)，两个履带轮支架(2)中心之间轴固定有主动齿轮(5)，履带轮支架(2)的三个顶端分别与主动履带轮(3)及两个从动履带轮(4)的中心固定连接，所述主动齿轮(5)与传动齿轮(6)相啮合，所述传动齿轮(6)与从动齿轮(7)相啮合，主动履带轮(3)对称设置于从动齿轮(7)两侧，与从动齿轮(7)同轴固定在一起，所述主动齿轮(5)外侧，同轴设置有与履带轮支架(2)固定连接的齿轮槽(8)；
所述驱动系统包括四个步进电机(10)，所述步进电机(10)的动力输出轴与无级变速器(12)的动力输入端相连接，无级变速器(12)的动力输出端与传动轴Ⅰ(13)的动力输入端相连接，传动轴Ⅰ(13)上固定设置有主动齿轮Ⅰ(14)及主动齿轮Ⅱ(15)，其中主动齿轮Ⅱ(15)位于传动轴Ⅰ(13)末端；
所述模式转换系统包括模式转换电机(11)，所述模式转换电机(11)的动力输出轴与相互啮合的锥齿轮副的第一锥齿轮(16)固定连接，锥齿轮副的第二锥齿轮(17)与模式转换传动轴(18)的正中轴固定连接，所述模式转换传动轴(18)的两端分别设置有模式转换齿轮(19)，模式转换齿轮(19)分别与上齿条(20)及下齿条(21)相啮合，上齿条(20)及下齿条(21)滑动连接于机架(1)上设置的滑槽内，所述上齿条(20)与下齿条(21)运动方向相反的一侧分别通过连杆与其同侧的特制十字头万向节(22)的齿条连接端铰接，所述特制十字头万向节(22)的转轴连接端与传动轴Ⅱ(23)的动力输入端相连接，所述传动轴Ⅱ(23)上设置有从动齿轮Ⅰ(24)和从动齿轮Ⅱ(25)，所述传动轴Ⅱ(23)动力输出端与三角履带轮中心的主动齿轮(5)的轴心固定连接；所述从动齿轮Ⅰ24与主动齿轮Ⅰ14构成一对齿轮副，所述从动齿轮Ⅱ25与主动齿轮Ⅱ15构成一对齿轮副。
2.如权利要求1所述的一种轮-履式切换式全地形机器人，其特征在于：所述主动齿轮Ⅰ(14)与从动齿轮Ⅰ(24)模数相同，齿数比为1：1，主动齿轮Ⅱ(15)与从动齿轮Ⅱ(25)模数相同，齿数比为2：1。
3.如权利要求1或2所述的一种轮-履式切换式全地形机器人，其特征在于：所述主动齿轮Ⅰ(14)与从动齿轮Ⅰ(24)啮合时，主动齿轮Ⅱ(15)与从动齿轮Ⅱ(25)轴向间距为10mm-30mm，同理，当主动齿轮Ⅱ(15)与从动齿轮Ⅱ(25)啮合时，主动齿轮Ⅰ(14)与从动齿轮Ⅰ(24)轴向间距为10mm-30mm。
4.如权利要求1所述的一种轮-履式切换式全地形机器人，其特征在于：所述主动齿轮(5)与齿轮槽(8)之间间距为10mm-30mm。
5.如权利要求1所述的一种轮-履式切换式全地形机器人，其特征在于：所述主动履带轮(3)及两个从动履带轮(4)的外表面与履带(9)内表面设置有相互吻合的齿槽。
6.如权利要求1所述的一种轮-履式切换式全地形机器人，其特征在于：所述履带(9)外表面设置有履带纹。
7.如权利要求1所述的一种轮-履式切换式全地形机器人，其特征在于：所述特制十字头万向节(22)包括齿条连接端的十字头万向节(26)，十字头万向节(26)与转轴连接端的轴承座(27)的一端铰接或螺纹连接，轴承座(27)的另一端与轴承(28)外圈相连接，轴承(28)的内圈与轴套(29)相连接。
8.如权利要求1所述的一种轮-履式切换式全地形机器人，其特征在于：所述主动履带轮(3)及两个从动履带轮(4)的外表面两侧设置有履带挡板，履带(9)安装在履带挡板形成的凹槽内，围绕覆盖主动履带轮(3)及两个从动履带轮(4)。
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