CN111169555B

CN111169555B - 一种齿轮齿条结构可弹跳移动机器人

Info

Publication number: CN111169555B
Application number: CN202010009210.2A
Authority: CN
Inventors: 王慷; 蒋朝阳
Original assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Current assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Priority date: 2020-01-06
Filing date: 2020-01-06
Publication date: 2021-05-11
Anticipated expiration: 2040-01-06
Also published as: CN111169555A

Abstract

本发明公开了一种齿轮齿条结构可弹跳移动机器人，齿轮齿条结构可弹跳移动机器人，包括车体和至少一个车腿；所述车腿沿其方向设有齿条，所述车体配置有与所述齿条啮合的齿轮，所述齿轮配置有驱动其转动的第一驱动装置；所述车腿配置有蜗轮，所述蜗轮配置有驱动其转动的蜗杆，所述车体配置有驱动所述蜗杆转动的第二驱动装置，所述车腿两侧均设有轨道，轨道上设有与其配合的滚轮，所述滚轮通过安装架固定在所述蜗轮上。本发明结合了轮式机器人和跳跃式机器人的优点，使移动机器人的使用范围更广，能够使移动机器人在更多场合应用。

Description

一种齿轮齿条结构可弹跳移动机器人

技术领域

本发明涉及弹跳移动机器人技术领域，特别是涉及一种齿轮齿条结构可弹跳移动机器人。

背景技术

专利号为CN208760758U的中国专利公开了一种可以弹跳的移动机器人，由车架和四个车轮组成。车架倾斜安装了气动弹跳机构，且气动弹跳机构的伸出段能够穿过车架与地面相互作用，通过伸出段快速伸出与地面接触带动小车向上弹跳。对于上述设计，其弹跳方式通过伸出段快速伸出带动小车向上运动，但伸出段与地面接触面积非常小，如地面条件为松软情况，伸出段会陷入地面，无法带动小车向上运动。伸出段与地面是单点接触，在驱动小车向上运动过程中，无法调整小车姿态，使小车车体平稳上升，进而会出现小车翻滚等情况。

公开号为CN107600217A的中国专利公开了一种弹跳机器人腿，采用六连杆加弹簧作为弹跳机构，通过弹簧能量释放来使车体向上弹跳，并且底杆下方安装了行走轮和转向电机。上述设计，弹跳是通过弹簧能量释放来实现的，车体上升的速度及车体的姿态是无法控制，因此也不能够保证车体在上升过程中的平稳，进而也会导致出现车体翻滚的情况。根据弹跳模型，该设计方案中，车轮及转向机构的重量所占整车重量的占比较大，小车上升的高度受限。

移动机器人通过增加腿部长度，跨过较小高度的垂直障碍。通过跳跃，移动机器人则可以实现跨越障碍、墙体和壕沟。在移动机器人运行的道路中，会存在较多垂直障碍及壕沟，从而对越坡，越坎性能要求高，目前越坎越坡主要通过移动机器人的变形，局限大，具有一定的极限。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种齿轮齿条结构可弹跳移动机器人，其中车轮与车腿的结合，车腿的存在可以实现跳跃，能够提高通过性，而车轮能够使移动机器人在平坦道路上快速行驶。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种齿轮齿条结构可弹跳移动机器人，包括车体和至少一个车腿；所述车腿沿车腿的长度方向设有齿条，所述车体配置有与所述齿条啮合的齿轮，所述齿轮配置有驱动其转动的第一驱动装置；所述车腿配置有蜗轮，所述蜗轮配置有驱动其转动的蜗杆，所述车体配置有驱动所述蜗杆转动的第二驱动装置，所述车腿两侧均设有轨道，轨道上设有与其配合的滚轮，所述滚轮通过安装架固定在所述涡轮上。

进一步地，所述齿轮齿条结构可弹跳移动机器人还包括至少一个车轮，所述车轮与所述车腿可转动连接，所述车轮配置有驱动其转动的第四驱动装置。

进一步地，所述齿轮齿条结构可弹跳移动机器人还包括动量轮，所述动量轮配置有驱动其转动的第三驱动装置，所述第三驱动装置安装在所述车体上。

进一步地，所述动量轮设置在所述车体内。

进一步地，所述齿轮齿条结构可弹跳移动机器人还包括超级电容，所述超级电容与第一电机连接。

进一步地，所述第一驱动装置、第二驱动装置、第三驱动装置和第四驱动装置分别为第一电机、第二电机、第三电机和第四电机。

进一步地，所述车腿为四个，其中两个所述车腿设置在所述车体一侧，另外两个所述车腿设置在所述车体另一侧。

进一步地，所述车轮为四个，其分别与对应的所述车腿可转动连接。

进一步地，所述第一电机设置在所述车体上，且所述第一电机与所述齿轮连接；所述车腿上端设有限制所述车体脱离所述车腿的挡块。

进一步地，所述蜗杆可转动设置在所述车体上，所述第二电机固定在所述车体上，所述车腿每侧的轨道均配置有两个所述滚轮，四个所述滚轮固定在所述安装架上。

本发明的有益效果是：

1、本发明对于移动机器人的跳跃，创新性的提出了齿轮齿条式的结构，车体安装滚轮，车腿安装有滑轨，通过齿轮齿条带动车体相对于车腿上下移动，从而实现车体的向上运动，结构简单，传动路线短，因此效率高，作用直接。

2、车体与车腿的的连接通过蜗轮蜗杆连接，能够通过驱动蜗杆转动，蜗杆带动蜗轮转动，蜗轮带动位于车腿两侧的滚轮角度位置发生改变，从而改变车腿与车体滑动的角度，从而实现移动机器人无论在运动状态下还是静止状态下，都能够实现向前的跳跃。

3、本发明结合了轮式机器人和跳跃式机器人的优点，大幅提高移动机器人的通过性能，使移动机器人的使用范围更广，具有跨越小尺寸垂直障碍，跳跃通过大尺寸垂直障碍或沟壑的能力。

附图说明

图1为本发明提供的一种齿轮齿条结构可弹跳移动机器人的结构示意图；

图2为本发明提供的一种齿轮齿条结构可弹跳移动机器人的俯视图；

图3为本发明提供的一种齿轮齿条结构可弹跳移动机器人的主视图；

图4为本发明提供的一种齿轮齿条结构可弹跳移动机器人的车轮和车腿配合示意图；

图5为图4中局部示意图的放大图；

图6为图3中局部示意图的放大图。

图中，1-车体，2-车腿，3-车轮，4-第一电机，5-第三电机，6-第二电机，7-动量轮，8-滚轮，9-齿轮，10-蜗轮，11-蜗杆，12-齿条，13-第四电机，14-轨道，15-挡块及16-安装架。

具体实施方式

下面将结合实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

目前，移动机器人被大量应用于军事、工业等领域，但遇到了垂直障碍或壕沟等路面状况时，移动机器人只能通过绕道避开，进而消耗额外的时间及路程。本发明设计一种能够跳跃的轮式移动的机器人，并且能够实现一定的载物的功能。通过跳跃，能够轻松越过垂直障碍、墙面、壕沟等，极大的增加移动机器人的通过性。

参阅图1-6所示，本发明提供一种技术方案：

一种齿轮齿条结构可弹跳移动机器人，包括车体1和至少一个车腿2；所述车腿2沿车腿2的长度方向设有齿条3，所述车腿2沿其方向设有齿条12，所述车体1配置有与所述齿条12啮合的齿轮9，所述齿轮9配置有驱动其转动的第一驱动装置；所述车腿2配置有涡轮10，所述涡轮10配置有驱动其转动的蜗杆11，所述车体1配置有驱动所述蜗杆11转动的第二驱动装置，所述车腿2两侧均设有轨道14，轨道14上设有与其配合的滚轮8，所述滚轮8通过安装架16固定在所述涡轮10上；所述涡轮10可转动套设在第一驱动装置(第一电机4)的输出轴上；通过滚轮8和轨道14的配合，使得车腿2能够相对于车体1上下滑动。

第一驱动装置和第二驱动装置分别为第一电机4和第二电机6。第一电机4设置在所述车体1上，且所述第一电机4与所述齿轮9连接；所述车腿2上端设有限制所述车体1脱离所述车腿2的挡块15。蜗杆11可转动设置在所述车体1上，所述第二电机6固定在所述车体1上，所述车腿2每侧的轨道14均配置有两个所述滚轮8，四个所述滚轮8固定在所述安装架16上。

当移动机器人前方遇到垂直障碍或壕沟时，需要移动机器人跳跃才能实现通过，在需要跳跃时，第一电机4带动齿轮9转动，由于齿条12作用，车体1沿着车腿2上升。当车体1上升到车腿2顶部时，车体1与车腿2发生碰撞进而带动车腿2一同向上运动跳过障碍。对于下落状态下，车轮3在刚开始接触地面时，车腿2保持伸出状态，地面冲击使车腿2缩回，由于车腿2的齿条12与车体1的齿轮9作用，带动第一电机4转动发电，进行能量回收。

为实现移动机器人能够在静止状态下实现向前跳跃的功能，本发明中增加蜗轮蜗杆机构。滚轮8放置在蜗轮10上，蜗杆11由第二电机6驱动。通过第二电机6驱动蜗杆11转动，蜗杆11带动涡轮10转动，涡轮10带动位于车腿2两侧的滚轮8角度位置发生改变，从而改变车腿2与车体1滑动的角度，即改变车腿2相对于车体1滑动的方向。若需静止跳跃，车腿2向前倾斜，使得车体1上升过程中同时具有向前和向上的速度。

车腿2为四个，其中两个所述车腿2设置在所述车体1一侧，另外两个所述车腿2设置在所述车体1另一侧；所述车轮3为四个，其分别与对应的所述车腿2可转动连接。为使移动机器人在跳跃上升阶段保持平稳，通过在上升过程中动态协调控制四个第二电机6的转速，使移动机器人车体始终保持平稳状态。

车轮3与所述车腿2可转动连接，所述车轮3配置有驱动其转动的第四驱动装置；所述第四驱动装置为第四电机13。正常情况下，车腿2收缩，通过四个车轮3与地面接触，四个车轮3的不同转速组合，实现移动机器人的纵向和横向上的运动。为减轻底部重量，实现较高的跳跃高度，本发明中未安装转向机构，机器人的转向通过四个车轮3的差速转向实现。

所述可弹跳移动机器还包括动量轮7，所述动量轮7配置有驱动其转动的第三驱动装置，所述第三驱动装置安装在所述车体1上；所述第三驱动装置为第三电机5；所述动量轮7设置在所述车体1内。由于在起跳后在落地前存在外界环境的干扰，如外部风，由于没有车腿2的支撑，移动机器人的姿态会发生变化，严重时会发生移动机器人的侧倾及俯仰。本发明中在车体中加入了动量轮7，并安装了第三电机5。通过内置IMU测量车体姿态，通过计算调节第三电机5转速，进而调整移动机器人的姿态。

齿轮齿条结构可弹跳移动机器人还包括超级电容，所述超级电容与第一电机4连接。在移动机器人起跳过程中，第一电机4需要瞬间提供较大的能量，而落地时由于地面的强烈冲击，第一电机4的反馈电流会非常大，若是使用电池进行放电和充电，会对电池造成巨大伤害及存在较大的安全隐患。因此本发明设计了超级电容。在起跳阶段，先通过电池对超级电容进行充电，充完电后利用超级电容对第一电机4进行放电。在下落阶段，第一电机4反馈的电流先储存在超级电容中，待移动机器人落地平稳后，超级电容的电再对电池进行充电，以实现能源的高效利用。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims

1.一种齿轮齿条结构可弹跳移动机器人，包括车体和至少一个车腿，其特征在于：所述车腿沿车腿的长度方向设有齿条，所述车体配置有与所述齿条啮合的齿轮，所述齿轮配置有驱动其转动的第一驱动装置；所述车腿配置有蜗轮，所述蜗轮配置有驱动其转动的蜗杆，所述车体配置有驱动所述蜗杆转动的第二驱动装置，所述车腿两侧均设有轨道，轨道上设有与其配合的滚轮，所述滚轮通过安装架固定在所述蜗轮上；所述齿轮齿条结构可弹跳移动机器人还包括动量轮，所述动量轮配置有驱动其转动的第三驱动装置，所述第三驱动装置安装在所述车体上。

2.根据权利要求1所述的齿轮齿条结构可弹跳移动机器人，其特征在于：所述齿轮齿条结构可弹跳移动机器人还包括至少一个车轮，所述车轮与所述车腿可转动连接，所述车轮配置有驱动其转动的第四驱动装置。

3.根据权利要求1所述的齿轮齿条结构可弹跳移动机器人，其特征在于：所述动量轮设置在所述车体内。

4.根据权利要求1所述的齿轮齿条结构可弹跳移动机器人，其特征在于：所述齿轮齿条结构可弹跳移动机器人还包括超级电容，所述超级电容与第一电机连接。

5.根据权利要求1所述的齿轮齿条结构可弹跳移动机器人，其特征在于：所述第一驱动装置、第二驱动装置、第三驱动装置和第四驱动装置分别为第一电机、第二电机、第三电机和第四电机。

6.根据权利要求5所述的齿轮齿条结构可弹跳移动机器人，其特征在于：所述车腿为四个，其中两个所述车腿设置在所述车体一侧，另外两个所述车腿设置在所述车体另一侧。

7.根据权利要求2所述的齿轮齿条结构可弹跳移动机器人，其特征在于：所述车轮为四个，其分别与对应的所述车腿可转动连接。

8.根据权利要求6所述的齿轮齿条结构可弹跳移动机器人，其特征在于：所述第一电机设置在所述车体上，且所述第一电机与所述齿轮连接；所述车腿上端设有限制所述车体脱离所述车腿的挡块。

9.根据权利要求8所述的齿轮齿条结构可弹跳移动机器人，其特征在于：所述蜗杆可转动设置在所述车体上，所述第二电机固定在所述车体上，所述车腿每侧的轨道均配置有两个所述滚轮，四个所述滚轮固定在所述安装架上。