CN111976855B - 一种单驱动六杆机构可变形轮越障机器人 - Google Patents

一种单驱动六杆机构可变形轮越障机器人 Download PDF

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Abstract

一种单驱动六杆机构可变形轮越障机器人，由第一至第四单驱动轮(A、B、C、D)、车体(E)、传动系统(F)和被动车轴(G)组成；第一至第四单驱动轮均为单自由度六连杆机构，对称布置在车体两侧；每个单驱动轮包括：曲柄、短连杆、长连杆、上半轮、下半轮。四个单驱动轮统一由传动系统的电机驱动。四个驱动轮的半轮杆件即为六杆机构中的连杆，通过计算所得半轮杆件的尺寸，使其在单一驱动下既能在触地时等同于整轮在地面快速移动，又能变换为半轮式构型攀爬垂直障碍。因而该机器人兼具轮式的稳定高速性和腿式越障的灵活机动性。解决了传统的变形轮在变形时产生振动的缺点，可用于灾区救援、星球探测、复杂地形侦查等领域。

Description

一种单驱动六杆机构可变形轮越障机器人
技术领域
本发明涉及一种单驱动六杆机构可变形轮移动机器人，具体讲的是一种含有复合铰链的单自由度六杆机构可变形轮移动机器人，该机器人可兼顾足式良好的复杂地形适应性和轮式良好的稳定性与高速移动性，具有很好的机动性和质心稳定性。本发明用于灾区救援探测、物资运送、星球探测、复杂地形侦查等领域。
背景技术
目前，变形轮越障机器人轮腿融合式机器人与其他移动机器人相比，具有环境适应性强、质心波动较小、承载能力强的特点，具有广阔的应用前景。一般的轮腿机器人多采用轮腿复合式，极少有将轮与腿相融合。同一条腿上利用拓扑变形后的含有复合铰链的六杆机构，整周转动两个半轮，同时完成腿式攀爬和轮式滚动前行两个工作。通过传动系统驱动曲柄转动，实现单电机控制四个单驱动轮平稳行驶，实现车轮与腿的融合效果运动，有效降低内耗。
中国专利CN108790591A公开了一种“一种可变形轮式机器人”，其上两个可变径轮为平面单闭链多连杆结构，变径结构简单，可根据操作空间调节高度，通过平面单闭链多连杆结构越过障碍物。但是该机构整机不是单自由度驱动，轮部不可变形，攀爬越障时需要整机变形来完成攀爬，驱动较多，工作效率较低。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：足式机器人足端运动轨迹不平稳；轮腿复合运动型机器人驱动控制较多、承载能力较低、可靠性较差；轮式机器人越障能力较差；所述的一种单驱动六杆机构可变形轮移动机器人兼具轮式移动的平稳和足式移动的高机动性。
本发明的技术方案：
一种单驱动六杆机构可变形轮越障机器人由第一至第四单驱动轮、车体、传动系统和被动车轴组成。所述的第一至第四单驱动轮对称布置在车体两侧，传动系统和被动车轴布置在车体内部。
所述的一种单驱动六杆机构可变形轮越障机器人由单个电机驱动整机，车身上方可搭载侦查设备或货物等。
所述的车体（E）上有四对安装孔，对称布置在车体（E）两侧；每一对安装孔在车体（E）外侧用于连接一个单驱动轮，每一对安装孔在车体（E）内侧用于连接主驱动轴和被动车轴。
所述的第一至第四单驱动轮与车身通过铰链实现连接、与传动系统通过键实现固定连接、与被动车轴通过铰链实现连接。
每个单驱动轮均为复合铰链六杆机构。四个单驱动变形轮利用六杆机构的特性，既能在接触地面的时刻相当于整轮型车辆在平坦地面快速移动，又能在遇到障碍时利用半轮优势完成攀爬垂直障碍等运动。
所述的一种单驱动六杆机构可变形轮越障机器人第一单驱动轮和第二单驱动轮的部件、关节、连接方式完全相同，布置在车体左侧，第三单驱动轮和第四单驱动轮的部件、关节、连接方式完全相同，布置在车体右侧。第一单驱动轮和第三单驱动轮成镜像对称的关系。
单个单驱动轮包括：曲柄、短连杆、长连杆、上半轮、下半轮。曲柄、短连杆、上半轮和下半轮上布置两个安装孔。长连杆上布置三个安装孔。
传动系统安装在车身内部，电机通过传动系统驱动四个单驱动轮转动。所述的传动系统包括：主驱动轴、六个锥齿轮、传动轴和电机。
被动车轴1和被动车轴2安装在车体内部。第一单驱动轮通过被动车轴1与第三单驱动轮相连；第二单驱动轮通过被动车轴2与第四单驱动轮相连。
所述的曲柄一端通过车体上的安装孔（E-1）与传动系统的主驱动轴相连，另一端与下半轮的安装孔铰接；所述的短连杆一端与车体上的安装孔（E-1）相连，另一端与下半轮的安装孔相连，在车体的安装孔（E-1）处形成一个复合铰链。
被动车轴1（G-1）和被动车轴2（G-2）安装在车体（E）内部；第一单驱动轮（A）通过被动车轴1（G-1）和主驱动轴（F-1）与第三单驱动轮（C）相连；第二单驱动轮（B）通过被动车轴2（G-2）和主驱动轴（F-2）与第四单驱动轮（D）相连。
本发明和已有技术相比具有的有益效果：
本发明所述的单驱动六杆机构可变形轮越障机器人应用于野外山地等复杂地形下的物资运输、环境勘探、星球探测等。单个变形轮为含有复合铰链的六杆机构，将其中两个杆件设计为半轮式杆件，半轮式杆件能够补偿机器人行进时的质心波动，驱动时通过曲柄整周回转带动两个半轮交替触地滚动，进而整个车身能够平稳前进。该机器人仅由一个电机驱动，控制系统简单，易于组装和操控。
附图说明
图1一种单驱动六杆机构可变形轮越障机器人整体结构图；
图2车体结构图；
图3第一单驱动轮图；
图4第一单驱动轮曲柄图；
图5第一单驱动轮上半轮图
图6第一单驱动轮长连杆图；
图7第一单驱动轮短连杆图；
图8传动系统图；
图9第三单驱动轮图
图10机器人攀爬越障图
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
如图1所示，一种单驱动六杆机构可变形轮越障机器人，由第一至第四单驱动轮（A、B、C、D）、车体（E）、传动系统（F）和被动车轴（G）组成；所述的第一至第四单驱动轮（A、B、C、D）与车体（E）通过铰链实现连接、与传动系统（F）通过键实现固定连接、与被动车轴通过铰链实现连接。
所述的一种单驱动六杆机构可变形轮越障机器人由单个电机驱动整机，车身上方可搭载侦查设备或货物等。
所述的第一至第四单驱动轮（A、B、C、D），对称布置在车体两侧，由一个电机驱动，每一个单驱动轮均为单自由度含有复合铰链的六杆机构，其中，第一单驱动轮（A）和第二单驱动轮（B）完全相同，前后布置在车体（E）的左侧；第三单驱动轮（C）和第四单驱动轮（D）完全相同，前后布置在车体（E）的右侧。
如图2所示，所述的车身（E）上有四对安装孔，对称布置在车体（E）两侧；每一对安装孔在车体（E）外侧用于连接一个单驱动轮，每一对安装孔在车体（E）内侧用于连接主驱动轴和被动车轴。
如图3所示，以第一单驱动轮（A）为例，单驱动轮包括：曲柄（A-1）、短连杆（A-2）、长连杆（A-3）、上半轮（A-4）、下半轮（A-5）。
单驱动轮各部件的连接方式为：如图4、5所示，曲柄（A-1）端部的安装孔（A-1-1）通过车体（E）上的安装孔（E-1）与传动系统主驱动轴（F-1）固定连接，另一端与下半轮（A-5）上的安装孔（A-5-1）实现转动连接。如图6所示，下半轮（A-5）上的另一个安装孔（A-5-2）与长连杆（A-3）上的安装孔（A-3-1）实现转动连接；长连杆（A-3）上的另外两个安装孔分别与车体（E）和上半轮（A-4）实现转动连接；其中长连杆（A-3）与车体（E）相连的安装孔通过车体（E）的安装孔（E-2）与被动车轴（G-1）实现转动连接；上半轮（A-4）的另外一个安装孔与短连杆（A-2）实现转动连接；如图7所示，短连杆（A-2）的另一端与车体（E）的安装孔（E-1）转动连接，且不与主驱动轴（F-1）连接；主驱动轴（F-1）和被动车轴（G-1）的另一端通过车体（E）与第三单驱动轮（C）相连。
所述的曲柄（A-1）和短连杆（A-2）的一端都固定在车体（E）的同一个安装孔上，此时，该位置为一个复合铰链点。
车体（E）上可搭载侦查设备或货物，传动系统（F）安装在车体（E）内部；电机（F-10）通过传动系统（F）驱动四个单驱动轮转动。
如图8所示所述的传动系统（F）包括：主驱动轴（F-1）,主驱动轴（F-2），锥齿轮（F-3）,锥齿轮（F-4）,锥齿轮（F-5）,锥齿轮（F-6）,锥齿轮（F-7）,锥齿轮（F-8），传动轴（F-9）和电机（F-10）。
传动系统（F）中部件的连接方式为：电机（F-6）布置在车身（E）中部与锥齿轮（F-5）实现固定连接；锥齿轮（F-5）与锥齿轮（F-4）的一端啮合；锥齿轮（F-4）的另一端与锥齿轮（F-3）啮合；锥齿轮（F-3）在主驱动轴上；传动轴（F-9）一端与锥齿轮（F-4）固定连接，另一端与锥齿轮（F-7）固定连接；锥齿轮（F-7）与锥齿轮（F-8）啮合；锥齿轮（F-8）在主驱动轴（F-2）上。
如图9所示，第二单驱动轮（B）与第一单驱动轮（A）的部件、关节、连接方式完全相同，第四单驱动轮（D）与第三单驱动轮（C）的部件、关节、连接方式完全相同，第三单驱动轮（C）和第一单驱动轮（A）成镜像对称的关系。
第一单驱动轮（A）与第三单驱动轮（C）共用同一个主驱动轴（F-1）和被动车轴（G-1），第二单驱动轮（B）与第四单驱动轮（D）共用同一个主驱动轴（F-2）和被动车轴（G-2）。

Claims (3)

1.一种单驱动六杆机构可变形轮越障机器人，其特征在于：
一种单驱动六杆机构可变形轮越障机器人由第一至第四单驱动轮（A、B、C、D）、车体（E）、传动系统（F）和被动车轴（G）组成；所述的第一至第四单驱动轮（A、B、C、D）与车体（E）通过铰链实现连接、与传动系统（F）通过键实现固定连接、与被动车轴通过铰链实现连接；
所述的第一至第四单驱动轮（A、B、C、D），对称布置在车体两侧，由一个电机驱动，每一个单驱动轮均为单自由度含有复合铰链的六杆机构，其中，第一单驱动轮（A）和第二单驱动轮（B）完全相同，前后布置在车体（E）的左侧；第三单驱动轮（C）和第四单驱动轮（D）完全相同，前后布置在车体（E）的右侧；第三单驱动轮（C）和第一单驱动轮（A）成镜像对称的关系；
以第一单驱动轮（A）为例，单驱动轮包括：曲柄（A-1）、短连杆（A-2）、长连杆（A-3）、上半轮（A-4）、下半轮（A-5）；单驱动轮各部件的连接方式为：曲柄（A-1）端部的安装孔（A-1-1）通过车体（E）上的安装孔（E-1）与传动系统主驱动轴（F-1）固定连接，另一端与下半轮（A-5）上的安装孔（A-5-1）实现转动连接；下半轮（A-5）上的另一个安装孔（A-5-2）与长连杆（A-3）上的安装孔（A-3-1）实现转动连接；长连杆（A-3）上的另外两个安装孔分别与车体（E）和上半轮（A-4）实现转动连接；其中长连杆（A-3）与车体（E）相连的安装孔通过车体（E）的安装孔（E-2）与被动车轴（G-1）实现转动连接；上半轮（A-4）的另外一个安装孔与短连杆（A-2）实现转动连接；短连杆（A-2）的另一端与车体（E）的安装孔（E-1）转动连接，且不与主驱动轴（F-1）连接；主驱动轴（F-1）和被动车轴（G-1）的另一端通过车体（E）与第三单驱动轮（C）相连；
所述的曲柄（A-1）和短连杆（A-2）的一端都固定在车体（E）的同一个安装孔上，此时，该安装孔的位置为一个复合铰链点；
车体（E）上可搭载侦查设备或货物，传动系统（F）安装在车体（E）内部；电机（F-10）通过传动系统（F）驱动四个单驱动轮转动；
所述的车体（E）上有四对安装孔，对称布置在车体（E）两侧；每一对安装孔在车体（E）外侧用于连接一个单驱动轮，每一对安装孔在车体（E）内侧用于连接主驱动轴和被动车轴；
单驱动六杆机构可变形轮越障机器人整机由一个电机驱动；
所述的传动系统（F）包括：主驱动轴（F-1）,主驱动轴（F-2），锥齿轮（F-3）,锥齿轮（F-4）,锥齿轮（F-5）,锥齿轮（F-6）,锥齿轮（F-7）,锥齿轮（F-8），传动轴（F-9）和电机（F-10）；
传动系统（F）中部件的连接方式为：电机（F-6）布置在车身（E）中部与锥齿轮（F-5）实现固定连接；锥齿轮（F-5）与锥齿轮（F-4）的一端啮合；锥齿轮（F-4）的另一端与锥齿轮（F-3）啮合；锥齿轮（F-3）在主驱动轴上；传动轴（F-9）一端与锥齿轮（F-4）固定连接，另一端与锥齿轮（F-7）固定连接；锥齿轮（F-7）与锥齿轮（F-8）啮合；锥齿轮（F-8）在主驱动轴（F-2）上。
2.权利要求1所述的一种单驱动六杆机构可变形轮越障机器人，其特征在于：
第二单驱动轮（B）与第一单驱动轮（A）的部件、关节、连接方式完全相同，第四单驱动轮（D）与第三单驱动轮（C）的部件、关节、连接方式完全相同。
3.权利要求1所述的一种单驱动六杆机构可变形轮越障机器人，其特征在于：
第一单驱动轮（A）与第三单驱动轮（C）共用同一个主驱动轴（F-1）和被动车轴（G-1），第二单驱动轮（B）与第四单驱动轮（D）共用同一个主驱动轴（F-2）和被动车轴（G-2）。
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