CN112373593A - 一种基于五杆机构的轮腿混合驱动矿用机器人 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于五杆机构的轮腿混合驱动矿用机器人，属于机器人领域。基于五杆机构的轮腿混合驱动矿用机器人包括承载平台，转向部，形变支腿部，转向驱动部，车轮；所述的承载平台的下端面布置四组形变支腿部，形变支腿部的底端设有车轮，形变支腿部上布置驱动车轮运动的车轮驱动部，所述的承载平台的上端面设有驱动形变支腿部转向的转向驱动部，转向驱动部与形变支腿部之间通过转向部相连。本发明的具有结构简单、紧凑，承载能力大，经济成本低，机动性能好，环境适应性强等特点。

Description

一种基于五杆机构的轮腿混合驱动矿用机器人

技术领域

本发明涉及一种基于五杆机构的轮腿混合驱动矿用机器人，属于机器人领域。

背景技术

机器人及其驱动器技术作为一种战略性高新技术，受到了国内外学者、企事业单位以及国家领导层的广泛关注。移动机器人作为机器人领域的重要分支之一，研发、应用新型移动机器人及其相关技术，对促进社会进步、经济发展和提高人们生活质量等都具有非常重要的意义。

根据移动方式的不同，移动机器人可分为轮式、腿式、履带式和混合式等多种形式。轮式移动机器人的结构简单、运行速度快，但其在非结构化环境下的越障能力和平稳性存在很大不足；腿式移动机器人具有较强的地形适应能力，但其结构组成较复杂、难控制，不易满足设计中的高灵活性要求。轮腿式移动机器人则融合了轮式移动机器人的高速、高效性和腿式移动机器人复杂地形高适应性的特点，提升了机器人的越障能力，增大了作业范围，近年来得到了迅速发展，在矿业开采、石油化工、抗灾营救、野外勘探、农林防护、军情监视、外星探索等领域都具有广泛的应用前景。

发明内容

本发明针对上述不足提供了基于五杆机构的轮腿混合驱动矿用机器人，

本发明采用如下技术方案：

本发明所述的基于五杆机构的轮腿混合驱动矿用机器人，包括承载平台，转向部，形变支腿部，转向驱动部，车轮；所述的承载平台的下端面布置四组形变支腿部，形变支腿部的底端设有车轮，形变支腿部上布置驱动车轮运动的车轮驱动部，所述的承载平台的上端面设有驱动形变支腿部转向的转向驱动部，转向驱动部与形变支腿部之间通过转向部相连。

本发明所述的基于五杆机构的轮腿混合驱动矿用机器人，所述的转向部包括支座，回转轴，锥齿轮II；所述的支座成倒“U”形状布置，以方便在其两外侧分别通过螺钉固定电机I、电机II和电机III，其中电机I、电机II并行安装在支座的同一侧，电机III安装在支座的另一侧；倒“U”形状的支座顶端垂直设有回转轴，承载平台与转向部相接处设有滚动轴承，回转轴贯穿滚动轴承其顶端布置锥齿轮II，倒“U”形状的支座顶与轮腿驱动部相连。

本发明所述的基于五杆机构的轮腿混合驱动矿用机器人，所述的形变支腿部包括上腿杆I、下腿杆I、上腿杆II、下腿杆II，电机I，电机II，电机II，电机III，中间轴，车轮轴，销轴，带轮I，带轮II，双联带轮，同步带，同步带II；

所述的上腿杆I的下端部通过平键与中间轴的中部位置固结，即中间轴与上腿杆I之间无相对转动；中间轴还同轴设有双联带轮，采用滚动轴承以降低运动副间摩擦；上腿杆I的顶端布置在支座上且与电机I的驱动端相连；上腿杆I的上端部加工一键槽孔与电机I通过平键连接，即电机I用来驱动上腿杆I的转动；所述的上腿杆II与下腿杆II的相对端通过销轴相互铰接，上腿杆II的顶端布置在支座上且与电机II的驱动端相连；

下腿杆I与下腿杆II的底端通过车轮轴共轴铰接，车轮轴同轴还布置车轮及带轮II；支座上还设有电机III，电机III的驱动端设有带轮I，带轮I通过同步带与双联带轮相连，双联带轮通过同步带II与带轮II 相连；由电机III驱动车轮转动，电机III与带轮I通过平键连接，双联带轮通过滚动轴承支撑于中间轴上；车轮轴的一端部通过平键与车轮固结，车轮轴的另一端部也通过平键与带轮II固结。车轮轴和中间轴皆设计为阶梯轴的结构形式，以利于加工方便和轴上零部件的装配定位。

本发明所述的基于五杆机构的轮腿混合驱动矿用机器人，所述上腿杆I、下腿杆I、上腿杆II、下腿杆II组合形成上、下拉伸的菱形形变结构，由电机I及电机II同步驱动上腿杆I、下腿杆I、上腿杆II、下腿杆II协同上、下运动；下腿杆I的下端部和下腿杆II的下端部，都通过滚动轴承与车轮轴的中部位置连接，二者共同形成对车轮轴及车轮的力支撑，以增加机器人系统的结构稳定性和承载能力。下腿杆I、上腿杆I、下腿杆II和上腿杆II的杆长长度相等，以利于机器人零部件的受力和控制。

本发明所述的基于五杆机构的轮腿混合驱动矿用机器人，所述的中间轴的轴线、车轮轴的轴线、销轴的轴线、电机I的轴线、电机III的轴线、电机II的轴线皆相互平行以保证轮腿支链的良好协调运行。以保证上腿杆I发生摆动时，带轮I、双联带轮与同步带I组成的带传动机构能与之协调正常工作。

本发明所述的基于五杆机构的轮腿混合驱动矿用机器人，所述的同步带I的运行方向与上腿杆I杆长的中线方向相互平行；同步带II的运行方向与下腿杆I杆长的中线方向相互平行。

本发明所述的基于五杆机构的轮腿混合驱动矿用机器人，转向装置与形变支腿部相匹配，在系统中共设计了四套转向装置，每套转向装置包括电机IV、锥齿轮I、锥齿轮II、回转轴、滚动轴承、轴承盖、支架。回转轴的中心线竖直向上，其通过上下两个滚动轴承以及轴承盖装配于承载底盘上。

电机IV为转向装置的动力源，其通过螺钉水平固定于支架上，支架通过螺钉与承载底盘固结；锥齿轮I与电机IV通过平键连接，锥齿轮II与回转轴也通过平键连接，经过锥齿轮I和锥齿轮II组成的齿轮传动机构，电机IV把动力传递给回转轴。

形变支腿部通过支座与回转轴采用螺钉相固结，且二者的竖直中心线重合，或将支座与回转轴做成一体式。回转轴可绕其竖直中心线作360°转动。电机IV通过转向装置驱动轮腿支链，实现轮腿支链绕回转轴竖直中心线的360°转动，达到机器人运动时的方向控制或四个轮腿支链组合结构姿态的改变。

本发明所述的基于五杆机构的轮腿混合驱动矿用机器人，转向驱动部驱动形变支腿部沿转向部竖直中心线的360°转动。

有益效果

本发明的一种基于五杆机构的轮腿混合驱动矿用机器人,融合五杆机构与带传动机构的结构优点，具有结构简单、紧凑，承载能力大，经济成本低，机动性能好，环境适应性强等特点，且机器人系统承载底盘的高度易调节，便于机器人进行崎岖地形的翻越，可满足矿业矿区复杂地形对机器人驱动特性的严要求，本发明机器人在资源勘探、灾害营救、野外科考、农林业等领域都有广泛的应用前景。

附图说明

图1为本发明的基于五杆机构的轮腿混合驱动矿用机器人主视图；

图2为本发明的基于五杆机构的轮腿混合驱动矿用机器人左视图；

图中：1车轮、2同步带II、3下腿杆I、4中间轴、5双联带轮、6同步带I、7上腿杆I、8电机I、9支座、10支架、11锥齿轮I、12锥齿轮II、13轴承盖、14承载底盘、15电机II、16上腿杆II、17销轴、18下腿杆II、19车轮轴、20电机IV、21滚动轴承、22电机III、23带轮II、24带轮I、25回转轴。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的和技术方案更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需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。

如图1、图2所示，本发明为一种基于五杆机构的轮腿混合驱动矿用机器人，其由承载底盘、四个结构尺寸相同的轮腿支链和四套结构尺寸相同的转向装置组成。

承载底盘14设计为平板结构，可由板材制作，承载底盘14与回转轴25相配合的圆孔加工为沉头孔，以方便固定滚动轴承21。

形变支腿部的组成包括支座9、上腿杆I7、下腿杆I3、上腿杆II16、下腿杆II18、同步带I6、同步带II2、双联带轮5、带轮I24、带轮II23、车轮1以及电机I8、电机II15、电机III22。支座9为类U型结构，其两外侧需要加工三个光孔和若干螺纹孔，用于固定与装配电机I8、电机II15和电机III22，电机I9和电机II15并行安装于支座9的同一侧，电机III22安装在支座9的另一侧。

上腿杆I7的上端部加工一键槽孔，与电机I8通过平键连接。电机II15与上腿杆II16的上端部也通过平键连接。上腿杆II16的下端部加工为U型结构，下腿杆II18上端部加工为凸字型结构，二者通过销轴17相连接。上腿杆I7的下端部通过平键与中间轴4的中部位置固结。下腿杆I3的上端部通过滚动轴承支撑于中间轴4的一端，双联带轮5也通过滚动轴承支撑于中间轴4的另一端。

下腿杆I3的下端部和下腿杆II18的下端部，都通过滚动轴承与车轮轴1的中部位置连接。车轮轴19的一端部通过平键与车轮1固结，车轮轴19的另一端部也通过平键与带轮II23固结。电机III22与带轮I24通过平键连接，双联带轮5通过滚动轴承支撑于中间轴4上。车轮轴19和中间轴4皆设计为阶梯轴的结构形式，以利于加工方便和轴上零部件的装配定位。

带轮I24、双联带轮5与同步带I6组成第一级带传动机构，双联带轮5、带轮II23与同步带II2组成第二级带传动机构，通过两级带传动，电机III22把动力传递给车轮1，即电机III22用来驱动车轮1的转动。下腿杆I3、上腿杆I7、下腿杆II18和上腿杆II16的杆长长度相等，以利于机器人零部件的受力和控制。

电机I8和电机III22的两轴线装配后要重合，需调试上腿杆I7转动与带轮I24、双联带轮5、同步带I6运行状况的协调性。

中间轴4的轴线、车轮轴19的轴线、销轴17的轴线与电机I8、电机III22、电机II15的轴线，装配后皆须相互平行，以保证轮腿支链的良好协调运行。同步带I6的运行方向与上腿杆I7杆长的中线方向平行。同步带II2的运行方向与下腿杆I3杆长的中线方向平行。转向装置与轮腿支链数相匹配，共配置四套，每套转向装置包括电机IV20、锥齿轮I11、锥齿轮II12、回转轴25、滚动轴承21、轴承盖13、支架11。

所述回转轴25的中心线竖直向上，通过上下两个滚动轴承21以及轴承盖13装配于承载底盘14 上。

所述电机IV20为转向装置的动力源，通过螺钉水平固定于支架10上，支架10通过螺钉与承载底盘14固结；

所述锥齿轮I11与电机IV20通过平键连接，所述锥齿轮II12与回转轴25也通过平键连接，经过锥齿轮I11和锥齿轮II12组成的齿轮传动机构，电机IV20把动力传递给回转轴25。

所述轮腿支链通过支座9与回转轴25采用螺钉相固结，且二者的竖直中心线重合，或将支座9与回转轴25做成一体式。

所述电机IV20通过转向装置驱动轮腿支链转动，达到机器人运动时的方向控制或四个轮腿支链组合结构姿态的改变。

实施例2

本发明一种基于五杆机构的轮腿混合驱动矿用机器人，可实现机器人承载底盘的高度调节、轮式移动时的直行或斜行、腿式移动时的类人迈步行走等运动形态，下面通过一套转向装置和一个轮腿支链的驱动操作步骤，对前述功能实现进行说明。

一、承载底盘的高度调节

轮式移动状态时，通过启动电机I8驱动上腿杆I7逆时针转动一定角度，或通过启动电机II15驱动上腿杆II16顺时针转动一定角度，或二者同时驱动，皆可提升承载底盘14）的高度；反之，则皆可降低承载底盘14的高度。

承载底盘14的姿态，如前仰式、前俯式、水平式等，也可通过前述方法分别进行四个轮腿支链的相应高度调节得到。

二、轮式移动时的直行或斜行：首先，启动电机I8、电机II15把承载底盘14调节到合适高度后，锁止电机I8和电机II15；接着，启动电机IV20带动轮腿支链及车轮1旋转，调节车轮1的行进方向后，锁止电机IV20；再者，启动电机III22驱动车轮1，实现机器人的轮式移动。

在机器人移动过程中，也可随时启动电机IV20调节车轮1的前进方向，实现机器人的直行、斜行或转弯等运动。

机器人处于轮式移动状态时，如果承载底盘的高度无需调节，则电机I8和电机II15处于锁止状态。

三、腿式移动时的类人行走：首先，启动电机I8、电机II15把承载底盘14调节到合适高度后，锁止电机I8和电机II15；接着，启动电机IV20带动轮腿支链及车轮1旋转，调节机器人的行进方向后，锁止电机IV20；最后，根据步态规划，通过电机I8、电机II15的联合运行，实现机器人腿式类人行走。

机器人处于腿式类人行走状态时，也可随时启动电机IV20改变以改变机器人的运动方向，从而实现机器人的直行或转弯等运动。

机器人处于腿式移动时的类人行走状态时，电机III22处于锁止。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种基于五杆机构的轮腿混合驱动矿用机器人，其特征在于：包括承载平台，转向部，形变支腿部，转向驱动部，车轮；所述的承载平台的下端面布置四组形变支腿部，形变支腿部的底端设有车轮，形变支腿部上布置驱动车轮运动的车轮驱动部，所述的承载平台的上端面设有驱动形变支腿部转向的转向驱动部，转向驱动部与形变支腿部之间通过转向部相连。

2.根据权利要求1所述的基于五杆机构的轮腿混合驱动矿用机器人，其特征在于：所述的转向部包括支座，回转轴，锥齿轮II；所述的支座成倒“U”形状布置，倒“U”形状的支座顶端垂直设有回转轴，承载平台与转向部相接处设有滚动轴承，回转轴贯穿滚动轴承其顶端布置锥齿轮II，倒“U”形状的支座顶与轮腿驱动部相连。

3.根据权利要求1或2所述的基于五杆机构的轮腿混合驱动矿用机器人，其特征在于：所述的形变支腿部包括上腿杆I、下腿杆I、上腿杆II、下腿杆II，电机I，电机II，电机II，电机III，中间轴，车轮轴，销轴，带轮I，带轮II，双联带轮，同步带，同步带II；所述的上腿杆I及下腿杆I相对端通过中间轴相互铰接，中间轴还同轴设有双联带轮，上腿杆I的顶端布置在支座上且与电机I的驱动端相连；

所述的上腿杆II与下腿杆II的相对端通过销轴相互铰接，上腿杆II的顶端布置在支座上且与电机II的驱动端相连；下腿杆I与下腿杆II的底端通过车轮轴共轴铰接，车轮轴同轴还布置车轮及带轮II；

支座上还设有电机III，电机III的驱动端设有带轮I，带轮I通过同步带与双联带轮相连，双联带轮通过同步带II与带轮II 相连；由电机III驱动车轮转动。

4.根据权利要求3所述的基于五杆机构的轮腿混合驱动矿用机器人，其特征在于：所述上腿杆I、下腿杆I、上腿杆II、下腿杆II组合形成上、下拉伸的菱形形变结构，由电机I及电机II同步驱动上腿杆I、下腿杆I、上腿杆II、下腿杆II协同上、下运动。

5.根据权利要求3所述的基于五杆机构的轮腿混合驱动矿用机器人，其特征在于：所述的中间轴的轴线、车轮轴的轴线、销轴的轴线、电机I的轴线、电机III的轴线、电机II的轴线皆相互平行。

6.根据权利要求3所述的基于五杆机构的轮腿混合驱动矿用机器人，其特征在于：所述的同步带I的运行方向与上腿杆I杆长的中线方向相互平行；同步带II的运行方向与下腿杆I杆长的中线方向相互平行。

7.根据权利要求1所述的基于五杆机构的轮腿混合驱动矿用机器人，其特征在于：四组形变支腿部分别由独立的转向驱动部驱动转向，所述的转向驱动部包括电机IV，锥齿轮I，支架；所述的支架位于承载平台的上端面，电机IV驱动轴端设有锥齿轮I，电机IV布置在支架上，锥齿轮I与锥齿轮II相互啮合。

8.根据权利要求1所述的基于五杆机构的轮腿混合驱动矿用机器人，其特征在于：转向驱动部驱动形变支腿部沿转向部竖直中心线的360°转动。

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