CN112405551A - 一种变径车轮救援机器人 - Google Patents

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谢兵
张有全
谢雷
孙建康
宋培培
陈伟
罗明坤
林毛毛
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Abstract

本发明公开了一种变径车轮救援机器人，包括车架和设置在车架上的变径车轮机构；所述变径车轮机构，包括空心轴筒、固定连接在该空心轴筒内侧端的固定架、活动套装在该空心轴筒上的移动架、安装在空心轴筒内腔中用于驱动所述移动架在空心轴筒上沿轴向移动的驱动机构、安装在固定架和移动架上的沿车轮径向设置的可变径轮翼单元、用于驱动车轮转动的安装在车架上的主电机、以及用于主电机输出轴和空心轴筒上的固定架进行连接的转动连接机构。本发明可适应室外救援活动，在面对灾后复杂的路障环境时，车轮直径可随环境不同而改变，保证了搜索机器人能快速有效的越过重重障碍，顺利完成搜救的任务。

Description

一种变径车轮救援机器人
技术领域
本发明属于救援机器人技术领域，具体涉及一种变径车轮救援机器人。
背景技术
在20世纪80年代已有学者开始从事机器人应用于救援工作的研究，在地震搜救工作中，爆炸物搜寻等环境的应用尤为重要。各国从安全战略层面投入精力，进行救援机器人的研究工作。随着科技的不断进步和发展，机器人产品的应用较为广泛，因此人们逐渐开始采用机器人代替人来进行一些危险的搜救活动。救援环境的复杂性决定机器人应具有较强越障能力，目前救援机器人行进方式大致有轮式，履带式，腿式以及复合式等方式。轮式行进方式救援机器人机动灵活性高，移动速度较快，结构相比于其他种类简单，承载能力大，但是轮子与地面接触面积小，所受压强较大，不能适应泥泞道路；履带式机器人与地面接触面积大，所受压强较小，可适应土地松软及泥泞道路，但其自身重量过大，承载能力小，减震性及平稳性较差；腿式机器人具有很好的地面适应性，运动轨迹为离散点，运行平稳，缺点是其机动灵活性较差，且控制算法复杂，很难像节肢动物一样和灵活运动。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种变径车轮救援机器人，能够有效解决救援机器人对室外救援环境适应性差的难题。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种变径车轮救援机器人，包括车架和设置在车架上的变径车轮机构；
所述变径车轮机构，包括空心轴筒、固定连接在该空心轴筒内侧端的固定架、活动套装在该空心轴筒上的移动架、安装在空心轴筒内腔中用于驱动所述移动架在空心轴筒上沿轴向移动的驱动机构、安装在固定架和移动架上的沿车轮径向设置的可变径轮翼单元、用于驱动车轮转动的安装在车架上的主电机、以及用于主电机输出轴和空心轴筒上的固定架进行连接的转动连接机构。
在上述技术方案中，所述空心轴筒为圆筒状，在空心轴筒的外壁上设置有沿其轴向设置在导引键，所述移动架内壁上设置有与导引键对应的键槽，通过导引键和键槽配合，防止移动架相对空心轴筒产生轴向转动。
在上述技术方案中，所述驱动机构包括电机、丝杠和丝杠螺母组件、以及轴承，丝杠通过轴承可旋转的同轴安装在空心轴筒内，电机通过端板固定安装在空心轴筒的外侧端，电机的输出轴通过联轴器与丝杠连接，丝杠螺母安装在丝杠上并与移动架连接，当电机驱动丝杠转动时，丝杠螺母会带动移动架在空心轴筒上沿轴向移动。
在上述技术方案中，所述可变径轮翼单元，包括伸缩铰链机构和连接在伸缩铰链机构外端的轮翼，伸缩铰链机构的两个驱动端分别与空心轴筒上的固定架和移动架连接，当驱动机构驱动移动架在空心轴筒上沿轴向移动时，伸缩铰链机构的径向长度发生改变，从而改变轮径。
在上述技术方案中，所述伸缩铰链机构，包括两段共计六个连杆，第一段由三个相同的长连杆组成，三个长连杆中的其中两个平行并排，第三个长连杆位于这两个平行并排的长连杆之间，并与这两个平行并排的长连杆交叉设置，在交叉点用销轴连接；第二段由三个相同的短连杆组成，三个短连杆中的其中两个平行并排，这两个平行并排的短连杆的外端与第三个短连杆的外端铰接在轮翼内侧，这两个平行并排的短连杆的内端与第一段的第三长连杆的外端铰接，第三个短连杆的内端与第一段的两个平行并排的长连杆的外端铰接；第一段的第三长连杆的内端以及两个平行并排的长连杆的内端作为两个驱动端分别连接空心轴筒上的固定架和移动架。
在上述技术方案中，所述主电机固定在车架上。
在上述技术方案中，空心轴筒上开设有轴向的通道孔，丝杠螺母通过连接件透过该通道孔与活动套装在空心轴筒上的移动架连接。
在上述技术方案中，所述轮翼为圆弧板形状。
在上述技术方案中，每个变径车轮机构包括多个可变径轮翼单元，多个可变径轮翼单元沿圆周分布在空心轴筒周围。
在上述技术方案中，所述固定架和移动架均为正多边形板状结构，在正多边形板的每个侧边设置有用于连接可变径轮翼单元的支耳，每个侧边各连接一个可变径轮翼单元。
在上述技术方案中，所述转动连接机构，包括外连接板和内连接板，外连接板与空心轴筒内侧端的固定架通过螺栓固定连接，外连接板通过N个长螺杆与内连接板进行连接，这N个长螺杆呈圆周均匀排布，外连接板和内连接板之间间隙略大于车架的箱体厚度，并且在外连接板和内连接板之间的每个长螺杆上分别安装有轴承，以使外连接板和内连接板通过长螺杆上的轴承转动安装在车架的箱体上；在内连接板的中心开设有轴孔，主电机的输出轴固定安装在内连接板的该轴孔中。
本发明的优点和有益效果为：
本发明的变径车轮救援机器人能够改变车轮的轮径，可适应室外救援活动，在面对灾后复杂的路障环境时，车轮直径可随环境不同而改变，保证了搜索机器人能快速有效的越过重重障碍，顺利完成搜救的任务。
附图说明
图1为本发明的变径车轮救援机器人的结构示意图；
图2为本发明中的可变径轮翼单元的结构示意图；
图3为本发明中的空心轴筒和固定架、移动架的安装结构示意图；
图4为本发明的变径车轮机构的剖视图；
图5为本发明中的转动连接机构的结构示意图。
其中：
1：空心轴筒，2：固定架，3：移动架，5：可变径轮翼单元，6：主电机，7：转动连接机构，4-1：电机，4-2：丝杠，4-3：丝杠螺母，4-4：轴承，7-1：外连接板，7-2：内连接板。
对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，可以根据以上附图获得其他的相关附图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合具体实施例进一步说明本发明的技术方案。
参见附图，一种变径车轮救援机器人，包括车架和设置在车架上的变径车轮机构，变径车轮机构的数量为4个，对称分布在车架的前后两侧。
变径车轮机构，包括空心轴筒1、固定连接在该空心轴筒内侧端的固定架2、活动套装在该空心轴筒上的移动架3、安装在空心轴筒内腔中用于驱动所述移动架在空心轴筒上沿轴向移动的驱动机构、安装在固定架和移动架上的沿车轮径向设置的可变径轮翼单元5、用于驱动车轮转动的主电机6、以及用于主电机输出轴和空心轴筒上的固定架进行连接的转动连接机构7。
所述空心轴筒1为圆筒状，在空心轴筒1的外壁上设置有沿其轴向设置在导引键1-1，所述移动架内壁上设置有与导引键对应的键槽，通过导引键和键槽配合，防止移动架相对空心轴筒产生轴向转动。
所述驱动机构包括电机4-1、丝杠4-2和丝杠螺母4-3组件、以及轴承4-4，丝杠4-2通过轴承4-4可旋转的同轴安装在空心轴筒1内，电机4-1通过端板固定安装在空心轴筒1的外侧端，电机的输出轴通过联轴器4-5与丝杠4-2连接，丝杠螺母4-3安装在丝杠上并与移动架连接(空心轴筒1上开设有轴向的通道孔，丝杠螺母4-3通过连接件透过该通道孔与活动套装在空心轴筒1上的移动架3连接)，当电机驱动丝杠转动时，丝杠螺母会带动移动架3在空心轴筒上沿轴向移动。
所述可变径轮翼单元5，包括伸缩铰链机构和连接在伸缩铰链机构外端的轮翼5-1，伸缩铰链机构的两个驱动端分别与空心轴筒上的固定架2和移动架3连接，当驱动机构驱动移动架在空心轴筒上沿轴向移动时，伸缩铰链机构的径向长度发生改变，从而改变轮径。具体来讲，所述伸缩铰链机构，包括两段共计六个连杆，第一段由三个相同的长连杆5-2组成，三个长连杆5-2中的其中两个平行并排，第三个长连杆位于这两个平行并排的长连杆之间，并与这两个平行并排的长连杆交叉设置，在交叉点用销轴连接；第二段由三个相同的短连杆5-3组成，三个短连杆中的其中两个平行并排，这两个平行并排的短连杆的外端与第三个短连杆的外端铰接在轮翼5-1内侧，这两个平行并排的短连杆的内端与第一段的第三长连杆的外端铰接，第三个短连杆的内端与第一段的两个平行并排的长连杆的外端铰接；第一段的第三长连杆的内端以及两个平行并排的长连杆的内端作为两个驱动端分别连接空心轴筒1上的固定架2和移动架3。
进一步的说，所述轮翼5-1为圆弧板形状。
进一步的说，每个变径车轮机构优选包括6个可变径轮翼单元，6个可变径轮翼单元5沿圆周分布在空心轴筒1周围。相应的，所述固定架2和移动架3均为正六边形板状结构，在正六边形板的每个侧边设置有用于连接可变径轮翼单元的支耳m，每个侧边各连接一个可变径轮翼单元5。
所述转动连接机构7，包括外连接板7-1和内连接板7-2，外连接板7-1上设置有内、外两圈螺栓孔，每圈螺栓孔的数量优选为六个，外连接板7-1的外圈螺栓孔7-11与空心轴筒1内侧端的固定架2通过螺栓固定连接(对应的，在固定架2上也设置有六个螺栓孔2-1)，外连接板7-1内圈螺栓孔通过六个长螺杆7-3与内连接板7-2进行连接，这六个长螺杆呈圆周均匀排布，外连接板7-1和内连接板7-2之间间隙略大于车架的箱体厚度，并且在外连接板7-1和内连接板7-2之间的每个长螺杆7-3上分别安装有轴承7-4，以使外连接板7-1和内连接板7-2通过长螺杆上的轴承转动安装在车架的箱体上(即车架的箱体位于外连接板和内连接板之间的间隙中，车架的箱体上设置有一圆孔，所述呈圆周均匀排布的6个长螺杆穿过该圆孔，并通过长螺杆上的轴承与圆孔内壁滚动配合，使外连接板7-1和内连接板7-2能够相对车架稳定的旋转)，从而使整个轮毂能够相对车架转动；在内连接板7-2的中心开设有轴孔7-21，所述主电机6固定在车架上，主电机6的输出轴固定安装在内连接板的该轴孔7-21中，进而实现主电机6通过转动连接机构7带动整个车轮转动。
进一步的说，由于车轮转动时，空心轴筒1内部的电机4-1是随车轮一起转动的，因此需要通过光电滑环对该电机4-1进行电连接，即电机4-1通过光电滑环与车架上的供电单元和控制单元进行电连接，这样在车轮转动时，不会造成对电机连接线缆的卷绕。
为了易于说明，实施例中使用了诸如“上”、“下”、“左”、“右”等空间相对术语，用于说明图中示出的一个元件或特征相对于另一个元件或特征的关系。应该理解的是，除了图中示出的方位之外，空间术语意在于包括装置在使用或操作中的不同方位。例如，如果图中的装置被倒置，被叙述为位于其他元件或特征“下”的元件将定位在其他元件或特征“上”。因此，示例性术语“下”可以包含上和下方位两者。装置可以以其他方式定位(旋转90度或位于其他方位)，这里所用的空间相对说明可相应地解释。
而且，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个与另一个具有相同名称的部件区分开来，而不一定要求或者暗示这些部件之间存在任何这种实际的关系或者顺序。
以上对本发明做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本发明的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种变径车轮救援机器人，包括车架和设置在车架上的变径车轮机构，其特征在于：
所述变径车轮机构，包括：
空心轴筒，
固定连接在所述空心轴筒内侧端的固定架，
活动套装在所述空心轴筒上的移动架，
安装在空心轴筒内腔中用于驱动所述移动架在空心轴筒上沿轴向移动的驱动机构，
安装在固定架和移动架上的沿车轮径向设置的可变径轮翼单元，
用于驱动车轮转动的安装在车架上的主电机，
用于主电机输出轴和空心轴筒上的固定架进行连接的转动连接机构。
2.根据权利要求1所述的变径车轮救援机器人，其特征在于：所述空心轴筒为圆筒状，在空心轴筒的外壁上设置有沿其轴向设置在导引键，所述移动架内壁上设置有与导引键对应的键槽，通过导引键和键槽配合，防止移动架相对空心轴筒产生轴向转动。
3.根据权利要求1所述的变径车轮救援机器人，其特征在于：所述驱动机构包括电机、丝杠和丝杠螺母组件、以及轴承，丝杠通过轴承可旋转的同轴安装在空心轴筒内，电机通过端板固定安装在空心轴筒的外侧端，电机的输出轴通过联轴器与丝杠连接，丝杠螺母安装在丝杠上并与移动架连接，当电机驱动丝杠转动时，丝杠螺母会带动移动架在空心轴筒上沿轴向移动。
4.根据权利要求1所述的变径车轮救援机器人，其特征在于：所述可变径轮翼单元，包括伸缩铰链机构和连接在伸缩铰链机构外端的轮翼，伸缩铰链机构的两个驱动端分别与空心轴筒上的固定架和移动架连接，当驱动机构驱动移动架在空心轴筒上沿轴向移动时，伸缩铰链机构的径向长度发生改变，从而改变轮径。
5.根据权利要求4所述的变径车轮救援机器人，其特征在于：所述伸缩铰链机构，包括两段共计六个连杆，第一段由三个相同的长连杆组成，三个长连杆中的其中两个平行并排，第三个长连杆位于这两个平行并排的长连杆之间，并与这两个平行并排的长连杆交叉设置，在交叉点用销轴连接；第二段由三个相同的短连杆组成，三个短连杆中的其中两个平行并排，这两个平行并排的短连杆的外端与第三个短连杆的外端铰接在轮翼内侧，这两个平行并排的短连杆的内端与第一段的第三长连杆的外端铰接，第三个短连杆的内端与第一段的两个平行并排的长连杆的外端铰接；第一段的第三长连杆的内端以及两个平行并排的长连杆的内端作为两个驱动端分别连接空心轴筒上的固定架和移动架。
6.根据权利要求1所述的变径车轮救援机器人，其特征在于：所述主电机固定在车架上。
7.根据权利要求1所述的变径车轮救援机器人，其特征在于：空心轴筒上开设有轴向的通道孔，丝杠螺母通过连接件透过该通道孔与活动套装在空心轴筒上的移动架连接。
8.根据权利要求1所述的变径车轮救援机器人，其特征在于：每个变径车轮机构包括多个可变径轮翼单元，多个可变径轮翼单元沿圆周分布在空心轴筒周围。
9.根据权利要求8所述的变径车轮救援机器人，其特征在于：所述固定架和移动架均为正多边形板状结构，在正多边形板的每个侧边设置有用于连接可变径轮翼单元的支耳，每个侧边各连接一个可变径轮翼单元。
10.根据权利要求1所述的变径车轮救援机器人，其特征在于：所述转动连接机构，包括外连接板和内连接板，外连接板与空心轴筒内侧端的固定架通过螺栓固定连接，外连接板通过N个长螺杆与内连接板进行连接，这N个长螺杆呈圆周均匀排布，外连接板和内连接板之间间隙略大于车架的箱体厚度，并且在外连接板和内连接板之间的每个长螺杆上分别安装有轴承，以使外连接板和内连接板通过长螺杆上的轴承转动安装在车架的箱体上；在内连接板的中心开设有轴孔，主电机的输出轴固定安装在内连接板的该轴孔中。
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