CN112744303A - 一种关节式履带机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种关节式履带机器人，包括：机器人本体，其下方四角处安装有通过翻转电机控制翻转的翻转臂；所述翻转臂两端分别设置有驱动轮和从动轮，在所述驱动轮和所述从动轮外套设有履带，所述驱动轮通过驱动电机控制转动，进而带动履带运动进行行走。本发明有效地解决救援人员的安全问题以及其他一些人员不能进行的诸如信息采集等工作，对现场指挥人员根据其反馈结果，及时对灾情做出科学判断，并对灾害事故现场工作作出正确、合理的决策具有重要的现实意义。

Description

一种关节式履带机器人

技术领域

本发明涉及机械结构领域，尤其涉及一种关节式履带机器人。

背景技术

随着社会的发展，城市建筑物越来越多，人口密度越来越大。于此相应，地震、火灾等天灾人祸对人类的危害也是越发严重，每年发生的各种天灾人祸对人民群众的生命财产安全造成巨大损失，同时由于救援人员在救援时对救援现场不熟悉，很可能会陷入复杂救援现场中各种危险中，从而造成救援人员损失。

救援人员在施救现场救援存在着很多的弊端，比如面临火灾场景的有毒有害气体，高温浓烟，狭小空间等或者地震现场各种坍塌、落木等，缺少有效的装备及设施，救援人员无法直接进入事故现场，同时会对现场真实环境评估不当，贸然采取行动，必将给救援人员带来很大的危险。目前市面上最为常见的为消防灭火侦察机器人，将灭火和侦察机器人合二为一，机器人存在体积大，重量大等缺点使得机器人的爬楼梯、越障、狭小空间通过性等性能降低，形成机器人功能已灭火为主，侦察为辅的现象。

而侦察机器人属于特种机器人中的一种，可以工作在特殊环境下，替代救援人员进入救援现场辅助实施救援工作，开展对真实环境的侦察任务，侦察机器人可对现场的可燃气体、环境温度、有毒有害气体等环境参数进行侦测并将实时传输现场真实环境及环境参数；根据机器人实时反馈的侦察结果，并结合配套的专家辅助决策系统和处置预案，救援人员可以及时对受灾情况作出科学判断，从而作出正确，合理的决策，指挥各项营救工作如现场的疏散、封堵、保护、隔离、灭火等。为抢险救灾工作的展开节省了很多时间。机器人主要工作环境是具有结构化地形的城市区域、房屋住宅、危化品存储基地，石化制造园区或复杂地震震后现场等，这些环境中有许多障碍，如陡坡、楼梯、狭小空间或震后狼藉的场景等，因此对侦察机器人的运动机构具有一定的要求，另外侦察机器人要求操作便捷、灵活、功能健全、性能可靠等。

因此，研制一款拥有强攀爬、高通过性能代替救援人员进入救援现场工作的侦察机器人，对事故现场进行探测，实时反馈现场参数，是非常紧迫和必要的。

发明内容

发明目的：针对上述不足，本发明提供了一种关节式履带机器人，可以代替工作人员进入高危环境进行现场侦测，并实现图像实时采集，气体检测及危险源识别等侦察工作。

技术方案：

一种关节式履带机器人，包括：

机器人本体，其下方四角处安装有通过翻转电机控制翻转的翻转臂；

所述翻转臂两端分别设置有驱动轮和从动轮，在所述驱动轮和所述从动轮外套设有履带，所述驱动轮通过驱动电机控制转动，进而带动履带运动进行行走。

所述机器人本体内设有控制模块，所述电机与所述驱动电机分别与所述控制模块连接；

所述控制模块根据工作环境分别控制各所述翻转臂的翻转电机和/或驱动电机，实现不同翻转臂的组合控制实现所述关节式履带机器人的不同运动状态。

所述驱动轮为链轮，所述履带中部沿周向上设置有与所述驱动轮上齿相对应的齿槽，所述履带套设在所述驱动轮及所述从动轮外，所述履带外侧中部周向上设置的齿槽与所述驱动轮上齿相配合。

所述从动轮有两个，分别转动安装在所述翻转臂两侧；在所述履带内侧面位于两个所述从动轮内的位置处沿周向均匀设置有若干挡条。

所述翻转电机为设置在固定座内的无框电机，包括电机定子、电机轴及电机转子，所述电机定子固定在所述固定座内，所述电机轴通过轴承安装在所述固定座内，在所述电机轴上与所述电机定子相对应位置处安装有电机转子；所述电机轴与所述翻转臂前端固定连接。

在所述电机轴上固定安装有编码器磁环，在所述固定座内相对应位置处设置有用于采集所述编码器磁环信息获取所述电机轴转动角度的编码器读头。

在所述固定座内与所述电机轴连接有谐波减速机，所述谐波减速机的输出端与所述摆臂前端固定连接；

所述电机轴与所述谐波减速机为中空结构，所述驱动轴穿过所述电机轴及所述谐波减速机与所述驱动轮固定连接。

所述翻转臂还包括摆臂座、摆臂调节杆以及从动杆；

所述摆臂座为中空结构，其与所述谐波减速机的输出端固定连接；所述驱动轴穿过所述摆臂座与所述驱动轮固定连接；

所述摆臂调节杆垂直于所述电机轴方向安装在所述摆臂座的外侧壁上，在所述摆臂调节杆上沿垂直所述传动轴方向对称设置有若干腰型孔；

在所述从动杆上设置有与所述腰型孔相对应的螺孔，所述从动杆与所述摆臂调节杆通过螺栓固定连接，并通过调整所述螺栓在所述腰型孔内的位置调整所述摆臂调节杆与所述从动杆之间的距离；所述从动轮转动安装在所述从动杆末端。

在所述摆臂调节杆中部上下两侧分别固定有滚轮架，在所述滚轮架面向所述履带的端面上沿轴向转动安装有若干与所述履带配合的滚轮。

在所述机器人本体前后侧均固定安装有摄像头模组，所述摄像头模组包括摄像头壳体、安装在摄像头壳体前侧中部的USB摄像头以及在摄像头壳体前侧位于USB摄像头两侧的LED聚光灯杯。

在所述USB摄像头及左所述LED聚光灯杯的前方均安装有钢化玻璃。

在所述机器人本体上固定有危险气体模组，所述危险气体模组包括传感器壳体以及危险气体传感器，所述传感器壳体的下端面固定在所述机器人本体上，在所述传感器壳体的内装有若干危险气体传感器。

在所述机器人本体上位于中央位置处安装有旋转及俯仰两个自由度的云台。

有益效果：本发明通过设计的关节式翻转臂，在平整的路面或者不需要越障攀爬的时候，水平设置，通过履带运动实现行走；在需要越障攀爬的时候通过关节式翻转臂翻转，然后通过履带运动实现越障攀爬；而且本发明在运动过程中通过关节式翻转臂的组合控制提高机器人的高越障和强攀爬性能，完成直线行驶、大小转弯、原地转弯、加减速操作等运动。可以有效地解决救援人员的安全问题以及其他一些人员不能进行的诸如信息采集等工作，对现场指挥人员根据其反馈结果，及时对灾情做出科学判断，并对灾害事故现场工作作出正确、合理的决策具有重要的现实意义。

附图说明

图1为本发明的关节式履带机器人的等轴测视图。

图2为本发明的摄像头模组的等轴测视图。

图3为本发明的危险气体模组的等轴测视图。

图4为本发明的摆臂关节示意图。

图5为本发明的翻转驱动组件的剖视图。

图6为本发明的摆臂关节侧视图。

100、摆臂关节，200、机器人本体，201、机器人上盖，300、云台，400、摄像头模组，500、危险气体模组，600、天线，700、急停开关；

10为驱动组件，20为驱动轮组件，30为翻转驱动组件，40为履带，50为从动轮组件，60为履带支撑组件；

31、固定座，32、谐波减速机，33、传动轴，34、第一轴承，35、电机定子，36、电机转子，37、锁紧环，38、螺母，39、套筒，310、第二轴承，311、轴承座，312、编码器读头，313、编码器磁环，314、第三轴承，315、第一骨架油封，316、摆臂座，317、第四轴承，318、第二骨架油封，319、摆臂调节杆，320、泛塞封，321、孔用弹性挡圈；

51、从动轮，52、从动杆；61、滚轮架，62、滚轮。

401、USB摄像头，402、LED聚光灯杯，403、摄像头壳体，404、摄像头固定座；

501、危险气体传感器，502、传感器壳体，503、传感器盖，504、传感器固定座。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明。

图1为本发明的关节式履带机器人的等轴测视图。如图1所示，本发明的关节式履带机器人包括机器人本体200及在机器人本体200下方四角处安装的摆臂关节100，其中机器人本体200整机采用静密封防水防护，具有IP67防护等级；在机器人本体200上方通过螺栓装配有机器人上盖201，通过机器人本体200和机器人上盖201组成本发明的关节式履带机器人的腹部腔体，在该腹部腔体内放置电池、电源板、控制板、驱动板、温度传感器及倾角传感器等。在机器人本体200后侧装配有充电插座和电源开关，电源开关和电源板相连，控制机器人电源通断，在机器人本体后侧中央位置还装配有急停开关700，用于机器人发生紧急情况的时候操作员可以通过快速按下此按钮达到保护措施。

如图1所示，在机器人本体200前后侧均通过螺栓固定安装有摄像头模组400，摄像头模组400如图2所示，包括摄像头壳体403、安装在摄像头壳体403前侧中部的USB摄像头401以及在摄像头壳体403前侧位于USB摄像头401两侧的LED聚光灯杯402；在发明中，在摄像头壳体403前后设计有静密封所用的U型密封槽，USB摄像头401及左右2个LED聚光灯杯402的前方均安装有钢化玻璃，在钢化玻璃前方通过孔用弹性挡圈固定，使得整个模组具备IP67防护性能；在摄像头壳体403的后左右两侧通过螺栓固定有摄像头固定座404，摄像头壳体403通过该摄像头固定座404固定安装在机器人本体200前后侧。

在机器人上盖201上通过螺栓固定有危险气体模组500，如图3所示，危险气体模组500包括传感器固定座503、传感器壳体502以及危险气体传感器501，传感器壳体502的下端面通过螺栓与传感器固定座503固定连接，传感器固定座503与机器人上盖201通过螺栓固定连接，在传感器壳体502的内部装有若干危险气体传感器501。本发明的危险气体模组500位采用模块化设计思路，用于侦察环境中的有毒有害、易燃易爆等危险气体。

如图1所示，在机器人上盖201上位于中央位置处通过螺栓固定安装有旋转及俯仰两个自由度的云台300，实现关节式履带消防侦察机器人全域无死角侦测，云台采用低照度摄像头机芯，拥有20倍光学变焦及16倍数字变焦。

在机器人本体200后侧两端通过螺栓安装有天线600，在本发明中，天线600采用通信弹簧天线，具有一定的抗冲击，抗折弯能力；具体为1.4G图数分离天线。本发明图传采用1400M频率，带宽20MHZ，无线空口码率可以达到10M。在本发明中，天线600的高度离地30cm高度，因控制箱的天线高度离地高度1m，因此图传无线灵敏度可以达到-85dBm,数传采用920M的频段，与图传的频段区分开，并且采用跳频、FEC前向纠错等技术。本发明采用双模式多频段的无线通讯手段保障机器人的通讯的稳定性及可靠性。

图4为本发明的摆臂关节示意图。如图4所示，本发明的摆臂关节100包括驱动组件10、驱动轮组件20、翻转驱动组件30、履带40、从动轮组件50以及履带支撑组件60。

图5为本发明的翻转驱动组件的剖视图。如图5所示，本发明的翻转驱动组件30包括固定座31、谐波减速机32、传动轴33、电机定子35、电机转子36、摆臂座316以及摆臂调节杆319。

其中，固定座31为中空结构，在其中空结构内一端通过螺栓固定安装有谐波减速机32，另一端通过销孔定位安装电机定子35；在固定座31的中空结构内壁位于电机定子35端面处还通过螺栓固定有锁紧环37，用于将电机定子35压紧在固定座31内。本发明通过上述设计的固定座31，可以减少外力撞击固定座31时剪力传到谐波减速及32的固定螺栓上，从而增强了摆臂关节100的可靠性。

在固定座31的中空结构内还穿设有传动轴33，谐波减速机32的输入端通过螺栓与传动轴33末端固定连接，将电机动能通过传动轴33传递到谐波减速机32内部；转动轴33靠近谐波减速机32的一端(即其末端)通过第一轴承34装配在固定座31内，保障传动轴33与固定座31的同心度；传动轴33穿过电机定子35，其外侧壁上与电机定子35相对应位置处通过螺栓固定安装有若干电机转子36，用于防止电机转子36在圆周方向窜动，加强动能传递效率；在传动轴33前端外套设有套筒39，套筒39的端面通过轴用弹性挡圈安装有第二轴承310，第二轴承310的外圈与轴承座311相配合，轴承座311通过螺栓固定安装在固定座31内，轴承座311与固定座31设计同心度配合，保障了电机转子36与电机定子35的同心度，保障电机输出的平稳性。

在本发明中，在轴承座311上还通过螺栓固定有编码器读头312，相对应地，在套筒310外侧壁相对应位置处通过螺栓固定安装有编码器磁环313，通过编码器读头312采集编码器磁环313信息获取得到传动轴33转动角度，进而得到本发明的履带机器人翻转臂翻转角度，通过反馈记录编码器的角度实时读取履带机器人翻转臂的位置姿态。

在本发明中，编码器读头312及编码器磁环313采用的是绝对值编码器读头和绝对值编码器磁环。

在本发明中，在传动轴33外侧壁上位于电机转子36两端均设置有螺纹段，在螺纹段上通过螺纹配合安装有螺母38，以防止电机转子36的轴向窜动。

在谐波减速机32的输出端设置有摆臂座316，如图5所示，摆臂座316也为中空结构，其中空结构包括其中间的减速机安装面及在减速机安装面外设置的轴承安装槽；摆臂座316与固定座31通过螺栓固定连接，其侧壁下端面与固定座31配合形成旋转密封面；其减速机安装面与谐波减速机32的输出法兰通过螺栓固定连接，在其轴承安装槽内安装有第三轴承314；第三轴承314的外圈与固定座31相配合连接，其内圈下部与谐波减速机32的输出法兰相配合连接，内圈上部与摆臂座316的轴承安装槽相配合连接。在本发明中，在第三轴承314外装有第一骨架油封315，第一骨架油封315的外圈与固定座31相配合，其内圈与摆臂座316相配合；在摆臂座316与固定座31之间还设置有泛塞封320，泛塞封320的外圈与摆臂座316相配合，其内圈与固定座31相配合。

在摆臂座316的外侧壁上通过螺栓固定连接有垂直于传动轴33方向的摆臂调节杆319，在摆臂调节杆319上沿垂直传动轴33方向对称设置有若干腰型孔。

在本发明中，在摆臂座316外侧壁为台阶型结构，其在其台阶处沿周向均匀设置有若干凸台，摆臂调节杆319前端开设有与前述凸台相对应的安装槽，摆臂调节杆319安装槽与凸台的配合，再通过螺栓固定安装在摆臂座316的凸台处，通过前述结构设计可以有效地将摆臂调节杆319受到冲击力传递到摆臂座316上，防止固定的螺栓受到剪切力。

本发明的谐波减速机32也为中空结构，传动轴33也为中空结构，在摆臂座316的中心位置装有第四轴承317，第四轴承317通过孔用弹性挡圈321固定连接，其在第四轴承317的外侧装有第二骨架油封318。

如图5、6所示，驱动组件10包括驱动电机及减速机，驱动电机的电机轴与减速机的输入端固定连接，减速机与固定座31通过螺栓固定连接，减速机的输出端与驱动轴输入端通过平键连接。

驱动轮组件20包括驱动轴、驱动轮转接板以及履带驱动轮，驱动轴穿过传动轴33、谐波减速机32及摆臂座316，其输入端通过轴承装配在减速机上，其输出端与第四轴承317相配合。驱动轴的输出端通过花键与驱动轮转接板连接，驱动轮转接板通过螺栓固连有履带驱动轮，履带驱动轮采用链轮。

如图6所示，从动轮组件50包括从动杆52及从动轮51，在从动杆52上设置有相对应的螺孔，从动杆52与摆臂调节杆319通过螺栓固定连接，并通过调整螺栓在摆臂调节杆319上的腰型孔内的位置调整摆臂调节杆319与从动杆52之间的距离；在从动杆52的另一端设置有从动轴承，在从动轴承两侧分别通过孔用弹性挡圈固定；在从动轴承内转动安装有从动轴，在从动轴两端分别固定安装有从动轮51，且从动轴两端的端部分别通过螺栓固定有止窜垫，防止从动轮51轴向窜动。

如图1所示，履带40中部沿周向上设置有与履带驱动轮上齿相对应的齿槽，履带40套设在履带驱动轮及从动轮51外，履带40外侧中部周向上设置的齿槽与履带驱动轮上齿相配合，通过履带驱动轮转动带动履带40运动，进而带动从动轮51转动。在履带40内侧面位于两个从动轮51内的位置处沿周向均匀设置有若干挡条，用于阻挡石子、杂草等进入履带40内部，且两个从动轮51分别挡住履带40挡条外，有效的防止了履带40脱带。

在本发明中，通过调整螺栓在摆臂调节杆319上的腰型孔内的位置调整摆臂调节杆319与从动杆52之间的距离，进而调节履带40的张紧度。

如图6所示，履带支撑组件60包括滚轮架61及滚轮62，滚轮架61有两个，分别通过螺栓固定安装在从动杆52上下两侧，在滚轮架61的面向履带40的端面上沿轴向固定有若干滚轮62，滚轮62与履带40接触，并随着履带40运动而转动。本发明通过滚轮架61固化履带40传动结构的外形，避免履带40在砂石、泥泞、坑洼路面行驶过程中由于履带40受到过度冲击导致履带40被拉长导致脱带现象发生，同时滚轮架61也可以有效阻碍石子、杂草等进入履带40内部。

本发明的工作原理如下：

在本发明的关节式履带机器人在平整的路面或者不需要越障攀爬的时候，本发明分别通过控制各摆臂关节100的翻转驱动组件30使得各摆臂关节100运动至水平位置，然后通过各个摆臂关节100的驱动组件10驱动驱动轮转动进而带动履带运动，从而实现本发明的关节式履带机器人在地面上行走。

而在本发明的关节式履带机器人在需要越障攀爬的时候，分别通过控制各摆臂关节100的翻转驱动组件30进行翻转运动，通过每个摆臂关节100的不同组合控制实现不同的运动状态，在运动过程中通过任意组合提高机器人的高越障和强攀爬性能，摆臂关节100相互协同完成直线行驶、大小转弯、原地转弯、加减速操作等；大小转弯通过速度差完成，原地转弯通过中心差速完成。

本发明的每个摆臂关节采用中空套轴的方式展开设计，中空外部设计为摆臂机构，同时在中空内部狭小空间穿梭出一根驱动轴，此驱动轴作为关节式履带侦察机器人的传动机构，这种设计方式使得侦察机器人人结构布局更加的紧凑、合理，从而实现了机器人模块化设计、轻量化设计等；而且本发明的关节式履带机器人的4个摆臂关节为独立设计，且分别设计有电机进行控制，在控制上可以实现单个关节及多个关节同时控制，通过每个关节的不同组合控制实现不同的运动状态，从而增强了对环境的适应能力，在运动过程中通过任意组合提高机器人的高越障和强攀爬性能，摆臂关节相互协同完成直线行驶、大小转弯、原地转弯、加减速操作等；大小转弯通过速度差完成，原地转弯通过中心差速完成。

关节式履带侦察机器人采用模块化设计思路，以实现强攀爬、高通过性、长航时为基本目标；通过关节式履带侦察机器人机器人平台搭载各种不同载荷单元，控制终端及防护技术等相关辅助部件，来实现现场环境的探测与侦查，并实时将现场画面传输至控制终端。

以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换(如数量、形状、位置等)，这些等同变换均属于本发明的保护范围。

Claims (11)

1.一种关节式履带机器人，其特征在于：包括：

机器人本体，其下方四角处安装有通过翻转电机控制翻转的翻转臂；

所述翻转臂两端分别设置有驱动轮和从动轮，在所述驱动轮和所述从动轮外套设有履带，所述驱动轮通过驱动电机控制转动，进而带动履带运动进行行走。

2.根据权利要求1所述的关节式履带机器人，其特征在于：所述机器人本体内设有控制模块，所述电机与所述驱动电机分别与所述控制模块连接；

所述控制模块根据工作环境分别控制各所述翻转臂的翻转电机和/或驱动电机，实现不同翻转臂的组合控制实现所述关节式履带机器人的不同运动状态。

3.根据权利要求1所述的关节式履带机器人，其特征在于：所述驱动轮为链轮，所述履带中部沿周向上设置有与所述驱动轮上齿相对应的齿槽，所述履带套设在所述驱动轮及所述从动轮外，所述履带外侧中部周向上设置的齿槽与所述驱动轮上齿相配合。

4.根据权利要求3所述的关节式履带机器人，其特征在于：所述从动轮有两个，分别转动安装在所述翻转臂两侧；在所述履带内侧面位于两个所述从动轮内的位置处沿周向均匀设置有若干挡条。

5.根据权利要求1所述的关节式履带机器人，其特征在于：所述翻转电机为设置在固定座内的无框电机，包括电机定子、电机轴及电机转子，所述电机定子固定在所述固定座内，所述电机轴通过轴承安装在所述固定座内，在所述电机轴上与所述电机定子相对应位置处安装有电机转子；所述电机轴与所述翻转臂前端固定连接。

6.根据权利要求5所述的关节式履带机器人，其特征在于：在所述电机轴上固定安装有编码器磁环，在所述固定座内相对应位置处设置有用于采集所述编码器磁环信息获取所述电机轴转动角度的编码器读头。

7.根据权利要求5所述的关节式履带机器人，其特征在于：在所述固定座内与所述电机轴连接有谐波减速机，所述谐波减速机的输出端与所述摆臂前端固定连接；

所述电机轴与所述谐波减速机为中空结构，所述驱动轴穿过所述电机轴及所述谐波减速机与所述驱动轮固定连接。

8.根据权利要求7所述的关节式履带机器人，其特征在于：所述翻转臂还包括摆臂座、摆臂调节杆以及从动杆；

所述摆臂座为中空结构，其与所述谐波减速机的输出端固定连接；所述驱动轴穿过所述摆臂座与所述驱动轮固定连接；

所述摆臂调节杆垂直于所述电机轴方向安装在所述摆臂座的外侧壁上，在所述摆臂调节杆上沿垂直所述传动轴方向对称设置有若干腰型孔；

在所述从动杆上设置有与所述腰型孔相对应的螺孔，所述从动杆与所述摆臂调节杆通过螺栓固定连接，并通过调整所述螺栓在所述腰型孔内的位置调整所述摆臂调节杆与所述从动杆之间的距离；所述从动轮转动安装在所述从动杆末端。

9.根据权利要求1所述的关节式履带机器人，其特征在于：在所述机器人本体前后侧均固定安装有摄像头模组，所述摄像头模组包括摄像头壳体、安装在摄像头壳体前侧中部的USB摄像头以及在摄像头壳体前侧位于USB摄像头两侧的LED聚光灯杯。

10.根据权利要求1所述的关节式履带机器人，其特征在于：在所述机器人本体上固定有危险气体模组，所述危险气体模组包括传感器壳体以及危险气体传感器，所述传感器壳体的下端面固定在所述机器人本体上，在所述传感器壳体的内装有若干危险气体传感器。

11.根据权利要求1所述的关节式履带机器人，其特征在于：在所述机器人本体上位于中央位置处安装有旋转及俯仰两个自由度的云台。

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