CN113146601B - 一种可爬杆的模块化机器人 - Google Patents

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Abstract

本发明是一种可爬杆的模块化机器人，包括第一机架，第二机架，第三机架，两个麦克纳姆轮和连接装置，第一机架和第二机架铰接，由动力机驱动可以发生相对旋转，第二机架，第三机架通过滑轨方式连接，由动力机驱动可以发生相对滑动，第一麦克纳姆轮安装在第一机架上，由动力机驱动，其旋转轴指向第一机架和第二机架的排列方向，第二麦克纳姆轮安装在转动架上，由动力机驱动，其旋转轴垂直于第一机架和第二机架的排列方向，第一麦克纳姆轮和第二麦克纳姆轮的小滚子的转动方向均和旋转轴垂直，连接装置用于实现相邻模块化机器人的连接。本发明通过三部分机架的自由度配置和麦克纳姆轮的应用，实现机器人灵活的单体运动和多体运动。

Description

一种可爬杆的模块化机器人
技术领域
本发明涉及模块化机器人技术领域，具体的说是一种可爬杆的模块化机器人。
背景技术
不同于传统机器人的功能单一化，模块化机器人根据功能进行模块化设计，便于根据需要自由组合，是机器人发展的一个方向。现有的模块化机器人的设计主要有两个方向，一个是追求单个机器人模块结构尽可能的精简，这种方法使得单个模块的运动能力降低；另一个是尽可能提高单个机器人模块的运动性能，这种方法又会使得机器人的结构复杂。此外，现有的模块化机器人无法通过简单的控制实现带有分支的杆状物的攀爬。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种可爬杆的模块化机器人，用于克服现有模块化机器人单体运动性能差或结构复杂的缺点，且能够通过简单的控制攀爬带有分支的杆状物。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
一种可爬杆的模块化机器人，其特征在于：包括第一机架、第二机架和第三机架；所述的第一机架一端通过铰接轴与第二机架一端铰接，所述的第二机架另一端与第三机架滑动连接；
所述的第一机架中部安装有第一麦克纳姆轮，所述的第一麦克纳姆轮的中心轴与第一机架中心轴同轴，所述的第一麦克纳姆轮转动时用于带动第一机架沿垂直于第一机架中心轴的方向移动；
所述的第二机架中部设置有第二麦克纳姆轮，所述的第二麦克纳姆轮的中心轴与第二机架中心轴相互垂直，第二麦克纳姆轮的中心轴安装在转动架上，所述的转动架中心轴与第二机架中心轴同轴，所述的转动架转动时用于带动第二麦克纳姆轮与摩擦面接触，所述的第二麦克纳姆轮转动时用于带动第二机架沿平行于第二机架中心轴的方向移动；
所述的第三机架相对于第二机架的滑动方向与铰接轴轴向平行，所述的第一机架远离铰接轴一端边缘弧形处理形成缺角边，所述的第三机架远离第二机架一端边缘弧形处理形成缺角边。
所述的第一机架远离铰接轴一端的端面设置有卡扣，所述的第三机架远离铰接轴一端的端面设置有卡槽，所述的第一机架端面的卡扣用于嵌入相邻第三机架端面的卡槽实现第一机架和相邻第三机架之间的可拆卸连接。
所述的铰接轴同轴固定有第二正齿轮，所述的第二正齿轮与第一正齿轮啮合，所述的第一正齿轮与第一动力机的输出轴端部同轴传动连接。
所述的第一麦克纳姆轮一侧端面固定安装有第四正齿轮，所述的第四正齿轮与第一麦克纳姆轮同心设置，所述的第四正齿轮与第三正齿轮啮合，所述的第三正齿轮与第三动力机的输出轴端部同轴传动连接。
所述的第三机架靠近第二机架一侧固定安装有齿条，所述的第三机架靠近第二机架一侧通过滑轨嵌入导向槽与第二机架滑动连接，所述的导向槽规定安装在第二机架端面，所述的齿条的延伸方向与导向槽的延伸方向一致，所述的齿条与第二正齿轮组啮合，所述的第二正齿轮组通过同步带与第一正齿轮组传动，所述的第一正齿轮组与第二动力机的输出轴传动连接。
所述的转动架的旋转轴与第二机架的中心轴同心设置，所述的转动架的旋转轴与第六动力机传动连接，所述的第二麦克纳姆轮的中心轴安装在转动架中部，所述的转动架的旋转轴与第二麦克纳姆轮的中心轴垂直，所述的第二麦克纳姆轮的中心轴与第五动力机传动连接；
所述的第六动力机带动转动架转动时用于改变第二麦克纳姆轮的倾角。
所述的第二机架外壁周围沿周向均匀设置有若干个万向轮。
所述的第一机架远离铰接轴一端设置有第四动力机和不少于两组卡扣，每组卡扣均与一根连杆的一端可转动连接，该根连杆的另一端与传动轴一端可转动连接，传动轴另一端与第四动力机输出轴垂直连接，所述的卡扣嵌入滑动槽内，所述的滑动槽设置在第一机架远离铰接轴一端端面，所述的第四动力机输出轴转动时通过传动轴和连杆带动卡扣在滑动槽内往复运动。
该种可爬杆的模块化机器人能够达到的有益效果为：能够实现模块化机器人灵活的单体运动和多体运动。既能够实现机器人在平面内的任意方向的运动，还能够通过机架的缺角设计，利用机架的自由度实现了机器人触地面的调整。进一步还能够通过多个模块化机器人的组合，完成在柱状结构和梯状结构上的攀爬运动。
附图说明
图1是本发明一种可爬杆的模块化机器人的立体图。
图2是本发明一种可爬杆的模块化机器人的正视图。
图3是本发明一种可爬杆的模块化机器人的右视图。
图4是本发明一种可爬杆的模块化机器人的俯视图。
图5是本发明一种可爬杆的模块化机器人内部结构的示意图。
图6是本发明一种可爬杆的模块化机器人的对接机构的示意图。
图7是本发明一种可爬杆的模块化机器人处于第一机架和第二机架的铰接轴和地面平行的状态的示意图。
图8是本发明一种可爬杆的模块化机器人从第一机架和第二机架的铰接轴和地面平行的状态转变为第一机架和第二机架的铰接轴和地面垂直的状态的示意图。
图9是本发明一种可爬杆的模块化机器人从第一机架和第二机架的铰接轴和地面平行的状态转变为第一机架和第二机架的铰接轴和地面垂直的状态的示意图的右视图。
图10是本发明一种可爬杆的模块化机器人处于第一机架和第二机架的铰接轴和地面垂直的状态的示意图。
图11是本发明一种可爬杆的模块化机器人处于第一机架和第二机架的铰接轴和地面垂直的状态时的转向运动示意图。
图12是本发明一种可爬杆的模块化机器人处于第一机架和第二机架的铰接轴和地面垂直的状态时的横移运动示意图。
图13是本发明一种可爬杆的模块化机器人从第一机架和第二机架的铰接轴和地面垂直的状态转变为第一机架和第二机架的铰接轴和地面平行的状态的示意图。
图14是本发明多个处于第一机架和第二机架的铰接轴和地面平行的状态的可爬杆的模块化机器人台阶攀爬示意图。
图15是本发明多个处于第一机架和第二机架的铰接轴和地面垂直的状态的可爬杆的模块化机器人台阶攀爬示意图。
图16是本发明可爬杆的模块化机器人攀爬具有单个分支的杆状物的示意图。
图17是本发明可爬杆的模块化机器人攀爬具有两个处于水平位置的分支的杆状物的示意图。
说明书附图说明：1、第一机架，2、第二机架，3、第三机架，4、第一动力机，5、第一正齿轮，6、第二正齿轮,7、第二动力机，8、第一正齿轮组，9、同步带，10、第二正齿轮组，11、齿条，12、第一麦克纳姆轮，13、第三动力机，14、第三正齿轮，15、第四正齿轮，16、第四动力机，17、传动轴，18、连杆，19、卡扣，20、滑动槽，21、第二麦克纳姆轮，22、第五动力机，23、转动架，24、第六动力机，25、万向轮，26、卡槽。
具体实施方式
以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本发明作进一步描述。
一种可爬杆的模块化机器人，如图1至图5所示，包括第一机架1、第二机架2和第三机架3；所述的第一机架1一端通过铰接轴与第二机架2一端铰接，所述的第二机架2另一端与第三机架3滑动连接；
所述的第一机架1中部安装有第一麦克纳姆轮12，所述的第一麦克纳姆轮12的中心轴与第一机架1中心轴同轴，所述的第一麦克纳姆轮12转动时用于带动第一机架1沿垂直于第一机架1中心轴的方向移动；
所述的第二机架2中部设置有第二麦克纳姆轮21，所述的第二麦克纳姆轮21的中心轴与第二机架2中心轴相互垂直，第二麦克纳姆轮21的中心轴安装在转动架23上，所述的转动架23中心轴与第二机架2中心轴同轴，所述的转动架23转动时用于带动第二麦克纳姆轮21与摩擦面接触，所述的第二麦克纳姆轮21转动时用于带动第二机架2沿平行于第二机架2中心轴的方向移动；
所述的第三机架3相对于第二机架2的滑动方向与铰接轴轴向平行，所述的第一机架1远离铰接轴一端边缘弧形处理形成缺角边，所述的第三机架3远离第二机架2一端边缘弧形处理形成缺角边。
本实施例中，第一机架1远离铰接轴一端的端面设置有卡扣19，所述的第三机架3远离铰接轴一端的端面设置有卡槽26，所述的第一机架1端面的卡扣19用于嵌入相邻第三机架3端面的卡槽26实现第一机架1和相邻第三机架3之间的可拆卸连接。
进一步的，如图6所示，第一机架1远离铰接轴一端设置有第四动力机16和四组卡扣19，每组卡扣19均与一根连杆18的一端可转动连接，该根连杆的另一端与传动轴17一端可转动连接，传动轴17另一端与第四动力机16输出轴垂直连接，连杆18、传动轴17和卡扣19形成曲柄连杆机构，所述的卡扣19嵌入滑动槽20内，所述的滑动槽20设置在第一机架1远离铰接轴一端端面，所述的第四动力机16输出轴转动时通过传动轴17和连杆18带动卡扣19在滑动槽20内往复运动。当第一机架1和相邻第三机架3端部结合时，其对接过程为驱动一个模块化机器人的第一机架1上的对接公口的第四动力机16，通过传动轴17，连杆18使卡扣19沿滑动槽20向聚拢方向移动，从而使公口处于可对接的状态，使该模块化机器人的对接公口和另一个模块化机器人的第三机架3上的对接母口对齐贴合，从而使对接公口的卡扣19插入对接母口的卡槽26内，驱动对接公口的第四动力机16沿反方向转动，通过传动轴17，连杆18使卡扣19沿滑动槽20向分散方向移动，从而使公口处于锁死的状态，完成对接。
本实施例中，铰接轴同轴固定有第二正齿轮6，所述的第二正齿轮6与第一正齿轮5啮合，所述的第一正齿轮5与第一动力机4的输出轴端部同轴传动连接。
本实施例中，第一麦克纳姆轮12一侧端面固定安装有第四正齿轮15，所述的第四正齿轮15与第一麦克纳姆轮12同心设置，所述的第四正齿轮15与第三正齿轮14啮合，所述的第三正齿轮14与第三动力机的输出轴端部同轴传动连接。
本实施例中，第三机架3靠近第二机架2一侧固定安装有齿条11，所述的第三机架3靠近第二机架2一侧通过滑轨嵌入导向槽与第二机架2滑动连接，所述的导向槽规定安装在第二机架2端面，所述的齿条11的延伸方向与导向槽的延伸方向一致，所述的齿条11与第二正齿轮组10啮合，所述的第二正齿轮组10通过同步带9与第一正齿轮组8传动，所述的第一正齿轮组8与第二动力机7的输出轴传动连接。
本实施例中，转动架23的旋转轴与第二机架2的中心轴同心设置，所述的转动架23的旋转轴与第六动力机24传动连接，所述的第二麦克纳姆轮21的中心轴安装在转动架23中部，所述的转动架23的旋转轴与第二麦克纳姆轮21的中心轴垂直，所述的第二麦克纳姆轮21的中心轴与第五动力机22传动连接；第六动力机24带动转动架23转动时用于改变第二麦克纳姆轮21的倾角。
本实施例中，第二机架2外壁周围沿周向均匀设置有若干个万向轮25，用于和第一麦克纳姆轮12与第二麦克纳姆轮21共同支撑机器人。
该种可爬杆的模块化机器人的多种使用状态如下：
如图7所示，第一机架1和第二机架2的铰接轴和地面平行，在这种状态下，驱动第六动力机24使安装在转动架23上的第二麦克纳姆轮21的转动轴和地面平行，驱动麦克纳姆轮二21可以实现该种状态下的前进运动，第一驱动麦克纳姆轮12可以实现该种状态下的转向运动。
如图8和图9所示，利用第一机架1和第三机架3端部采用缺角设计，通过驱动机第一机架1和第二机架2的铰接轴转动使得第一机架1和第三机架3的缺角边和地面接触，从而使机器人倾斜摔倒而变成第一机架1和第二机架2的铰接轴和地面垂直的状态。
如图10所示，第一机架1和第二机架2的铰接轴和地面处于垂直的状态时，驱动第六动力机24使安装在转动架23上的第二麦克纳姆轮21的转动轴和地面平行，第二驱动麦克纳姆轮21可以实现该种状态下的前进运动。
如图11所示，第一机架1和第二机架2的铰接轴和地面处于垂直的状态时，由于第二机架2周围安装有万向轮25，通过铰接轴的转动能够实现第二机架2朝向的改变，可以配合第一麦克纳姆轮12实现该状态下的转向运动。
如图12所示，第一机架1和第二机架2的铰接轴和地面处于垂直的状态时，通过铰接轴控制第一机架1和第二机架2处于相互垂直的状态，此时，第一麦克纳姆轮12和第二麦克纳姆轮21的朝向相同，驱动第一麦克纳姆轮12和第二麦克纳姆轮21可以实现模块化机器人的横向或其他方向的移动。
如图13所示，当第一机架1和第二机架2的铰接轴和地面处于垂直的状态时，利用第一机架1和第三机架3采用缺角设计，通过驱动第三机架3和第二机架2相对滑动，使第二机架2抬离地面，第一机架1和第三机架3的缺角边和地面接触，从而使机器人因倾斜摔倒而变成第一机架1和第二机架2的铰接轴和地面平行的状态。
当多个处于第一机架1和第二机架2的铰接轴和地面垂直状态的可爬杆的模块化机器人相互连接进行台阶攀爬时，如图14所示，通过协调驱动位于前面的模块化机器人的连接第一机架1和第二机架2的铰接轴，使位于前面的模块化机器人抬离地面并等高于台阶，驱动台阶下地面上的模块化机器人的第二麦克纳姆轮21，使抬起模块化机器人移动到台阶上，继续协调驱动模块化机器人的连接第一机架1和第二机架2的铰接轴，使后面的模块化机器人和台阶等高，驱动台阶上和台阶下地面上的模块化机器人的第二麦克纳姆轮21，使抬起模块化机器人移动到台阶上，位于后端的模块化机器人只需协调驱动位于后的模块化机器人的连接第一机架1和第二机架2的铰接轴，使位于后面的模块化机器人抬离地面并等高于台阶，驱动台阶上的模块化机器人的第二麦克纳姆轮21，即可使后面的模块化机器人移动到台阶上，从而完成多个模块化机器人的台阶攀爬。
当多个处于第一机架1和第二机架2的铰接轴和地面平行状态的可爬杆的模块化机器人相互连接进行台阶攀爬时，如图15所示，驱动位于前面的模块化机器人的第三机架3向上移动，使前端的机器人和台阶等高，驱动台阶下地面上的模块化机器人的第二麦克纳姆轮21，使前端机器人移动到台阶上，继续驱动后面的模块化机器人的第三机架3向上移动，使后面的机器人和台阶等高，驱动台阶上和台阶下地面上的模块化机器人的第二麦克纳姆轮21，使后面的机器人移动到台阶上，位于后端的模块化机器人只需驱动后端的模块化机器人的第三机架3向上移动，使后端的机器人和台阶等高，驱动台阶上的模块化机器人的第二麦克纳姆轮21，使前后端的机器人移动到台阶上，从而完成多个模块化机器人的台阶攀爬。
当多个模块化机器人环抱具有单个分支的杆状物进行攀爬时，如图16所示，多个处于第一机架1和第二机架2的铰接轴和地面垂直的状态的可爬杆的模块化机器人通过对接装置连接在一起，环绕在杆状物上，通过驱动第一麦克纳姆轮12可以使机器人沿杆状物上下移动，驱动第二麦克纳姆轮21可以使机器人绕杆状物转动，当遇到分支挡住去路时，只需驱动第二麦克纳姆轮21使机器人绕杆状物转动对接装置和分支对齐时，断开对齐的对接装置，用其余的模块化机器人抱住杆状物，驱动第一麦克纳姆轮12使机器人沿杆状物继续上下移动，从而通过分支。
当多个模块化机器人环抱具有两个处于水平位置的分支的杆状物进行攀爬时，如图17所示，多个处于第一机架1和第二机架2的铰接轴和地面垂直的状态的可爬杆的模块化机器人通过对接装置连接在一起，当遇到两个处于水平位置的分支挡住去路时，驱动第二麦克纳姆轮21使机器人绕杆状物转动对接装置和一侧的分支对齐时，断开对齐的对接装置，驱动第三机架3和第一麦克纳姆轮12沿机器人运动方向移动，使断开位置的模块化机器人通过一侧的分支，重新对接断开的对接装置，利用相同的方法使模块化机器人通过另一侧的分支。
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种可爬杆的模块化机器人，其特征在于：包括第一机架（1）、第二机架（2）和第三机架（3）；所述的第一机架（1）一端通过铰接轴与第二机架（2）一端铰接，所述的第二机架（2）另一端与第三机架（3）滑动连接；
所述的第一机架（1）中部安装有第一麦克纳姆轮（12），所述的第一麦克纳姆轮（12）的中心轴与第一机架（1）中心轴同轴，所述的第一麦克纳姆轮（12）转动时用于带动第一机架（1）沿垂直于第一机架（1）中心轴的方向移动；
所述的第二机架（2）中部设置有第二麦克纳姆轮（21），所述的第二麦克纳姆轮（21）的中心轴与第二机架（2）中心轴相互垂直，第二麦克纳姆轮（21）的中心轴安装在转动架（23）上，所述的转动架（23）中心轴与第二机架（2）中心轴同轴，所述的转动架（23）转动时用于带动第二麦克纳姆轮（21）与摩擦面接触，所述的第二麦克纳姆轮（21）转动时用于带动第二机架（2）沿平行于第二机架（2）中心轴的方向移动；
所述的第三机架（3）相对于第二机架（2）的滑动方向与铰接轴轴向平行，所述的第一机架（1）远离铰接轴一端边缘弧形处理形成缺角边，所述的第三机架（3）远离第二机架（2）一端边缘弧形处理形成缺角边。
2.如权利要求1所述的一种可爬杆的模块化机器人，其特征在于：所述的第一机架（1）远离铰接轴一端的端面设置有卡扣（19），所述的第三机架（3）远离铰接轴一端的端面设置有卡槽（26），所述的第一机架（1）端面的卡扣（19）用于嵌入相邻第三机架（3）端面的卡槽（26）实现第一机架（1）和相邻第三机架（3）之间的可拆卸连接。
3.如权利要求1所述的一种可爬杆的模块化机器人，其特征在于：所述的铰接轴同轴固定有第二正齿轮（6），所述的第二正齿轮（6）与第一正齿轮（5）啮合，所述的第一正齿轮（5）与第一动力机（4）的输出轴端部同轴传动连接。
4.如权利要求1所述的一种可爬杆的模块化机器人，其特征在于：所述的第一麦克纳姆轮（12）一侧端面固定安装有第四正齿轮（15），所述的第四正齿轮（15）与第一麦克纳姆轮（12）同心设置，所述的第四正齿轮（15）与第三正齿轮（14）啮合，所述的第三正齿轮（14）与第三动力机的输出轴端部同轴传动连接。
5.如权利要求1所述的一种可爬杆的模块化机器人，其特征在于：所述的第三机架（3）靠近第二机架（2）一侧固定安装有齿条（11），所述的第三机架（3）靠近第二机架（2）一侧通过滑轨嵌入导向槽与第二机架（2）滑动连接，所述的导向槽规定安装在第二机架（2）端面，所述的齿条（11）的延伸方向与导向槽的延伸方向一致，所述的齿条（11）与第二正齿轮组（10）啮合，所述的第二正齿轮组（10）通过同步带（9）与第一正齿轮组（8）传动，所述的第一正齿轮组（8）与第二动力机（7）的输出轴传动连接。
6.如权利要求1所述的一种可爬杆的模块化机器人，其特征在于：所述的转动架（23）的旋转轴与第二机架（2）的中心轴同心设置，所述的转动架（23）的旋转轴与第六动力机（24）传动连接，所述的第二麦克纳姆轮（21）的中心轴安装在转动架（23）中部，所述的转动架（23）的旋转轴与第二麦克纳姆轮（21）的中心轴垂直，所述的第二麦克纳姆轮（21）的中心轴与第五动力机（22）传动连接；
所述的第六动力机（24）带动转动架（23）转动时用于改变第二麦克纳姆轮（21）的倾角。
7.如权利要求1所述的一种可爬杆的模块化机器人，其特征在于：所述的第二机架（2）外壁周围沿周向均匀设置有若干个万向轮（25）。
8.如权利要求2所述的一种可爬杆的模块化机器人，其特征在于：所述的第一机架（1）远离铰接轴一端设置有第四动力机（16）和不少于两组卡扣（19），每组卡扣（19）均与一根连杆（18）的一端可转动连接，该根连杆的另一端与传动轴（17）一端可转动连接，传动轴（17）另一端与第四动力机（16）输出轴垂直连接，所述的卡扣（19）嵌入滑动槽（20）内，所述的滑动槽（20）设置在第一机架（1）远离铰接轴一端端面，所述的第四动力机（16）输出轴转动时通过传动轴（17）和连杆（18）带动卡扣（19）在滑动槽（20）内往复运动。
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