CN113682082B - 一种变形轮式移动机器人的行走机构 - Google Patents

Abstract

一种变形轮式移动机器人的行走机构，属于移动机器人技术领域。所述变形轮式移动机器人的行走机构包括底座以及设置于所述底座的偶数个变形星轮机构，变形星轮机构包括箱体以及设置于箱体的驱动轮机构和变形翻转机构，驱动轮机构包括驱动器一，驱动器一的输出端与传动轴一连接，传动轴一套装有齿轮三，齿轮三的周向连接有若干个带有驱动轮的齿轮传动组件，以实现行走机构快速行走，变形翻转机构包括驱动器二以及与驱动器二通过齿带棘轮组件连接的四杆机构，以实现变形星轮机构半径调节及翻越障碍。所述变形轮式移动机器人的行走机构通过改变星架半径的大小，提高了越障能力，降低了整体功耗。

Description

一种变形轮式移动机器人的行走机构

技术领域

本发明涉及移动机器人技术领域，具体涉及一种轮足式行走机构-星轮行走机构，特别涉及一种变形轮式移动机器人的行走机构。

背景技术

现有星轮行走机构的越障能力是受限于星轮半径(即驱动轮轴线到星轮中心轴线的距离)的，为了跨越更大的、更高的障碍，现有的解决方案往往只是使用更大的驱动轮，或者把星架半径设计得更大，又或者增加驱动轮的数目。现有的解决方案存在的问题是：要带动更大、更多的驱动轮，更大星架半径的行走机构，需要更大的转矩，这就需要消耗更大的功率。

现有星轮行走机构遇到一些较小障碍时，驱动轮会被堵住不能转动，此时由于齿轮传动的特性，会带动星轮整体翻转，以翻越障碍，这种翻越的前提是驱动轮被堵住不转动，但是这种情况是不可控的，驱动轮有可能打滑，这就会导致星轮整体不能翻转，也就不能翻越障碍，因此，急需一种能够主动控制星轮整体翻转的的行走机构。

发明内容

为了解决现有技术存在的技术问题，本发明提供了一种变形轮式移动机器人的行走机构，其通过改变星架半径的大小，提高了越障能力，降低了整体功耗。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是：

一种变形轮式移动机器人的行走机构，包括底座以及设置于所述底座的偶数个变形星轮机构，所述变形星轮机构包括箱体以及设置于箱体的驱动轮机构和变形翻转机构；

所述驱动轮机构包括驱动器一，所述驱动器一的输出端与传动轴一连接，所述传动轴一套装有齿轮三，所述齿轮三的周向连接有若干个带有驱动轮的齿轮传动组件，以实现行走机构快速行走；

所述变形翻转机构包括驱动器二以及与所述驱动器二通过齿带棘轮组件连接的四杆机构，以实现变形星轮机构半径调节及翻越障碍。

进一步的，所述齿轮传动组件包括套设在中间轴上的中间齿轮，所述中间齿轮与所述齿轮三啮合，所述中间齿轮还与套设在传动轴三上的齿轮一啮合，所述传动轴三上还套设有带轮二；所述传动轴三通过两根连杆一与传动轴四转动连接，所述传动轴四上套设有驱动轮和带轮一，所述带轮一与带轮二通过同步带连接。

进一步的，所述齿带棘轮组件包括设置于箱体的齿带棘轮、传动轴二和齿轮二，所述齿带棘轮包括固定连接的齿轮四和带轮三，所述带轮三内部设置有棘轮和若干个棘齿，所述齿带棘轮转动设置于所述箱体；所述棘轮固定设置于所述箱体，若干个所述棘齿均匀安装于所述带轮三的内部，所述带轮三通过同步带与所述驱动器二输出端的小带轮连接；所述齿轮四与齿轮二啮合，所述齿轮二套设于所述传动轴二。

进一步的，所述四杆机构包括连杆三，所述连杆三的一端固定安装在所述传动轴二上，所述连杆三的另一端转动安装在中间杆二上，所述中间杆二还与连杆二的一端转动连接，所述连杆二的另一端与中间杆一转动连接，所述中间杆一转动设置于两根连杆一。

进一步的，所述变形轮式移动机器人的行走机构还包括缓冲限位结构，所述缓冲限位结构固定设置于两根所述连杆一之间的方形杆，所述方形杆通过弹簧与箱体外部连接。

进一步的，所述箱体通过隔板分隔成左箱体和右箱体，所述隔板为固定有空心凸轴的平板结构，所述空心凸轴位于所述右箱体内部，所述空心凸轴的内部穿过有所述传动轴一；所述空心凸轴的外部与所述齿带棘轮转动连接，所述空心凸轴的端部固连所述棘轮。

进一步的，所述两根连杆一的一端转动设置于所述驱动轮的两侧，所述两根连杆一的另一端转动设置于所述左箱体外部的两侧。

进一步的，所述传动轴二与中间轴同轴设置，所述传动轴二和中间轴相互靠近的一端共用一个滚动轴承。

进一步的，所述驱动器一为步进电机，所述驱动器二为减速步进电机。

优选的，齿轮传动组件和四杆机构均分别设置有三组。

本发明的有益效果：

1)本发明通过改变星架半径的大小，既实现越障能力的提高，又降低了整体功耗；当遇到小障碍时，星架半径变小，使用小转矩就可以跨越障碍，功耗较低；当遇到大障碍时，星架半径变大，使用大转矩跨越障碍，功耗较高；而翻越障碍后，星架半径变小，恢复到低功耗的状态；

2)本发明解决了现有星轮行走机构越障时“星轮半径小时功耗小但越障能力差，星轮半径大时越障能力强但功耗大-功耗低与越障能力强不可兼得”’的技术问题。

本发明的其他特征和优点将在下面的具体实施方式中部分予以详细说明。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种变形轮式移动机器人的行走机构的装配图；

图2是本发明实施例提供的变形星轮机构的整体装配图；

图3是本发明实施例提供的变形星轮机构的剖视示意图；

图4是本发明实施例提供的传动轴四处的剖视图；

图5是本发明实施例提供的传动轴三处的剖视图；

图6是本发明实施例提供的齿带棘轮的结构示意图；

图7是本发明实施例提供的连杆二处的安装图；

图8是本发明实施例提供的方形杆处的安装图；

图9是本发明实施例提供的传动轴一和传动轴二处的剖视图；

图10是本发明实施例提供的隔板的结构示意图；

图11是本发明实施例提供的变形星轮机构的两个极限状态的示意图，其中，(a)为极限收缩状态；(b)为极限展开状态。

说明书附图中的附图标记包括：

1-变形星轮机构，2-步进电机，3-减速步进电机，4-底座，5-驱动轮，6-带轮一，7-方形杆，8-带轮二，9-左箱体，10-隔板，11-右箱体，12-空心凸轴，13-弹簧座一，14-弹簧，15-弹簧座二，16-传动轴四，17-连杆一，18-中间杆一，19-连杆二，20-连杆三，21-中间杆二，22-棘轮盖，23-齿带棘轮，24-齿轮四，25-带轮三，26-传动轴一，27-传动轴二，28-传动轴三，29-齿轮一，30-齿轮二，31-中间齿轮，32-齿轮三，33-棘轮，34-棘齿，35-滚动轴承，36-垫圈，37-螺母，38-滑动轴承，39-螺钉，40-中间轴。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“一”、“二”、“三”、“四”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

为了解决现有技术存在的问题，如图1至图11所示，本发明提供了一种变形轮式移动机器人的行走机构，包括底座4以及设置于底座4的偶数个变形星轮机构1，变形星轮机构1包括箱体以及设置于箱体的驱动轮机构和变形翻转机构；

驱动轮机构包括驱动器一，驱动器一的输出端与传动轴一26连接，传动轴一26套装有齿轮三32，齿轮三32的周向连接有若干个带有驱动轮5的齿轮传动组件，以实现行走机构快速行走；

变形翻转机构包括驱动器二以及与驱动器二通过齿带棘轮组件连接的四杆机构，以实现变形星轮机构1半径调节及翻越障碍。

本实施例中，齿轮三32通过键连接固定安装在传动轴一26上。

如图2和图3所示，齿轮传动组件包括套设在中间轴40上的中间齿轮31，中间齿轮31与齿轮三32啮合，中间齿轮31还与套设在传动轴三28上的齿轮一29啮合，传动轴三28上还套设有带轮二8；传动轴三28通过两根连杆一17与传动轴四16转动连接，传动轴四16上套设有驱动轮5和带轮一6，带轮一6与带轮二8通过同步带连接。

本实施例中，如图4和图5所示，驱动轮5和带轮一6均通过键连接形式固定安装在传动轴四16上，两根连杆一17位于驱动轮5的两侧，左右各一根，连杆一17的一端均通过滚动轴承35以转动副形式安装在传动轴四16上，连杆一17的另一端则通过滑动轴承38安装在传动轴三28上，实际使用时，传动轴四16上设置有有若干个垫圈36，以实现轴向定位以及轴承预紧，传动轴四16的两端均用双螺母37拧紧限制位移，双螺母37可以有效防止松动。传动轴三28外设置有齿轮一29和带轮二8，齿轮一29和带轮二8均通过键连接形式固定安装在传动轴三28上，两根连杆一17位于左箱体9和隔板10外部的两侧，左右各一根，连杆一17的另一端均通过滑动轴承38以转动副形式安装在传动轴三28上，由于安装空间较小、滚动轴承35占用空间较大，因此，在满足传动效率的基础上，选用滑动轴承38，实际使用时，传动轴三28上设置有有若干个垫圈36，以实现轴向定位以及轴承预紧，传动轴三28的两端均用双螺母37拧紧限制位移，双螺母37可以有效防止松动。中间齿轮31通过键连接形式固定安装在中间轴40上。

如图2、图3和图5所示，齿带棘轮组件包括设置于箱体的齿带棘轮23、传动轴二27和齿轮二30，齿带棘轮23包括固定连接的齿轮四24和带轮三25，带轮三25内部设置有棘轮33和若干个棘齿34，齿带棘轮23转动设置于箱体；棘轮33固定设置于箱体，若干个棘齿34均匀安装于带轮三25的内部，带轮三25通过同步带与驱动器二输出端的小带轮连接；齿轮四24与齿轮二30啮合，齿轮二30套设于传动轴二27。

本实施例中，齿带棘轮组件还设置有棘轮盖22，棘轮盖22则通过四个螺钉39固定安装在齿带棘轮23上。齿带棘轮23通过两个滑动轴承38以转动副形式安装在隔板10的空心凸轴12上，四个棘齿34圆周均布安装在齿带棘轮23的带轮三25上，棘轮33通过双键连接固定安装在隔板10的空心凸轴12上，以螺母37限位。齿轮二30通过键连接形式固定安装在传动轴二27上。

如图2和图7所示，四杆机构包括连杆三20，连杆三20的一端固定安装在传动轴二27上，连杆三20的另一端转动安装在中间杆二21上，中间杆二21还与连杆二19的一端转动连接，连杆二19的另一端与中间杆一18转动连接，中间杆一18转动设置于两根连杆一17。

本实施例中，连杆三20的一端以D形孔固定安装在传动轴二27上，两侧用开口销限制连杆三20左右位移；中间杆一18以转动副形式安装在两根连杆一17上，中间杆一18的两端均用双螺母37限制位移；中间杆一18通过滑动轴承38以转动副形式安装在连杆二19的另一端，并使用双螺母37限制连杆二19位移；中间杆二21通过滑动轴承38以转动副形式安装在连杆二19的一端，并使用双螺母37限制连杆二19位移，同时为了使转动时不发生干涉，使用垫圈36定位；连杆三20以转动副形式安装在中间杆二21上。

如图2和图8所示，变形轮式移动机器人的行走机构还包括缓冲限位结构，缓冲限位结构固定设置于两根连杆一17之间的方形杆7，方形杆7通过弹簧14与箱体外部连接。

本实施例中，方形杆7通过方形孔固定安装在两根连杆一17上，方形杆7的两端均通过双螺母37限制位移，箱体外部上通过螺钉39固定安装有弹簧座一13，方形杆7上通过螺钉39固定安装有弹簧座二15，弹簧14的一端通过螺栓连接在弹簧座一13上，弹簧14的另一端通过螺栓连接在弹簧座二15上。

如图9和图10所示，箱体通过隔板10分隔成左箱体9和右箱体11，隔板10为固定有空心凸轴12的平板结构，空心凸轴12位于右箱体11内部，空心凸轴12的内部穿过有传动轴一26；空心凸轴12的外部与齿带棘轮23转动连接，空心凸轴12的端部固连棘轮33。

本实施例中，如图2、图9和图10所示，左箱体9、隔板10和右箱体11通过呈圆周均匀分布的三组螺栓螺母37安装固定在一起，隔板10固设于左箱体9和右箱体11之间。传动轴一26通过一对滚动轴承35以转动副形式安装在箱体上，左右分别是左箱体9和右箱体11；传动轴三28分别左箱体9和隔板10转动连接，传动轴三28通过一对滚动轴承35以转动副形式安装在左箱体9和隔板10上；中间轴40通过一对滚动轴承35以转动副形式安装在左箱体9和隔板10上，传动轴二27通过一对滚动轴承35以转动副形式安装在隔板10和右箱体11上，中间轴40和传动轴二27在隔板10处共用一个滚动轴承35。

作为优选实施例，驱动器一为步进电机2，驱动器二为减速步进电机3，在行走机构安装时，步进电机2和减速步进电机3均通过电机座安装在底座4上，传动轴一26通过轴承座安装在底座4上，步进电机2与传动轴一26通过联轴器相连；减速步进电机3轴直接安装小带轮，小带轮通过同步带与齿带棘轮23的带轮三25连接。

作为优选实施例，两根连杆一17的一端转动设置于驱动轮5的两侧，两根连杆一17的另一端转动设置于左箱体9外部的两侧。

作为优选实施例，传动轴二27与中间轴40同轴设置，传动轴二27和中间轴40相互靠近的一端共用一个滚动轴承35。

作为优选实施例，，齿轮传动组件和四杆机构均分别设置有三组。

本发明一种变形轮式移动机器人的行走机构的工作原理：

(1)驱动轮5的转动，用以在平地或较平整路段行走时获得较快的行驶速度：

动力由固定安装在底座4上的步进电机2通过联轴器传递到传动轴一26，经过通过键连接固定安装在传动轴一26上的齿轮三32传递到中间齿轮31再传递齿轮一29，由于齿轮一29和带轮二8都是通过键连接固定安装在传动轴三28上，所以可以接着传递到带轮二8，然后通过同步带传递到带轮一6，同理，由于带轮二8和驱动轮5都是通过键连接固定安装在传动轴四16上，所以可以传递到驱动轮5，最终驱动轮5转动。

(2)变形机构运动，用以改变星架半径的大小：

动力由安装在底座4上的减速步进电机3直接连接小带轮顺时针旋转通过同步带传递到齿带棘轮23，再由齿带棘轮23的齿轮四24传递到齿轮二30，齿轮二30通过键连接固定安装在传动轴二27上，连杆三20通过D形孔固定安装在传动轴二27上，结果是连杆三20做圆周运动，连杆一17则克服弹簧14的弹簧阻力做往复摆动，可实现变形星轮机构1的展开与收缩，即改变星架半径大小。

连杆一17、连杆二19、连杆三20和齿轮箱体组成一个能够进行往复摆动的四杆机构，齿带棘轮23顺时针转动，通过齿轮四24、齿轮二30和传动轴二27带动四杆机构往复摆动，实现机构变形；齿带棘轮23逆时针转动被棘轮33卡住，机构不会变形。连杆一17是能够左右摆动的，缓冲限位结构在需要连杆一17固定时限制其摆动，缓冲限位结构的弹簧14的一个作用是限制连杆一17往右摆动；另一个作用是在做整体翻转时用于缓冲；而往左摆动则被棘轮机构限制。

如图11所示，四杆机构有两个极限位置，图11中(a)是极限收缩状态位置，此时连杆三20与连杆二19重叠在一起；(b)是极限展开状态位置，此时连杆三20与连杆二19在同一直线上，但不重叠。

(3)变形星轮机构1整体翻转，用以跨越障碍：

动力由固定安装在底座4上的减速步进电机3直接连接小带轮逆时针旋转通过同步带传递到齿带棘轮23，齿带棘轮23内部的棘轮33被棘齿34卡住，进而带动通过双键连接固定安装在隔板10空心凸轴12上的棘轮33转动，进而带动整个齿轮箱体转动，即实现变形星轮机构1的整体翻转。

(4)整个行走机构的运行过程

当行走机构在较平坦的路面行驶时，步进电机2通电，减速步进电机3断电，驱动轮5转动，以较快的速度前进；

当行走机构在行驶过程遇到障碍时，步进电机2断电，减速步进电机3通电，顺时针转动，变形机构进行往复摆动，以此改变星架半径大小；翻越障碍时，减速步进电机3改变通电相序，逆时针转动，此时由于棘轮33的作用，带动变形星轮机构1整体进行翻转，翻越障碍；

遇到小障碍时，根据障碍的大小控制齿带棘轮23的转动角度，使星架半径变小到与障碍大小对应的程度，此时使用小转矩就可以跨越障碍，功耗较低；遇到大障碍时，根据障碍的大小控制齿带棘轮23的转动角度，使星架半径变大到障碍大小对应的程度，此时使用大转矩跨越障碍，功耗较高；而翻越障碍后，星架半径变小到极限收缩状态，恢复到低功耗的状态，由此既实现越障能力的提高，又降低了整体功耗。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (7)

1.一种变形轮式移动机器人的行走机构，其特征在于，包括底座以及设置于所述底座的偶数个变形星轮机构，所述变形星轮机构包括箱体以及设置于箱体的驱动轮机构和变形翻转机构；

所述驱动轮机构包括驱动器一，所述驱动器一的输出端与传动轴一连接，所述传动轴一套装有齿轮三，所述齿轮三的周向连接有若干个带有驱动轮的齿轮传动组件，以实现行走机构快速行走；

所述变形翻转机构包括驱动器二以及与所述驱动器二通过齿带棘轮组件连接的四杆机构，以实现变形星轮机构半径调节及翻越障碍；

所述齿轮传动组件包括套设在中间轴上的中间齿轮，所述中间齿轮与所述齿轮三啮合，所述中间齿轮还与套设在传动轴三上的齿轮一啮合，所述传动轴三上还套设有带轮二；所述传动轴三通过两根连杆一与传动轴四转动连接，所述传动轴四上套设有驱动轮和带轮一，所述带轮一与带轮二通过同步带连接；

所述齿带棘轮组件包括设置于箱体的齿带棘轮、传动轴二和齿轮二，所述齿带棘轮包括固定连接的齿轮四和带轮三，所述带轮三内部设置有棘轮和若干个棘齿，所述齿带棘轮转动设置于所述箱体；所述棘轮固定设置于所述箱体，若干个所述棘齿均匀安装于所述带轮三的内部，所述带轮三通过同步带与所述驱动器二输出端的小带轮连接；所述齿轮四与齿轮二啮合，所述齿轮二套设于所述传动轴二；

所述四杆机构包括连杆三，所述连杆三的一端固定安装在所述传动轴二上，所述连杆三的另一端转动安装在中间杆二上，所述中间杆二还与连杆二的一端转动连接，所述连杆二的另一端与中间杆一转动连接，所述中间杆一转动设置于两根连杆一。

2.根据权利要求1所述的一种变形轮式移动机器人的行走机构，其特征在于，还包括缓冲限位结构，所述缓冲限位结构固定设置于两根所述连杆一之间的方形杆，所述方形杆通过弹簧与箱体外部连接。

3.根据权利要求2所述的一种变形轮式移动机器人的行走机构，其特征在于，所述箱体通过隔板分隔成左箱体和右箱体，所述隔板为固定有空心凸轴的平板结构，所述空心凸轴位于所述右箱体内部，所述空心凸轴的内部穿过有所述传动轴一；所述空心凸轴的外部与所述齿带棘轮转动连接，所述空心凸轴的端部固连所述棘轮。

4.根据权利要求3所述的一种变形轮式移动机器人的行走机构，其特征在于，所述两根连杆一的一端转动设置于所述驱动轮的两侧，所述两根连杆一的另一端转动设置于所述左箱体外部的两侧。

5.根据权利要求3所述的一种变形轮式移动机器人的行走机构，其特征在于，所述传动轴二与中间轴同轴设置，所述传动轴二和中间轴相互靠近的一端共用一个滚动轴承。

6.根据权利要求1-3任意一项所述的一种变形轮式移动机器人的行走机构，其特征在于，所述驱动器一为步进电机，所述驱动器二为减速步进电机。

7.根据权利要求1-3任意一项所述的一种变形轮式移动机器人的行走机构，其特征在于，齿轮传动组件和四杆机构均分别设置有三组。

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