CN113696165B - 轨道机器人驱动机构设计方法、驱动机构及轨道机器人 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种轨道机器人驱动机构设计方法和根据该方法设计的驱动机构，采用同步带柔性传动部件将动力传递给轨道机器人行走轮，并使同步带柔性传动部件中的从动轮与旋转轴承内圈连接，使轨道机器人行走轮在运行中自动调整运行位置，补偿或消除轨道机器人在直轨段与弯轨段转换时产生的配合间隙或干涉。本发明巧妙利用了柔性同步带空间传动的特点，结合材料的自身的柔性属性，极大减轻重量，简化结构，降低了维护难度；同时采用同步带柔性传动部件与旋转轴承相结合，使轨道机器人在运行中可自动调整运行位置，有效避免了因曲率半径不同造成的干涉或间隙，提高了轨道机器人稳定性及可靠性。本发明还提供了具有上述驱动机构的轨道机器人。

Description

轨道机器人驱动机构设计方法、驱动机构及轨道机器人

技术领域

本发明涉及巡检机器人技术领域，特别涉及一种轨道机器人驱动机构的设计方法以及采用该方法设计的驱动机构和轨道机器人。

背景技术

轨道巡检机器人可以替代传统人工巡检、手动记录的巡视方式，有效解决生产人员不足和巡检工作量增加之间的矛盾。近几年发展迅速，已针对不同的应用场景，形成若干较为成熟的产品路线。

但是当前产品也存在较为明显的问题：1)前期投入大；2)后期维护难度大。而这两大问题跟现有技术路线存在紧密联系。现有技术室内轨道巡检机器人主要分为两大类：1)从应用场景和功能出发，搭建相应的机器人系统，此类系统主要强调机器人功能实现的可靠性和灵活性，较少关注系统的复杂性和可维护性；2)从定制化轨道入手，搭建适合特种轨道的机器人，此种方式保护性强，强调了机器人和轨道搭配的唯一性，但是容易造成前期成本较高，同时提升系统复杂度的问题；3)机器人在运行的过程中，尤其是在转弯的时候，通过的导轨转弯半径过大或直轨段与弯轨段转换时，运行不平稳现象。

因此，有必要解决上述现有技术的缺陷。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，首先提供了一种轨道机器人驱动机构的设计方法，可自适应轨道机器人行走时弯道的曲率半径，实现机器人在直轨与弯轨转换及不同曲率半径的轨道上行驶的通用性。

本发明提供的一种轨道机器人驱动机构设计方法，其是采用同步带柔性传动部件将动力传递给轨道机器人行走轮，并使所述同步带柔性传动部件中的从动轮与旋转轴承内圈连接，使轨道机器人行走轮在运行中随旋转内圈转动时自动调整运行位置，自适应轨道机器人行走时弯道的曲率半径，补偿或消除轨道机器人在直轨段与弯轨段转换时产生的配合间隙或干涉。

本发明还提供了一种轨道机器人驱动机构，包括电机、减速机、同步带柔性传动部件和旋转轴承，所述同步带柔性传动部件包括设置在所述减速机输出轴上的主动轮、从动轮以及绕于所述主动轮和所述从动轮上的柔性同步带，所述从动轮设置在传动轴上，所述传动轴上设有行走轮，所述柔性同步带穿越所述旋转轴承内圈上，所述传动轴通过支承座固定在所述旋转轴承内圈，所述电机和减速机固定在所述旋转轴承外圈上；在所述支承座上，还设置有可为行走轮移动导向的导向轮。

本发明还提供了一种轨道机器人，具有上述所述的轨道机器人驱动机构。

本发明设计的驱动机构，巧妙地利用了柔性同步带空间传动的特点，可避免了动力部件直驱，结合材料的自身的柔性属性，替代了传统基于复杂弹簧系统的驱动机构，从而极大减轻重量，简化结构，降低成本，提高可靠性，并极大降低了维护难度；同时，采用同步带柔性传动部件与旋转轴承相结合，利用旋转轴承带动行走轮旋转，使轨道机器人在运行中可自动调整运行位置，实现了轨道机器人在不同曲率半径的轨道上行驶的通用性能力，有效避免了因曲率半径不同造成的干涉或间隙，提高了轨道机器人稳定性及可靠性。

附图说明

图1A为本发明驱动机构在直轨运行状态示意图；

图1B为本发明驱动机构在弯轨运行状态示意图；

图2为本发明驱动机构实施例结构示意图一；

图3为本发明驱动机构实施例结构示意图二；

图4为本发明驱动机构实施例中弹性部件结构示意图；

图5为本发明驱动机构在轨道上对角双动力布局示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者可能同时存在居中元件。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。

还需要说明的是，本发明实施例中所述的“上端面”、“下端面”、“两端”、“两侧”等方位用语，仅是互为相对概念或是以产品的正常使用状态为参考的，或者是基于附图展示的位置而参考的，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，因此不应该认为是具有限制性的。

本发明提供的轨道机器人驱动机构设计方法，是采用同步带柔性传动部件，通过同步带柔性传动部件中主动轮、从动轮和柔性同步带相互配合，使动力部件输出的动力通过该同步带柔性传动部件传递给轨道机器人的行走轮，以改变动力的传输方向，适应轨道机器人不同应用场合的需要。同时，本发明在驱动机构的设计中，还设置了一旋转轴承，该旋转轴承具有相互套接、可相对旋转的轴承内圈和轴承外圈，使动力部件及同步带柔性传动部件中的主动轮固定在轴承外圈，同步带柔性传动部件中的从动轮与旋转轴承的轴承内圈连接，这样可使同步带柔性传动部件在传递动力的同时，通过从动轮带动轨道机器人的行走轮随轴承内圈旋转，在轨道机器人由行走轮带动行走时，可随旋转内圈转动自动调整运行位置，自适应运行轨道各种不同的形状，避免轨道机器人行走时偏离，消除了轨道机器人掉落的风险，还可以补偿或消除轨道机器人在直轨段与弯轨段转换时产生的配合间隙或干涉。而且，采用柔性同步带传动，避免了动力部件直驱，通过柔性同步带自身的柔性，有效地吸收了轨道机器人行走过程中产生的震动，可以更好的保护动力部件，提高其使用寿命。本发明驱动机构的设计巧妙地利用了柔性同步带可以在空间中改变传递方向的特点，使得驱动机构可以极大程度的压缩简化，减轻重量，还可以通过去掉动力部分，衍生出非动力与上述驱动机构配套使用的从动机构，提高轨道机器人行驶的平稳性，而且可使轨道机器人整体呈模块化搭配，有利于轨道机器人整体空间布局，拓宽轨道机器人使用范围，也便于安装调试及后期维护，极大降低了维护难度；进一步地，其衍生的从动机构，可通过利用轮系材料自身的弹性以及传动结构的适应性来替代传统基于弹簧的复杂系统，实现了轨道机器人在不同曲率半径的轨道上行驶的通用性能力，避免因曲率半径不同造成的干涉或间隙，提高了轨道机器人整体性能要求、稳定性及可靠性。

本发明方法具体的实施方式中，所述同步带柔性传动部件中的同步带采用可调节的张紧轮压紧，以降低同步带换向后的紧边和松边互换产生的应力变化，保护传动机构，同时可降低行走轮随旋转轴承旋转时受到的张紧力变化而带来的影响。而且，张紧轮还可以作为支点，对柔性同步带产生牵拉作用，使旋转轴承内圈的转动平缓、无冲击，进一步保证轨道机器人运行的平稳性和可靠性。

本发明提供的驱动机构中，行走轮搭配导向轮，导向轮外周贴合在轨道边缘。图1A、图1B展示了轨道机器人在直轨段与弯轨段转换时导向轮产生的配合间隙或干涉量Y_Δ。

Y_Δ＝Y₁-Y₂

[(4r+2c)²-4a²]Y₂ ²+[2(4r+2c)(c²+2rc-a²)+8a²r]Y₂

＝4a²r²-(c²+2rc-a²)-a²b²

上述表达式可按二元一次方程式求解。

其中：

a--轨道同端两侧旋转轴承旋转中心距离；

b--轨道同侧两端旋转轴承旋转中心距离；

c--轨道宽度；

r--轨道转弯部分最小内侧弯曲半径；

Y₁--轨道直线处，旋转轴承旋转中心到轨道外侧最小距离；

Y₂--轨道转弯处，旋转轴承旋转中心到轨道外侧最小距离。

在轨道水平状态下，直轨段与弯轨段转换时的配合间隙或干涉量为2Y_Δ，设计时需保证轨道同端两侧的导向轮柔性可变量总和△≥2Y_Δ，这样可以保证导向轮可自适应调节，轨道在水平状态下，可补偿或消除机器人轮系在直轨与弯轨之间的转换过程中产生的间隙或干涉。

本发明具有驱动机构的轨道外侧需满足旋转轴承旋转中心到导向轮外侧最大距离为Y₁定值，即不可柔性变化；具有从动机构的轨道外侧的导向轮需满足旋转轴承旋转中心导向轮外侧最大距离柔性可变范围f∈[min，max]，当轨道同端一侧为驱动机构另一侧搭配从动机构时，应满足条件min≤Y₂-Y_Δ，max≥Y₁，当轨道同端两侧均为从动机构时应满足条件min≤Y₂，max≥Y₁。

具体实施例中，当a＝240mm,b＝400mm,c＝80mm,r＝2000mm时，通过上述公式计算得出：Y₁＝80mm，Y₂＝79.42mm，Y_Δ＝0.58mm。

基于上述方法，本发明还提供了一种轨道机器人驱动机构，参见图2和图3，所述驱动机构1包括电机105和与电机105连接的减速机106，为轨道机器人提供动力源，电机106通过法兰座107与巡检小车底板3固定在一起，具体可固定在小车底板3下端面；所述驱动机构1还包括同步带柔性传动部件108和旋转轴承104，其中同步带柔性传动部件108包括主动轮1081、从动轮1082和绕于主动轮1081和从动轮1082上的柔性同步带1083，主动轮1081设置在减速机106输出轴上，可在减速机106输出轴带动下转动，从动轮1082设置在一传动轴111上，传动轴111一端设有行走轮101。电机105启动后，动力通过减速机106减速后输出，带动主动轮1081转动，在柔性同步带1083的带动下，使从动轮1082同步转动，由于从动轮1082固定在传动轴111上，故而传动轴111随从动轮1082一起转动，进而带动设置在传动轴111上的行走轮101同时转动。请再参见图2和图3，所述旋转轴承104包括轴承内圈1042和轴承外圈1041，轴承外圈1041固定在小车底板3上，具体可固定在小车底板3的上端面，电机105和减速机106通过法兰座107固定在小车底板3上，即：轴承外圈1041与电机105、减速机106、法兰座107、主动轮1081一同固定在小车底板3上，从而使电机105和减速机106与轴承外圈1041连接固定；所述轴承内圈1042可相对轴承外圈1041自由旋转，绕于主动轮1081和从动轮1082上的柔性同步带1083穿越轴承内圈1042，使主动轮1081和从动轮1082分别位于旋转轴承104上下两侧，所述传动轴111设置在支承座113上，支承座113固定在轴承内圈1042上。这样，轴承内圈1042可搭载从动轮1082、传动轴111和行走轮101一同旋转。上述驱动机构1，通过柔性同步带1083从旋转轴承104中心孔穿过，连接减速机106输出轴上主动轮1081和传动轴111上从动轮1082，可改变动力输出方向，有效避免动力直驱，有利于各构件空间布局，可简化驱动结构1，同时，柔性同步带1083的柔性传动特性可有效吸收轨道机器人在运行过程中产生的震动，保护电机105、减速机106等精密部件，提高使用寿命。而且，由于行走轮101可随轴承内圈1042自由转动，可以自适应轨道弯道的曲率半径，弥补或消除了轨道机器人行走过弯时产生的间隙或干涉。

请再参见图2、图3和图5，本发明驱动机构1具体的结构设计中，在所述支承座113上，设置可为行走轮101在移动时导向的导向轮110，所述导向轮110可设置两个，相对行走轮101对称分布，两导线轮110轴心线与传动轴111轴心线垂直，且与传动轴111轴心线对称设置，其外周贴合轨道4边缘，随行走轮101移动转动，在轨道4的水平转弯处，导向轮110可通过与轨道4侧面的被动导向作用力推动旋转轴承104旋转，使行走轮101产生与轨道4相匹配的转向角，同时，同步柔性带1083的柔性传输特性可保证动力传输不受旋转轴承104产生的旋转角度的影响，有效了保证行走轮101移动的稳定性，避免行走轮101脱离轨道，从而保证了巡检机器人运行的平稳。

进一步参见图2-图4，在所述导向轮110的两端，还连接有弹性部件103。具体参见图4，所述弹性部件103包括滑槽1032、滑块1031、弹性件1034和限位块1033，滑槽1032固定在支承座113上，滑块1031设置在滑槽1032内且可在该滑槽1032内滑移，滑块1031一端向外延伸有两连接杆10311，导向轮110套在导向轴1035上，滑块1031的两连接杆10311分别与导向轴1035的两端连接，可套在导向轴1035的两端；弹性件1034可如图4所示采用弹簧，也可采用弹性套，弹性件1034一端与滑块1031连接，另一端与限位块1033连接，限位块1033固定在支承座113上。本发明在导向轮110两端设置弹性部件103，与其连接的导向轮110可通过自身材料的弹性或/和利用弹性部件103的容让性及弹性件的张力，被动调节其最外侧到旋转轴承104中心的距离，使导向轮110沿轨道边缘移动时，抵顶在轨道边缘。而且，轨道机器人在转弯或直轨段与弯轨段转换时，通过支承座113与旋转轴承内圈1042连接的导向轮110，还可随轴承内圈1042转动，使导向轮110始终紧紧贴合在轨道边缘。这样，无论轨道机器人在怎样的应用场景，都可以完全保证行走轮101沿轨道正确运行而不会脱离轨道。

请再参见图2和图3，在所述行走轮101的下方，还设置有副轮102，与行走轮101平行设置，副轮102固定在轴承内圈1042上，可随轴承内圈1042转动，参见图5，副轮102与行走轮101可将轨道4夹持在中间，保证轨道机器人平稳地行走、不跳动。

本发明驱动机构1具体的结构设计中，在所述柔性同步带1083的外侧，还分别设有可调节的两张紧轮109，两张紧轮109外周压于柔性同步带1083的外侧，均为柔性张紧，两张紧轮109的两端均位于支承座113设置的调整孔内，可调整两张紧轮109与柔性同步带1083的贴合位置，保证柔性同步带1083始终压紧在柔性同步带1083上。张紧轮109的设置，既可以保证柔性同步带1083被拉紧，降低柔性同步带1083换向后的紧边和松边互换产生的应力变化，使电机106输出的动力传动可靠，又可以作为支点，在导向轮101在遇到弯道时，其通过柔性同步带1083的牵拉力，使传动轴111与轴承内圈1042之间的转动平缓、无冲击，进一步可保证导向轮101运行的平稳性和可靠性，还可降低传动轴111随旋转轴承104中轴承内圈1042旋转时柔性同步带1083受到的张紧力变化，保护传动机构。

本发明还提供了一种轨道机器人，具有上述所述的驱动机构1结构，使轨道机器人在运行中可自动调整运行位置，有效避免了运行中因曲率半径不同或转弯时产生的干涉或间隙，实现了轨道机器人在不同曲率半径的轨道上行驶的通用性，提高了轨道机器人应用的稳定性及可靠性。

基于上述驱动机构1的结构设计，本发明还可以在驱动机构1的基础上去掉动力部分电机、减速器和同步带柔性传动部件，衍生出与其配套使用的从动机构2。参见图5，所述从动机构2包括行走轮201、传动轴211、旋转轴承204，同驱动机构1，所述旋转轴承204亦包括轴承内圈2042和轴承外圈2041，轴承外圈2041固定在小车底板3上端面，行走轮201设置在传动轴211的一端，传动轴211通过支承座213固定在旋转轴承204之轴承内圈2042上，使行走轮201可随轴承内圈2042自由转动，行走时自适应轨道弯道的曲率半径；在支承座213上，还设置有可为行走轮201移动导向且可与弹性部件203连接的导向轮210，弹性部件203的结构布局、构件及作用与驱动机构1相同，在此不再赘述。同样地，行走轮201的下方还设有副轮202，与行走轮201平行设置，副轮202固定在轴承内圈2042上，可随轴承内圈2042转动。如此，上述从动机构2各构件结构布局和大小与驱动机构1相同，可呈模块化设置，搭配动力机构时即形成了驱动机构1。从动机构1与驱动机构1可组合配置，可根据不同的使用场景配置不同的搭配方案，有利于轨道机器人整体空间布局，这样既可满足驱动需求，避免主动轮系因差速导致的摩擦损伤，又可以降低轨道机器人整体机构复杂度和控制难度，减轻轨道机器人整体重量，而且便于安装调试及后期维护，也降低了轨道机器人的维护难度。

基于上述驱动机构1和从动机构2的设计，轨道机器人可根据不同的使用场景配置不同的搭配方案，可有三种动力分布方式：①单动力，一个驱动机构1设于轨道4任意位置；②同侧双动力，两个驱动机构1设于轨道4同侧两端；③对角双动力，两个驱动机构1设于轨道4任意对角位置，两个从动机构2设于轨道4另外两个对角位置(如图5所示)。驱动机构1和从动机构2适配的轨道4为常见的工字轨，应用广泛，制作加工工艺成熟，定制成本低，后期维护也非常简单。

本发明的上述实施例所示仅为本发明较佳实施例之部分，并不能以此局限本发明，在不脱离本发明精髓的条件下，本领域技术人员所作的任何修改、等同替换和改进等，都属本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种轨道机器人驱动机构设计方法，其特征在于，采用同步带柔性传动部件将动力传递给轨道机器人的行走轮，同时设置一旋转轴承，该旋转轴承具有相互套接、可相对旋转的轴承内圈和轴承外圈，动力部件及所述同步带柔性传动部件中的主动轮固定在所述轴承外圈，将所述同步带柔性传动部件中的从动轮与所述轴承内圈连接，绕于所述主动轮和所述从动轮上的柔性同步带穿越所述轴承内圈，使所述主动轮和所述从动轮分别位于所述旋转轴承的上下两侧，所述同步带柔性传动部件在传递动力的同时，通过所述从动轮带动所述行走轮随所述轴承内圈旋转，使所述行走轮在运行中随所述轴承内圈转动时自动调整运行位置，自适应轨道机器人行走时弯道的曲率半径，补偿或消除轨道机器人在直轨段与弯轨段转换时产生的配合间隙或干涉。

2.根据权利要求1所述的轨道机器人驱动机构设计方法，其特征在于，所述同步带柔性传动部件的所述柔性同步带采用可调节的张紧轮压紧。

3.根据权利要求1所述的轨道机器人驱动机构设计方法，其特征在于，所述驱动机构在直轨段与弯轨段转换时产生的配合间隙或干涉量

关系式为：

其中：

a--轨道同端两侧旋转轴承旋转中心距离；

b--轨道同侧两端旋转轴承旋转中心距离；

c--轨道宽度；

r--轨道转弯部分最小内侧弯曲半径；

Y₁--轨道直线处，旋转轴承旋转中心到轨道外侧最小距离；

Y₂--轨道转弯处，旋转轴承旋转中心到轨道外侧最小距离。

4.一种轨道机器人驱动机构，包括电机和减速机，其特征在于，还包括同步带柔性传动部件和旋转轴承，所述同步带柔性传动部件包括设置在所述减速机输出轴上的主动轮、从动轮以及绕于所述主动轮和所述从动轮上的柔性同步带，所述从动轮设置在传动轴上，所述传动轴上设有行走轮，所述柔性同步带穿越所述旋转轴承的轴承内圈，所述传动轴通过支承座固定在所述旋转轴承的轴承内圈上，所述电机和减速机固定在所述旋转轴承的轴承外圈上，在所述支承座上，还设置有可为所述行走轮移动导向的导向轮。

5.如权利要求4所述的轨道机器人驱动机构，其特征在于，所述导向轮两端连接弹性部件。

6.如权利要求5所述的轨道机器人驱动机构，其特征在于，所述弹性部件包括滑槽、设置在所述滑槽内且可在所述滑槽内滑移的滑块、弹性件和限位块，所述滑块与所述导向轮两端连接，所述弹性件一端与所述滑块连接，另一端与所述限位块连接。

7.如权利要求4-6任一项所述的轨道机器人驱动机构，其特征在于，所述柔性同步带的外侧，设有可调节位置的两张紧轮。

8.一种轨道机器人，其特征在于，具有权利要求4-7任一项所述的轨道机器人驱动机构。

9.根据权利要求8所述的轨道机器人，其特征在于，还包括从动机构，所述从动机构包括行走轮、传动轴和旋转轴承，所述行走轮设置在所述传动轴的一端，所述传动轴通过支承座固定在所述旋转轴承的轴承内圈上；在所述支承座上，还设置有可为所述行走轮移动导向且可与弹性部件连接的导向轮。

10.根据权利要求9所述的轨道机器人，其特征在于，将两个所述的驱动机构设置在轨道同侧两端；或者，将两个所述的驱动机构设置在轨道对角位置，同时将所述的从动机构设置在轨道另外两对角位置。

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