CN114275071B - 一种新型可变形轮腿机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型可变形轮腿机器人，包括机架、可变形轮腿机构和传动机构，可变形轮腿机构设置有四个；可变形轮腿机构包括三个变形腿、三个行星齿轮、行星齿轮架、中心齿轮和外侧端盖，变形腿包括连杆一、连杆二、连杆三、圆弧腿一和圆弧腿二，传动机构包括由驱动电机带动旋转的空心轴和由变形电机带动旋转的变形轴，空心轴末端连接连杆一，变形轴末端连接中心齿轮。本发明中的新型可变形轮腿机器人，可用于结构化和非结构化地形的勘探、观测、目标探测、破坏、搜救等领域。基于圆内平行四边形折叠和延展的运动特性以及可变形圆弧的可变形轮腿式移动机器人，提高了轮腿机器人的越障能力，结构简单，控制策略简单，变形率大。

Description

一种新型可变形轮腿机器人

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，特别是涉及一种新型可变形轮腿机器人。

背景技术

随着自然灾害的频繁发生，地震、火灾等自然灾害引发的救援工作任务日益繁重，面对非结构化的未知环境的搜救更加急需移动机器人的参与。面对非结构化的地形地貌，传统的轮式机器人的越障性能有限，不能够跨越许多的灾后障碍物，对搜救和探测等工作造成了很大的阻碍。可变形轮腿式移动机器人整合了轮式机器人和腿式机器人的优点。能够适应结构化和非结构化的地形，实现高效的机动性能和优良的越障能力。在抢险救灾、航空航天探索等未知复杂环境中具有广阔的应用需要和前景。

为了提高可变形轮腿机器人的越障能力和变形率，国内外针对不同的应用目的已经提出了大量不同的可变形轮腿机构，现有的可变形轮腿机构表现出越障能力有限，越障比值低，变形率低，结构相对复杂和控制策略复杂的局限性。

专利《一种轮腿变换式的多足机器人》(申请号：CN 109292017 A)中，提出了一种轮腿变换式的多足机器人，去掉传统轮腿机构的轮子和驱动电机，所述的可变换轮腿机构由结构不同的第一支撑腿、第二支撑腿和第三支撑腿通过相应的旋转轴连接形成具有三个转动自由度的串联机构；第一支撑腿、第二支撑腿和第三支撑腿的外缘形状为直径相同的圆弧结构。专利《一种可变形轮腿式机器人》(申请号：CN 111976860 A)中，提出了一种基于四杆机构的可变形轮腿式机器人，由四单元模块、电机、四单元模块、驱动电机和机身组成，四单元模块、电机、四单元模块、驱动电机与机身固定连接，电机通过联轴器驱动四单元模块1运动，驱动电机通过联轴器驱动四单元模块运动。轮腿式机器人由电机和驱动电机分别带动四单元模块和四单元模块的输入轴转动，由同步带传动将输入的运动传递到每个轮腿单元的曲柄，曲柄整周旋转带动轮腿单元结构运转，形成地面移动，特别地轮式模式下还需要辅助电机帮助跨越奇异位置。轮腿单元结构由辅助电机和推杆控制运动模式切换，每个轮腿单元自主变形，可根据不同路面环境选择不同运动模式，以适应不同的工作任务。专利《一种高机动轮足复合机器人》(申请号：CN 108995728 A)中，公开了一种高机动轮足复合机器人，它采用同一个结构形状即可实现足式模式高抬腿和轮式模式的高速滚动功能，设计并利用推杆形状作为轮子四分之一外轮廓，通过电机驱动四个轮腿结构的机架相对转动，组成整个轮子的外轮廓，进而实现轮足运动模式的切换。专利《一种野外探测用轮腿式机器人》(申请号：CN 112519914 A)中，提出了一种野外探测用轮腿式机器人，包括机械腿、转向机构、越障机构、机身前端、连接机构和机身后端。机身前端与机身后端通过连接机构连接，转向机构用于调整机身前端和机身后端之间的夹角，机械腿数量不少于四个，分别位于机身前端以及机身后端两侧，用于为机身前端和机身后端的连接体提供行走运动，机械腿的末端均设置由主动轮，越障机构设置在机身后端上，包括支撑腿、辅助轮和支撑腿动力机构，用于为机身后端提供支撑行为和越障行为。专利《一种全地形轮腿式机器人》(申请号：CN 113200099 A)中，提出了一种全地形轮腿式机器人，包括固定支架和两个腿部机构组成的轮腿机构，固定支架包括两个三角支架和两个挡板，三角支架底边两端各设置有一个转动副分别安装于两个挡板的侧面上的两个安装孔内，其中一个挡板外固定的两个第一关节电机用于驱动三角支架绕其底边轴心转动，三角支架两个斜边的交汇位置以及一条斜边于底边的交汇位置各设置一个安装孔，分别与腿部的第一连杆和第二连杆连接，其中两个斜边的交汇位置固定，由第二关节电机驱动第二连杆，第一连杆和第二连杆的另一端与腿部的支撑连杆连接，支撑杆低端固定有轮毂电机。

综上，现有的可变形轮腿机器人大多数是基于传统的圆轮和腿(轮辐)的组合叠加模式，也有变形轮的存在，但属于部分圆弧腿的变形和半圆弧的叠加，但总体来看，结构都较为复杂，控制策略比较复杂，并且不是完全的变形轮，不能达到最大化的变形率和理论越障比值。

发明内容

本发明的目的是提供一种新型可变形轮腿机器人，以解决上述现有技术存在的问题，提高了轮腿机器人的越障能力，结构简单，控制策略简单，变形率大。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明提供一种新型可变形轮腿机器人，包括机架、可变形轮腿机构和传动机构，所述可变形轮腿机构设置有四个，其中两个所述可变形轮腿机构设置于所述机架的首端两侧，另外两个所述可变形轮腿机构设置于所述机架的尾端两侧；

所述可变形轮腿机构包括三个变形腿、三个行星齿轮、行星齿轮架、中心齿轮和外侧端盖，三个所述变形腿以所述中心齿轮为中心周向分布，所述变形腿包括连杆一、连杆二、连杆三、圆弧腿一和圆弧腿二，三个所述行星齿轮安装在所述行星齿轮架上并与所述中心齿轮啮合连接，各个所述变形腿的所述连杆二的末端均设置齿状结构，且通过齿状结构分别与三个所述行星齿轮啮合连接，三个所述变形腿的所述连杆二的末端还铰接在所述外侧端盖的内侧；所述连杆一设置于所述连杆二的逆时针方向侧，所述连杆一末端铰接在所述外侧端盖的内侧，所述连杆一的首端与所述圆弧腿一的一端铰接，所述连杆二的首端设置两个铰接孔，靠近所述连杆二末端的一个所述铰接孔与所述圆弧腿一铰接，远离所述连杆二末端的一个所述铰接孔与所述连杆三的一端铰接，所述连杆三的另一端与所述圆弧腿二铰接，所述圆弧腿二设置于所述圆弧腿一的顺时针方向侧，所述圆弧腿二还与所述圆弧腿一铰接，三个所述变形腿的所述圆弧腿一和所述圆弧腿二在合拢时构成圆形；

所述传动机构包括由驱动电机带动旋转的空心轴和由变形电机带动旋转的变形轴，所述空心轴末端连接所述连杆一，所述变形轴末端连接所述中心齿轮。

优选地，所述机架为矩形框架结构。

优选地，所述外侧端盖为正六边形框架结构，所述连杆一和所述连杆二的末端分别对应铰接在六边形的各内角处。

优选地，所述传动机构包括两个所述变形轴、两个驱动轴、两个所述驱动电机、两个所述变形电机和四个所述空心轴，两个所述变形轴分别设置于所述机架内侧的首尾端，所述变形轴的两端伸出所述机架与所述机架外侧的对应的所述可变形轮腿机构的所述中心齿轮连接，所述变形轴的中部设置有齿轮一，两个所述变形电机的输出端通过齿轮分别与两个所述变形轴上的所述齿轮一啮合连接；所述变形轴的两端分别套设有一所述空心轴，所述空心轴的外端连接所述连杆一，所述空心轴的内端设置锥齿轮一；两个所述驱动轴分别设置于所述机架的内部两侧，所述驱动轴的轴体两端设置有与所述锥齿轮一啮合连接的锥齿轮二，所述驱动轴的轴体中部设置有齿轮二，两个所述变形电机的输出端通过齿轮分别与两个所述驱动轴上的所述齿轮二啮合连接。

本发明相对于现有技术取得了以下有益技术效果：

本发明提供的新型可变形轮腿机器人，为一种基于圆内平行四边形折叠和延展的运动特性以及可变形圆弧的可变形轮腿式移动机器人，通过齿轮传动以及单自由度的可变形轮腿机构实现大的变形率和理论越障比值，达到了在结构化地形上可以高速行进，在非结构化地形上实现较大的越障能力，增大了轮腿机器人的适应范围。同时，可变形轮腿机构结构简单紧凑，控制策略较为简单。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明中新型可变形轮腿机器人的立体装配图；

图2为本发明中可变形轮腿机构的结构示意图；

图3为本发明中可变形轮腿机构的立体结构示意图；

图4为本发明中可变形轮腿机构的展开状态的结构示意图；

图中：1-机架；

2-可变形轮腿机构、21-行星齿轮、22-行星齿轮架、23-中心齿轮、24-外侧端盖、25-连杆一、26-连杆二、27-连杆三、28-圆弧腿一、29-圆弧腿二；

3-传动机构、31-变形轴、32-驱动轴、33-驱动电机、34-变形电机、35-空心轴、36-齿轮一、37-锥齿轮一、38-锥齿轮二、39-齿轮二。

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一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种新型可变形轮腿机器人，以解决现有技术存在的问题。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

本实施例中的新型可变形轮腿机器人，如图1、图2所示，包括机架1、可变形轮腿机构2和传动机构3，机架1为矩形框架结构，可变形轮腿机构2设置有四个，其中两个可变形轮腿机构2设置于机架1的首端两侧，另外两个可变形轮腿机构2设置于机架1的尾端两侧；

可变形轮腿机构2包括三个变形腿、三个行星齿轮、行星齿轮架、中心齿轮和外侧端盖，三个变形腿以中心齿轮为中心周向分布，变形腿包括连杆一、连杆二、连杆三、圆弧腿一和圆弧腿二29，三个行星齿轮21安装在行星齿轮架22上并与中心齿轮23啮合连接，各个变形腿的连杆二26的末端均设置齿状结构，且通过齿状结构分别与三个行星齿轮21啮合连接，三个变形腿的连杆二26的末端还铰接在外侧端盖24的内侧；连杆一25设置于连杆二26的逆时针方向侧，连杆一25末端铰接在外侧端盖24的内侧，连杆一25的首端与圆弧腿一28的一端铰接，连杆二26的首端设置两个铰接孔，靠近连杆二26末端的一个铰接孔与圆弧腿一28铰接，远离连杆二26末端的一个铰接孔与连杆三27的一端铰接，连杆三27的另一端与圆弧腿二29铰接，圆弧腿二29设置于圆弧腿一28的顺时针方向侧，圆弧腿二29还与圆弧腿一28铰接，三个变形腿的圆弧腿一28和圆弧腿二29在合拢时构成圆形；

传动机构3包括由驱动电机33带动旋转的空心轴和由变形电机34带动旋转的变形轴31，空心轴末端连接连杆一25，变形轴31末端连接中心齿轮23。

于本具体实施例中，传动机构3包括两个变形轴31、两个驱动轴32、两个驱动电机33、两个变形电机34和四个空心轴35，两个变形轴31分别设置于机架1内侧的首尾端，变形轴31的两端伸出机架1与机架1外侧的对应的可变形轮腿机构2的中心齿轮23连接，变形轴31的中部设置有齿轮一36，两个变形电机34的输出端通过齿轮分别与两个变形轴31上的齿轮一36啮合连接；变形轴31的两端分别套设有一空心轴35，空心轴35的外端连接连杆一25，空心轴35的内端设置锥齿轮一37；两个驱动轴32分别设置于机架1的内部两侧，驱动轴32的轴体两端设置有与锥齿轮一37啮合连接的锥齿轮二38，驱动轴32的轴体中部设置有齿轮二39，两个变形电机34的输出端通过齿轮分别与两个驱动轴32上的齿轮二39啮合连接。

于本具体实施例中，外侧端盖24为正六边形框架结构，连杆一25和连杆二26的末端分别对应铰接在六边形的各内角处。

本实施例中的新型可变形轮腿机器人的工作原理如下：

驱动电机33驱动齿轮二39，齿轮二39跟随驱动轴32同步转动，带动固定安装在驱动轴32两端的锥齿轮二38同步转动，由锥齿轮二38和锥齿轮一37的啮合带动空心轴35，由此带动各个安装在空心轴35外端的连杆一25转动，使可变形轮腿机构2旋转，使得整体机器人前进，反转驱动电机33实现整体机器人的后退。同时，通过两个驱动电机33的差速转动，可实现整体机器人的转向功能。

变形电机34驱动齿轮一36，齿轮一36带动变形轴31两端的中心齿轮23转动，中心齿轮23转动驱动行星齿轮21转动带动连杆一25和连杆二26做等速转动，同时展开变形，由连杆一25和连杆二26推动圆弧腿一28和连杆三27向外延伸，当连杆一25和连杆二26接触时，变形结束(如图4所示)。变形电机34反转带动中心齿轮23反转，从三爪腿式变形为轮式(如图2，图3所示)。

本发明应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (4)

1.一种新型可变形轮腿机器人，其特征在于：包括机架、可变形轮腿机构和传动机构，所述可变形轮腿机构设置有四个，其中两个所述可变形轮腿机构设置于所述机架的首端两侧，另外两个所述可变形轮腿机构设置于所述机架的尾端两侧；

所述可变形轮腿机构包括三个变形腿、三个行星齿轮、行星齿轮架、中心齿轮和外侧端盖，三个所述变形腿以所述中心齿轮为中心周向分布，所述变形腿包括连杆一、连杆二、连杆三、圆弧腿一和圆弧腿二，三个所述行星齿轮安装在所述行星齿轮架上并与所述中心齿轮啮合连接，各个所述变形腿的所述连杆二的末端均设置齿状结构，且通过齿状结构分别与三个所述行星齿轮啮合连接，三个所述变形腿的所述连杆二的末端还铰接在所述外侧端盖的内侧；所述连杆一设置于所述连杆二的逆时针方向侧，所述连杆一末端铰接在所述外侧端盖的内侧，所述连杆一的首端与所述圆弧腿一的一端铰接，所述连杆二的首端设置两个铰接孔，靠近所述连杆二末端的一个所述铰接孔与所述圆弧腿一铰接，远离所述连杆二末端的一个所述铰接孔与所述连杆三的一端铰接，所述连杆三的另一端与所述圆弧腿二铰接，所述圆弧腿二设置于所述圆弧腿一的顺时针方向侧，所述圆弧腿二还与所述圆弧腿一铰接，三个所述变形腿的所述圆弧腿一和所述圆弧腿二在合拢时构成圆形；

所述传动机构包括由驱动电机带动旋转的空心轴和由变形电机带动旋转的变形轴，所述空心轴末端连接所述连杆一，所述变形轴末端连接所述中心齿轮。

2.根据权利要求1所述的新型可变形轮腿机器人，其特征在于：所述机架为矩形框架结构。

3.根据权利要求1所述的新型可变形轮腿机器人，其特征在于：所述外侧端盖为正六边形框架结构，所述连杆一和所述连杆二的末端分别对应铰接在六边形的各内角处。

4.根据权利要求1所述的新型可变形轮腿机器人，其特征在于：所述传动机构包括两个所述变形轴、两个驱动轴、两个所述驱动电机、两个所述变形电机和四个所述空心轴，两个所述变形轴分别设置于所述机架内侧的首尾端，所述变形轴的两端伸出所述机架与所述机架外侧的对应的所述可变形轮腿机构的所述中心齿轮连接，所述变形轴的中部设置有齿轮一，两个所述变形电机的输出端通过齿轮分别与两个所述变形轴上的所述齿轮一啮合连接；所述变形轴的两端分别套设有一所述空心轴，所述空心轴的外端连接所述连杆一，所述空心轴的内端设置锥齿轮一；两个所述驱动轴分别设置于所述机架的内部两侧，所述驱动轴的轴体两端设置有与所述锥齿轮一啮合连接的锥齿轮二，所述驱动轴的轴体中部设置有齿轮二，两个所述变形电机的输出端通过齿轮分别与两个所述驱动轴上的所述齿轮二啮合连接。

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