CN114537543A - 一种全地形行走机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种全地形行走机器人，其包括底盘以及设置在底盘两侧的若干履带轮，若干履带轮均通过支撑臂与底盘连接，且支撑臂与底盘转动连接，辅助轮通过升降机构与底盘连接；支撑臂包括近端臂和远端臂，近端臂的一端设置有第一涡轮，近端臂的另一端设置有第一转轴，底盘内设置有第一蜗杆，第一涡轮与第一蜗杆传动连接，第一蜗杆与第一电机传动连接，远端臂的一端与第一转轴铰接，远端臂的另一端与履带轮连接，第一转轴上固定设置有第二涡轮，第二涡轮与第二蜗杆传动连接，第二蜗杆设置在远端臂上，且远端臂上设置有驱动机构；本方案越障能力强，移动方式多样，其底盘高度可调，使其同时具备良好的运动稳定性和通过性。

Description

一种全地形行走机器人

技术领域

本发明涉及行走机器人技术领域，具体涉及一种全地形行走机器人。

背景技术

机器人可以用于代替人工完成高难度、高精度以及高危险的任务，特别是军用以及抢险救灾领域，机器人的投入可以降低抢险救灾人员的危险，同时机器人可以进入一些工作人员到达不了的地方，并完成任务。

现有的具有复杂环境行进的机器人采用双侧式履带的行走模块来进行复杂路面的行走，但是对于障碍物的高度大于履带高度的行进环境中，履带难以越过高于自身高度的障碍，也就降低了履带的通过性；为考虑机器人运动的稳定性会缩短底盘与地面之间的距离，避免机器人重心过高在行进过程中倾倒，但是底盘与地面之间的距离过低，会降低机器人的通过能力；另外，对于设置有抓取臂的机器人，其抓取臂的伸出长度会受到机器人底盘高度以及底盘辐射支撑长度的制约，若是伸出过长就会造成机器人的翻倒。

因此现有技术中的机器人存在越障能力差，难以越过高于自身履带高度的障碍物；机器人底盘和地面之间高度与机器人的通过性能之间存在矛盾关系；抓取臂伸出长度易受到制约等问题。

发明内容

针对现有技术的上述不足，本发明提供了一种全地形行走机器人，解决了现有技术中的机器人越障能力差、运动稳定性与通过性能之间矛盾的问题。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案为：

提供一种全地形行走机器人，其包括底盘以及设置在底盘两侧的若干履带轮，若干履带轮均通过支撑臂与底盘连接，且支撑臂与底盘转动连接，履带轮与第一驱动电机传动连接；支撑臂包括近端臂和远端臂，近端臂的一端设置有第一涡轮，近端臂的另一端设置有第一转轴，底盘内设置有与第一涡轮传动连接的第一蜗杆，第一蜗杆与第一电机传动连接，远端臂的一端与第一转轴铰接，远端臂的另一端与履带轮连接，第一转轴上固定设置有第二涡轮，第二涡轮与第二蜗杆传动连接，第二蜗杆设置在远端臂上，且远端臂上设置有驱动第二蜗杆转动的驱动机构。

采用上述技术方案的有益效果为：本方案的履带轮可以相对底盘进行不同位置的调整，在攀爬较高的障碍物时，可以将履带轮搭接在高于履带数倍的障碍物上，再通过支撑臂与履带轮之间的配合爬上障碍物；支撑臂采用近端臂和远端臂的两节铰接式，可实现折叠收纳，减小空间占用，而需要伸出时，又尽可能的延长，提供了良好的越障和支撑功能；通过第一蜗杆驱动第一涡轮可以实现较大功率的传动输出，为近端臂的转动提供更大的扭矩，且蜗轮蜗杆具有单向自锁能力，在第一电机停止动力输出后，近端臂即可锁定。

进一步地，履带轮包括轮架，轮架的边角处间隙设置有若干行星齿轮，若干行星齿轮的外侧套设有履带，若干行星齿轮的中部设置有与其相啮合的中心齿轮，中心齿轮与第一驱动电机传动连接。

进一步地，轮架的一侧固定设置有内部中空的筒轴，筒轴上固定设置有第三蜗轮，第三蜗轮与第三蜗杆传动连接，第三蜗杆设置在远端臂上，驱动机构与第三蜗杆传动连接。

进一步地，第一驱动电机固定设置在轮架的内侧，且第一驱动电机的转轴贯穿筒轴并与中心齿轮传动连接。

采用上述技术方案的有益效果为：通过驱动机构可驱动轮架转动，通过第一驱动电机可驱动履带转动，且轮架的旋转与履带的转动之间互不影响，为机器人的驱动提供更多的选择以及更强的动力，从而有效的提高了行走机器人的越障及脱困能力。

进一步地，驱动机构包括双控电机，双控电机上滑动设置有贯穿双控电机的滑动转轴，且滑动转轴滑动设置在第二蜗杆和第三蜗杆之间，滑动转轴的两端设置有分别与第二蜗杆和第三蜗杆传动连接的第一端面齿轮，远端臂上设置有驱动滑动转轴滑动的驱动装置。

采用上述技术方案的有益效果为：通过驱动装置可使双控电机分别驱动第二蜗杆和第三蜗杆，从而实现对远端臂的旋转和轮架的旋转这两个运动的控制，这样设置有利于远端臂的高度集成化，简化了驱动机构的部件，从而减轻了远端臂的重量；采用蜗轮蜗杆的配合方式具有单向自锁的功能，使滑动转轴在动力切换至另一端后，没有动力的一端可实现自锁。

进一步地，驱动装置包括电磁铁，电磁铁固定套设在滑动转轴上，电磁铁上设置有电极片，电极片通过电刷与电磁铁电源电连接，电磁铁沿滑动转轴轴向上的两侧均间隙设置有永磁铁，永磁铁固定设置在远端臂上，两个永磁铁靠近电磁铁的一侧磁极相同。

采用上述技术方案的有益效果为：通过电磁铁电源改变电磁铁的通电方向，使电磁铁的电极转换，从而使电磁铁靠近设置在电磁铁两侧的其中一个永磁铁，进而带动滑动转轴来回滑动，实现对双控电机的控制输出端的切换。

进一步地，底盘两侧的中部均设置有辅助轮，辅助轮与第二驱动电机传动连接，辅助轮使行走机器人的中部不会出现卡盘的现象。

进一步地，辅助轮通过升降机构与底盘连接，升降机构包括螺纹杆，螺纹杆与升降电机传动连接，螺纹杆上设置有中心对称的正向外螺纹和反向外螺纹，螺纹杆上对称设置有两个滑动块，且两个滑动块分别与正向外螺纹和反向外螺纹滑动配合，两个滑动块分别与两块支撑片的一端铰接，两块支撑片的另一端铰接且呈V形布置，辅助轮设置在两块支撑片的交点处。

采用上述技术方案的有益效果为：通过升降电机可带动两个滑动块相对或背向移动，从而改变两块呈V形支撑片的角度，进而实现辅助轮在竖直方向上的位置调节，达到辅助支撑底盘升降的目的，提高机器人在平时行进的平稳性，在攀爬较高的障碍物时还可以将底盘举升起来，辅助履带轮进行攀爬。

进一步地，近端臂和远端臂错位连接，远端臂的长度大于近端臂的长度，这样设置使远端臂与近端臂可舒展打开亦可平行重叠，且设置在远端臂端部的第一驱动电机与底盘互不影响。

进一步地，底盘上设置有用于抓取的机械臂。

本发明的有益效果为：

1.本方案的行走机器人在通过障碍物较多的地形时，可以通过支撑臂带动履带轮向地面一侧运动，增加底盘与地面之间的高度，使得机器人可以在障碍物较多的地面行进，履带轮具有履带旋转和轮架滚动两种驱动方式，且两种驱动方式可叠加，可有效的提高机器人的越障及脱困能力。

2.对于高度高于履带的障碍物，本方案的行走机器人可以通过支撑臂将前端的两组履带轮抬起来，高于障碍物的高度，并将履带搭接在障碍物上，直接翻越障碍物，同时底盘的中部设置有辅助轮，使行走机器人的中部不会出现卡盘的现象。

3.当需要机械臂进行重物的抓取时，需要尽可能的延长机械臂，此时可以将支撑臂舒展打开，为机械臂提供更长的辐射支撑长度，从而提供了更大的支撑力，避免机械臂在抓取较远重物时，机器人发生倾倒。

附图说明

图1为全地形行走机器人履带轮处于收纳状态的结构图。

图2为全地形行走机器人机械臂抓取重物时的结构图。

图3为全地形行走机器人底盘上升时的结构图。

图4为全地形行走机器人举升攀爬时的的结构图。

图5为全地形行走机器人的底面剖视图。

图6为支撑臂的结构示意图。

图7为远端臂的第一剖视图。

图8为图7的正视图。

图9为远端臂的第二剖视图。

图10为辅助轮的结构示意图。

图11为辅助轮和升降机构的结构示意图。

图12为履带轮与双控电机位置示意图。

图13为履带轮结构示意图。

图14为三角轮架结构示意图。

其中，1、底盘，2、履带轮，21、三角轮架，22、行星齿轮，23、履带，24、中心齿轮，25、第一驱动电机，26、筒轴，27、第三蜗轮，28、第三蜗杆，

3、辅助轮，31、螺纹杆，32、升降电机，33、滑动块，34、支撑片，35、第二驱动电机，4、支撑臂，41、近端臂，411、第一蜗轮，412、第一转轴，413、第一蜗杆，414、第一电机，415、第二涡轮，42、远端臂，421、第二蜗杆，422、双控电机，423、滑动转轴，424、第二齿轮，425、第三齿轮，426、第四齿轮，43、第一端面齿轮，44、第二端面齿轮，45、电磁铁，46、电极片，47、电刷，48、永磁铁，5、机械臂。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

如图1至图4所示，本方案的全地形行走机器人包括底盘1，底盘1上设置有用于抓取的机械臂5，底盘1上设置有四个履带轮2和两个辅助轮3，其中履带轮2设置在底盘1两侧的端部，辅助轮3设置在底盘1两侧的中部，履带轮2均通过支撑臂4与底盘1连接，且支撑臂4与底盘1转动连接，辅助轮3通过升降机构与底盘1连接，履带轮2和辅助轮3分别与第一驱动电机25和第二驱动电机35传动连接。

四个履带轮2可以相对底盘1进行不同位置的调整，比如调整底盘1与地面之间的高度，在攀爬较高的障碍物时，可以将履带轮2搭接在高于履带23数倍的障碍物上，再通过支撑臂4与履带轮2之间的配合爬上障碍物；辅助轮3自身可以旋转，并相对于底盘1升降，提高机器人在平时行进的平稳性，在攀爬较高的障碍物时还可以将底盘1举升起来，辅助履带轮2进行攀爬。

如图5至图7所示，支撑臂4包括近端臂41和远端臂42，近端臂41的一端设置有第一涡轮411，近端臂41的另一端设置有第一转轴412，底盘1内设置有第一蜗杆413，第一涡轮411与第一蜗杆413传动连接，第一蜗杆413与第一电机414传动连接；远端臂42的一端与第一转轴412铰接，远端臂42的另一端与履带轮2连接，第一转轴412上固定设置有第二涡轮415，第二涡轮415与第二蜗杆421传动连接，第二蜗杆421设置在远端臂42上，且远端臂42上设置有驱动第二蜗杆421转动的驱动机构；其中支撑臂4采用近端臂41和远端臂42的两节铰接式，可实现折叠收纳，减小空间占用，而需要伸出时，又尽可能的延长，提供了良好的越障和支撑功能，同时采用两节组合转动连接的方式，使履带轮2存在更多的点位，以实现行走机器人移动方式的多样化。

通过第一蜗杆413驱动第一涡轮411可以实现较大功率的传动输出，为近端臂41的转动提供更大的扭矩，且蜗轮蜗杆具有单向自锁能力，在第一电机414停止动力输出后，近端臂41即可锁定，不需要第一电机414采用步进电机等价格高的电机，也无需浪费机器人的能源来保持近端臂41的锁定。

如图7至图9所示，驱动机构包括双控电机422，双控电机422上滑动设置有贯穿双控电机422的滑动转轴423，且滑动转轴423滑动设置在第二蜗杆421和第三蜗杆28之间，滑动转轴423的两端设置有分别与第二蜗杆421和第三蜗杆28传动连接的第一端面齿轮43，其中第二蜗杆421同轴设置有第二齿轮424，第二齿轮424与第三齿轮425传动连接，第三齿轮425的端面上设置有与第一端面齿轮43相啮合的第二端面齿轮44，第二蜗杆421与第四齿轮426传动连接，第四齿轮426与第二涡轮415传动连接；第三蜗杆28的端部设置有与第一端面齿轮43相啮合的第二端面齿轮44，远端臂42上设置有驱动滑动转轴423来回滑动的驱动装置。

双控电机422的双控的含义为：通过驱动装置可使滑动转轴423与第三齿轮425传动连接，驱动双控电机422使第二蜗杆421转动，从而实现远端臂42的旋转；通过驱动装置还可使滑动转轴423与第三蜗杆28传动连接，驱动双控电机422可实现三角轮架21的旋转，通过一个双控电机422实现两个运动的控制，这样设置有利于远端臂42的高度集成化，简化了驱动机构的部件，从而减轻了远端臂42的重量，同时不会影响机器人的正常行进工作，采用蜗轮蜗杆的配合方式具有单向自锁的功能，使滑动转轴423在动力切换至另一端后，没有动力的一端可实现自锁。

如图7至图9所示，驱动装置包括电磁铁45，电磁铁45固定套设在滑动转轴423上，电磁铁45上设置有用于导电的电极片46，电极片46通过电刷47与电磁铁电源电连接，电磁铁45沿滑动转轴423轴向上的两侧均间隙设置有永磁铁48，永磁铁48固定设置在远端臂42上，两个永磁铁48靠近电磁铁45的一侧磁极相同；通过电磁铁电源改变电磁铁45的通电方向，使电磁铁45的电极转换，从而使电磁铁45靠近设置在电磁铁45两侧的其中一个永磁铁48，进而带动滑动转轴423来回滑动，实现对双控电机422的控制输出端的切换。

如图10和图11所示，升降机构包括螺纹杆31，螺纹杆31与升降电机32传动连接，螺纹杆31上设置有中心对称的正向外螺纹和反向外螺纹，螺纹杆31上对称设置有两个滑动块33，且两个滑动块33分别与正向外螺纹和反向外螺纹滑动配合，两个滑动块33分别与两块支撑片34的一端铰接，两块支撑片34的另一端铰接且呈V形布置，辅助轮3设置在两块支撑片34的交点处，第二驱动电机35设置在辅助轮3的内侧；通过升降电机32可带动两个滑动块33对向或背向移动，从而改变两块呈V形支撑片34的角度，进而实现辅助轮3在竖直方向上的位置调节，达到辅助支撑底盘1升降的目的。

如图12至图14所示，履带轮2包括三角轮架21，三角轮架21的边角处间隙设置有三个行星齿轮22，三个行星齿轮22的外侧套设有履带23，三个行星齿轮22的中部设置有与行星齿轮22相啮合的中心齿轮24，中心齿轮24与第一驱动电机25传动连接；轮架的一侧固定设置有内部中空的筒轴26，筒轴26上固定设置有第三蜗轮27，第三蜗轮27与第三蜗杆28传动连接，第三蜗杆28设置在远端臂42上，驱动机构与第三蜗杆28传动连接，第一驱动电机25固定设置在三角轮架21的内侧，且第一驱动电机25的转轴贯穿筒轴26并与中心齿轮24传动连接。

通过驱动机构可带动三角轮架21转动，通过第一驱动电机25穿过筒轴26的转轴可带动中心齿轮24转动，从而带动行星齿轮22并驱动履带23转动，其中三角轮架21的旋转与履带23的转动之间互不影响，使得本方案可以根据需要选择转动的方式，也可以选择两种方式叠加转动，为机器人的驱动提供更多的选择以及更强的动力，从而有效的提高了行走机器人的越障及脱困能力，其中使用履带23进行驱动时，机器人的移动较为平稳。

近端臂41和远端臂42错位连接，使远端臂42与近端臂41可平行重叠，远端臂42的长度大于近端臂41的长度，当远端臂42与近端臂41重叠时，近端臂41以与底盘1连接端为支点指向辅助轮3，而履带轮2可伸出底盘1的前端。这样设置可以减小空间的占用，且驱动履带轮2的第一驱动电机25可以选用体积大、功率大的电机，也不会在移动时和底盘1之间出现干涉。

综上所述，本方案的全地形行走机器人越障能力强，移动方式多样，可以越过高于自身履带23高度数倍的障碍物，其底盘1高度可调，使其同时具备良好的运动稳定性和通过性。

Claims (10)

1.一种全地形行走机器人，其特征在于，包括底盘（1）以及设置在底盘（1）两侧的若干履带轮（2），若干所述履带轮（2）均通过支撑臂（4）与底盘（1）连接，且支撑臂（4）与底盘（1）转动连接，所述履带轮（2）与第一驱动电机（25）传动连接；

所述支撑臂（4）包括近端臂（41）和远端臂（42），所述近端臂（41）的一端设置有第一涡轮（411），近端臂（41）的另一端设置有第一转轴（412），所述底盘（1）内设置有与第一涡轮（411）传动连接的第一蜗杆（413），所述第一蜗杆（413）与第一电机（414）传动连接，所述远端臂（42）的一端与第一转轴（412）铰接，所述远端臂（42）的另一端与履带轮（2）连接，所述第一转轴（412）上固定设置有第二涡轮（415），所述第二涡轮（415）与第二蜗杆（421）传动连接，所述第二蜗杆（421）设置在远端臂（42）上，且远端臂（42）上设置有驱动第二蜗杆（421）转动的驱动机构。

2.根据权利要求1所述的全地形行走机器人，其特征在于，所述履带轮（2）包括轮架，所述轮架的边角处间隙设置有若干行星齿轮（22），若干所述行星齿轮（22）的外侧套设有履带（23），若干所述行星齿轮（22）的中部设置有与其相啮合的中心齿轮（24），所述中心齿轮（24）与第一驱动电机（25）传动连接。

3.根据权利要求2所述的全地形行走机器人，其特征在于，所述轮架的一侧固定设置有内部中空的筒轴（26），所述筒轴（26）上固定设置有第三蜗轮（27），所述第三蜗轮（27）与第三蜗杆（28）传动连接，所述第三蜗杆（28）设置在远端臂（42）上，所述驱动机构与第三蜗杆（28）传动连接。

4.根据权利要求2 所述的全地形行走机器人，其特征在于，所述第一驱动电机（25）固定设置在轮架的内侧，且第一驱动电机（25）的转轴贯穿筒轴（26）并与中心齿轮（24）传动连接。

5.根据权利要求3所述的全地形行走机器人，其特征在于，所述驱动机构包括双控电机（422），所述双控电机（422）上滑动设置有贯穿双控电机（422）的滑动转轴（423），且滑动转轴（423）滑动设置在第二蜗杆（421）和第三蜗杆（28）之间，所述滑动转轴（423）的两端设置有分别与第二蜗杆（421）和第三蜗杆（28）传动连接的第一端面齿轮（43），所述远端臂（42）上设置有驱动滑动转轴（423）滑动的驱动装置。

6.根据权利要求5所述的全地形行走机器人，其特征在于，所述驱动装置包括电磁铁（45），所述电磁铁（45）固定套设在滑动转轴（423）上，所述电磁铁（45）上设置有电极片（46），所述电极片（46）通过电刷（47）与电磁铁电源电连接，所述电磁铁（45）沿滑动转轴（423）轴向上的两侧均间隙设置有永磁铁（48），所述永磁铁（48）固定设置在远端臂（42）上，两个所述永磁铁（48）靠近电磁铁（45）的一侧磁极相同。

7.根据权利要求1所述的全地形行走机器人，其特征在于，所述底盘（1）两侧的中部均设置有辅助轮（3），所述辅助轮（3）与第二驱动电机（35）传动连接。

8.根据权利要求7所述的全地形行走机器人，其特征在于，所述辅助轮（3）通过升降机构与底盘（1）连接，所述升降机构包括螺纹杆（31），所述螺纹杆（31）与升降电机（32）传动连接，所述螺纹杆（31）上设置有中心对称的正向外螺纹和反向外螺纹，所述螺纹杆（31）上对称设置有两个滑动块（33），且两个滑动块（33）分别与正向外螺纹和反向外螺纹滑动配合，两个所述滑动块（33）分别与两块支撑片（34）的一端铰接，两块所述支撑片（34）的另一端铰接且呈V形布置，所述辅助轮（3）设置在两块支撑片（34）的交点处。

9.根据权利要求1所述的全地形行走机器人，其特征在于，所述近端臂（41）和远端臂（42）错位连接，所述远端臂（42）的长度大于近端臂（41）的长度。

10.根据权利要求1所述的全地形行走机器人，其特征在于，所述底盘（1）上设置有用于抓取的机械臂（5）。

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