CN114834552B - 一种可变形轮履转换机构及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种可变形轮履转换机构及其控制方法，包括同步带支架，同步带支架两端分别安装推动杆的顶端，推动杆底端通过丝杠结构/蜗轮蜗杆结构与直流电机的输出端连接，直流电机安装在电机固定支架；推动杆靠近同步带支架的一端转动连接滑动轴一端，滑动轴另一端转动连接同步带导向轮；电机固定支架与其上端电机连接支架固连，电机连接支架位于同步带支架下部，且两端分别固定外转子电机，外转子电机输出端连接同步带轮和车轮；通过丝杠结构/蜗轮蜗杆结构的移动，同步带轮(不)与同步履带接触，实现可变形轮履转换机构轮(履带)式运动状态的改变。本发明在轮式前进和履带前进时使用同一套动力系统，避免冗杂的机构设计，体积更小、重量更轻。

Description

一种可变形轮履转换机构及其控制方法

技术领域

本发明机器人技术领域，具体涉及一种可变形轮履转换机构及其控制方法。

背景技术

轮式机器人具有速度快、效率高、运动噪声低的优点，可以在相对平坦的地面上实现快速运动，但是其越障能力、地形适应能力较差、转弯效率低(只能实现大半径转弯)；履带式机器人具备出色的越障能力和地形适应能力，可以实现原地转弯，尤其对楼梯、碎石路等地面有出色的表现，但是履带机器人的运动速度相对较低、效率也低、运动噪声大。

目前已经有研究人员提出，将轮式和履带结合起来，使得机器人具备两种运动模式。由于轮式部分与履带部分是两个分开的独立系统，各自工作，互不影响，需要提供两套动力系统及相应的变换机构，导致结构复杂、系统冗余、体积大，难以应用在小型机器人或者是仿人机器人上。轮式部分与履带部分相互耦合在一起，通过某些机构变换实现轮结构的变化，从而完成轮式运动与履带式运动两种形式的运动；这期间可能需要有“可重构橡胶履带”、“可伸缩履带”的配合，容易出现故障。

发明内容

针对现有技术中存在不足，本发明提供了一种可变形轮履转换机构及其控制方法，解决现有方案复杂、机构笨重、转换速度慢、效率低下、动力系统不能通用的问题，实现轮履复合机器人轮履快速转换。

本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。

一种可变形轮履转换机构，包括：

轴向对称设置的两推动杆，顶端与同步带支架固连，底端通过丝杠结构与直流电机的输出端连接；所述推动杆靠近同步带支架的一端转动连接滑动轴一端，滑动轴另一端转动连接同步带导向轮；

径向对称设置的两外转子电机，输出端连接同步带轮和车轮；

所述外转子电机位于同步带支架下部；

所述同步带支架和同步带导向轮外围支撑有同步履带。

上述技术方案中，所述直流电机安装在电机固定支架上，所述外转子电机固定在电机连接支架两端，且电机连接支架与电机固定支架固连。

上述技术方案中，所述滑动轴下端套设有滑动轴套，所述滑动轴套通过轴承与滑动轴套固定支架一端连接，滑动轴套固定支架另一端固连在电机固定支架上。

上述技术方案中，所述电机底部还通过支架安装有中央导向轮，所述同步履带支撑在中央导向轮上。

上述技术方案中，所述外转子电机上安装有中空式编码器。

上述技术方案中，所述中空式编码器与工控机进行通信，所述工控机控制直流电机和外转子电机的工作。

上述技术方案中，所述丝杠结构包括丝杠螺母和丝杠，所述丝杠螺母安装在丝杠上，所述丝杠与直流电机的输出端连接。

上述技术方案中，所述丝杠结构替换为蜗轮蜗杆结构，所述蜗轮蜗杆结构包括蜗轮和蜗杆，所述蜗轮安装在蜗杆上，蜗杆与直流电机的输出端连接，且蜗轮通过连杆与同步带支架固连，连杆与滑动轴转动连接。

一种可变形轮履转换机构的控制方法，具体为：

外转子电机工作，带动同步带轮和车轮旋转运动；

直流电机工作，带动丝杠结构/蜗轮蜗杆结构移动：

当丝杠结构/蜗轮蜗杆结构实现向上移动时，两同步带导向轮向中心轴靠近，同步带轮不与同步履带接触，车轮支撑地面，且随着外转子电机转动向前转动，此时可变形轮履转换机构为轮式运动状态；

当丝杠结构/蜗轮蜗杆结构实现向下移动时，两同步带导向轮向远离中心轴方向运动，同步履带与地面接触，同步带轮与同步履带接触，同步带轮的运动传递给同步履带，可变形轮履转换机构为履带式运动状态。

进一步地，所述中空式编码器实时获取车轮当前的运动速度和位置，并传输工控机，工控机控制外转子电机使车轮停止运动，直流电机带动丝杠结构/蜗轮蜗杆结构向上/下移动，实现轮式运动状态与履带式运动状态的切换。

本发明的有益效果为：

(1)利用本发明的可变形轮履转换机构，在轮式前进和履带前进时使用同一套动力系统，大大简化了动力系统的复杂程度，避免了冗杂的机构设计，拥有更小的体积、更轻的重量，适合在机器人上应用；

(2)本发明在变换过程中通过同步带支架和同步带导向轮的相对位置关系变换，使履带总长度不会发生变化，可以不使用“可重构橡胶履带”、“可伸缩履带”，提高机构的可靠性和复杂环境适应性；

(3)本发明采用丝杠结构或蜗轮蜗杆结构的自锁性能，保证可变形轮履转换机构的稳定性。

附图说明

图1为本发明所述可变形轮履转换机构(有同步履带)部分结构示意图；

图2为本发明所述可变形轮履转换机构(无同步履带)部分结构示意图；

图3为本发明所述丝杠结构部分示意图；

图4为本发明轮式运动时，车轮的形态图；

图5为本发明履带式运动时，车轮的形态图；

图中：1-车轮，2-同步履带，3-同步带轮A，4-同步带支架，5-同步带轮B，6-中空式编码器，7-支架连接件，8-滑动轴套固定支架，9-同步带导向轮，10-中央导向轮支架，11-中央导向轮，12-直流电机，13-电机固定支架，14-外转子电机，15-电机连接支架，16-丝杠螺母，17-推动杆，18-丝杠，19-滑动轴套，20-滑动轴。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。

本发明一种可变形轮履转换机构为对称结构，参见图1、2，为了方便展示可变形轮履转换机构，图中仅画出一个车轮；一种可变形轮履转换机构包括车轮1、同步履带2、同步带轮A3、同步带支架4、同步带轮B5、滑动轴套固定支架8、同步带导向轮9、中央导向轮支架10、中央导向轮11、直流电机12、电机固定支架13、外转子电机14、电机连接支架15、丝杠结构、丝杠18、滑动轴套19和滑动轴20，丝杠结构包括丝杠螺母16和丝杠18。

同步带支架4两端分别通过螺钉安装在推动杆17顶端，推动杆17底端均与丝杠螺母16连接，丝杠螺母16安装在丝杠18上，丝杠18与直流电机12的输出端通过轴和销连接；直流电机12固定在电机固定支架13，电机固定支架13与上部的电机连接支架15固连，电机连接支架15位于同步带支架4下部，电机连接支架15两端分别固定外转子电机14，一个外转子电机14输出端与同步带轮A3和车轮1固连，另一个外转子电机14输出端与同步带轮B5和车轮(图中未标注)连接；推动杆17靠近同步带支架4端转动连接(例如销连接)滑动轴20顶端，滑动轴20底端转动连接同步带导向轮9，滑动轴20下端套设有滑动轴套19，滑动轴套19通过轴承与滑动轴套固定支架8一端连接，滑动轴套固定支架8另一端通过螺钉固连在电机固定支架13上，参见图3；直流电机12底端固定中央导向轮支架10，中央导向轮支架10上安装中央导向轮11，中央导向轮11可以转动，实现导向作用；同步带支架4、同步带导向轮9和中央导向轮11外围设有同步履带2。外转子电机14上还安装有中空式编码器6。

本发明可变形轮履转换机构中的丝杠结构可替换为蜗轮蜗杆结构，具体地，丝杠18替换为蜗杆，丝杠螺母16替换为蜗轮，且蜗轮通过连杆与同步带支架4固连，连杆与滑动轴20转动连接。

可变形轮履转换机构使用时，通过支架连接件7(固定在同步带轮A3或同步带轮B5的外侧)安装在机器人小腿末端。

下面以丝杠结构为例，具体说明本发明一种可变形轮履转换机构的工作原理：外转子电机14在工控机的控制下工作，进而带动同步带轮(同步带轮A3和同步带轮B5)和车轮旋转运动；直流电机12在工控机的控制下工作，进而带动丝杠18旋转，使得丝杠螺母16沿丝杠18上下移动，推动杆17和同步带支架4均与丝杠螺母16同步运动，当推动杆17向上移动时，两同步带导向轮9在滑动轴20的带动下向中心轴靠近，同步带轮不与同步履带2接触，即同步带轮的运动不会传递给同步履带2，可变形轮履转换机构为轮式运动状态，参见图4；当推动杆17向下移动时，两同步带导向轮9向远离中心轴方向运动，同步带轮与同步履带2接触，即同步带轮的运动会传递给同步履带2，且同步履带2与地面接触，可变形轮履转换机构为履带式运动状态，参见图5；在轮式运动时，车轮支撑地面，且车轮随着外转子电机14转动向前转动，中空式编码器6实时获取车轮当前的运动速度和位置，并传输工控机，工控机控制外转子电机14，使车轮停在合适的形态变换位置，将轮式状态转换为履带式状态，直流电机12转动，同步带支架4向下运动，同步履带2与同步带轮接触配合，同步带导向轮9朝远离中心轴方向运动，将同步履带2撑开，同步带导向轮9接触地面并进行支撑，在同步带轮的带动下，同步履带2开始运动。

所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种可变形轮履转换机构的控制方法，其特征在于：

外转子电机（14）工作，带动同步带轮和车轮旋转运动；

直流电机（12）工作，带动丝杠结构/蜗轮蜗杆结构移动：

当丝杠结构/蜗轮蜗杆结构实现向上移动时，两同步带导向轮（9）向中心轴靠近，同步带轮不与同步履带（2）接触，车轮支撑地面，且随着外转子电机（14）转动向前转动，此时可变形轮履转换机构为轮式运动状态；

当丝杠结构/蜗轮蜗杆结构实现向下移动时，两同步带导向轮（9）向远离中心轴方向运动，同步履带（2）与地面接触，同步带轮与同步履带（2）接触，同步带轮的运动传递给同步履带（2），可变形轮履转换机构为履带式运动状态。

2.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于：中空式编码器（6）实时获取车轮当前的运动速度和位置，并传输工控机，工控机控制外转子电机（14）使车轮停止运动，直流电机（12）带动丝杠结构/蜗轮蜗杆结构向上/下移动，实现轮式运动状态与履带式运动状态的切换。

3.一种实现权利要求1-2任一项所述的控制方法的可变形轮履转换机构，其特征在于，包括：

轴向对称设置的两推动杆（17），顶端与同步带支架（4）固连，底端通过丝杠结构与直流电机（12）的输出端连接；所述推动杆（17）靠近同步带支架（4）的一端转动连接滑动轴（20）一端，滑动轴（20）另一端转动连接同步带导向轮（9）；

径向对称设置的两外转子电机（14），输出端连接同步带轮和车轮；

所述外转子电机（14）位于同步带支架（4）下部；

所述同步带支架（4）和同步带导向轮（9）外围支撑有同步履带（2）。

4.根据权利要求3所述的可变形轮履转换机构，其特征在于，所述直流电机（12）安装在电机固定支架（13）上，所述外转子电机（14）固定在电机连接支架（15）两端，且电机连接支架（15）与电机固定支架（13）固连。

5.根据权利要求4所述的可变形轮履转换机构，其特征在于，所述滑动轴（20）下端套设有滑动轴套（19），所述滑动轴套（19）通过轴承与滑动轴套固定支架（8）一端连接，滑动轴套固定支架（8）另一端固连在电机固定支架（13）上。

6.根据权利要求3所述的可变形轮履转换机构，其特征在于，所述电机底部还通过支架安装有中央导向轮（11），所述同步履带（2）支撑在中央导向轮（11）上。

7.根据权利要求3所述的可变形轮履转换机构，其特征在于，所述外转子电机（14）上安装有中空式编码器（6）。

8.根据权利要求7所述的可变形轮履转换机构，其特征在于，所述中空式编码器（6）与工控机进行通信，所述工控机控制直流电机（12）和外转子电机（14）的工作。

9.根据权利要求3所述的可变形轮履转换机构，其特征在于，所述丝杠结构包括丝杠螺母（16）和丝杠（18），所述丝杠螺母（16）安装在丝杠（18）上，所述丝杠（18）与直流电机（12）的输出端连接。

10.根据权利要求9所述的可变形轮履转换机构，其特征在于，所述丝杠结构替换为蜗轮蜗杆结构，所述蜗轮蜗杆结构包括蜗轮和蜗杆，所述蜗轮安装在蜗杆上，蜗杆与直流电机（12）的输出端连接，且蜗轮通过连杆与同步带支架（4）固连，连杆与滑动轴（20）转动连接。

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