CN114872807A - 一种轮-履-腿复合式移动机器人 - Google Patents

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陈凯
朱梓诚
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Abstract

本发明公开了一种轮‑履‑腿复合式移动机器人，包括底盘，所述底盘上具有履带机构、轮式机构和形态切换机构；所述形态切换机构包括安装于底盘四角的摆臂电机，每个摆臂电机的输出轴均通过传动机构固定连接有履带机构。本发明形态切换速度快并且对地形的适应性显著提高，越障能力出众，能耗低，并且在机动性方面的性能有明显提高，能够实现独立的纯履带式运动、独立的纯轮式运动以及独立的腿式运动，节省能耗同时，经过切换不同的工作模式，具备了各种形态下移动机器人的优点，适合作为探索形机器人，完成探索工作或者侦察工作，加装摄像头，绘图仪等可以进行绘制地形工作。

Description

一种轮-履-腿复合式移动机器人
技术领域
本发明涉及机器人领域，具体为一种轮-履-腿复合式移动机器人。
背景技术
随着机器人的出现和应用，极大程度的解放了生产力，减轻了劳动程度，减少了危险作业条件下的风险。从长远来看，移动机器人是未来机器人研究和应用的热门领域，且其热门程度将持续不断地升高。轮式、履带式和腿式是目前移动机器人主要的移动方式。轮式机器人具有结构简单，移动速度快，能耗低等优点，但其在复杂地形下表现较差，并且遇到障碍时易倾倒，越障能力较弱；履带式机器人具有对地形适应能力强，与地面接触大，行驶更为平稳可承重质量大等特点，但其转向速度、移动速度较慢；腿式机器人具有越障能力强，对环境地形破坏能力小优点，但其控制复杂，行进速率低。
未来机器人需要适应各种路况，以及各种恶劣天气，对障碍能够实现平稳地跨越，而现行的移动机器人，功能单一，越障能力弱，面对复杂路况行进效率低，尤其是面对坑洼泥泞的道路无法继续行走，遇到高于自身的障碍无法跨越，导致其应用范围小。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了一种轮-履-腿复合式移动机器人，能够综合不同移动机器人的优点，在不同路况下选择不同的形态进行行走，提高了移动机器人的行进效率，解决了背景技术中的问题。
为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：一种轮-履-腿复合式移动机器人，包括底盘，所述底盘上具有履带机构、轮式机构和形态切换机构；
所述形态切换机构包括安装于底盘四角的摆臂电机，每个摆臂电机的输出轴均通过传动机构固定连接有履带机构。
进一步限定，所述传动机构包括摆臂电机输出轴的蜗杆，蜗杆连接有蜗轮，蜗轮轴上的第一小直齿圆柱齿轮啮合有第一大直齿圆柱齿轮，第一大直齿圆柱齿轮上的摆臂旋转轴通过法兰盘与履带机构连接。
进一步限定，所述轮式机构包括底盘一端的万向轮和底盘另一端的两个车轮，两个车轮的轮传动轴上均安装有第二大直齿圆柱齿轮，两个第二大直齿圆柱齿轮分别与底盘上两个步进电机的电机传动轴上第二小直齿齿轮啮合。
进一步限定，所述履带机构包括与法兰盘连接的履带定位支撑板，履带定位支撑板上安装有履带从动轮和履带主动轮，履带从动轮和履带主动轮之间套设有橡胶履带，履带主动轮与履带定位支撑板上的直流减速电机连接。
进一步限定，所述底盘内设有对传动机构进行安装的轴承支座以及传动轴承。
进一步限定，所述底盘内还设有对摆臂电机、步进电机限位安装的电机支座。
本发明具备以下有益效果：本发明形态切换速度快并且对地形的适应性显著提高，越障能力出众，能耗低，并且在机动性方面的性能有明显提高，能够实现独立的纯履带式运动、独立的纯轮式运动以及独立的腿式运动，节省能耗同时，经过切换不同的工作模式，具备了各种形态下移动机器人的优点，适合作为探索形机器人，完成探索工作或者侦察工作，加装摄像头，绘图仪等可以进行绘制地形工作。
附图说明
图1为本发明等轴测视图；
图2为本发明内部结构视图；
图3为本发明轮式运动视图；
图4为本发明履带式运动视图；
图5为本发明腿式运动视图；
图6为本发明蜗轮蜗杆传动结构视图；
图7为本发明提供的轮-履-腿复合式机器人履带摆臂部分视图。
图中：1、底盘；1-2、轴承座；1-3、传动轴承；2、第一大直齿圆柱齿轮；2-1、摆臂旋转轴；3、第一小直齿圆柱齿轮；3-1、齿轮主动轴；4、摆臂电机；5、第二小直齿圆柱齿轮；5-1、电机传动轴；6、第二大直齿圆柱齿轮；6-1、轮传动轴；7、步进电机；8、橡胶履带；9、直流减速电机；10、履带主动轮；11、履带定位支撑板；12、履带从动轮一；13、履带从动轮二；14、车轮；15、万向轮；16、蜗轮；17、蜗杆；18、法兰盘；19、电机支座。
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。
请参阅图1-7，本发明的一种轮-履-腿复合式机器人，包括底盘1、四个履带机构配合安装在底盘1上，左右前后都呈对称布置。履带机构由橡胶履带8，驱动履带的直流减速电机9，履带主动轮10，履带定位支撑板11，履带从动轮一12，履带从动轮二13，内有履带主动轴和轴承组成。履带主动轮10、履带从动轮一12、履带从动轮二13与履带定位支撑板11相配合，橡胶履带8套在各个轮上，各个轮可绕与其同轴配合的轴与轴承旋转。在本发明中履带机构可以实现越野、越障、爬坡等功能。前轮万向轮15置于车身之前，轮式机构配合安装在底盘1上，其位置不与履带式机构发生干涉。
轮式机构包括车轮14，轮传动轴6-1，齿轮主动轴3-1，驱动车轮14转动的步进电机7，第二小直齿圆柱齿轮5，第二大直齿圆柱齿轮6，各轴用轴承座1-2和传动轴承1-3连接支撑。本发明中，轮式机构可以实现机器人的快速移动，在平坦的地面上，提高其行进效率。
形态切换机构由摆臂旋转轴2-1，第一大直齿圆柱齿轮2，第一小直齿圆柱齿轮3，摆臂电机4，蜗轮16、蜗杆17、法兰盘18组成。摆臂电机4与蜗杆17相连，蜗轮16与蜗杆17相配合，蜗轮16与第一小齿圆柱齿轮同轴，第一小直齿圆柱齿轮3与第一大直齿圆柱齿轮2相互啮合，第一大直齿圆柱齿轮2与摆臂旋转轴2-1同轴心，通过法兰盘18将摆臂旋转轴2-1与履带定位支撑板11通过螺栓相连接。底盘1内设有各部分的轴承支座，电机支座19。
当切换为轮式工作模式时，如图3所示，通过形态切换机构使履带机构向上抬起，摆臂电机4驱动蜗杆17，带动蜗轮16转动，蜗轮16经过齿轮主动轴3-1将动力传给了第一小直齿圆柱齿轮3，其与第一大直齿圆柱齿轮2相互啮合，将动力输出至摆臂旋转轴2-1，带动履带机构旋转至车轮14着地，通过蜗轮16、蜗杆17进行自锁。驱动履带的直流减速电机9不工作，与此同时轮式机构开始工作，步进电机7作为动力输出端将动力传至到电机传动轴5-1，电机传动轴5-1上的第二小直齿圆柱齿轮5，其与第二大齿圆柱齿轮相互啮合传动给轮传动轴6-1，使车轮14转动。处于轮式工作模式时，本发明能够在平地上实现快速行驶，通过改变左、右步进电机7速度实现转向的功能，增强其灵活性，在较为平坦的路面时，只有车轮14接触地面，而履带不接触地面，使用车轮14的方式前进。速度快，机动性和转向性明显增强。
当切换为履带工作模式时，如图4所示，与轮式工作模式、形态切换机构的传动方式相同，通过摆臂电机4使形态切换机构旋转，调整履带轮角度，使履带机构着地，此时直流减速电机9驱动履带主动轮10旋转，带动橡胶履带8进行传动，橡胶履带8的履带从动轮一12和履带从动轮二13作为辅助传动，此时驱动车轮14转动的步进电机7停止工作，机器人切换为履带工作模式。处于履带式工作模式下，本发明能够适应复杂路况，实现爬梯、爬坡、并具有一定的越障性能，在遇见沙地，湿滑泥泞等的路况时，使用履带的方式前进，可以实现在复杂路况下的快速行进，增强其抓地力，同时具有一定的越障、爬梯能力。
当切换为腿式工作模式时，如图5所示，驱动轮式机构的步进电机7停止工作，驱动履带机构的直流减速电机9亦停止工作，只有摆臂电机4工作，与轮式工作模式形态切换机构的传动方式相同，通过四个形态切换机构的相互配合，旋转至合适角度使机器人本身的重心升高跨越障碍，模拟四足运动，通过控制摆臂电机4的旋转，实现行走步态。处于腿式工作模式下，本发明越障能力增强，能跨越较大障碍，在遇到障碍时，利用履带机构作为机器人的腿，使机器人的重心升高进行越障、爬梯。
需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神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，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (6)

1.一种轮-履-腿复合式移动机器人，包括底盘，其特征在于：所述底盘上具有履带机构、轮式机构和形态切换机构；
所述形态切换机构包括安装于底盘四角的摆臂电机，每个摆臂电机的输出轴均通过传动机构固定连接有履带机构。
2.根据权利要求1所述的一种轮-履-腿复合式移动机器人，其特征在于：所述传动机构包括摆臂电机输出轴的蜗杆，蜗杆连接有蜗轮，蜗轮轴上的第一小直齿圆柱齿轮啮合有第一大直齿圆柱齿轮，第一大直齿圆柱齿轮上的摆臂旋转轴通过法兰盘与履带机构连接。
3.根据权利要求2所述的一种轮-履-腿复合式移动机器人，其特征在于：所述轮式机构包括底盘一端的万向轮和底盘另一端的两个车轮，两个车轮的轮传动轴上均安装有第二大直齿圆柱齿轮，两个第二大直齿圆柱齿轮分别与底盘上两个步进电机的电机传动轴上第二小直齿齿轮啮合。
4.根据权利要求3所述的一种轮-履-腿复合式移动机器人，其特征在于：所述履带机构包括与法兰盘连接的履带定位支撑板，履带定位支撑板上安装有履带从动轮和履带主动轮，履带从动轮和履带主动轮之间套设有橡胶履带，履带主动轮与履带定位支撑板上的直流减速电机连接。
5.根据权利要求4所述的一种轮-履-腿复合式移动机器人，其特征在于：所述底盘内设有对传动机构进行安装的轴承支座以及传动轴承。
6.根据权利要求5所述的一种轮-履-腿复合式移动机器人，其特征在于：所述底盘内还设有对摆臂电机、步进电机限位安装的电机支座。
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