CN116946272A - 一种小型可变重心轮式越障机器人 - Google Patents

Abstract

本专利提供了一种小型可变重心轮式越障机器人，包括：足部、腿部、机架、配重块。足部与腿部相连，其上固定有辐轮，采用辐轮有利于提高机器人面对一般障碍的通过性；同侧辐轮之间通过齿轮啮合，仅用一个电机完成驱动。腿部与机架之间通过蜗轮蜗杆相连，安装于机架两侧的蜗杆转动带动腿部蜗轮转动，进而可前后移动机架以改变机器人重心。配重块的作用在于控制机架前后移动时机器人是否翘起，以适应不同类型的障碍。本专利提供的轮腿可变重心机器人运动灵活快速，环境适应性强，体积质量较小，可以满足复杂狭窄环境探测等多种需求。

Description

一种小型可变重心轮式越障机器人

技术领域

本发明涉及移动机器人领域，具体地，涉及一种小型轮式越障机器人，尤其涉及一种可变重心的轮式机器人。

背景技术

移动机器人行进机构的研究是移动机器人研究的首要任务和重点之一。现阶段，地面移动机器人的行进机构主要包括腿式和轮式两种。虽然腿式行进机构具有较强的越障能力，但其结构复杂、负载能力弱，难以进行小型化；而轮式行进机构除越障能力稍显不足外，在结构复杂度、负载能力、小型化等方面都更具优势。因此，研究如何提高小型轮式机器人的越障能力具有十分重要的意义。

对现有文献、专利的调研发现，针对轮式机器人越障能力不足的问题，目前主要有两种思路：一种是采用多行进机构，如轮腿混合、轮履混合等包含多种运动机制的移动机器人,这类机器人的不足之处在于体积较大、结构复杂、控制繁琐，难以适应一些特殊环境；另一种是通过改进轮子外形以提高越障能力，如采用异形轮以提高其对不同地形的适应能力，或者采用变形轮以灵活应对不同障碍类型，然而这类方案对于轮式机器人越障能力的提升仍十分有限。综上所述，这些方案虽然在一定程度上提高了轮式机器人的越障能力，但是，在提升越障能力的同时并没有充分发挥出轮式机器人的优势，要么导致结构过于复杂，要么越障能力的提升程度有限。因此，如何在保证轮式机器人优势的前提下，尽可能提升其越障能力是十分必要和迫切的，仍需要深入研究。

发明内容

针对现有方案的不足，本专利设计了一种小型轮式越障机器人，通过机架平台的前后移动以适应不同的环境障碍，在保留轮式机器人优势的基础上有效提升了轮式机器人的越障能力。

本发明提供的技术方案如下：一种小型可变重心轮式越障机器人，其特征在于，包括：足部、腿部、机架、配重块；所述足部、腿部、机架不在一个平面内；

所述足部包括结构完全对称的左侧足和右侧足，其中每一侧足都包括：支撑架、齿轮组、两个辐轮和一个驱动电机，所述支撑架包括本体和盖体，本体为长条形片状结构，盖体为边缘凸起的长条形结构，本体和盖体的长条形结构的一侧长边设置有了两个连接耳；盖体盖于本体上后，内部具有空腔，该空腔内放置齿轮组，本体上开设有一列孔洞，最外侧的两个孔洞用于放置辐轮和连接辐轮的齿轮，中间的孔洞用于放置齿轮组中的传动齿轮；驱动电机与辐轮位于本体的一侧，齿轮组位于另一侧；所述辐轮包括4个叶片，每个叶片绕轴平均分布，所述电机用于驱动齿轮组中的一个齿轮，齿轮组中相邻齿轮啮合，并且足内的辐轮转动方向一致；所述连接耳上只有孔洞，用于连接腿部；

所述腿部包括左侧腿和右侧腿，每一侧腿均为两条平行的连杆结构，连杆两端设有通孔，一端通孔与腿部连接耳上的通孔铰接，另一端通孔处设置有涡轮并与机架铰接；该蜗轮与对应的通孔共轴，该涡轮为一带开口的齿轮，该开口与连杆卡合，通过同轴的销钉插入蜗杆和对应的连杆通孔后使蜗杆固定在连杆上；

所述机架包括：变重心电机、与变重心电机配套齿轮组、丝杆、蜗杆、蜗杆电机、腿部安装架，所述机架为对称结构，蜗杆的数量为2或4，每侧腿中的一个连杆对应一个蜗杆或每个连杆对应一个蜗杆，所述蜗杆设置于机架的侧面，蜗杆的两端通过轴承设置于机架上，蜗杆的两侧设置腿部安装架，腿部安装架用于与腿部的连杆铰接，安装架与机架固定连接；蜗杆电机位于机架的一头，蜗杆电机的输出轴通过齿轮与两侧的蜗杆啮合；所述丝杆安装于机架的对称轴处，变重心电机固定在机架上通过齿轮带动丝杆转动；

所述配重块安装在机架上，与丝杆配合，丝杆转动，带动配重块移动。

进一步的，机架内部沿对称轴设置一凹槽，凹槽中设置丝杆，配重块嵌套于丝杆上，凹槽大小与配重块配合，配重块在凹槽内滑动。

进一步的，所述辐轮的四片叶片为梯形，梯形小边朝向辐轮中心。

进一步的，所述足部的齿轮组可替换为皮带。

变重心电机转动将带动机架两侧蜗杆旋转，通过蜗轮蜗杆结构带动腿部上端蜗轮转动，进而带动机架前后移动以改变重心位置。由于蜗轮蜗杆结构的自锁特性，机架可以在变化后的位置保持稳定。所述配重块通过丝杆安装于机架下方，配重块可以沿着丝杆前后移动，以此控制机器人机架在前后移动时的机器人姿态。配重块质量由机器人整体质量而定，根据机架前后移动极限距离结合力学分析计算得出。当配重块通过丝杆螺母移动到机架后端、机架向后移动时，由于配重物的存在，机器人前端将会翘起，通过辐轮旋转机器人可以越过障碍物；当机架向前移动时，机器人整体高度将会降低，由于配重物的存在，机器人后端不会翘起，以此通过低矮障碍。反之，当配重快移动到机架前端时，上述情形将会反转，即当机架向后移动时，机器人前端将不会翘起，机器人将以较低的姿态通过低矮障碍；当机架向前移动时，机器人后端将会翘起，这时机器人可以倒退越过较高障碍。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1、采用差动轮式底盘，保留了轮式机器人速度快、运动灵活的优势。

2、通过前后移动机架平台的方式改变机器人的重心，可以有效应对不同的障碍，相对于传统的轮腿混合或异形轮设计，整体结构更加简洁紧凑，体积较小。

3、整个机器人仅使用三个电机完成驱动，相对于其他机器人设计，总体质量更轻，控制复杂度较低，稳定性更好。

4、机器人机架平台可以进一步搭载视觉传感器等探测设备，能够实现环境检测任务。

附图说明

图1为可变重心轮式机器人整体结构示意图；

图2为可变重心轮式机器人足部结构示意图；

图3为可变重心轮式机器人腿部结构示意图；

图4为可变重心轮式机器人机架结构示意图；

图5为可变重心轮式机器人后移重心示意图；

图6为可变重心轮式机器人前移重心示意图。

图中相关模块与其标号的对应关系如下：

足部-1；足部支撑架-11；足部辐轮-12；足部驱动电机-13；足部传动齿轮-14；

腿部-2；腿部连杆-21；腿部通孔-22；腿部蜗轮-23；

机架-3；机架蜗杆-31；变重心电机-32；机架齿轮组-33；配重块-34；丝杆-35；机架壳-36，腿部安装架-37，蜗杆电机盖-38。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明具体实施方式作进一步地详细描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本发明提供的一种小型可变重心的轮式越障机器人，主要包括足部1、腿部2、机架3三个部分。其中，足步1包括足部支撑架11、足部辐轮12、足部驱动电机13和足部传动齿轮14；腿部2包括连杆21、腿部通孔22、腿部蜗轮23；机架3则包括机架蜗杆31、变重心电机32、机架齿轮组33、配重块34、丝杆35和机架壳36。

如图2所示，为可变重心轮式机器人足部1结构示意图。所述足部1包括足部支撑架11、足部辐轮12、足步驱动电机13和足部传动齿轮14。所述足步支撑架11上固定有两个足部辐轮12、一个足部驱动电机13以及足部传动齿轮14，所述足部辐轮12通过足部传动齿轮14与足部驱动电机13的输出轴齿轮相互啮合，在足部驱动电机13的驱动下同向旋转。

如图3所示，为可变重心轮式机器人腿部2结构示意图。所述腿部2包括连杆结构21和蜗轮23，所述连杆21两端设有通孔22，所述蜗轮23与所述通孔22共轴，固定于连杆21的上端。所述腿部2安装于机架3两侧，上下两端分别与机架3的机架蜗杆31和足部1的支撑架11相连。

如图4所示，为可变重心轮式机器人机架3结构示意图。所述机架3包括机架蜗杆31、变重心电机32、机架齿轮组33、配重块34、丝杆35。变重心电机32旋转时，通过机架齿轮组33可以带动机架两侧的机架蜗杆31转动。在机架3与腿部2之间蜗轮蜗杆结构的作用下，机架蜗杆31的转动将会带动机器人机架3向前或向后移动，导致机器人重心偏移。所述配重块34可以设定在丝杆35的前端或者后端，以控制机器人在机架前后移动时的姿态。当配重块34位于丝杆35的前端时，机架3前移机器人后端将会翘起，机架3后移机器人高度将降低但机器人前端不会翘起；反之，当配重块34位于丝杆35的后端时，机架3后移机器人的前端将会翘起，机架3前移机器人高度会降低但是机器人的后端不会翘起。

工作原理：

本发明的可变重心轮式机器人可以向任意方向运动，原理如下：机器人两侧的足部1上的两个辐轮12均通过一个足部驱动电机13结合足部齿轮组14实现控制；当两侧电机转速相同时，机器人将向前或向后做直线运动；当左侧电机转速大于右侧电机时，机器人将向右侧转向；当右侧电机转速大于左侧电机时，机器人将向左侧转向。

本发明的可变重心轮式机器人可以移动重心调整姿态以应对不同的障碍，原理如下：变重心电机32可以正向(人为规定)或反向转动，机架齿轮组33将带动机架蜗杆31正向(人为规定)或反向旋转，在蜗轮蜗杆结构的作用下，机器人的机架3将会向前或向后移动，导致机器人重心偏移，在机架配重块的作用下(以配重块位于丝杆35后端为例)，重心前移时机器人的整体高度将会降低，可以穿过低矮障碍；重心后移时机器人前端将会翘起，可以通过越过较高障碍。

下面结合具体的实施例，对本发明机器人的越障过程做进一步阐述。

如图5所示，当面对需要跨越的障碍物时，变重心电机32反向转动，机架齿轮组33将带动机架蜗杆31反向旋转，在蜗轮蜗杆结构的作用下，机器人的机架3将会向后移动，由于机架后方配重块的存在，机器人前端将会翘起，与障碍物上表面接触，由于足步为同步多辐轮结构，在足部驱动电机的带动下机器人可以成功越过该障碍。

如果6所示，当面对需要穿过的障碍物时，变重心电机32正向转动，机架齿轮组33将带动机架蜗杆31正向旋转，在蜗轮蜗杆结构的作用下，机器人的机架3将会向前移动，由于机架后方配重块的存在，此时机器人后端并不会翘起，而机器人的整体高度将会降低，同样的，在足部驱动电机的带动下机器人可以成功穿过该障碍。

本发明的变化例，做进一步说明。

在一个变化例中，基于上述基础实施例，本发明的机器人可以改变为有线控制方式，机器人本体只需保留基本的机械结构、电机和必要的传感器。

又一个变化例中，基于上述基础实施例，足部单电机驱动的多齿轮啮合结构可以替换为皮带轮结合皮带传动。

又一个变化例中，基于上述基础实施例，足部辐轮个数可以由两个进一步增多，以实现更好的地形通过性；辐轮外侧可以使用橡胶垫等加以包裹，以增大其与地面的摩擦力，同时起到减震效果。

Claims (4)

1.一种小型可变重心轮式越障机器人，其特征在于，包括：足部、腿部、机架、配重块；所述足部、腿部、机架不在一个平面内；

所述足部包括结构完全对称的左侧足和右侧足，其中每一侧足都包括：支撑架、齿轮组、两个辐轮和一个驱动电机，所述支撑架包括本体和盖体，本体为长条形片状结构，盖体为边缘凸起的长条形结构，本体和盖体的长条形结构的一侧长边设置有了两个连接耳；盖体盖于本体上后，内部具有空腔，该空腔内放置齿轮组，本体上开设有一列孔洞，最外侧的两个孔洞用于放置辐轮和连接辐轮的齿轮，中间的孔洞用于放置齿轮组中的传动齿轮；驱动电机与辐轮位于本体的一侧，齿轮组位于另一侧；所述辐轮包括4个叶片，每个叶片绕轴平均分布，所述电机用于驱动齿轮组中的一个齿轮，齿轮组中相邻齿轮啮合，并且足内的辐轮转动方向一致；所述连接耳上只有孔洞，用于连接腿部；

所述腿部包括左侧腿和右侧腿，每一侧腿均为两条平行的连杆结构，连杆两端设有通孔，一端通孔与腿部连接耳上的通孔铰接，另一端通孔处设置有涡轮并与机架铰接；该蜗轮与对应的通孔共轴，该涡轮为一带开口的齿轮，该开口与连杆卡合，通过同轴的销钉插入蜗杆和对应的连杆通孔后使蜗杆固定在连杆上；

所述机架包括：变重心电机、与变重心电机配套齿轮组、丝杆、蜗杆、蜗杆电机、腿部安装架，所述机架为对称结构，蜗杆的数量为2或4，每侧腿中的一个连杆对应一个蜗杆或每个连杆对应一个蜗杆，所述蜗杆设置于机架的侧面，蜗杆的两端通过轴承设置于机架上，蜗杆的两侧设置腿部安装架，腿部安装架用于与腿部的连杆铰接，安装架与机架固定连接；蜗杆电机位于机架的一头，蜗杆电机的输出轴通过齿轮与两侧的蜗杆啮合；所述丝杆安装于机架的对称轴处，变重心电机固定在机架上通过齿轮带动丝杆转动；

所述配重块安装在机架上，与丝杆配合，丝杆转动，带动配重块移动。

2.如权利要求1所述的一种小型可变重心轮式越障机器人，其特征在于，机架内部沿对称轴设置一凹槽，凹槽中设置丝杆，配重块嵌套于丝杆上，凹槽大小与配重块配合，配重块在凹槽内滑动。

3.如权利要求1所述的一种小型可变重心轮式越障机器人，其特征在于，所述辐轮的四片叶片为梯形，梯形小边朝向辐轮中心。

4.如权利要求1所述的一种小型可变重心轮式越障机器人，其特征在于，所述足部的齿轮组可替换为皮带。