CN117141612A - 一种可变形的轮腿移动机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可变形的轮腿移动机器人，属于移动机器人领域；包括机器人机身、四个可变形轮腿机构以及传动机构；可变形轮腿机构包括减速电机、保持架、中心齿轮和若干变形组件；每个变形组件均包括行星齿轮、连接杆和圆弧腿；行星齿轮与保持架通过轴孔连接同时与中心齿轮啮合；圆弧腿一端与保持架通过轴孔连接，连接杆一端与圆弧腿铰接，连接杆另一端与行星齿轮铰接；中心齿轮随减速电机转动而驱动若干行星齿轮转动，进而带动圆弧腿展开或闭合，实现机器人轮式形态和腿式形态的切换。本发明中的新型可变形的轮腿式移动机器人，通过其可变形展开的轮腿结构实现了轮式和腿式运动模式的切换，具备了灵活性、适应性和强大的越障能力。

Description

一种可变形的轮腿移动机器人

技术领域

本发明涉及移动机器人领域，具体涉及一种可变形的轮腿移动机器人。

背景技术

随着科技的进步和机器人技术的发展，移动机器人在越来越多的非结构化复杂环境中取代人类参与各种任务。然而，传统的轮式和腿式移动机器人仅在特定地形下具有优势，无法胜任复杂和未知环境的工作。

因此，可变形轮腿式移动机器人成为了近年来国内外研究人员广泛关注的焦点。这种机器人通过变形结构实现了轮式和腿式形态的自由切换，从而充分综合了传统轮式和腿式机器人的优点。在抢险救灾、军事侦察、星球探索等领域，可变形轮腿式移动机器人具有广阔的应用前景。

为了提升可变形轮腿式移动机器人的越障能力和轮腿结构的变形能力，研究人员已经提出了多种设计方案。然而，现有的可变形轮腿机构仍存在一些限制，如越障能力有限、变径低、结构复杂、控制策略困难等。为了在非结构化环境中提高机器人的越障性能和机动性，需要根据实际需求设计可变形轮腿式移动机器人的构型方案，以使机器人在复杂未知环境中具备出色的运动能力，并显著提升其平稳性、适应性和越障能力等方面的性能。

发明内容

为克服现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种可变形的轮腿移动机器人，可以在复杂地形下工作时具备良好的运动能力，相对于传统的移动机器人具有更好的平稳性、适应性和越障能力。

为此，本发明提出了一种可变形的轮腿移动机器人，包括机器人机身、四个可变形轮腿机构以及传动机构；所述可变形轮腿机构包括减速电机、保持架、中心齿轮和若干变形组件；所述变形组件围绕所述中心齿轮环形阵列分布，所述中心齿轮与所述减速电机连接，而所述减速电机与所述保持架固定连接，同时所述保持架与所述传动机构传动连接。

其中，每个所述变形组件均包括行星齿轮、连接杆和圆弧腿；所述行星齿轮与所述保持架通过轴孔连接同时与所述中心齿轮啮合；所述圆弧腿一端与所述保持架通过轴孔连接，所述连接杆一端与所述圆弧腿铰接，所述连接杆另一端与所述行星齿轮铰接；所述中心齿轮随所述减速电机转动而驱动若干所述行星齿轮转动，进而带动所述圆弧腿展开或闭合，实现机器人轮式形态和腿式形态的切换。

进一步，所述行星齿轮上设有旋转轴一，并且所述旋转轴一偏心设置，所述圆弧腿上设有旋转轴二，所述连接杆一端与所述旋转轴一铰接，另一端与旋转轴二铰接。

进一步，所述中心齿轮与所述减速电机输出端之间通过第一连接法兰盘固定连接。

进一步，所述圆弧腿一端侧边设有圆柱连接销一，所述圆柱连接销一与所述保持架通过轴孔连接。

进一步，每个所述可变形轮腿机构中设置三到五组所述变形组件。

进一步，所述传动机构包括左右对称分布的两组传动组件，每个所述传动组件包括驱动电机、第一输出轴、第二输出轴、两个大带轮、第一小带轮、第二小带轮；所述第一小带轮与所述第二小带轮同轴并分别与所述驱动电机连接；与所述第一输出轴固定连接的所述大带轮与所述第二小带轮通过V型传动皮带连接；与所述第二输出轴固定连接的所述大带轮与所述第一小带轮也通过V型传动皮带连接。

进一步，所述第二小带轮与所述驱动电机输出轴端通过第二连接法兰盘固定连接；所述第一输出轴或所述第二输出轴与所述大带轮通过第三连接法兰盘固定连接。

进一步，所述第一小带轮与所述第二小带轮之间设有定位轴套和若干圆柱连接销，所述定位轴套与所述驱动电机输出轴孔轴配合。

进一步，所述第一输出轴和第二输出轴外端分别设有输出轴连接法兰，所述第一输出轴或所述第二输出轴与所述保持架通过所述输出轴连接法兰固定连接。

进一步，所述机器人机身包括机身外壳、底部支撑板和两个轴固定架，所述第一输出轴或所述第二输出轴与所述轴固定架通过滚动轴承相连接。

本发明提供的可变形的轮腿移动机器人，通过可变形展开轮腿结构和传动机构可以使机器人实现轮式和腿式两种运动模式的移动，使其在复杂地形下进行工作时具备良好的运动能力，具有平稳性好、适应性强和越障能力高的特点；仅通过控制两个驱动电机即可实现机器人的全方向行走，每一个可变形轮腿机构均由单独的减速电机控制，使得地形适应性更强，控制策略更为简单，结构更加可靠。此外，利用行星齿轮传动设计的可变形展开轮腿结构，虽然看似结构简单，但是非常巧妙，行星齿轮与由多片圆弧腿组成的车轮结合，能非常轻松的完成圆弧腿的展开或闭合，实现轮式和腿式两种运动模式。

该装置提升了可变形轮腿式移动机器人部署在非结构化环境下的越障性能和机动性，再结合可变形轮腿式移动机器人的实际需求对其进行构型方案设计，使机器人在复杂未知环境下执行任务时具备良好的运动能力，并使机器人在平稳性、适应性和越障能力等方面得到显著提高。它在复杂环境下的应用潜力广泛，有望在抢险救灾、军事侦察、星球探索等领域发挥重要作用。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本申请还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本申请作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1为本发明中一种新型可变形的轮腿式移动机器人的结构示意图；

图2为本发明中可变形轮腿机构示意图；

图3为本发明中可变形轮腿机构展开示意图；

图4为本发明中机器人机身示意图；

图5为本发明中传动机构的部分结构的立体图；

图6为本发明中圆弧腿示意图；

图7为本发明中轴系的结构示意图；

附图标记说明

1、机器人机身；2、可变形轮腿机构；3、传动机构；11、机身外壳；12、底部支撑板；13、轴固定架；21、减速电机；22、保持架；23、中心齿轮；24、第一连接法兰盘；25、行星齿轮；26、旋转轴一；27、连接杆；28、圆柱连接销一；29、圆弧腿；210、旋转轴二；31、驱动电机；32、定位轴套；33、大带轮；34、V型传动皮带；35、第一小带轮；36、第二小带轮；37、圆柱连接销；38、第二连接法兰盘；39、第三连接法兰盘；310、第一输出轴；311、第二输出轴；312、输出轴连接法兰；313、滚动轴承。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

如图1～图7所示，本发明的可变形的轮腿移动机器人，包括机器人机身1、四个可变形轮腿机构2以及传动机构3；可变形轮腿机构2有四个，对称布置在所述机器人机身1的首尾两侧；传动机构3一端与所述机器人机身1相连接，另一端与可变形轮腿机构2相连接。

具体地，如图1、图2、图3、图6所示，可变形轮腿机构2包括一个减速电机21、一个保持架22、一个中心齿轮23、一个第一连接法兰盘24和若干组变形组件，变形组件围绕所述中心齿轮23环形阵列分布，具体的每个可变形轮腿机构2设有五组变形组件；其中，每个变形组件均包括行星齿轮25、旋转轴一26、连接杆27、圆柱连接销一28、圆弧腿29、旋转轴二210。

具体地，减速电机21和保持架22之间通过若干螺丝固定连接，中心齿轮23与减速电机21输出端之间通过第一连接法兰盘24以及若干螺丝固定连接，可使中心齿轮23与减速电机21同步转动，行星齿轮25与保持架22通过轴孔连接，可以自由旋转，旋转轴一26与行星齿轮25相连接并偏心设置，旋转轴二210与圆弧腿29相连接，连接杆27一端与旋转轴一26铰接，另一端与旋转轴二210铰接，圆柱连接销一28与圆弧腿29一端固定连接且与保持架22通过轴孔连接，可以自由旋转。中心齿轮23与行星齿轮25啮合连接。

其中，减速电机将动力经过输出轴传递给可变形轮腿机构的中心齿轮，中心齿轮带动相啮合的行星齿轮转动，行星齿轮通过连杆带动圆弧腿在一定范围内绕圆柱连接销一转动，相应的使圆弧腿进行展开和闭合，实现机器人轮式形态和腿式形态的切换。此外，机器人机身1的前端设有传感器或图像识别装置，用来判断道路平不平，进而控制减速电机工作，最后机器人轮式形态和腿式形态的切换。

具体地，如图4所示，机器人机身1包括一个机身外壳11、一个底部支撑板12、两个轴固定架13，机身外壳11与底部支撑板12通过若干螺丝固定连接，轴固定架13与机身外壳11固定连接。

具体地，如图5、图7所示，传动机构3具有两组传动组件，两组传动组件关于机器人机身1左右对称分布；传动机构3具体包括两个驱动电机31、两个定位轴套32、四个大带轮33、四个V型传动皮带34、两个第一小带轮35、两个第二小带轮36、六个圆柱连接销37、两个第二连接法兰盘38、四个第三连接法兰盘39、两个第一输出轴310、两个第二输出轴311、四个输出轴连接法兰312和四个滚动轴承313。

具体地，驱动电机31与底部支撑板12通过若干螺丝固定连接，第一小带轮35与驱动电机31输出轴通过轴孔连接，可进行旋转，定位轴套32与驱动电机31孔轴连接且一端与第一小带轮35圆形面接触，另一端与第二小带轮36的无沉孔圆形面相接触，控制第一小带轮35与第二小带轮36之间的间距，圆柱连接销37一端与第一小带轮35的圆柱孔固定连接，另一端与第二小带轮36的圆柱孔固定连接，使第一小带轮35与第二小带轮36同步转动。

第二连接法兰盘38与第二小带轮36以及驱动电机31输出轴端通过若干螺丝固定连接，第一小带轮35与大带轮33通过V型传动皮带34相连接，第二小带轮36与大带轮33通过V型传动皮带34相连接，输出轴连接法兰312与保持架22通过若干螺丝固定连接。

具体地，第一输出轴310与机身外壳11孔轴连接且与轴固定架通过滚动轴承313相连接，第二输出轴311与机身外壳11孔轴连接且与轴固定架通过滚动轴承313相连接，第一输出轴310与输出轴连接法兰312紧固连接，第二输出轴311与输出轴连接法兰312紧固连接，大带轮33与第一输出轴310的轴端面以及第三连接法兰盘39通过若干螺丝固定连接，大带轮33与第二输出轴311的轴端面以及第三连接法兰盘39通过若干螺丝固定连接。

所述驱动电机31输出轴转动可带动处于同一侧的一个第一输出轴310与一个第二输出轴311，所述第一输出轴310与第二输出轴311通过输出轴连接法兰312与可变形轮腿机构2相连接，可实现机器人前进，后退，转弯的移动操作。

在另一实施例中，可变形轮腿移动机器人的每个可变形轮腿机构2设有三组或者四组变形组件；设置成三组或四组，使圆弧腿29具有足够的长度，圆弧腿29展开后半径更大，越障能力更强；变形组件还可以设计六到八组变形组件，圆弧腿29的数量越多，越障运动模式下更稳定。

需要说明的是，传动机构也可以采用其他不同的结构，使用四轮独立驱动，也可以使用单电机与皮带传动机构或齿轮传动机构结合的方式进行驱动，同样能实现可变形轮腿机构的运转。

下面结合附图简述本发明的可变形的轮腿移动机器人的工作原理和工作过程。

首先使用传感器或图像识别装置来判断道路平不平；当前方路段平直时，控制器控制减速电机工作，减速电机驱动中心齿轮23转动，中心齿轮23再带动多个行星齿轮25同时转动，行星齿轮25再通过连接杆27带动圆弧腿29转动，使若干个圆弧腿29闭合成一个整圆，形成轮式行走机构；最后传动机构3的驱动电机31驱动轮式行走机构向前转动，用于快速通过平整路面。

当传感器或图像识别装置判断前方路段崎岖、不平直时，控制器控制减速电机工作，减速电机驱动中心齿轮23转动，中心齿轮23再带动多个行星齿轮25同时转动，行星齿轮25再通过连接杆27带动圆弧腿29转动，使若干个圆弧腿29向外展开，类似于棘轮，形成腿式行走机构；最后传动机构3的驱动电机31驱动腿式行走机构向前转动，用于跨越障碍。

本发明的新型可变形的轮腿式移动机器人，通过可变形展开轮腿结构和传动机构可以使机器人实现轮式和腿式两种运动模式的移动，使其在复杂地形下进行工作时具备良好的运动能力，具有平稳性好、适应性强和越障能力高的特点。仅通过控制两个驱动电机即可实现机器人的全方向行走，每一个可变形轮腿机构均由单独的减速电机控制，使得地形适应性更强，控制策略更为简单，结构更加可靠。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种可变形的轮腿移动机器人，其特征在于，包括：机器人机身(1)、四个可变形轮腿机构(2)以及传动机构(3)；

所述可变形轮腿机构(2)包括减速电机(21)、保持架(22)、中心齿轮(23)和若干变形组件；所述变形组件围绕所述中心齿轮(23)环形阵列分布，所述中心齿轮(23)与所述减速电机(21)连接，而所述减速电机(21)与所述保持架(22)固定连接，同时所述保持架(22)与所述传动机构(3)传动连接；

其中，每个所述变形组件均包括行星齿轮(25)、连接杆(27)和圆弧腿(29)；所述行星齿轮(25)与所述保持架(22)通过轴孔连接同时与所述中心齿轮(23)啮合；所述圆弧腿(29)一端与所述保持架(22)通过轴孔连接，所述连接杆(27)一端与所述圆弧腿(29)铰接，所述连接杆(27)另一端与所述行星齿轮(25)铰接；

所述中心齿轮(23)随所述减速电机(21)转动而驱动若干所述行星齿轮(25)转动，进而带动所述圆弧腿(29)展开或闭合，实现机器人轮式形态和腿式形态的切换。

2.根据权利要求1所述的可变形的轮腿移动机器人，其特征在于，所述行星齿轮(25)上设有旋转轴一(26)，并且所述旋转轴一(26)偏心设置，所述圆弧腿(29)上设有旋转轴二(210)，所述连接杆(27)一端与所述旋转轴一(26)铰接，另一端与所述旋转轴二(210)铰接。

3.根据权利要求1所述的可变形的轮腿移动机器人，其特征在于，所述中心齿轮(23)与所述减速电机(21)输出端之间通过第一连接法兰盘(24)固定连接。

4.根据权利要求1所述的可变形的轮腿移动机器人，其特征在于，所述圆弧腿(29)一端侧边设有圆柱连接销一(28)，所述圆柱连接销一(28)与所述保持架(22)通过轴孔连接。

5.根据权利要求1所述的可变形的轮腿移动机器人，其特征在于，每个所述可变形轮腿机构(2)中设置三到五组所述变形组件。

6.根据权利要求1所述的可变形的轮腿移动机器人，其特征在于，所述传动机构(3)包括左右对称分布的两组传动组件，每个所述传动组件包括驱动电机(31)、第一输出轴(310)、第二输出轴(311)、两个大带轮(33)、第一小带轮(35)、第二小带轮(36)；

所述第一小带轮(35)与所述第二小带轮(36)同轴并分别与所述驱动电机(31)连接；与所述第一输出轴(310)固定连接的所述大带轮(33)与所述第二小带轮(36)通过V型传动皮带(34)连接；与所述第二输出轴(311)固定连接的所述大带轮(33)与所述第一小带轮(35)也通过V型传动皮带(34)连接。

7.根据权利要求6所述的可变形的轮腿移动机器人，其特征在于，所述第二小带轮(36)与所述驱动电机(31)输出轴端通过第二连接法兰盘(38)固定连接；所述第一输出轴(310)或所述第二输出轴(311)与所述大带轮(33)通过第三连接法兰盘(39)固定连接。

8.根据权利要求6所述的可变形的轮腿移动机器人，其特征在于，所述第一小带轮(35)与所述第二小带轮(36)之间设有定位轴套(32)和若干圆柱连接销(37)，所述定位轴套(32)与所述驱动电机(31)输出轴孔轴配合。

9.根据权利要求6所述的可变形的轮腿移动机器人，其特征在于，所述第一输出轴(310)和第二输出轴(311)外端分别设有输出轴连接法兰(312)，所述第一输出轴(310)或所述第二输出轴(311)与所述保持架(22)通过所述输出轴连接法兰(312)固定连接。

10.根据权利要求6所述的可变形的轮腿移动机器人，其特征在于，所述机器人机身(1)包括机身外壳(11)、底部支撑板(12)和两个轴固定架(13)，所述第一输出轴(310)或所述第二输出轴(311)与所述轴固定架(13)通过滚动轴承(313)相连接。