CN117508382A - 履带式摆臂机器人行走机构 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种履带式摆臂机器人行走机构，包括机箱、两条主履带、两条前摆臂和两条后摆臂，在机箱内固接有五个电机，一个前摆臂驱动电机连接驱动两条前摆臂同步摆动；两个履带驱动电机，分别位于机箱内前部的左、右侧，每个履带驱动电机连接驱动同一侧的前摆臂履带、主履带和后摆臂履带同步且同方向的转动；两个后摆臂电机，分别位于机箱内后部的左、右侧，每个后摆臂电机各自经减速增扭的传动单元连接驱动一组后摆臂摆动；且在平坦硬路面上，由位于机箱下方的前摆臂的履带和后摆臂的履带直接接触路面。本发明结构简洁、紧凑，性能可靠，成本低廉，能实现大负载驱动，具有较强的越障、松软地面通过性，以及较强的爬楼梯功能。

Description

履带式摆臂机器人行走机构

技术领域

本发明属于机器人技术领域，尤其是涉及一种履带式摆臂机器人的行走机构。

背景技术

履带式摆臂机器人在恶劣复杂的环境，比如泥泞、沙土、沟壑等类型的地面工况下，具备较好的动力和越野能力。如何从设计上统筹行走机构的布局，并在尽量低成本、结构简单化下还能实现大负载驱动、更强的复杂路况通过能力，是本发明需要解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提出一种履带式摆臂机器人行走机构，具体为：

履带式摆臂机器人行走机构，包括机箱、两条主履带、两条前摆臂和两条后摆臂，在机箱内固接有五个电机：

一个前摆臂驱动电机，其连接驱动两条前摆臂同步摆动；

两个履带驱动电机，分别位于机箱内前部的左、右侧，每个履带驱动电机连接驱动同一侧的前摆臂履带、主履带和后摆臂履带同步且同方向的转动；

两个后摆臂电机，分别位于机箱内后部的左、右侧，每个后摆臂电机各自经减速增扭的传动单元连接驱动一组后摆臂摆动；

且位于机箱下方的主履带的接地面高于前摆臂履带和后摆臂履带的接地面。

前摆臂驱动电机、两个后摆臂电机分别各匹配连接有一蜗轮蜗杆减速器。

蜗轮蜗杆减速器型号为RV30，具有一个输入端和两个输出端。

前摆臂驱动电机以及匹配连接的蜗轮蜗杆减速器固定于机箱前部的中央，该蜗轮蜗杆减速器的两个输出端分别同轴固接一前摆臂传动轴的一端，每个前摆臂传动轴的另一端经前摆臂法兰盘固接一前摆臂组件的一端；

每个前摆臂传动轴分别套接有一法兰轴承座，每个法兰轴承座的内圈部与前摆臂传动轴相固接，外圈部分别与机箱和蜗轮蜗杆减速器通过螺栓固定连接；

每个前摆臂传动轴上在法兰轴承座与前摆臂法兰盘之间还通过轴承转动连接有一前轮毂，前轮毂上依次固定套接有主履带前轮、主履带驱动大轮和前摆臂大轮；

两个履带驱动电机分别固定于机箱内前部的左右两侧，每侧的履带驱动电机的电机轴伸出机箱外的端部同轴固接有主履带驱动小轮，同侧的主履带驱动小轮与主履带驱动大轮通过一条行走驱动同步带传动连接；

每侧的前摆臂大轮与同侧前摆臂组件的前摆臂小轮通过一条前摆臂履带传动连接；

两个后摆臂电机分别固定于机箱内后部的左、右侧，每侧的后摆臂电机的电机轴与相匹配的蜗轮蜗杆减速器的输入端同轴传动连接，该蜗轮蜗杆减速器的两输出端同轴固接一根输出轴，输出轴伸出机箱外的端部同轴固接有后摆臂驱动小轮；

在机箱后端箱体外的左右两侧分别固接有一后轮支撑架，后轮支撑架转动连接一根行走传动轴，主履带后轮和后摆臂大轮与行走传动轴同轴固接，后摆臂驱动大轮夹在主履带后轮和后摆臂大轮之间，行走传动轴与一轴承法兰座的内圈部同轴固接，该轴承法兰座的外圈部与后摆臂组件的一端以及后摆臂驱动大轮相固接；

同侧的主履带前轮与主履带后轮通过一条主履带传动连接；

同侧的后摆臂驱动小轮与后摆臂驱动大轮通过一条后摆臂摆动同步带传动连接；

同侧的后摆臂大轮与后摆臂组件的后摆臂小轮通过一条后摆臂履带传动连接。

履带驱动电机的电机轴与前摆臂驱动电机的电机轴、后摆臂电机的电机轴相垂直，履带驱动电机的电机轴与前摆臂传动轴、行走传动轴相平行。

主履带前轮、主履带后轮、前摆臂大轮和后摆臂大轮的轮径相等，主履带的整体齿高小于前摆臂履带和后摆臂履带的整体齿高。

后轮支撑架呈匚型，中部底板通过螺栓紧固件与机箱箱体相固接，行走传动轴穿经并转动连接后轮支撑架的两块耳板。

行走传动轴通过自身台阶、凹槽与黄铜轴承的配合限制其在后轮支撑架上沿自身轴向方向的移动，黄铜轴承与后轮支撑架相固定。

本发明结构简洁、紧凑，性能可靠，成本低廉，能实现大负载驱动，具有较强的越障、爬梯功能。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明实施例提供的立体结构示意图；

图2为本发明实施例提供的传动结构布局的俯视示意图；

图3为图2中A-A向剖视示意图；

图4为图2中B-B向剖视示意图；

图5为前摆臂以及临近各部件组合的立体图和爆炸图；

图6为后摆臂以及临近各部件组合的立体图和爆炸图；

图7为本发明常规越障过程的示意图；

图8为本发明极限越障过程的示意图。

图中的附图标记：100、机箱；200、前摆臂；300、后摆臂；

1、前摆臂传动轴；2、前摆臂组件；201；前摆臂小轮3、前摆臂大轮；4、主履带驱动大轮；5、前摆臂法兰连接盘；6、主履带前轮；7、前轮毂；8、法兰轴承座；9、涡轮蜗杆减速器；91、前摆臂驱动电机；10.行走驱动同步带；11、履带驱动电机；12、后摆臂驱动电机；13、后摆臂摆动同步带；14、主履带；15、前摆臂履带；16、后摆臂履带；18、行走传动轴；19、后轮支撑架；20、黄铜轴承；21、法兰轴承座；22、后摆臂组件；221、后摆臂小轮；23、后摆臂驱动大轮；231、后摆臂驱动小轮；24、主履带后轮；25、后摆臂大轮；

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，指示方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该申请产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，或者是本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明或简化描述，并不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造或操作，因此不应理解为对本发明的限制。

本发明出现的“多个”指的是两个以上(包含两个)。术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，不应理解为指示或暗示相对重要性。

除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或者是一体地连接；可以是直接连接，也可以是通过中间媒介间接连接。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

如图1所示，本发明的机器人的行走机构采用双主履带-四摆臂式布局，包括机箱100、两条主履带14和两条前摆臂200和两条后摆臂300。

参见图2所示，在机箱100内布局固接有五个电机作为行走机构的动力源：

一个前摆臂驱动电机91，由其负责驱动两条前摆臂200同步摆动；

两个履带驱动电机11，分别位于机箱内前部的左、右侧，每个履带驱动电机11负责驱动同一侧的前摆臂履带15、主履带14和后摆臂履带16同步且同方向的转动；

两个后摆臂电机12，分别位于机箱内后部的左、右侧，每个后摆臂电机12各自驱动一组后摆臂300摆动。

在本发明中，前摆臂驱动电机91主要是在越障前将前摆臂200同步摆动到合适位置，因此将两条前摆臂共用一个电机(前摆臂驱动电机91)，以减轻机体重量、提升内部空间。后摆臂300则因需要在跨越较高的障碍物或翻到时支撑起机体，所需驱动扭矩较大，故为每一组后摆臂300单独匹配一个电机(后摆臂电机12)，每条后摆臂300的摆动姿态调整可单独进行，以保证其可以顺利完成机器人整体的姿态调整任务。

参见图2所示，前摆臂驱动电机91、两个后摆臂电机12分别各匹配连接有一蜗轮蜗杆减速器9，优选的，蜗轮蜗杆减速器9选用型号为RV30，具有一个输入端和两个输出端，电机选用步进电机，步进电机的电机轴与蜗轮蜗杆减速器9的输入端同轴固接，经蜗轮蜗杆减速器9减速增扭后将动力输出至输出端所连接的下一级，此种结构既可将成本控制至非常低的水平，又保证了较大的输出扭矩和轻量化，并且利用蜗轮蜗杆减速器9自身的自锁功能，无需担心反向力矩，可以有效降低电机能耗，提升机器人的工作半径。

结合图1至图3以及图5所示，前摆臂驱动电机91以及匹配连接的蜗轮蜗杆减速器9固定于机箱前部的中央，该蜗轮蜗杆减速器的两个输出端分别同轴固接一前摆臂传动轴1的一端，每个前摆臂传动轴1的另一端经前摆臂法兰盘5固接一前摆臂组件2的一端，从而实现由前摆臂驱动电机91经蜗轮蜗杆减速器9的两个输出端同步控制两条前摆臂组件2的摆动。

每个前摆臂传动轴1分别套接有一法兰轴承座8，每个法兰轴承座8的内圈部与前摆臂传动轴1相固接，每个法兰轴承座8的外圈部分别与机箱100和蜗轮蜗杆减速器9通过螺栓固定连接。

每个前摆臂传动轴1上在法兰轴承座8与前摆臂法兰盘5之间还通过轴承转动连接有一前轮毂7，每个前轮毂7通过前摆臂传动轴1上的台阶和限位轴卡限制其在前摆臂传动轴1轴向上的移动；前轮毂7上固定套接有主履带前轮6、主履带驱动大轮4和前摆臂大轮3；参见图3所示，主履带驱动大轮4位于主履带前轮6和前摆臂大轮3之间。

两个履带驱动电机11分别固定于机箱内前部的左右两侧，每侧的履带驱动电机11的电机轴伸出机箱外的端部同轴固接有主履带驱动小轮114，同侧的主履带驱动小轮114与主履带驱动大轮4通过一条行走驱动同步带10传动连接(参见图1)。

每侧的前摆臂大轮3与同侧的前摆臂组件2的前摆臂小轮201通过一条前摆臂履带15传动连接(参见图1)。

结合图2和图4所示，两个后摆臂电机12分别固定于机箱内后部的左、右侧，每侧的后摆臂电机12的电机轴与相匹配的蜗轮蜗杆减速器9的输入端同轴传动连接，该蜗轮蜗杆减速器9的两输出端同轴固接一根输出轴121，输出轴121伸出机箱100外的端部同轴固接有后摆臂驱动小轮231；

在机箱100后端箱体外的左右两侧分别固接有一后轮支撑架19，后轮支撑架19呈匚型，中部底板通过螺栓紧固件与机箱100箱体相固接，两块耳板穿经并转动连接一根行走传动轴18，结合图4和图5所示，行走传动轴18通过自身台阶、凹槽与黄铜轴承20的配合限制其在后轮支撑架19上轴向方向的移动，黄铜轴承20固定在后轮支撑架19上，主履带后轮24和后摆臂大轮25通过键和键槽与行走传动轴18同轴固接，后摆臂驱动大轮23夹在主履带后轮24和后摆臂大轮25之间，轴承法兰座21的内圈部与行走传动轴18同轴固接，轴承法兰座21的外圈部与后摆臂组件22的一端以及后摆臂驱动大轮23相固接；后摆臂组件22的另一端转动连接有后摆臂小轮221；

同侧的主履带前轮6与主履带后轮24通过一条主履带14传动连接；

同侧的后摆臂驱动小轮231与后摆臂驱动大轮23通过一条后摆臂摆动同步带13传动连接；

同侧的后摆臂大轮25与后摆臂组件22的后摆臂小轮221通过一条后摆臂履带16传动连接。

由主履带驱动小轮114、主履带驱动大轮4和行走驱动同步带10组成的大减速比、增扭的传动单元，使得每侧的履带驱动电机11可经此传动单元带动同侧的主履带前轮6和前摆臂大轮3同步转动，并进一步带动主履带14、前摆臂履带15和后摆臂履带16同步且同向转动。

由后摆臂驱动小轮231、后摆臂驱动大轮23和后摆臂摆动同步带13组成的大减速比、增扭的传动单元，再加上每侧的后摆臂驱动电机所匹配的蜗轮蜗杆减速器9自身所具有的大减速比增扭特性，可以使得本发明的每条后摆臂各自只需通过一个较小的电机就可以获得较大的力矩，在本发明以如图8所示方式做极限越障过程中，后摆臂可以轻松的将机器人整体抬起，以较低的成本和紧凑的结构满足了相应的动力性能的高要求。

由图2可见，履带驱动电机11的电机轴与前摆臂驱动电机91的电机轴、后摆臂电机12的电机轴相垂直，履带驱动电机11的电机轴与前摆臂传动轴1、行走传动轴18相平行。此种布局使得这些动力源部件占用的机箱内空间可最小化，并且能够做到尽可能的薄且窄，从而获得更好的通过性。

另外，在本发明中，主履带前轮6、主履带后轮24、前摆臂大轮3和后摆臂大轮25的轮径相等，主履带14的整体齿高小于前摆臂履带15和后摆臂履带16的整体齿高，即位于机箱下方的主履带的接地面高于前摆臂履带(15)和后摆臂履带(16)的接地面，因此，在机器人在平坦且硬实的地面上行走、转向时，机箱下方的主履带14并不与地面直接接触，而是由接地面积小的前摆臂履带15和后摆臂履带16与地面接触，从而减小了行走和转向阻力，增加了灵活性；而当机器人在泥泞、沙土等类型的地面上行进时，两条主履带很可能因机器人下沉而接触到地面，则再利用主履带宽大的接地面积辅助支撑机器人防止其进一步下沉。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.履带式摆臂机器人行走机构，其特征在于，包括机箱(100)、两条主履带(14)、两条前摆臂(200)和两条后摆臂(300)，在机箱内固接有五个电机：

一个前摆臂驱动电机(91)，其连接驱动两条前摆臂(200)同步摆动；

两个履带驱动电机(11)，分别位于机箱内前部的左、右侧，每个履带驱动电机(11)连接驱动同一侧的前摆臂履带(15)、主履带(14)和后摆臂履带(16)同步且同方向的转动；

两个后摆臂电机(12)，分别位于机箱内后部的左、右侧，每个后摆臂电机(12)各自经减速增扭的传动单元连接驱动一组后摆臂(300)摆动；

且位于机箱下方的主履带的接地面高于前摆臂履带(15)和后摆臂履带(16)的接地面。

2.根据权利要求1所述的履带式摆臂机器人行走机构，其特征在于，前摆臂驱动电机(91)、两个后摆臂电机(12)分别各匹配连接有一蜗轮蜗杆减速器。

3.根据权利要求1所述的履带式摆臂机器人行走机构，其特征在于，前摆臂驱动电机(91)以及匹配连接的蜗轮蜗杆减速器固定于机箱前部的中央，该蜗轮蜗杆减速器的两个输出端分别同轴固接一前摆臂传动轴(1)的一端，每个前摆臂传动轴(1)的另一端经前摆臂法兰盘(5)固接一前摆臂组件(2)的一端；

每个前摆臂传动轴(1)分别套接有一法兰轴承座(8)，每个法兰轴承座(8)的内圈部与前摆臂传动轴(1)相固接，外圈部分别与机箱和蜗轮蜗杆减速器通过螺栓固定连接；

每个前摆臂传动轴(1)上在法兰轴承座(8)与前摆臂法兰盘(5)之间还通过轴承转动连接有一前轮毂(7)，前轮毂(7)上依次固定套接有主履带前轮(6)、主履带驱动大轮(4)和前摆臂大轮(3)；

两个履带驱动电机(11)分别固定于机箱内前部的左右两侧，每侧的履带驱动电机(11)的电机轴伸出机箱外的端部同轴固接有主履带驱动小轮(114)，同侧的主履带驱动小轮(114)与主履带驱动大轮(4)通过一条行走驱动同步带(10)传动连接；

每侧的前摆臂大轮(3)与同侧前摆臂组件(2)的前摆臂小轮(201)通过一条前摆臂履带(15)传动连接；

两个后摆臂电机(12)分别固定于机箱内后部的左、右侧，每侧的后摆臂电机(12)的电机轴与相匹配的蜗轮蜗杆减速器的输入端同轴传动连接，该蜗轮蜗杆减速器的输出端同轴固接一根输出轴(121)，输出轴(121)伸出机箱(100)外的端部同轴固接有后摆臂驱动小轮(231)；

在机箱(100)后端箱体外的左右两侧分别固接有一后轮支撑架(19)，后轮支撑架转动连接一根行走传动轴(18)，主履带后轮(24)和后摆臂大轮(25)与行走传动轴(18)同轴固接，后摆臂驱动大轮(23)夹在主履带后轮(24)和后摆臂大轮(25)之间，行走传动轴与一轴承法兰座的内圈部同轴固接，该轴承法兰座的外圈部与后摆臂组件(22)的一端以及后摆臂驱动大轮(23)相固接；

同侧的主履带前轮(6)与主履带后轮(24)通过一条主履带(14)传动连接；

同侧的后摆臂驱动小轮(231)与后摆臂驱动大轮(23)通过一条后摆臂摆动同步带(13)传动连接；

同侧的后摆臂大轮(25)与后摆臂组件(22)的后摆臂小轮(221)通过一条后摆臂履带(16)传动连接。

4.根据权利要求3所述的履带式摆臂机器人行走机构，其特征在于，履带驱动电机(11)的电机轴与前摆臂驱动电机(91)的电机轴、后摆臂电机(12)的电机轴相垂直，履带驱动电机(11)的电机轴与前摆臂传动轴(1)、行走传动轴(18)相平行。

5.根据权利要求3所述的履带式摆臂机器人行走机构，其特征在于，主履带前轮(6)、主履带后轮(24)、前摆臂大轮(3)和后摆臂大轮(25)的轮径相等，主履带(14)的整体齿高小于前摆臂履带(15)和后摆臂履带(16)的整体齿高。

6.根据权利要求3所述的履带式摆臂机器人行走机构，其特征在于，后轮支撑架呈匚型，中部底板通过螺栓紧固件与机箱箱体相固接，行走传动轴(18)穿经并转动连接后轮支撑架的两块耳板。

7.根据权利要求3所述的履带式摆臂机器人行走机构，其特征在于，行走传动轴(18)通过自身台阶、凹槽与黄铜轴承(20)的配合限制其在后轮支撑架(19)上沿自身轴向方向的移动，黄铜轴承(20)与后轮支撑架(19)相固定。