CN1644328A

CN1644328A - 小型轮履腿复合式移动机器人机构

Info

Publication number: CN1644328A
Application number: CN 200510004969
Authority: CN
Inventors: 黄强; 段星光; 李军; 张伟民; 左久林
Original assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Current assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Priority date: 2005-01-31
Filing date: 2005-01-31
Publication date: 2005-07-27

Abstract

本发明提出了一种能够在城区、建筑物内和野外自然环境下具备较高环境适应性、一定越障能力和自复位功能的小型轮履腿复合式移动机器人。该机器人机构融合轮式机构和履带机构的优点，并且具有重量轻、体积小的特点，可以根据不同的地形条件变换运动模式。利用轮子实现高速远距离运动，利用四条单独摆动的履带腿提高其越障能力和环境适应性，并能实现翻倒情况下的复位功能。

Description

小型轮履腿复合式移动机器人机构

技术领域

本发明为移动机器人运动机构，属于机器人技术和自动化领域，可以实现移动机器人轮式、履带式和足式等不同的运动模式，并具有重量轻、体积小、结构紧凑的特点。

背景技术

目前，在移动机器人的运动机构中，普遍了采用轮式、履带式和足式机构，轮式机器人具有结构简单、速度高和能耗低的优点，但是不适合于跨越像沟壑、台阶、楼梯等障碍，越障能力差；履带式机器人在松软、不平坦地形等自然环境中有着较高的穿越能力和良好的环境适应性，但存在摩擦阻力较大、能耗很高的缺点；腿式机器人具有较高的机动性，容易适应各种复杂地面环境，但机构与控制较为复杂。近年来，许多学者开展了轮履复合机构的研究，但是，一般都体积较大、重量在百公斤以上，并且在翻倒时会失去运动能力，不能继续工作。

以探测、侦察以及危险作业环境作业为应用背景，要求机器人具有重量轻、体积小、能耗低的特点。同时由于其工作环境既可能是在城区和建筑物内的结构化环境，也有可能是自然环境下复杂、未知、多变的非结构环境，所以，要求机器人具有高机动性和越障能力，并且翻倒后可以继续工作。

发明内容

本发明提出了一种能够在城区、建筑物内和野外自然环境下具备较好环境适应性、越障能力和复位功能的小型轮履腿复合式移动机器人。该机器人机构融合轮式机构和履带机构的优点，并且具有重量轻、体积小的特点，可以根据不同的地形条件变换运动模式。利用轮子实现高速远距离运动，利用四条单独摆动的履带腿提高其越障能力和环境适应性。

本发明采用的设计方案是：机器人整体采用了对称结构，由四个车轮、四个摆臂和车体构成的三节式复合结构，每个车轮和摆臂组成一个运动单元。车轮驱动采用后轮差速驱动，分别由两个电机经减速器传动至驱动轴。四条履带腿均配置在车轮内侧，不仅能够实现履带自身的旋转传动，而且能够绕驱动轮中心轴摆动。为了增强机器人的运动灵活性，提高机器人越障能力，四个履带腿的摆动范围设计为±360°回转。在每个驱动单元，采用了小体积、轻重量、大输出扭矩的DC电机经减速器输出至传动轴。基于其低能耗的要求，在减速设计中采用了与电机集成的行星齿轮减速器和末级的圆柱齿轮减速传动，以提高其传动效率。轮式运动要满足高速要求，而履带腿摆动的主要目的是调整机器人越障姿态或进行腿式运动，速度要求较低，所以，轮子驱动采用了较小的减数比，而履带腿的摆动采用了较大的减速比以提高驱动力矩，满足支撑车体时的大扭矩要求。该机器人具有与一般轮式机器人相同的转弯、直线移动等功能；与一般履带式移动机器人有相同的爬坡、越障等功能。此外四个独立驱动履带腿，使机器人具有腿式越障的能力。

机器人的四个轮履腿运动单元中，除了轮子的旋转驱动以外，还有履带腿绕驱动轴的摆动。由于摆动自由度与驱动轮在同一个中心轴上，所以，要求在一个中心线上实现两个运动的传递。设计中采用了内外轴的结构形式：电机1经过与其集成的行星齿轮减速器1和末级圆柱齿轮减速副将驱动动力传给内轴，提供整个机器人平台的轮式运动；为实现履带腿的同轴传动，设计了与内轴同心的带凸缘结构外轴，其同心内孔设计为内轴轴承的外圈，外轴轴承通过轴承座支撑整个运动单元。外轴的运动通过凸缘与履带腿的摆臂相连接以传递摆动所需动力。同样采用电机、减速器、末级圆柱齿轮副构成摆臂传动链。

为满足机器人小型化的设计要求，特别是在宽度方向(动力传递方向)尺寸受限制，设计中采用了末级降速齿轮传动，通过这一对齿轮传动不仅可以错开中心位置，满足传动自由度的要求，而且可以进一步提高驱动力矩，减小了电机轴向受力，同时满足车体的横向尺寸要求，也为电机、减速器等传动件的空间紧凑性布局提供了条件

本发明的有益效果

1.融合了轮式、履带和腿式机构的运动动优点，具有快速移动、越障能力和复位功能等特点。

2.实现了移动机器人小型化、轻量化和高机动性。

3.可以根据不同环境特点采用不同的运动模式，提高机器人的环境适应性。

附图说明

图1是移动机器人外形图；

图2(a)是机器人结构示意主视图；图2(b)是机器人结构示意俯视图；

图3是机器人传动原理图；

图4是内外轴传动结构图

图5是电机驱动布局图

具体实施方式

机器人基本结构形式是由四个车轮、四个履带腿摆臂和车体构成的对称式三节式复合结构，见附图1所示为机器人外形图，机器人的履带腿机构由小履带轮1、履带2、大履带轮3和支撑机构5等组成。四条履带腿均配置在车轮4的内侧，不仅能够实现履带自身的旋转传动，而且能够绕驱动轴6的中心摆动360°。运动自由度分别由电机8经减速器传动至驱动轴6。中间部分是机器人车体11，可装载控制系统、电池及其他各种设备，如图2(a)、图2(b)所示。

机器人运动由驱动电机、减速器及变速齿轮等组成。在设计中，采用了最后一级降速齿轮组传动可以提高驱动力矩、减小电机轴向受力并且使车体结构紧凑，如图3所示：电机8通过行星齿轮减速器12然后经过最后一级齿轮13和14，将驱动动力传给车轮4的驱动轴6。由于履带的摆动与轮子的旋转运动是绕同一个中心轴线的，所以采用了内外轴的结构形式，如图4所示。电机8经过减速器12和小齿轮13驱动大齿轮14旋转，然后经过键16将动力传给驱动轴6(称之为内轴)带动车轮实现旋转运动，提供整个机器人平台的直线和转弯运动所需动力；同样驱动方式，用电机10经过减速器驱动大齿轮20旋转，然后经够键15将动力传给外轴19，再通过外轴上的凸缘结构与履带支撑机构5的一端用螺栓连接，以传递履带摆动所需动力。在内轴6和外轴19之间采用了一对轴承17和一对轴承18来支撑。

如图5所示，每个车轮和履带腿构成了机器人的一个运动单元，由于在每个运动单元各需要两套电机与减速器，设计中，将左侧驱动的两套DC电机8、10和右侧的两套DC电机7、9在空间位置交错布局，并通过两侧的支撑板21来定位四个DC电机。既较小了轴向尺寸，提高了车体空间的利用率，使设计更加紧凑，也为控制系统在车体内的布置提供了更大的空间，满足机器人小型化的要求。

Claims

1.一种小型轮履腿复合机构，其特征在于：机器人采用对称结构，由四个结构尺寸相同的运动单元和车体构成三节式结构。每个运动单元包括一个履带腿机构和一个驱动轮机构。车轮驱动采用后轮差速驱动，分别由两个电机经减速器传动至驱动轴。四条履带腿均配置在车轮内侧，不仅能够实现履带自身的旋转传动，而且能够绕驱动轮中心轴摆动。为了增强机器人的运动灵活性，提高机器人越障能力，四个履带腿的摆动范围设计为±360°回转。

2.如权利要求1所述的机器人其特征在于：具有轮式快速运动、履带越障运动、腿式运动以及轮履运动多种运动模式。利用四轮可以着地可以实现机器人长距离快速高效的运动要求；四条履带腿支起车体，增加了车体净空高度，通过控制履带腿的关节角可以实现机器人在非结构环境下的越障运动；通过履带以及履带和轮子的复合运动，实现爬越台阶、楼梯以及自然环境中的各种障碍物。

3.如权利要求1、2所述机器人机构，其特征是：在机器人发生翻倒时，可以通过四个单独摆动的履带腿运动使机器人复位。

4.如权利要求1所述的机器人采用了一种内外轴传动机构，其特征在于：在同一个传动中心线上传动两个运动。一个电机经过与其集成的行星齿轮减速器和末级圆柱齿轮减速副将动力传给内轴，提供整个机器人平台的轮式运动，另一个电机同样采用电机、减速器、末级圆柱齿轮副构成摆臂传动链，设计了与内轴同心的带凸缘结构的外轴，外轴的运动通过凸缘与履带腿的摆臂相连接以传递摆动所需动力。其同心内孔设计为内轴轴承的外圈，外轴轴承通过轴承座支撑整个运动单元。