CN1673016A - 便携式可重构履带机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种便携式可重构履带机器人,由运动机构和控制模块构成,控制模块安装于控制箱内,运动机构由基础运动模块、转动关节模块和连接杆模块组成,转动关节模块和控制箱安装在基础运动模块的双立式机架同一侧面上;连接杆模块安装在基础运动模块的从动轮轴的一端上,连接杆模块用于连接每一个可重构履带机器人与另一个可重构履带机器人的组合。本发明的机器人采用模块化独立设计方案,各个模块具有标准的连接接口,方便安装,更换和调试,通过各个模块的不同组合形式,实现了履带机器人构型的可重构。本发明的机器人具有对复杂地形环境更强的适应能力,并具有多种重构变形能力,具备良好的运动性能。
Description
技术领域
本发明涉及一种便携式可重构履带机器人,该机器人由多个独立模块组成,具有可重构特征以及模块化的特性。
背景技术
随着技术的进步和人类社会的需求,机器人被应用到社会生活中的方方面面。在一些人无法进入或对人体有危害的区域进行作业,例如星球探测、核工业中的设备维护与检修、地下管道的检测、消防、军事侦察、矿井维护和采矿等等,在这些结构复杂的环境中,都要求机器人具备良好的适应地形环境的能力;在空间狭小区域,又要求机器人具备较小的体积和灵活实用的结构。传统的机器人由于自身机械结构的限制,决定了其所具有的运动性能和功能的单一化,无法适应复杂多变的工作环境和工作任务。因此,国内外一些著名的研究机构开始研究和发展可重构机器人,探索可重构机器人结构设计上的一些难题。然而现有的研究大多集中于可重构理论的研究,对具有实用价值的可重构机器人的研究则较少。
发明内容
本发明的目的是提供一种便携式可重构履带机器人,该机器人采用模块化独立设计方案,各个模块具有标准的连接接口,方便安装,更换和调试,通过各个模块的不同组合形式,实现了履带机器人构型的可重构。本发明的机器人具有对复杂地形环境更强的适应能力,并具有多种重构变形能力,具备良好的运动性能。
本发明的一种便携式可重构履带机器人,由运动机构和控制模块构成,所述的控制模块安装于控制箱内。所述的运动机构由基础运动模块、转动关节模块和连接杆模块组成,转动关节模块和控制箱安装在基础运动模块的双立式机架同一侧面上;连接杆模块安装在基础运动模块的从动轮轴的一端上,连接杆模块用于连接每一个可重构履带机器人与另一个可重构履带机器人的组合;所述基础运动模块由双立式机架、履带、导向轮、电机、从动轮、驱动轮、万向节、从动锥形齿轮、主动锥形齿轮、从动轮轴和万向节固定架构成,双立式机架的两端分别安装有驱动轮和从动轮,导向轮、电机、万向节固定架和舤机固定架安装在双立式机架的两内侧机架体上;电机输出轴连接有万向节,万向节安装在万向节固定架上,安装在万向节上的主动锥形齿轮与从动锥形齿轮啮合,从动锥形齿轮安装在驱动轮的轴上;所述转动关节模块由舤机固定架、舤机、扭转齿轮、第一级传动齿轮、第二级传动齿轮和第三级传动齿轮构成,舤机安装在舤机固定架上,舤机的输出端连接有第一级传动齿轮,第一级传动齿轮与第二级传动齿轮啮合,第二级传动齿轮与第三级传动齿轮固连在一起,并安装在舤机固定架的一轴上,第三级传动齿轮与扭转齿轮啮合,扭转齿轮安装在连接杆模块上,连接杆模块连接在从动轮轴的一端,连接杆模块的另一端可以不与任何机构连接;所述连接杆模块为圆筒状,其上设有多个用于固紧连接用的螺纹孔。
所述的便携式可重构履带机器人,其连接杆模块的另一端可以连接在第二个履带机器人的基础运动模块的从动轮轴上,组合形成带有扭转关节的两节并联模式履带机器人或者两节串联模式机器人。此种结构的组合机器人中第二个履带机器人上未安装转动关节模块。
所述的便携式可重构履带机器人,其连接杆模块的另一端可以连接在第二个履带机器人的基础运动模块的从动轮轴上,第二个履带机器人的从动轮轴的另一端连接在第二个连接杆模块的一端上,第二个连接杆模块的另一端连接在第三个履带机器人的基础运动模块的从动轮轴上,组合形成带有两个扭转关节的三节串并模式履带机器人。此种结构的组合机器人中第二个履带机器人上未安装转动关节模块。
所述的便携式可重构履带机器人,其连接杆模块的另一端可以连接在第二个履带机器人的基础运动模块的从动轮轴上,第二个履带机器人的从动轮轴的另一端连接在第二个连接杆模块的一端上,第二个连接杆模块的另一端连接在第四个履带机器人的基础运动模块的从动轮轴上,第四个履带机器人的从动轮轴的另一端连接在第三个连接杆模块的一端上,第三个连接杆模块的另一端连接在第三个履带机器人的基础运动模块的从动轮轴上,组合形成带有两个扭转关节的四节串并模式履带机器人。此种结构的组合机器人中第二个履带机器人和第四个履带机器人上未安装转动关节模块。
本发明便携式可重构履带机器人的优点:(1)采用模块化独立设计方案,各个模块具有标准的连接接口,方便安装,更换和调试;(2)行驶机构采用履带式结构,具有地形适应性强,行驶稳定可靠;(3)对机器人的控制采用分布式控制方案,其控制结构简单、灵活;(4)模块内部的各个部分都采用单独封装的模式,能够实现即插即用的性能;(5)硬件结构设计紧凑、合理,使得本发明的可重构履带机器人体积尺寸小。
附图说明
图1是本发明可重构机器人外观示意图。
图2是本发明连接杆模块外观示意图。
图3是本发明未安装履带的基础运动模块装配图。
图4是本发明转动关节模块装配图。
图5是两节并联模式结构机器人。
图6是两节串联模式结构机器人。
图7是三节串并模式结构机器人。
图8是四节串联模式结构机器人。
图中: 1.基础运动模块 2.转动关节模块 3.连接杆模块 4.控制箱101.双立式机架 102.履带 103.导向轮 104.电机 105.从动轮106.驱动轮 107.万向节 108.从动锥形齿轮109.主动锥形齿轮 110.从动轮轴 111.万向节固定架201.舤机固定架 202.舤机 203.扭转齿轮 204.第一级传动齿轮205.第二级传动齿轮 206.第三级传动齿轮5.第一个履带机器人 6.第二个履带机器人7.第三个履带机器人8.第四个履带机器人 9.第二连接杆模块 10.第三连接杆模块
具体实施方式
下面将结合附图对本发明作进一步的详细说明。
本发明中的可重构履带机器人是由一套具有各种尺寸和性能特征的可交换模块组成,能够被装配成各种不同构型的机器人,因此具有更强的环境适应能力,具有多变的形态,简单的结构,强壮的本体和低廉的成本等优点。可交换模块是指能够独立的、也可组合实现不同机器人结构变化的基础运动模块1、转动关节模块2、连接杆模块3和控制模块,经过上述模块的组合就构成了一个如图1所示的一个完整的,可执行任务的履带机器人。
在本发明中,控制模块作为可重构履带机器人的控制核心,通过无线数传模块接收控制人员的命令,指挥控制着机器人的具体动作,不仅完成对驱动器的控制,实现机器人的基本运动——前进、后退、左转、右转;还负责接收传感器的信息,并对信息进行处理和返回信息到上位机;同时控制转动关节模块的运动,完成可重构机器人构形的变化。控制模块的相关信息已于2004年8月在国际会议论文集名称:IEEEInternational Conference on Robotics and Biomimetics 2004.(中文译文:机器人学与仿生学国际会议)页码P456~P460中公开发表,作者:Zou Dan,Wang Tianmiao,Liang Jianhong,Han Guang.文章题目:Modularization ofMiniature Tracked Reconnaissance Robot(中文译文:微小型履带式侦察机器人的模块化设计与实验研究)。故在本发明专利申请中不对控制模块进行详细的说明。
请参见图1~图4所示,本发明是一种便携式可重构履带机器人,由运动机构和控制模块构成,所述的控制模块安装于控制箱4内,所述的运动机构由基础运动模块1、转动关节模块2和连接杆模块3组成,转动关节模块2和控制箱4安装在基础运动模块1的双立式机架10同一侧面上;连接杆模块3安装在基础运动模块1的从动轮轴110的一端上,连接杆模块3用于连接每一个可重构履带机器人与另一个可重构履带机器人的组合;所述基础运动模块1由双立式机架101、履带102、导向轮103、电机104、从动轮105、驱动轮106、万向节107、从动锥形齿轮108、主动锥形齿轮109、从动轮轴110和万向节固定架111构成,双立式机架101的两端分别安装有驱动轮106和从动轮105,导向轮103、电机104、万向节固定架111和舤机固定架201安装在双立式机架101的两内侧机架体上;电机104输出轴连接有万向节107,万向节107安装在万向节固定架111上,安装在万向节107上的主动锥形齿轮109与从动锥形齿轮108啮合,从动锥形齿轮108安装在驱动轮106的轴上;所述转动关节模块2由舤机固定架201、舤机202、扭转齿轮203、第一级传动齿轮204、第二级传动齿轮205和第三级传动齿轮206构成,舤机202安装在舤机固定架201上,舤机202的输出端连接有第一级传动齿轮204,第一级传动齿轮204与第二级传动齿轮205啮合,第二级传动齿轮205与第三级传动齿轮206固连在一起,并安装在舤机固定架201的一轴上,第三级传动齿轮206与扭转齿轮203啮合,扭转齿轮203安装在连接杆模块3上,连接杆模块3连接在从动轮轴110的一端,连接杆模块3的另一端可以不与任何机构连接;所述连接杆模块3为圆筒状,其上设有多个用于固紧连接用的螺纹孔。
在本发明,便携式可重构履带机器人中,由于是模块化设计方案,各个模块具有独立的标准接口,故连接杆模块3的另一端可以连接在第二个履带机器人6的基础运动模块的从动轮轴上,组合形成带有扭转关节的两节并联模式履带机器人或者两节串联模式机器人。两节并联模式机器人如图5所示,将两个可重构履带机器人通过连接杆模块3组合,第一个可重构履带机器人5的从动轮轴111端连接有连接杆模块3,连接杆模块3的一端连接有转动关节模块2的扭转齿轮203,连接杆模块3的另一端连接在第二个可重构履带机器人6的从动轮轴上形成并联模式的机器人。由于翻转关节的驱动模式,在第二个可重构履带机器人6上可以省略转动关节模块2,以达到节约资源和减少机器人重量的目的。
在本发明中的两节串联模式机器人如图6所示,此种串联模式的机器人是由并联模式机器人通过扭转关节模块2的转动构成的。
在本发便携式可重构履带机器人中,连接杆模块3的另一端可以连接在第二个履带机器人6的基础运动模块的从动轮轴上,第二个履带机器人6的从动轮轴的另一端连接在第二个连接杆模块9的一端上,第二个连接杆模块9的另一端连接在第三个履带机器人7的基础运动模块的从动轮轴上,组合形成带有两个扭转关节的三节串并模式履带机器人。由于翻转关节的驱动模式,在第二个可重构履带机器人6上可以省略转动关节模块2,以达到节约资源和减少机器人重量的目的。三节串并模式机器人如图7所示,此种模式机器人由三个可重构履带机器人组成,其中两个可重构履带机器人并列放置(含有转动关节模块2),另一个可重构履带机器人(无转动关节模块2)通过其从动轮轴110的两端分别连接在两个可重构履带机器人的中间构成的。
在本发明便携式可重构履带机器人中,连接杆模块3的另一端可以连接在第二个履带机器人6的基础运动模块的从动轮轴上,第二个履带机器人6的从动轮轴的另一端连接在第二个连接杆模块9的一端上,第二个连接杆模块9的另一端连接在第四个履带机器人8的基础运动模块的从动轮轴上,第四个履带机器人8的从动轮轴的另一端连接在第三个连接杆模块10的一端上,第三个连接杆模块10的另一端连接在第三个履带机器人7的基础运动模块的从动轮轴上,组合形成带有两个扭转关节的四节串并模式履带机器人。第二个履带机器人6和第四个履带机器人8上未安装转动关节模块2,以达到节约资源和减少机器人重量的目的。四节串并模式机器人如图8所示,此种模式机器人由四个可重构履带机器人组成,其中两个可重构履带机器人并列放置(含有转动关节模块2),另两个可重构履带机器人(无转动关节模块2)通过其从动轮轴110的两端分别连接在两个可重构履带机器人的中间构成的,其中不含有转动关节模块2的可重构履带机器人之间安装有一连接杆模块3。
本发明的便携式可重构履带机器人,开发了用于完成复杂地形侦察作业的可重构履带机器人。从可重构机器人的特点出发,研究了模块化的机械电气结构和控制方法实现。履带机器人由四个基础运动模块,三个连接杆模块和两个转动关节模块组成,通过各个模块的不同组合形式,实现了履带机器人构型的可重构。履带机器人采用分布式控制结构,研究实现了机械构型发生改变时控制系统的可重构。通过真实模拟楼宇内房间侦察作业,验证了可重构履带机器人具备了复杂地形环境适应能力和简单方便的可重构性能。
Claims (7)
1、一种便携式可重构履带机器人,由运动机构和控制模块构成,所述的控制模块安装于控制箱(4)内,其特征在于:所述的运动机构由基础运动模块(1)、转动关节模块(2)和连接杆模块(3)组成,转动关节模块(2)和控制箱(4)安装在基础运动模块(1)的双立式机架(101)同一侧面上;连接杆模块(3)安装在基础运动模块(1)的从动轮轴(110)的一端上,连接杆模块(3)用于连接每一个可重构履带机器人与另一个可重构履带机器人的组合;
所述基础运动模块(1)由双立式机架(101)、履带(102)、导向轮(103)、电机(104)、从动轮(105)、驱动轮(106)、万向节(107)、从动锥形齿轮(108)、主动锥形齿轮(109)、从动轮轴(110)和万向节固定架(111)构成,双立式机架(101)的两端分别安装有驱动轮(106)和从动轮(105),导向轮(103)、电机(104)、万向节固定架(111)和舤机固定架(201)安装在双立式机架(101)的两内侧机架体上;电机(104)输出轴连接有万向节(107),万向节(107)安装在万向节固定架(111)上,安装在万向节(107)上的主动锥形齿轮(109)与从动锥形齿轮(108)啮合,从动锥形齿轮(108)安装在驱动轮(106)的轴上;
所述转动关节模块(2)由舤机固定架(201)、舤机(202)、扭转齿轮(203)、第一级传动齿轮(204)、第二级传动齿轮(205)和第三级传动齿轮(206)构成,舤机(202)安装在舤机固定架(201)上,舤机(202)的输出端连接有第一级传动齿轮(204),第一级传动齿轮(204)与第二级传动齿轮(205)啮合,第二级传动齿轮(205)与第三级传动齿轮(206)固连在一起,并安装在舤机固定架(201)的一轴上,第三级传动齿轮(206)与扭转齿轮(203)啮合,扭转齿轮(203)安装在连接杆模块(3)上,连接杆模块(3)连接在从动轮轴(110)的一端,连接杆模块(3)的另一端可以不与任何机构连接;
所述连接杆模块(3)为圆筒状,其上设有多个用于固紧连接用的螺纹孔。
2、根据权利要求1所述的便携式可重构履带机器人,其特征在于:连接杆模块(3)的另一端可以连接在第二个履带机器人(6)的基础运动模块的从动轮轴上,组合形成带有扭转关节的两节并联模式履带机器人或者两节串联模式机器人。
3、根据权利要求2所述的便携式可重构履带机器人,其特征在于:第二个履带机器人(6)上未安装转动关节模块(2)。
4、根据权利要求1所述的便携式可重构履带机器人,其特征在于:连接杆模块(3)的另一端可以连接在第二个履带机器人(6)的基础运动模块的从动轮轴上,第二个履带机器人(6)的从动轮轴的另一端连接在第二个连接杆模块(9)的一端上,第二个连接杆模块(9)的另一端连接在第三个履带机器人(7)的基础运动模块的从动轮轴上,组合形成带有两个扭转关节的三节串并模式履带机器人。
5、根据权利要求4所述的便携式可重构履带机器人,其特征在于:第二个履带机器人(6)上未安装转动关节模块(2)。
6、根据权利要求1所述的便携式可重构履带机器人,其特征在于:连接杆模块(3)的另一端可以连接在第二个履带机器人(6)的基础运动模块的从动轮轴上,第二个履带机器人(6)的从动轮轴的另一端连接在第二个连接杆模块(9)的一端上,第二个连接杆模块(9)的另一端连接在第四个履带机器人(8)的基础运动模块的从动轮轴上,第四个履带机器人(8)的从动轮轴的另一端连接在第三个连接杆模块(10)的一端上,第三个连接杆模块(10)的另一端连接在第三个履带机器人(7)的基础运动模块的从动轮轴上,组合形成带有两个扭转关节的四节串并模式履带机器人。
7、根据权利要求6所述的便携式可重构履带机器人,其特征在于:第二个履带机器人(6)和第四个履带机器人(8)上未安装转动关节模块(2)。
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