CN203283311U

CN203283311U - 一种平面行进和线路行进的机器人轮动模块

Info

Publication number: CN203283311U
Application number: CN2013203030230U
Authority: CN
Inventors: 赵国旗; 叶景杨; 罗东豪; 刘天亮; 管贻生
Original assignee: South China University of Technology SCUT
Current assignee: South China University of Technology SCUT
Priority date: 2013-05-29
Filing date: 2013-05-29
Publication date: 2013-11-13
Anticipated expiration: 2023-05-29

Abstract

本实用新型公开了一种平面行进和线路行进的机器人轮动模块,包括由减速电机驱动的车轮模块、由舵机驱动的第一关节模块和第二关节模块、U型连接件，所述第一关节模块、第二关节模块的固定端通过U型连接件相连接，所述第一关节模块的活动端并排的设置有车轮模块，所述第二关节模块的活动端相对地设置有个车轮模块，运动和动力由减速电机的输出轴并通过其上的车轮输出；所述第一关节模块，第二关节模块均只有一个转动自由度；第二关节模块和第一关节模块的转轴互相平行。本实用新型可以实现地面移动和线路移动功能的结合，提高机器人的灵活性和机动性，具有很强的移植性，以及设计、制造和维护简单，成本较低的优点。

Description

一种平面行进和线路行进的机器人轮动模块

技术领域

本实用新型涉及机器人技术领域，具体而言涉及一种模块化、舵机驱动、可变运动姿态，能在平面行进和线路上行进的三轮驱动模块。

背景技术

机器人的应用越来越广泛,几乎渗透到所有领域。移动机器人是机器人学中的一个重要分支。目前机器人在地面上的移动形式主要有车轮式、腿式、履带式等。腿式模仿动物行走方式，具有较高的智能程度，能适应复杂的地形，但由于结构自由度太多，结构和控制较为复杂，行动速度也较慢。履带式具有着地面积较大，对地压强较小，在松软的地面附着性能和通过性能好，爬楼梯、越障平稳性高，良好的自复位能力等特点，但是履带式移动平台的速度较慢、功耗较大、转向时对地面破坏程度大。而车轮式是最常见的一种形式。目前车轮式的技术比较成熟，移动速度较高，稳定性较高，而机构和控制相对比较简单，工作效率较高。然而车轮式对路面要求较高，无法适应各种不同的路面。传统的轮动机构应用最广的有三轮和四轮的结构形式，加入万向轮可以实现全方位的转动。典型3轮结构通常采用一个中心轮和2个后轮的布置，结构简单而稳定性差，在倾斜的地面上移动易倾倒。相比而言，4轮结构具有较高的稳定性。而对于输电线路上的移动机器人，主要以巡线机器人为主，目前线路除冰机器人也是研究热点之一。输电线路上移动机器人移动形式以车轮式为主，一般轮子带有凹槽，轮子沿竖直方向，悬挂在导线上，同时还需一定的辅助装置使机器人能够稳定地悬挂在导线上。线路上的移动机器人目前研究方向主要是其越障功能，从而实现全线移动。整体而言，采用创新性的结构设计，提高机器人的灵活性和机动性是移动机器人的重要发展方向之一。

实用新型内容

本实用新型的目的是为了打破地面移动和线路移动的界限，实现地面移动和线路移动功能的结合，提高机器人的灵活性和机动性，扩展机器人的活动范围，增加对环境的适应能力。

为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案如下：

一种平面行进和线路行进的机器人轮动模块,包括3个由减速电机驱动的车轮模块、由舵机驱动的第一关节模块和第二关节模块、U型连接件，所述第一关节模块、第二关节模块的固定端通过U型连接件相连接，所述第一关节模块的活动端并排的设置有2个车轮模块，所述第二关节模块的活动端相对地设置有1个车轮模块，所述车轮模块的轮子由减速电机驱动，运动和动力由减速电机的输出轴并通过其上的车轮输出；所述第一关节模块，第二关节模块均只有一个转动自由度；第二关节模块和第一关节模块的转轴互相平行。

具体地，所述车轮模块包括：螺母，减速电机支架，减速电机，轮辐，带凹槽的轮胎，连接支架，垫片，螺栓，所述轮胎紧固在轮辐上，轮辐固定在减速电机的输出轴上。减速电机放在减速电机支架中，减速电机的3个面和减速电机支架的3个内表面紧贴，减速电机的另一面和连接支架非直角端互相紧贴，减速电机支架上的两个光孔与连接支架上的两个光孔对齐，通过螺栓、垫片以及螺母将连接支架、减速电机和减速电机支架紧密连接。

具体地，所述第一关节模块包括：舵机紧固螺栓、圆舵盘、螺母、第一紧固片、垫片、螺栓、基架、转轴垫片、空心转轴、舵机、第一连接支架；所述舵机通过其上的安装孔与基架和第一紧固片用螺栓和螺母固定；圆舵盘通过其上的齿形花键套于舵机的输出轴，并在轴端用舵机紧固螺栓紧固；连接支架的一端通过螺栓固定在圆舵盘上，第一连接支架的另一端通过空心转轴套在舵机的输出轴上，中间由转轴垫片固定，再用舵机紧固螺栓将空心转轴、转轴垫片（28）、第一连接支架固定在舵机上；舵机紧固螺栓与舵机输出轴在同一直线，舵机绕着这一直线旋转，第一连接支架自身固定不动，在舵机输出力矩带动下实现第一关节模块和2个车轮模块旋转。

具体地，所述第二关节模块包括：圆舵盘、螺栓、舵机、螺母、第二紧固片、垫片、基架、舵机紧固螺栓、空心转轴、转轴垫片、第二连接支架，所述舵机通过其上的安装孔与基架用螺栓紧固，圆舵盘通过其上的齿形花键套于舵机的输出轴，并在轴端用舵机紧固螺栓紧固。第二连接支架的一端通过螺钉固定在圆舵盘上，第二连接支架的另一端通过空心转轴套在舵机的输出轴上，中间由转轴垫片固定，再用舵机紧固螺栓将空心转轴、转轴垫片、第二连接支架固定在舵机上；舵机紧固螺栓与舵机输出轴在同一直线上，舵机绕着这一直线旋转，第二连接支架自身固定不动，在舵机输出力矩带动下实现第二关节模块和车轮模块旋转。

具体地，所述U型连接件包括：螺母、垫片、U型支架、螺栓,通过螺栓、垫片和螺母将U型支架与第二关节模块的连接支架和第一关节模块的第一连接支架固定连接。

本实用新型包括3个车轮模块、1个第二关节模块、1个第一关节模块和1个U型连接件。车轮模块由减速电机驱动，第二关节模块和第一关节模块由舵机驱动。所有模块采用串并联的方式连接，连接顺序从一端到另一端：车轮模块-第二关节模块-U型连接件-第一关节模块-车轮模块。第二关节模块和第一关节模块的转轴互相平行，所述第二关节模块和第一关节模块能做半周转动，分别与车轮模块固连，驱动车轮模块转动，从而改变轮动模块的整体形态。

上述一种平面行进和线路行进的机器人轮动模块中，所述车轮模块轮子由减速电机驱动，运动和动力由减速电机的输出轴并通过其上的车轮输出，并且橡胶轮胎为凹槽状，使轮子可卡在线路上，亦可增大轮子与线路之间的摩擦。所述第二关节模块是指只有一个转动自由度且转轴与连杆线垂直的关节模块。模块的运动和动力由舵机的输出轴并通过其上的输出盘输出，作用在紧固于舵机输出盘的连接支架上，从而反作用于舵机自身，使舵机带动固定于其上的车轮模块转动。所述第一关节模块是指只有一个转动自由度且转轴与连杆线垂直的关节模块。第一关节模块的运动与动力输出方式与第二关节模块相同，不同的是第一关节模块里舵机转动时带动两个车轮模块。

本实用新型的轮动模块中，第二关节模块和第一关节模块转动带动车轮模块的移动，使得轮动模块改变形态，实现平面行进模式和线路行进模式的转换。平面行进模式下，3个车轮模块上转到U型连接件下方，车轮模块上的轮子底面位于同一平面上，转换到线路行进模式过程中，第一关节模块和第二关节模块带动车轮模块向上转动，达到目标位置。

本实用新型具有如下特点：

1)轮动模块采用串并联结构，各部分组成依次为：“车轮模块-第二关节模块-U型连接件-第一关节模块-车轮模块（两个并联）”。该机构使得在平面轮动模式和线路轮动模式下3个车轮模块上的轮子形成三角形分布，轮子数量少而且具有一定的稳定性。

2)轮动模块中3个车轮模块和关节模块之间的连接和紧固通过设计统一接口和螺栓组实现，通过改变车轮模块的数量和排列以及关节模块中相对应的接口数量，即可改变轮动模块车轮机构的布局和数量。

3)第一关节模块和第二关节模块由相同的舵机驱动，车轮模块使用相同的电机，控制简单。

4)车轮模块上的轮子在都有凹槽，这种结构不会影响轮动模块在平面上的移动，而在线路上移动时，能增大轮子与导线的接触面积，增强在线路上移动的稳定性。

本实用新型与现有技术相比，具有如下优点和效果

1)轮动模块的自由度少，只用一个自由度就可以有效的实现两种行进模式的自由切换，从而使轮动模块的控制变得相对简单。

2)本实用新型采用模块化方法来构建，主体只有3种模块，具有设计、制造和维护简单，成本较低的优点。

3)本实用新型作为一种运动模块，可以很方便的组合到其他本体机器人上，增加其运动方式，提高机器人的灵活性和机动性。

4)车轮模块的3个轮子交错固定在线路上，可以很稳定地固定在线路上，不需辅助设备。

附图说明

图1为本实用新型实施方案中轮动模块的外观示意图。

图2为本实用新型轮动模块车轮模块的外观示意图。

图3为本实用新型轮动模块车轮模块的爆炸示意图。

图4为本实用新型轮动模块第一关节模块的外观示意图。

图5为本实用新型轮动模块第一关节模块的爆炸示意图。

图6为本实用新型轮动模块第二关节模块的外观示意图。

图7为本实用新型轮动模块第二关节模块的爆炸示意图。

图8为本实用新型轮动模块U型连接件的爆炸示意图。

图9为本使用新型轮动模块平面行进模式示意示意图。

图10为本实用新型轮动模块线路行进模式示意示意图。

具体实施方式

为了更好地理解本实用新型，下面结合附图对本实用新型作进一步地描述，但其实施方式不限于此。

图1为本实用新型构建的轮动模块的外观图。如图所示，轮动模块包括3个车轮模块1和第一关节模块2、第二关节模块4，中间由一个U型连接件3相连接，整个模块共5个子模块，各子模块以串并联的方式连接，顺序为：车轮模块1-第二关节模块4-U型连接件3-第一关节模块2-车轮模块1（两个并联）。车轮模块1的接口为连接支架16（图3）底部的两个光孔；第二关节模块4和车轮模块4的连接端口为第二紧固片45（图7）上的两个光孔，和U型连接件3的连接端口为第二关节模块4的第二连接支架411（图7）上的4个光孔；第一关节模块2和车轮模块1的连接端口为第一紧固片24（图5）上的4个光孔，和U型连接件的连接端口为第一连接支架211上的4个光孔，各子模块之间通过统一的接口和螺栓组连接。

图2和图3分别为车轮模块的外观图和爆炸视图。所述车轮模块1包括：螺母11，减速电机支架12，减速电机13，轮辐14，带凹槽的轮胎15，连接支架16，垫片17，螺栓18，所述轮胎15紧固在轮辐14上，轮辐14固定在减速电机13的输出轴上。减速电机13放在减速电机支架12中，减速电机13的3个面和减速电机支架12的3个内表面紧贴，减速电机13的另一面和连接支架16非直角端互相紧贴，减速电机支架12上的两个光孔与连接支架16上的两个光孔对齐，通过螺栓18、垫片17以及螺母11将连接支架16、减速电机13和减速电机支架12紧密连接。连接支架16上直角端上和中间都开有一对光孔，可作为其他模块的标准接口。

图4和图5分别为第一关节模块2的外观图和爆炸视图。两个车轮模块1通过螺栓固定在第一关节模块2上的第一紧固片24上，车轮模块1与第一关节模块2在空间上的运动方式一致，都是围绕着舵机的转动轴旋转。零部件包括：舵机紧固螺栓21、圆舵盘22、螺母23、第一紧固片24、垫片25、螺栓26、基架27、转轴垫片28、空心转轴29、舵机210、第一连接支架211。动力来源于舵机210，为外购标准件，自带输出圆舵盘22。舵机210通过其上的安装孔与基架27和第一紧固片24用螺栓26和螺母23固定。圆舵机通过其上的齿形花键套于舵机210的输出轴，并在轴端用舵机紧固螺栓21紧固。第一连接支架211的一端通过螺栓26固定在圆舵盘22上，第一连接支架211的另一端通过空心转轴29套在舵机210的输出轴上，中间由转轴垫片28固定，再用舵机紧固螺栓21将空心转轴29、转轴垫片28、第一连接支架211固定在舵机210上。舵机紧固螺栓21与舵机输出轴在同一直线，舵机210绕着这一直线旋转，第一连接支架211自身固定不动，在舵机输出力矩带动下实现第一关节模块2和2个车轮模块1旋转。圆舵盘22上开有对应的统一的螺纹孔和光孔，作为其他模块组合连接的标准接口之一。第一连接支架211也开有对应的统一的螺纹孔和光孔，作为与U型连接件3一端的标准接口。

图6和图7分别为第二关节模块4的外观图和爆炸视图。一个车轮模块1通过螺钉固定在第二关节模块4的第二紧固片45上，车轮模块1与第二关节模块4在空间上的运动方式一致，都围绕着舵机的转动轴旋转。零部件包括：圆舵盘41、螺栓42、舵机43、螺母44、第二紧固片45、垫片46、基架47、舵机紧固螺栓48、空心转轴49、转轴垫片410、第二连接支架411。动力来源于舵机43，为外购标准件，自带输出圆舵盘41。舵机43通过其上的安装孔与基架47用螺栓42紧固。圆舵盘通过其上的齿形花键套于舵机43的输出轴，并在轴端用舵机紧固螺栓48紧固。第二连接支架411的一端通过螺钉42固定在圆舵盘41上，第二连接支架411的另一端通过空心转轴49套在舵机43的输出轴上，中间由转轴垫片410固定，再用舵机紧固螺栓48将空心转轴49、转轴垫片410、第二连接支架411固定在舵机上。舵机紧固螺栓48与舵机输出轴在同一直线上，舵机43绕着这一直线旋转，第二连接支架411自身固定不动，在舵机输出力矩带动下实现第二关节模块4和车轮模块1旋转。圆舵盘41上开有对应的统一的螺纹孔和光孔，作为其他模块组合连接的标准接口之一。第二连接支架411也开有对应的统一的螺纹孔和光孔，作为与U型连接件3一端的标准接口。

图8是U型连接件3的爆炸视图。U型连接件3是将第二关节模块4和第一关节模块2固定在一起的中央连接机构。零部件包括：螺母31、垫片32、U型支架33、螺栓34。通过螺栓34、垫片32和螺母31将U型支架33与第二关节模块4的第二连接支架411和第一关节模块2的第一连接支架211固定。U型支架33底盘预留2个光孔，作为整个轮动模块和其他模块的标准接口。

图9和图10分别表示轮动模块在平面行进模式和线路行进模式下的示意图。如图9所示，将第二关节模块4和第一关节模块2上舵机的输出轴转到适当角度，就可以使轮子平放于平面上，在减速电机的驱动下，可以在平面上移动。如图10所示，将舵机输出轴转到与U型连接件底盘到接近垂直的角度，就可以使轮胎上的凹槽曲面与线路曲面重合，使得轮子夹紧线路，从而实现在线路上移动。

本实用新型的上述实施例仅仅是为清楚地说明本实用新型所作的举例，而并非是对本实用新型的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型权利要求的保护范围之内。

Claims

1.一种平面行进和线路行进的机器人轮动模块,其特征在于，包括3个由减速电机(13)驱动的车轮模块(1)、由舵机驱动的第一关节模块(2)和第二关节模块(4)、U型连接件(3)，所述第一关节模块(2)、第二关节模块(4)的固定端通过U型连接件(3)相连接，所述第一关节模块(2)的活动端并排的设置有2个车轮模块(1)，所述第二关节模块(4)的活动端相对地设置有1个车轮模块(1)，所述车轮模块(1)的轮子由减速电机(13)驱动，运动和动力由减速电机(13)的输出轴并通过其上的车轮输出；所述第一关节模块(2)，第二关节模块(4)均只有一个转动自由度；第二关节模块(4)和第一关节模块(2)的转轴互相平行。

2.根据权利要求1所述的平面行进和线路行进的机器人轮动模块，其特征在于,所述车轮模块(1)包括：螺母（11），减速电机支架(12)，减速电机(13)，轮辐(14)，带凹槽的轮胎(15)，连接支架(16)，垫片(17)，螺栓(18)，所述轮胎（15）紧固在轮辐（14）上，轮辐(14)固定在减速电机(13)的输出轴上，减速电机(13)放在减速电机支架(12)中，减速电机(13)的3个面和减速电机支架(12)的3个内表面紧贴，减速电机(13)的另一面和连接支架（16）非直角端互相紧贴，减速电机支架(12)上的两个光孔与连接支架（16）上的两个光孔对齐，通过螺栓（18）、垫片（17）以及螺母（11）将连接支架（16）、减速电机（13）和减速电机支架（12）紧密连接。

3.根据权利要求1所述的平面行进和线路行进的机器人轮动模块，其特征在于，所述第一关节模块(2)包括：舵机紧固螺栓(21)、圆舵盘(22)、螺母(23)、第一紧固片(24)、垫片(25)、螺栓(26)、基架(27)、转轴垫片(28)、空心转轴(29)、舵机(210)、第一连接支架(211)；所述舵机(210)通过其上的安装孔与基架(27)和第一紧固片(24)用螺栓(26)和螺母(23)固定；圆舵盘(22)通过其上的齿形花键套于舵机(210)的输出轴，并在轴端用舵机紧固螺栓(21)紧固；连接支架（211）的一端通过螺栓(26)固定在圆舵盘(22)上，第一连接支架(211)的另一端通过空心转轴(29)套在舵机（210）的输出轴上，中间由转轴垫片（28）固定，再用舵机紧固螺栓（21）将空心转轴（29）、转轴垫片（28）、第一连接支架（211）固定在舵机（210）上；舵机紧固螺栓（21）与舵机输出轴在同一直线，舵机（210）绕着这一直线旋转，第一连接支架（211）自身固定不动，在舵机输出力矩带动下实现第一关节模块(2)和2个车轮模块(1)旋转。

4.根据权利要求1所述的平面行进和线路行进的机器人轮动模块，其特征在于，所述第二关节模块(4)包括：圆舵盘(41)、螺栓(42)、舵机(43)、螺母(44)、第二紧固片(45)、垫片(46)、基架(47)、舵机紧固螺栓(48)、空心转轴(49)、转轴垫片(410)、第二连接支架(411)，所述舵机(43)通过其上的安装孔与基架(47)用螺栓(42)紧固，圆舵盘(41)通过其上的齿形花键套于舵机(43)的输出轴，并在轴端用舵机紧固螺栓(48)紧固，第二连接支架(411)的一端通过螺钉(42)固定在圆舵盘(41)上，第二连接支架(411)的另一端通过空心转轴(49)套在舵机(43)的输出轴上，中间由转轴垫片(410)固定，再用舵机紧固螺栓(48)将空心转轴(49)、转轴垫片(410)、第二连接支架(411)固定在舵机(43)上；舵机紧固螺栓(48)与舵机输出轴在同一直线上，舵机(43)绕着这一直线旋转，第二连接支架(411)自身固定不动，在舵机输出力矩带动下实现第二关节模块(4)和车轮模块(1)旋转。

5.根据权利要求1所述的平面行进和线路行进的机器人轮动模块，其特征在于，所述U型连接件(3)包括：螺母（31）、垫片（32）、U型支架（33）、螺栓（34）,通过螺栓（34）、垫片（32）和螺母（31）将U型支架（33）与第二关节模块（4）的第二连接支架（411）和第一关节模块（2）的第一连接支架（211）固定连接。