CN203601424U - 一种行星轮机器人 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种行星轮机器人，其特征在于：包括左右两节车体，并通过摇臂悬架系统连接成一体，所述摇臂悬架与两节车体进行铰接；所述车体的外侧具有四块竖直铰接的侧板，分别为侧板Ⅰ，侧板Ⅱ，侧板Ⅲ，侧板Ⅳ，所述侧板Ⅰ上固定前轮，所述侧板Ⅳ上固定后轮；所述侧板Ⅰ与侧板Ⅳ的中部还分别与前、后转向架铰接；每节车体内部上下固定设有一对滚珠丝杆，所述侧板Ⅰ与侧板Ⅱ铰接处、侧板Ⅲ与侧板Ⅳ的铰接处分别通过连杆与各自滚珠丝杆连接；所述侧板Ⅰ、侧板Ⅱ、前转向架、连杆组成四杆变形机构，所述行星轮机器人具有四组对称设置的四杆变形机构，所述四组对称的四杆变形机构是所述行星轮机器人的底盘。

Description

一种行星轮机器人

技术领域

本实用新型涉及一种行星轮机器人，属于机器人技术领域。 

背景技术

行星轮机器人是一款基于轮系本身越障考虑而设计的移动机器人，它采用行星轮结构，通过自身轮系的翻转实现越障功能，广泛应用与越障小车设计。 

行星轮系是一种先进的齿轮传动机构，具有传动功率大、承载能力大、结构紧凑等优点，行星轮由于具有良好的越障能力，多见于越障机器人的轮系设计之中。 

应用于越障机器人的行星轮系又可分为外行星轮和内行星轮。外行星轮示意图如图1所示。行星轮基于差动传动规律，中心齿轮由电机通过联轴器等驱动，通过齿轮啮合带动过渡齿轮和行星轮进行转动，车轮与驱动轮是固接在一起的，于是带动车轮绕着中心齿轮和驱动齿轮轴转动，犹如行星绕着太阳公转一般，所以形象地称这种齿轮传动机构为行星轮系。 

在平坦路面行驶时，受到两个轮子同时着地的约束，行星支架不会发生翻转，遂演变成定轴轮系，利用车轮快速驱动前进，其行驶效率和普通轮系无异。同时由于是多轮着地，从而增大了车轮与地面的接触面积，不仅提高了机器人的运动稳定性，还降低了接地比压，使机器人具有较好了地形通过性。当遇到较大障碍物时，由于前进的车轮受到阻力，于是演变成行星轮系，此时通过行星架的翻转从而轻松实现越障和爬台阶。 

行星轮系依靠自身的行星架翻转进行越障，不需要复杂的辅助机构， 因此大大简化了机械机构。其越障过程如图2所示。 

现有的行星轮机器人，具有以下不足： 

机器人底盘设计的柔韧度不足，在复杂的地面环境中，无起到缓冲作用的装置，轮系容易碰伤损坏； 

机器人转向系统模仿汽车，主要由转向驱动轴带动前轮转动，达到转向的目的，而后轮无法转动，采用这种转向系统的机器人转弯半径较大，转向系统的结构也较复杂； 

机器人整体体积较大存放不便； 

机器人地面适应能力较差，越障能力不足； 

机器人拆卸不便，维护不便； 

发明内容

本实用新型需要解决的技术问题是：现有的行星轮机器人，底盘设计的柔韧度不足，轮系容易碰伤损坏；转向系统的机器人转弯半径较大，转向系统的结构也较复杂；整体体积较大存放不便；地面适应能力较差，越障能力不足；拆卸不便，维护不便。 

本实用新型采取以下技术方案： 

一种行星轮机器人，包括左右两节车体，并通过摇臂悬架连接成一体，所述摇臂悬架与两节车体进行铰接；所述车体的外侧具有四块竖直铰接的侧板，分别为侧板Ⅰ，侧板Ⅱ，侧板Ⅲ，侧板Ⅳ，所述侧板Ⅰ上固定前轮，所述侧板Ⅳ上固定后轮；所述侧板Ⅰ与侧板Ⅳ的中部还分别与前、后转向架铰接；每节车体内部上下固定设有一对滚珠丝杆，所述侧板Ⅰ与侧板Ⅱ铰接处、侧板Ⅲ与侧板Ⅳ的铰接处分别通过连杆与各自滚珠丝杆连接；所述侧板Ⅰ、侧板Ⅱ、前转向架、连杆组成四杆变形机构，所述行星轮机器 人具有四组对称设置的四杆变形机构，所述四组对称的四杆变形机构是所述行星轮机器人的底盘。 

进一步的，所述摇臂悬架为四轮摇臂悬架。 

进一步的，所述侧板上设有滚珠丝杆的驱动电机。 

进一步的，所述车体上方还设有搭在平台，所述搭在平台搭在摄像头。 

本实用新型通过四杆变形底盘设计。该设计想法主要源于自然界动物运动规律的仿生设计，通过四杆结构的变形，可轻松实现机器人的存储与展开模式的轮距互换，同时在复杂环境中通过车轮收缩可具备一定的防护轮系作用。行星车轮在存储时可以收缩到车体包络的空间内，这样的设计目的主要有两点，一是节约存放空间，二是保护行星车轮。 

行星轮与纵向分节车体的组合设计。行星轮具有良好的越障能力，该设计实现了轮式、悬架、车体越障能力及地形适应能力的优优组合，在各自的设计方案中挑选适当的机构，经过优化组合设计，实现不同构造间的有机结合，使各自的功能发挥到最大化，实现在非结构化的自然环境和台阶、楼梯等结构化环境中良好的地形通过能力。行星轮在在在平坦路面上运动时，具有速度稳定、低功耗的特性。 

机器人模块化设计。为满足可拆卸、易维护等要求，机器人结构应用模块化设计思想。模块化思想的核心是把复杂的系统转变成多个简单的模块组成，它的优点是有利于系统的设计和分析，各功能模块之间相互独立装配，互不干扰；同时模块具有即装即用的性能，互换性比较强。 

多功能搭载平台。为了增强机器人的实用性能，在完成机器人移动系统的优化设计的基础上，设计了一款多功能搭载平台，该设计理念得益于模块化设计，机器人的平台可根据需要搭载不同的工具，实现机器人的实用功能多样化，满足机器人侦察探测、搜索救灾等功能要求。 

附图说明

图1是行星轮的结构示意图。 

图2是行星轮越障时的示意图。 

图3是行星轮的立体示意图。 

图4是本实用新型行星轮机器人的立体示意图。 

图5是行星轮机器人底盘伸展开来时的示意图。 

图6是行星轮机器人底盘收缩起来时的示意图。 

图7是本实用新型中的四杆变形机构的原理示意图，图中，杆AC、杆BC、杆CD，杆DE是丝杆变形机构的四杆。 

图8是单侧车体底盘的结构示意图。 

图9是连杆与滚珠丝杆进行连接的局部示意图。 

图10是本实用新型的行星轮机器人的整体设计示意图。 

图11是本实用新型的行星轮机器人进行转向时的示意图。 

图12是本实用新型的行星轮机器人进行爬坡时的示意图。 

图13是本实用新型的行星轮机器人进行越障时的示意图。 

图中，1.四杆变形底盘，2.四轮摇臂悬架，3.滚珠丝杆，4.铰接的浮动边框架，5.行星轮，6.轴承均化链接，7.左右分节车体，8.均化链接支点，9.轴承均化链接，10.转动轴线，11.转向架。 

具体实施方式

下面结合具体实施例对本实用新型进一步说明。 

本实用新型创造的目的在于要解决移动机器人越障能力、地形适应能力和运动稳定性的技术难题。受乌龟自我防护的启发，设计了基于滚珠丝 杆带动的四杆变形底盘，能够在机器人存储时，将行星轮隐藏到车体内部包络的空间里，可节约30%左右的空间。设计的由四轮摇臂悬架及均化车体组成的均化系统，能够保证车轮同时着地，极大地提高了移动机器人的运动稳定性和地形适应能力。下面分部件详细介绍本实用新型创造的内容。 

行星轮驱动模块： 

如图3所示为行星轮驱动模块齿轮传动系统的结构图，详细地表明了动力传递和整体布局的情况。行星轮驱动模块采用三拓牌涡轮蜗杆直流电机固定在底盘连杆支架上，电机输出轴通过一对配合的皮带轮传递到行星轮系上的中心齿轮，再分别通过3个过渡齿轮将动力传递给驱动齿轮，最后传至接地的轮胎。 

根据已有的参数经验值，中心齿轮的分度圆半径应明显大于驱动齿轮的分度圆半径。同时考虑到轮触地条件，在每两组行星齿轮之间，行星轮支架零件都尽量往内部收缩，以防在攀越直角障碍的时候发生干涉。同时在行星轮传动部件的空隙处布置了一些螺钉孔，用于将上下两块行星轮支架固定在一起。 

行星轮支架采用高强度亚克力零件，不仅方便加工，降低成本，同时起到了减轻重量，提高了载荷能力的作用。为行星齿轮传动部件三维效果图，基于减轻驱动电机的颠簸反应、同时增强车体稳定性的考虑，电机驱动方案选择了同步带轮。由于设计速度不高，但要求机器人的越障能力，所以采用了较大的减速比来提高车轮的驱动力矩，以满足粗糙路面的驱动要求。为了进一步降低转速和增加驱动力矩，电机输出轴和皮带轮中的小齿轮紧固连接，大齿轮的输出轴则连接行星车轮，减速比为4：3。电机通过螺栓与底盘的变形杆紧固。 

机器人所用电机为涡轮蜗杆电机，涡轮蜗杆电机具有一定的自锁性，即在断电的情况下，在外力作用下也不会发生转动。 

四杆变形底盘模块： 

基于自然界动物运动的仿生设计，机器人配置的变形底盘可实现储存模式和展开模式的轮距转化，如图5、6所示。通过四组对称的四杆机构进行变形，当底盘展开时，四杆机构变成一个菱形，当底盘收缩时，四杆机构则变成一条直线，每组四杆机构具有独立驱动装置。 

四杆变形机构的工作原理如图7所示，图中最下方A点的运动被限制在2个方向上有一个线性导轨，并通过丝杆滑块在y方向上被致动，从而带动其他杆的转动。而E点和B点固定铰接在浮动边框的两端，C，D两点具有3个自由度，既可以转动，也可以沿着x方向或y方向移动，从而实现杆的包络空间的转化。 

浮动边框布置的内部空间足够容纳行星车轮，四杆机构的收缩使机器人在储存时可以将车轮完全隐藏在车体内部，这将节约30%左右的存储空间，并具有一定的保护轮系及电机的作用，在复杂的环境下，实现自我防护。 

方案设计的四杆变形机构如图8所示，选用的线性导轨为滚珠丝杆，驱动电机选用20W直流减速电机。滚珠丝杆的有效行程为260mm，符合变形要求。图9所示的是丝杆滑块与连杆的链接，通过轴销的销接，杆与滑块之间可以有一定的转动角度，满足驱动杆变形的基本要求。 

四轮摇臂悬架模块： 

四轮摇臂悬架由两个铰接的浮动边框组成，通过机器人的均化系统，实现摇臂的相对摆动，机器人可以适应非结构化地形，保持运动稳定性， 如图10所示。在车体两侧各安装一个浮动边框。每个浮动边框都是一个独立模块，支撑两个行星轮。通过侧框架上的枢转中心轴，车轮可以顺应地势不平，并保持各轮压力均分。 

机器人的主动适应地形的功能、保持各轮压力均分是通过边框上的轴承实现的，轴承固定在边框上。当道路高低不平时，车轮则通过绕着轴承中心轴旋转的方式来适应地形。由于左右两边也是对称独立模块，所以在使用维护上较为方便，当某一个模块出现问题时，可以及时更换。 

考虑到车体本身重量的约束，悬架边框采用角型铝，截面规格为20*20mm。铝材较软，可以用切铝机进行切割，制作加工比较方便，无需打孔固接，效率高，制作周期较短。在机器人的调试运行阶段，当框架出现问题的时候，方便改接。角型铝连接在快速运动颠簸过程难免会出现螺丝、螺栓松动的情况，但本项目机器人设计时速较慢，低速转动，因为使用角型铝制作铰接浮动边框相对比较方便。 

左右分节车体模块： 

机器人的车体框架结构分为左车体、右车体的链接部件，左右车体的枢转中心轴通过万向节连接。综合考虑制作难度、零件强度、零件重量、制作周期和制作成本等因素，选用角型铝作为主体结构。 

车体搭载平台支架的两个对称的支架分别固定在左右车体的浮动边框上，以利于实现左右车体的均分压力，使机器人具备良好的地形适应能力。车体搭载平台材质为亚克板，可以根据需要搭载各种实用仪器，为搭载摄像头的侦察机器人平台。 

铰接均化车体的构造使机器人在行驶过程中，在地面高低不平的情况下，能够保证四组行星轮同时接地，增强了机器人的运动稳定性和地形适应能力。 

Claims (4)

1.一种行星轮机器人，其特征在于：

包括左右两节车体，并通过摇臂悬架连接成一体，所述摇臂悬架与两节车体进行铰接；

所述车体的外侧具有四块竖直铰接的侧板，分别为侧板Ⅰ，侧板Ⅱ，侧板Ⅲ，侧板Ⅳ，所述侧板Ⅰ上固定前轮，所述侧板Ⅳ上固定后轮；

所述侧板Ⅰ与侧板Ⅳ的中部还分别与前、后转向架铰接；

每节车体内部上下固定设有一对滚珠丝杆，所述侧板Ⅰ与侧板Ⅱ铰接处、侧板Ⅲ与侧板Ⅳ的铰接处分别通过连杆与各自滚珠丝杆连接；

所述侧板Ⅰ、侧板Ⅱ、前转向架、连杆组成四杆变形机构，所述行星轮机器人具有四组对称设置的四杆变形机构，所述四组对称的四杆变形机构是所述行星轮机器人的底盘。

2.如权利要求1所述的行星轮机器人，其特征在于：所述摇臂悬架为四轮摇臂悬架。

3.如权利要求1所述的行星轮机器人，其特征在于：所述侧板上设有滚珠丝杆的驱动电机。

4.如权利要求1所述的行星轮机器人，其特征在于：所述车体上方还设有搭在平台，所述搭载平台可搭载摄像头、机器手臂等仪器。

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