CN205168675U - 基于等腰梯形结构的履带可变形机器人移动平台 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及基于等腰梯形结构的履带可变形机器人移动平台，其特征在于该移动平台包括车体模块、两个等腰梯形轮-履模块、驱动后轮模块和辅助底轮模块；两个等腰梯形轮-履模块左右对称布置在车体模块的两侧，辅助底轮模块安装在车体模块的底部，驱动后轮模块位于车体模块的后部；所述车体模块包括电机驱动器、壳体及两个履带驱动系统和两个后轮驱动系统，电机驱动器安装在车体模块的中心，两个履带驱动系统和两个后轮驱动系统均以电机驱动器所在直线为轴平行对称设置，履带驱动系统和后轮驱动系统反向安装在壳体内，壳体底部与辅助底轮模块连接；每个履带驱动系统包括伺服电机、电机减速器、电机安装架和锥齿轮。

Description

基于等腰梯形结构的履带可变形机器人移动平台

技术领域

本实用新型涉及机器人移动平台技术领域，具体为一种基于等腰梯形结构的履带可变形机器人移动平台。

背景技术

在现有的机器人移动机构研究中，轮式移动机器人的灵活机动性较好，但是其主要应用于平整地面环境中；腿式移动机器人能够通过较为复杂的地面环境，但其效率低下，控制算法复杂；履带式机器人的应用研究广泛，兼具了效率和障碍物通过性能，普通的履带机器人大多为关节摆臂式结构，通过调节关节摆臂的角度，主动地适应环境变化。而这类机器人很大程度上依赖于传感器所反馈的环境信息以及主动的控制调节。而被动自适应履带机器人能将环境中的约束力作为一种有效的输出，使履带外形轮廓被动地发生改变，从而更好的适应环境，从而减少了机器人对传感系统和控制系统的依赖性，并提高行走效率，成为履带机器人的一个重要研究方向。

现有的被动自适应履带机器人研究有：专利号为ZL2013101764130的中国专利公开了一种被动自适应履带可变形移动机器人平台，该机器人平台采用欠驱动的平面六杆机构作为支撑履带的机构，能通过高于履带的障碍，但其变形不大，平整路面速度较低，且辅助摆臂模块在实际应用中达不到太大效果；专利号为ZL2010102195152的中国专利公开了一种具有自适应能力的轮-履复合变形移动机器人，该机器人具有轮-履两种运动模式，但其在轮式运动时，履带作为虚拟轮仍接触地面，且要保持和主动轮相同的线速度，容易产生履带与地面的摩擦，其前轮驱动的方式使得其在轮式运动模式下越障能力不足，且需要主动避开正前方小于车体宽度的小障碍。

实用新型内容

针对现有技术的不足，本实用新型拟解决的技术问题是，提供一种基于等腰梯形结构的履带可变形机器人移动平台，该移动平台采用模块化设计，具有被动自适应能力，且具有轮、履两种运动模式，能根据环境中障碍物的尺寸被动地改变履带的外形，并能在变形的同时自主地实现轮、履两种运动模式的切换，在确保复杂地形适应能力的前提下，增强了平整路面的通过效率，避免了履带与地面的摩擦，且履带在整个变形过程中的长度变化可控，并采用一种用于辅助越障的辅助底轮模块，进一步增加移动平台对障碍物的通过性。

本实用新型解决所述技术问题采用的技术方案是：提供一种基于等腰梯形结构的履带可变形机器人移动平台，该移动平台包括车体模块、两个等腰梯形轮-履模块、驱动后轮模块和辅助底轮模块；两个等腰梯形轮-履模块左右对称布置在车体模块的两侧，辅助底轮模块安装在车体模块的底部，驱动后轮模块位于车体模块的后部；

所述车体模块包括电机驱动器、壳体及两个履带驱动系统和两个后轮驱动系统，电机驱动器安装在车体模块的中心，两个履带驱动系统和两个后轮驱动系统均以电机驱动器所在直线为轴平行对称设置，履带驱动系统和后轮驱动系统反向安装在壳体内，壳体底部与辅助底轮模块连接；每个履带驱动系统包括伺服电机、电机减速器、电机安装架和锥齿轮，电机减速器通过电机安装架安装在辅助底轮模块上，所述电机减速器一端与伺服电机的输出轴相连，另一端与锥齿轮连接；后轮驱动系统的组成与连接方式同履带驱动系统；

所述驱动后轮模块包括驱动后轮、传动箱体、输入轴、输出轴和同步带轮；传动箱体的前段伸入车体模块中，输入轴与输出轴均经轴承平行安装在传动箱体内的相应安装孔上，输入轴和输出轴通过同步带轮及同步带传递动力，所述输入轴伸出传动箱体的两端均安装有一个锥齿轮，该锥齿轮与相应的后轮驱动系统中的锥齿轮相互啮合；所述输出轴伸出传动箱体的两端均安装有一个驱动后轮；

所述等腰梯形轮-履模块包括履带、后支撑架、连杆、前支撑架、弹簧、从动车轮、传动轴、主轴、履带驱动轮及三个履带支撑轮；履带环绕安装在三个履带支撑轮和一个履带驱动轮上，前支撑架和后支撑架各自分别由两片相同形状规格的梯形框架构成，后支撑架的后端两个顶点处均安装有一个履带支撑轮，前端下部与车体模块的壳体通过铰链相连接，连接点为第一铰链连接点，后支撑架的前端上部和前支撑架的后端上部均与连杆通过铰链相连接，后支撑架的前端上部与连杆的连接点为第二铰链连接点，前支撑架的后端上部与连杆的连接点为第三铰链连接点；前支撑架的后端下部通过主轴与车体模块的壳体相铰接，铰接处为第四铰链连接点，前支撑架的前端上部装有履带驱动轮；四个铰接连接点依次的连线构成一个等腰梯形；

所述主轴一端伸入车体模块中并安装有锥齿轮，该锥齿轮与相应履带驱动系统的锥齿轮相互啮合；在前支撑架的两片梯形框架之间的主轴上安装有圆柱齿轮；所述传动轴两端通过轴承与前支撑架相连接，传动轴上设有圆柱齿轮，且与主轴上的圆柱齿轮相啮合，传动轴上还安装有同步带轮，通过同步带与履带驱动轮连接；在前支撑架和车体模块之间安装有弹簧；所述从动车轮通过车轮轴与前支撑架相连接。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

1.本实用新型采用模块化设计，具有被动自适应能力：在等腰梯形轮-履模块中以四个铰链连接点(J1、J2、J3、J4)为顶点构成具有一个自由度的等腰梯形结构，该结构能够根据具体障碍物的尺寸产生变形，从而使履带外轮廓的形状改变，且履带长度的变化可控制在一定的微小范围内，前支撑架和后支撑架均为梯形结构或近似梯形的结构，结构更稳定，能够实现楼梯、斜坡、沟槽等复杂环境的平稳高效行走，并能跨越高于自身的障碍物。

2.本实用新型具有轮-履两种运动模式，可以被动的实现两种模式的转换，具有很强的自主地形适应能力，且不需要复杂的控制算法就可以实现；在平整路面，从动车轮和驱动后轮直接接触地面，移动平台做轮式运动，能避免出现履带作为虚拟轮仍接触地面，与地面产生摩擦的问题，且轮、履两种运动的驱动系统相互独立，提高了轮式运动的速度，且节约能量。

3.本实用新型设置辅助底轮模块，配合驱动后轮模块，克服轮式运动模式下前轮驱动存在的越障能力不足的局限性，能够更好通过位于移动平台下面的小障碍物，而无需主动避障。本申请中的辅助底轮模块，采用前、中、后三种底轮系统，每个底轮系统均设计特定数量的小底轮和小底轮轴，进一步增强了移动平台通过小障碍物的通过性，加快了行进速度。

附图说明

图1为本实用新型基于等腰梯形结构的履带可变形机器人移动平台一种实施例的立体结构示意图；

图2为本实用新型基于等腰梯形结构的履带可变形机器人移动平台一种实施例的等腰梯形轮-履模块2的主视结构示意图；

图3为本实用新型基于等腰梯形结构的履带可变形机器人移动平台一种实施例的车体模块1内部结构示意图；

图4为本实用新型基于等腰梯形结构的履带可变形机器人移动平台一种实施例的驱动后轮模块3的立体结构示意图；

图5为本实用新型基于等腰梯形结构的履带可变形机器人移动平台一种实施例的辅助底轮模块4的安装结构示意图；

图6为图5辅助底轮模块中的前底轮系统401的立体结构示意图；

图7为图5辅助底轮模块中的中底轮系统402的立体结构示意图；

图8为图5辅助底轮模块中的后底轮系统403的立体结构示意图；

图9为本实用新型基于等腰梯形结构的履带可变形机器人移动平台做轮式运动的示意图；

图10为本实用新型基于等腰梯形结构的履带可变形机器人移动平台遇到台阶后的变形结构示意图；

图11为本实用新型基于等腰梯形结构的履带可变形机器人移动平台跨越小障碍的示意图；

图中，1-车体模块，2-等腰梯形轮-履模块，3-驱动后轮模块，4-辅助底轮模块，101-电机驱动器，102-锥齿轮，103-电机安装架，104-电机减速器，105-伺服电机，106-壳体；201-履带支撑轮，202-履带，203-后支撑架，204-连杆，205-前支撑架，206-弹簧，207-履带驱动轮，208-从动车轮，209-传动轴，210-主轴；301-驱动后轮，302-传动箱体，303-同步带轮，304-输入轴，305-输出轴；401-前底轮系统，402-中底轮系统，403-后底轮系统，404-底板，405-小底轮、406-小底轮轴。

具体实施方式

下面结合实施例及其附图对本实用新型做进一步描述。实施例是以本实用新型所述技术方案为前提进行的具体实施，给出了详细的实施方式和过程，但并不以此作为对本申请权利要求保护范围的限定。

本实用新型基于等腰梯形结构的履带可变形机器人移动平台(简称移动平台，参见图1-11)包括车体模块1、两个等腰梯形轮-履模块2、驱动后轮模块3和辅助底轮模块4；两个等腰梯形轮-履模块2左右对称布置在车体模块1的两侧，辅助底轮模块4安装在车体模块1的底部，驱动后轮模块3位于车体模块1的后部；

所述车体模块1(参见图3)包括电机驱动器101、壳体106、电源系统、配重及两个履带驱动系统和两个后轮驱动系统(图中未标出)，电机驱动器101安装在车体模块1的中心，两个履带驱动系统和两个后轮驱动系统组成相同，且均以电机驱动器101所在直线为轴平行对称设置，履带驱动系统和后轮驱动系统反向安装在壳体内，电源系统及配重均固定在壳体106内，壳体106底部与辅助底轮模块4连接；每个履带驱动系统包括伺服电机105、电机减速器104、电机安装架103和锥齿轮102，电机减速器104通过电机安装架103安装在辅助底轮模块4上，所述电机减速器104一端与伺服电机105的输出轴相连，另一端与锥齿轮102连接；后轮驱动系统的组成与连接方式同履带驱动系统；

所述驱动后轮模块3(参见图4)包括驱动后轮301、传动箱体302、输入轴304、输出轴305和同步带轮303；传动箱体302的前段伸入车体模块1中，输入轴304与输出轴305均经轴承平行安装在传动箱体302内的相应安装孔上，输入轴304和输出轴305通过同步带轮303及同步带传递动力，所述输入轴304伸出传动箱体302的两端均安装有一个锥齿轮，该锥齿轮与相应的后轮驱动系统中的锥齿轮相互啮合；所述输出轴305伸出传动箱体302的两端均安装有一个驱动后轮301；

所述等腰梯形轮-履模块2(参见图2)包括履带202、后支撑架203、连杆204、前支撑架205、弹簧206、从动车轮208、传动轴209、主轴210、履带驱动轮207及三个履带支撑轮201；履带环绕安装在三个履带支撑轮201和一个履带驱动轮207上，前支撑架205和后支撑架203各自分别由两片相同形状规格的梯形框架构成，后支撑架203的后端两个顶点处均安装有一个履带支撑轮201，前端下部与车体模块1的壳体106通过铰链相连接，连接点为第一铰链连接点，记为J1，后支撑架203的前端上部和前支撑架205的后端上部均与连杆204通过铰链相连接，此时，后支撑架203的前端上部与连杆204的连接点为第二铰链连接点，记为J2，前支撑架205的后端上部与连杆204的连接点为第三铰链连接点，记为J3；前支撑架205的后端下部通过主轴210与车体模块1的壳体106相铰接，铰接处为第四铰链连接点，记为J4，前支撑架205的前端上部装有履带驱动轮207；所述四个铰接连接点(J1-J4)依次的连线构成一个等腰梯形，其中连杆204作为等腰梯形的顶边，前支撑架205和后支撑架203相邻的两边作为等腰梯形的两个腰；该等腰梯形具有一个自由度，能在外部环境的作用下发生变形；

所述主轴210一端伸入车体模块1中并安装有锥齿轮，该锥齿轮与相应履带驱动系统的锥齿轮102相互啮合；在前支撑架205的两片梯形框架之间的主轴210上安装有圆柱齿轮；所述传动轴209两端通过轴承与前支撑架205相连接，传动轴209上设有圆柱齿轮，且与主轴210上的圆柱齿轮相啮合，传动轴210上还安装有同步带轮，通过同步带与履带驱动轮207连接；在前支撑架205和车体模块1之间安装有弹簧206；所述从动车轮208通过车轮轴与前支撑架205相连接，随着履带变形和恢复而抬起和放下。

本实用新型的进一步特征在于所述辅助底轮模块4(参见图5)包括两个前底轮系统401、一个中底轮系统402、两个后底轮系统403和底板404，前底轮系统401、中底轮系统402和后底轮系统403从前到后依次布置在底板404底部，两个前底轮系统401和两个后底轮系统403各自平行布置；每个底轮系统都由若干数量的小底轮405和小底轮轴406组成。

本实用新型的进一步特征在于所述前底轮系统401(参见图6)包括横向两排的小底轮和小底轮轴组成的结构，每排小底轮和小底轮轴组成的结构由三个小底轮405和一个小底轮轴406组成；所述中底轮系统402(参见图7)包括横向两排的小底轮和小底轮轴组成的结构，每排小底轮和小底轮轴组成的结构由五个小底轮405和一个小底轮轴406组成；所述后底轮系统403(参见图8)包括横向七排的小底轮和小底轮轴组成的结构，每排小底轮和小底轮轴组成的结构由两个小底轮405和一个小底轮轴406组成。

本实用新型中等腰梯形轮-履模块2的传动路线如下：履带驱动系统的伺服电机105输出的动力经电机减速器104的减速后传递给锥齿轮102，带动主轴210上的锥齿轮运动，主轴210上圆柱齿轮将动力传送至传动轴209上，传动轴209上的同步带轮又带动履带驱动轮207的转动，从而使整个履带202运动。

驱动后轮模块3的传动路线如下：后轮驱动系统的伺服电机105输出的动力经电机减速器104的减速传递给锥齿轮102，该锥齿轮与输入轴304两端的锥齿轮相互啮合，将动力传送至输入轴304上，输入轴304上的同步带轮303经同步带将动力传送至输出轴305上，并带动驱动后轮301的转动。

本实用新型移动平台的工作原理及工作过程为：在平整路面上行走时(参见图9)，移动平台做轮式运动，驱动后轮301和从动车轮208与地面相接触，并由后轮驱动系统驱动；当移动平台前方遇到障碍物时，环境约束力作为一种助力作用在履带202上，使得所述等腰梯形结构(以J1、J2、J3和J4为顶点)发生变形，即前支撑架205和安装在其上面的构件绕着主轴210逆时针转动一定角度，履带驱动轮207和从动车轮208抬起，而后支撑架203亦会在连杆204的作用下绕着铰链连接点J1旋转相应角度，从而使安装在其上的履带支撑轮201放下，弹簧206被拉伸，此时履带202接触地面，移动平台做履带式运动，并能翻越高于移动平台的障碍物(参见图10)；当履带202的前部脱离障碍后，在弹簧208的作用下各构件恢复到初始位置，从而移动平台又回复到轮式运动。本实用新型基于等腰梯形结构的履带可变形机器人移动平台，运动更稳定可靠，变形过程中，履带长度变化可控。

本实用新型中四个铰链连接点(J1-J4)为等腰梯形的四个顶点，各铰链所连接的部分为等腰梯形的边，铰链及其所连接部分组成一个形状为等腰梯形的四连杆机构，该等腰梯形的四连杆机构具有一个自由度，能在外部环境的作用下发生变形；前支撑架205和后支撑架203均为梯形结构或近似梯形的结构，三个履带支撑轮201和一个履带驱动轮207分布在同一个平面上，使得履带202的外轮廓为倒梯形结构；所述弹簧206一端安装在前支撑架205上，另一端与车体模块1连接，在移动平台运动过程中，环境的约束力会作为一种输入导致等腰梯形发生变形，从而改变履带的外轮廓形状；所述弹簧两端分别安装在前支撑架和车体模块上，在履带发生形变时，弹簧会被拉伸，并产生恢复力。当移动平台在平整路面上做轮式运动时，驱动后轮模块3作为主动轮，带动从动车轮208运动。

本实用新型具有被动自适应的能力，两运动模式切换不需要人为干预，大大减小了其对于传感系统和控制系统的依赖程度，增强了对环境的适应能力，在轮式运动时，前后两组车轮与地面接触，避免了履带与地面的线接触，且大大提高了行进速度和可靠性；当移动平台的正前方遇到小于移动平台宽度的小障碍物时，不必切换到履带运动模式，且无需主动避障，移动平台在辅助底轮模块4的作用和驱动后轮模块3的驱动下能够翻越障碍物(参见图11)，行进速度较高，增加通过性。

本实用新型中等腰梯形轮-履模块2与驱动后轮模块3的驱动系统相互独立，在已知平整环境下可关闭履带驱动系统，避免能量浪费；同样，在复杂环境下，亦可将前支撑架205抬起并固定，使平台做履带式运动，此时可关闭后轮驱动系统。

本实用新型未述及之处适用于现有技术。

Claims (3)

1.一种基于等腰梯形结构的履带可变形机器人移动平台，其特征在于该移动平台包括车体模块、两个等腰梯形轮-履模块、驱动后轮模块和辅助底轮模块；两个等腰梯形轮-履模块左右对称布置在车体模块的两侧，辅助底轮模块安装在车体模块的底部，驱动后轮模块位于车体模块的后部；

所述车体模块包括电机驱动器、壳体及两个履带驱动系统和两个后轮驱动系统，电机驱动器安装在车体模块的中心，两个履带驱动系统和两个后轮驱动系统均以电机驱动器所在直线为轴平行对称设置，履带驱动系统和后轮驱动系统反向安装在壳体内，壳体底部与辅助底轮模块连接；每个履带驱动系统包括伺服电机、电机减速器、电机安装架和锥齿轮，电机减速器通过电机安装架安装在辅助底轮模块上，所述电机减速器一端与伺服电机的输出轴相连，另一端与锥齿轮连接；后轮驱动系统的组成与连接方式同履带驱动系统；

所述驱动后轮模块包括驱动后轮、传动箱体、输入轴、输出轴和同步带轮；传动箱体的前段伸入车体模块中，输入轴与输出轴均经轴承平行安装在传动箱体内的相应安装孔上，输入轴和输出轴通过同步带轮及同步带传递动力，所述输入轴伸出传动箱体的两端均安装有一个锥齿轮，该锥齿轮与相应的后轮驱动系统中的锥齿轮相互啮合；所述输出轴伸出传动箱体的两端均安装有一个驱动后轮；

所述等腰梯形轮-履模块包括履带、后支撑架、连杆、前支撑架、弹簧、从动车轮、传动轴、主轴、履带驱动轮及三个履带支撑轮；履带环绕安装在三个履带支撑轮和一个履带驱动轮上，前支撑架和后支撑架各自分别由两片相同形状规格的梯形框架构成，后支撑架的后端两个顶点处均安装有一个履带支撑轮，前端下部与车体模块的壳体通过铰链相连接，连接点为第一铰链连接点，后支撑架的前端上部和前支撑架的后端上部均与连杆通过铰链相连接，后支撑架的前端上部与连杆的连接点为第二铰链连接点，前支撑架的后端上部与连杆的连接点为第三铰链连接点；前支撑架的后端下部通过主轴与车体模块的壳体相铰接，铰接处为第四铰链连接点，前支撑架的前端上部装有履带驱动轮；四个铰接连接点依次的连线构成一个等腰梯形；

所述主轴一端伸入车体模块中并安装有锥齿轮，该锥齿轮与相应履带驱动系统的锥齿轮相互啮合；在前支撑架的两片梯形框架之间的主轴上安装有圆柱齿轮；所述传动轴两端通过轴承与前支撑架相连接，传动轴上设有圆柱齿轮，且与主轴上的圆柱齿轮相啮合，传动轴上还安装有同步带轮，通过同步带与履带驱动轮连接；在前支撑架和车体模块之间安装有弹簧；所述从动车轮通过车轮轴与前支撑架相连接。

2.根据权利要求1所述的基于等腰梯形结构的履带可变形机器人移动平台，其特征在于所述辅助底轮模块包括两个前底轮系统、一个中底轮系统、两个后底轮系统和底板，前底轮系统、中底轮系统和后底轮系统从前到后依次布置在底板底部，两个前底轮系统和两个后底轮系统各自平行布置；每个底轮系统都由若干数量的小底轮和小底轮轴组成。

3.根据权利要求2所述的基于等腰梯形结构的履带可变形机器人移动平台，其特征在于所述前底轮系统包括横向两排的小底轮和小底轮轴组成的结构，每排小底轮和小底轮轴组成的结构由三个小底轮和一个小底轮轴组成；所述中底轮系统包括横向两排的小底轮和小底轮轴组成的结构，每排小底轮和小底轮轴组成的结构由五个小底轮和一个小底轮轴组成；所述后底轮系统包括横向七排的小底轮和小底轮轴组成的结构，每排小底轮和小底轮轴组成的结构由两个小底轮和一个小底轮轴组成。