CN102849132B - 轮履复合变形履带机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种轮履复合变形履带机器人，包括机架和装设于机架上的一根主轴，所述主轴两端均装设有一件可在圆形和三角形之间转换、并带有动力装置的变形履带轮，所述机架的前后两侧均装设有一件支撑架，各支撑架底端均装设有随动导轮。该轮履复合变形履带机器人具有运动灵活、适应能力强、结构简单、工作稳定的优点。

Description

轮履复合变形履带机器人

技术领域

本发明涉及履带机器人，尤其涉及轮履复合变形履带机器人。

背景技术

众所周知，用于火灾、矿难、核泄漏等危险作业的小型地面移动机器人以其体积小、成本低、生存能力强、运动灵活等特点成为移动机器人研究领域的又一热点。其中轮式结构的机器人具有结构简单、质量轻、高速高效、实用性强等优点，由于其具有的这些优点，使得轮式移动***的运行速度较快，控制也较简单，然而其越障能力、适应复杂地形的能力却相形见绌；就适应能力而言,普通的履带式移动机器人具有越野性能好,爬坡、越障、跨沟能力强等优点,但同时也存在转弯性较差、能耗较大等缺点。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种运动灵活、适应能力强、结构简单、工作稳定的轮履复合变形履带机器人。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种轮履复合变形履带机器人，包括机架和装设于机架上的一根主轴，所述主轴两端均装设有一件可在圆形和三角形之间转换、并带有动力装置的变形履带轮，所述机架的前后两侧均装设有一件支撑架，各支撑架底端均装设有随动导轮。

所述变形履带轮包括变形履带、同步带轮组、行进动力装置和用于驱动变形履带变形的四连杆变形机构，所述同步带轮组可转动的支承于主轴上，所述行进动力装置装设于机架上、并驱动同步带轮组转动，所述变形履带套设于同步带轮组外，所述四连杆变形机构装设于同步带轮组内、并与变形履带内圈配合，所述机架上装设有用于驱动四连杆变形机构的变形动力装置。

所述四连杆变形机构包括V形架、撑板、连接片、两件下架和两件中间杆，所述V形架的弯折部与变形动力装置相连，所述撑板上端与主轴固接，撑板下端与连接片固接，两件下架分设于连接片两侧、并与连接片铰接，两件中间杆分设于撑板两侧，各中间杆一端与V形架铰接，各中间杆另一端与下架铰接，所述下架上装设有用于与变形履带内圈配合的圆柱轮。

所述变形动力装置包括变形电机、减速传动机构和传动轴套，所述变形电机和减速传动机构均装设于机架上，所述变形电机的输出端与减速传动机构的输入端相连，所述传动轴套套设于主轴上，传动轴套一端与减速传动机构的输出端连接，传动轴套一端与所述V形架的弯折部固接，另一端与机架固接。

所述减速传动机构包括第一锥齿轮、第二锥齿轮、蜗杆轴和蜗轮，所述第一锥齿轮与变形电机的输出端相接，所述第二锥齿轮装设于蜗杆轴上并与第一锥齿轮啮合，所述蜗杆轴与蜗轮啮合，所述蜗轮固设于主轴上。

所述行进动力装置包括行进电机、行进主动链轮、行进传动链条、定位套、定位螺钉和行进从动链轮，所述行进主动链轮装设于行进电机输出端，所述行进从动链轮可转动的支承于所述传动轴套上，所述行进传动链条绕设于行进主动链轮和行进从动链轮上，所述定位套通过定位螺钉连接固定于行进从动链轮和同步带轮组之间。

所述变形履带包括履带齿层、弹性层和同步带啮合层，所述同步带啮合层固设于弹性层内圈、并与同步带轮组啮合，所述履带齿层设于弹性层外圈，履带齿层中各履带齿的底部与弹性层固接。

所述同步带轮组包括内侧轮和外侧轮，所述内侧轮通过轴承支承于传动轴套上、并通过定位螺钉与行进从动链轮连接固定，所述外侧轮通过轴承支承于主轴上，所述内侧轮和外侧轮外圈均与变形履带的同步带啮合层配合。

所述变形履带轮还包括棘轮翻转机构，所述棘轮翻转机构包括棘轮、翻转链轮和翻转链条，所述翻转链轮固设于所述行进电机的输出端，所述棘轮固设于所述传动轴套上，所述翻转链条绕设于棘轮和翻转链轮上。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

本发明的轮履复合变形履带机器人，在主轴两端均装设有一件可在圆形和三角形之间转换、并带有动力装置的变形履带轮，使该机器人既有圆形轮模式下的快速机动，也有三角形履带轮模式下的行进平稳，能够适应各种复杂地形，具有很强的机动能力和越障能力；机架的前后两侧均装设有一件支撑架，各支撑架底端均装设有随动导轮，行进时由于惯性作用，相对于前进方向靠后的随动导轮着地，保持机身稳定，确保运动平稳。变形履带轮通过四连杆变形机构驱动变形履带变形，展开和收拢平稳、结构简单、便于控制，同时还可通过变形实现攀爬一定高度的障碍，适应性强。行进动力装置中的行进电机装设于机架上，使行进电机受到机身保护，减少机器人主动力部分受到外界影响的可能，降低动力部分的故障率，增加机器人运动稳定性。变形履带包括履带齿层、弹性层和同步带啮合层，通过三层结构的配合便于实现履带伸长变形、弹性伸缩，且不影响运动和力的传递，四连杆变形机构未展开时，在弹性层的作用下，变形履带保持圆形形状，机器人呈圆轮模式前进，灵活机动；四连杆变形机构展开时，弹性层被撑开，变形履带成为三角形状态，机器人以三角履带模式运动，运行平稳，可适应沼泽、坑洼、泥泞等复杂路况，增强机器人的环境适应能力。通过棘轮翻转机构可以实现两种模式翻越障碍，机器人正向前进时为被动翻越，遇到障碍时履带卡住障碍，通过棘轮带动四连杆变形机构以障碍点为支点，被动完成翻越障碍，即遇到障碍后轮子会翻转；机器人反向运动时为主动翻越，通过棘轮带动主轴轴套，使得四连杆变形机构立即翻转，完成主动翻越障碍。本发明的轮履复合变形履带机器人，集成两轮行进、三角履带行进、主动攀爬、翻越障碍等多种运动模式于一体，行进速度快、能耗低，机动能力强，爬坡、越障、跨沟能力强。

附图说明

图1是本发明圆形轮状态的立体结构示意图。

图2是本发明三角形轮状态的立体结构示意图。

图3是本发明圆形轮状态的立体结构示意图（去掉履带及外侧轮）。

图4是本发明三角形轮状态的立体结构示意图（去掉履带及外侧轮）。

图5是本发明的主视结构示意图。

图6是图5的A－A剖视图。

图7 是图5的B－B剖面中，变形动力装置部分的局部结构示意图。

图8是本发明圆形轮状态的左视结构示意图（去掉外侧轮）。

图9是本发明三角形轮状态的左视结构示意图（去掉外侧轮）。 

图10是本发明行进动力装置的机构简图。

图11是本发明变形动力装置的机构简图。

图12是行进电机输出轴处的放大示意图。

图13是传动轴套处的放大示意图。

图14是本发明变形履带的结构示意图。

图15是本发明穿过沟壑障碍的运动示意图。

图16是本发明主动翻越普通突起障碍的运动示意图。

图17是本发明被动翻越较高突起型障碍的运动示意图。

图18是本发明主动翻越较高突起型障碍的运动示意图。

图19是本发明翻越台阶型障碍的运动示意图。

图中各标号表示： 

1、机架；2、主轴；3、变形履带轮；301、变形履带；302、四连杆变形机构；3011、履带齿层；3012、弹性层；3013、同步带啮合层；3014、履带齿；3021、V形架；3022、撑板；3023、下架；3024、连接片；3025、连接片轴；3026、圆柱轮销轴；3027、圆柱轮；3028、中间杆；303、同步带轮组；3031、内侧轮；3032、外侧轮；304、变形动力装置；3041、变形电机；3042、传动轴套；3043、第一锥齿轮；3044、第二锥齿轮； 3045、蜗杆轴；3046、蜗轮；305、行进动力装置；3051、行进电机；3052、行进主动链轮；3053、行进传动链条；3054、定位套；3056、行进从动链轮；306、棘轮翻转机构；3061、棘轮；3062、翻转链轮；3063、翻转链条；4、支撑架；41、随动导轮。

具体实施方式

图1至图14示出了本发明的一种轮履复合变形履带机器人实施例，该机器人包括机架1和装设于机架1上的一根主轴2，主轴2两端均装设有一件可在圆形和三角形之间转换、并带有动力装置的变形履带轮3，使该机器人既有圆形轮模式下的快速机动，也有三角形履带轮模式下的行进平稳，能够适应各种复杂地形，具有很强的机动能力和越障能力；机架1的前后两侧均装设有一件支撑架4，支撑架4与水平面的夹角约40°，各支撑架4底端均装设有随动导轮41，行进时由于惯性作用，相对于前进方向靠后的随动导轮41着地，保持机身稳定，确保运动平稳。

本实施例中，变形履带轮3包括变形履带301、同步带轮组303、行进动力装置305和用于驱动变形履带301变形的四连杆变形机构302，同步带轮组303可转动的支承于主轴2上，行进动力装置305装设于机架1上、并驱动同步带轮组303转动，变形履带301套设于同步带轮组303外，四连杆变形机构302装设于同步带轮组303内、并与变形履带301内圈配合，机架1上装设有用于驱动四连杆变形机构302的变形动力装置304，在变形动力装置304的驱动下四连杆变形机构302带动变形履带301变形，使变形履带轮3展开和收拢平稳、结构简单、便于控制，同时还可通过变形实现攀爬一定高度的障碍，适应性强。四连杆变形机构302包括V形架3021、撑板3022、连接片3024、两件下架3023和两件中间杆3028，V形架3021的弯折部与变形动力装置304相连，撑板3022上端与主轴2固接，撑板3022下端与连接片3024固接，两件下架3023分设于连接片3024两侧、并通过连接片轴3025与连接片3024铰接，两件中间杆3028分设于撑板3022两侧，各中间杆3028一端与V形架3021铰接，各中间杆3028另一端与下架3023铰接，下架3023上通过小圆柱轮销轴3026装设有圆柱轮3027，该圆柱轮3027用于与变形履带301内圈配合。撑板3022时刻与连接片3024保持垂直，展开后的四连杆变形机构302将变形履带301撑开为三角形，大大提高了机器人运动的稳定性。变形动力装置304包括变形电机3041、传动轴套3042和减速传动机构，变形电机3041和减速传动机构均装设于机架1上，变形电机3041的输出端与减速传动机构的输入端相连，减速传动机构的输出端与主轴2连接，传动轴套3042一端与V形架3021的弯折部固接，另一端与机架1固接。减速传动机构包括第一锥齿轮3043、第二锥齿轮3044、蜗杆轴3045和蜗轮3046，第一锥齿轮3043与变形电机3041的输出端相接，蜗杆轴3045可转动的支承于机架1上，第二锥齿轮3044装设于蜗杆轴3045上并与第一锥齿轮3043啮合，蜗杆轴3045与蜗轮3046啮合，蜗轮3046固设于主轴2上。当变形电机3041驱动第一锥齿轮3043转动，由第二锥齿轮3044将运动传递给涡轮蜗杆机构，使得主轴2与传动轴套3042发生相对转动，从而使得四连杆变形机构302展开。行进动力装置305包括行进电机3051、行进主动链轮3052、行进传动链条3053、定位套3054、定位螺钉和行进从动链轮3056，行进主动链轮3052装设于行进电机3051输出端，行进从动链轮3056可转动的支承于传动轴套3042上，行进传动链条3053绕设于行进主动链轮3052和行进从动链轮3056上，定位螺钉穿于定位套3054之内，定位套3054通过定位螺钉连接固定于行进从动链轮3056和同步带轮组303之间，行进电机3051受到机身保护，减少机器人主动力部分受到外界影响的可能，降低动力部分的故障率，增加机器人运动稳定性。变形履带301包括履带齿层3011、弹性层3012和同步带啮合层3013，同步带啮合层3013固设于弹性层3012内圈、并与同步带轮组303啮合，履带齿层3011设于弹性层3012外圈，履带齿层3011中各履带齿3014的底部与弹性层3012固接，通过三层结构的配合便于实现履带伸长变形、弹性伸缩，且不影响运动和力的传递，四连杆变形机构302未展开时，在弹性层3012的作用下，变形履带301保持圆形形状，机器人呈圆轮模式前进，灵活机动；四连杆变形机构302展开时，弹性层3012被撑开，变形履带301成为三角形状态，机器人以三角履带模式运动，运行平稳，可适应沼泽、坑洼、泥泞等复杂路况，增强机器人的环境适应能力。同步带轮组303包括内侧轮3031和外侧轮3032，内侧轮3031通过轴承支承于传动轴套3042上、并通过定位螺钉与行进从动链轮3056连接固定，外侧轮3032通过轴承支承于主轴2上，内侧轮3031和外侧轮3032外圈均与变形履带301的同步带啮合层3013配合。

本实施例中，变形履带轮3还包括棘轮翻转机构306，棘轮翻转机构306包括棘轮3061、翻转链轮3062和翻转链条3063，翻转链轮3062固设于行进电机3051的输出端，棘轮3061固设于传动轴套3042上，翻转链条3063绕设于棘轮3061和翻转链轮3062上，通过棘轮翻转机构306可以实现两种模式翻越障碍，机器人正向前进时为被动翻越，遇到障碍时履带卡住障碍，通过棘轮3061带动四连杆变形机构302以障碍点为支点，被动完成翻越障碍，即遇到障碍后轮子会自动翻转；机器人反向运动时为主动翻越，通过棘轮3061带动传动轴套3042相对主轴2转动，使得四连杆变形机构302立即翻转，完成主动翻越障碍。

本发明的轮履复合变形履带机器人，集成两轮行进、三角履带行进、主动攀爬、翻越障碍等多种运动模式于一体，行进速度快、能耗低，机动能力强，爬坡、越障、跨沟能力强。

下面结合附图对本发明的轮履复合变形履带机器人作进一步详细说明。

如图15所示，当本发明的轮履复合变形履带机器人遇到沟壑型的障碍，且沟壑的宽度接近同步带轮组303半径时，变形电机3041驱动主轴2相对传动轴套3042转动，使四连杆变形机构302展开，将变形履带301展开成三角形，将机身从沟壑内撑起，在行进电机3051的驱动下使机器人按照图中a、b、c、d四个步骤越过沟壑障碍。

本发明的轮履复合变形履带机器人遇到突起型障碍时，可以有三种模式越过障碍。

第一种模式如图16所示，当机器人遇到普通的突起型障碍时，变形电机3041驱动主轴2相对传动轴套3042转动，使四连杆变形机构302展开，将变形履带301展开成三角形，将机身前部撑起搭于障碍之上，在行进电机3051的驱动下使机器人按照图中a、b、c、d四个步骤越过沟壑障碍。

第二种模式如图17所示，当机器人以履带模式正向前进遇到普通的突起型障碍时，变形履带301前端卡住障碍物，在行进电机3051的驱动下，翻转链轮3062通过翻转链条3063将力传递到棘轮3061上，由棘轮3061带动传动轴套3042相对主轴2转动，使变形履带轮3以障碍物接触点为支点翻转，即按图中a、b、c、d四步骤实现被动越过障碍。

第三种模式如图18所示，当机器人遇到较高的突起型障碍物时，倒退向该较高的突起型障碍物，在还未接触到障碍物时，变形电机3041驱动主轴2相对传动轴套3042转动，使四连杆变形机构302展开，将变形履带301展开成三角形，随后在行进电机3051的反向驱动下，棘轮3061工作，由棘轮3061带动传动轴套3042相对主轴2转动，使变形履带轮3以障碍物接触点为支点翻转，即按图中a、b、c、d、e、f六步骤实现主动翻转越过障碍。

如图19所示，本发明的轮履复合变形履带机器人遇到台阶型的障碍时，攀越第一级台阶的原理与跨越突起型障碍相同，之后在行进电机3051、变形履带301的共同作用下便可顺利爬上其余台阶。

上述只是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围的情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。 

Claims (4)

1.一种轮履复合变形履带机器人，包括机架（1）和装设于机架（1）上的一根主轴（2），其特征在于：所述主轴（2）两端均装设有一件可在圆形和三角形之间转换、并带有动力装置的变形履带轮（3），所述机架（1）的前后两侧均装设有一件支撑架（4），各支撑架（4）底端均装设有随动导轮（41），所述变形履带轮（3）包括变形履带（301）、同步带轮组（303）、行进动力装置（305）和用于驱动变形履带（301）变形的四连杆变形机构（302），所述同步带轮组（303）可转动的支承于主轴（2）上，所述行进动力装置（305）装设于机架（1）上、并驱动同步带轮组（303）转动，所述变形履带（301）套设于同步带轮组（303）外，所述四连杆变形机构（302）装设于同步带轮组（303）内、并与变形履带（301）内圈配合，所述机架（1）上装设有用于驱动四连杆变形机构（302）的变形动力装置（304），所述四连杆变形机构（302）包括V形架（3021）、撑板（3022）、连接片（3024）、两件下架（3023）和两件中间杆（3028），所述V形架（3021）的弯折部与变形动力装置（304）相连，所述撑板（3022）上端与主轴（2）固接，撑板（3022）下端与连接片（3024）固接，两件下架（3023）分设于连接片（3024）两侧、并与连接片（3024）铰接，两件中间杆（3028）分设于撑板（3022）两侧，各中间杆（3028）一端与V形架（3021）铰接，各中间杆（3028）另一端与下架（3023）铰接，所述下架（3023）上装设有用于与变形履带（301）内圈配合的圆柱轮（3027），所述变形动力装置（304）包括变形电机（3041）、减速传动机构和传动轴套（3042），所述变形电机（3041）和减速传动机构均装设于机架（1）上，所述变形电机（3041）的输出端与减速传动机构的输入端相连，所述传动轴套（3042）套设于主轴（2）上，传动轴套（3042）一端与所述V形架（3021）的弯折部固接，另一端与机架（1）固接，所述行进动力装置（305）包括行进电机（3051）、行进主动链轮（3052）、行进传动链条（3053）、定位套（3054）、定位螺钉和行进从动链轮（3056），所述行进主动链轮（3052）装设于行进电机（3051）输出端，所述行进从动链轮（3056）可转动的支承于所述传动轴套（3042）上，所述行进传动链条（3053）绕设于行进主动链轮（3052）和行进从动链轮（3056）上，所述定位套（3054）通过定位螺钉连接固定于行进从动链轮（3056）和同步带轮组（303）之间，所述变形履带轮（3）还包括棘轮翻转机构（306），所述棘轮翻转机构（306）包括棘轮（3061）、翻转链轮（3062）和翻转链条（3063），所述翻转链轮（3062）固设于所述行进电机（3051）的输出端，所述棘轮（3061）固设于所述传动轴套（3042）上，所述翻转链条（3063）绕设于棘轮（3061）和翻转链轮（3062）上。

2.根据权利要求1所述的轮履复合变形履带机器人，其特征在于：所述减速传动机构包括第一锥齿轮（3043）、第二锥齿轮（3044）、蜗杆轴（3045）和蜗轮（3046），所述第一锥齿轮（3043）与变形电机（3041）的输出端相接，所述第二锥齿轮（3044）装设于蜗杆轴（3045）上并与第一锥齿轮（3043）啮合，所述蜗杆轴（3045）与蜗轮（3046）啮合，所述蜗轮（3046）固设于主轴（2）上。

3.根据权利要求2所述的轮履复合变形履带机器人，其特征在于：所述变形履带（301）包括履带齿层（3011）、弹性层（3012）和同步带啮合层（3013），所述同步带啮合层（3013）固设于弹性层（3012）内圈、并与同步带轮组（303）啮合，所述履带齿层（3011）设于弹性层（3012）外圈，履带齿层（3011）中各履带齿（3014）的底部与弹性层（3012）固接。

4.根据权利要求3所述的轮履复合变形履带机器人，其特征在于：所述同步带轮组（303）包括内侧轮（3031）和外侧轮（3032），所述内侧轮（3031）通过轴承支承于传动轴套（3042）上、并通过定位螺钉与行进从动链轮（3056）连接固定，所述外侧轮（3032）通过轴承支承于主轴（2）上，所述内侧轮（3031）和外侧轮（3032）外圈均与变形履带（301）的同步带啮合层（3013）配合。