CN104044658A - 一种新型轮腿复合式移动机器人行走机构 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种在林区、市区、建筑物内等复杂自然环境下具备较好环境适应性、越障能力的轮腿复合式移动机器人的行走机构，该机构由一个三腿轮盘和三个小轮组成，小轮布置在轮盘腿的末端；采用单电机双模式多轮驱动的结构，通过离合器及内外轴实现双模式变换驱动，通过一个锥齿轮同时驱动三个齿轮轴的结构实现多轮同驱，整体结构紧凑，便于控制。该机构融合了轮式机构和腿式机构的优点，可以根据不同路面情况，变换运动形式，在平稳路面采用轮式运动实现远距离高速移动，在复杂路面采用腿式运动，可以跨越树枝、石块、阶梯、沟槽等各类障碍物。

Description

一种新型轮腿复合式移动机器人行走机构

技术领域

本发明为具有高越障能力的移动机器人行走机构，属于机器人技术和自动化领域，该机构既能实现轮式机构的快速移动功能，又有腿式机构的高越障能力，同时具有结构紧凑、易于控制等特点。

背景技术

随着对移动机器人的深入研究，对机器人的越障能力及地面通过性提出了更高要求，以使其适应各种复杂路面情况。目前主要采用的运动方式有轮式、腿式、履带式以及复合式。轮式机构运动平稳、能在平坦路面高速运动，但其越障能力有限；腿式机构具有较强的越障能力，但其结构稳定性较差、且难于控制；履带式机构支撑面积大，接地比压小，在松软或泥泞地面附着性能和通过性能好，但功耗较大。复合式机构为近年移动机器人的研究热点，通过将不同移动方式复合，达到取长补短的目的，增强机器人的地面适应性和机动性。

以林区综合应用为背景，林区环境复杂多变，障碍物、复杂地形遍布，这就要求在林区中使用的机器人必须有很强的越障能力及机动性。

发明内容

本发明提出了一种在林区、市区、建筑物内等复杂自然环境下具备较好环境适应性、越障能力的轮腿复合式移动机器人的行走机构，该机构融合了轮式机构和腿式机构的优点，可以根据不同路面情况，变换运动形式，在平稳路面采用轮式运动实现远距离高速移动，在复杂路面采用腿式运动，可以跨越树枝、石块、阶梯、沟槽等各类障碍物。

本发明采用的设计方案是：整个行走机构分为4个对称分布的轮-腿复合轮组成，单个复合轮为一个运动单元，每个运动单元由一个三腿轮盘和三个小轮组成，小轮布置在轮盘腿的末端，由电机经过三级齿轮减速及增速来驱动，轮盘由电机经过一级齿轮减速并通过离合器闭合来驱动，通过小轮的转动来实现轮式快速移动，利用轮盘的转动来实现腿式跨越运动。每个运动单元，采用了小体积、轻重量、大输出扭矩的DC电机经减速器输出至主传动轴来驱动。该行走机构具有与一般轮式移动机器人的相同的高速直线运动、转向、爬坡等功能，又具有腿式机构的高越障性、适应性和机动性。

为满足单电机双模式驱动，设计中采用电磁离合器结合内外轴的结构形式，动力在主传动轴上通过离合器的离合分别驱动内外轴，离合器闭合时，动力传输到轮盘，驱动轮盘转动实现越障，离合器分离时动力经内轴通过二级锥齿轮传动驱动小轮旋转运动。为实现一个电机驱动三个小轮，设计中采用一个大齿轮同时啮合三个小齿轮的结构形式。

为实现越障时的高扭矩要求，驱动主传动轴时采用较大减速比降低转速以提高驱动力矩，增强其越障能力；小轮要求具有较高转速来实现快速移动，而本设计只采用单个电机，因此在主轴处于较低转速的情况下，采用较高速比的二级锥齿轮加速来实现小轮高速转动。由于小轮处于轮盘腿末端，轮盘转动进行越障时需要防止小轮转动的干扰，采用将驱动小轮的中转轴嵌入轮盘腿中，保证了轮盘转动时小轮的驱动齿轮保持相对静止状态，以约束小轮的转动。

本发明机构融合了移动机器人腿式机构和轮式机构的优点，具有快速移动、高越障性能、高机动性等特点，可以根据不同道路情况，采用不同运动形式，环境适应性强。而且，采用单电机通过电磁离合器结合内外轴结构实现双模式驱动，减少电机使用量，易于控制。

附图说明

图1是行走机构外形图

图2(a)是行走机构结构示意主视图；图2(b)为行走机构结构示意左视图

图3是行走机构传动原理图

图4是离合器内外轴传动结构图

图5是一驱三齿轮传动结构图

以下是说明书附图中各项内容的具体说明：

1.小轮  2.三腿轮盘  3.离合器内外轴驱动机构  4.换向齿轮箱5.电机  6.减速器  7.一级锥齿轮  8.主驱动轴  9.齿轮轴  10.一级圆柱小齿轮  11.一级圆柱大齿轮  12.二级大锥齿轮  13.二级小锥齿轮14.机架  15.键  16.轮盘盖

具体实施方式

整个行走机构分为4个对称分布的轮-腿复合轮组成，每个复合轮由小轮1、三腿轮盘2、离合器内外轴驱动机构3组成。三腿轮盘末端装有换向齿轮箱4，小轮与齿轮箱输出轴相连，可以绕其转动；三个小轮呈120°均匀分布在轮盘上，运动时其中两个与地面接触。机构驱动由电机5经减速器6传动至驱动轴8，再经锥齿轮7及齿轮轴9传输至齿轮箱。

行走机构运动由电机、减速器、离合器、齿轮组成，本设计采用单个电机双模式多轮驱动方式，可以减少电机使用量，使结构紧凑，并且降低控制难度。电机5通过集成减速器6，经一级圆柱齿轮10和11减速传入主驱动轴(内轴)8，驱动轴上装有离合器(外轴)3，离合器断开时，驱动动力经内轴通过锥齿轮7换向加速传动至中转齿轮轴9，再经由锥齿轮12和13再次换向加速传输至小轮，驱动其旋转；离合器闭合时动力传输至三腿轮盘2，轮盘与换向齿轮箱4连接，带动整个机构旋转。

本设计采用离合器内外轴双模式驱动，其中离合器采用电磁式离合器方便控制，离合器3的左半部分通过键与主驱动轴(内轴)8连接，跟随轴一起转动，离合器3采用螺钉17与机架14连接起到离合器轴向固定作用，右半部分(外轴)通过键15以及紧定螺钉与轮盘盖16连接，轮盘盖则通过螺栓与轮盘2相连，齿轮轴9安装在轮盘内部，可跟随轮盘一起转动。动力经齿轮11传入主驱动轴后，通过离合器的离合来分离控制，离合器分开时，动力经内轴通过锥齿轮7输入齿轮轴9，从而带动小车轮转动；离合器闭合时，动力传输到离合器右半部分(外轴)，通过键连接及螺栓链接驱动轮盘转动，由于小轮处于轮盘腿末端，轮盘转动进行越障时需要防止小轮转动的干扰，采用将驱动小轮的中转齿轮轴9嵌入轮盘腿中，跟随轮盘一起转动，从而使锥齿轮7与齿轮轴9处于相对静止状态，以约束小轮的转动。为实现多轮驱动，采用一个锥齿轮7，同时驱动三个齿轮轴9的结构形式。

Claims (6)

1.一种轮腿复合式行走机构，其特征在于：该行走机构在机器人上对称布置，由四个相同的轮腿复合轮组成，每个复合轮为一个运动单元；每个运动单元包括一个三腿轮盘和三个小车轮；每个运动单元采用单个电机驱动，通过内外轴及离合器分别控制小轮转动行驶和轮盘旋转越障，在越障性能方面表现突出。

2.如权利要求1所述的机器人其特征在于：具有轮式快速运动、腿式越障运动两种运动模式；利用小车轮旋转可以实现机器人长距离快速高效的运动要求；利用轮盘腿的旋转，产生腿式的跨越越障运动，可以实现跨越树枝、石块、楼梯、沟槽等各类障碍物。

3.如权利要求1所述的机器人采用了一种通过离合器实现的内外轴传动机构，其特征在于：采用单个电机驱动实现两个运动；离合器闭合时，动力传输到轮盘，驱动轮盘转动实现越障，离合器分离时动力经内轴通过二级锥齿轮传动驱动小轮旋转运动。

4.如权利要求1、3所述的机器人结构，其特征在于：采用一驱多的齿轮传动结构形式，可以实现单电机多轮驱动。

5.如权利要求1、3所述的机器人结构，其特征在于：采用先减速后加速的传动比设置，既能满足越障时的高扭矩要求，又能满足小轮移动的高速度要求。

6.如权利要求1、3所述的机器人结构，其特征在于：由于小轮处于轮盘腿末端，轮盘转动进行越障时需要防止小轮转动的干扰，采用将驱动小轮的中转轴嵌入轮盘腿中，保证了轮盘转动时小轮的驱动齿轮保持相对静止状态，以约束小轮的转动。