CN105383586B - 轮履腿复合式移动机器人 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种轮履腿复合式移动机器人，包括车架、履带臂、支撑腿、轮式升降机构，其中：履带臂通过内轴和外轴与车架相连接，四套履带臂对称分布于车架的四角；支撑腿通过支撑腿传动轴和车架相连接，两条支撑腿对称分布于车架的前后；轮式升降机构通过连接板与车架相连接，轮式升降机构设置在车架中部。本发明通过电机驱动履带臂、支撑腿和轮式升降机构运动，使机器人具有不同姿态，实现轮、履、腿复合运动方式，在越障能力上有很大提升。

Description

轮履腿复合式移动机器人

技术领域

本发明涉及一种移动机器人领域的装置，具体地，涉及一种轮履腿复合式移动机器人。

背景技术

随着社会的发展和科技的进步，机器人的智能化程度越来越高，在复杂环境下的使用也越来越多。移动机器人作为机器人学中的一个重要分支，在侦查、巡视、警戒、扫雷排险等危险与恶劣环境中有着广泛的应用。但在实际应用中仍有许多问题需要解决，对移动机器人来说，在非结构化环境中长久生存和稳定工作是一个巨大考验，特别是当机器人无法避开障碍物或复杂地形，而是要跨越或适应复杂环境时，越障能力对机器人来说就显得更加重要。

轮式机器人具有结构简单、控制方便、运动灵活等优点，但其地形适应能力一般，越障能力有限，无法跨越沟壑、台阶等障碍。腿式机器人是根据仿生学原理设计，腿式机构能满足特殊的要求，适应环境能力较强，但是也存在机构繁多、控制复杂、运动缓慢、制造困难等缺点。履带式机器人相对轮式机器人有更好的越障能力，更强的环境的适应能力，相对腿式机器人有更简洁的机构和更好的稳定性，但是履带式机器人机构重量大、能耗高、运行效率低、装配维护困难。复合式机器人则是将上述三种基本结构进行组合，形成轮腿式、轮履式、轮履腿式等。

查找相关文献可知，近年来也有很多关于地面移动机器人的研究，例如瑞士洛桑联邦理工学院研制的一款六轮SHrimp六轮移动机器人，日本东京工业大学的TITAN-VIII行走机器人以及美国iRobot公司的履带式机器人PackBot等，但是这些机器人都不能很好地体现轮履腿复合式移动机器人的优点，在运动能力、越障能力和灵活性上仍有缺陷。

中国专利号：201210126986.8，发明名称“轮履腿复合式移动机器人”，其基本结构由两条主履带、两条前摆臂履带、两条后摆臂履带和车体组成；所述前摆臂履带和后摆臂履带的两端分别通过履带轴与车体及主履带活动连接形成平行四边形传动机构并置于车体的两侧；所述后摆臂履带的履带轴与驱动装置传动连接；并通过动力传递实现前、后摆臂履带架的转动。

上述发明的执行机构都是由履带构成，结构复杂，重量大，整个机器人再运动过程中过于笨重，且运动模式的切换都是基于平行四边形结构的运动，在遇到复杂地形时模式转换较简单，没有严格意义上的轮式机构和腿式机构，从而无法正真体现轮式运动简易、轻巧和腿式运动的灵活、多变的优点。

发明内容

针对现有技术中的不足，本发明提供一种轮履腿复合式移动机器人，具有轮式、履带式和腿式机器人的优点，能进行轮履腿复合式运动，在运动能力、越障能力和灵活性上有很大提升，适用于多种场合。

为实现以上目的，本发明提供的一种轮履腿复合式移动机器人，包括车架、履带臂、支撑腿、轮式升降机构四部分，其中：

所述履带臂至少四套，四套履带臂对称分布于车架的四角，四套履带臂分别通过内轴和外轴与车架相连接；内轴和外轴位于同一轴线，按照内外轴嵌套的方式对称分布于车架的四角；

所述支撑腿至少两条，支撑腿对称分布于车架的前后，支撑腿分别通过车架中的支撑腿传动轴和车架相连接；

所述轮式升降机构设置在车架中部，轮式升降机构通过连接板与车架相连接；

所述车架作为履带臂、支撑腿、轮式升降机构的载体；所述车架包括车架主体、步进电机、滑轨装置、四个直流电机、两个行星齿轮减速电机、两个蜗轮蜗杆减速电机、两个支撑腿传动轴，其中：步进电机固定在车架主体上并与轮式升降机构连接，步进电机用于驱动轮式升降机构进行上升和下降运动；滑轨装置与步进电机连接，滑轨装置用于在轮式升降机构上升和下降运动时起到导向作用；四个直流电机对称分布于车架的四角并分别通过内轴与四套履带臂连接，用于驱动四套履带臂进行转动；两个行星齿轮减速电机安装在车架主体上，两个支撑腿传动轴与两个行星齿轮减速电机连接，两个行星齿轮减速电机用于驱动两个支撑腿传动轴；两个蜗轮蜗杆减速电机安装在车架主体上并位于两个行星齿轮减速电机的内侧，两个蜗轮蜗杆减速电机通过外轴与两侧的履带臂连接，用于将运动传递到四个履带臂，驱动四个履带臂进行摆动；

所述车架中的电机分别驱动履带臂、支撑腿和轮式升降机构运动，使所述机器人具有不同姿态，实现轮、履、腿复合运动方式，提升所述机器人的越障能力。

优选地，所述车架主体采用两个长角铝平行布置构成，步进电机固定在两个长角铝的中部并与轮式升降机构连接，两个行星齿轮减速电机分别安装在两个长角铝的前、后位置，两个蜗轮蜗杆减速电机一前一后分别安装固定在两个长角铝中间并位于两个行星齿轮减速电机的内侧。

优选地，每套所述履带臂均包括两块履带板、驱动轮、三个从动轮、履带、张紧装置，其中：两块履带板均为竖直方向对称的四边形结构；三个从动轮通过轴承和轴固定在两块履带板之间；履带包裹住一个驱动轮和三个从动轮；张紧装置固定在两块履带板之间，用于调节驱动轮和对角从动轮的距离以达到张紧履带的作用。

更优选地，车架中的直流电机通过内轴与驱动轮连接固定，直流电机转动并驱动驱动轮运动，驱动轮通过履带将动力传递给三个从动轮，履带顺利转动，从而实现所述机器人的履带式运动模式。

优选地，每条所述支撑腿均包括两块支撑板和一个从动支撑轮，其中：从动支撑轮安装于两块支撑板中间；两块支撑板连接于车架中的支撑腿传动轴上，从而实现支撑腿与车架的连接。

更优选地，车架中的前、后两个行星齿轮减速电机的运动分别带动两条支撑腿传动轴运动，与支撑腿传动轴连接的支撑板与从动支撑轮随之运动，从而实现对两个支撑腿的驱动，进而实现所述机器人的腿式运动模式。

优选地，所述轮式升降机构包括连接板、车轮驱动装置、两个车轮、两个万向轮，其中：连接板固定于车架主体上，车架中的步进电机固定于连接板上；车轮驱动装置的前后两侧连接滑轨装置以顺利实现上下运动的导向，车轮驱动装置的左右两侧连接两个车轮，用于驱动两个车轮运动；两个万向轮对称安装在轮式升降机构的底部，并与两个车轮形成对称四边形结构。

更优选地，路况较平时，通过车架中的两个蜗轮蜗杆减速电机和前、后两个行星齿轮减速电机的运动分别将履带臂和支撑腿分别举起，车架中的步进电机转动使轮式升降机构下降到一个合适的位置，利用车轮驱动装置驱动两个车轮运动，配合两个万向轮实现所述机器人的轮式运动模式。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

本发明的轮履腿复合式移动机器人通过将轮式、履带式和腿式运动方式相结合，克服了纯轮式适应地形能力一般，越障能力有限，纯履带式机器人速度慢、功耗大的以及纯腿式机器人机构繁多、控制复杂、运动缓慢等缺点，使机器人能够实现轮履腿复合式运动，既保持该机器人非常高的地形适应性和通过性，又能保证其较快的行驶速度，在运动能力、越障能力和灵活性上有很大提高。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明一较优实施例的整体结构示意图；

其中：车架1，履带臂2，支撑腿3，轮式升降机构4，步进电机5，行星齿轮减速电机6，蜗轮蜗杆减速电机7，滑轨装置8，长角铝9，支撑腿传动轴10，履带板11，驱动轮12，从动轮13，履带14，张紧装置15，支撑板16，从动支撑轮17，连接板18，车轮驱动装置19，车轮20，万向轮21。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

如图1所示，一种轮履腿复合式移动机器人，包括：车架1、履带臂2、支撑腿3、轮式升降机构4，其中：所述车架1作为履带臂2、支撑腿3、轮式升降机构4的载体；四套所述履带臂2对称分布于车架1的四角，履带臂2通过内轴和外轴与车架1相连接；两条所述支撑腿3对称分布于车架1的前后，支撑腿3通过支撑腿传动轴10和车架1相连接；所述轮式升降机构4设置在车架1中部，轮式升降机构4通过连接板18与车架1相连接；

通过电机驱动履带臂2、支撑腿3和轮式升降机构4运动，使机器人具有不同姿态，实现轮履腿复合运动方式，在越障能力上有很大提升。

在一实施例中，所述车架1包括步进电机5、两个行星齿轮减速电机6、两个蜗轮蜗杆减速电机7、滑轨装置8、两个长角铝9、两个支撑腿传动轴10和四个直流电机，其中：

两个长角铝9平行布置构成车架1的主体；步进电机5固定在车架1中部，用于驱动轮式升降机构4进行上升和下降运动；滑轨装置8和步进电机5连接，用于在轮式升降机构4上升和下降运动的时候起到导向作用；两个行星齿轮减速电机6分别安装在两个长角铝9的前后位置，两个支撑腿传动轴10分别和两个行星齿轮减速电机6连接，两个行星齿轮减速电机6用于分别驱动两个支撑腿传动轴10；两个蜗轮蜗杆减速电机7一前一后夹在两个长角铝9中间并相互固定，两个蜗轮蜗杆减速电机7分别通过外轴与前后两侧的履带臂2连接，用于将运动传递到四个履带臂2，驱动四个履带臂2进行摆动；四个直流电机对称分布于车架1的四角并分别通过内轴与四套履带臂2连接，用于驱动四套履带臂2进行转动。

在一实施例中，每套所述履带臂2均包括两块履带板11、驱动轮12、三个从动轮13、履带14、张紧装置15，其中：两块履带板11均为竖直方向对称的四边形结构；三个从动轮13通过轴承和轴固定在两块履带板11之间；张紧装置15通过螺栓固定在两块履带板11之间，用于调节驱动轮12和对角从动轮13的距离以达到张紧履带14的作用；履带14包裹住驱动轮12与三个从动轮13；直流电机转动并驱动驱动轮12运动，驱动轮12的动力通过履带14传递给三个从动轮13，履带14顺利转动，从而可以实现机器人的履带式运动模式。

在一实施例中，每条所述支撑腿3均包括两块支撑板16和一个从动支撑轮17，其中：从动支撑轮17固定于两块支撑板16中间；两块支撑板16连接于车架1中的支撑腿传动轴10上；两个行星齿轮减速电机6的运动通过支撑腿传动轴10将动力传递到两个支撑腿3上，从而实现对两个支撑腿3的驱动，进而实现机器人的腿式运动模式。

在一实施例中，所述轮式升降机构4包括连接板18、车轮驱动装置19、两个车轮20、两个万向轮21，其中：轮式升降机构4通过连接板18和车架1连接；车架1中的步进电机5固定于连接板18上；车轮驱动装置19的前后两侧连接滑轨装置8以顺利实现上下运动的导向，车轮驱动装置19的左右两侧连接两个车轮20，用于驱动两个车轮20运动；两个万向轮21对称安装在轮式升降机构4的底部，并与两个车轮20形成对称四边形结构；步进电机5转动使轮式升降机构4下降到一个合适的位置，利用车轮驱动装置19驱动两个车轮20运动，并配合两个万向轮21实现机器人的轮式运动模式。

在一实施例中，通过所述轮式升降机构4的运动、所述履带臂2的转动以及所述支撑腿3的摆动可以实现轮式、履带式和腿式运动模式的切换，实现轮、履、腿复合式运动，使机器人在运动能力、越障能力和灵活性上有很大提高；具体实现方式为：

当路况较好、地面平整时，通过两个蜗轮蜗杆减速电机和前、后两个行星齿轮减速电机6的运动分别将履带臂2和支撑腿3分别举起，车架1上的步进电机5转动使轮式升降机构4下降到一个合适的位置，利用轮式升降机构4上的车轮驱动装置19驱动两个车轮20运动，并配合两个万向轮21实现所述机器人的轮式运动模式；

当路况较差、路面不平时，通过步进电机5将轮式升降机构4升起，同时利用车架1中的前、后两个行星齿轮减速电机6的运动分别举起两条支撑腿3，然后分布于车架1前、后的蜗轮蜗杆减速电机7能使履带臂2摆动到合适位置，分布于车架1四角的直流电机则能带动履带臂2转动，从而实现所述机器人的履带式运动；

当路面崎岖或有较大的障碍物时，可以利用车架1前、后的蜗轮蜗杆减速电机7将履带臂2举起，同时利用步进电机5将轮式升降机构4升起，通过车架1前、后两个行星齿轮减速电机6驱动两条支撑腿3运动和越障，从而实现所述机器人的腿式运动模式。

本发明在结构上包括了轮式机构、履带式机构和腿式机构，在结构上层次分明、重量较小，控制上简单高效，性能上稳定可靠，可根据不同的情况，切换不同的运动模式，实现轮式、履带式、腿式以及复合式运动模式的优点。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (4)

1.一种轮履腿复合式移动机器人，其特征在于，包括车架、履带臂、支撑腿和轮式升降机构，其中：

所述履带臂至少四套，四套履带臂对称分布于车架的四角，四套履带臂分别通过内轴和外轴与车架相连接；内轴和外轴位于同一轴线，按照内外轴嵌套的方式对称分布于车架的四角；

所述支撑腿至少两条，支撑腿对称分布于车架的前后，支撑腿分别通过车架中的支撑腿传动轴和车架相连接；

所述轮式升降机构设置在车架中部，轮式升降机构通过连接板与车架相连接；

所述车架作为履带臂、支撑腿、轮式升降机构的载体；所述车架包括车架主体、步进电机、滑轨装置、四个直流电机、两个行星齿轮减速电机、两个蜗轮蜗杆减速电机、两个支撑腿传动轴，其中：步进电机固定在车架主体上并与轮式升降机构连接，步进电机用于驱动轮式升降机构进行上升和下降运动；滑轨装置与步进电机连接，滑轨装置用于在轮式升降机构上升和下降运动时起到导向作用；四个直流电机对称分布于车架的四角并分别通过内轴与四套履带臂连接，用于驱动四套履带臂进行转动；两个行星齿轮减速电机安装在车架主体上，两个支撑腿传动轴与两个行星齿轮减速电机连接，两个行星齿轮减速电机用于驱动两个支撑腿传动轴；两个蜗轮蜗杆减速电机安装在车架主体上并位于两个行星齿轮减速电机的内侧，两个蜗轮蜗杆减速电机通过外轴与两侧的履带臂连接，用于将运动传递到四个履带臂，驱动四个履带臂进行摆动；

所述车架中的电机分别驱动履带臂、支撑腿和轮式升降机构运动，使所述机器人具有不同姿态，实现轮、履、腿复合运动方式，提升所述机器人的越障能力；

每套所述履带臂均包括两块履带板、驱动轮、三个从动轮、履带、张紧装置，其中：两块履带板均为竖直方向对称的四边形结构；三个从动轮通过轴承和轴固定在两块履带板之间；履带包裹住一个驱动轮和三个从动轮；张紧装置固定在两块履带板之间，用于调节驱动轮和对角从动轮的距离以达到张紧履带的作用；

车架中的直流电机通过内轴与驱动轮连接固定，直流电机转动并驱动驱动轮运动，驱动轮通过履带将动力传递给三个从动轮，履带顺利转动，从而实现所述机器人的履带式运动模式；

所述轮式升降机构包括连接板、车轮驱动装置、两个车轮、两个万向轮，其中：连接板固定于车架主体上，车架中的步进电机固定于连接板上；车轮驱动装置的前后两侧连接滑轨装置以顺利实现上下运动的导向，车轮驱动装置的左右两侧连接两个车轮，用于驱动两个车轮运动；两个万向轮对称安装在轮式升降机构的底部，并与两个车轮形成对称四边形结构；路况较平时，通过车架中的两个蜗轮蜗杆减速电机和两个行星齿轮减速电机的运动将履带臂和支撑腿分别举起，车架中的步进电机转动使轮式升降机构下降到一个合适的位置，利用车轮驱动装置驱动两个车轮运动，配合两个万向轮实现所述机器人的轮式运动模式。

2.根据权利要求1所述的一种轮履腿复合式移动机器人，其特征在于，所述车架主体采用两个长角铝平行布置构成，步进电机固定在两个长角铝的中部并与轮式升降机构连接，两个行星齿轮减速电机分别安装在两个长角铝的前、后位置，两个蜗轮蜗杆减速电机一前一后分别安装固定在两个长角铝中间并位于两个行星齿轮减速电机的内侧。

3.根据权利要求1所述的一种轮履腿复合式移动机器人，其特征在于，每条所述支撑腿均包括两块支撑板和一个从动支撑轮，其中：从动支撑轮安装于两块支撑板中间；两块支撑板连接于车架中的支撑腿传动轴上，从而实现支撑腿与车架的连接。

4.根据权利要求3所述的一种轮履腿复合式移动机器人，其特征在于，车架中的前、后两个行星齿轮减速电机的运动分别带动两条支撑腿传动轴运动，与支撑腿传动轴连接的支撑板与从动支撑轮随之运动，从而实现对两个支撑腿的驱动，进而实现所述机器人的腿式运动模式。