CN105460090B - 一种履带可变形机器人移动平台 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种履带可变形机器人移动平台，包括机器人本体和两个轮‑履复合模块，两个轮‑履复合模块左右对称布置在机器人本体的两侧；所述机器人本体包括箱体板、电源、电机驱动器和两个反向安装的驱动***，电源、电机驱动器和两个驱动***均安装在箱体板内，两个驱动***驱动相应的轮‑履复合模块运动；其特征在于所述轮‑履复合模块包括履带、履带驱动轮、同步带轮、从动车轮架、传动轴、主轴、第三齿轮、弹簧、主动车轮、从动车轮、主动车轮架、滑块机构、第二齿轮、第四齿轮、主动车轮轴、两个前支撑架和两个后支撑架及四个履带支撑轮；两个前支撑架通过连接架连接，两个后支撑架通过连接架连接。
Description
技术领域
本发明涉及机器人移动平台技术领域，具体为一种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，减少了机器人对传感***和控制***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。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种履带可变形机器人移动平台。该移动平台基于曲柄滑块结构，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。
本发明解决所述技术问题采用的技术方案是：提供一种履带可变形机器人移动平台，包括机器人本体和两个轮-履复合模块，两个轮-履复合模块左右对称布置在机器人本体的两侧；
所述机器人本体包括箱体板、电源、电机驱动器和两个反向安装的驱动***，电源、电机驱动器和两个驱动***均安装在箱体板内，两个驱动***驱动相应的轮-履复合模块运动；
其特征在于所述轮-履复合模块包括履带、履带驱动轮、同步带轮、从动车轮架、传动轴、主轴、第三齿轮、弹簧、主动车轮、从动车轮、主动车轮架、滑块机构、第二齿轮、第四齿轮、主动车轮轴、两个前支撑架和两个后支撑架及四个履带支撑轮；两个前支撑架通过连接架连接，两个后支撑架通过连接架连接；
所述两个前支撑架均为L形框架，在前支撑架的L形框架的长边顶点上设有履带驱动轮安装孔，通过该履带驱动轮安装孔与履带驱动轮连接，L形框架的短边处从上往下依次设有主轴安装孔和前传动轴安装孔，其中位于外侧的前支撑架下方还设有主动车轮轴安装孔，所述主轴通过轴承安装在前支撑架和机器人本体的相应安装孔上，主轴一端伸入机器人本体内，并装有第二齿轮，该第二齿轮与相应驱动***上的第一齿轮相互啮合；在两个前支撑架之间的主轴上安装有第三齿轮；所述主动车轮轴一端与主动车轮固定连接，另一端通过轴承依次安装于主动车轮架和外侧的前支撑架上的主动车轮轴安装孔上，在主动车轮架和前支撑架之间的主动车轮轴上设有同步带轮；所述主动车轮架通过连接架与外侧的前支撑架固定连接；
在后支撑架上从左至右依次设有履带支撑轮安装孔、后传动轴安装孔和滑块轴安装孔；所述传动轴通过轴承安装在两个前支撑架、两个后支撑架和主动车轮架的相应安装孔上，在两个后支撑架之间的传动轴上安装有第四齿轮和一个同步带轮，该同步带轮经同步带与履带驱动轮相连接，第四齿轮与主轴上的第三齿轮相互啮合；在外侧的后支撑架与主动车轮架之间的传动轴上设有一个同步带轮，该同步带轮经同步带与主动车轮轴上的同步带轮相连接；
四个履带支撑轮中的三个并排安装在机器人本体的箱体板上，位于移动平台的下部，另一个通过履带支撑轮安装孔安装在后支撑架的上端，四个履带支撑轮和一个履带驱动轮分布在同一个平面上，履带环绕安装在四个履带支撑轮和一个履带驱动轮上；所述从动车轮架通过螺钉安装在后支撑架上，从动车轮架下部安装有从动车轮；
所述滑块机构包括滑块轴、滑块和滑槽，所述滑槽通过螺钉固定在机器人本体的箱体板上，所述滑块轴通过轴承安装在两个后支撑架的相应滑块轴安装孔上，滑块轴靠近滑槽的一端安装有滑块，滑块伸入滑槽中并可在滑槽内左右移动；所述弹簧一端与滑块轴相连，另一端与机器人本体的箱体板相连。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1.本发明具有被动自适应能力：轮-履复合模块中的曲柄滑块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；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.本发明具有轮-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，其不需要复杂的控制算法得以实现；在平整路面，主动车轮和从动车轮接触地面，机器人移动平台以轮式运动，避免出现履带作为虚拟轮仍接触地面，与地面产生摩擦这样的问题，轮、履两种运动共用一个驱动***但却可实现不同线速度，提高了轮式运动速度。
3.本发明的曲柄滑块结构中，滑块的结构由传统的矩形改为圆柱形，从而使滑块与滑槽由面接触变为线接触，即用高副代替低副，在简化结构的同时减小了摩擦，使履带的变形更容易实现；滑槽两端装有半圆橡胶垫圈，同时具有限位和减缓冲击的作用，使移动平台两种运动模式切换更稳定。
附图说明
图1为本发明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为本发明履带可变形机器人移动平台一种实施例的机器人本体1的内部结构示意图；
图3为本发明履带可变形机器人移动平台一种实施例的轮-履复合模块2的主视结构示意图；
图4为图3轮-履复合模块2中位于外侧的前支撑架205的立体结构示意图；
图5为图3轮-履复合模块2中后支撑架204的立体结构示意图；
图6为图3轮-履复合模块2中传动机构的连接示意图；
图7为图3轮-履复合模块2中滑块机构215的分解示意图；
图8为本发明履带可变形机器人移动平台一种实施例的做履带运动的示意图；
图9为本发明履带可变形机器人移动平台滑块左限位示意图；
图10为本发明履带可变形机器人移动平台滑块右限位示意图；
图中，1-机器人本体，101-箱体板，102-电机安装架，103-第一齿轮，104-电机驱动器，105-电源，106-伺服电机，107-减速器；2-轮-履复合模块，201-履带，202-履带支撑轮，203-履带驱动轮，204-后支撑架，205-前支撑架，206-同步带轮，207-从动车轮架，208-传动轴，209-主轴，210-第三齿轮，211-弹簧，212-主动车轮，213-从动车轮，214-主动车轮架，216-第二齿轮，217-第四齿轮，218-主动车轮轴；215-滑块机构，2151-滑块轴，2152-滑块，2153-滑槽，2154-半圆橡胶垫圈；2041-履带支撑轮安装孔，2042-后传动轴安装孔，2043-滑块轴安装孔；2051-履带驱动轮安装孔，2052-主轴安装孔，2053-前传动轴安装孔，2054-主动车轮轴安装孔。
具体实施方式
下面结合实施例及其附图对本发明做进一步描述。实施例是以本发明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。
本发明履带可变形机器人移动平台(简称移动平台，参见图1-10)包括机器人本体1和两个轮-履复合模块2，两个轮-履复合模块2左右对称布置在机器人本体1的两侧；
所述机器人本体1(参见图2)包括箱体板101、电源105、电机驱动器104和两个反向安装的驱动***，电源105、电机驱动器104和两个驱动***均安装在箱体板101内，两个驱动***驱动相应的轮-履复合模块2运动；每个驱动***包括伺服电机106、减速器107、电机安装架102和第一齿轮103，所述伺服电机106输出轴与减速器107的输入端相连接，并通过电机安装架102安装在箱体板101内，第一齿轮103安装在减速器107的输出端上；
所述轮-履复合模块2(参见图3-7)包括履带201、履带驱动轮203、同步带轮206、从动车轮架207、传动轴208、主轴209、第三齿轮210、弹簧211、主动车轮212、从动车轮213、主动车轮架214、滑块机构215、第二齿轮216、第四齿轮217、主动车轮轴218、两个前支撑架205和两个后支撑架204及四个履带支撑轮202；两个前支撑架205通过连接架连接，两个后支撑架204通过连接架连接；
所述两个前支撑架205(参见图4)均为L形框架，在前支撑架205的L形框架的长边顶点上设有履带驱动轮安装孔2051，通过该履带驱动轮安装孔与履带驱动轮203连接，L形框架的短边处从上往下依次设有主轴安装孔2052和前传动轴安装孔2053，其中位于外侧的前支撑架205下方还设有主动车轮轴安装孔2054，所述主轴209通过轴承安装在前支撑架205和机器人本体1的相应安装孔上，主轴一端伸入机器人本体1内，并装有第二齿轮216，该第二齿轮216与减速器107上的第一齿轮103相互啮合；在两个前支撑架205之间的主轴209上安装有第三齿轮210；所述主动车轮轴218一端与主动车轮212固定连接，另一端通过轴承依次安装于主动车轮架214和外侧的前支撑架205上的主动车轮轴安装孔2054上，在主动车轮架214和前支撑架205之间的主动车轮轴218上设有同步带轮；所述主动车轮架214通过连接架与外侧的前支撑架205固定连接；
在后支撑架204(参见图5)上从左至右依次设有履带支撑轮安装孔2041、后传动轴安装孔2042和滑块轴安装孔2043；所述传动轴208通过轴承安装在两个前支撑架205、两个后支撑架204和主动车轮架214的相应安装孔上(参见图6)，在两个后支撑架204之间的传动轴208上安装有第四齿轮217和一个同步带轮206，该同步带轮206经同步带与履带驱动轮203相连接，第四齿轮217与主轴上的第三齿轮210相互啮合；在外侧的后支撑架204与主动车轮架214之间的传动轴208上设有一个同步带轮206，该同步带轮经同步带与主动车轮轴218上的同步带轮相连接；
四个履带支撑轮202中的三个并排安装在机器人本体1的箱体板101上，位于移动平台的下部，另一个通过履带支撑轮安装孔2041安装在后支撑架204的上端，四个履带支撑轮202和一个履带驱动轮203分布在同一个平面上，履带201环绕安装在四个履带支撑轮202和一个履带驱动轮203上，使得履带201的外轮廓为倒梯形(参见图3)；所述从动车轮架207通过螺钉安装在后支撑架204上，从动车轮架207下部安装有从动车轮213；
所述滑块机构215(参见图7)包括滑块轴2151、滑块2152和滑槽2153，所述滑槽2153通过螺钉固定在机器人本体1的箱体板101上，所述滑块轴2151通过轴承安装在两个后支撑架204的相应滑块轴安装孔2043上，滑块轴2151靠近滑槽2153的一端安装有滑块2152，滑块2152伸入滑槽2153中并可在滑槽2153内左右移动；所述弹簧211一端与滑块轴2151相连，另一端与机器人本体1的箱体板101相连。
本发明的进一步特征在于所述滑块2152为圆柱形，且与滑槽2153的上侧或下侧内表面保持线接触，在简化结构的同时还减小了滑块机构的摩擦，使履带的变形更容易实现。
本发明的进一步特征在于所述滑槽2153内的两端均装有半圆橡胶垫圈2154(参见图7)，半圆橡胶垫圈2154对滑块2152在滑槽2153中的左右移动起限位作用，从而约束履带201的变形(参见图9、图10)；同时由于橡胶具有弹性，可减缓滑块2152到达行程终点时的冲击，使移动平台移动更稳定。
本发明所述的履带可变形机器人移动平台中，曲柄滑块结构是指由曲柄、连杆和滑块机构215组成的结构，其中两个前支撑架205通过主轴209与机器人本体1相铰接，两个前支撑架205与两个后支撑架204通过传动轴208相铰接，两个前支撑架205位于两铰接处的部分作为前述曲柄滑块结构中的曲柄；两个后支撑架204位于传动轴208和滑块机构215之间的部分为前述曲柄滑块结构中的连杆；滑块机构215即为曲柄滑块结构中的滑块。
本发明中由传动轴208、主轴209、主动车轮轴218及其上的齿轮和同步带轮组成的传动结构为移动平台的传动机构(参见图6)。本发明滑槽2153内的凹槽形状与滑块2152的规格尺寸相配合，且滑块能在滑槽内左右移动。
本发明的工作原理及工作过程为：在平整路面上行走时，移动平台做轮式运动(参见图3)，主动车轮212和从动车轮213与地面接触，并由主动车轮212驱动移动平台实现前进、转弯等运动，此时履带201空转；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201上，使所述曲柄滑块结构发生变形，即前支撑架205和安装在其上面的构件绕着主轴209逆时针转动一定角度，滑块2152沿着滑槽2154移动一定距离，弹簧211拉伸并产生恢复力，从而后支撑架204以及位于其上的履带支撑轮202和前支撑架205上的履带驱动轮203均抬高，主动车轮212和从动车轮213抬起，此时履带201接触地面，移动平台做履带式运动，并能翻越高于自身的障碍物(参见图8)；当履带201的前部脱离障碍后，在弹簧211的作用下各构件恢复到初始位置，从而移动平台又恢复到轮式运动。
如图9、图10分别为滑块2152左、右两个限位位置，左限位位置时，移动平台做轮式运动模式，右限位位置时，移动平台做履带式运动模式；在滑槽2154中安装有两半圆橡胶垫圈2153，可起到限位和减缓冲击的作用，使两种运动模式切换更平滑，移动平台行进更稳定。
本发明具有被动自适应的能力，轮、履两运动模式切换不需要人为干预，大大减小了其对于传感***和控制***的依赖程度，增强对环境的适应能力；在轮式运动时，主动车轮和从动车轮同时与地面接触，避免了履带与地面的线接触，提高了移动平台的行进速度和可靠性。
本发明未尽之处适用于现有技术。
Claims (3)
1.一种履带可变形机器人移动平台，包括机器人本体和两个轮-履复合模块，两个轮-履复合模块左右对称布置在机器人本体的两侧；
所述机器人本体包括箱体板、电源、电机驱动器和两个反向安装的驱动***，电源、电机驱动器和两个驱动***均安装在箱体板内，两个驱动***驱动相应的轮-履复合模块运动；
其特征在于所述轮-履复合模块包括履带、履带驱动轮、同步带轮、从动车轮架、传动轴、主轴、第三齿轮、弹簧、主动车轮、从动车轮、主动车轮架、滑块机构、第二齿轮、第四齿轮、主动车轮轴、两个前支撑架和两个后支撑架及四个履带支撑轮；两个前支撑架通过连接架连接，两个后支撑架通过连接架连接；
所述两个前支撑架均为L形框架，在前支撑架的L形框架的长边顶点上设有履带驱动轮安装孔，通过该履带驱动轮安装孔与履带驱动轮连接，L形框架的短边处从上往下依次设有主轴安装孔和前传动轴安装孔，其中位于外侧的前支撑架下方还设有主动车轮轴安装孔，所述主轴通过轴承安装在前支撑架和机器人本体的相应安装孔上，主轴一端伸入机器人本体内，并装有第二齿轮，该第二齿轮与相应驱动***上的第一齿轮相互啮合；在两个前支撑架之间的主轴上安装有第三齿轮；所述主动车轮轴一端与主动车轮固定连接，另一端通过轴承依次安装于主动车轮架和外侧的前支撑架上的主动车轮轴安装孔上，在主动车轮架和前支撑架之间的主动车轮轴上设有同步带轮；所述主动车轮架通过连接架与外侧的前支撑架固定连接；
在后支撑架上从左至右依次设有履带支撑轮安装孔、后传动轴安装孔和滑块轴安装孔；所述传动轴通过轴承安装在两个前支撑架、两个后支撑架和主动车轮架的相应安装孔上，在两个后支撑架之间的传动轴上安装有第四齿轮和一个同步带轮，该同步带轮经同步带与履带驱动轮相连接，第四齿轮与主轴上的第三齿轮相互啮合；在外侧的后支撑架与主动车轮架之间的传动轴上设有一个同步带轮，该同步带轮经同步带与主动车轮轴上的同步带轮相连接；
四个履带支撑轮中的三个并排安装在机器人本体的箱体板上，位于移动平台的下部，另一个通过履带支撑轮安装孔安装在后支撑架的上端，四个履带支撑轮和一个履带驱动轮分布在同一个平面上，履带环绕安装在四个履带支撑轮和一个履带驱动轮上；所述从动车轮架通过螺钉安装在后支撑架上，从动车轮架下部安装有从动车轮；
所述滑块机构包括滑块轴、滑块和滑槽，所述滑槽通过螺钉固定在机器人本体的箱体板上，所述滑块轴通过轴承安装在两个后支撑架的相应滑块轴安装孔上，滑块轴靠近滑槽的一端安装有滑块，滑块伸入滑槽中并可在滑槽内左右移动；所述弹簧一端与滑块轴相连，另一端与机器人本体的箱体板相连。
2.根据权利要求1所述的履带可变形机器人移动平台，其特征在于所述滑块为圆柱形，且与滑槽的上侧或下侧内表面保持线接触。
3.根据权利要求1或2所述的履带可变形机器人移动平台，其特征在于所述滑槽内的两端均装有半圆橡胶垫圈。
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2015
- 2015-12-16 CN CN201510943632.6A patent/CN105460090B/zh active Active
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