CN105905178B - 一种多功能越障机器人 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种多功能越障机器人，包括车架；驱动电机，其固定在车架上；行星轮组，包括驱动行星轮组和从动行星轮组，所述驱动行星轮组对称布设在车架前端两侧，由驱动电机驱动；所述从动行星轮组对称安装在车架后端两侧，其随驱动行星轮组同步运动，其中，所述驱动行星轮组包括：内行星架、太阳齿轮、行星齿轮、中心链轮、多个行星链轮、链条和行进轮，将电机动力传输至行进轮。本发明的越障机器人能够根据不同的越障阻力，智能调节驱动电机的输出扭矩从而保证越障机器人顺利越障。

Description

一种多功能越障机器人
技术领域
本发明涉及一种越障机器人。更具体地说，本发明涉及一种装配行星轮系的多功能越障机器人。
背景技术
近年来科技不断发展，人民生活水平日益提高，但是人类对自然灾害等特殊情况的侦查、救援还存在着很多的问题。地震等自然灾害因其本身的突发性等特征难以被预测，因此加强灾后救援力度就显得尤为重要了。目前存在的具有一定越障功能的陆上侦查、探测类的机器人普遍采用履带传动，但履带传动效率低下，耗能高。且小型机器人上的履带式传动受体积限制，无法翻越城市环境中广泛存在的路阶、楼梯等障碍物。使得履带式侦查机器人在反恐侦察、灾害救援等领域应用中有许多局限性。所以目前迫切需要一种新型传动方式的小型机器人，使其在城市环境中具有一定越障能力，且具有较高的传动效率，以及灵活的机动性。
发明内容
本发明目的是提供一种多功能越障机器人，采用电机驱动的三角行星轮组带动行进，当遇到障碍时，行进轮由自转切换成绕三角行星轮组公转，从而顺利越障。
本发明还有一个目的是驱动电机通过差速器带动驱动行星轮组偏转，从而实现越障机器人的前轮转向模式。
本发明还有一个目的是利用转向电机驱动折腰式转向单元，折腰式转向单元带动从动行星轮组偏转，从而实现越障机器人的后轮转向模式。
本发明还有一个目的是提供一种多功能越障机器人，通过电子调速器调整越障机器人在平地行进或爬楼越障过程中的速度，便于运输货物。
本发明还有一个目的是提供一种多功能越障机器人，控制***根据不同的越障阻力矩调整驱动电机的输出扭矩，解决行星轮组因打滑或停转导致的越障机器人越障失败。
为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种多功能越障机器人，包括：
车架；
驱动电机，其固定在车架上；
驱动行星轮组和从动行星轮组，所述驱动行星轮组对称布设在车架前端两侧，由驱动电机驱动；所述从动行星轮组对称安装在车架后端两侧；其中，所述行星轮组包括：
内行星架，其包括至少二个向外延伸的支脚，并且朝向所述驱动电机的一侧上设置太阳齿轮和行星齿轮，另一侧面上设置中心链轮和多个行星链轮；以及
所述太阳齿轮，其通过第一轴可旋转固定在所述内行星架上，所述电机输出轴连接所述太阳齿轮；
所述行星齿轮，其通过第二轴可旋转固定在所述内行星架上，并且和所述太阳齿轮啮合；
所述中心链轮，其固定在所述第二轴上，所述中心链轮和所述行星齿轮共同旋转；
所述多个行星链轮，其一一对应的可旋转的设置在所述支脚的外端；
链条，其与所述中心链轮和所述多个行星链轮同时啮合；
行进轮，其分别和所述多个行星链轮同轴固定，并且和所述多个行星链轮共同旋转。
优选的是，所述车架还包括转向***，其连接在车架后部，包括转向电机和折腰式转向单元，所述转向电机驱动折腰式转向单元相对于车架倾斜一定角度，从而实现转向；其中，所述从动行星轮组对称安装在转向***两侧。
优选的是，所述驱动电机连接差速器，所述差速器输出两个动力轴连接车架两侧的驱动行星轮组。
优选的是，所述折腰式转向单元包括：
导轨，其横向固定在车架上；
滑块，其套设在导轨上并能够沿导轨滑动；
转向齿条，其与转向电机啮合，并且固定连接滑块，所述转向齿条在转向电机驱动下带动滑块沿导轨移动；
连杆机构，包括纵杆、第一横杆和第二横杆，纵杆前端可旋转连接滑块，纵杆后端分别铰接在第一横杆和第二横杆的中心点，第一横杆和第二横杆平行设置且其两端较接转向臂；
所述转向臂的前端铰接在车架后端；
其中，当纵杆前端在滑块带动下沿导轨移动，其带动第一横杆和第二横杆横向移动，从而带动转向臂与车架倾斜一定角度，实现从动行星轮组转向。
优选的是，所述车架还包括载物台，其固定在车架上，用于承载物品。
优选的是，还包括控制***，其包括：
扭矩传感器，其安装在驱动电机输出轴上，所述扭矩传感器测量驱动电机的扭矩；
转速传感器，其分别安装在差速器的两个所述动力轴上，用于检测两个动力轴的转速；
信号接收发射机，其连接扭矩传感器和转速传感器，所述信号接收发射机接收扭矩传感器和转速传感器的信号；
控制器，其连接信号接收发射机、驱动电机和转向电机，所述控制器接收信号接收发射机的信号并控制转向电机和驱动电机；以及
电子调速器，其连接控制器，所述电子调速器调节驱动行星轮组的行进速度。
优选的是，所述驱动电机为伺服电机，控制器通过信号接收发射机接收扭矩传感器的信号，并控制驱动电机的输出扭矩。
优选的是，所述电子调速器连接驱动电机的电源，其通过调节电源调节驱动行星轮组的行进速度。
优选的是，所述驱动行星轮组遇到障碍行进轮与地面打滑时，为保证驱动行星轮组公转越障，控制器控制电机的实时扭矩T′满足：
其中，θ为行走轮之间夹角，k为驱动行星轮组传动比，η为驱动行星轮组的机械效率；m为驱动行星轮组的质量，f为行进轮与地面的动摩擦系数，R为行星轮系的旋转半径。
优选的是，所述驱动行星轮组遇到障碍而轮与地面没有相对运动，为驱动行星轮组公转越障，控制器控制电机的实时扭矩T′满足；
其中，θ为行走轮之间夹角，k为驱动行星轮组传动比，η为驱动行星轮组的机械效率；m为驱动行星轮组的质量，f为行进轮与地面的动摩擦系数，R为行星轮系的旋转半径。
本发明至少包括以下有益效果：1、其上载物台可以安装或承载各种探测设备，便于侦查；2、可以在平地状态下助力运载货物，也可以在爬楼梯时助力运载货物；3、越障机器人利用差速器进行转向，从动行星轮组利用折腰式转向单元配合转向，适用于狭窄或对转弯区域。4、采用齿轮传动和链传动结合的方式使运作流程简单，操作简便，性能提高，延长使用寿命；5、安装扭矩传感器，并将测量电机输出扭矩值传输至控制器，控制器根据不同情况计算越障扭矩，并调节电机输出扭矩高于越障扭矩，保证越障机构顺利越障，同时减少电机的输出功率，较少能耗。
本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
附图说明
图1是本发明的越障机器人的结构图。
图2是本发明的越障机器人的行进***和转向***的连接图。
图3是本发明的越障机器人转向示意图。
图4是本发明的越障机器人的行星轮组结构图。
图5是本发明的越障机器人的行星轮组结构图。
图6是本发明的越障机器人的行星轮组结构图。
图7是本发明的越障机器人的控制***示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不配出一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。
图1-3示出了根据本发明的一种实现形式，多功能助力越障机器人包括车架100、行进***200、转向***300和控制***，车架100用于承载探测设备，所述行进***200、转向***300和控制***连接车架100，行进***200带动车架100在平地前进或在遇到障碍、楼梯时越障，转向***300配合行进***200和控制***控制进行转向。
如图2所示，车架100包括车体110和载物台120，车体110由两块相同且相互平行不锈钢材质的纵板及两端固定在纵板上的多根横杆组成，所述车体110用于支撑和连接行进***200和转向***300，载物台120固定在车体110上面，其为不锈钢板，用于承载探测设备。
行进***200包括驱动电机210、驱动行星轮组、从动行星轮组和差速器250，其中，驱动行星轮组由驱动行星轮系230和行进轮220组成，从动行星轮组由从动行星轮系240和行进轮220组成。驱动电机210固定在车体110的横杆上，其为可调扭矩式电机，驱动电机210输出轴上安装扭矩传感器，其为常见的传感器，未在图中示出。所述扭矩传感器测量采用应变片电测技术，其上粘贴应变片组成测量电桥，当输出轴受扭矩产生微小变形后引起电桥电阻值变化，应变电桥电阻的变化转变成电信号的变化从而实现扭矩测量，从而实现测量电机的扭矩。驱动电机210输出轴通过斜齿轮啮合差速器250，所述差速器250两端分别输出第一动力轴251和第二动力轴252，其中，第一动力轴251和第二动力轴252上分别安装转速传感器，转速传感器连接信号接收发射机，将第一动力轴251和第二动力轴252的转速传输至信号接收发射机；驱动行星轮组对称安装在车架100前部左、右两侧，所述第一动力轴251连接车架100左侧的驱动行星轮系230，第二动力轴252连接车架100右侧的驱动行星轮系230；所述驱动行星轮系230和从动行星轮系240为相同机械组件，说明书中只对驱动行星轮系230结构进行说明，由图4-6可见，驱动行星轮系230为变速机构，其包括太阳齿轮231、行星齿轮232、行星齿轮盖板233、内行星架234、外行星架235、中心链轮236、行星链轮237、链条238和行进轮轴239。太阳齿轮231设有中心通孔、其外圆周上布设有齿牙，其中，中心通孔与第一动力轴251和第二动力轴252的大小向匹配，用于连接第一动力轴251或第二动力轴252，太阳齿轮231旋转连接在内行星架234的中心处。行星齿轮232通过其中心轴旋转连接在内行星架234上，其外圆周上布设齿牙。其中，所述太阳齿轮231和行星齿轮232通过行星齿轮盖板233固定在在内行星架234的同侧，进一步的是，三个行星齿轮232等角度布设车等边三角形，并与太阳齿轮231啮合，由太阳齿轮231带动三个行星齿轮232转动。中心链轮236与行星齿轮232同轴心设置，并通过同一中心轴固定在内行星架234的两侧，行星齿轮232的转动带动中心链轮236同步转动。由图5可见，中心链轮236、链条238和行星链轮237布设在内行星架234的同一侧，进一步的是，与太阳齿轮231和行星齿轮232设置在内行星架234的相反一侧，其中，三个行星链轮237通过行进轮轴239连接在内行星架234的三个角上，链条238分别于中心链轮236和行星链轮237啮合，即中心链轮236通过链条238带动行星链轮237转动，从而带动与行星链轮237固定连接的行进轮轴239旋转。由图5可见，行进轮轴239套设在平行设置的内行星架234和外行星架235上，内行星架234和外行星架235结构相同，为不规则三角形结构，其中，行进轮轴239在外行星架235的支出端连接行进轮220，三个行进轮220通过行进轮轴239连接驱动行星轮系230。
当越障机器人转弯时，驱动电机210驱动差速器250调整第一动力轴251和第二动力轴252之间的速度差，第一动力轴251和第二动力轴252将速度差传输至左右两侧的驱动行星轮组同侧偏转，此时，从动行星轮组不偏转，从而实现越障机器人的前轮转向模式。
如图2和3所示，转向***300包括转向电机310、转向齿条320、导轨330、连杆机构340和转向臂350，转向电机310固定在车体110的横杆上，其输出轴啮合转向齿条320，从而带动转向齿条320移动；转向齿条320上表面布设齿条，其下表面的中心处固定在滑块331上；导轨330平行于横杆，其两端固定在车体110上，其上套设滑块331，滑块331下表面开设滑槽，纵杆341上表面设有凸台，所述凸台连接滑槽并可沿滑槽滑动，滑块331能够沿导轨330滑动，此时，转向电机310带动转向齿条320横向移动，从而带动滑块331沿导轨330横向移动。连杆机构340包括纵杆341、第一横杆342和第二横杆343，纵杆341前端铰接滑块331，当滑块331移动时带动纵杆341移动；第一横杆342两端点与转向臂350前端、车体110的纵板末端通过铰链连接，其中线点与纵杆341铰接；第二横杆343两端点铰接在转向臂350中部，其中心点铰接纵杆341的末端；转向臂350对称铰接在车架100的末端，其上连接从动行星轮组。
如图3所示为越障机器人后轮转向模式，打开转向电机310，其带动转向齿条320沿导轨330横向移动，从而带动与滑块331铰接的纵杆341移动并倾斜一定角度，纵杆341带动第一横杆342和第二横杆343横移，从而使与第一横杆342和第二横杆343铰接的转向臂350倾斜，其倾斜角度与纵杆341相同，从而带动从动行星轮组与车架100偏移一定角度，实现从动行星轮组同侧偏转，此时驱动行星轮组不偏转，从而实现越障机器人后轮转向模式。
如图7所示，控制***包括控制器、电子调速器、转速传感器、扭矩传感器和信号接收发射机，控制***安装在车架100中部，所述控制器连接驱动电机210、电子调速器，电子调速器具有变频器的作用，通过控制器改变电机工作电源频率来控制驱动电机的转速，从而控制越障机器人的速度。所述控制器还连接转速传感器、信号接收发射机和转向电机310，信号接收发射机接收第一动力轴251和第二动力轴252的转速信号，并将信号传输至控制器，控制器比较第一动力轴251和第二动力轴252的转速，当控制器判断第一动力轴251和第二动力轴252转速不同，控制器控制转向电机310开启，转向电机带动从动行星轮组转向。所述扭矩传感器连接信号接收发射机，扭矩传感器将驱动电机210的输出扭矩值传输至信号接收发射机，信号接收发射机将扭矩信号传输至控制器，控制器接收、存储扭矩传感器测量的驱动电机210的转矩，控制器根据情况调节驱动电机240的扭矩，实现越障机器人顺利越障。
当越障机器人在平地行走时，路面阻力矩小于驱动行星轮组自转扭矩，驱动电机210通过差速器250传动至太阳齿轮231，太阳齿轮231带动行星齿轮232转动，中心链轮236与行星齿轮232同步转动，中心链轮236通过链条238带动行星链轮237转动，从而使行进轮220自转，从而带动越障机器人前进。当越障机器人遇到障碍物或爬楼梯时，行进阻力矩瞬间增大至大于驱动行星轮组自转扭矩，驱动电机210通过差速器250传动至太阳齿轮231，但阻力使行星齿轮232停滞，太阳齿轮231带动内行星架234转动，从而实现驱动行星轮组公转，驱动行星轮组带动越障机器人顺利越障。但是越障机器人在越障时会出现两种情况：一是在障碍物处行进轮220与地面打滑；二是在障碍物处行进轮220与地面没有相对运动，即停止转动，下面分别讨论两种情况下越障机器人越障的条件。
当遇到障碍行进轮220与地面打滑时，控制器通过扭矩传感器测量越障机器人实时扭矩T′，控制器根据公式(1)计算越障需要的扭矩为T1，控制器控制电机的实时扭矩T′>T1，越障机器人中的行星轮系230公转从而越障：
其中，λ为第一影响因子，反映角度θ、传动比k、机械效率η和半径R对越障扭矩的影响，其计算公式(2)为：
其中，λ为第一影响因子，无因次；θ为构成等边三角形的三个行走轮之间夹角，单位为度；k为行星轮传动比，η为越障机器人的机械效率；m为越障机器人的质量，单位为g；f为越障机器人与地面的动摩擦系数，R为越障机器人的三个行走轮形成的等边三角形的外切圆的半径，单位为米。
当遇到障碍行进轮220与地面没有相对运动，即行进轮220停止运动时，控制器根据公式(3)计算越障需要的扭矩为T2，控制器控制电机的实时扭矩T′>T2，越障机器人中的行星轮系230从而越障；
其中，λ为第一影响因子，反映角度θ、传动比k、机械效率η和半径R对越障扭矩的影响，其计算公式(4)为：
其中，λ为第一影响因子，无因次；θ为构成等边三角形的三个行走轮之间夹角，单位为度；k为行星轮传动比，η为越障机器人的机械效率；m为越障机器人的质量，单位为g；f为越障机器人与地面的动摩擦系数，R为越障机器人的三个行走轮形成的等边三角形的外切圆的半径，单位为米。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用。它完全可以被适用于各种适合本发明的领域。对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改。因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (8)

1.一种多功能越障机器人，其特征在于，包括：
车架；
驱动电机，其固定在车架上；
驱动行星轮组和从动行星轮组，所述驱动行星轮组对称布设在车架前端两侧，由驱动电机驱动；所述从动行星轮组对称安装在车架后端两侧；其中，所述行星轮组包括：
内行星架，其包括至少二个向外延伸的支脚，并且朝向所述驱动电机的一侧上设置太阳齿轮和行星齿轮，另一侧面上设置中心链轮和多个行星链轮；以及
所述太阳齿轮，其通过第一轴可旋转固定在所述内行星架上，所述电机输出轴连接所述太阳齿轮；
所述行星齿轮，其通过第二轴可旋转固定在所述内行星架上，并且和所述太阳齿轮啮合；
所述中心链轮，其固定在所述第二轴上，所述中心链轮和所述行星齿轮共同旋转；
所述多个行星链轮，其一一对应的可旋转的设置在所述支脚的外端；
链条，其与所述中心链轮和所述多个行星链轮同时啮合；
行进轮，其分别和所述多个行星链轮同轴固定，并且和所述多个行星链轮共同旋转；
所述车架还包括转向***，其连接在车架后部，包括转向电机和折腰式转向单元，所述转向电机驱动折腰式转向单元相对于车架倾斜一定角度，从而实现转向；其中，所述从动行星轮组对称安装在转向***两侧；所述折腰式转向单元包括：
导轨，其横向固定在车架上；
滑块，其套设在导轨上并能够沿导轨滑动；
转向齿条，其与转向电机啮合，并且固定连接滑块，所述转向齿条在转向电机驱动下带动滑块沿导轨移动；
连杆机构，包括纵杆、第一横杆和第二横杆，纵杆前端可旋转连接滑块，纵杆后端分别铰接在第一横杆和第二横杆的中心点，第一横杆和第二横杆平行设置且其两端铰接转向臂；
所述转向臂的前端铰接在车架后端；
其中，当纵杆前端在滑块带动下沿导轨移动，其带动第一横杆和第二横杆横向移动，从而带动转向臂与车架倾斜一定角度，实现从动行星轮组转向。
2.如权利要求1所述的多功能越障机器人，其特征在于，所述驱动电机连接差速器，所述差速器输出两个动力轴连接车架两侧的驱动行星轮组。
3.如权利要求1或2所述的多功能越障机器人，其特征在于，所述车架还包括载物台，其固定在车架上，用于承载物品。
4.如权利要求2所述的多功能越障机器人，其特征在于，还包括控制***，其包括：
扭矩传感器，其安装在驱动电机输出轴上，所述扭矩传感器测量驱动电机的扭矩；
转速传感器，其分别安装在差速器的所述两个动力轴上，用于检测两个动力轴的转速；
信号接收发射机，其连接扭矩传感器和转速传感器，所述信号接收发射机接收扭矩传感器和转速传感器的信号；
控制器，其连接信号接收发射机、驱动电机和转向电机，所述控制器接收信号接收发射机的信号并控制转向电机和驱动电机；以及
电子调速器，其连接控制器，所述电子调速器调节驱动行星轮组的行进速度。
5.如权利要求4所述的多功能越障机器人，其特征在于，所述驱动电机为伺服电机，控制器通过信号接收发射机接收扭矩传感器的信号，并控制驱动电机的输出扭矩。
6.如权利要求5所述的多功能越障机器人，其特征在于，所述电子调速器连接驱动电机的电源，其通过调节电源调节驱动行星轮组的行进速度。
7.如权利要求6所述的多功能越障机器人，其特征在于，所述驱动行星轮组遇到障碍行进轮与地面打滑时，为保证驱动行星轮组公转越障，控制器控制电机的实时扭矩T′满足：
其中，θ为行走轮之间夹角，k为驱动行星轮组传动比，η为驱动 行星轮组的机械效率；m为驱动行星轮组的质量，f为行进轮与地面的动摩擦系数，R为行星轮系的旋转半径。
8.如权利要求6所述的多功能越障机器人，其特征在于，所述驱动行星轮组遇到障碍而轮与地面没有相对运动，为驱动行星轮组公转越障，控制器控制电机的实时扭矩T′满足；
其中，θ为行走轮之间夹角，k为驱动行星轮组传动比，η为驱动行星轮组的机械效率；m为驱动行星轮组的质量，f为行进轮与地面的动摩擦系数，R为行星轮系的旋转半径。
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