CN111634345A - 一种轮足式移动式机器人的高适应性行走机构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型的轮足式移动式机器人的高适应性行走机构，包括底座、平动连杆、从动曲柄、第一传动曲柄、第一传动曲柄外伸连杆、第二传动曲柄、第二传动曲柄外伸连杆、三角平动连杆、驱动轮，其使用更少的电机控制，可实现更多的功能，同时机构采用平行四边型连杆机构，这不仅能提高底盘，满足驱动轮动力动力实时传递的同时，驱动电机布置方便，更有利于较大功率动力的远程传动。

Description

一种轮足式移动式机器人的高适应性行走机构

技术领域

本发明涉及移动机器人技术领域，具体涉及一种轮足式移动式机器人的高适应性行走机构。

背景技术

移动式机器人的行走机构又按轮式、足式、履带式、混合式分为四大类，目前来说轮式由于成本低、结构简单、易于操控等优点仍然占据机器人行走机构的大量市场。而履带式和足式由于自身对地形的高适应性的优势，常出现在各种特种任务的环境中。混合式则是混合了轮式、足式、履带式的优点而设计的新型移动式行走机构，这类机构一般功能强大，但是控制和结构较为复杂，目前正逐步成为高适应性机器人行走机构的主流研究方向。

和一般的轮式行走机构不同，混合式的行走地形多为山地、沼泽、碎石、楼梯等非平地、非斜坡的复杂路况，而未来的移动式机器人的发展肯定不能局限于平地、斜坡这样的一般路面。而随着移动通信5G和人工智能的发展，移动式机器人难点之一：轨迹规划和导航定位这一部分将会得到很好的解决，而在有了强大后台控制算法的定位和一些传感器的配合下，移动式机器人的活动轨迹的范围将会有质的飞跃，移动式机器人将不再局限于单一场地的活动，例如送餐机器人不再只出现在餐厅，可能会直接出现在家门口。所以综上所述，移动式机器人的高适应性行走机构将会在未来有着很大的发展空间，同时对移动式机器人的高适应性行走机构的要求也越来越丰富和严格。

近几十年来，高适应性行走机构的种类越来越丰富，高适应性行走机构可以根据机构组成分为以下几类：

第一种是由单履、双履或多履式的以履带式为基础的高适应性行走机构。例如运用在火灾现场的单履式消防机器人，或者在沙漠、沼泽环境下都有良好的自适应能力的多履式救援机器人。

第二种是由变形轮结构为主的轮履变换(复合)式高适应性行走机构。这种结构的特点在于使用轮履结构变换，使用有不同功能下轮子的形态而使机构针对两个或者多个不同环境的地形，从而达到了一定的适应性。

第三种则是轮足/轮腿式为基础的高适应性行走机构。这个类型根据轮腿部分的结构的不同，所针对的地形又个不相同，结构也较为复杂，而由于连杆机构相比同类型高适应性行走机构而言重量轻的优点，也常用于各种特殊的工作场合下，例如月球车、火星车、翻越机器人等。

现在市场上的履带式为基础的高适应性行走机构相比，轮足式行走机构的质量更轻，同时也更加灵活。与变形轮结构为主的轮履变换(复合)式高适应性行走机构相比，轮足式行走机构对地形的适应能力更高，通用性更强。但现有的轮足式行走机构(如图17所示)由于连杆运动轨迹的相对复杂，只能在轮子旁安放电机作为驱动。需要电机数量多且布置不方便。

发明内容

有鉴于此，本发明要解决的技术问题是提供一种新型的轮足式移动式机器人的高适应性行走机构，其使用更少的电机控制，可实现更多的功能，同时机构采用平行四边型连杆机构，这不仅能提高底盘，满足驱动轮动力动力实时传递的同时，驱动电机布置方便，更有利于较大功率动力的远程传动。

本发明采取的具体技术方案是：

一种轮足式移动式机器人的高适应性行走机构，包括底座、平动连杆、从动曲柄、第一传动曲柄、第一传动曲柄外伸连杆、第二传动曲柄、第二传动曲柄外伸连杆、三角平动连杆、驱动轮，所述底座上安装有步进电机、直流电机和多个轴承座，所述平动连杆前下端安装有万向轮，所述平动连杆上安装有多个轴承，所述从动曲柄一端与轴承座连接，另一端穿过平动连杆上设有的轴承与平动连杆连接；所述直流电机的输出轴上连接有爬行端小齿轮，所述底座上还安装有齿轮箱轴，所述齿轮箱轴一端连接有爬行端大齿轮连接，另一端穿过轴承座上设有的轴承与第一传动曲柄连接，所述爬行端小齿轮与爬行端大齿轮啮合；所述第一传动曲柄穿过平动连杆上设有的轴承与第一传动曲柄外伸连杆连接；所述第二传动曲柄一端与轴承座连接，另一端穿过平动连杆上设有的轴承与第二传动曲柄外伸连杆连接，第一传动曲柄外伸连杆、第二传动曲柄外伸连杆均与三角平动连杆连接，所述三角平动连杆下端安装有从动轮；所述步进电机的输出轴上连接有驱动端小齿轮，所述平动连杆上还安装有驱动端轴，所述驱动端轴一端连接有驱动端大齿轮，另一端穿过平动连杆并连接有小带轮连接，所述驱动轮安装在所述平动连杆的后下端，所述驱动轮的驱动轮轴穿过平动连杆并连接有大带轮，所述小带轮与所述大带轮通过同步带连接，所述驱动端小齿轮与驱动端大齿轮啮合。

优选地，所述驱动端轴、驱动轮的驱动轮轴上均设有轴承并通过该轴承安装在平动连杆上。

优选地，所述传动曲柄两端连接位置的中心距与从动曲柄两端连接位置的中心距相等，且所述传动曲柄两端连接位置的中心距与驱动端大齿轮中心到驱动端小齿轮中心的距离相等；所述传动曲柄外伸连杆两端连接位置的中心距是传动曲柄两端连接位置的中心距的两倍。在此基础上从动曲柄、平动连杆、底座、第一传动曲柄组合成第二个平行四边形机构。同样在此基础上平动连杆、第一传动曲柄外伸连杆、第二传动曲柄外伸连杆、三角平动连杆组合成第三个平行四边形机构。

优选地，所述平动连杆的结构类似于绗架结构。

优选地，所述第一传动曲柄与第一传动曲柄外伸连杆连接，相同的第二传动曲柄与第二传动曲柄外伸连杆连接，通过键连接的方式限制相对转动，通过，轴套的方式限制轴向位移，组合成一个类似于曲轴的装置。

优选地，所述第一传动曲柄外伸连杆、第二传动曲柄外伸连杆与三角平动连杆的连接采用塞打螺钉加螺母的连接方式；所述第二传动曲柄、从动曲柄与轴承座的连接采用塞打螺钉加螺母的连接方式。

更优选地，所述螺钉采用塞打螺钉。

优选地，所述底座下方设有加强筋；所述从动曲柄、第一传动曲柄、第一传动曲柄外伸连杆、第二传动曲柄、第二传动曲柄外伸连杆上均设有加强筋。

优选地，所述直流电机的输出轴采用胀紧圈与爬行端小齿轮连接；所述步进电机的输出轴采用胀紧圈与驱动端小齿轮连接。

本发明的有益效果是：

第一：本发明结构简单，相较于现有的行走机构，该机构使用轮足式中轮式低能耗特点，可以大大减少平地一般运动的能量消耗。与常见的轮足式行走机构相比，该机构使用电机数量少可节约成本，同时控制较为简单。

第二：空间上多平行四边形连杆机构的设计使行走机构有更高的底盘的同时，相比于现有的轮足式机构驱动电机直接驱动轮子的结构也有较大优势。一般轮足式机构由于常用电机直接驱动，电机选择受限，驱动功率较小，驱动电机布置困难，而本次行走机构的传动设计利于较大功率动力的传动。

第三：可以通过控制平行四边型连杆机构来控制机构的姿态和重心，使机构对地形有较大的适应能力。

第四：通过控制机构的连杆运动可以越过包括楼梯、高台等的大部分人类城市生活的地形。并且机构的翻越模式的越障能力强于市面上大部分行走机构。

附图说明

图1为高适应性行走机构的结构示意图；

图2为图1的主视图；

图3为图1的俯视图；

图4为平动连杆的结构示意图；

图5为从动曲柄的结构示意图；

图6为传动曲柄的结构示意图；

图7为传动曲柄外伸连杆的结构示意图；

图8为三角平动连杆的结构示意图；

图9为齿轮箱轴的结构示意图；

图10为驱动端轴的结构示意图；

图11为驱动轮的驱动轮轴的结构示意图；

图12为传动曲柄的象限角说明；

图13为四轮驱动模式下平行四边形机构结构简图；

图14为爬行越障模式下高适应性行走机构结构视图；

图15为爬行越障模式下高适应性行走机构的爬行示意；

图16为翻越模式下高适应性行走机构的越障示意；

图17为背景技术所述现有的轮足式行走机构；

图中：1.从动曲柄；2.轴承支座；3.直流电机；4.爬行端小齿轮；5.爬行端大齿轮；61.第一传动曲柄外伸连杆；62.第二传动曲柄外伸连杆；71.第一传动曲柄；72.第二传动曲柄；8.三角平动连杆；9.驱动端大齿轮；10.驱动端小齿轮；11.万向轮；12.平动连杆；13.从动轮；14.小带轮；15.驱动轮；16.大带轮；17.步进电机；18.底座。

具体实施方式

为详细说明技术方案的技术内容、构造特征、所实现目的及效果，以下结合具体实施例并配合附图详予说明。

请参阅图1-3，本实施例公开了一种轮足式移动式机器人的高适应性行走机构，包括底座18、平动连杆12(图4，平动连杆的结构类似于绗架结构)、从动曲柄1(图5)、第一传动曲柄71(图6)、第一传动曲柄外伸连杆61(图7)、第二传动曲柄72(图6)、第二传动曲柄外伸连杆62(图7)、三角平动连杆8(图8)、驱动轮15，所述底座18上安装有步进电机17、直流电机3和多个轴承座，所述平动连杆12前下端安装有万向轮11(采用现有的连接方式，本实施例不再进行详细说明)，所述平动连杆12上安装有多个轴承，所述从动曲柄1一端与轴承座采用塞打螺钉加螺母的连接方式连接，另一端穿过平动连杆12上设有的轴承与平动连杆12连接(用轴用弹性挡圈限位)；所述直流电机3的输出轴上连接有爬行端小齿轮4，直流电机3的输出轴采用胀紧圈与爬行端小齿轮4连接，所述底座18上还安装有齿轮箱轴(图9)，所述齿轮箱轴一端连接有爬行端大齿轮5连接，另一端穿过轴承座上设有的轴承与第一传动曲柄71连接，所述爬行端小齿轮4与爬行端大齿轮5啮合；所述第一传动曲柄71穿过平动连杆12上设有的轴承与第一传动曲柄外伸连杆61连接；所述第二传动曲柄72一端与轴承座连接，另一端穿过平动连杆12上设有的轴承与第二传动曲柄外伸连杆62连接，第一传动曲柄外伸连杆61、第二传动曲柄外伸连杆62均与三角平动连杆8连接(采用塞打螺钉加螺母的连接方式连接)，所述三角平动连杆8下端安装有从动轮(采用现有的连接方式，本实施例不仔进行详细说明)；所述步进电机17的输出轴上连接有驱动端小齿轮10，步进电机17的输出轴采用胀紧圈与驱动端小齿轮10连接，所述平动连杆12上还安装有驱动端轴(图10)，驱动端轴上设有轴承并通过该轴承安装在平动连杆12上，所述驱动端轴一端连接有驱动端大齿轮9，另一端穿过平动连杆12并连接有小带轮14连接，所述驱动轮15安装在所述平动连杆12的后下端，所述驱动轮15的驱动轮轴穿过平动连杆12并连接有大带轮16，驱动轮15的驱动轮轴(图11)上设有轴承并通过该轴承安装在平动连杆12上，所述小带轮14与所述大带轮16通过同步带连接，所述驱动端小齿轮10与驱动端大齿轮9啮合。

本实施例中，所述传动曲柄两端连接位置的中心距与从动曲柄1两端连接位置的中心距相等，且所述传动曲柄两端连接位置的中心距与驱动端大齿轮9中心到驱动端小齿轮10中心的距离相等；所述传动曲柄外伸连杆两端连接位置的中心距是传动曲柄两端连接位置的中心距的两倍。使底座、第一传动曲柄、第二传动曲柄、平动连杆组合成一个平行四边形机构。在此基础上从动曲柄、平动连杆、底座、第一传动曲柄组合成第二个平行四边形机构。同样在此基础上平动连杆、第一传动曲柄外伸连杆、第二传动曲柄外伸连杆、三角平动连杆组合成第三个平行四边形机构。整个高适应性行走机构的驱动轮动力传递方式为一种驱动源位置不断变化、垂直方向传动距离较长、通过外挂式齿轮和同步带轮传递的动力传递方式。

作为本实施例的优选方案，所述底座18下方设有加强筋；所述从动曲柄1、第一传动曲柄71、第一传动曲柄外伸连杆61、第二传动曲柄72、第二传动曲柄外伸连杆62上均设有加强筋。

本实施例提供的高适应性行走机构工作时传动路线分为由步进电机控制的驱动部分和直流电机控制的爬行部分，当行走地盘以不同的方式行走时每个部分都会产生不同的功能。

驱动部分负责主要的动力输出，驱动力由步进电机产生，由驱动端小齿轮传递给驱动端大齿轮，再经过轴传递给小带轮，由小带轮通过同步带传递给大带轮，大带轮通过轴把动力传递给驱动轮。转向由两个步进电机控制不同的转速完成。

控制部分主要由直流电机控制，动力通过步进电机产生，通过胀紧圈连接将动力传递给爬行端小齿轮；经过爬行端大齿轮啮合的一级减速并通过轴和键传递给第一传动曲柄；第一传动曲柄再通过轴和键连接与第一传动曲柄外伸连杆，然后依次传递给三角平动连杆、第二传动曲柄外伸连杆、第二传动曲柄，此时传动曲柄和传动曲柄外伸连杆固定成一个类似曲轴的零件。同时，传动曲柄的动力还通过穿过轴承的方式传递给平动连杆，若假设底座视为固定机架，平动连杆可以进行平移运动。

同时为了方便说明，如图12所示，图12中传动曲柄的运动形式均由传动曲柄所在位置表示，如图12所示传动曲柄位置处于第三象限(右上为第一象限，左上为第二象限，左下为第三象限，右下为第四象限)，象限角为225°。

当地形主要为开阔平敞时，行走地盘可以主要以四轮驱动模式行走。在这个模式下，为了方便解释说明，设驱动部分不工作，驱动轮抱死，平动连杆对地可视为固定机架。此时连杆机构动力的输出在于直流电机输出的转动。对应在平行四边形机构而言如图13所示：平动连杆为机架、传动曲柄和传动曲柄外伸连杆固定成一个曲柄，底座则为一个做平移运动的连杆。直流电机转动调整底座位置，步进电机转动，驱动驱动轮使机构前进。

当出现场地多起伏地形、难以用常规四轮驱动行走时，或四轮行走活动范围受到台阶限制时，可以采用爬行越障模式通过。爬行越障模式是把左边第一传动曲柄与第二传动曲柄和右边第一传动曲柄与第二传动曲柄相隔180°对称布置如图14。此时左边的第一和第二传动曲柄在第一象限，右边的第一和第二传动曲柄在第三象限，相隔180°。直流电机只要一直转动，就可使平动连杆/三角平动连杆交替作为机架，6个轮子总有3个轮子对地支撑。爬行模式下状态如图15(爬升楼梯)所示。

爬行越障模式一般用于地面起伏较小的地形，然而现实生活中高台(如对地高度400mm)或者大起伏的单个台阶也是很常见的，这时我们可以使用翻越模式进行越障。翻越模式下状态如图16(高台翻越)所示，翻越模式最大的特点在于通过对连杆以及重心的控制分别使用不同轮子接触地面，重复变换对地面的支撑一步一步把轮子和车身送往高处。

第一到第二步：准备动作，直流电机同时带动两个传动曲柄到开始位置。

第二到第三步：直流电机继续带动两个传动曲柄，通过传动曲柄带动三角平动连杆撑起底座，根据机构重心位置和杠杆原理，前轮将被抬起。

第三到第四步：步进电机转动，驱动驱动轮使机构前进将前轮搭在高台上。

第四到第五步：直流电机转动带动三角平动连杆将中间轮抬起，此时前轮继续作为支撑。

第五到第六步：电机继续带动三角平动连杆把从动轮顺时针旋转，同时后轮加速。

第六到第七步：从动轮顺时针向下撑起，此时重心落在前轮和后轮的支撑面上，所以后轮将被撑高。

第七到第八步：向前滑行一段距离后，电机带动平动连杆将驱动轮放下，翻越结束。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者终端设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者终端设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括……”或“包含……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者终端设备中还存在另外的要素。此外，在本文中，“大于”、“小于”、“超过”等理解为不包括本数；“以上”、“以下”、“以内”等理解为包括本数。

尽管已经对上述各实施例进行了描述，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改，所以以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利保护范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围之内。

Claims (9)

1.一种轮足式移动式机器人的高适应性行走机构，其特征在于，包括底座、平动连杆、从动曲柄、第一传动曲柄、第一传动曲柄外伸连杆、第二传动曲柄、第二传动曲柄外伸连杆、三角平动连杆、驱动轮，所述底座上安装有步进电机、直流电机和多个轴承座，所述平动连杆前下端安装有万向轮，所述平动连杆上安装有多个轴承，所述从动曲柄一端与轴承座连接，另一端穿过平动连杆上设有的轴承与平动连杆连接；所述直流电机的输出轴上连接有爬行端小齿轮，所述底座上还安装有齿轮箱轴，所述齿轮箱轴一端连接有爬行端大齿轮连接，另一端穿过轴承座上设有的轴承与第一传动曲柄连接，所述爬行端小齿轮与爬行端大齿轮啮合；所述第一传动曲柄穿过平动连杆上设有的轴承与第一传动曲柄外伸连杆连接；所述第二传动曲柄一端与轴承座连接，另一端穿过平动连杆上设有的轴承与第二传动曲柄外伸连杆连接，第一传动曲柄外伸连杆、第二传动曲柄外伸连杆均与三角平动连杆连接，所述三角平动连杆下端安装有从动轮；所述步进电机的输出轴上连接有驱动端小齿轮，所述平动连杆上还安装有驱动端轴，所述驱动端轴一端连接有驱动端大齿轮，另一端穿过平动连杆并连接有小带轮连接，所述驱动轮安装在所述平动连杆的后下端，所述驱动轮的驱动轮轴穿过平动连杆并连接有大带轮，所述小带轮与所述大带轮通过同步带连接，所述驱动端小齿轮与驱动端大齿轮啮合。

2.根据权利要求1所述一种轮足式移动式机器人的高适应性行走机构，其特征在于，所述驱动端轴、驱动轮的驱动轮轴上均设有轴承并通过该轴承安装在平动连杆上。

3.根据权利要求1所述一种轮足式移动式机器人的高适应性行走机构，其特征在于，所述传动曲柄两端连接位置的中心距与从动曲柄两端连接位置的中心距相等，且所述传动曲柄两端连接位置的中心距与驱动端大齿轮中心到驱动端小齿轮中心的距离相等；所述传动曲柄外伸连杆两端连接位置的中心距是传动曲柄两端连接位置的中心距的两倍。

4.根据权利要求1或2或3所述一种轮足式移动式机器人的高适应性行走机构，其特征在于，所述平动连杆的结构类似于绗架结构。

5.根据权利要求1或2或3所述一种轮足式移动式机器人的高适应性行走机构，其特征在于，所述第一传动曲柄与第一传动曲柄外伸连杆连接，第二传动曲柄与第二传动曲柄外伸连杆连接，组合成一个类似于曲轴的装置。

6.根据权利要求1或2或3所述一种轮足式移动式机器人的高适应性行走机构，其特征在于，所述第一传动曲柄外伸连杆、第二传动曲柄外伸连杆与三角平动连杆的连接采用塞打螺钉加螺母的连接方式；所述第二传动曲柄、从动曲柄与轴承座的连接采用塞打螺钉加螺母的连接方式。

7.根据权利要求6所述一种轮足式移动式机器人的高适应性行走机构，其特征在于，所述螺钉采用塞打螺钉。

8.根据权利要求1或2或3所述一种轮足式移动式机器人的高适应性行走机构，其特征在于，所述底座下方设有加强筋；所述从动曲柄、第一传动曲柄、第一传动曲柄外伸连杆、第二传动曲柄、第二传动曲柄外伸连杆上均设有加强筋。

9.根据权利要求1或2或3所述一种轮足式移动式机器人的高适应性行走机构，其特征在于，所述直流电机的输出轴采用胀紧圈与爬行端小齿轮连接；所述步进电机的输出轴采用胀紧圈与驱动端小齿轮连接。

Images