CN114475839B - 一种自主式轮爪可重构越障机器人 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种自主式轮爪可重构越障机器人，包括机体、设置在机体上的自主式可重构轮爪轮以及电子器件，所述电子器件用于给出控制信号并控制机器人运动，所述自主式可重构轮爪轮包括电机、轮轴、曲柄、拉伸弹簧、外侧轮毂、内侧轮毂、爪、电机以及平面涡卷弹簧，所述电机的输出轴与轮轴的一端连接，外侧轮毂、内侧轮毂均设置在轮轴上，爪设置在外侧轮毂与内侧轮毂之间，曲柄固定在轮轴上，拉伸弹簧的两端分别与曲柄和爪相连，平面涡卷弹簧的一端固定在轮轴上，另一端固定在外侧轮毂上。本发明无须额外的驱动便可以进行变形轮到爪、爪到轮的变形。

Description

一种自主式轮爪可重构越障机器人
技术领域
本发明属于越障机器人技术，具体为一种自主式轮爪可重构越障机器人。
背景技术
相较于普通的圆形车轮，爪形车轮有更强的越障能力，目前的轮爪可重构机构多为变形机构与车轮分别驱动，使得车轮轴系结构复杂。而且目前阶段的爪模式的越障机器人外形多为不完整的圆弧，在前进过程中会产生较大的冲击与振动，对各构件的连接以及关键部件的强度有着极大的影响。
发明内容
本发明提出了一种自主式轮爪可重构越障机器人。
实现本发明的技术解决方案为：一种自主式轮爪可重构越障机器人，包括机体、设置在机体上的自主式可重构轮爪轮以及电子器件，所述电子器件用于给出控制信号并控制机器人运动，所述自主式可重构轮爪轮包括电机、轮轴、曲柄、拉伸弹簧、外侧轮毂、内侧轮毂、爪、电机以及平面涡卷弹簧，所述电机的输出轴与轮轴的一端连接，外侧轮毂、内侧轮毂均设置在轮轴上，爪设置在外侧轮毂与内侧轮毂之间，曲柄固定在轮轴上，拉伸弹簧的两端分别与曲柄和爪相连，平面涡卷弹簧的一端固定在轮轴上，另一端固定在外侧轮毂上，当电机的驱动力矩小于平面涡卷弹簧的预紧力矩且大于地面给轮子的摩擦力矩时，曲柄与外侧轮毂、内侧轮毂无相对运动，自主式可重构轮爪轮以轮模式行进；当电机的驱动力矩大于平面涡卷弹簧的预紧力矩且大于地面的摩擦力矩时，曲柄与外侧轮毂、内侧轮毂发生相对运动，曲柄带动拉伸弹簧转动，拉伸弹簧带动爪转动，自主式可重构轮爪轮轮以爪模式行进。
优选地，所述机体包括机体碳纤维板、轮部支撑碳管、粗碳纤维管、轮部支撑板、碳纤维管夹以及细碳纤维管管夹。机体碳纤维板共有两层，两层间设置有管夹，管夹粗碳纤维管通过管夹固定在机体碳纤维板上，粗碳纤维管上设置有碳纤维管夹，轮部支撑板通过碳纤维管夹与粗碳纤维管固定，细碳纤维管管夹设置于轮部支撑板上，细碳纤维管通过细碳纤维管管夹固定于轮部支撑板。所述自主式可重构轮爪轮通过细碳纤维管设置在机体上，所述电机通过电机座设置于细碳纤维管上。
优选地，所述轮轴上设置有轴承，并放置于轴承座内，所述轴承座设置于细碳纤维管上。
优选地，所述曲柄末端设置有沟槽，所述拉伸弹簧的一端设置在曲柄末端的沟槽内。
优选地，所述外侧轮毂、内侧轮毂上开有凹槽，爪设置于沟槽内。
优选地，所述平面涡卷弹簧设置于涡卷弹簧盒内，涡卷弹簧盒设置于外侧轮毂上。
优选地，所述外侧轮毂与内侧轮毂上均设置有轮上轴承座，轮上轴承座通过轴承与轮轴相连。
优选地，所述轮轴与曲柄之间通过平键进行周向定位，并与轮上轴承座内的轴承之间设置套筒进行轴向定位。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：1、本发明相对普通圆形轮结构有着更优秀的越障能力。2、本发明无须额外的驱动便可以进行变形轮到爪、爪到轮的变形。3、本发明结构简单紧凑。
下面结合附图对本发明做进一步详细的描述。
附图说明
图1为自主式可重构轮爪越障机器人的组成示意图。
图2(a)、(b)为自主式可重构轮爪轮的轮模式工作示意图，(c)为自主式可重构轮爪轮的剖视图。
图3(a)为自主式可重构轮爪轮的爪模式工作示意图，(b)为自主式可重构轮爪轮的爪被压回的工作示意图。
图4为自主式可重构轮爪越障机器人越障过程示意图。
具体实施方式
一种自主式轮爪可重构越障机器人，在平整路面行进时采用轮模式，在有障碍物时将自主切换为爪模式行进，通过自主式轮爪可重构轮实现轮模式和爪模式的切换。
如图1所示，一种自主式轮爪可重构越障机器人，包括机体1、设置在机体1上的自主式可重构轮爪轮3以及电子器件2，所述电子器件2用于给出控制信号并控制机器人运动。
所述自主式可重构轮爪轮3包括电机21、轮轴12、曲柄15、拉伸弹簧16、外侧轮毂17、内侧轮毂18、爪20、电机21以及平面涡卷弹簧22。所述电机21的输出轴与轮轴12的一端连接，外侧轮毂17、内侧轮毂18均设置在轮轴12上，爪20设置在外侧轮毂17与内侧轮毂18之间，曲柄15固定在轮轴12上，拉伸弹簧16的两端分别与曲柄15和爪20相连，平面涡卷弹簧22的一端固定在轮轴上，另一端固定在外侧轮毂17上。
电机21工作时，其输出轴带动轮轴12转动，轮轴12带动曲柄15转动。当电机21的驱动力矩小于平面涡卷弹簧22的预紧力矩且大于地面给轮子的摩擦力矩时，曲柄15与外侧轮毂17、内侧轮毂18无相对运动，可重构轮爪轮以轮模式行进；当电机21的驱动力矩大于平面涡卷弹簧22的预紧力矩且大于地面的摩擦力矩时，曲柄15与外侧轮毂17、内侧轮毂18发生相对运动，曲柄15带动拉伸弹簧16转动，拉伸弹簧16带动爪20转动，可重构轮爪轮以爪模式行进。
进一步的实施例中，所述机体1包括机体碳纤维板4、轮部支撑碳管5、粗碳纤维管6、轮部支撑板7、碳纤维管夹8以及细碳纤维管管夹9。机体碳纤维板4共有两层，两层间设置有管夹，管夹粗碳纤维管6通过管夹固定在机体碳纤维板4上，粗碳纤维管6上设置有碳纤维管夹8，轮部支撑板7通过碳纤维管夹8与粗碳纤维管6固定，细碳纤维管管夹9设置于轮部支撑板7上，细碳纤维管10通过细碳纤维管管夹9固定于轮部支撑板7。所述自主式可重构轮爪轮3通过细碳纤维管10设置在机体1上，所述电机21通过电机座11设置于细碳纤维管10上。
具体地，所述轮轴12上设置有轴承，并放置于轴承座13内。所述轴承座13设置于细碳纤维管10上。
具体地，所述曲柄15末端设置有沟槽，所述拉伸弹簧16的一端设置在曲柄15末端的沟槽内。
具体地，所述外侧轮毂17、内侧轮毂18上开有凹槽，爪20设置于沟槽内，并通过铆钉进行链接。
具体地，所述平面涡卷弹簧22设置于涡卷弹簧盒19内，涡卷弹簧盒19设置于外侧轮毂17上。
具体地，所述外侧轮毂17与内侧轮毂18上均设置有轮上轴承座14，轮上轴承座14通过轴承与轮轴12相连。
具体地，所述轮轴12与曲柄15之间通过平键进行周向定位，并与轮上轴承座14内的轴承之间设置套筒进行轴向定位。
所述电机21为动力输出，通过紧定螺钉带动轮轴12转动。轮轴12转动带动曲柄15转动。轮轴12与曲柄15之间无相对运动。当电机21的驱动力矩小于轮轴12末端的平面涡卷弹簧22的预紧力矩且大于摩擦力矩时，由于预紧力矩的作用，曲柄15与轮上轴承座14、外侧轮毂17、内侧轮毂18、涡卷弹簧盒19所构成的整体无相对运动，当轮轴12转动时，会带动曲柄15、轮上轴承座14、外侧轮毂17、内侧轮毂18、涡卷弹簧盒19一起转动，从而爪20末端与曲柄15末端的距离保持不变，因而可重构轮爪轮3以轮模式行进。当电机21的驱动力矩大于轮轴12末端的平面涡卷弹簧22的预紧力矩且大于摩擦力矩时，平面涡卷弹簧22收缩，曲柄15与轮上轴承座14、外侧轮毂17、内侧轮毂18、涡卷弹簧盒19所构成的整体发生相对运动，曲柄15运动至预先设置的限位面后带动上述整体运动，此时曲柄15相对于上述的整体运动后带动拉伸弹簧16运动，进而带动爪20运动，此时可重构轮爪轮以爪模式行进。
所述机体1主要起到支撑电子器件、连接自主式可重构轮爪轮3的作用。
所述机体1上放置电池、电调和主控芯片等电子器件2，电子器件2提供运动的控制命令。
结合图2、图3，对自主式可重构轮爪轮3运动机理做进一步地阐述。
所述电机21的输出轴与轮轴12通过螺纹连接固连，二者之间无相对运动。曲柄15与轮轴12之间通过平键进行轴向固定，二者之间无相对运动。轮上轴承座14、涡卷弹簧盒19以及外侧轮毂17、内侧轮毂18通过螺纹连接为一个整体，轮上轴承座14内装有轴承，可以保证轮轴12与轮上轴承座14的相对转动，进而使得自主式可重构轮爪轮3可以进行轮模式-爪模式的重构。为保证自主式轮爪可重构越障机器人在以爪模式行进时运动平稳，将重构机构的连杆换位拉伸弹簧16，在爪20接触地面时，爪20被压回至外侧轮毂17、内侧轮毂18内，拉伸弹簧16拉伸，如图3所示。
结合图4，对自主式轮爪可重构越障机器人越障过程做进一步阐述。
所述电机21为动力输出，电机输出轴与电机座11通过螺纹连接固连。电机输出的运动和力通过紧定螺丝传递至轮轴12，使得轮轴12转动；轮轴12将运动和力通过平键传递至曲柄15。平面涡卷弹簧的一端固定于轮轴12，另一端固定于涡卷弹簧盒19。当平面涡卷弹簧的预紧力矩大于电机21输出力矩，电机21力矩大于等于外侧轮毂17、内侧轮毂18与地面产生的摩擦力矩时，曲柄15与外侧轮毂17、内侧轮毂18保持相对静止，自主式轮爪可重构越障机器人以轮模式行进；当自主式轮爪可重构越障机器人前侧抵住障碍时，外侧轮毂17、内侧轮毂18所受到的正压力变大，其产生的摩擦力矩增大，因此电机21的输出力矩变大，平面涡卷弹簧的预紧力矩小于电机21输出力矩、电机21输出力矩大于等于外侧轮毂17、内侧轮毂18产生的摩擦力矩，曲柄15与外侧轮毂17、内侧轮毂18发生相对运动，爪20绕铆钉转动张开并勾到障碍物，如图4a所示，机器人越过障碍。当前轮越过障碍后，前轮侧的外侧轮毂17、内侧轮毂18与地面的摩擦力矩减小，前轮侧的自主式可重构轮爪轮3恢复为轮模式。当机器人继续行进至后轮侧自主式可重构轮爪轮3碰到障碍物后，自主式可重构轮爪轮3重构为爪模式，如图4b所示越过障碍物。

Claims (7)

1.一种自主式轮爪可重构越障机器人，其特征在于，包括机体（1）、设置在机体（1）上的自主式可重构轮爪轮（3）以及电子器件（2），所述电子器件（2）用于给出控制信号并控制机器人运动，所述自主式可重构轮爪轮（3）包括电机（21）、轮轴（12）、曲柄（15）、拉伸弹簧（16）、外侧轮毂（17）、内侧轮毂（18）、爪（20）、电机（21）以及平面涡卷弹簧（22），所述电机（21）的输出轴与轮轴（12）的一端连接，外侧轮毂（17）、内侧轮毂（18）均设置在轮轴（12）上，爪（20）设置在外侧轮毂（17）与内侧轮毂（18）之间，曲柄（15）固定在轮轴（12）上，拉伸弹簧（16）的两端分别与曲柄（15）和爪（20）相连，平面涡卷弹簧（22）的一端固定在轮轴上，另一端固定在外侧轮毂（17）上，当电机（21）的驱动力矩小于平面涡卷弹簧（22）的预紧力矩且大于地面给轮子的摩擦力矩时，曲柄（15）与外侧轮毂（17）、内侧轮毂（18）无相对运动，自主式可重构轮爪轮（3）以轮模式行进；当电机（21）的驱动力矩大于平面涡卷弹簧（22）的预紧力矩且大于地面的摩擦力矩时，曲柄（15）与外侧轮毂（17）、内侧轮毂（18）发生相对运动，曲柄（15）带动拉伸弹簧（16）转动，拉伸弹簧（16）带动爪（20）转动，自主式可重构轮爪轮（3）轮以爪模式行进，所述机体（1）包括机体碳纤维板（4）、轮部支撑碳管（5）、粗碳纤维管（6）、轮部支撑板（7）、碳纤维管夹（8）以及细碳纤维管管夹（9）；机体碳纤维板（4）共有两层，两层间设置有管夹，管夹粗碳纤维管（6）通过管夹固定在机体碳纤维板（4）上，粗碳纤维管（6）上设置有碳纤维管夹（8），轮部支撑板（7）通过碳纤维管夹（8）与粗碳纤维管（6）固定，细碳纤维管管夹（9）设置于轮部支撑板（7）上，细碳纤维管（10）通过细碳纤维管管夹（9）固定于轮部支撑板（7）；所述自主式可重构轮爪轮（3）通过细碳纤维管（10）设置在机体（1）上，所述电机（21）通过电机座设置于细碳纤维管（10）上。
2.根据权利要求1所述的自主式轮爪可重构越障机器人，其特征在于，所述轮轴（12）上设置有轴承，并放置于轴承座（13）内，所述轴承座（13）设置于细碳纤维管（10）上。
3.根据权利要求1所述的自主式轮爪可重构越障机器人，其特征在于，所述曲柄（15）末端设置有沟槽，所述拉伸弹簧（16）的一端设置在曲柄（15）末端的沟槽内。
4.根据权利要求1所述的自主式轮爪可重构越障机器人，其特征在于，所述外侧轮毂（17）、内侧轮毂（18）上开有凹槽，爪（20）设置于凹槽内。
5.根据权利要求1所述的自主式轮爪可重构越障机器人，其特征在于，所述平面涡卷弹簧（22）设置于涡卷弹簧盒（19）内，涡卷弹簧盒（19）设置于外侧轮毂（17）上。
6.根据权利要求1所述的自主式轮爪可重构越障机器人，其特征在于，所述外侧轮毂（17）与内侧轮毂（18）上均设置有轮上轴承座（14），轮上轴承座（14）通过轴承与轮轴（12）相连。
7.根据权利要求1所述的自主式轮爪可重构越障机器人，其特征在于，所述轮轴（12）与曲柄（15）之间通过平键进行周向定位，并与轮上轴承座（14）内的轴承之间设置套筒进行轴向定位。
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