CN104986233A - 一种履带摆臂式越障机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种履带摆臂式越障机器人，包括车体，所述车体的两侧分别设有一组运动系统，每组运动系统包括两个履带摆臂装置，分别设于车体一侧的两端，所述履带摆臂装置包括摆臂以及设于摆臂上的履带，所述车体内设有同时控制两组运动系统中摆臂转动的第一传动机构以及控制一侧运动系统中履带转动的第二传动机构，所述第一传动机构设于车体的中部，所述第二传动机构设为两组，分别设置于第一传动机构的两侧。本发明提供的一种履带摆臂式越障机器人，移动灵活，具有传输扭矩大、控制系统简单、机械可靠性和越障效率高等优点，具有良好的应用前景，值得推广。

Description

一种履带摆臂式越障机器人

技术领域

本发明属于机器人装置领域，具体涉及一种履带摆臂式越障机器人。

背景技术

履带摆臂式越障机器人是一种能够移动并翻越障碍的设备，是野外环境侦查、巡视、扫雷排险和恶劣危险环境中探测等情况下工作的重要自动化装备之一，由于该种类型的机器人越障能力和适应室外复杂地形的能力强，在凹凸不平和有障碍物的路面环境中通过性好，所以其应用领域也越来越广。目前现有的越障机器人产品存在以下缺陷：（1）机器人虽然结构简单，但是传输扭矩不够大，在翻越障碍时动力不足，这将大大减弱其越障能力；（2）虽然有些机器人运动灵活，但是其需要控制的电机数目较多，从而导致机器人控制系统复杂，功耗增大，机械可靠性低，平均无故障时间短，这在某种程度上为其推广应用带来困难；（3）还有一些机器人产品，虽然越障方式新颖，但是其在越障过程中操作繁琐复杂，越障效率低，在一些需要快速通过障碍物的场合无法应用。

发明内容

为了解决现有技术中存在的不足，本发明提供了一种履带摆臂式越障机器人，为满足野外复杂地形侦查、巡视和危险环境探测等工作需要提供装备，创新设计了机器人内部传动结构，基于该传动结构的机器人不仅能够灵活移动还具有传输扭矩大、控制系统简单、机械可靠性和越障效率高等优点，具有良好的应用前景，值得推广。

为解决上述问题，本发明具体采用以下技术方案：

一种履带摆臂式越障机器人，其特征在于，包括车体，所述车体的两侧分别设有一组运动系统，每组运动系统包括两个履带摆臂装置，分别设于车体一侧的两端，所述履带摆臂装置包括摆臂以及设于摆臂上的履带，所述车体内设有同时控制两组运动系统中摆臂转动的第一传动机构以及控制一侧运动系统中履带转动的第二传动机构，所述第一传动机构设于车体的中部，所述第二传动机构设为两组，分别设置于第一传动机构的两侧。

前述的一种履带摆臂式越障机器人，其特征在于，所述第一传动机构包括第一电机以及由第一电机驱动的第一主动轮，所述第一主动轮的两侧分别依次啮合于第一从动轮、第二从动轮，所述第二从动轮的转动轴的两端分别连接摆臂。

前述的一种履带摆臂式越障机器人，其特征在于，所述第二从动轮的转动轴的两端分别通过电磁离合器与摆臂相连接。

前述的一种履带摆臂式越障机器人，其特征在于，对称设置于第一传动机构两侧的第二传动机构包括第二电机以及由第二电机驱动的第二主动轮，所述第二主动轮的两侧分别与第三从动轮相啮合，所述第三从动轮与第四从动轮同轴连接，即第三从动轮与第四从动轮共用一个转动轴或者二者的转动轴相连接，则第三从动轮与第四从动轮平行，所述第四从动轮啮合于第五从动轮，所述第五从动轮带动履带转动。

前述的一种履带摆臂式越障机器人，其特征在于，所述第五从动轮的中部贯穿有套筒，所述套筒的一端连接于带动履带转动的大履带轮，所述大履带轮的一侧设有随大履带轮转动的小履带轮，所述履带围设在大履带轮、小履带轮的外侧。因此，其实，第一主动轮、第二主动轮两侧从动轮的分布均是对称设置的，亦即说明，第一传动机构、第二传动机构本身就为对称结构。

前述的一种履带摆臂式越障机器人，其特征在于，第二从动轮的转动轴的两端分别穿过套筒与摆臂相连接。

前述的一种履带摆臂式越障机器人，其特征在于，第一电机与第一主动轮、第二电机与第二主动轮之间均设有蜗杆减速器。

前述的一种履带摆臂式越障机器人，其特征在于，所述第一电机为小型步进电机，所述第一电机到摆臂的总减速比为80。

前述的一种履带摆臂式越障机器人，其特征在于，所述第二电机为小型直流电机，所述第二电机到履带的总减速比为56。

本发明的有益效果：本发明提供的一种履带摆臂式越障机器人，与轮式机器人相比，履带具有与地面接触面积大、传动平稳的特点，这将增大其在凸凹不平的路面上的通过能力。当遇到台阶、路面凸起等障碍时，机器人借助摆臂支撑车体，在此同时机器人履带仍然可以转动，从而使机器人越过障碍。当机器人爬坡时，电机输出动力经过蜗杆减速器减速后，又经过两级齿轮传动，最终将动力传递致履带，这将大大增加输出扭矩，这有助于机器人的越障和爬坡运动。由于蜗杆机构具有反向自锁的功能，所以当机器人爬坡时或者摆臂处于车体上方，电机停止转动时，不会因为重力的作用而使机器人和摆臂自由落下，这将使控制变的相对简单。与现有越障机器人相比，在使用同类电机的情况下，该履带摆臂式越障机器人能输出更大扭矩，结构紧凑，运动更灵活，越长能力更强，控制系统相对简单，通用性强，能满足不同种类作业对设备的要求，具有良好的应用前景，值得推广。

附图说明

图1为本发明的一种履带摆臂式越障机器人的结构示意图；

图2为内部传动机构结构示意图；

图3为车体与履带摆臂装置连接结构示意图；

图4为该履带摆臂式越障机器人越障示意图，其中图4（a）表示该机器人遇到障碍提前将两个前摆臂抬起，图4（b）表示该机器人的前摆臂与障碍物接触，图4（c）表示利用摆臂将车身抬起，图4（d）表示该机器人将两个后摆臂旋转至形成攻角，图4（e）表示后摆臂与障碍物接触，图4（f）表示该机器人翻越障碍。

附图标记含义如下：

1：车体；2：履带摆臂装置；21：摆臂；22：履带；3：第一传动机构；31：第一电机；32：第一主动轮；33：第一从动轮；34：第二从动轮；35：转动轴；4：第二传动机构；41：第二电机；42：第二主动轮；43：第三从动轮；44：第四从动轮；45：第五从动轮；5：电磁离合器；6：套筒；7：大履带轮；8：小履带轮；9：蜗杆减速器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

如图1和图2所示，一种履带摆臂式越障机器人，包括车体1，车体1即为该机器人车体，车体1用于存放电源和该机器人的控制系统，还可以作为机械手臂或其他装备的底座支撑，所述车体1的两侧分别设有一组运动系统，通过车体1两侧的运动系统相互配合运动，实现该机器人的移动，每组运动系统包括两个履带摆臂装置2，分别设于车体1一侧的两端，所述履带摆臂装置2包括摆臂21以及设于摆臂21上的履带22，摆臂21和履带22的运动是分开的，所述车体1内设有同时控制两组运动系统中摆臂21转动的第一传动机构3以及控制一侧运动系统中履带22转动的第二传动机构4，所述第一传动机构3设于车体1的中部，所述第二传动机构4设为两组，分别设置于第一传动机构3的两侧，因此，第一传动机构3同时控制所有的四个摆臂21的转动，而每一侧的第二传动机构4分别控制相对应的两个履带22的转动，即实现了履带22转动与摆臂21转动为两个相互独立的运动。

详细的，所述第一传动机构3包括第一电机31以及由第一电机31驱动的第一主动轮32，所述第一主动轮32的两侧分别依次啮合于第一从动轮33、第二从动轮34，所述第二从动轮34的转动轴35的两端分别通过电磁离合器5与摆臂21相连接。第一电机31提供动力，驱动第一主动轮32转动，从而带动第一从动轮33、第二从动轮34转动，在第二从动轮34的转动轴35与摆臂21之间均设置了电磁离合器5，即一个摆臂21对应一个电磁离合器5，每个摆臂21单独由一个电磁离合器5控制，通过车体1内的控制系统控制电磁离合器5的开关，从而控制每个摆臂21的独立运动，实现不同摆臂21的转动。

详细的，对称设置于第一传动机构3两侧的第二传动机构4包括第二电机41以及由第二电机41驱动的第二主动轮42，第二传动机构4设为两个，其对称分布在第一传动机构3的两侧，即对称分布于车体1内部，每个第二传动机构4控制一组运动系统内的两个履带摆臂装置2运动，所述第二主动轮42的两侧分别与第三从动轮43相啮合，所述第三从动轮43与第四从动轮44同轴连接，所述第四从动轮44啮合于第五从动轮45，所述第五从动轮45带动履带22转动。具体为，所述第五从动轮45的中部贯穿有套筒6，所述套筒6的一端连接于带动履带22转动的大履带轮7，所述大履带轮7的一侧设有随大履带轮7转动的小履带轮8，所述履带22围设在大履带轮7、小履带轮8的外侧。第二电机41提供动力，驱动第二主动轮42转动，从而带动第二主动轮42两侧的第三从动轮43转动，由于第三从动轮43与第四从动轮44同轴连接，因此，第四从动轮44随着第三从动轮43转动而转动，并带动第五从动轮45转动，通过第五从动轮45中部贯穿的套筒6，继而带动大履带轮7、小履带轮8转动，最终履带22随之转动，带动该机器人运动。此外，第一传动机构3中第二从动轮34的转动轴35的两端分别穿过套筒6与摆臂21相连接，这样，合理设计了套筒6与转动轴35之间的位置，既不会影响二者分别带动的履带或摆臂的转动，又将履带、摆臂的运动分开，实现二者运动的相互独立。

详细的，第一电机31与第一主动轮32、第二电机41与第二主动轮42之间均设有蜗杆减速器9。由于蜗杆减速器9具有反向自锁的功能，所以当该机器人爬坡时或者摆臂处于车体上方、电机停止转动时，不会因为重力的作用而使机器人和摆臂自由落下，这将使控制变的相对简单。

详细的，所述第一电机31为小型步进电机，所述第二电机41为小型直流电机，蜗杆减速器的传动比为20，所述第一电机31到摆臂21的总减速比为80，所述第二电机41到履带22的总减速比为56。两个第二电机41主要驱使履带转动带动机器人移动，在保证输出较大传动比的同时，也要兼顾行驶速度；而第一电机31主要控制摆臂摆动，在越障时不需要过高的速度，但是需要输出较大扭矩，故总传动比相对较大，由于第一电机31是步进电机，通过控制电机转角达到精确控制摆臂旋转角度的目的。

该履带摆臂式越障机器人整体采用对称式结构，包括车体1即机器人车身、四个履带摆臂装置2、三组齿轮传动机构（一组第一传动机构3以及两组第二传动机构4）和四个电磁离合器5，四个履带摆臂装置2是该机器人行走和越障的主要构件，其分别安装在机器人车身的外侧，机器人车身一般为方形的，即四个履带摆臂装置2分别安装在机器人车身的四个角上，三组齿轮传动机构和四个电磁离合器5安装在车体内，它们各自将电机输出的动力传递至四组履带摆臂装置2上，每一个履带摆臂装置2都是由大履带轮7、小履带轮8、履带22以及摆臂21组成的，每一组齿轮传动机构都是由两级齿轮传动组成，摆臂的摆动和摆臂上履带的转动是两个相互独立的运动，这种能增大机器人越障性能的结构是通过套筒与轴组合来实现的，其中摆臂21可以绕中心轴线360度回转，履带在摆臂摆动的过程中可以转动，两个运动相互独立。如图3所示，电磁离合器5处于结合状态时，第一电机31转动带动转动轴35转动，进而带动摆臂21转动，同时，第二电机41转动，将动力传递至第五从动轮45，进而带动套筒6和大履带轮7转动，从而驱动履带运动而使机器人移动。

同一侧的两个履带摆臂装置2中，两个履带22的转动由一台电机即第二电机41驱动，则四个履带分别由两台电机（第二电机41）驱动，这两台电机同时正转或反转，可以控制机器人前后移动，两台电机一台正转一台反转，则驱动机器人左右转弯。除了履带转动之外，承载着履带的摆臂也可以转动，四个摆臂的摆动是由同一台电机即第一电机31驱动的，但是每一个驱动摆臂转动的转动轴上都装有电磁离合器5，通过控制不同转动轴上电磁离合器5的状态，就可以达到控制不同摆臂转动的目的，每个电磁离合器都是相互独立的，通过车体1内控制系统来控制的，因此根据需要，通过控制任何一个电磁离合器5的接合与断开来控制与其对应的摆臂摆动，同样的原理，也可以控制多个摆臂同时摆动，大大增大了机器人的灵活性。

如图4所示，当前方有障碍时，在行驶过程中该机器人提前将两个前摆臂抬起，形成前攻角，如图4（a）所示，当机器人行驶至前摆臂与障碍物接触时，如图4（b）所示，利用摆臂将车身抬起，如图4（c）所示，此时履带继续转动带动机器人向前移动，并在车体向前移动过程中将后摆臂绕顺时针方向转过来形成后攻角，如图4（d）所示，当行驶至后摆臂接触障碍物时，在机器人向前行驶过程中利用前摆臂将整个车体抬起，如图4（e）所示，从而使得机器人翻越障碍即图4（f）。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (9)

1.一种履带摆臂式越障机器人，其特征在于，包括车体，所述车体的两侧分别设有一组运动系统，每组运动系统包括两个履带摆臂装置，分别设于车体一侧的两端，所述履带摆臂装置包括摆臂以及设于摆臂上的履带，所述车体内设有同时控制两组运动系统中摆臂转动的第一传动机构以及控制一侧运动系统中履带转动的第二传动机构，所述第一传动机构设于车体的中部，所述第二传动机构设为两组，分别设置于第一传动机构的两侧。

2.根据权利要求1所述的一种履带摆臂式越障机器人，其特征在于，所述第一传动机构包括第一电机以及由第一电机驱动的第一主动轮，所述第一主动轮的两侧分别依次啮合于第一从动轮、第二从动轮，所述第二从动轮的转动轴的两端分别连接摆臂。

3.根据权利要求2所述的一种履带摆臂式越障机器人，其特征在于，所述第二从动轮的转动轴的两端分别通过电磁离合器与摆臂相连接。

4.根据权利要求3所述的一种履带摆臂式越障机器人，其特征在于，对称设置于第一传动机构两侧的第二传动机构包括第二电机以及由第二电机驱动的第二主动轮，所述第二主动轮的两侧分别与第三从动轮相啮合，所述第三从动轮与第四从动轮同轴连接，所述第四从动轮啮合于第五从动轮，所述第五从动轮带动履带转动。

5.根据权利要求4所述的一种履带摆臂式越障机器人，其特征在于，所述第五从动轮的中部贯穿有套筒，所述套筒的一端连接于带动履带转动的大履带轮，所述大履带轮的一侧设有随大履带轮转动的小履带轮，所述履带围设在大履带轮、小履带轮的外侧。

6.根据权利要求5所述的一种履带摆臂式越障机器人，其特征在于，第二从动轮的转动轴穿过套筒与摆臂相连接。

7.根据权利要求5所述的一种履带摆臂式越障机器人，其特征在于，第一电机与第一主动轮、第二电机与第二主动轮之间均设有蜗杆减速器。

8.根据权利要求8所述的一种履带摆臂式越障机器人，其特征在于，所述第一电机为小型步进电机，所述第一电机到摆臂的总减速比为80。

9.根据权利要求8所述的一种履带摆臂式越障机器人，其特征在于，所述第二电机为小型直流电机，所述第二电机到履带的总减速比为56。