專利名稱：輪履復合變形履帶機器人的制作方法
技術領域：
本發明涉及履帶機器人，尤其涉及輪履復合變形履帶機器人。
背景技術：
眾所周知，用于火災、礦難、核泄漏等危險作業的小型地面移動機器人以其體積小、成本低、生存能力強、運動靈活等特點成為移動機器人研究領域的又ー熱點。其中輪式結構的機器人具有結構簡単、質量輕、高速高效、實用性強等優點，由于其具有的這些優點，使得輪式移動系統的運行速度較快，控制也較簡單，然而其越障能力、適應復雜地形的能力卻相形見絀；就適應能力而言，普通的履帶式移動機器人具有越野性能好，爬坡、越障、跨溝能力強等優點，但同時也存在轉彎性較差、能耗較大等缺點。

發明內容
本發明要解決的技術問題是克服現有技術的不足，提供ー種運動靈活、適應能力強、結構簡單、工作穩定的輪履復合變形履帶機器人。為解決上述技術問題，本發明采用以下技術方案
一種輪履復合變形履帶機器人，包括機架和裝設于機架上的一根主軸，所述主軸兩端均裝設有一件可在圓形和三角形之間轉換、并帶有動カ裝置的變形履帶輪，所述機架的前后兩側均裝設有一件支撐架，各支撐架底端均裝設有隨動導輪。所述變形履帶輪包括變形履帶、同步帶輪組、行進動カ裝置和用于驅動變形履帶變形的四連桿變形機構，所述同步帶輪組可轉動的支承于主軸上，所述行進動カ裝置裝設于機架上、并驅動同步帶輪組轉動，所述變形履帶套設于同步帶輪組外，所述四連桿變形機構裝設于同步帶輪組內、并與變形履帶內圈配合，所述機架上裝設有用于驅動四連桿變形機構的變形動カ裝置。所述四連桿變形機構包括V形架、撐板、連接片、兩件下架和兩件中間桿，所述V形架的彎折部與變形動力裝置相連，所述撐板上端與主軸固接，撐板下端與連接片固接，兩件下架分設于連接片兩側、并與連接片鉸接，兩件中間桿分設于撐板兩側，各中間桿一端與V形架鉸接，各中間桿另一端與下架鉸接，所述下架上裝設有用于與變形履帶內圈配合的圓柱輪。所述變形動カ裝置包括變形電機、減速傳動機構和傳動軸套，所述變形電機和減速傳動機構均裝設于機架上，所述變形電機的輸出端與減速傳動機構的輸入端相連，所述傳動軸套套設于主軸上，傳動軸套一端與減速傳動機構的輸出端連接，傳動軸套一端與所述V形架的彎折部固接，另一端與機架固接。所述減速傳動機構包括第一錐齒輪、第二錐齒輪、蝸桿軸和蝸輪，所述第一錐齒輪與變形電機的輸出端相接，所述第二錐齒輪裝設于蝸桿軸上并與第一錐齒輪嚙合，所述蝸桿軸與蝸輪嚙合，所述蝸輪固設于主軸上。所述行進動カ裝置包括行進電機、行進主動鏈輪、行進傳動鏈條、定位套、定位螺釘和行進從動鏈輪，所述行進主動鏈輪裝設于行進電機輸出端，所述行進從動鏈輪可轉動的支承于所述傳動軸套上，所述行進傳動鏈條繞設于行進主動鏈輪和行進從動鏈輪上，所述定位套通過定位螺釘連接固定于行進從動鏈輪和同步帶輪組之間。所述變形履帶包括履帶齒層、弾性層和同步帶嚙合層，所述同步帶嚙合層固設于弾性層內圈、并與同步帶輪組嚙合，所述履帶齒層設于彈性層外圈，履帶齒層中各履帶齒的底部與彈性層固接。所述同步帶輪組包括內側輪和外側輪，所述內側輪通過軸承支承于傳動軸套上、并通過定位螺釘與行進從動鏈輪連接固定，所述外側輪通過軸承支承于主軸上，所述內側輪和外側輪外圈均與變形履帶的同步帶嚙合層配合。所述變形履帶輪還包括棘輪翻轉機構，所述棘輪翻轉機構包括棘輪、翻轉鏈輪和翻轉鏈條，所述翻轉鏈輪固設于所述行進電機的輸出端，所述棘輪固設于所述傳動軸套上， 所述翻轉鏈條繞設于棘輪和翻轉鏈輪上。與現有技術相比，本發明的優點在于
本發明的輪履復合變形履帶機器人，在主軸兩端均裝設有一件可在圓形和三角形之間轉換、并帶有動カ裝置的變形履帶輪，使該機器人既有圓形輪模式下的快速機動，也有三角形履帶輪模式下的行進平穩，能夠適應各種復雜地形，具有很強的機動能力和越障能力；機架的前后兩側均裝設有一件支撐架，各支撐架底端均裝設有隨動導輪，行進時由于慣性作用，相對于前進方向靠后的隨動導輪著地，保持機身穩定，確保運動平穩。變形履帶輪通過四連桿變形機構驅動變形履帶變形，展開和收攏平穩、結構簡單、便于控制，同時還可通過變形實現攀爬一定高度的障礙，適應性強。行進動カ裝置中的行進電機裝設于機架上，使行進電機受到機身保護，減少機器人主動カ部分受到外界影響的可能，降低動カ部分的故障率，増加機器人運動穩定性。變形履帶包括履帶齒層、弾性層和同步帶嚙合層，通過三層結構的配合便于實現履帶伸長變形、弾性伸縮，且不影響運動和力的傳遞，四連桿變形機構未展開吋，在彈性層的作用下，變形履帶保持圓形形狀，機器人呈圓輪模式前迸，靈活機動；四連桿變形機構展開吋，彈性層被撐開，變形履帶成為三角形狀態，機器人以三角履帶模式運動，運行平穩，可適應沼澤、坑洼、泥濘等復雜路況，增強機器人的環境適應能力。通過棘輪翻轉機構可以實現兩種模式翻越障礙，機器人正向前進時為被動翻越，遇到障礙時履帶卡住障礙，通過棘輪帶動四連桿變形機構以障礙點為支點，被動完成翻越障礙，即遇到障礙后輪子會翻轉；機器人反向運動時為主動翻越，通過棘輪帶動主軸軸套，使得四連桿變形機構立即翻轉，完成主動翻越障礙。本發明的輪履復合變形履帶機器人，集成兩輪行進、三角履帶行進、主動攀爬、翻越障礙等多種運動模式于一體，行進速度快、能耗低，機動能力強，爬坡、越障、跨溝能力強。


圖I是本發明圓形輪狀態的立體結構示意圖。圖2是本發明三角形輪狀態的立體結構示意圖。圖3是本發明圓形輪狀態的立體結構示意圖(去掉履帶及外側輪)。圖4是本發明三角形輪狀態的立體結構示意圖(去掉履帶及外側輪)。圖5是本發明的主視結構示意圖。
圖6是圖5的A — A剖視圖。圖7是圖5的B — B剖面中，變形動力裝置部分的局部結構示意圖。圖8是本發明圓形輪狀態的左視結構示意圖(去掉外側輪)。圖9是本發明三角形輪狀態的左視結構示意圖(去掉外側輪)。圖10是本發明行進動カ裝置的機構簡圖。圖11是本發明變形動力裝置的機構簡圖。
圖12是行進電機輸出軸處的放大示意圖。圖13是傳動軸套處的放大示意圖。圖14是本發明變形履帶的結構示意圖。圖15是本發明穿過溝壑障礙的運動示意圖。圖16是本發明主動翻越普通突起障礙的運動示意圖。圖17是本發明被動翻越較高突起型障礙的運動示意圖。圖18是本發明主動翻越較高突起型障礙的運動示意圖。圖19是本發明翻越臺階型障礙的運動示意圖。圖中各標號表
I、機架；2、主軸；3、變形履帶輪；301、變形履帶；302、四連桿變形機構；3011、履帶齒層；3012、彈性層；3013、同步帶嚙合層；3014、履帶齒；3021、V形架;3022、撐板;3023、下架;3024、連接片;3025、連接片軸;3026、圓柱輪銷軸;3027、圓柱輪;3028、中間桿;303、同步帶輪組；3031、內側輪；3032、外側輪；304、變形動力裝置；3041、變形電機；3042、傳動軸套；3043、第一錐齒輪；3044、第二錐齒輪；3045、蝸桿軸；3046、蝸輪；305、行進動カ裝置；3051、行進電機；3052、行進主動鏈輪；3053、行進傳動鏈條；3054、定位套；3056、行進從動鏈輪；306、棘輪翻轉機構；3061、棘輪；3062、翻轉鏈輪；3063、翻轉鏈條；4、支撐架；41、隨動導輪。
具體實施例方式圖I至圖14示出了本發明的一種輪履復合變形履帶機器人實施例，該機器人包括機架I和裝設于機架I上的一根主軸2，主軸2兩端均裝設有一件可在圓形和三角形之間轉換、并帶有動カ裝置的變形履帶輪3，使該機器人既有圓形輪模式下的快速機動，也有三角形履帶輪模式下的行進平穩，能夠適應各種復雜地形，具有很強的機動能力和越障能力；機架I的前后兩側均裝設有一件支撐架4，支撐架4與水平面的夾角約40°，各支撐架4底端均裝設有隨動導輪41，行進時由于慣性作用，相對于前進方向靠后的隨動導輪41著地，保持機身穩定，確保運動平穩。本實施例中，變形履帶輪3包括變形履帶301、同步帶輪組303、行進動カ裝置305和用于驅動變形履帶301變形的四連桿變形機構302，同步帶輪組303可轉動的支承于主軸2上，行進動カ裝置305裝設于機架I上、并驅動同步帶輪組303轉動，變形履帶301套設于同步帶輪組303タト，四連桿變形機構302裝設于同步帶輪組303內、并與變形履帶301內圈配合，機架I上裝設有用于驅動四連桿變形機構302的變形動力裝置304，在變形動力裝置304的驅動下四連桿變形機構302帶動變形履帶301變形，使變形履帶輪3展開和收攏平穩、結構簡單、便于控制，同時還可通過變形實現攀爬一定高度的障礙，適應性強。四連桿變形機構302包括V形架3021、撐板3022、連接片3024、兩件下架3023和兩件中間桿3028，V形架3021的彎折部與變形動力裝置304相連，撐板3022上端與主軸2固接，撐板3022下端與連接片3024固接，兩件下架3023分設于連接片3024兩側、并通過連接片軸3025與連接片3024鉸接，兩件中間桿3028分設于撐板3022兩側，各中間桿3028 —端與V形架3021鉸接，各中間桿3028另一端與下架3023鉸接，下架3023上通過小圓柱輪銷軸3026裝設有圓柱輪3027，該圓柱輪3027用于與變形履帶301內圈配合。撐板3022時刻與連接片3024保持垂直，展開后的四連桿變形機構302將變形履帶301撐開為三角形，大大提高了機器人運動的穩定性。變形動力裝置304包括變形電機3041、傳動軸套3042和減速傳動機構，變形電機3041和減速傳動機構均裝設于機架I上，變形電機3041的輸出端與減速傳動機構的輸入端相連，減速傳動機構的輸出端與主軸2連接，傳動軸套3042 —端與V形架3021的彎折部固接，另一端與機架I固接。減速傳動機構包括第一錐齒輪3043、第二錐齒輪3044、蝸桿軸3045和蝸輪3046，第一錐齒輪3043與變形電機3041的輸出端相接，蝸桿軸3045可轉動的支承于機架I上，第二錐齒輪3044裝設于蝸桿軸3045上并與第一錐齒輪3043嚙合， 蝸桿軸3045與蝸輪3046嚙合，蝸輪3046固設于主軸2上。當變形電機3041驅動第一錐齒輪3043轉動，由第二錐齒輪3044將運動傳遞給渦輪蝸桿機構，使得主軸2與傳動軸套3042發生相對轉動，從而使得四連桿變形機構302展開。行進動カ裝置305包括行進電機3051、行進主動鏈輪3052、行進傳動鏈條3053、定位套3054、定位螺釘和行進從動鏈輪3056，行進主動鏈輪3052裝設于行進電機3051輸出端，行進從動鏈輪3056可轉動的支承于傳動軸套3042上，行進傳動鏈條3053繞設于行進主動鏈輪3052和行進從動鏈輪3056上，定位螺釘穿于定位套3054之內，定位套3054通過定位螺釘連接固定于行進從動鏈輪3056和同步帶輪組303之間，行進電機3051受到機身保護，減少機器人主動カ部分受到外界影響的可能，降低動カ部分的故障率，増加機器人運動穩定性。變形履帶301包括履帶齒層3011、彈性層3012和同步帶嚙合層3013，同步帶嚙合層3013固設于彈性層3012內圈、并與同步帶輪組303嚙合，履帶齒層3011設于彈性層3012外圈，履帶齒層3011中各履帶齒3014的底部與彈性層3012固接，通過三層結構的配合便于實現履帶伸長變形、弾性伸縮，且不影響運動和力的傳遞，四連桿變形機構302未展開時，在彈性層3012的作用下，變形履帶301保持圓形形狀，機器人呈圓輪模式前進，靈活機動；四連桿變形機構302展開時，弾性層3012被撐開，變形履帶301成為三角形狀態，機器人以三角履帶模式運動，運行平穩，可適應沼澤、坑洼、泥濘等復雜路況，增強機器人的環境適應能力。同步帶輪組303包括內側輪3031和外側輪3032，內側輪3031通過軸承支承于傳動軸套3042上、并通過定位螺釘與行進從動鏈輪3056連接固定，外側輪3032通過軸承支承于主軸2上，內側輪3031和外側輪3032外圈均與變形履帶301的同步帶嚙合層3013配合。本實施例中，變形履帶輪3還包括棘輪翻轉機構306，棘輪翻轉機構306包括棘輪3061、翻轉鏈輪3062和翻轉鏈條3063，翻轉鏈輪3062固設于行進電機3051的輸出端，棘輪3061固設于傳動軸套3042上，翻轉鏈條3063繞設于棘輪3061和翻轉鏈輪3062上，通過棘輪翻轉機構306可以實現兩種模式翻越障礙，機器人正向前進時為被動翻越，遇到障礙時履帶卡住障礙，通過棘輪3061帶動四連桿變形機構302以障礙點為支點，被動完成翻越障礙，即遇到障礙后輪子會自動翻轉；機器人反向運動時為主動翻越，通過棘輪3061帶動傳動軸套3042相對主軸2轉動，使得四連桿變形機構302立即翻轉，完成主動翻越障礙。
本發明的輪履復合變形履帶機器人，集成兩輪行進、三角履帶行進、主動攀爬、翻越障礙等多種運動模式于一體，行進速度快、能耗低，機動能力強，爬坡、越障、跨溝能力強。下面結合附圖對本發明的輪履復合變形履帶機器人作進ー步詳細說明。如圖15所示，當本發明的輪履復合變形履帶機器人遇到溝壑型的障礙，且溝壑的寬度接近同步帶輪組303半徑吋，變形電機3041驅動主軸2相對傳動軸套3042轉動，使四連桿變形機構302展開，將變形履帶301展開成三角形，將機身從溝壑內撐起，在行進電機3051的驅動下使機器人按照圖中a、b、c、d四個步驟越過溝壑障礙。本發明的輪履復合變形履帶機器人遇到突起型障礙時，可以有三種模式越過障礙。第一種模式如圖16所示，當機器人遇到普通的突起型障礙吋，變形電機3041驅動主軸2相對傳動軸套3042轉動，使四連桿變形機構302展開，將變形履帶301展開成三角 形，將機身前部撐起搭于障礙之上，在行進電機3051的驅動下使機器人按照圖中a、b、c、d四個步驟越過溝壑障礙。第二種模式如圖17所示，當機器人以履帶模式正向前進遇到普通的突起型障礙吋，變形履帶301前端卡住障礙物，在行進電機3051的驅動下，翻轉鏈輪3062通過翻轉鏈條3063將カ傳遞到棘輪3061上，由棘輪3061帶動傳動軸套3042相對主軸2轉動，使變形履帶輪3以障礙物接觸點為支點翻轉，即按圖中a、b、c、d四步驟實現被動越過障礙。第三種模式如圖18所示，當機器人遇到較高的突起型障礙物時，倒退向該較高的突起型障礙物，在還未接觸到障礙物吋，變形電機3041驅動主軸2相對傳動軸套3042轉動，使四連桿變形機構302展開，將變形履帶301展開成三角形，隨后在行進電機3051的反向驅動下，棘輪3061工作，由棘輪3061帶動傳動軸套3042相對主軸2轉動，使變形履帶輪3以障礙物接觸點為支點翻轉，即按圖中a、b、C、d、e、f六步驟實現主動翻轉越過障礙。如圖19所示，本發明的輪履復合變形履帶機器人遇到臺階型的障礙時，攀越第一級臺階的原理與跨越突起型障礙相同，之后在行進電機3051、變形履帶301的共同作用下便可順利爬上其余臺階。上述只是本發明的較佳實施例，并非對本發明作任何形式上的限制。雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然而并非用以限定本發明。任何熟悉本領域的技術人員，在不脫離本發明技術方案范圍的情況下，都可利用上述掲示的技術內容對本發明技術方案做出許多可能的變動和修飾，或修改為等同變化的等效實施例。因此，凡是未脫離本發明技術方案的內容，依據本發明技術實質對以上實施例所做的任何簡單修改、等同變化及修飾，均應落在本發明技術方案保護的范圍內。
權利要求
1.一種輪履復合變形履帶機器人，包括機架(I)和裝設于機架(I)上的一根主軸(2)，其特征在于所述主軸(2)兩端均裝設有一件可在圓形和三角形之間轉換、并帶有動力裝置的變形履帶輪(3)，所述機架(I)的前后兩側均裝設有一件支撐架(4)，各支撐架(4)底端均裝設有隨動導輪(41)。
2.根據權利要求I所述的輪履復合變形履帶機器人，其特征在于所述變形履帶輪(3)包括變形履帶(301)、同步帶輪組(303 )、行進動力裝置(305 )和用于驅動變形履帶(301)變形的四連桿變形機構(302)，所述同步帶輪組(303)可轉動的支承于主軸(2)上，所述行進動力裝置(305)裝設于機架(I)上、并驅動同步帶輪組(303)轉動，所述變形履帶(301)套設于同步帶輪組(303)外，所述四連桿變形機構(302)裝設于同步帶輪組(303)內、并與變形履帶(301)內圈配合，所述機架(I)上裝設有用于驅動四連桿變形機構(302 )的變形動力裝置(304)。
3.根據權利要求2所述的輪履復合變形履帶機器人，其特征在于所述四連桿變形機 構(302)包括V形架(3021)、撐板(3022)、連接片(3024)、兩件下架(3023)和兩件中間桿(3028)，所述V形架(3021)的彎折部與變形動力裝置(304)相連，所述撐板(3022)上端與主軸(2)固接，撐板(3022)下端與連接片(3024)固接，兩件下架(3023)分設于連接片(3024)兩側、并與連接片(3024)鉸接，兩件中間桿(3028)分設于撐板(3022)兩側，各中間桿(3028)—端與V形架(3021)鉸接，各中間桿(3028)另一端與下架(3023)鉸接，所述下架(3023)上裝設有用于與變形履帶(301)內圈配合的圓柱輪(3027)。
4.根據權利要求3所述的輪履復合變形履帶機器人，其特征在于所述變形動力裝置(304)包括變形電機(3041 )、減速傳動機構和傳動軸套(3042)，所述變形電機(3041)和減速傳動機構均裝設于機架(I)上，所述變形電機(3041)的輸出端與減速傳動機構的輸入端相連，所述傳動軸套(3042 )套設于主軸(2 )上，傳動軸套(3042 ) 一端與所述V形架(3021)的彎折部固接，另一端與機架(I)固接。
5.根據權利要求4所述的輪履復合變形履帶機器人，其特征在于所述減速傳動機構包括第一錐齒輪(3043)、第二錐齒輪(3044)、蝸桿軸(3045)和蝸輪(3046)，所述第一錐齒輪(3043 )與變形電機(3041)的輸出端相接，所述第二錐齒輪(3044)裝設于蝸桿軸(3045 )上并與第一錐齒輪(3043)嚙合，所述蝸桿軸(3045)與蝸輪(3046)嚙合，所述蝸輪(3046)固設于主軸(2)上。
6.根據權利要求4或5所述的輪履復合變形履帶機器人，其特征在于所述行進動力裝置(305)包括行進電機(3051)、行進主動鏈輪(3052)、行進傳動鏈條(3053)、定位套(3054)、定位螺釘和行進從動鏈輪(3056)，所述行進主動鏈輪(3052)裝設于行進電機(3051)輸出端，所述行進從動鏈輪(3056)可轉動的支承于所述傳動軸套(3042)上，所述行進傳動鏈條(3053)繞設于行進主動鏈輪(3052)和行進從動鏈輪(3056)上，所述定位套(3054)通過定位螺釘連接固定于行進從動鏈輪(3056)和同步帶輪組(303)之間。
7.根據權利要求6所述的輪履復合變形履帶機器人，其特征在于所述變形履帶(301)包括履帶齒層(3011)、彈性層(3012)和同步帶嚙合層(3013)，所述同步帶嚙合層(3013)固設于彈性層(3012)內圈、并與同步帶輪組(303)嚙合，所述履帶齒層(3011)設于彈性層(3012)外圈，履帶齒層(3011)中各履帶齒(3014)的底部與彈性層(3012)固接。
8.根據權利要求7所述的輪履復合變形履帶機器人，其特征在于所述同步帶輪組(303)包括內側輪(3031)和外側輪(3032)，所述內側輪(3031)通過軸承支承于傳動軸套(3042 )上、并通過定位螺釘與行進從動鏈輪(3056 )連接固定，所述外側輪(3032 )通過軸承支承于主軸(2)上，所述內側輪(3031)和外側輪(3032)外圈均與變形履帶(301)的同步帶嚙合層(3013)配合。
9.根據權利要求8所述的輪履復合變形履帶機器人，其特征在于所述變形履帶輪(3)還包括棘輪翻轉機構(306)，所述棘輪翻轉機構(306)包括棘輪(3061 )、翻轉鏈輪(3062)和翻轉鏈條(3063)，所述翻轉鏈輪(3062)固設于所述行進電機(3051)的輸出端，所述棘輪(3061)固設于所述傳動軸套(3042)上，所述翻轉鏈條(3063)繞設于棘輪(3061)和翻轉鏈輪(3062)上。
全文摘要
本發明公開了一種輪履復合變形履帶機器人，包括機架和裝設于機架上的一根主軸，所述主軸兩端均裝設有一件可在圓形和三角形之間轉換、并帶有動力裝置的變形履帶輪，所述機架的前后兩側均裝設有一件支撐架，各支撐架底端均裝設有隨動導輪。該輪履復合變形履帶機器人具有運動靈活、適應能力強、結構簡單、工作穩定的優點。
文檔編號B62D55/04GK102849132SQ20121008927
公開日2013年1月2日 申請日期2012年3月30日 優先權日2012年3月30日
發明者羅自榮, 尚建忠, 席磊, 任立松, 楊軍宏, 王卓 申請人:中國人民解放軍國防科學技術大學