一种履带雪橇复合行走极地机器人 |
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| 申请号 | CN201910806345.9 | 申请日 | 2019-08-29 | 公开(公告)号 | CN110481667B | 公开(公告)日 | 2022-01-14 |
| 申请人 | 哈尔滨工程大学; | 发明人 | 王克义; 张武屹; 陈朝; 王朝阳; 章梓星; | ||||
| 摘要 | 本 发明 提供一种 履带 雪 橇复合行走极地 机器人 ，变位履带行走机构包括四条独立行走履带和履带 摇臂 支架 ，行走履带包括履带、 驱动轮 、 支撑 轮和引导轮，履带围绕驱动轮、支撑轮和引导轮，驱动轮的转动是采用空 心轴 连接减速器轴，履带摇臂支架的转动是采用位于空心轴内部的实心轴的转动，通过控制前导轮轴与 摇臂轴 的 锁 死实现不同的履带前进运动方式； 风 帆雪橇机构包括机器人 机身 顶部的风帆和底部的自由升降的雪橇，顶部的风帆可以由减速 电机 实现风帆的升起和降落，底部的雪橇可以从 车身 底部弹出并调整雪橇的 角 度，进而调节机器人的 俯仰 程度，达到在倾斜路面行驶时使得车身依然能够保持 水 平，从而保证车身内部的仪器能够正常运行的目的。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种履带雪橇复合行走极地机器人，其特征在于：包括机器人机身、设置在机器人机身上的变位履带行走机构和风帆雪橇机构，变位履带行走机构包括对称设置在机器人主体外的四个摇臂履带，风帆雪橇机构包括位于机器人机身外的风帆升降机构和位于机器人机身内部的雪橇升降机构；所述摇臂履带包括设置在机器人机身内的伺服电机和齿轮减速器、设置在齿轮减速器上的常闭式电磁制动器、与齿轮减速器输出端连接的空心的驱动轮轴、设置在驱动轮轴上的驱动轮、两块摇臂板、设置在摇臂板一端部之间的引导轮轴、设置在引导轮轴上的引导轮、设置在引导轮轴端部且位于摇臂板外的常开式电磁制动器、设置在引导轮与驱动轮之间的履带，在空心的驱动轮轴内设置有实心的摇臂轴，摇臂轴的一端与摇臂板固连、另一端与常闭式电磁制动器连接；在两个摇臂板之间还设置有支撑轮轴，支撑轮轴上设置有支撑履带的支撑轮；所述雪橇升降机构包括设置在机器人机身上的支架、位于支架内的安装架、设置在安装架上的雪橇驱动电机和丝杠驱动电机、与雪橇驱动电机输出端连接的雪橇主动旋转轴、设置在雪橇主动旋转轴上的曲柄、与曲柄铰接的连杆、与连杆铰接的摇杆、与摇杆铰接的雪橇被动旋转轴、分别设置在雪橇被动旋转轴与主动旋转轴上的雪橇、与丝杠驱动电机输出端连接的丝杠、设置在丝杠上的螺母，在螺母与支架之间、安装架与支架之间分别铰接有连杆，在支架上端设置有减速电机，风帆铰接在支架上，且减速电机驱动风帆转动。 |
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| 说明书全文 | 一种履带雪橇复合行走极地机器人技术领域[0001] 本发明涉及一种履带雪橇复合行走极地机器人，属于极地机器人辅助工作领域。 背景技术[0003] 由于极地地区低温，强风，强紫外线等极端恶劣的自然环境，科学家野外工作环境地形复杂，此时极地机器人就是科学家的辅助运输、勘探、调差探测的好帮手。极地机器人可以实现野外自主移动，具有较强的地面通过能力，具有优秀的续航能力，在科研人员的控制下完成不同的工作任务。 发明内容[0005] 本发明的目的是为了提供一种履带雪橇复合行走极地机器人，一种采用变位履带和风帆雪橇复合行走方式的极地机器人。 [0006] 本发明的目的是这样实现的：包括机器人机身、设置在机器人机身上的变位履带行走机构和风帆雪橇机构，变位履带行走机构包括对称设置在机器人主体外的四个摇臂履带，风帆雪橇机构包括位于机器人机身外的风帆升降机构和位于机器人机身内部的雪橇升降机构。 [0007] 本发明还包括这样一些结构特征： [0008] 1. 所述摇臂履带包括设置在机器人机身内的伺服电机和齿轮减速器、设置在齿轮减速器上的常闭式电磁制动器、与齿轮减速器输出端连接的空心的驱动轮轴、设置在驱动轮轴上的驱动轮、两块摇臂板、设置在摇臂板一端部之间的引导轮轴、设置在引导轮轴上的引导轮、设置在引导轮轴端部且位于摇臂板外的常开式电磁制动器、设置在引导轮与驱动轮之间的履带，在空心的驱动轮轴内设置有实心的摇臂轴，摇臂轴的一端与摇臂板固连、另一端与常闭式电磁制动器连接。 [0009] 2. 在两个摇臂板之间还设置有支撑轮轴，支撑轮轴上设置有支撑履带的支撑轮。 [0010] 3. 所述雪橇升降机构包括设置在机器人机身上的支架、位于支架内的安装架、设置在安装架上的雪橇驱动电机和丝杠驱动电机、与雪橇驱动电机输出端连接的雪橇主动旋转轴、设置在雪橇主动旋转轴上的曲柄、与曲柄铰接的连杆、与连杆铰接的摇杆、与摇杆铰接的雪橇被动旋转轴、分别设置在雪橇被动旋转轴与主动旋转轴上的雪橇、与丝杠驱动电机输出端连接的丝杠、设置在丝杠上的螺母，在螺母与支架之间、安装架与支架之间分别铰接有连杆，在支架上端设置有减速电机，风帆铰接在支架上，且减速电机驱动风帆转动。 [0011] 与现有技术相比，本发明的有益效果是：变位履带在表面不平坦的雪地行驶时，具有较大的接触面积和较小的接地比压，从而保证为车身提供足够的牵引力。前进过程遇到障碍时可以通过调整履带的摇臂的角度，使得履带搭在障碍物上，履带接着前进，从而实现越障。机器人的履带采用低温橡胶履带，其特点是用橡胶凸起替代传动的金属传动件，类似于同步带传动，兼具有带传动、链传动和齿轮传动的一些特性。低温橡胶履带在寒冷的环境中依然有良好的使用特性，同时质量较轻，更换便捷，适用于中小型履带机器人。风帆雪橇行走系统在有风的天气下可以升起风帆，为雪橇行走提供动力，雪橇可以在平坦的雪地滑行，减少机器人自身电池的能源消耗，增加机器人的极地户外探索距离。附图说明 [0012] 图1为履带雪橇复合行走极地机器人三维模型图； [0013] 图2(a)‑(d)为履带雪橇复合行走极地机器人行走过程的示意图； [0014] 图3为变位履带行走机构二维图； [0015] 图4为变位履带行走机构三维模型图； [0016] 图5为风帆雪橇行走机构二维图； [0017] 图6是曲柄摇杆机构示意图； [0018] 图7为风帆雪橇行走机构三维模型图； [0019] 图中标号：1 引导轮，2 常开式电磁制动器，3 摇臂板，4承重轮，5 驱动轮，6空心驱动轮轴，7 实心摇臂轴，8 履带，9齿轮减速器，10 常闭式电磁制动器,11 伺服电机，12 支架，13 减速电机，14 风帆，15丝杠驱动电机，16 雪橇驱动电机，17连杆，18 螺母，19 丝杠，20 雪橇主动旋转轴，21 雪橇板， 22雪橇机构曲柄，23 雪橇机构连杆，24 雪橇机构摇杆， 25 雪橇被动旋转轴。 具体实施方式[0020] 下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。 [0021] 本发明一方面提供一种新型履带雪橇复合行走机器人，包括机器人主体和本发明提供的变位履带行走机构和风帆雪橇机构。所述变位履带行走机构与所述机器人主体连接，极大提高机器人的复杂地形的通过能力和遇险自救能力，所述风帆雪橇机构适合在平滑的雪地和顺风的天气下弹出使用以增加机器人的续航能力，所述风帆雪橇机构的雪橇板可以进行姿态的调整以保证机器人车身的处于相对水平的位置。 [0022] 变位履带行走机构，所述变位履带行走机构包括四条独立的摇臂履带和履带支架，每一所述摇臂履带包括履带8、驱动轮5、承重轮4、引导轮1、摇臂板3、常开式电磁制动器2、常闭式电磁制动器10、空心驱动轮轴6、实心摇臂轴7，所述履带围绕所述驱动轮和所述引导轮啮合，所述履带中部由承重轮支撑，所述空心驱动轮轴与齿轮减速器9相连接，所述实心摇臂轴7穿过空心驱动轮轴6，一端与摇臂板3固定，一端与齿轮减速器上的常闭式电磁制动器10固定。变位履带行走机构的特征是：正常水平路面行走情况下实心摇臂轴7被常闭式电磁制动器10锁死，伺服电机11驱动齿轮减速器9并连接驱动轮5使得驱动轮5旋转，驱动轮 5与引导轮1之间的履带8可以正常转动，实现履带前进；当遇到障碍需要履带摇臂位置发生改变时，常闭式电磁制动器10打开，实心摇臂轴7被松开，摇臂板3可以转动，常开式电磁制动器2关闭，引导轮1被锁死，此时驱动轮5的转动会使得整个摇臂板3发生转动，实现摇臂的摆动。 [0023] 所述变位履带行走机构是位于车身外部关于机器人前后左右对称布置的四条独立的摇臂履带，每条摇臂履带由底盘上单个伺服电机11连接齿轮减速器9驱动，每条摇臂履带油两种工作方式，其依靠电磁制动器2、10的开关实现履带8的前进或者摇臂板3的旋转。所述摇臂履带的橡胶履带依次围绕驱动轮5、承重轮4、引导轮1相啮合，所述摇臂履带的摇臂板连接驱动轮5与引导轮1，所述摇臂履带可以进行360°旋转，所述摇臂履带的摇臂旋转轴7为实心轴，其穿过空心驱动轮轴6并由位于减速器9外围的常闭式电磁制动器10控制。 [0024] 风帆雪橇机构，所述风帆雪橇机构包括置于车身外部的风帆升降机构和置于车身内部的雪橇升降机构，所述风帆机构升降包括风帆14、减速电机13，所述雪橇升降机构包括雪橇弹出机构和姿态调整机构，所述雪橇弹出机构为一曲柄摇杆机构，通过一个伺服电机驱动雪橇板主动旋转轴20转动，带动与之固连的雪橇板21转动，使得雪橇板从车体内弹出（图2（b）、（d）），所述姿态调整机构依次包括支架12、丝杠19、螺母18以及连杆17组成的变形的摆动导杆机构（图2（a）、（c）），调整车体的姿态。所述风帆雪橇机构的风帆的升降采用减速电机13驱动风帆14升起与降落。 [0025] 当采用履带行走时，减速电机13驱动风帆14落下至平贴于机器人车身顶部（图2（a）），雪橇位于机器人车身内部，从而减小空气阻力和增加车体的稳定性；当采用风帆雪橇行走时，四条摇臂履带旋转至相应位置支起机器人车身，雪橇弹出机构弹出雪橇板21，姿态调整机构调整车身至合适的俯仰角度，然后四条摇臂履带回收至指定位置，风帆14升起，此时借助风力作为驱动力使机器人车身前进。 [0026] 结合图1，履带雪橇复合行走机器人主要是包括变位履带行走机构和风帆雪橇升降机构，即由四条独立的变位履带和可回收调整的雪橇机构组成。结合图2(a)、图2(b)为采用履带行走方式时的结构示意图，采用履带行走方式时，风帆14收起，雪橇板21藏于车身内部，每条变位履带可以依靠重力封闭使得履带与地面相接触并具有较小的接触比压力，遇到障碍物时可以改变摇臂履带的位置使得履带可以通过障碍物。图2(c)、图2(d)为采用履带行走方式时的结构示意图，采用雪橇行走方式时，雪橇板21弹出，风帆14升起提供行进动力。 [0027] 结合图3、4为变位履带机构，其采用履带前进时把伺服电机11与实心摇臂轴7间的传动链断开，即常闭式电磁制动器10处于关闭状态，锁死实心摇臂轴7，同时伺服电机11与空心驱动轮轴6间的传动链闭合，此时常开式电磁制动器2处于常开状态，引导轮1可以正常旋转。当极地机器人上下坡或者越障时，常闭式电磁制动器10处于打开状态，常开式电磁制动器2锁死，实心摇臂轴7可以旋转运动，伺服电机11与实心摇臂轴7间的传动链闭合。此时驱动轮5‑履带8‑前导轮1作为一个整体可以作平面转动，通过旋转履带摇臂的实现越障。 [0028] 结合图5、6，风帆雪橇机构包括机器人主体车身外部的风帆14和内部的雪橇弹收与调整机构，风帆14的升降由减速电机13控制。车身内部的雪橇升降机构是由驱动电机15和驱动电机16进行控制。驱动电机15通过驱动丝杠19实现螺母的移动，控制雪橇机构整体的俯仰姿态，驱动电机16通过控制雪橇板主动旋转轴20运动实现的弹出。两个驱动电机分别为两个四杆机构的动力元件，其实质是控制两个不同平面内四杆机构的运动。 [0029] 综上，本发明的目的是针对极地区域特殊的地理位置和自然环境条件，设计一种具有可切换行走方式的履带雪橇复合行走极地机器人，包括：变位履带行走机构，其包括四条独立摇臂履带和驱动控制单元，摇臂履带包括履带8、驱动轮5、承重轮4和引导轮1，履带8围绕驱动轮5、承重轮4和引导轮1，驱动轮5的转动是采用空心驱动轮轴6连接驱动单元，摇臂板3的转动是通过实心摇臂轴7连接驱动控制单元，驱动控制单元包括常开式电磁制动器2，齿轮减速器9，常闭式电磁制动器10和伺服电机11，通过两个电磁制动器不同的使用情况实现不同的运动。风帆雪橇机构，包括机器人车体顶部的风帆升降机构和底部的雪橇弹收调整机构，减速电机13实现风帆14的升起和降落，底部的雪橇板21可以弹出并调整角度，进而调节机器人的俯仰程度，达到在倾斜路面行驶时使得车身依然能够保持水平，从而保证车身内部的仪器能够正常运行的目的。同时机器人前进过程能够根据不同的环境特点采用不同的前行方式，提高越障能力和增加续航时间。主要创新点是机器人采用位置可变履带和风帆雪橇机构的组合方式行进，同时位置可变履带和雪橇升降机构的结构也有所创新。 |
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