一種行星輪機器人的制作方法
【專利摘要】本實用新型涉及一種行星輪機器人，其特征在于：包括左右兩節車體，并通過搖臂懸架系統連接成一體，所述搖臂懸架與兩節車體進行鉸接；所述車體的外側具有四塊豎直鉸接的側板，分別為側板Ⅰ，側板Ⅱ，側板Ⅲ，側板Ⅳ，所述側板Ⅰ上固定前輪，所述側板Ⅳ上固定后輪；所述側板Ⅰ與側板Ⅳ的中部還分別與前、后轉向架鉸接；每節車體內部上下固定設有一對滾珠絲桿，所述側板Ⅰ與側板Ⅱ鉸接處、側板Ⅲ與側板Ⅳ的鉸接處分別通過連桿與各自滾珠絲桿連接；所述側板Ⅰ、側板Ⅱ、前轉向架、連桿組成四桿變形機構，所述行星輪機器人具有四組對稱設置的四桿變形機構，所述四組對稱的四桿變形機構是所述行星輪機器人的底盤。
【專利說明】一種行星輪機器人
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及一種行星輪機器人，屬于機器人【技術領域】。
【背景技術】
[0002]行星輪機器人是一款基于輪系本身越障考慮而設計的移動機器人，它采用行星輪結構，通過自身輪系的翻轉實現越障功能，廣泛應用與越障小車設計。
[0003]行星輪系是一種先進的齒輪傳動機構，具有傳動功率大、承載能力大、結構緊湊等優點，行星輪由于具有良好的越障能力，多見于越障機器人的輪系設計之中。
[0004]應用于越障機器人的行星輪系又可分為外行星輪和內行星輪。外行星輪示意圖如圖1所示。行星輪基于差動傳動規律，中心齒輪由電機通過聯軸器等驅動，通過齒輪嚙合帶動過渡齒輪和行星輪進行轉動，車輪與驅動輪是固接在一起的，于是帶動車輪繞著中心齒輪和驅動齒輪軸轉動，猶如行星繞著太陽公轉一般，所以形象地稱這種齒輪傳動機構為行星輪系。
[0005]在平坦路面行駛時，受到兩個輪子同時著地的約束，行星支架不會發生翻轉，遂演變成定軸輪系，利用車輪快速驅動前進，其行駛效率和普通輪系無異。同時由于是多輪著地，從而增大了車輪與地面的接觸面積，不僅提高了機器人的運動穩定性，還降低了接地比壓，使機器人具有較好了地形通過性。當遇到較大障礙物時，由于前進的車輪受到阻力，于是演變成行星輪系，此時通過行星架的翻轉從而輕松實現越障和爬臺階。
[0006]行星輪系依靠自身的行星架翻轉進行越障，不需要復雜的輔助機構，因此大大簡化了機械機構。其越障過程如圖2所示。
[0007]現有的行星輪機器人，具有以下不足:
[0008]機器人底盤設計的柔韌度不足，在復雜的地面環境中，無起到緩沖作用的裝置，輪系容易碰傷損壞；
[0009]機器人轉向系統模仿汽車，主要由轉向驅動軸帶動前輪轉動，達到轉向的目的，而后輪無法轉動，采用這種轉向系統的機器人轉彎半徑較大，轉向系統的結構也較復雜；
[0010]機器人整體體積較大存放不便；
[0011]機器人地面適應能力較差，越障能力不足；
[0012]機器人拆卸不便，維護不便；
【發明內容】
[0013]本實用新型需要解決的技術問題是:現有的行星輪機器人，底盤設計的柔韌度不足，輪系容易碰傷損壞；轉向系統的機器人轉彎半徑較大，轉向系統的結構也較復雜；整體體積較大存放不便；地面適應能力較差，越障能力不足；拆卸不便，維護不便。
[0014]本實用新型采取以下技術方案:
[0015]一種行星輪機器人，包括左右兩節車體，并通過搖臂懸架連接成一體，所述搖臂懸架與兩節車體進行鉸接；所述車體的外側具有四塊豎直鉸接的側板，分別為側板I，側板II，側板III，側板IV，所述側板I上固定前輪，所述側板IV上固定后輪；所述側板I與側板IV的中部還分別與前、后轉向架鉸接；每節車體內部上下固定設有一對滾珠絲桿，所述側板I與側板II鉸接處、側板III與側板IV的鉸接處分別通過連桿與各自滾珠絲桿連接；所述側板1、側板I1、前轉向架、連桿組成四桿變形機構，所述行星輪機器人具有四組對稱設置的四桿變形機構，所述四組對稱的四桿變形機構是所述行星輪機器人的底盤。
[0016]進一步的，所述搖臂懸架為四輪搖臂懸架。
[0017]進一步的，所述側板上設有滾珠絲桿的驅動電機。
[0018]進一步的，所述車體上方還設有搭在平臺，所述搭在平臺搭在攝像頭。
[0019]本實用新型通過四桿變形底盤設計。該設計想法主要源于自然界動物運動規律的仿生設計，通過四桿結構的變形，可輕松實現機器人的存儲與展開模式的輪距互換，同時在復雜環境中通過車輪收縮可具備一定的防護輪系作用。行星車輪在存儲時可以收縮到車體包絡的空間內，這樣的設計目的主要有兩點，一是節約存放空間，二是保護行星車輪。
[0020]行星輪與縱向分節車體的組合設計。行星輪具有良好的越障能力，該設計實現了輪式、懸架、車體越障能力及地形適應能力的優優組合，在各自的設計方案中挑選適當的機構，經過優化組合設計，實現不同構造間的有機結合，使各自的功能發揮到最大化，實現在非結構化的自然環境和臺階、樓梯等結構化環境中良好的地形通過能力。行星輪在在在平坦路面上運動時，具有速度穩定、低功耗的特性。
[0021]機器人模塊化設計。為滿足可拆卸、易維護等要求，機器人結構應用模塊化設計思想。模塊化思想的核心是把復雜的系統轉變成多個簡單的模塊組成，它的優點是有利于系統的設計和分析，各功能模塊之間相互獨立裝配，互不干擾；同時模塊具有即裝即用的性能，互換性比較強。
[0022]多功能搭載平臺。為了增強機器人的實用性能，在完成機器人移動系統的優化設計的基礎上，設計了一款多功能搭載平臺，該設計理念得益于模塊化設計，機器人的平臺可根據需要搭載不同的工具，實現機器人的實用功能多樣化，滿足機器人偵察探測、搜索救災等功能要求。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0023]圖1是行星輪的結構示意圖。
[0024]圖2是行星輪越障時的示意圖。
[0025]圖3是行星輪的立體示意圖。
[0026]圖4是本實用新型行星輪機器人的立體示意圖。
[0027]圖5是行星輪機器人底盤伸展開來時的示意圖。
[0028]圖6是行星輪機器人底盤收縮起來時的示意圖。
[0029]圖7是本實用新型中的四桿變形機構的原理示意圖，圖中，桿AC、桿BC、桿⑶，桿DE是絲桿變形機構的四桿。
[0030]圖8是單側車體底盤的結構示意圖。
[0031]圖9是連桿與滾珠絲桿進行連接的局部示意圖。
[0032]圖10是本實用新型的行星輪機器人的整體設計示意圖。
[0033]圖11是本實用新型的行星輪機器人進行轉向時的示意圖。[0034]圖12是本實用新型的行星輪機器人進行爬坡時的示意圖。
[0035]圖13是本實用新型的行星輪機器人進行越障時的示意圖。
[0036]圖中，1.四桿變形底盤，2.四輪搖臂懸架，3.滾珠絲桿，4.鉸接的浮動邊框架，
5.行星輪，6.軸承均化鏈接，7.左右分節車體，8.均化鏈接支點，9.軸承均化鏈接，10.轉動軸線，11.轉向架。
【具體實施方式】
[0037]下面結合具體實施例對本實用新型進一步說明。
[0038]本實用新型創造的目的在于要解決移動機器人越障能力、地形適應能力和運動穩定性的技術難題。受烏龜自我防護的啟發，設計了基于滾珠絲桿帶動的四桿變形底盤，能夠在機器人存儲時，將行星輪隱藏到車體內部包絡的空間里，可節約30%左右的空間。設計的由四輪搖臂懸架及均化車體組成的均化系統，能夠保證車輪同時著地，極大地提高了移動機器人的運動穩定性和地形適應能力。下面分部件詳細介紹本實用新型創造的內容。
[0039]行星輪驅動模塊:
[0040]如圖3所示為行星輪驅動模塊齒輪傳動系統的結構圖，詳細地表明了動力傳遞和整體布局的情況。行星輪驅動模塊采用三拓牌渦輪蝸桿直流電機固定在底盤連桿支架上，電機輸出軸通過一對配合的皮帶輪傳遞到行星輪系上的中心齒輪，再分別通過3個過渡齒輪將動力傳遞給驅動齒輪，最后傳至接地的輪胎。
[0041]根據已有的參數經驗值，中心齒輪的分度圓半徑應明顯大于驅動齒輪的分度圓半徑。同時考慮到輪觸地條件，在每兩組行星齒輪之間，行星輪支架零件都盡量往內部收縮，以防在攀越直角障礙的時候發生干涉。同時在行星輪傳動部件的空隙處布置了一些螺釘孔，用于將上下兩塊行星輪支架固定在一起。
[0042]行星輪支架采用高強度亞克力零件，不僅方便加工，降低成本，同時起到了減輕重量，提高了載荷能力的作用。為行星齒輪傳動部件三維效果圖，基于減輕驅動電機的顛簸反應、同時增強車體穩定性的考慮，電機驅動方案選擇了同步帶輪。由于設計速度不高，但要求機器人的越障能力，所以采用了較大的減速比來提高車輪的驅動力矩，以滿足粗糙路面的驅動要求。為了進一步降低轉速和增加驅動力矩，電機輸出軸和皮帶輪中的小齒輪緊固連接，大齒輪的輸出軸則連接行星車輪，減速比為4:3。電機通過螺栓與底盤的變形桿緊固。
[0043]機器人所用電機為渦輪蝸桿電機，渦輪蝸桿電機具有一定的自鎖性，即在斷電的情況下，在外力作用下也不會發生轉動。
[0044]四桿變形底盤模塊:
[0045]基于自然界動物運動的仿生設計，機器人配置的變形底盤可實現儲存模式和展開模式的輪距轉化，如圖5、6所示。通過四組對稱的四桿機構進行變形，當底盤展開時，四桿機構變成一個菱形，當底盤收縮時，四桿機構則變成一條直線，每組四桿機構具有獨立驅動裝置。[0046]四桿變形機構的工作原理如圖7所示，圖中最下方A點的運動被限制在2個方向上有一個線性導軌，并通過絲桿滑塊在y方向上被致動，從而帶動其他桿的轉動。而E點和B點固定鉸接在浮動邊框的兩端，C，D兩點具有3個自由度，既可以轉動，也可以沿著X方向或y方向移動，從而實現桿的包絡空間的轉化。
[0047]浮動邊框布置的內部空間足夠容納行星車輪，四桿機構的收縮使機器人在儲存時可以將車輪完全隱藏在車體內部，這將節約30%左右的存儲空間，并具有一定的保護輪系及電機的作用，在復雜的環境下，實現自我防護。
[0048]方案設計的四桿變形機構如圖8所示，選用的線性導軌為滾珠絲桿，驅動電機選用20W直流減速電機。滾珠絲桿的有效行程為260mm，符合變形要求。圖9所示的是絲桿滑塊與連桿的鏈接，通過軸銷的銷接，桿與滑塊之間可以有一定的轉動角度，滿足驅動桿變形的基本要求。
[0049]四輪搖臂懸架模塊:
[0050]四輪搖臂懸架由兩個鉸接的浮動邊框組成，通過機器人的均化系統，實現搖臂的相對擺動，機器人可以適應非結構化地形，保持運動穩定性，如圖10所示。在車體兩側各安裝一個浮動邊框。每個浮動邊框都是一個獨立模塊，支撐兩個行星輪。通過側框架上的樞轉中心軸，車輪可以順應地勢不平，并保持各輪壓力均分。
[0051]機器人的主動適應地形的功能、保持各輪壓力均分是通過邊框上的軸承實現的，軸承固定在邊框上。當道路高低不平時，車輪則通過繞著軸承中心軸旋轉的方式來適應地形。由于左右兩邊也是對稱獨立模塊，所以在使用維護上較為方便，當某一個模塊出現問題時，可以及時更換。
[0052]考慮到車體本身重量的約束，懸架邊框采用角型鋁，截面規格為20*20mm。鋁材較軟，可以用切鋁機進行切割，制作加工比較方便，無需打孔固接，效率高，制作周期較短。在機器人的調試運行階段，當框架出現問題的時候，方便改接。角型鋁連接在快速運動顛簸過程難免會出現螺絲、螺栓松動的情況，但本項目機器人設計時速較慢，低速轉動，因為使用角型鋁制作鉸接浮動邊框相對比較方便。
[0053]左右分節車體模塊:
[0054]機器人的車體框架結構分為左車體、右車體的鏈接部件，左右車體的樞轉中心軸通過萬向節連接。綜合考慮制作難度、零件強度、零件重量、制作周期和制作成本等因素，選用角型鋁作為主體結構。
[0055]車體搭載平臺支架的兩個對稱的支架分別固定在左右車體的浮動邊框上，以利于實現左右車體的均分壓力，使機器人具備良好的地形適應能力。車體搭載平臺材質為亞克板，可以根據需要搭載各種實用儀器，為搭載攝像頭的偵察機器人平臺。
[0056]鉸接均化車體的構造使機器人在行駛過程中，在地面高低不平的情況下，能夠保證四組行星輪同時接地，增強了機器人的運動穩定性和地形適應能力。
【權利要求】
1.一種行星輪機器人，其特征在于: 包括左右兩節車體，并通過搖臂懸架連接成一體，所述搖臂懸架與兩節車體進行鉸接; 所述車體的外側具有四塊豎直鉸接的側板，分別為側板I，側板II，側板III，側板IV，所述側板I上固定前輪，所述側板IV上固定后輪； 所述側板I與側板IV的中部還分別與前、后轉向架鉸接； 每節車體內部上下固定設有一對滾珠絲桿，所述側板I與側板II鉸接處、側板III與側板IV的鉸接處分別通過連桿與各自滾珠絲桿連接； 所述側板1、側板I1、前轉向架、連桿組成四桿變形機構，所述行星輪機器人具有四組對稱設置的四桿變形機構，所述四組對稱的四桿變形機構是所述行星輪機器人的底盤。
2.如權利要求1所述的行星輪機器人，其特征在于:所述搖臂懸架為四輪搖臂懸架。
3.如權利要求1所述的行星輪機器人，其特征在于:所述側板上設有滾珠絲桿的驅動電機。
4.如權利要求1所述的行星輪機器人，其特征在于:所述車體上方還設有搭在平臺，所述搭載平臺可搭載攝像頭、機器手臂等儀器。
【文檔編號】B62D57/02GK203601424SQ201320514330
【公開日】2014年5月21日 申請日期:2013年8月21日 優先權日:2013年8月21日
【發明者】祝保領, 金曉怡, 韓旺, 鈕冬科, 周宏宇, 張向偉, 徐楊 申請人:上海工程技術大學