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CN114571911A - 一种高机动机器人用主动式轮爪变形机构 - Google Patents

一种高机动机器人用主动式轮爪变形机构 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种高机动机器人用轮爪变形机构，包括电机支架、电机、轮轴、大瓣轮、小瓣轮、舵机、转动曲柄、拉簧和轮爪，电机通过电机支架固定在机架上，电机的输出轴与轮轴的一端固定连接，大瓣轮、小瓣轮均与轮轴的另一端周向固定，轮爪设置在大瓣轮、小瓣轮之间，舵机设置在大瓣轮上；转动曲柄空套在轮轴的另一端，且转动曲柄通过的连杆和舵机臂与舵机的输出轴连接，拉簧的一端设置在转动曲柄上，另一端设置轮爪上。本发明可通过舵机，主动将轮爪伸出，以增强越障能力。

Description

一种高机动机器人用主动式轮爪变形机构
技术领域
本发明属于高机动机器人技术，具体为一种高机动机器人用主动式轮爪变形机构。
背景技术
相较于普通的轮式移动机器人，轮爪一体式移动机器人越障能力更强。相对于腿式机器人，轮爪一体式移动机器人的移动速度更快。轮爪一体式机器人结合了轮式和腿式机器人的优点，能够适应更复杂的地形，并保证工作效率。然而，目前的移动式机器人少有能够切换轮爪的行走机构，运动模式单一，难以适应复杂地形。
发明内容
本发明提出了一种高机动机器人用主动式轮爪变形机构。
实现本发明的技术解决方案为：一种高机动机器人用轮爪变形机构，包括电机支架、电机、轮轴、大瓣轮、小瓣轮、舵机、转动曲柄、拉簧和轮爪，电机通过电机支架固定在机架上，电机的输出轴与轮轴的一端固定连接，大瓣轮、小瓣轮均与轮轴的另一端周向固定，轮爪设置在大瓣轮、小瓣轮之间，舵机设置在大瓣轮上；转动曲柄空套在轮轴的另一端，且转动曲柄通过的连杆和舵机臂与舵机的输出轴连接，拉簧的一端设置在转动曲柄上，另一端设置轮爪上；
在圆轮模式下运动时，电机带动轮轴转动，轮轴带动大瓣轮和小瓣轮转动，此时舵机输出轴不转，转动曲柄不发生转动，轮爪不伸出；
变形时，舵机的输出轴转动，带动转动曲柄转动，拉动拉簧，拉簧拉动轮爪伸出，当轮爪需要收回时，舵机反向转动，通过相同的传动方式拉动轮爪收回；
轮爪模式下运动时，电机带动轮轴转动，轮轴带动大瓣轮和小瓣轮转动，舵机输出轴不转，转动曲柄不发生转动，轮爪伸出的角度不变。
优选地，所述机架包括管夹、碳板、方管端管夹、方管压块、方管压块座，所述管夹设置在碳板的一面；方管端管夹设置在碳板的另一面，方管端管夹与方碳管的一端固定连接，方碳管的另一端、方管压块、方管压块座依次固定连接。
优选地，所述电机通过电机支架固定在机架上。
优选地，所述大瓣轮内设置有第一八边形件，所述转动曲柄空套在套筒上，轮轴穿过套筒和第一八边形件周向固定。
优选地，所述小瓣轮上设置有轴端挡圈，用于防止轮轴轴向运动。
优选地，所述大瓣轮和小瓣轮之间设有槽，轮爪设在槽内，并与大瓣轮、小瓣轮铰接。
优选地，所述轮轴上设置有导电滑环，所述导电滑环定子端与轴承座周向固定，转子端与轮轴固定连接，轴承座与机架固定连接，且通过轴承与轮轴相连，导电滑环输入端的电线与电源相接，输出端的电线与舵机相接。
优选地，所述轮轴的末端设置有限位块，限位块内部嵌有第二八边形件，第二八边形件与轮轴周向固定，且第二八边形件和限位块之间周向固定。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：1、本发明可通过舵机，主动将轮爪伸出，以增强越障能力；2、非越障工况下将轮爪伸出，由于弹簧的存在，不影响行驶；3、圆轮模式下行驶时，由于大小瓣轮的直径不同，机器人能够平稳地行驶，不影响行驶性能；4、导电滑环可以防止绕线；5、该主动式轮爪变形机构结构简单，重量轻，通用性好，可用于各种陆地机器人，也适用于陆空两栖机器人；6、本发明精度要求低，成本低，仅有少量零件有精度要求；7、本发明重量轻且变形效果好，大小瓣轮、主动曲柄、轮爪均可制成尼龙件；8、本发明中限位块的存在降低了对舵机的要求。
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(a)为本发明的前轴等测视图。
图1(b)为本发明的后轴等测视图。
图2为本发明的剖视图。
图3(a)为本发明的圆轮模式的正视图。
图3(b)为本发明的轮爪模式的正视图。
图4为本发明专利的应用示例图。
具体实施方式
一种高机动机器人用轮爪变形机构，包括电机支架18、电机5、轮轴19、大瓣轮8、小瓣轮10、舵机16、转动曲柄15、拉簧13和轮爪9。
电机5通过电机支架18固定在机架上，电机5的输出轴与轮轴19的一端固定连接，大瓣轮8、小瓣轮10均与轮轴的另一端周向固定，轮爪9设置在大瓣轮8、小瓣轮10之间，舵机16设置在大瓣轮8上；转动曲柄15空套在轮轴的另一端,且转动曲柄15通过的连杆和舵机臂与舵机的输出轴连接，拉簧13的一端设置在转动曲柄15上，另一端设置轮爪上。
在圆轮模式下运动时，电机5带动轮轴19转动，轮轴19带动大瓣轮8和小瓣轮10转动，此时舵机16输出轴不转，转动曲柄15不发生转动，轮爪9不伸出。
在变形时，舵机16的输出轴转动，带动转动曲柄15转动，拉动拉簧13，拉簧13拉动轮爪9伸出，当轮爪9需要收回时，舵机16反向转动，通过相同的传动方式拉动轮爪9收回。
在轮爪模式下运动时，电机5带动轮轴19转动，轮轴19带动大瓣轮8和小瓣轮10转动,舵机16输出轴不转，转动曲柄15不发生转动，轮爪9伸出的角度不变。
进一步的实施例中，所述机架由管夹1、碳板2、方管端管夹3、方管压块6、方管压块座7组成。其中，管夹1设置在碳板2的一面；方管端管夹3设置在碳板2的另一面，方管端管夹3与方碳管4的一端固定连接，方碳管4的另一端、方管压块6、方管压块座7依次固定连接。
进一步的实施例中，所述电机5通过电机支架18固定在机架上。
进一步的实施例中，所述大瓣轮8内设置有第一八边形件22，所述转动曲柄15空套在套筒21上，轮轴19穿过套筒21和第一八边形件22周向固定。为了防止执行末端相对轴有轴向窜动，轮轴19末端设置有轴端挡圈12，所述轴端挡圈12一端与小瓣轮10相接触，且中间穿有螺钉与轮轴19固定连接。
进一步的实施例中，大瓣轮8和小瓣轮10之间设有槽，轮爪9设在槽内，并与大瓣轮8、小瓣轮10铰接。
进一步的实施例中，为了防止缠线，将导电滑环14设置在轮轴19上。其定子端与轴承座17周向固定，转子端与轮轴19固定连接，轴承座17与机架固定连接，且通过轴承与轮轴19相连。导电滑环19输入端的电线与电源相接，输出端的电线与舵机16相接。
进一步的实施例中，为了防止转动曲柄过度转动，轮轴19的末端设置有限位块13。其中限位块13内部嵌有第二八边形件20，第二八边形件20与轮轴19周向固定，且第二八边形件20和限位块13之间周向固定。
在圆轮模式下，电机5输出轴带动轮轴19转动，轮轴19带动导电滑环14转子端、第一八边形件22、第二八边形件20转动。第一八边形件22带动大瓣轮8转动，大瓣轮8带动小瓣轮10转动，从而实现圆轮模式运动。第二八边形件20带动限位块13转动，从而使限位块13与轮轴19之间相对静止，能够起到限位作用。在此过程中，由于导电滑环14转子端和大瓣轮8的转动与轮轴19一致，因此导电滑环14转子端的电线与舵机16相连后不会缠线，保证了正常行驶功能。
在变形过程中，以轮爪伸出的变形过程为例，舵机16输出轴转动，并用过舵机臂和连杆带动转动曲柄15转动，直到转动曲柄15转到终止位置与限位块13的另一面相接触，且转动曲柄15通过拉簧13带动轮爪9转动。在此过程中，由于转动曲柄15空套在套筒21上，而套筒21空套在轮轴19上，因此转动曲柄15可以相对于轮轴19转动，且其转动只与舵机16输出轴的转动有关。轮爪伸出后，由于其末端穿有长螺丝，可起到限位作用，保证其在越障时轮爪相对圆轮位置不变。并且在轮爪收回后，由于大小两瓣轮之间的直径差，即使由于舵机未转动到位、零件之间的间隙等问题而导致轮爪未被完全收回，也不会影响轮的平稳运动，提高了结构的容错性。
在轮爪模式下，电机5输出轴带动轮轴19转动，轮轴19带动导电滑环14转子端、第一八边形件22、第二八边形件20转动。第一八边形件22带动大瓣轮8转动，大瓣轮8带动小瓣轮10转动。此时由于轮爪已经伸出，且舵机此时不发生转动，因此转动曲柄不发生转动，但是在以轮爪模式向前行驶时，由于轮爪被地面压回，会将拉簧拉长，因此在与轮爪模式行驶时，轮爪的伸出由于地面压回不会影响机器的平稳运动。
该主动式轮爪变形机构在实际使用过程中应注意：本发明所述地主动式轮爪变形机构镜像分布于机器人两侧，在实际使用时不局限轮的数量，可以根据需要选择，且轮爪的数量也不局限于本文图中所示的数量。
本发明列举一种该轮爪变形机构在陆空两栖机器人上的应用，如图4所示。在该示例中，该主动式轮爪变形轮镜像地分布在机器人两侧，当不需越障时，以圆轮模式在地面平稳行驶，当需要越障时，轮爪通过上述变形过程伸出，并以轮爪模式行进，提高了其越障性能，且不影响运动地平稳性，越障完成后轮爪通过上述变形过程收回，机器人以圆轮模式行进，从而完成了圆轮模式-轮爪模式-圆轮模式三种模式地运动切换过程。

Claims (8)

1.一种高机动机器人用轮爪变形机构，其特征在于，包括电机支架(18)、电机(5)、轮轴(19)、大瓣轮(8)、小瓣轮(10)、舵机(16)、转动曲柄(15)、拉簧(13)和轮爪(9)，电机(5)通过电机支架(18)固定在机架上，电机(5)的输出轴与轮轴(19)的一端固定连接，大瓣轮(8)、小瓣轮(10)均与轮轴的另一端周向固定，轮爪(9)设置在大瓣轮(8)、小瓣轮(10)之间，舵机(16)设置在大瓣轮(8)上；转动曲柄(15)空套在轮轴的另一端，且转动曲柄(15)通过的连杆和舵机臂与舵机的输出轴连接，拉簧(13)的一端设置在转动曲柄(15)上，另一端设置轮爪上；
在圆轮模式下运动时，电机(5)带动轮轴(19)转动，轮轴(19)带动大瓣轮(8)和小瓣轮(10)转动，此时舵机(16)输出轴不转，转动曲柄(15)不发生转动，轮爪(9)不伸出；
变形时，舵机(16)的输出轴转动，带动转动曲柄(15)转动，拉动拉簧(13)，拉簧(13)拉动轮爪(9)伸出，当轮爪(9)需要收回时，舵机(16)反向转动，通过相同的传动方式拉动轮爪(9)收回；
轮爪模式下运动时，电机(5)带动轮轴(19)转动，轮轴(19)带动大瓣轮(8)和小瓣轮(10)转动，舵机(16)输出轴不转，转动曲柄(15)不发生转动，轮爪(9)伸出的角度不变。
2.根据权利要求1所述的高机动机器人用轮爪变形机构，其特征在于，所述机架包括管夹(1)、碳板(2)、方管端管夹(3)、方管压块(6)、方管压块座(7)，所述管夹(1)设置在碳板(2)的一面；方管端管夹(3)设置在碳板(2)的另一面，方管端管夹(3)与方碳管(4)的一端固定连接，方碳管(4)的另一端、方管压块(6)、方管压块座(7)依次固定连接。
3.根据权利要求1所述的高机动机器人用轮爪变形机构，其特征在于，所述电机(5)通过电机支架(18)固定在机架上。
4.根据权利要求1所述的高机动机器人用轮爪变形机构，其特征在于，所述大瓣轮(8)内设置有第一八边形件(22)，所述转动曲柄(15)空套在套筒(21)上，轮轴(19)穿过套筒(21)和第一八边形件(22)周向固定。
5.根据权利要求4所述的高机动机器人用轮爪变形机构，其特征在于，所述小瓣轮(10)上设置有轴端挡圈(12)，用于防止轮轴(19)轴向运动。
6.根据权利要求1所述的高机动机器人用轮爪变形机构，其特征在于，所述大瓣轮(8)和小瓣轮(10)之间设有槽，轮爪(9)设在槽内，并与大瓣轮(8)、小瓣轮(10)铰接。
7.根据权利要求1所述的高机动机器人用轮爪变形机构，其特征在于，所述轮轴(19)上设置有导电滑环(14)，所述导电滑环(14)定子端与轴承座(17)周向固定，转子端与轮轴(19)固定连接，轴承座(17)与机架固定连接，且通过轴承与轮轴(19)相连，导电滑环(19)输入端的电线与电源相接，输出端的电线与舵机(16)相接。
8.根据权利要求1所述的高机动机器人用轮爪变形机构，其特征在于，所述轮轴(19)的末端设置有限位块(13)，限位块(13)内部嵌有第二八边形件(20)，第二八边形件(20)与轮轴(19)周向固定，且第二八边形件(20)和限位块(13)之间周向固定。
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