一种行星轮系爬楼机器人的制作方法
【专利摘要】本发明属于机电一体化领域，具体涉及一种行星轮系爬楼机器人。本发明主要解决现有爬楼机器人存在的传动效率低、变形困难、运动缓慢、结构稳定性差等问题。一种行星轮系爬楼机器人，包括传动系统、转换系统和执行系统，传动系统包括左右两个传动组，左右两个传动组平行且以纵向中心线对称安装，转换系统包括四个转换组，四个转换组分别安装在底板的四个方位，每个转换组都是由太阳轮轴、长套筒、联轴器、电磁离合器和轴承组成；执行系统由四个轮组系统组成，每个轮组系统包括一个内三角板、一个外三角板、三根行星轮轴、六个行星轮轴套筒、三个行星轮叶片、一个太阳轮和叶片轴承。
【专利说明】
一种行星轮系爬楼机器人
技术领域
[0001]本发明属于机电一体化领域，具体涉及一种行星轮系爬楼机器人。
【背景技术】
[0002]移动机器人是机器人学中的一个重要分支，是一类能够通过传感器感知环境，实现在非规则环境下，动态决策与规划、行为控制与执行等多项功能于一体的高智能化机器系统。而其中的爬楼梯机器人又是它的重要分支，按爬楼梯功能实现的原理主要分为履带式、轮组式、步行式等爬楼梯装置。它体现了信息科学和人工智能技术的最新成果，具有重要的军用及民用价值，是现代机器人学中一个重要而且相当活跃的研究领域。
[0003]申请号为201420085626.2的可变换叶轮式爬楼机器人包括机身和运动机构，运动机构由减速电机，传动轴和四个行星轮系组成，该机器人由减速电机带动传动轴驱动轮系中的太阳轮运动，利用太阳轮的正转和反转时行星轮运动轨迹的不同，实现叶片运动姿态的不同，通过控制行星轮系中的太阳轮和行星轮的转差，控制叶片的弧形杆的运动姿态，使机器人实现爬楼和平地行走功能之间的转换。但该可变换叶轮式爬楼机器人利用输出轴末端的方形杆带动太阳轮运动，结构较复杂，要求的输出转矩较大，且太阳轮开方槽之后，强度将变弱，另外该机器人无自锁机构，利用地面摩擦力实现变形，对地面摩擦系数有一定要求，不能保证其四个轮组同步且快速变形，在爬楼过程中存在结构不稳定，动力不足，动作缓慢等问题。
【发明内容】
[0004]本发明针对现有爬楼机器人存在的传动效率低、变形困难、运动缓慢、结构稳定性差等问题，提出一种较灵活稳定的行星轮系爬楼机器人。该机器人由减速电机将转矩传递至套筒，套筒带动行星轮运动，太阳轮轴与套筒之间用轴承连接，实现了行星轮与太阳轮的分开控制，这种结构可有效降低对输出转矩的要求;本发明采用电磁离合器作为自锁机构，四个轮系可实现同步快速变形，变形后以一种状态稳定运动。
[0005]本发明的技术方案为:
[0006]—种行星轮系爬楼机器人，包括底板，其中还包括传动系统、转换系统和执行系统，所述的传动系统包括左右两个传动组，左右两个传动组平行且以纵向中心线对称安装，每个传动组由直流减速电机、中间轴、主动锥齿轮、从动锥齿轮、两个小链轮、两个大链轮和两根链条组成，直流减速电机安装在底板上，直流减速电机的输出轴穿过底板与主动锥齿轮连接，从动锥齿轮安装在中间轴上并与主动锥齿轮啮合连接，中间轴通过两个轴承座安装在底板的横向中心线上，两个小链轮依次安装在中间轴上，每个小链轮都通过一根链条与一侧的大链轮连接构成一组链传动，大链轮安装在长套筒上；
[0007]所述的转换系统包括四个转换组，四个转换组分别安装在底板的四个方位，每个转换组都是由太阳轮轴、长套筒、联轴器、电磁离合器和轴承组成，太阳轮轴安装在底板上，长套筒通过轴承套在太阳轮轴上实现太阳轮轴与长套筒的相对运动，电磁离合器的内圈与太阳轮轴连接，电磁离合器的外圈与联轴器连接，联轴器与大链轮连接；
[0008]所述的执行系统由四个轮组系统组成，每个轮组系统包括一个内三角板、一个外三角板、三根行星轮轴、六个行星轮轴套筒、三个行星轮叶片、一个太阳轮和叶片轴承，内三角板安装在长套筒的法兰上并通过轴承与太阳轮轴相连接，外三角板通过轴承与太阳轮轴相连接，内三角板和外三角板相对安装以支撑均匀分布的三根行星轮轴，每根行星轮轴都穿过内三角板和外三角板，三个行星轮叶片分别通过叶片轴承安装在三个行星轮轴的中间，三个行星轮叶片组成一个圆，在每根行星轮轴上安装两个行星轮轴套筒且两个行星轮轴套筒分别位于叶片轴承的两侧，太阳轮安装在太阳轮轴上。
[0009]本发明通过控制两个直流减速电机经锥齿轮和链轮传动，驱动四个轮组运动，机器人可实现前进、后退、加速、减速、转弯等基本动作;通过控制电磁离合器的通电断电，机器人可实现变形、爬楼、越障等较复杂动作。该机器人具有两种运动方式，一种是圆轮行走，一种是叶轮行走。当路面平坦无障碍时，机器人启用圆轮行驶，以确保较快的行驶速度，视路面情况而定，可适当加速减速;当路面崎岖，障碍较多时，机器人圆轮变形为叶轮，电磁离合器通电，机构自锁，机器人保持叶轮运动，即可越障和爬楼。本发明较其他爬楼机器人而言，最大的特点就是利用行星轮系机构变形，用电磁离合器实现机构自锁。与轮式、腿式、履带式爬楼机器人相比，本发明具有运动灵活、结构稳定、机构简单、承载能力高、路况适应性强等诸多优点。其可用于残疾人士日常生活的代步工具，也可作为极端环境条件下的探测和搜救平台。
【附图说明】
[0010]图1是本发明立体图；
[0011]图2是本发明俯视图；
[0012]图3是中间轴示意图；
[0013]图4是小链轮示意图；
[0014]图5是大链轮示意图；
[0015]图6是长套筒剖面图；
[0016]图7是太阳轮轴示意图；
[0017]图8是电磁离合器示意图；
[0018]图9是轮组机构立体图；
[0019]图10是轮组机构示意图；
[0020]图11是行星轮轴示意图；
[0021]图12是叶轮示意图；
[0022]图13是内二角板不意图；
[0023]图14是底板不意图；
[0024]图15是平地行走时行星齿轮齿形；
[0025]图16是爬楼梯时行星齿轮齿形。
【具体实施方式】
[0026]实施例1
[0027]—种行星轮系爬楼机器人，如图1-图14所示，包括底板I和传动系统、转换系统、执行系统，所述的传动系统包括左右两个传动组，这两个传动组平行且以纵向中心线对称安装，每个传动组由直流减速电机2、中间轴5、主动锥齿轮3、从动锥齿轮4、两个小链轮6、两个大链轮9和两根链条7组成，直流减速电机2安装在底板I上，其输出轴穿过底板I上的一个圆孔与主动锥齿轮3用一个顶丝固定连接，从动锥齿轮4安装在与直流减速电机2输出轴相垂直的中间轴5上并与主动锥齿轮3啮合连接，中间轴5通过两个轴承座8安装在底板I的横向中心线上，两个小链轮6通过定位螺钉依次安装在中间轴5上，一个小链轮6与纵轴正方向的大链轮9通过链条7构成一组链传动，另一个小链轮6与纵轴负方向的大链轮9构成一组链传动，从而可以实现两个轮组同步运动，大链轮9安装在长套筒22上；
[0028]所述的转换系统包括四个转换组，四个转换组分别安装在底板I的四个方位，每个转换组都是由太阳轮轴24、长套筒22、联轴器25、电磁离合器26和轴承23组成，太阳轮轴24安装在底板I上，长套筒22通过轴承23套在太阳轮轴24上实现太阳轮轴24与长套筒22的相对运动，电磁离合器26的内圈与太阳轮轴24利用型面连接得以实现同步运动，电磁离合器
26的外圈通过顶丝与联轴器25连接，联轴器25通过三个相互交错120度的定位螺丝与大链轮9连接；
[0029]所述的执行系统由四个轮组系统组成，每个轮组系统包括一个内三角板12、一个外三角板16、三根行星轮轴11、六个行星轮轴套筒14、三个行星轮叶片15、一个太阳轮10和三个叶片轴承13，内三角板12通过三个相互交错120度的定位螺丝20固定安装在长套筒22的法兰上并通过轴承23与太阳轮轴24相连接，外三角板16通过轴承23与太阳轮轴24相连接，内三角板12和外三角板16相对安装以支撑均匀分布的三根行星轮轴11，每根行星轮轴11都穿过内三角板12和外三角板16对应的孔，三个行星轮叶片15分别通过叶片轴承13安装在三个行星轮轴11的中间，行星轮叶片15和叶片轴承13的外圈采用过盈配合，三个行星轮叶片15组成一个圆，在每根行星轮轴11上安装两个行星轮轴套筒14且两个行星轮轴套筒14分别位于叶片轴承13的两侧，太阳轮10通过太阳轮内夹板19与太阳轮外夹板17固定在太阳轮轴24上，每个轮组的太阳轮10均与三个行星轮叶片15同时啮合，内三角板12与长套筒22固连，即长套筒22的转矩经内三角板12和三根行星轮轴11传递至三个行星轮叶片15，因而长套筒22决定行星轮叶片15的运动，太阳轮轴24)决定太阳轮10的运动。即电磁离合器(26)吸合一一长套筒(22)与太阳轮轴(24)同步转动一一行星轮(15)与太阳轮(10)无相对运动装置自锁爬楼机器人保持一种状态持续运动。
[0030]由于行星轮与太阳轮最多相对转动120度，轮组即可变形，所以每个行星轮均为120度的不完全齿轮机构，如图12所示。根据机械结构设计方案，机器人小车工作时分以下几种情况:
[0031](I)小车在圆轮状态下离合器通电时，小车可在任何情况下保持圆轮前进、后退、转弯、加速、减速。
[0032](2)小车在叶轮状态下离合器通电时，小车可在任何情况下保持叶轮前进、后退、转弯、加速、减速。
[0033](3)离合器断电时:如图15所示，由于行星轮叶片为不完全齿轮机构，所以在圆轮状态时行星轮顺时针转动，将没有齿再与太阳轮啮合，故太阳轮与行星轮将无相对运动，圆轮得以保持不变无阻力下。因而，在无阻力且离合器断电时，小车可以以圆轮保持前进图15中，行星轮顺时针转为前进。
[0034](4)同理，如图16所示，在无阻力且离合器断电时，小车可保持叶轮后退，但有阻力时，叶轮将会变形。
【主权项】
1.一种行星轮系爬楼机器人，包括底板(I)，其特征是还包括传动系统、转换系统和执行系统，所述的传动系统包括左右两个传动组，左右两个传动组平行且以纵向中心线对称安装，每个传动组由直流减速电机(2)、中间轴(5)、主动锥齿轮(3)、从动锥齿轮(4)、两个小链轮(6)、两个大链轮(9)和两根链条(7)组成，直流减速电机(2)安装在底板(I)上，直流减速电机(2)的输出轴穿过底板(I)与主动锥齿轮(3)连接，从动锥齿轮(4)安装在中间轴(5)上并与主动锥齿轮(3)啮合连接，中间轴(5)通过两个轴承座(8)安装在底板(I)的横向中心线上，两个小链轮(6)依次安装在中间轴(5)上，每个小链轮(6)都通过一根链条(7)与一侧的大链轮(9)连接构成一组链传动，大链轮(9)安装在长套筒(22)上； 所述的转换系统包括四个转换组，四个转换组分别安装在底板(I)的四个方位，每个转换组都是由太阳轮轴(24)、长套筒(22)、联轴器(25)、电磁离合器(26)和轴承(23)组成，太阳轮轴(24)安装在底板(I)上，长套筒(22)通过轴承(23)套在太阳轮轴(24)上实现太阳轮轴(24)与长套筒(22)的相对运动，电磁离合器(26)的内圈与太阳轮轴(24)连接，电磁离合器(26)的外圈与联轴器(25)连接，联轴器(25)与大链轮(9)连接； 所述的执行系统由四个轮组系统组成，每个轮组系统包括一个内三角板(12)、一个外三角板(16)、三根行星轮轴(11)、六个行星轮轴套筒(14)、三个行星轮叶片(15)、一个太阳轮(10)和叶片轴承(13)，内三角板(12)安装在长套筒(22)的法兰上并通过轴承(23)与太阳轮轴(24)相连接，外三角板(16)通过轴承(23)与太阳轮轴(24)相连接，内三角板(12)和外三角板(16)相对安装以支撑均匀分布的三根行星轮轴(11)，每根行星轮轴(11)都穿过内三角板(12)和外三角板(16)，三个行星轮叶片(15)分别通过叶片轴承(13)安装在三个行星轮轴(11)的中间，三个行星轮叶片(15)组成一个圆，在每根行星轮轴(11)上安装两个行星轮轴套筒(14)且两个行星轮轴套筒(14)分别位于叶片轴承(13)的两侧，太阳轮(10)安装在太阳轮轴(24)上。
【文档编号】B62D57/024GK105857429SQ201610246431
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年4月20日
【发明人】郑智贞, 刘娜, 许健非, 梅瑛, 秦慧斌, 王书森, 王宁, 李思徵, 王宁宁
【申请人】中北大学