专利名称：基于连杆机构的小型履带机器人的制作方法
技术领域：
本发明涉及的是ー种机器人，具体地说是越障机器人。
背景技术：
机器人的越障构型设计在机器人的学术领域中具有重要的科研和应用价值。越障机构的移动载体系统，按其运动机构可分为无肢类、轮式、腿式、轮腿式、以及履带式。无肢类机器人具有运动稳定性好、适应地形能力强和高的牵引力等特点，但多自由度的控制困难，运动速度低。轮式机器人具有结构简单、重量轻、轮式滚动摩擦阻力小和机械效率高等特点，但越过壕沟、台阶的能力差。腿式机器人具有适应地形能力强的特点，能越过大的壕沟和台阶，其缺点是速度慢、控制复杂。轮腿式机器人融合腿式机构的地形适应能力和轮式机构的高速高效性能，其缺点是结构复杂，控制繁琐。履带式移动系统因自身地形适应能力强，控制简单，动载荷小等特点在移动机器人领域已得到广泛的应用。但履带式机器人其车 体的净空高度一般较小且体积较大，在杂乱复杂的环境中易被卡阻；关节履带机器人可利用摆臂履带辅助越障，但在未知的、复杂的非结构环境中很难做到精确操作。
发明内容
本发明的目的在于提供越障性能好、地形适应强、灵活性高、控制简单准确、构型驱动稳定的基于连杆机构的小型履带机器人。本发明的目的是这样实现的本发明基于连杆机构的小型履带机器人，其特征是包括车体、行走机构、连接机构、驱动电机、连杆电机，行走机构和连接机构均有两组、対称的安装在车体的两侧，连杆电机包括第一连杆电机和第二连杆电机，驱动电机、第一-第二连杆电机均安装在车体上；所述的行走机构包括第一-第九履带轮、第一-第四履带，第一履带缠绕在第一-第二履带轮上组成第一行走単元，第二履带缠绕在第三-第四履带轮上组成第二行走単元，第三履带缠绕在第五-第七履带轮上组成第三行走単元，第四履带缠绕在第八-第九履带轮上组成第四行走単元，第二履带轮与第三履带轮同轴，第四履带轮与第五履带轮同轴，第七履带轮与第八履带轮同轴；所述的连接机构包括第一连接单元和第二连接单元，第一连接单元包括第一-第七连杆，第一连杆连接第一履带轮和第二履带轮，第二连杆连接第三履带轮和第四履带轮，第三连杆一端连接第一连杆、另一端连接第五连杆，第四连杆一端连接第一连杆、另一端连接第五连杆，第五连杆的一端固定在车体上，第六连杆一端连接第五连杆、另一端通过第七连杆连接第一连杆电机；所述的第二连接单元包括第八-第十一连杆，第八连杆连接第八履带轮和第九履带轮，第九连杆连接第第七履带轮和第九履带轮，第十连杆一端连接第九连杆、另一端通过第十一连杆连接第二连杆电机；驱动电机连接并驱动第七履带轮。本发明还可以包括I、还包括第三连杆电机，第三连杆电机连接并驱动第二连杆。
2、连杆上至少开有两个孔，两个连杆之间通过连杆上的孔相连、并可通过调整连接的孔从而调整连杆长度。3、第三连杆与第一连杆通过第一滑块连接，第三连杆可在第一连杆上滑动，第十连杆和第九连杆通过第二滑块连接，第十连杆可在第九连杆上滑动。本发明的优势在于第一，将连杆机构引入机器人构型设计当中，提高了履带连架的刚性定位状态与位置精度。第二，连杆机构可减小电机负荷，为进ー步减小机器人体积提供必要条件。第三，在大大减小机器人的体积的同时，保证了相对较强的越障性能。第四，连杆采用多孔加工，可根据具体地形调整连杆配合长度，改变杆组的构型姿 态和变化范围。第五，可实现单侧同步驱动四履带的驱动方式，增强了动カ输出。第六，机器人可实现21种的机器人构型变化状态。具有非常好的地形适应能力。第七，本发明通过不同控制模块的植入可以实现不同的功能应用，依托于此结构平台的后续可开发性高、应用前景广阔。
图I为本发明三维示意图；图2为本发明内部传动示意图；图3a-图3g为本发明杆组IV构型姿态图；图4a_图4c为本发明杆组III构型姿态图；图5为本发明杆组IV平面示意图；图6为本发明杆组III平面示意图；图7为本发明杆组IV空间示意图；图8为本发明杆组III空间示意图；图9为本发明杆组组合构型姿态图；图IOa-图IOg为本发明越障动I动作过程示意图；图Ila-图Ili为本发明越障动II动作过程示意图；图12a_图12e为本发明越障动III动作过程不意图。
具体实施例方式下面结合附图举例对本发明做更详细地描述结合图I 12，本发明包括的部件机器人主要是由杆组4、14、15、32，履带轮I、
2、5、6、10、11、13、17、18、19、21、25、26、28、29、31、33、40，履带 3、7、12、16、23、27、30、34，连杆电机8、9、37，驱动电机41、44，车体24等。在车体24 —侧，见图1，图2 :轴VII 48的一端与杆组IV 32中的连杆IV 54 一端固连。轴VI 47的一端与杆组IV 32中的连杆IV 54、连杆V 55的为转动副连接配合，另一端与连杆VI 56的一端为转动副连接配合。履带轮XVI 31与轴VII为同心异步转动安装配合。履带轮XV 29与履带轮XIV 28固连为一体并与轴VI 47为同心异步转动安装配合。轴V 46一端通过联轴器与涡轮蜗杆减速箱I 36输出端固连，另一端与杆组IV 32中的连杆VI 56 一端为转动副连接配合。履带轮X II 25与履带轮XIII 26固连为一体并与轴V 46为同心异步转动安装配合。轴IV 45与车体24为固连安装配合，履带轮X I 21与轴IV 45为同心异步转动安装配合。履带轮IX 18与履带轮X 19固连为一体，履带轮X 19与涡轮蜗杆减速箱43输出轴端为同心固连安装配合。履带轮VDI 17与杆组III 15中的轴IX 65为同心异步安装配合。连杆电机I 8、连杆电机II 9分别通过连杆电机架II 22、连杆电机架I 20安装在车体24上。连杆电机I 8的ー输出端与杆组IV 32中的连杆XIV 64为转动副连接配合，连杆电机II 9的ー输出端与杆组III 15中的连杆VII 57为转动连接副配合。杆组IV 32见图7包括连杆XIV 64、连杆I 50、连杆II 51、连杆III 52、连杆IV 54、连杆V 55、连杆VI 56、滑块I 53、轴VI 47，轴V 46。其中，滑块I 53与连杆IV 54为移动副连接配合；连杆III 52底端与滑块I 53为转动副连接配合；连杆III 52顶端与连杆II 51顶端为转动副连接配合；连杆II 51中上部与连杆V 55顶端为转动副连接配合；轴讥47—端与连杆IV 54 —端、连杆V 55底端均为转动副连接配合；轴讥47 另一端与连杆VI 56 一端为转动副连接配合；连杆VI 56另一端与轴V 46 一端为转动副连接配合；_V 46另一端与车体24即机架为转动副连接配合；连杆I 50 —端与连杆II 51中上部为转动副连接配合；连杆II 51底端与车体24即机架为转动副连接配合；连杆I 50另一端与连杆XIII 64底端为转动副连接配合；连杆XIII 64顶端与车体24即机架为转动副连接配合。轴VI 47、轴V 46，连杆VI 56处于同一安装平面I。连杆XIV 64，连杆I 50，连杆II 51，连杆III 52，连杆IV 54，连杆V55，滑块I 53处于同一安装平面II。安装平面I，安装平面II互相垂直。根据上述关系，可将安装平面II投影至安装平面I内见图5，得到杆组IV 32的平面示意图。将连杆构件数、运动副连接配合关系代入自由度计算公式F=3n-2p^pH中，可得杆组IV的自由度F=3*8-2*ll-0 = 2。杆组III 15包括连杆VII 57、连杆VDI 58、连杆IX 59、连杆X 60、连杆X I 61、连杆
X II 62、连杆XIII 63、轴IX 65，连杆X V 66见图8。其中，连杆VII 57—端与车体24即机架为转动副连接配合；连杆Vn 57另一端与连杆珊58 一端为转动副连接配合；连杆珊58另ー端与连杆IX 59中部为转动副连接配合；连杆XIII 63 一端与车体24即机架为转动副连接配合；连杆XIII 63另一端与连杆X I 61 一端为转动副连接配合；杆父I 61另一端与连杆X V 66 —端为转动副连接配合；连杆X II 62 一端与车体24即机架为转动副连接配合；连杆X II 62另一端与轴IX 65 一端为转动副连接配合。连杆IX 59，连杆X 60，轴IX 65，连杆
XV 66固连为一体。连杆IX 59，连杆X 60，连杆X V 66三者互相垂直。连杆X 60，连杆
XI61，轴IX 65，连杆X V 66四者构成一矩形安装平面III。连杆IX 59垂直于安装平面III。连杆X II 62、连杆XIII 63处于同一安装平面IV内。安装平面IV与安装平面III相互垂直。连杆VII 57、连杆珊58、连杆IX 59处于同一安装平面V内。根据上述关系，可将安装平面IV、安装平面III投影至安装平面V内见图6，得到杆组III 15的平面示意图见图6。将连杆构件数、运动副连接配合关系代入自由度计算公式F=3n-2pfpH中，可得杆组III的自由度F=3*5-2*7-0 = I。在车体的另ー侧对阵位置，零部件装配布置方式相同。从而完成机器人整体机构装配。现说明一下本发明的具体的驱动方式，见图I、图2，驱动电机II 44的输出端与涡轮减速箱III 43输入端相连。首先，涡轮减速箱III43输出端驱动履带轮X 19转动。一方面，履带轮X 19转动通过履带V 23带动履带轮X I 21,履带轮XIII 26转动。另ー方面，由履带轮X 19与履带轮IX 18固连关系，履带轮X 19与履带轮IX 18同速同向转动，履带轮IX 18转动通过履带IV 16带动履带轮珊17转动。其次，由履带轮26 XIII与履带轮X II 25固连关系，履带轮XIII 26与履带轮X II 25同速同向转动，履带轮X II 25转动通过履带VI 27转动带动了履带轮28 XIV转动。最后，由履带轮XIV 28与履带轮X V 29固连关系，履带轮28 XIV与履带轮X V 29同速同向转动,履带轮X V 29转动通过履带VII 30带动履带轮XVI 31转动。至此，在以单侧驱动电机II 44为动カ输出源的驱动方式下，可同时驱动单侧四条履带30272316同步转动。车体24另ー侧的驱动方式相同，通过控制驱动电机II 44，驱动电机I 41的转速、转向即可实现机器人前进，后退，差速转向等动作。连杆电机I 8，连杆电机9分别安装于连杆电机架22，连杆电机架23上，见图I、图
2、图5、图7。在车体ー侧，连杆电机III 37的输出端与涡轮蜗杆减速箱I 36的输入端相连。涡轮蜗杆减速箱I 36的输出端与杆组IV 32中的连杆VI 56固连，连杆电机I 8的ー输出端与杆组IV 32中的连杆X V 65固连。则连杆电机I 8，连杆电机III 37通过驱动杆组IV 32中的连杆X V 65，连杆VI 56可控制杆组IV 32的两自由度构型变化。连杆电机II 9的ー输出端与杆组III 15中的连杆VII 57固连，则连杆电机II 9通过驱动杆组III 15中的连杆VII 57来驱动连杆X II 62转动可控制杆组III 15的单自由度构型变化见图6，图8。杆组IV 32在连杆电机I 8，连杆电机III 37驱动下的7种构型形态见图3。杆组III 15在连杆电机II 9驱动下的3种构型形态见图4。杆组杆组IV 32，杆组III 15构型组合可实现机器人整体21种不同的构型姿态见图9a (u)。第一，结合图10(a广(g)说明本发明的越障动作I。车体24以图9中所示构型η沿地面67直线行走，当遇到上台阶障碍68吋。连杆电机I 8连杆电机III 37分别驱动杆组IV 32中的连杆56与连杆54，连杆电机II 9驱动杆组III 15中的连杆连杆X II 62进行构型姿态变化。在上述驱动方式下。依次实现图9所示的构型h，构型e，构型U，构型1，构型O，构型n6种构型动作组合。过程中，配合驱动电机I 41驱动电机II 44驱动车体24前进，可实现越障动作I。第二，结合图ll(ar(i)说明本发明的越障动作II。车体24以图9中所示构型u沿地面67直线行走，当遇到矩形障碍物69吋。连杆电机I 8连杆电机III 37分别驱动杆组IV 32中的连杆56与连杆54，连杆电机II 9驱动杆组III15中的连杆连杆X II 62进行构型姿态变化。在上述驱动方式下。依次实现图9所示构型c,构型i,构型f,构型r,构型q,构型j,构型m,构型n8种构型动作组合。过程中，配合驱动电机I 41驱动电机II 44驱动车体24前迸，可实现越障动作II。第三，结合图12(a) (e)说明本发明的越障动作III。车体24以图9中所示构型η沿地面67直线行走，当遇到矩形障碍物69吋。连杆电机I 8连杆电机III 37分别驱动杆组IV 32中的连杆56与连杆54，连杆电机II 9驱动杆组III15中的连杆连杆X II 62进行构型姿态变化。在上述驱动方式下。依次实现图9所示构型q，构型j，构型m，构型η4种构型动作组合。过程中，配合驱动电机I 41驱动电机II 44驱动车体24前进，可实现越障动作III。以上仅对比较典型的地形障碍进行越障动作的描述说明。机器人的21种构型姿态可以在更加复杂的地形 环境完成作业任务。
权利要求
1.基于连杆机构的小型履带机器人，其特征是包括车体、行走机构、连接机构、驱动电机、连杆电机，行走机构和连接机构均有两组、対称的安装在车体的两侧，连杆电机包括第一连杆电机和第二连杆电机，驱动电机、第一-第二连杆电机均安装在车体上；所述的行走机构包括第一-第九履带轮、第一-第四履带，第一履带缠绕在第一-第二履带轮上组成第一行走単元，第二履带缠绕在第三-第四履带轮上组成第二行走単元，第三履带缠绕在第五-第七履带轮上组成第三行走単元，第四履带缠绕在第八-第九履带轮上组成第四行走単元，第二履带轮与第三履带轮同轴，第四履带轮与第五履带轮同轴，第七履带轮与第八履带轮同轴；所述的连接机构包括第一连接单元和第二连接单元，第一连接单元包括第一-第七连杆，第一连杆连接第一履带轮和第二履带轮，第二连杆连接第三履带轮和第四履带轮，第三连杆一端连接第一连杆、另一端连接第五连杆，第四连杆一端连接第一连杆、另一端连接第五连杆，第五连杆的一端固定在车体上，第六连杆一端连接第五连杆、另一端通过第七连杆连接第一连杆电机；所述的第二连接单元包括第八-第十一连杆，第八连杆连接第八履带轮和第九履带轮，第九连杆连接第第七履带轮和第九履带轮，第十连杆一端连接第九连杆、另一端通过第十一连杆连接第二连杆电机；驱动电机连接并驱动第七履带轮。
2.根据权利要求I所述的基于连杆机构的小型履带机器人，其特征是还包括第三连杆电机，第三连杆电机连接并驱动第二连杆。
3.根据权利要求I或2所述的基于连杆机构的小型履带机器人，其特征是连杆上至少开有两个孔，两个连杆之间通过连杆上的孔相连、并可通过调整连接的孔从而调整连杆长度。
4.根据权利要求I或2所述的基于连杆机构的小型履带机器人，其特征是第三连杆与第一连杆通过第一滑块连接，第三连杆可在第一连杆上滑动，第十连杆和第九连杆通过第二滑块连接，第十连杆可在第九连杆上滑动。
5.根据权利要求3所述的基于连杆机构的小型履带机器人，其特征是第三连杆与第ー连杆通过第一滑块连接，第三连杆可在第一连杆上滑动，第十连杆和第九连杆通过第二滑块连接，第十连杆可在第九连杆上滑动。
全文摘要
本发明的目的在于提供基于连杆机构的小型履带机器人，包括车体、行走机构、连接机构、驱动电机、连杆电机，行走机构和连接机构均有两组、对称的安装在车体的两侧，连杆电机包括第一连杆电机和第二连杆电机，驱动电机、第一-第二连杆电机均安装在车体上。本发明将连杆机构引入机器人构型设计当中，提高了履带连架的刚性定位状态与位置精度，连杆机构可减小电机负荷，为进一步减小机器人体积提供必要条件，连杆采用多孔加工，可根据具体地形调整连杆配合长度，改变杆组的构型姿态和变化范围，机器人可实现21种的机器人构型变化状态。具有非常好的地形适应能力。
文档编号B62D55/065GK102700634SQ20121017350
公开日2012年10月3日 申请日期2012年5月30日 优先权日2012年5月30日
发明者刘少刚, 刘海丰, 刘铮, 李少杰, 李芳 , 林珊颖, 谷清明, 赵丹, 郭云龙, 鱼展 申请人:哈尔滨工程大学