基于周轉輪系的輪槳腿復合構型兩棲機器人的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于周轉輪系的輪槳腿復合構型兩棲機器人，包括機架、輪槳腿裝置、傳動系統(tǒng)、驅動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，機架的兩側對稱設置有四個獨立的輪槳腿裝置，驅動系統(tǒng)經傳動系統(tǒng)與輪槳腿裝置相連；輪槳腿裝置包括周轉輪系、槳腿裝置和外輪，驅動系統(tǒng)包括三個獨立的驅動電機，驅動電機均與控制系統(tǒng)相連，由控制系統(tǒng)控制驅動電機的轉速。該裝置采用同步帶傳動方式，具有多種步態(tài)運動模式，適用于多種復雜的路況環(huán)境。
【專利說明】基于周轉輪系的輪槳腿復合構型兩棲機器人
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種機器人，具體的說，涉及一種適用于復雜兩棲環(huán)境的復合構型機器人。
【背景技術】
[0002]地震、火災、海嘯等災難發(fā)生后，在惡劣的兩棲環(huán)境中搜尋幸存者，并給予必要的醫(yī)療救助是救援人員面臨的緊迫任務。由于災難現(xiàn)場的情況復雜，在救援人員自身安全得不到保證的情況下，很難進入現(xiàn)場開展救援工作。另外，廢墟中空間狹小，搜救人員和搜救犬也都無法進入。此時，災難搜救機器人可以很好的解決以上問題。
[0003]災難搜救機器人是一個新興的研究領域，其使用環(huán)境的特殊性對機器人硬件和軟件兩方畫都提出了更高的要求，目前在該領域仍存在很多需要不斷探索的技術難題。
[0004]就機械結構來講，移動性是兩棲機器人完成搜救工作的決定因素。機器人移動平臺應該能夠在惡劣的兩棲環(huán)境中靈活地行動，能夠翻越障礙，穿越泥濘的道路，潛水游泳等，且機器人的移動不應對周圍不穩(wěn)定結構產生影響，以免發(fā)生二次坍塌或爆炸等。此外，機器人還應該具備適應惡劣環(huán)境的能力，具有防水、防沙、耐高溫等能力。

【發(fā)明內容】

[0005]本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術的不足，提供過一種移動性能高、環(huán)境適應性強、機動性能精確的基于周轉輪系的輪槳腿復合構型兩棲機器人。
[0006]本發(fā)明的技術方案是:一種基于周轉輪系的輪槳腿復合構型兩棲機器人，包括機架、輪槳腿裝置、傳動系統(tǒng)、驅動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，機架的兩側對稱設置有四個獨立的輪槳腿裝置，驅動系統(tǒng)經傳動系統(tǒng)與輪槳腿裝置相連；輪槳腿裝置包括周轉輪系、槳腿裝置和外輪，驅動系統(tǒng)包括三個獨立的驅動電機，驅動電機均與控制系統(tǒng)相連，由控制系統(tǒng)控制驅動電機的轉速；
[0007]槳腿裝置包括槳軸、鉸鏈裝置和槳葉，四個槳葉分別安裝在四個槳連接塊上，四個槳連接塊同軸安裝在槳軸上，鉸鏈裝置有四組，每組鉸鏈裝置由兩個鉸鏈構成，兩個鉸鏈被平行連接固定，四組鉸鏈裝置均布在外輪上，四個槳葉分別穿入四組鉸鏈裝置中間；
[0008]周轉輪系包括行星輪、行星架、行星輪軸和齒圈座,齒圈座為環(huán)形,齒圈座內部設置有齒圈，齒圈兩側設置有行星架，行星輪由中心輪和對稱設置在中心輪兩側的兩個分輪組成，中心輪與兩個分輪嚙合，兩個分輪與齒圈嚙合，中心輪連接到中心輪軸，兩個分輪中的任一分輪經行星輪軸連接到槳葉連接板，行星架上設置有行星輪軸孔，行星輪軸穿過行星輪軸孔，槳葉連接板連接有槳軸；
[0009]傳動系統(tǒng)包括中心輪軸，中心輪軸上設置有三組同步帶輪驅動組，同步帶輪驅動組包括同步帶輪組，圍繞同步帶輪組設置有同步帶，同步帶輪組包括兩個同步帶輪，一個同步帶輪發(fā)置在中心輪軸上，另一個同步帶輪經聯(lián)軸器與驅動電機的動力輸出軸相連，即中心輪軸上依次設置有三個同步帶輪；三組同步帶輪驅動組中與驅動電機相連的同步帶輪還分別連接到中心輪、齒圈座和外輪。
[0010]優(yōu)選的是:該裝置還每組同步帶輪驅動組上均設置有角位移傳感器，角位移傳感器經信號傳輸系統(tǒng)與控制系統(tǒng)相連。
[0011]優(yōu)選的是:行星架與齒圈座的連接處設置有O型密封圈。
[0012]優(yōu)選的是:行星輪軸與行星輪軸孔之間設置有O型密封圈。
[0013]優(yōu)選的是:中心輪軸外設置有套筒，同步帶輪設置在套筒上，中心輪軸與套筒的連接處設置有O型密封圈。
[0014]優(yōu)選的是:機架上設置有三組安裝機構、主軸承座和底板，每組安裝機構包括機架內板、機架外板、立柱、電機安裝板，驅動電機安裝在電機安裝板上，立柱連接電機安裝板和機架內板，同步帶輪組的另一個同步帶輪設置在電機安裝板和機架內板之間。
[0015]優(yōu)選的是:與中心輪相連的同步帶輪的傳動比為1:1。
[0016]優(yōu)選的是:與齒圈座相連的同步帶輪的傳動比為2: I。
[0017]優(yōu)選的是:與外輪相連的同步帶輪的傳動比為1:1。
[0018]本發(fā)明的有益效果是:
[0019](I)該兩棲機器人擯棄了齒輪傳動和鏈傳動方式，采用同步帶傳動方式，便于布置，提高了傳動精度，減少了整機重量。
[0020](2)槳軸安裝在槳葉連接板上，槳葉連接板安裝在行星輪的分輪上，調整槳葉連接板和行星輪分輪之間的夾角以及外輪的轉動，可以控制槳葉相對于外輪的位置，即調整槳葉連接板和行星輪分輪之間的夾角成180度以使得槳軸接近外輪，此時轉動外輪并使得槳葉交鏈接近槳軸，這時，此鉸鏈裝置所對應的槳葉被完全伸出外輪，而位于外輪圓周上與此槳葉相對位置的槳葉被完全收回到外輪內部。
[0021](3)該兩棲機器人步態(tài)種類豐富，輪槳腿裝置上設計有外輪和槳葉，外輪和槳葉有獨立的驅動機構，在不同的工作環(huán)境下外輪和槳葉有不同的工作模式，在平坦路面上槳葉被收回至外輪中，外輪與地面接觸，通過驅動外輪轉動，實現(xiàn)機器人的滾動；在復雜崎嶇的路畫上，槳葉末端與地面接觸，實現(xiàn)類似腿的功能，通過規(guī)劃槳軸及槳端的軌跡，可使機器人行走；在水中，槳葉從外輪中伸出并繞槳軸周期性地擺動或者旋轉，從而推動機器人前進。多種步態(tài)模式使該機器人適用于多種復雜的兩棲環(huán)境。
[0022](4)本發(fā)明提供的兩棲機器人擁有良好的密封系統(tǒng)，為了防沙將外側行星架擴大，在行星架與齒圈所處內腔接觸處采用O型圈；槳葉連接板與行星架里的軸承套之間也存在相對運動，因此在軸承套內裝有O型圈；在周轉輪系另一側，中心輪軸與套筒間存在相對運動，也使用O型圈密封，從而完整地保證了周轉輪系的密封性，大大提高了機器人的環(huán)境適應能力；
[0023](5)該兩柄機器人使用了角位移傳感器，可準確測得各自轉角和轉速，將角位移傳感器測得的角位移值傳遞到控制系統(tǒng)，便于控制系統(tǒng)調整對驅動電機的控制，實現(xiàn)各個驅動電機對中心輪、齒圈座和外輪轉速的精確控制。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0024]圖1是本發(fā)明的整體示意圖
[0025]圖2是本發(fā)明的槳葉安裝圖[0026]圖3是本發(fā)明的周轉輪系安裝圖
[0027]圖4、5是本發(fā)明的密封裝置示意圖
[0028]圖6是本發(fā)明的傳動系統(tǒng)結構圖
[0029]圖7是本發(fā)明的機架結構圖
[0030]圖8是本發(fā)明的單一輪槳褪裝置的整體結構圖
【具體實施方式】
[0031]以下結合附圖對本發(fā)明做進一步詳細的說明。
[0032]參見圖1，一種基于周轉輪系的輪槳腿復合構型兩棲機器人，包括機架2、輪槳褪裝置1、傳動系統(tǒng)、驅動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，機架2的兩側對稱設置有四個獨立的輪槳腿裝置I，驅動系統(tǒng)經傳動系統(tǒng)與輪槳腿裝置I相連；輪槳腿裝置I包括周轉輪系、槳腿裝置和外輪6，驅動系統(tǒng)包括三個獨立的驅動電機3、4、5，驅動電機均與控制系統(tǒng)相連，由控制系統(tǒng)控制驅動電機的轉速。
[0033]四個獨立驅動的輪槳腿裝置1-A、1-B、1-C、1_D完全相同，如圖2，槳腿裝置包括槳軸9、鉸鏈裝置7和槳葉8，四個槳葉8a、8b、8c、8d安裝在槳連接塊10a、10b、10c、IOd上，槳連接塊10a、10b、10c、IOd同軸均布安裝在槳軸9上，鉸鏈裝置有四組7a、7b、7c、7d，每組鉸鏈裝置7由兩個鉸鏈構成，兩個鉸鏈被平行連接固定，四組鉸鏈裝置7a、7b、7c、7d均布在外輪6上，四個槳葉8a、8b、8c、8d分別穿入四組鉸鏈裝置7a、7b、7c、7d中間；如圖2，槳葉8滑動穿過鉸鏈裝置7壓入槳連接塊10，槳連接塊10與槳軸9同軸固定，鉸鏈裝置7沿周向均布在外輪6內。
[0034]如圖3所示，周轉輪系包括行星輪28、行星架34、行星輪軸14和齒圈座27，齒圈座27為環(huán)形，齒圈座27內部設置有齒圈24，齒圈24兩側設置有行星架34a、34b，行星輪28由中心輪25和對稱設置在中心輪25兩側的兩個分輪18a、18b組成，中心輪25與兩個分輪16、18嚙合，兩個分輪16、18與齒圈24嚙合，中心輪25連接到中心輪軸，兩個分輪18a、18b中的任一分輪經行星輪軸14連接到槳葉連接板11，槳葉連接板11經被動輪軸15連接到分輪，行星架34上設置有行星輪軸孔29，行星輪軸14穿過行星輪軸孔29，槳葉8連接板連接有槳軸9 ；
[0035]傳動系統(tǒng)包括中心輪軸13，中心輪軸13上設置有三組同步帶輪驅動組，同步帶輪驅動組包括同步帶輪組39a、39b、40a、40b、41a、41b，圍繞同步帶輪組設置有同步帶39、40、41，同步帶輪組包括兩個同步帶輪，一個同步帶輪設置在中心輪軸13上，另一個同步帶輪經聯(lián)軸器與驅動電機的動力輸出軸相連，即中心輪軸13上依次設置有三個同步帶輪39a、40a、41a ;三組同步帶輪驅動組中與驅動電機3、4、5相連的同步帶輪39a、40a、41a還分別連接到中心輪25、齒圈座27和外輪6。如圖6，同步帶39、40、41由內向外依次布置，同步帶輪39b位于軸承座33a和軸承座33b之間，軸承座33a、33b固定在底板32上；主軸承座31位于同步帶輪40b和同步帶輪41b之間，同步帶輪40b直接固定在套筒26外圈，同步帶輪41b通過軸承固定在套筒26外圈。
[0036]如圖3，槳軸9固定在一個與周轉輪系中的行星輪28同軸的一個槳葉連接板11上；通過周轉輪系的轉動來調整槳軸9的位置，再配合外輪6的運動，便可實現(xiàn)上述兒種運動步態(tài)。如圖4、5，周轉輪系兩側均有行星架34a、34b，將外側行星架34a擴大成圓盤狀，與齒圈座連接處采用O型圈36密封；槳葉連接板11與行星架34a里的軸承套35之間也存在相對運動，因此在軸承套35內裝有O型圈37 ;在周轉輪系另一側，中心輪軸13與套筒26間存在相對運動，也使用O型圈38密封。
[0037]如圖7，機架19包括機架內板22a、22b、22c，機架外板30b、30c，立柱21，電機安裝板20a、20b、20c，主軸承座31，底板32。驅動電機3、4、5通過螺栓聯(lián)接電機安裝板20a、20b,20c,再經過立柱21固定在機架內板22a、22b、22c上。同步帶輪39a布置于電機安裝板20a和機架內板22a之間，同步帶輪40a布置于機架內板22b和機架外板30b之間，同步帶輪41a布置于機架內版22c和機架外板30c之間。驅動電機3、4、5均水平布置在機架19內側；驅動電機3、4、5輸出轉動經聯(lián)軸器23a、23b、23c和同步帶39、40、41分別傳遞給中心輪軸13、齒圈24和外輪6，具體連接方式如圖6為:
[0038]I)驅動電機3通過聯(lián)軸器23a傳給同步帶39,通過同步帶1:1傳遞到中心輪軸13，經聯(lián)軸器23d驅動周轉輪系的中心輪25 ；
[0039]2)驅動電機4通過聯(lián)軸器23b傳給同步帶40，通過同步帶2: I減速后驅動與齒圈24固連的立柱26、齒圈座27 ；
[0040]3)驅動電機5通過聯(lián)軸器23c傳給同步帶41，通過同步帶1:1直接驅動外輪6，外輪6與同步帶輪41b通過螺釘和定位銷固定聯(lián)接。
[0041]該裝置還在每組同步帶輪驅動組上均設置有角位移傳感器17，角位移傳感器17經信號傳輸系統(tǒng)與控制系統(tǒng)相連。如圖7,角位移傳感器17a、17b、17c完全相同,傳感器17a固定于軸承座33a —側，用以測量中心輪25轉速，傳感器17b固定在支撐架36上，與套筒26相連，用以測量齒圈24轉速，傳感器17c固定在機架外板30c —側，用以測量外輪6轉速。
[0042]系統(tǒng)工作時，驅動電機3、4、5分別驅動中心輪25、齒圈座27和外輪6轉動，從而驅動外輪6和槳葉8轉動，角位移傳感器17a、17b、17c分別檢測中心輪25、齒圈座27和外輪6的轉動角位移，并返回到控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)根據(jù)反饋的角位移信號對控制中心輪25、齒圈座27和外輪6轉動的三個驅動電機給出角位移控制信號，實現(xiàn)對轉速的精確控制。
[0043]當兩棲機器人工作在不同的工作環(huán)境中，對兩棲及其人采取不同的控制策略。在平坦路面上運動時，控制系統(tǒng)通過驅動電機4調整齒圈座27的運動從而調整調整槳葉連接板11的轉動角度，使槳葉8運動到與地面接觸的位置時，槳葉8被收回至外輪6中，外輪6與地面接觸，通過驅動外輪6轉動，實現(xiàn)機器人的運動；在復雜崎嶇的路面上，控制系統(tǒng)通過驅動電機4調整齒圈座27的運動從而調整槳葉連接板11的轉動角度，使槳葉8運動到與地畫接觸的位置時，槳葉8末端與地面接觸，實現(xiàn)類似腿的功能，通過規(guī)劃槳軸及槳端的軌跡，可使機器人行走；在水中，控制系統(tǒng)通過驅動電機4調整齒圈座27的運動從而調整槳葉連接板11的轉動角度，使槳連接塊位于外輪的中心，使槳葉8從外輪中伸出并繞槳軸9周期性地擺動或者旋轉，從而推動機器人前進。多種步態(tài)模式使該機器人適用于多種復雜的路況環(huán)境。
【權利要求】
1.一種基于周轉輪系的輪槳腿復合構型兩棲機器人，其特征在于:包括機架、輪槳腿裝置、傳動系統(tǒng)、驅動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，機架的兩側對稱設置有四個獨立的輪槳腿裝置，驅動系統(tǒng)經傳動系統(tǒng)與輪槳腿裝置相連；輪槳腿裝置包括周轉輪系、槳腿裝置和外輪，驅動系統(tǒng)包括三個獨立的驅動電機，驅動電機均與控制系統(tǒng)相連，由控制系統(tǒng)控制驅動電機的轉速； 所述的槳腿裝置包括槳軸、鉸鏈裝置和槳葉，四個槳葉分別安裝在四個槳連接塊上，四個槳連接塊同軸均布安裝在槳軸上，所述的鉸鏈裝置有四組，每組鉸鏈裝置由兩個鉸鏈構成，兩個鉸鏈被平行連接固定，四組鉸鏈裝置均布在外輪上，四個槳葉分別穿入四組鉸鏈裝直中間； 所述的周轉輪系包括行星輪、行星架、行星輪軸和齒圈座，齒圈座為環(huán)形，齒圈座內部設置有齒圈，齒圈兩側設置有行星架，行星輪由中心輪和對稱設置在中心輪兩側的兩個分輪組成，中心輪與兩個分輪嚙合，兩個分輪與齒圈嚙合，中心輪連接到中心輪軸，兩個分輪中的仔一分輪經行星輪軸連接到槳葉連接板，行星架上設置有行星輪軸孔，行星輪軸穿過行星輪軸孔，槳葉連接板連接有槳軸； 傳動系統(tǒng)包括中心輪軸，中心輪軸上設置有三組同步帶輪驅動組，所述的同步帶輪驅動組包括同步帶輪組，圍繞同步帶輪組設置有同步帶，同步帶輪組包括兩個同步帶輪，一個同步帶輪設置在中心輪軸上，另一個同步帶輪經聯(lián)軸器與驅動電機的動力輸出軸相連，即中心輪軸上依次設置有三個同步帶輪；三組同步帶輪驅動組中與驅動電機相連的同步帶輪還分別連接到中心輪、齒圈座和外輪。
2.如權利要求1所述的基于周轉輪系的輪槳腿復合構型兩棲機器人，其特征在于:該裝置在每組同步帶輪驅動組上均設置有角位移傳感器，角位移傳感器經信號傳輸系統(tǒng)與控制系統(tǒng)相連。
3.如權利要求1或2所述的基于周轉輪系的輪槳腿復合構型兩棲機器人，其特征在于:行星架與齒圈座的連接處設置有O型密封圈。
4.如權利要求1或2或3所述的基于周轉輪系的輪槳腿復合構型兩棲機器人，其特征在于:行星輪軸與行星輪軸孔之間設置有O型密封圈。
5.如權利要求1或2或3或4所述的基于周轉輪系的輪槳腿復合構型兩棲機器人，其特征在于:中心輪軸外設置有套筒，同步帶輪設置在套筒上，中心輪軸與套筒的連接處設置有O型密封圈。
6.如權利要求1所述的基于周轉輪系的輪槳腿復合構型兩棲機器人，其特征在于:所述的機架上設置有三組安裝機構、主軸承座和底板，每組安裝機構包括機架內板、機架外板、立柱、電機安裝板，驅動電機安裝在電機安裝板上，立柱連接電機安裝板和機架內板，同步帶輪組的另一個同步帶輪設置在電機安裝板和機架內板之間。
7.如權利要求1所述的基于周轉輪系的輪槳腿復合構型兩棲機器人，其特征在于--與中心輪相連的同步帶輪的傳動比為1:1。
8.如權利要求1所述的基于周轉輪系的輪槳腿復合構型兩棲機器入，其特征在于:與齒圈座相連的同步帶輪的傳動比為2: I。
9.如權利要求1所述的基于周轉輪系的輪槳腿復合構型兩棲機器人，其特征在于:與外輪相連的同步帶輪的傳動比為1:1。
【文檔編號】B60F3/00GK103802621SQ201410066593
【公開日】2014年5月21日 申請日期:2014年2月20日 優(yōu)先權日:2014年2月20日
【發(fā)明者】馬書根, 孫翊, 蒲華燕, 張磊 申請人:青島海藝自動化技術有限公司