履帶式六自由度移動機器人的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種履帶式六自由度移動機器人。該機器人的組成部分包括機架、主運動模塊、擺臂運動模塊、控制箱、傳感器。整機有六個自由度，兩條主履帶能獨立運動，履帶式結(jié)構(gòu)設(shè)計使其具有較強的地面通過性能，能在復(fù)雜的路面上行駛，轉(zhuǎn)彎等，四個擺臂也都能夠獨立運動，使機器人在爬樓梯、越障、避障等任務(wù)上具有優(yōu)異的表現(xiàn)。
【專利說明】履帶式六自由度移動機器人

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于地面移動機器人【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種高機動性能的履帶式六自由度移動機器人，能應(yīng)對復(fù)雜的地形，如建筑物內(nèi)部的臺階、樓梯、具有障礙物的環(huán)境，以及建筑物坍塌后的廢墟環(huán)境，該機器人能夠應(yīng)用在災(zāi)難事故現(xiàn)場的勘察、搜救等任務(wù)中，為搜救人員提供重要的第一手信息。

【背景技術(shù)】
[0002]自然災(zāi)害和人為災(zāi)害因其破壞性的巨大一直讓人望而生畏，而災(zāi)害后的勘察、搜救工作是尤為重要的，但是往往在重大災(zāi)難發(fā)生后，現(xiàn)場環(huán)境過于復(fù)雜，具有很多未知的危險，如核輻射、化學(xué)物質(zhì)泄漏、生化污染、高溫、高濕、破敗建筑二次坍塌等，超出了人類能夠處理的能力范圍，因此研究災(zāi)難后進行現(xiàn)場勘察、搜救和處理的機器人成為了國際上移動機器人領(lǐng)域的一個熱門話題。通常，移動機器人有輪式、足式、履帶式等，它們各有其特點，履帶式機器人由于其地面適應(yīng)性強，控制相對方便，在勘察、搜救任務(wù)中應(yīng)用廣泛。
[0003]傳統(tǒng)的履帶式機器人為二自由度或三自由度，即只有兩個主運動模塊或兩個主運動模塊加一對同時運動的擺臂，這樣簡化了設(shè)計難度，但在機動性能方面顯露出一些不足，表現(xiàn)為越障高度受限、下樓時運動不穩(wěn)定等；傳統(tǒng)的履帶機器人的履帶機構(gòu)多與機器人主體分離，方便了機器人主體設(shè)計，但是不夠緊湊的設(shè)計使其接地面積不夠，影響其在非結(jié)構(gòu)環(huán)境的移動性能；傳統(tǒng)的履帶機器人多采用齒輪或鏈傳動，使之有重量增加、傳動不穩(wěn)定的問題；傳統(tǒng)的履帶機器人的控制、電源等部件多直接與機架連接，不利于重要部件的保護，也給安裝調(diào)試帶來了不便。為了更好地完成勘察、搜救任務(wù)，設(shè)計機器人時需要克服以上不足，做出合理的設(shè)計，提高機動性能。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于針對已有技術(shù)存在的缺陷，提供一種履帶式六自由度移動機器人，達到結(jié)構(gòu)緊湊、重量較輕、機動性能好。為達到上述目的，本發(fā)明對機器人本體的設(shè)計要求是:
1.在滿足機器人設(shè)計要求的基礎(chǔ)上，盡量減輕機器人的自重；
2.在滿足機器人設(shè)計要求的基礎(chǔ)上，方便機器人的安裝和拆卸；
3.在滿足機器人設(shè)計要求的基礎(chǔ)上，盡量使機器人結(jié)構(gòu)緊湊，使機器人具有相對一般履帶式機器人有更好的機動性能；
4.在滿足機器人設(shè)計要求的基礎(chǔ)上，使得機器人較傳統(tǒng)的履帶機器人有著更強的靈活性，并增強機器人的地面適應(yīng)性；
5.使機器人內(nèi)部器件得到保護，方便機器人內(nèi)部器件的安裝；
6.使機器人調(diào)試起來更加方便。
[0005]為達到上述要求，本發(fā)明的構(gòu)思是:
1.機器人機身采用鋁合金制作，并開減重孔，使用同步帶傳動代替?zhèn)鹘y(tǒng)的齒輪傳動和鏈傳動，從而減輕機器人的自重；
2.構(gòu)成機器人機架的主要零件的連接方式為螺紋連接，要充分考慮安裝定位和整體的剛性，要求電機固定塊和主同步帶支座組均在前后方面可調(diào)，方便機器人的安裝和拆卸；
3.將機器人的兩組主運動模塊與機架設(shè)計為一個整體，控制兩個主運動模塊自由度的電機在機器人前后各布置一個，利用空間上的交錯使結(jié)構(gòu)緊湊，選用較寬的履帶增大機器人的觸地面積；
4.設(shè)計一款履帶式六自由度機器人，包括兩個主運動模塊和四個擺臂運動模塊，每個自由度都能獨立控制，增強機器人的靈活度，四個擺臂模塊更增強了機器人對地面的適應(yīng)性；
5.將機器人的機架和內(nèi)部控制箱視作不同的模塊來設(shè)計，機架在保證強度的前提下，增大內(nèi)部空間，并預(yù)留內(nèi)部控制箱緩沖零件的安裝空間?？刂葡涞脑O(shè)計應(yīng)盡量將機器人的內(nèi)部器件保護起來，并要考慮考慮機器人的充電方式，使其不需要拔下電池即可充電；
6.角度傳感器用于標定機器人的擺臂位置。
[0006]根據(jù)上述發(fā)明構(gòu)思，本發(fā)明采用以下的技術(shù)方案:
一款履帶式六自由度機器人，包括機架、兩組主運動模塊、四組擺臂運動模塊、控制箱及傳感部件。機器人大部分均以履帶包覆，兩組主運動模塊及其電機在機器人的中部，呈中心對程布置，每個主運動模塊與其電機之間均通過同步齒形帶傳動，四組擺臂運動模塊及其電機在機器人的左前、左后、右前、右后四個位置，呈左右對稱布置，每個擺臂運動模塊與其電機之間均通過同步齒形帶傳動。
[0007]所述機架的整體形狀模仿了龜?shù)墓羌?，?gòu)成機架的主要零件的連接方式為螺紋連接，方便機架的安裝和拆卸，機架分腹、頸、頭、肋、脊及連接其他模塊的附屬零件，具體包括一個機架主框架，兩組主電機相關(guān)零件，四組擺臂電機相關(guān)零件。腹板在整個機架的下方，2個肋板與之垂直、左右對稱安裝；2個頭與腹板垂直、前后對稱安裝，頭部零件上有一個用于安裝機器人充電接口的孔；頸板加固頭和肋板的連接，并提供脊板的安裝位置，兩個頸板呈中心對程安裝；脊板靠脊板固定零件與頸板相連，脊板上方用兩個外設(shè)支撐連接另一個脊板，用以承接外部增加的模塊，此為機架的主體框架。設(shè)計充分考慮了安裝定位和整體的剛性，在此基礎(chǔ)上，增加了連接其他模塊的附屬零件。在腹板上前后左右對稱安裝了 4個電機固定塊，用以安裝擺臂電機，2個肋板外側(cè)前后左右對稱地安裝了 4組擺臂同步帶支座，且電機固定塊及擺臂同步帶支座組均可調(diào)節(jié)前后位置，以調(diào)節(jié)擺臂同步帶的張力；2個頸板上分別中心對程地安裝了 2個電機固定塊，用以安裝主履帶驅(qū)動電機，同樣在2個頸板上分別中心對程地安裝了 2組主同步帶支座組，電機固定塊和主同步帶支座組均在前后方面可調(diào)，以調(diào)節(jié)主同步帶的張力。
[0008]所述每個主運動模塊包括左支撐輪架，右支撐輪架，主履帶驅(qū)動輪，主履帶從動輪，主履帶，主動軸，從動軸，主電機，主聯(lián)軸器，主同步帶輪軸，主同步帶小輪，主同步帶大輪，主同步帶，主動軸軸套及所需的標準件。電機通過同步帶傳動帶動主動軸，帶動主履帶驅(qū)動輪使得整個主運動模塊運動，兩組支撐輪組起到調(diào)整履帶張力、減小履帶機構(gòu)平均最大接地壓力、提高履帶機構(gòu)機動性的作用，同樣地，選用了較寬的履帶，也能夠減小平均最大接地壓力，提高履帶機構(gòu)的機動性能，主履帶的履刺選用較高的類型，較傳統(tǒng)的履帶機器人有著提供更大牽引力的優(yōu)勢，傳動部分選用同步帶傳動，有著恒定的傳動比，并使得結(jié)構(gòu)設(shè)計緊湊，更容易達到輕量化設(shè)計的目的。上述的主動軸和從動軸分別在前述機架上的頭部零件和肋板零件處有支撐點，主電機安裝在前述電機固定塊上，主電機前后位置可調(diào)，主同步帶的小帶輪安裝在前述的主同步帶支座組上，主同步帶張力可調(diào)，兩組支撐輪組安裝在前述的腹板上，并通過螺絲來調(diào)整其高度，從而調(diào)整主履帶的張力。所述的主運動模塊在機器人中有兩組，以中心對稱的方式布置，即一組主履帶為前驅(qū)，另一組后為后驅(qū)，目的是以空間交錯的形式達到結(jié)構(gòu)設(shè)計緊湊的目的。
[0009]所述擺臂運動模塊有四組，均由相同的零部件構(gòu)成，每組擺臂運動模塊包括擺臂電機，擺臂聯(lián)軸器，擺臂同步帶輪軸，擺臂同步帶小輪，擺臂同步帶大輪，擺臂同步帶，擺臂盤，擺臂內(nèi)板，擺臂外板，左前擺臂軸承座，右前擺臂軸承座，右后擺臂軸承座，擺臂從動軸，擺臂驅(qū)動輪，擺臂從動輪，擺臂履帶及所需的標準件。擺臂驅(qū)動輪通過鍵聯(lián)接與前述主動軸或從動軸保持相對靜止，從而使得同一側(cè)(機器左側(cè)或右側(cè))的一條主履帶和兩條擺臂履帶保持相同方向的運動；擺臂驅(qū)動輪及擺臂從動輪位于擺臂內(nèi)板與擺臂外板之間，擺臂從動輪與擺臂從動軸通過鍵聯(lián)接起來，擺臂從動軸受支撐于擺臂內(nèi)板與擺臂外板前端的兩個軸承座上，使得擺臂從動輪能夠相對于擺臂內(nèi)、外板轉(zhuǎn)動，保證擺臂履帶的行走運動，同時，擺臂軸承座的前后位置可調(diào)，用于調(diào)節(jié)擺臂履帶的張力；擺臂盤與擺臂內(nèi)板及擺臂同步帶輪的大輪固連，擺臂電機通過同步帶傳動帶動擺臂同步帶輪的大輪而帶動擺臂盤，從而帶動擺臂內(nèi)板擺動，實現(xiàn)機器人擺臂的擺動。所述擺臂電機安裝在前述電機固定塊上，擺臂電機的前后位置可調(diào)；擺臂同步帶小輪及擺臂同步帶輪軸安裝在機架的擺臂同步帶支架上，可以調(diào)節(jié)其前后位置，從而調(diào)節(jié)擺臂同步帶的張力。四組擺臂運動模塊位于機器人的左前、左后、右前、右后，呈前后對稱、左右對稱的排布。由于每個擺臂都有各自的電機，能夠獨立控制擺動，使得機器人較傳統(tǒng)的履帶機器人有著更強的靈活性，更加接近四足機器人的地面適應(yīng)性。
[0010]所述控制箱工控機、驅(qū)動器、電池等，位于機器人機架內(nèi)部，受機架保護，控制箱布局緊湊，節(jié)省設(shè)計空間，整個控制箱放在機器人內(nèi)部可降低機器人重心，保證機器人的運動穩(wěn)定性。
[0011]所述傳感部件為機器人左前、左后、右前、右后四個位置的四個角度傳感器，連接在肋板的對應(yīng)傳感器槽中，作用是標定機器人的擺臂位置，防止因機器人掉電后丟失擺臂位置造成的機器人操作意外。
[0012]本發(fā)明較傳統(tǒng)的履帶機器人設(shè)計有如下的優(yōu)勢:
1.質(zhì)量更輕；
2.方便安裝和拆卸；
3.結(jié)構(gòu)更緊湊，接地面積更大，機動性能更佳；
4.具有更多的自由度，更靈活，地面適應(yīng)性更好；
5.更有利于控制部件的保護，可快速充電；
6.更有利于機器人的調(diào)試。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0013]附圖1是該履帶式六自由度移動機器人整機構(gòu)成模塊的示意圖；
附圖2是機器人機架部分整體構(gòu)成及傳感器示意圖； 附圖3是機器人機架部分內(nèi)部上方構(gòu)成示意圖；
附圖4是機器人機架部分內(nèi)部下方構(gòu)成示意圖；
附圖5是機器人左側(cè)主運動模塊或右側(cè)主運動模塊構(gòu)成示意圖；
附圖6是機器人前端或后端的主、從動軸軸系、擺臂電機軸系示意圖；
附圖7是機器人前端或后端的主電機軸系、擺臂電機軸系、擺臂從動軸軸系示意圖； 附圖8、9是機器人左前或右前或左右或右后擺臂運動模塊示意圖；
附圖10是機器人控制箱整體的示意圖。

【具體實施方式】
[0014]下面結(jié)合附圖對機器人的優(yōu)選實施例進行說明。
[0015]實施例一:
參見圖1至圖10，本履帶式六自由度移動機器人，包括左右側(cè)兩個主運動模塊2、3，左前、右前、左后、右后四個擺臂運動模塊4、5、6、7，機架1、控制箱8以及四個角度傳感器如、913,90,9(1.其特征在于:所述機架1為機器人的軀體，用以承載、連接各個模塊以及承受外部負載；所述左右側(cè)兩個主運動模塊2、3以機架1為中心對稱分布，并能獨立驅(qū)動；所述左前、右前、左后、右后四個擺臂運動模塊4、5、6、7有著相同的結(jié)構(gòu)，對機架1呈前后左右對稱分布，并各自有獨立的驅(qū)動單元；所述控制箱8位于機架1的內(nèi)部，被機架1和自身的箱體所保護；所述四個角度傳感器9^919(^9(1嵌于機架1的左前、右前、左后、右后四個方位。
[0016]實施例二:
本實施例與實施例一基本相同，特別之處如下:
所述機架1包括腹板11，前頸板123，后頸板12比前頭133，后頭13比左肋板1?，右肋板14)3，上脊板153，下脊板15)3，前脊板固定塊163，后脊板固定塊16)3，左支撐塊173，右支撐塊171前上電機固定塊183，后上電機固定塊181左前電機固定塊180，右前電機固定塊18山左后電機固定塊186，右后電機固定塊18？，前正張緊柱1如，后正張緊柱1%，前正擺臂同步帶輪內(nèi)支架1103，后正擺臂同步帶輪內(nèi)支架1101前正擺臂同步帶輪外支架11匕，后正擺臂同步帶輪外支架1111前主同步帶輪支座112^后主同步帶輪支座1121前反張緊柱113^后反張緊柱1136，前反擺臂同步帶輪內(nèi)支架11?，后反擺臂同步帶輪內(nèi)支架11仙，前反擺臂同步帶輪外支架115^后反擺臂同步帶輪外支架1156 ；這些構(gòu)件構(gòu)成機架1的主框架、兩組主電機相關(guān)機架和四組擺臂電機相關(guān)機架；所述機架主框架中，所述腹板11作為整個機架的基座，前頭133、后頭136、左肋板1?、右肋板1仙在腹板11上方與之定位并連接，前頸板12^后頸板126加固機架上方的連接，下脊板156靠前脊板固定塊16^后脊板固定塊166與前后兩塊頸板123、126相連，上脊板153通過左支撐塊173、右支撐塊176與下脊板156相連，為外部擴展組件提供安裝位置；所述兩組主電機相關(guān)機架中，在前頸板123下方連接著前上電機固定塊，用來安裝主電機，其前后位置可調(diào)；前頸板123下方連接著前主同步帶輪支座1123，其左右兩側(cè)安裝著軸承座，前頸板123上有兩個調(diào)節(jié)螺釘可以調(diào)節(jié)前主同步帶輪支座1123的前后位置；后頸板121后上電機固定塊181后主同步帶輪支座1126與前主同步帶支座1123的連接方式相同，這兩組零件的位置關(guān)于機架的前后中心面呈中心對稱；所述四組擺臂電機相關(guān)機架中，在腹板11的左前方安裝著左前電機固定塊18(3，用來安裝擺臂電機，其前后位置可以調(diào)節(jié)；在左肋板1?的左側(cè)面上安裝著前正張緊柱1如、前正擺臂同步帶輪內(nèi)支架110^前正擺臂同步帶輪外支架11匕組成的擺臂同步帶張緊機構(gòu)，其前后位置可調(diào)；機架左后方的左后電機固定塊186、后反張緊柱1136、后反擺臂同步帶輪內(nèi)支架11仙、后反擺臂同步帶輪外支架1156與前述機架1左前方的對應(yīng)件180,198,1108,1118的位置和安裝方式相對于機架1的前后中心面對稱；機架1右前方的右前電機固定塊18(1、前反張緊柱113^前反擺臂同步帶輪內(nèi)支架11?、前反擺臂同步帶輪外支架1153與前述機架1左前方對應(yīng)件…。如、110^111^1的位置和安裝方式相對于機架1的左右中心面對稱；機架1右后方的右后電機固定塊18？、后正張緊柱1%、后正擺臂同步帶輪內(nèi)支架1106、后正擺臂同步帶輪外支架1116與前述機架1左后方對應(yīng)件18(1、1133、1148,1158的位置和安裝方式相對于于機架1的前后中心面對稱；所述前頭13&和后頭136上都開有充電槽，使機器人在不拔下電池的情況下的充電成為可能。
[0017]所述左右兩側(cè)主運動模塊2、3為左側(cè)主運動模塊2和右側(cè)主運動模塊3，它們的構(gòu)造相同:左側(cè)主運動模塊2包括左支撐輪架2匕、右支撐輪架21以主履帶驅(qū)動輪22、主履帶從動輪23、主履帶24、主動軸25、從動軸26、主電機27、主聯(lián)軸器28、主同步帶輪軸29、主同步帶小輪210、主同步帶大輪211、主同步帶212和主動軸軸套213 ；所述主電機27通過主聯(lián)軸器28、主同步帶輪軸29與主同步帶小輪210、主同步帶大輪211、主同步帶212構(gòu)成的帶傳動系統(tǒng)連接；所述主同步帶大輪211與主動軸25通過鍵聯(lián)接固連在一起，軸向使用卡簧和固定鎖緊環(huán)定位鎖緊，主履帶驅(qū)動輪22同樣也通過鍵與主動軸25固連，軸向通過主動軸軸套213和另一個固定鎖緊環(huán)定位鎖緊，主動軸25受機架1的頭和肋板中的軸承支承，與機架1相連并能相對其轉(zhuǎn)動；從動軸26也支承在機架1的頭和肋板的軸承之間，從動軸26與主履帶從動輪23通過鍵連接，軸向用卡簧限位，也能相對于機架轉(zhuǎn)動；而左支撐輪架213、313、右支撐輪架211316通過螺釘與腹板11相連，并能調(diào)節(jié)上下位置，張緊主履帶24，支承負載；所述主履帶24的齒形有利于減小平均最大接地壓力，提高機器人的機動性能；右側(cè)主運動模塊3與左側(cè)主運動模塊2的結(jié)構(gòu)相同，工作原理一致。
[0018]所述左前、右前、左后、右后四個擺臂運動模塊4、5、6、7為左前擺臂運動模塊4、右前擺臂運動模塊5、左后擺臂運動模塊6和右后擺臂運動模塊7四個，它們的構(gòu)造相同:左前擺臂運動模塊4包括擺臂電機41、擺臂聯(lián)軸器42、擺臂同步帶輪軸43、擺臂同步帶小輪44、擺臂同步帶大輪45、擺臂同步帶46、擺臂盤47、擺臂內(nèi)板48、擺臂外板49、左前擺臂軸承座4103、右前擺臂軸承座4101右后擺臂軸承座410(1、擺臂從動軸411、擺臂驅(qū)動輪412、擺臂從動輪413和擺臂履帶414，所述擺臂電機41通過對應(yīng)的電機減速器固定塊連接在腹板11上，通過擺臂聯(lián)軸器42、擺臂同步帶輪軸43與擺臂同步帶小輪44連接，擺臂同步帶小輪44與擺臂同步帶輪軸43是通過鍵固連的，它們受支承在前述擺臂同步帶張緊機構(gòu)的兩個滑動軸承上，可通過調(diào)整擺臂同步帶小輪44的前后位置來張緊擺臂同步帶46 ；帶傳動中的擺臂同步帶大輪45與擺臂盤47用螺釘固連，擺臂盤47內(nèi)孔的兩端有滾動軸承，它們安裝在對應(yīng)的主動軸或從動軸上并能相對于之轉(zhuǎn)動，擺臂內(nèi)板48與擺臂盤47固連，擺臂驅(qū)動輪412與相應(yīng)的主動軸或從動軸通過鍵連接，并用擺臂外板49限位支承，同時擺臂外板上的擺臂軸承座410(1保證擺臂擺動的順暢，擺臂內(nèi)板末端和擺臂外板末端之間安裝支承著擺臂從動輪413，擺臂從動輪413與擺臂從動軸411用鍵固連，軸向用卡簧限位，兩端支承于左前擺臂軸承座4103和右前擺臂軸承座4101并用螺母鎖緊，擺臂從動輪與擺臂從動軸能相對與擺臂內(nèi)板48、擺臂外板49轉(zhuǎn)動，并隨之移動；所述右前擺臂運動模塊5、左后擺臂運動模塊6和右后擺臂運動模塊7的結(jié)構(gòu)，與左前擺臂運動模塊4的結(jié)構(gòu)相同，工作原理一致。
[0019]所述控制箱8包括工控機、驅(qū)動器、電池，電池分布在控制箱側(cè)邊，內(nèi)部控制器件布置緊湊，整個箱體在機器人機架內(nèi)部，受機架保護。
[0020]所述四個角度傳感器為左前傳感器如、右前傳感器％、左后傳感器％、右后傳感器9(1，位于機架的四角，與擺臂盤47連接，測量機器人擺臂的旋轉(zhuǎn)角度。
[0021]實施例三:
本履帶式六自由度移動機器人整機包括——機架1，主運動模塊2和3，擺臂運動模塊
4、5、6及7，控制箱8，傳感器。其中機架1由11至1156號零件組成，每種零件根據(jù)安裝位置的不同進行了如表中的具體命名；主運動模塊包括左側(cè)主運動模塊2和右側(cè)主運動模塊3，每個單獨的主運動模塊由213至213號零件組成，每種零件根據(jù)安裝位置的不同進行了如表中的具體命名；擺臂運動模塊包括左前擺臂運動模塊4、右前擺臂運動模塊5、左后擺臂運動模塊6和右后擺臂運動模塊7，每個單獨的擺臂運動模塊由41至414號零件組成，每種零件根據(jù)安裝位置的不同進行了如表中的具體命名；控制箱8包括工控機、驅(qū)動器、電池等，控制箱受機架保護；傳感器包括左前傳感器％、右前傳感器％、左后傳感器％、右后傳感器9(1。
[0022]如圖1、圖2所示為本發(fā)明，應(yīng)用于特殊場合的六履帶移動機器人示意圖。機器人機身采用鋁合金制作，并開減重孔，使用同步帶傳動代替?zhèn)鹘y(tǒng)的齒輪傳動和鏈傳動，從而減輕了機器人的自重。它包括機架、兩個主運動模塊、四個擺臂運動模塊、控制箱以及傳感器。機架1的作用是承載、連接各個模塊以及承受外部負載。機架兩側(cè)有左側(cè)主運動模塊2，右側(cè)主運動模塊3，它們分別有獨立的驅(qū)動單元，兩個主運動模塊關(guān)于機架的中心對程分布，左側(cè)主運動模塊2為前驅(qū)形式，3為后驅(qū)形式，這樣做的目的是為了使機器人結(jié)構(gòu)緊湊。機架1四個角的位置上分別有左前擺臂運動模塊4，右前擺臂運動模塊5，左后擺臂運動模塊6，右后擺臂運動模塊7，四個擺臂運動模塊有著相同的結(jié)構(gòu)，并各自有獨立的驅(qū)動單元?？刂葡?位于機架1的內(nèi)部，被機架和自身的箱體所保護。四個角度傳感器9^919(^9(1嵌于機架1的左前、右前、左后、右后四個方位。總體來說，機器人的運動由六個運動模塊實現(xiàn)，每個模塊能獨立控制，機器人的主運動如前進、后退、轉(zhuǎn)向、攀爬等由兩個主運動模塊2、3實現(xiàn)，而四個擺臂運動模塊4、5、6、7則用于實現(xiàn)機器人的輔運動，如左右兩側(cè)的擺臂履帶分別同左右兩側(cè)的主履帶有相同方向的運動，相當(dāng)于延伸了主履帶的長度，用以增強機器人的主運動能力，同時擺臂也能輔助機器人做攀爬、支撐、越障、涉水等復(fù)雜的運動，用以應(yīng)對不同的任務(wù)，此外該機器人還可擴展外部設(shè)備，如機械臂、圖像傳感器等。
[0023]如圖2、圖3、圖4所示為機架示意圖，機架的整體形狀模仿了龜?shù)墓羌?，?gòu)成機架的主要零件的連接方式為螺紋連接。機架1包括腹板11，前頸板12^后頸板121前頭13^后頭13)3，左肋板1?，右肋板14)3，上脊板153，下脊板15)3，前脊板固定塊163，后脊板固定塊161左支撐塊171右支撐塊171前上電機固定塊183，后上電機固定塊181左前電機固定塊18(3，右前電機固定塊18山左后電機固定塊186，右后電機固定塊18？，前正張緊柱1如，后正張緊柱1%，前正擺臂同步帶輪內(nèi)支架110^后正擺臂同步帶輪內(nèi)支架1101前正擺臂同步帶輪外支架1113，后正擺臂同步帶輪外支架1116，前主同步帶輪支座1123，后主同步帶輪支座1126，前反張緊柱113^后反張緊柱1136，前反擺臂同步帶輪內(nèi)支架11?，后反擺臂同步帶輪內(nèi)支架1141前反擺臂同步帶輪外支架115^后反擺臂同步帶輪外支架115匕總體來說，機架由主框架、兩組主電機相關(guān)零件、四組擺臂電機相關(guān)零件組成。機架主框架:11作為整個機架的基座，133、136、14^1413在11上方與之以螺紋連接的方式相連，11上有定位面和定位孔以確保各個頭零件和肋板上的軸承孔同軸，12^1213用以加固機架上方的連接，156靠16^1613與兩塊頸板相連，同樣可以加強機架上方的連接，153通過17^176與156相連，為外部擴展組件提供了安裝位置。上述零件及連接方式構(gòu)成了機架的主框架，在此基礎(chǔ)上，提供了連接驅(qū)動件的連接零件。兩組主電機相關(guān)零件:在123下方連接著181用來安裝主電機，188與123以腰型孔連接，因此可以調(diào)節(jié)主電機的前后位置；123下方同樣以腰型孔連接著112^112^1左右兩側(cè)安裝著軸承座，此處用以安裝主同步帶輪小輪，123上有兩個調(diào)節(jié)螺釘用來調(diào)節(jié)1123的前后位置，以調(diào)節(jié)主同步帶的張力；183和1123的前后位置都需要調(diào)節(jié)以保證主電機軸與主同步帶輪小輪同軸；126、186、1126與12^1、1&1、1123的連接方式相同，只是這兩組零件的位置關(guān)于機架的前后中心面呈中心對稱，它們分別安裝著2、3中的主電機與主同步帶輪小輪。四組擺臂電機相關(guān)零件:在11的左前方安裝著18(3，用來安裝擺臂電機，180與11以腰型孔連接，其前后位置可以調(diào)節(jié)；在1?的左側(cè)面上安裝著1如、11021、11121組成的擺臂同步帶張緊機構(gòu)，1如固連在1?上，1103與11匕通過三根支柱固連，1108上開有腰型孔，198上有調(diào)節(jié)螺釘，因此可以調(diào)節(jié)機架左前方所安裝的擺臂同步帶輪小輪的前后位置，以調(diào)節(jié)擺臂同步帶的張力；擺臂電機和擺臂同步帶輪小輪的位置都需要調(diào)節(jié)以保證擺臂電機軸與擺臂同步帶輪小輪同軸；機架左后方的186、11313、11仙、1156與前述180、1如、11021、11匕的位置、安裝方式關(guān)于機架的前后中心面對稱；機架右前方的18(1、1133、11411153與前述18。、1如、1103、11匕的位置、安裝方式關(guān)于機架的左右中心面對稱；機架右后方的18？、1%、1106、1116與前述18(1、1133、1143、1153的位置、安裝方式關(guān)于機架的前后中心面對稱。以上即為機器人的機架設(shè)計，它不但方便機器人的安裝和拆卸，而且整體的布置方式使得機架緊湊，并有減少機器人自重的效果。此外，前頭133和后頭136上都開有充電槽，使機器人在不拔下電池的情況下的充電成為可能。
[0024]如圖1、圖5、圖6、圖7所示為主運動模塊示意圖，控制兩個主運動模塊自由度的電機在機器人前后各布置一個，利用空間上的交錯使結(jié)構(gòu)緊湊。主運動模塊有左側(cè)主運動模塊2和右側(cè)主運動模塊3兩個，它們的構(gòu)造相同，如圖5所示。以左側(cè)主運動模塊2進行說明。左側(cè)主運動模塊2包括左支撐輪架2匕，右支撐輪架211主履帶驅(qū)動輪22，主履帶從動輪23，主履帶24或34，主動軸25，從動軸26，主電機27，主聯(lián)軸器28，主同步帶輪軸29，主同步帶小輪210，主同步帶大輪211，主同步帶212，主動軸軸套213。前方有主動軸軸系、主同步帶輪軸軸系，后方有從動軸軸系，中間的2匕能夠上下調(diào)節(jié)，張緊24的同時，起到承載機器人重量及外部負載的作用。主運動模塊的具體安裝方式如下，主電機27通過主聯(lián)軸器28、主同步帶輪軸29與主同步帶小輪210、主同步帶大輪211、主同步帶212構(gòu)成的帶傳動系統(tǒng)連接；主同步帶大輪211與主動軸25通過鍵聯(lián)接固連在一起，軸向使用卡簧和固定鎖緊環(huán)定位鎖緊，主履帶驅(qū)動輪22同樣也通過鍵與主動軸25固連，軸向通過主動軸軸套213和另一個固定鎖緊環(huán)定位鎖緊，主動軸25受機架1的頭和肋板中的軸承支承，與機架相連并能相對其轉(zhuǎn)動；主運動模塊的從動軸26也支承在機架的頭和肋板的軸承之間，從動軸26與主履帶從動輪23通過鍵連接，軸向用卡簧限位，也能相對于機架轉(zhuǎn)動；而左支撐輪架2匕、右支撐輪架2化通過螺釘與腹板11相連，并能調(diào)節(jié)上下位置，張緊主履帶24，支承負載。運動時，27通過28、29、210、211、212組成的同步帶傳動組件來驅(qū)動25轉(zhuǎn)動，從而帶動22轉(zhuǎn)動，進而使得整個主運動模塊運動。此外，主履帶24選用較寬的履帶增大了機器人的觸地面積，它的齒形也有利于減小平均最大接地壓力，提高了機器人的機動性能。右側(cè)主運動模塊3與左側(cè)主運動模塊2的結(jié)構(gòu)相同，工作原理一致。
[0025]如圖6、7、8、9所示為擺臂模塊示意圖，擺臂模塊中的每個擺臂都能進行獨立控制，增加了控制的靈活性。擺臂運動模塊有左前擺臂運動模塊4，右前擺臂運動模塊5，左后擺臂運動模塊6和右后擺臂運動模塊7四個，它們的構(gòu)造相同，如圖8所示。以左前擺臂運動模塊4進行說明，左前擺臂運動模塊4包括擺臂電機41，擺臂聯(lián)軸器42，擺臂同步帶輪軸43，擺臂同步帶小輪44，擺臂同步帶大輪45，擺臂同步帶46，擺臂盤47，擺臂內(nèi)板48，擺臂外板49，左前擺臂軸承座4103，右前擺臂軸承座4106，右后擺臂軸承座410山擺臂從動軸411，擺臂驅(qū)動輪412，擺臂從動輪413，擺臂履帶414。按圖中的方向，從左往右有擺臂電機相關(guān)零件、帶傳動相關(guān)零件、擺臂履帶相關(guān)零件以及它們的軸系。擺臂運動模塊的具體安裝方式如下，擺臂電機41通過對應(yīng)的電機減速器固定塊連接在腹板11上，通過擺臂聯(lián)軸器42、擺臂同步帶輪軸43與擺臂同步帶小輪44連接，擺臂同步帶小輪44與擺臂同步帶輪軸43是通過鍵固連的，它們受支承在前述擺臂同步帶張緊機構(gòu)的兩個滑動軸承上，可以通過調(diào)整擺臂同步帶小輪44的前后位置來張緊擺臂同步帶46 ；帶傳動中的擺臂同步帶大輪45與擺臂盤47用螺釘固連，擺臂盤47內(nèi)孔的兩端有滾動軸承，它們安裝在圖中對應(yīng)的主動軸或從動軸上，擺臂內(nèi)板48與擺臂盤47固連，擺臂驅(qū)動輪412如圖所示與相應(yīng)的主動軸或從動軸通過鍵連接，并用擺臂外板49限位支承，同時擺臂外板上的擺臂軸承座410(1保證擺臂擺動的順暢，擺臂內(nèi)板末端和擺臂外板末端之間安裝支承著擺臂從動輪413，擺臂從動輪413與擺臂從動軸411用鍵固連，軸向用卡簧限位，兩段支承于左前擺臂軸承座4103和右前擺臂軸承座4101并用螺母鎖緊，擺臂從動輪與擺臂從動軸能相對與擺臂內(nèi)板48、擺臂外板49轉(zhuǎn)動，并隨之移動。運動時，如果擺臂電機不工作，則擺臂不擺動，擺臂驅(qū)動輪412可以隨同側(cè)的主運動模塊同向轉(zhuǎn)動，帶動擺臂履帶與同側(cè)主履帶同向轉(zhuǎn)動；如果擺臂電機工作，則擺臂電機通過同步帶傳動帶動擺臂盤及擺臂內(nèi)外板，從而帶動擺臂從動輪、擺臂履帶擺動，此擺動不影響擺臂履帶的轉(zhuǎn)動。右前擺臂運動模塊5、左后擺臂運動模塊6和右后擺臂運動模塊7的結(jié)構(gòu)，與左前擺臂運動模塊4的結(jié)構(gòu)相同，工作原理一致。四個擺臂配合工作可以實現(xiàn)如越障、涉水及更為復(fù)雜的任務(wù)，增強了機器人對地面的適應(yīng)性，以及機器人的運動能力。
[0026]如圖1、10所示，機器人的控制箱位于機器人機架1內(nèi)部，內(nèi)部器件包括工控機、驅(qū)動器、電池等，控制箱布局緊湊，能夠?qū)⑺鼈儽Ｗo起來。并且考慮了機器人的充電方式，使其不需要拔下電池即可充電。
[0027]如圖2所示，傳感器包括左前傳感器如、右前傳感器％、左后傳感器9(3、右后傳感器9(1，位于機架1的四角，與擺臂盤連接，用來測量對應(yīng)擺臂的絕對位置，防止因機器人掉電后擺臂位置信息丟失而導(dǎo)致的功能紊亂或結(jié)構(gòu)損壞，更有利于機器人進行調(diào)試。
【權(quán)利要求】
1.一種履帶式六自由度移動機器人，包括左右側(cè)兩個主運動模塊(2、3)，左前、右前、左后、右后四個擺臂運動模塊(4、5、6、7)，機架(1)、控制箱(8)以及四個角度傳感器(9a、9b、9c、9d)，其特征在于:所述機架(1)為機器人的軀體，用以承載、連接各個模塊以及承受外部負載；所述左右側(cè)兩個主運動模塊(2、3)以機架(1)為中心對稱分布，并能各自獨立驅(qū)動；所述左前、右前、左后、右后四個擺臂運動模塊(4、5、6、7)有著相同的結(jié)構(gòu)，對機架(1)呈前后左右對稱分布，并各自有獨立的驅(qū)動單元；所述控制箱(8)位于機架(1)的內(nèi)部，被機架(1)和自身的箱體所保護；所述四個角度傳感器(9a、9b、9c、9d)嵌于機架(1)的左前、右前、左后、右后四個方位。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述履帶式六自由度移動機器人，其特征在于:所述機架(1)包括腹板(11)，前頸板(12a)，后頸板(12b)，前頭(13a)，后頭(13b)，左肋板(14a)，右肋板(14b)，上脊板(15a),下脊板(15b),前脊板固定塊(16a),后脊板固定塊(16b),左支撐塊(17a),右支撐塊(17b)，前上電機固定塊(18a)，后上電機固定塊(18b)，左前電機固定塊(18c)，右前電機固定塊(18d)，左后電機固定塊(18e)，右后電機固定塊(18f )，前正張緊柱(19a)，后正張緊柱(1%)，前正擺臂同步帶輪內(nèi)支架(110a)，后正擺臂同步帶輪內(nèi)支架(110b)，前正擺臂同步帶輪外支架(111a),后正擺臂同步帶輪外支架(111b),前主同步帶輪支座(112a),后主同步帶輪支座(112b)，前反張緊柱(113a)，后反張緊柱(113b)，前反擺臂同步帶輪內(nèi)支架(114a)，后反擺臂同步帶輪內(nèi)支架(114b)，前反擺臂同步帶輪外支架(115a)，后反擺臂同步帶輪外支架(115b);這些構(gòu)件構(gòu)成機架(1)的主框架、兩組主電機相關(guān)機架和四組擺臂電機相關(guān)機架；所述機架主框架中，所述腹板(11)作為整個機架的基座，前頭(13a)、后頭(13b)、左肋板(14a)、右肋板(14b)在腹板(11)上方與之定位并連接，前頸板(12a)、后頸板(12b)加固機架上方的連接，下脊板(15b)靠前脊板固定塊(16a)、后脊板固定塊(16b)與前后兩塊頸板(12a、12b )相連，上脊板(15a)通過左支撐塊(17a)、右支撐塊(17b)與下脊板(15b)相連，為外部擴展組件提供安裝位置；所述兩組主電機相關(guān)機架中，在前頸板(12a)下方連接著前上電機固定塊(18a)，用來安裝主電機，其前后位置可調(diào)；前頸板(12a)下方連接著前主同步帶輪支座(112a)，其左右兩側(cè)安裝著軸承座，前頸板(12a)上有兩個調(diào)節(jié)螺釘可以調(diào)節(jié)前主同步帶輪支座(112a)的前后位置；后頸板(12b)、后上電機固定塊(18b)、后主同步帶輪支座(112b)與前主同步帶支座(112a)的連接方式相同，這兩組零件的位置關(guān)于機架的前后中心面呈中心對稱；所述四組擺臂電機相關(guān)機架中，在腹板(11)的左前方安裝著左前電機固定塊(18c)，用來安裝擺臂電機，其前后位置可以調(diào)節(jié)；在左肋板(14a)的左側(cè)面上安裝著前正張緊柱(19a)、前正擺臂同步帶輪內(nèi)支架(110a)、前正擺臂同步帶輪外支架(111a)組成的擺臂同步帶張緊機構(gòu)，其前后位置可調(diào)；機架左后方的左后電機固定塊(18e)、后反張緊柱(113b)、后反擺臂同步帶輪內(nèi)支架(114b)、后反擺臂同步帶輪外支架(115b)與前述機架(1)左前方的對應(yīng)件(18c、19a、110a、llla)的位置和安裝方式相對于機架(1)的前后中心面對稱；機架(1)右前方的右前電機固定塊(18d)、前反張緊柱(113a)、前反擺臂同步帶輪內(nèi)支架(114a)、前反擺臂同步帶輪外支架(115a)與前述機架(1)左前方對應(yīng)件(18c、19a、110a、llla)的位置和安裝方式相對于機架(1)的左右中心面對稱；機架(1)右后方的右后電機固定塊(18f)、后正張緊柱(1%)、后正擺臂同步帶輪內(nèi)支架(110b )、后正擺臂同步帶輪外支架(111b)與前述機架(1)左后方對應(yīng)件(18d、113a、114a、115a)的位置和安裝方式相對于于機架(1)的前后中心面對稱；所述前頭(13a)和后頭(13b)上都開有充電槽，使機器人在不拔下電池的情況下的充電成為可能。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的履帶式六自由度移動機器人，其特征在于:所述左右兩側(cè)主運動模塊(2、3)為左側(cè)主運動模塊2和右側(cè)主運動模塊3，它們的構(gòu)造相同:左側(cè)主運動模塊(2)包括左支撐輪架(21a)、右支撐輪架(21b)、主履帶驅(qū)動輪(22)、主履帶從動輪(23)、主履帶(24)、主動軸(25)、從動軸(26)、主電機(27)、主聯(lián)軸器(28)、主同步帶輪軸(29)、主同步帶小輪(210)、主同步帶大輪(211)、主同步帶(212)和主動軸軸套(213);所述主電機(27)通過主聯(lián)軸器(28)、主同步帶輪軸(29)與主同步帶小輪(210)、主同步帶大輪(211)、主同步帶(212)構(gòu)成的帶傳動系統(tǒng)連接；所述主同步帶大輪(211)與主動軸(25)通過鍵聯(lián)接固連在一起，軸向使用卡簧和固定鎖緊環(huán)定位鎖緊，主履帶驅(qū)動輪(22)同樣也通過鍵與主動軸(25)固連，軸向通過主動軸軸套(213)和另一個固定鎖緊環(huán)定位鎖緊，主動軸(25)受機架(1)的頭和肋板中的軸承支承，與機架(1)相連并能相對其轉(zhuǎn)動；從動軸(26)也支承在機架(1)的頭和肋板的軸承之間，從動軸(26)與主履帶從動輪(23)通過鍵連接，軸向用卡簧限位，也能相對于機架轉(zhuǎn)動；而左支撐輪架(21a、31a)、右支撐輪架(21b、31b)通過螺釘與腹板(11)相連，并能調(diào)節(jié)上下位置，張緊主履帶(24)，支承負載；所述主履帶(24)的齒形有利于減小平均最大接地壓力，提高機器人的機動性能；右側(cè)主運動模塊3與左側(cè)主運動模塊2的結(jié)構(gòu)相同，工作原理一致。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的履帶式六自由度移動機器人，其特征在于:所述左前、右前、左后、右后四個擺臂運動模塊(4、5、6、7)為左前擺臂運動模塊(4)、右前擺臂運動模塊(5)、左后擺臂運動模塊(6)和右后擺臂運動模塊(7)四個，它們的構(gòu)造相同:左前擺臂運動模塊(4)包括擺臂電機(41)、擺臂聯(lián)軸器(42)、擺臂同步帶輪軸(43)、擺臂同步帶小輪(44)、擺臂同步帶大輪(45)、擺臂同步帶(46)、擺臂盤(47)、擺臂內(nèi)板(48)、擺臂外板(49)、左前擺臂軸承座(410a)、右前擺臂軸承座(410b)、右后擺臂軸承座(410d)、擺臂從動軸(411)、擺臂驅(qū)動輪(412)、擺臂從動輪(413)和擺臂履帶(414)，所述擺臂電機(41)通過對應(yīng)的電機減速器固定塊連接在腹板(11)上，通過擺臂聯(lián)軸器(42)、擺臂同步帶輪軸(43)與擺臂同步帶小輪(44)連接，擺臂同步帶小輪(44)與擺臂同步帶輪軸(43)是通過鍵固連的，它們受支承在前述擺臂同步帶張緊機構(gòu)的兩個滑動軸承上，可通過調(diào)整擺臂同步帶小輪(44)的前后位置來張緊擺臂同步帶(46);帶傳動中的擺臂同步帶大輪(45)與擺臂盤(47)用螺釘固連，擺臂盤(47)內(nèi)孔的兩端有滾動軸承，它們安裝在對應(yīng)的主動軸或從動軸上并能相對于之轉(zhuǎn)動，擺臂內(nèi)板(48)與擺臂盤(47)固連，擺臂驅(qū)動輪(412)與相應(yīng)的主動軸或從動軸通過鍵連接，并用擺臂外板(49)限位支承，同時擺臂外板上的擺臂軸承座(410d)保證擺臂擺動的順暢，擺臂內(nèi)板末端和擺臂外板末端之間安裝支承著擺臂從動輪(413)，擺臂從動輪(413)與擺臂從動軸(411)用鍵固連，軸向用卡簧限位，兩端支承于左前擺臂軸承座(410a)和右前擺臂軸承座(410b)，并用螺母鎖緊，擺臂從動輪與擺臂從動軸能相對與擺臂內(nèi)板(48)、擺臂外板(49)轉(zhuǎn)動，并隨之移動；所述右前擺臂運動模塊(5)、左后擺臂運動模塊(6)和右后擺臂運動模塊(7)的結(jié)構(gòu)，與左前擺臂運動模塊(4)的結(jié)構(gòu)相同，工作原理一致。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的履帶式六自由度移動機器人，其特征在于:所述控制箱(8)包括工控機、驅(qū)動器、電池，電池分布在控制箱側(cè)邊，內(nèi)部控制器件布置緊湊，整個箱體在機器人機架內(nèi)部，受機架保護。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的履帶式六自由度移動機器人，其特征在于:所述四個角度傳感器為左前傳感器(9a)、右前傳感器(9b)、左后傳感器(9c)、右后傳感器(9d)，位于機架的四角，與擺臂盤(47)連接，測量機器人擺臂的旋轉(zhuǎn)角度。
【文檔編號】B62D55/065GK104443085SQ201410655985
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2014年11月18日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月18日
【發(fā)明者】羅均, 馬捷, 蒲華燕, 吳斌, 瞿棟, 謝少榮, 鄧景珊, 顏春明, 張娟, 陳功, 劉恒利, 鄒旭東, 華凌云, 姚駿峰, 陳春朝 申請人:上海大學(xué)