一种用于轮履变结构移动机器人的可伸缩履带及行走轮定位机构的制作方法

专利名称：一种用于轮履变结构移动机器人的可伸缩履带及行走轮定位机构的制作方法
一种用于轮履变结构移动机器人的可伸缩履带及行走轮定 位机构技术领域
发明涉及一种可伸缩履带及行走轮定位机构，具体涉及一种用于轮履变结构移动 机器人的可伸缩履带及行走轮定位机构，属于机器人技术领域。
背景技术：
轮式移动机器人具有移动快速性的优点，而履带式移动机器人跨越障碍的能力很 强，即履带式移动机器人对于复杂地形具有很高的通过性能。但是，如何将轮式、履带式移 动机器人的优点结合在一起是机器人机构技术的创新与难点。而用于轮式与履带式运动机 构变换的关键技术包括内外行走轮的定位、可伸缩的履带等。
要实现轮式、履带式移动机器人的结合，机器人中的履带既要有轮胎的作用，又要 有履带的作用；不仅要传递动力，还要频繁地拉伸或收缩。内外行走轮的定位及轮/履变 换机构需要满足可靠、低成本和高效能的要求。专利文献[公开号CN101570216]提出了 这种机器人，其中，该机器人所用的两片行走轮为固定连接在一起，但并未给出两片行走轮 具体的定位方法。专利文献[公开号CN101570216]提到的机器人中的弹性履带由弹性橡 胶材料制成，弹性履带的内外侧都加工有齿，外侧的齿与地面接触防止弹性履带打滑，内侧 的齿与主动轮外齿啮合传递动力。由于弹性履带频繁的撑开、收回，弹性履带的外径逐渐变 大，使履带的内齿不能很好的紧固在主动轮的外齿上，致使运动失效，而且该专利文献中弹 性履带内部有金属环，履带在拉伸和收缩时，其圆周长度是变化的，金属环只能发生弹性变 形，不能产生塑性变形，否则就被毁坏。发明内容
有鉴于此，本发明提供一种用于轮履变结构移动机器人的可伸缩履带及行走轮定 位机构，通过内外片行走轮单独定位机构和由同步带组成的可伸缩履带，实现轮/履变结 构移动机器人在平地、楼梯台阶、斜坡上等多地形行走时运行更平稳、更可靠。
所述轮履变换结构移动机器人包括箱体、可伸缩履带、内片行走轮、外片行走轮、 轮履变换机构、主动轴和行走驱动轴。其中主动轴用于带动轮履变换机构运动实现轮式运 动和履带式运动之间的转换，行走驱动轴上的两个齿轮分别与内片行走轮和外片行走轮的 内齿啮合，以带动内片行走轮和外片行走轮同步转动，可伸缩履带与内片行走轮和外片行 走轮的外齿哨合。本发明的可伸缩履带包括外同步带、内同步带和拉簧；外同步带和内同步 带为带宽相同的单面带齿的环形结构，其中内同步带的有齿面向内，外同步带的有齿面向 外；所述内同步带的齿形和机器人内片行走轮及外片行走轮的外齿啮合。所述外同步带和 内同步带同心耦合，外同步带和内同步带相对的表面间每间隔相同距离通过平垫圈和螺栓 连接，从而将可伸缩履带均分为若干节，每两个相邻的平垫圈之间连接拉簧；保证拉簧在自 然状态下时，外同步带和内同步带均处于收缩状态，内带同步带上的齿均匀地卡在内片行 走轮和外片行走轮的外齿齿槽内，此时内同步带各节向内凸起，而外同步带各节向外凸起。
所述行走轮定位机构包括内片行走轮定位机构和外片行走轮定位机构。
所述内片行走轮定位机构位于内片行走轮与箱体相对的一侧。包括三个以上基本 定位单元和挡圈结构。所述挡圈结构包括一个径向定位挡圈和两个轴向定位挡圈；两个轴 向定位挡圈之间通过径向定位挡圈连接；挡圈结构与内片行走轮同轴固接。
所述基本定位单元沿内片行走轮的圆周方向均匀排列；基本定位单元包括径向定 位轴、轴向定位销轴、圆柱滚子轴承A和两个深沟球轴承；其中径向定位轴的一端垂直固接 在箱体上，另一端与内片行走轮的圆周端面间有间隙；圆柱滚子轴承A安装在径向定位轴 上，圆柱滚子轴承A的外圆周与径向定位挡圈的内表面接触。在径向定位轴的圆周面上，圆 柱滚子轴承A与两个轴向定位挡圈之间各安装一个轴向定位销轴，所述轴向定位销轴垂直 与径向定位轴；在每个轴向定位销轴上安装一个深沟球轴承；所述两个深沟球轴承的外圆 周分别与自身所在侧的轴向定位挡圈的端面接触。
所述外片行走轮定位装置包括轴承安装座和圆柱滚子轴承；轴承安装座与机器人 箱体固接，圆柱滚子轴承B安装在轴承安装座上；与外片行走轮固接的外片行走轮端盖与 圆柱滚子轴承B的外圈固接。
所述外片行走轮定位机构另一种形式为所述滚珠轴承B的内圈与机器人主动轴 固定，与外片行走轮固接的外片行走轮端盖与滚珠轴承B的外圈固接。
所述外同步带和内同步带均由高耐磨性的弹性橡胶材料制成。
在所述内同步带内侧的中间位置安装弹性挡圈。
有益效果
(I)本发明中轮履变结构移动机器人的内外片行走轮采用单独定位机构，且定位 机构均由低成本的简单零件组合而成，尤其对于直径较大行走轮的定位更具有经济意义。
(2)在本发明中,可伸缩履带由低成本的双同步带组成，内带同步齿与行走轮的外 齿啮合传递动力，外带同步齿在机器人移动时与地面接触；不仅可以较好地完成轮履变换 机器人运动所需的功能，而且大大降低了此机器人专用履带的生产成本。
(3)本发明内外片行走轮的定位主要通过圆柱滚子轴承和深沟球轴承组合实现。 由低成本的圆柱滚子轴承和深沟球轴承组合而替代大径环形导轨等，将传统的滑动摩擦变 为滚动摩擦，不仅大大降低了成本，而且提高了工作效率。
(4)内片行走轮定位机构不仅保证了内片行走轮定位的可靠性，而且使机器人运 动的摩擦力较小，并且传统的大环形导轨或其它大直径定位机构相比，大大降低了成本。


图1为采用了本发明可伸缩履带及行走轮定位机构的轮履变结构移动机器人左 轮的结构示意图2为本发明中可伸缩履带收缩时的结构图3为本发明中可伸缩履带的细节图4为本发明内片行走轮定位机构的结构图5为基本定位单元的结构示意图6是外片行走轮定位机构第一种实施例中外片行走轮外侧的结构图7是外片行走轮定位机构第一种实施例中外片行走轮内侧的结构图8是外片行走轮定位机构第二种实施例的结构示意图。
其中2_内片行走轮，3_外片行走轮,6-行走驱动轴,7-外同步带,8-内同步带， 9-弹性挡圈，10-平垫片，11-螺栓，12-拉簧，13-轴向定位挡圈A，14-基本定位单元，15-轴 向定位挡圈B，16-径向定位轴，17-轴向定位销轴A，18-圆柱滚子轴承A，19-深沟球轴承 A, 20-轴承安装座，21-圆柱滚子轴承B, 22-螺杆,23-外片行走轮端盖，30-主动轴，31-深 沟球轴承B，32-轴向定位销轴B具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
轮履变换结构移动机器人兼有轮式移动机器人快速移动和履带式移动机器人良 好越障能力的特点，在地面条件好时，采用轮式运动，具有快速移动的性能；在地面条件状 况较差时，如遇到楼梯台阶等时，采用履带式运动，具有良好的越障能力。为了保证轮履变 结构移动机器人在多地形行走时运行更平稳、更可靠，且降低轮履变结构移动机器人的成 本，本实施例提供一种用于轮履变换结构移动机器人的可伸缩履带及行走轮定位机构。其 中行走轮定位机构包括了内片行走轮定位装置和外片行走轮定位装置。
图1为采用了本发明的可伸缩履带及行走轮定位机构的轮履变结构移动机器人 左轮的结构示意图，包括了可伸缩履带、内片行走轮2和外片行走轮3。
轮履变换结构移动机器人包括箱体、可伸缩履带、内片行走轮2、外片行走轮3、轮 履变换机构、主动轴30和行走驱动轴6。其中主动轴30用于带动轮履变换机构运动实现轮 式运动和履带式运动之间的转换，行走驱动轴6上安装的两个齿轮分别与内片行走轮2和 外片行走轮3的内齿啮合，以带动内片行走轮2和外片行走轮3同步转动，可伸缩履带与内 片行走轮(2)和外片行走轮(3)的外齿啮合。
为提高轮履变换结构移动机器人运动的可靠性，本实施例提供一种由同步带组成 的可伸缩履带，如图2和图3所示。该可伸缩履带包括外同步带7、内同步带8和拉簧12。 外同步带7和内同步带8均为由高耐磨性的弹性橡胶材料制成的带宽相同的单面带齿的环 形结构，其中内同步带8的有齿面向内，外同步带7的有齿面向外，内同步带8的齿形用于 和机器人内片行走轮2及外片行走轮3的外齿啮合，从而传递动力；外同步带7的齿形用于 增大与地面间的摩擦。所述内同步带8的直径小于外同步带7的直径，外同步带7和内同 步带8同心耦合，外同步带7和内同步带8相对的表面间每间隔相同距离通过平垫圈10和 螺栓11连接，从而将可伸缩履带均分为若干节，每两个相邻的平垫圈10之间连接双排拉簧 12，用来控制可伸缩履带的伸缩。保证拉簧12在自然状态下时，外同步带7和内同步带8 均处于收缩状态，内带同步带8上的齿均匀地卡在内片行走轮2和外片行走轮3的外齿齿 槽内，此时内同步带8各节向内有凸起,而外同步带7各节向外有凸起。
同时，在内同步带8的内侧的中间位置安装弹性挡圈9，内同步带8与内片行走轮 2和外片行走轮3的外齿啮合时，内片行走轮2和外片行走轮3分别位于弹性挡圈9的两 侧。弹性挡圈9既对内片行走轮2和外片行走轮3起到轴向定位的作用，又防止拉簧12因 过载拉伸而遭到破坏。由于弹性挡圈9的作用，当可伸缩履带完全张开时，外同步带7和内 同步带8不完全拉平，均留有一定弧度，用来保证内外同步带上各节收缩时方向的一致性。 这样既保证了机器人运动的平稳，又可以避免可伸缩履带收放时与拉簧12产生干涉，同时还起到了保护拉簧12的作用。该种结构的可伸缩履带结构简单，易于制造和成本低廉。
可伸缩履带的工作方式为
当机器人以轮式方式移动时，拉簧12处于自然收缩状态，可伸缩履带也处于收缩 状态。内带同步带8上的齿均匀地卡在内片行走轮2和外片行走轮3的外齿齿槽内，将行 走轮和可伸缩履带连接起来，起到传递动力的作用。
当机器人以履带式移动方式移动时，外同步带7和内同步带8之间的拉簧12被拉 开，可伸缩履带自然的撑开，而可伸缩履带的外同步带7和内同步带8仍有一定的小凸起, 不仅使机器人在攀爬楼梯或攀越障碍物时减少颠簸、运行更平稳，而且可以保护拉簧12，避 免在机器人运行过程中地面对拉簧12造成损害，以免影响可伸缩履带自然的撑开。同时由 于可伸缩履带同行走轮接触点位置的拉伸程度不同，故内同步带8的齿不均匀的连接在行 走轮的部分外齿齿槽内，可以起到传递动力及防止弹性履带打滑的作用。
行走轮定位机构包括内片行走轮定位机构和外片行走轮定位机构。
内片行走轮定位机构包括三个以上基本定位单元14、轴向定位挡圈A13、轴向定 位挡圈B15和径向定位挡圈。轴向定位挡圈B15的一端与内片行走轮2与箱体相对侧的端 面同轴固接，另一端通过径向定位挡圈与轴向定位挡圈A13同轴固接。基本定位单元14沿 内片行走轮2的圆周方向均匀排列，如图4所示。
所述基本定位单元的结构如图5所示，包括径向定位轴16、轴向定位销轴17、一个 较宽的大圆柱滚子轴承A18及两个小深沟球轴承19。所述径向定位轴16的一端垂直连接 在箱体上，另一端与内片行走轮2的圆周端面间有间隙。圆柱滚子轴承A18安装在径向定 位轴16上，其外圆周与径向定位挡圈的内表面接触，从而对内片行走轮2起到径向定位的 作用，防止内片行走轮2上下窜到。在径向定位轴16的圆周面上，圆柱滚子轴承A18与轴 向定位挡圈B15之间安装轴向定位销轴B32,轴向定位销轴B32垂直与径向定位轴16，轴向 定位销轴B32上安装深沟球轴承A19，深沟球轴承A19的外圆周与轴向定位挡圈B15的圆周 端面接触。在径向定位轴16的圆周面上，圆柱滚子轴承A18与轴向定位挡圈A13之间安装 轴向定位销轴A17，轴向定位销轴A17垂直与径向定位轴16，轴向定位销轴A17上安装深沟 球轴承B31,深沟球轴承B31的外圆周与轴向定位挡圈A13的圆周端面接触,从而实现内片 行走轮2的轴向定位。本实施例中由低成本的圆柱滚子轴承和深沟球轴承组合而替代大尺 寸滑环、滚珠轴承或者滑动轴承等，滑动摩擦变为滚动摩擦，不仅大大降低了成本，而且提 高了工作效率。这种机构不仅保证了内片行走轮定位的可靠性，而且机器人运动的摩擦力 较小，并且大大降低了采用大的滑环或其它大直径定位机构的成本。这种机构不仅保证了 内片行走轮定位的可靠性，而且机器人运动的摩擦力较小，并且大大降低了采用大的环形 导轨或其它大径定位机构的成本。
本实施例提供两种不同的外片行走轮定位机构。
第一种外片行走轮定位机构的结构如图6和图7所示。
通过螺杆22将外片行走轮3定位用滚子轴承21的轴承安装座20固定地连接在 机器人箱体上，再通过轴端挡圈将圆柱滚子轴承B21安装在轴承安装座20上，所述圆柱滚 子轴承B21套装在主动轴30的端部，然后将与外片行走轮3固接的外片行走轮端盖23通 过紧定螺钉锁紧在圆柱滚子轴承B21的外圈，借助于轴承自身内外环之间的定位作用，从 而实现外片行走轮3的轴向和径向定位。此种结构的特点是耐冲击，而且易于安装维护。在该种方式中机器人的主动轴30和行走驱动轴6的端部均通过轴承连接在轴承安装座20 上，能够提高机器人的刚度和承载能力。
附图8为外片行走轮定位机构第二种实施例的结构示意图。该种方式中没有轴承 安装座，外片行走轮定位用圆柱滚子轴承B21的内圈通过轴端挡圈和连接键直接固定在在 悬空的机器人的主动轴30上，然后将与外片行走轮3固接的外片行走轮端盖通过紧定螺钉 与圆柱滚子轴承B21的外圈锁紧，借助轴承自身内外环之间的定位作用，实现外片行走轮3 的轴向和径向定位。此种机构的优点是结构简单；与第一种实施方式相比，由于没有连接箱 体用螺杆，使得轮/履变换机构的设计空间增大，设计变得简单。缺点是外片行走轮3的定 位和行走驱动轴6的刚度和承载能力较差，在体积较小的机器人或者工况要求较低的情况 下可以应用。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。 凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的 保护范围之内。
权利要求
1.一种用于轮履变换结构移动机器人的可伸缩履带及行走轮定位机构，所述轮履变换结构移动机器人包括箱体、可伸缩履带、内片行走轮(2)、外片行走轮(3)、轮履变换机构、 主动轴(30)和行走驱动轴(6);其中主动轴(30)用于带动轮履变换机构运动实现轮式运动和履带式运动之间的转换，行走驱动轴(6)上的两个齿轮分别与内片行走轮(2)和外片行走轮(3)的内齿啮合，以带动内片行走轮(2)和外片行走轮(3)同步转动，可伸缩履带与内片行走轮(2)和外片行走轮(3)的外齿啮合；其特征在于，所述可伸缩履带包括外同步带(7)、内同步带(8)和拉簧(12);外同步带(7)和内同步带(8)为带宽相同的单面带齿的环形结构，其中内同步带(8)的有齿面向内，外同步带(7)的有齿面向外；所述内同步带(8)的齿形和机器人内片行走轮(2)及外片行走轮(3)的外齿啮合；所述外同步带(7)和内同步带(8)同心耦合，外同步带(7)和内同步带(8)相对的表面间每间隔相同距离通过平垫圈(10) 和螺栓(11)连接，从而将可伸缩履带均分为若干节，每两个相邻的平垫圈(10)之间连接拉簧(12);保证拉簧(12)在自然状态下时，外同步带(7)和内同步带(8)均处于收缩状态，内带同步带(8)上的齿均匀地卡在内片行走轮(2)和外片行走轮(3)的外齿齿槽内，此时内同步带(8)各节向内凸起,而外同步带(7)各节向外凸起；所述行走轮定位机构包括内片行走轮定位机构和外片行走轮定位机构；所述内片行走轮定位机构位于内片行走轮(2)与箱体相对的一侧；包括三个以上基本定位单元(14)和挡圈结构；所述挡圈结构包括一个径向定位挡圈和两个轴向定位挡圈；两个轴向定位挡圈之间通过径向定位挡圈连接；挡圈结构与内片行走轮(2)同轴固接；所述基本定位单元(14)沿内片行走轮(2)的圆周方向均匀排列；基本定位单元(14)包括径向定位轴(16)、轴向定位销轴(17)、圆柱滚子轴承A (18)和两个深沟球轴承(19);其中径向定位轴(16)的一端垂直固接在箱体上，另一端与内片行走轮(2)的圆周端面间有间隙；圆柱滚子轴承A (18)安装在径向定位轴(16)上，圆柱滚子轴承A (18)的外圆周与径向定位挡圈的内表面接触；在径向定位轴(16)的圆周面上，圆柱滚子轴承A (18)与两个轴向定位挡圈之间各安装一个轴向定位销轴(17),所述轴向定位销轴(17)垂直与径向定位轴(16);在每个轴向定位销轴(17)上安装一个深沟球轴承(19);所述两个深沟球轴承(19) 的外圆周分别与自身所在侧的轴向定位挡圈的端面接触；所述外片行走轮定位装置包括轴承安装座(20)和圆柱滚子轴承(21);轴承安装座 (20)与机器人箱体固接，圆柱滚子轴承B (21)安装在轴承安装座(20)上；与外片行走轮(3)固接的外片行走轮端盖(23)与圆柱滚子轴承B (21)的外圈固接。
2.如权利要求1所述的一种用于轮履变换结构移动机器人的可伸缩履带及行走轮定位机构，其特征在于，所述外片行走轮定位机构另一种形式为所述滚珠轴承B (21)的内圈与机器人主动轴(30)固定，与外片行走轮(3)固接的外片行走轮端盖与滚珠轴承B (21)的外圈固接。
3.如权利要求1或2所述的一种用于轮履变换结构移动机器人的可伸缩履带及行走轮定位机构，其特征在于，所述外同步带(7 )和内同步带(8 )均由高耐磨性的弹性橡胶材料制成。
4.如权利要求1或2所述的一种用于轮履变换结构移动机器人的可伸缩履带及行走轮定位机构，其特征在于，在所述内同步带(8)内侧的中间位置安装弹性挡圈(9)。
全文摘要
本发明公开一种用于轮履变结构移动机器人的可伸缩履带及行走轮定位机构。机构主要由可伸缩履带、内片行走轮、外片行走轮、行走驱动轴、内片行走轮定位装置、外片行走轮定位装置等组成。可伸缩履带采用带宽相同、齿数不同的两条单面同步带同心耦合而成，内带同步齿与行走轮的外齿啮合传递动力，外带同步齿在机器人移动时与地面接触；两片行走轮的内外均加工有齿，其内齿与行走驱动轴啮合，外齿与履带的内带同步齿啮合；内片行走轮的定位装置由≥3个的基本定位单元圆周阵列而成，基本定位单元主要包括一个大的圆柱滚子轴承及与其正交的两个小的深沟球轴承；外片行走轮主要通过一个圆柱滚子轴承实现在箱体上的定位。通过本发明使机器人既具有轮机器人的优点又具有履带式机器人的优点。
文档编号B62D55/24GK102991596SQ20121053910
公开日2013年3月27日 申请日期2012年12月13日 优先权日2012年12月13日
发明者高学山, 郭文增, 戴福全, 宗成国, 邵洁 申请人:北京理工大学