单履带的轮‑履复合式的可被动自适应的机器人移动平台的制作方法

本发明涉及机器人移动平台技术领域，具体为一种单履带的轮-履复合式的可被动自适应的机器人移动平台。

背景技术：

现有的被动自适应机器人就其机构类型而言，常见的有轮式、履带式和轮-履复合式三类。美国的火星探路者号机器人是典型的轮式被动自适应机器人，火星探路者号机器人能够在粗糙、崎岖、陡峭的复杂地形上运动，但是只适应地形变化连续的情况，无法翻越阶梯；crawler系列机器人是典型的履带式被动自适应机器人，crawler系列机器人可以通过较小的障碍物，但是无法越过大的障碍物，而且纯履带传动能耗大；专利号为zl2010102195152的中国专利公开一种具有自适应能力的轮-履复合变形移动机器人，该机器人是典型的轮-履复合自适应机器人，该机器人在平坦的地面采用前端轮式，后端履带式的运动模式，这使得两者速度控制不易于同步，而且没有发挥轮式所具有的速度快、机动灵活性好、转弯性能好的特点。

现有的被动自适应机器人就其履带类型而言，大多都是运用的单节双履带的形式。单节双履带式机器人履带分布在车体的两侧，稳定性和越障能力好，而且不易倾翻，但无形之中加大了机器人的结构尺寸，使得无法通过狭窄的通道和转弯处；双节双履带机器人一般很难实现被动自适应，所以一般都是通过传感器来获取外界信息，通过复杂的控制来实现主动适应；单节单履带机器人能够在很小的通道中运动，但是无法实现转弯，在左右高低不平的路况很容易翻车；多节单履带机器人同样无法实现转弯，而且节数越多，结构越复杂，运动控制与协调难以实现。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是，提供一种单履带轮-履复合自适应机器人移动平台。该平台对障碍物具有被动自适应能力，可在轮式、履带式和轮-履混合式三种运动模式之间切换，能够通过狭小过道与拐角，当车轮悬空情况下，可以通过比履带更窄的通道，并越过障碍。

本发明解决所述技术问题采用的技术方案是：提供一种单履带的轮-履复合式的可被动自适应的机器人移动平台，包括轮-履复合模块、车体模块和尾轮模块；其特征在于所述的轮-履复合模块安装在所述的车体模块的外侧，并将车体模块完全包围在内部，所述的尾轮模块安装在车体模块后部；

所述车体模块包括履带驱动系统、车体盖板、履带轮支撑轴和两个主动轮驱动系统，履带驱动系统和两个主动轮驱动系统均安装在车体盖板内，在车体盖板的前后两端的下部沿垂直于车体移动方向对称设有两个履带轮支撑轴；两个主动轮驱动系统分别驱动左右两侧的主动轮；履带驱动系统负责驱动履带轮转动；

所述轮-履复合模块包括履带与履带轮、同步带与同步带轮、两组连杆机构、连杆连接轴、两个从动轮系统、主动轮、从动轴、连杆复位弹簧、弹簧柱以及限位支架；

所述主动轮左右对称设置在所述的车体模块的外侧，且主动轮与主动轮驱动系统的两端连接；每个连杆机构包括上连杆、中连杆和下连杆，所述上连杆平行于车体移动方向，上连杆的后端与主动轴连接；上连杆的前端连接中连杆的上端，中连杆的下端连接下连杆的前端，下连杆的后端与位于前方的履带轮支撑轴连接；两组连杆机构左右对称设置在履带内部两侧，两个上连杆与中连杆的连接处由从动轴相连，两个中连杆与下连杆的连接处由连杆连接轴相连，上连杆和下连杆各有一端与所述车体模块彼此铰接，上连杆、中连杆、下连杆以及车体模块形成四连杆机构；在四连杆机构的铰接处的外侧均安装有一个履带轮，共十个履带轮，十个履带轮支撑履带；同步带平行安装在两组连杆机构中间，在履带驱动系统的输出轴和从动轴上分别安装一个同步带轮，两个同步带轮通过同步带连接；在两个上连杆上，且位于两个同步带轮之间，沿垂直于车体移动方向安装有两个限位支架；

两个从动轮系统左右对称安装，每个从动轮系统包括从动轮支架、从动轮和从动轮轴，从动轮支架的上端固定安装在上连杆的中部外侧上，从动轮支架的下部通过从动轮轴连接有从动轮，在从动轮支架和所述车体模块上分别安装有一根弹簧柱，两根弹簧柱通过连杆复位弹簧连接在一起。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.本发明当遇到较大的障碍物时，外界的约束力作为一种使移动平台结构变形的驱动力，使得被动变形后的移动平台能够更好的适应环境。

2.本发明使用的是单履带结构，而且车体模块在履带的内侧，因此相对双履带结构能够大幅减小结构尺寸，从而更易于通过狭窄的过道和转角处。

3.本发明可以在越障过程中实现轮式、履带式、轮-履混合式三种运动模式的切换。在平坦地面上移动平台做轮式运动，因此可以发挥轮式运动速度快，效率高，转弯性能好，灵活性强的特点；在越障过程中，刚开始为轮-履混合运动，履带爬越障碍物，车轮提供向前的动力，相对于履带同时与障碍物和地面接触具有更强的越障动力，后来为履带式运动，使得越障过程具有更高的稳定性。

4.本发明尾轮模块能够支撑车体脱离地面，使得车体重心上升，增强了移动平台的越障能力，可以越过比自身更高的障碍物。

5.本发明可以在车轮悬空的情况下，车轮空转，履带与地面接触，由于车体模块在履带内侧，移动平台的其它机构不与地面接触，因此在履带式运动模式下能够通过比履带更窄的通道，并且越过障碍。

附图说明

图1为本发明单履带轮-履复合自适应机器人移动平台一种实施例的立体结构示意图；

图2为本发明单履带轮-履复合自适应机器人移动平台一种实施例的无履带的立体结构示意图；

图3为本发明单履带轮-履复合自适应机器人移动平台一种实施例的轮-履复合模块1的俯视图；

图4为图3轮-履复合模块1的a-a的半剖视图；

图5为本发明单履带轮-履复合自适应机器人移动平台一种实施例的车体模块2的立体结构示意图；

图6为本发明单履带轮-履复合自适应机器人移动平台一种实施例的车体模块2的主视图；

图7为本发明单履带轮-履复合自适应机器人移动平台一种实施例的尾轮模块3的立体结构示意图；

图8为图7中a处局部放大图；

图9为本发明单履带轮-履复合自适应机器人移动平台做轮式运动的示意图；

图10为本发明单履带轮-履复合自适应机器人移动平台遇到障碍物后的变形示意图；

图11为本发明单履带轮-履复合自适应机器人移动平台尾轮刚接触地面运动示意图；

图12为本发明单履带轮-履复合自适应机器人移动平台尾轮支撑车体运动示意图；

图13为本发明单履带轮-履复合自适应机器人移动平台从动轮复位后运动示意图；

图14为本发明单履带轮-履复合自适应机器人移动平台越过障碍物后运动示意图；

图15为本发明单履带轮-履复合自适应机器人移动平台在车轮悬空情况下立体示意图；

图16为本发明单履带轮-履复合自适应机器人移动平台在车轮悬空情况下运动主视图；

图17为本发明单履带轮-履复合自适应机器人移动平台在车轮悬空情况下遇到障碍物后的变形示意图；

图18为本发明单履带轮-履复合自适应机器人移动平台在车轮悬空情况下从动轮复位后运动示意图；

图19为本发明单履带轮-履复合自适应机器人移动平台在车轮悬空情况下越过障碍物后运动示意图；

图中：1-轮-履复合模块，2-车体模块，3-尾轮模块，101-履带轮，102-从动轴，103-同步带轮，104-连杆连接轴，105-同步带，106-限位支架，107-从动轮支架，108-从动轮，109-从动轮法兰盘，110-从动轮轴，111-主动轮，112-履带，113-上连杆，114-中连杆，115-下连杆，116-连杆复位弹簧，117-弹簧柱，201-后侧板，202-小交错轴斜齿轮，203-主动轴，204-大交错轴斜齿轮，205-主动轮轴，206-左右侧板，207-履带减速器，208-履带电机，209-履带轮支撑轴，210-底板，211-电机支撑板，212-锥齿轮，213-电机支架，214-前侧板，215-上盖板，216-主动轮电机，217-主动轮减速器，301-尾轮支架，302-尾轮连接轴，303-弹簧轴，304-尾轮复位弹簧，305-尾轮杆，306-尾轮支撑轴，307-尾轮，308-限位轴。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明，但并不以此作为对本申请权利要求保护范围的限定。

实施例：本发明单履带的轮-履复合式的可被动自适应的机器人移动平台(简称平台，参见图1)包括轮-履复合模块1、车体模块2和尾轮模块3；所述的轮-履复合模块1安装在所述的车体模块2的外侧，并将车体模块2完全包围在内部，所述的尾轮模块3安装在车体模块2后部；本发明平台能实现将外部的约束力转换为本发明的机构变形的驱动力，使得本发明平台能够实现轮式、履带式和轮-履混合三种运动模式的切换，在车轮悬空情况下，可以通过比履带更窄的通道，尾轮模块3使得本发明能够越过比自身更高的障碍物。

所述车体模块2(参见图5和图6)包括履带驱动系统、车体盖板、履带轮支撑轴209和两个主动轮驱动系统，履带驱动系统和两个主动轮驱动系统均安装在车体盖板内，在车体盖板的前后两端的下部沿垂直于车体移动方向对称设有两个履带轮支撑轴209；两个主动轮驱动系统分别驱动左右两侧的主动轮111；履带驱动系统负责驱动履带轮101转动；

所述车体盖板包括后侧板201、左右侧板206、底板210、前侧板214和上盖板215，后侧板201、左右侧板206、底板210、前侧板214和上盖板215构成封闭空间；两个主动轮驱动系统左右对称安装在底板210上，每个主动轮驱动系统均包括主动轮电机216、主动轮减速器217、电机支架213、主动轮轴205和锥齿轮212，主动轮电机216与主动轮减速器217相连，并通过电机支架213固定在底板210上；所述主动轮轴205一端穿过左右一侧的侧板，另一端安装有一个锥齿轮212，且主动轮轴205位于主动轮减速器217的后部；主动轮减速器217上也安装有一个锥齿轮212，两个锥齿轮212相啮合；主动轮减速器217通过两个锥齿轮212啮合将动力传至安装在左右一侧的侧板上的主动轮轴205；

所述履带驱动系统包括履带电机208、履带减速器207、电机支撑板211、小交错轴斜齿轮202、大交错轴斜齿轮204和主动轴203，履带电机208与履带减速器207相连，并且安装在电机支撑板211上，所述电机支撑板211位于主动轮轴205的后方，且电机支撑板211与上盖板215、底板210、前侧板214及左右侧板206组成一个封闭空间，将履带电机208与履带减速器207密封在内部；所述履带电机208通过履带减速器207连接大交错轴斜齿轮204，所述大交错轴斜齿轮204位于电机支撑板211后部，大交错轴斜齿轮204的上方沿垂直于车体移动方向安装有主动轴203，主动轴203上安装有小交错轴斜齿轮202，小交错轴斜齿轮202和大交错轴斜齿轮204相互啮合；履带电机208动力通过小交错轴斜齿轮202和大交错轴斜齿轮204将动力传至与履带电机208不在同一水平面且相互垂直的主动轴203上；

两根履带轮支撑轴209安装在左右侧板206下端的前后，一根履带轮支撑轴209位于主动轮电机216的前方，另一根履带轮支撑轴209位于电机支撑板211的后部；

所述轮-履复合模块1(参见图2-4)包括履带112与履带轮101、同步带105与同步带轮103、两组连杆机构、连杆连接轴104、两个从动轮系统、主动轮111、从动轴102、连杆复位弹簧116、弹簧柱117以及限位支架106；所述主动轮111左右对称设置在所述的车体模块2的外侧，且主动轮111与主动轮轴205的两端连接；每个连杆机构包括上连杆113、中连杆114和下连杆115，所述上连杆113平行于车体移动方向，上连杆113的后端与主动轴203连接；上连杆113的前端连接中连杆114的上端，中连杆114的下端连接下连杆115的前端，下连杆115的后端与位于前方的履带轮支撑轴209连接；两组连杆机构左右对称设置在履带112内部两侧，两个上连杆113与中连杆114的连接处由从动轴102相连，两个中连杆114与下连杆115的连接处由连杆连接轴104相连，上连杆113和下连杆115各有一端与所述车体模块2彼此铰接，上连杆113、中连杆114、下连杆115以及车体模块2形成四连杆机构；在四连杆机构的铰接处的外侧均安装有一个履带轮101，共十个履带轮101，十个履带轮101支撑履带112；同步带105平行安装在两组连杆机构中间，在主动轴203和从动轴102上分别安装一个同步带轮103，两个同步带轮103通过同步带105连接，将车体模块2中主动轴203的动力通过同步带105传至从动轴102；在两个上连杆113上，且位于从动轴102和主动轴203之间，沿垂直于车体移动方向安装有两个限位支架106，前端限位支架106恰好能使中连杆114与下连杆115共线后无法再转动，后端限位支架的下表面与上连杆113的下表面共面，后端限位支架位于平台的后半部分；后端限位支架106能够限制上连杆113水平位置高于上盖板215水平位置，防止履带112与车体模块2干涉，前端限位支架106能够限制中连杆114位置不超过极限，防止无法复位，两个限位支架106都有稳固两上连杆113之间平行的作用。

两个从动轮系统左右对称安装，每个从动轮系统包括从动轮支架107、从动轮108、从动轮法兰盘109和从动轮轴110，从动轮支架107的上端固定安装在上连杆113的中部外侧上，从动轮支架107的下部通过从动轮轴110连接有从动轮108，在从动轮108上安装有从动轮法兰盘109，在从动轮支架107和所述车体模块2上分别安装有一根弹簧柱117，两根弹簧柱117通过连杆复位弹簧116连接在一起；

具体运动原理如下：由车体模块2提供的动力通过同步带轮103与同步带105将动力传至从动轴102上，使得履带112在与上连杆113相连的两组履带轮101的作用下有足够的驱动力，当外界的约束力作为一种使连杆机构变形的驱动力时，上连杆113上抬，与上连杆113固连的从动轮系统也上抬，因此从动轮108的质心抬高，高于履带112最低点后切换为由履带112与障碍物接触，当连杆机构失去了外力作用后，连杆复位弹簧116通过弹簧力将连杆机构和从动轮系统复位，前后两个限位支架106通过物体接触(前面一个限位支架106与中连杆114接触，后面一个限位支架106与上盖板215接触)分别限制了中连杆114的上限与上连杆113的下限。

主动轮111的动力主要是通过主动轮减速器217将主动轮电机216的转速降低至主动轮111所需的转速，然后通过锥齿轮212传动将速度传递至与锥齿轮212固连的主动轮轴205上，从而实现主动轮111的转动，履带112的动力主要是通过履带减速器207将履带电机208的转速降低至主动轴203所需的转速，然后通过大交错轴斜齿轮204和小交错轴斜齿轮202将动力传递至主动轴203上，然后通过履带轮101将动力传递给履带112。

所述尾轮模块3(参见图7和图8)包括两个尾轮支架301、两个尾轮307、两个尾轮杆305、尾轮连接轴302、弹簧轴303、尾轮支撑轴306、限位轴308和尾轮复位弹簧304；每个尾轮支架301一端固定安装在车体模块2的后部，另一端通过折弯伸出到所述履带112外，同时与尾轮杆305连接；两个尾轮杆305与尾轮支架301的连接处通过尾轮连接轴302连接，且尾轮杆305上装有短的限位轴308，突出一端插入尾轮支架301上的限位槽中；在两个尾轮支架301和两个尾轮杆305之间分别安装有两根弹簧轴303，两根弹簧轴303之间垂直安装尾轮复位弹簧304；在两个尾轮杆305的末端安装尾轮支撑轴306，在尾轮支撑轴306的两端安装有两个尾轮307。

具体运动原理如下：当机器人移动平台翻越障碍的过程中，尾轮307与地面接触，尾轮307与尾轮支撑轴306固连并绕尾轮支撑轴306轴心转动，地面施加的外力使得尾轮杆305绕着尾轮连接轴302转动，随着尾轮杆305与尾轮支架301的角度不断增大，当限位轴308到达限位槽末端时，尾轮杆305无法再转动，此时尾轮模块3转化为支撑装置，起到支撑车体模块2的作用，由于尾轮杆305转动，因此两根弹簧轴303之间距离变大，尾轮复位弹簧304变长，当尾轮307脱离地面后，尾轮复位弹簧304将尾轮杆305复位。

本发明单履带轮-履复合自适应机器人移动平台的工作原理及工作过程为：在平整路面上行走时，主动轮111和从动轮108与地面接触，动力由主动轮驱动系统驱动，履带112的最低位置高于地面，所以履带112在履带驱动系统驱动下空转，通过控制两侧主动轮111的不同转速，还可以实现移动平台的转弯，此时移动平台做轮式运动(参见图9)。当遇到障碍物时，外界的约束力作为一种使连杆机构变形的驱动力，使得上连杆113前端上抬，连杆复位弹簧116拉长，与上连杆113固连的从动轮系统也上抬，因此从动轮108的质心抬高，从动轮108的最低点高于履带112最低点，履带112与障碍物接触，主动轮111与地面接触，此时履带112与障碍物的摩擦力作为移动平台斜向上的牵引力，主动轮111提供向前的动力，此时为轮-履混合运动模式(参见图10)。当移动平台继续爬越障碍时，移动平台与地面的仰角增大，履带112的后下部与地面接触，而主动轮111逐渐离开地面，尾轮307则逐渐接触地面，此时为履带式运动(参见图11)。随着移动平台与地面仰角继续增大，障碍物对连杆机构不再有约束力，但是障碍物对从动轮108有约束力，所以连杆机构还无法复位，尾轮杆305与尾轮支架301的角度也不断变大，当限位轴303到达限位槽末端时，尾轮杆305无法再转动，此时尾轮模块3转化为支撑装置，尾轮模块3起到支撑车体模块2的作用，此时履带112的后部脱离地面，只由履带112与障碍物接触，尾轮307与地面接触的方式运动(参见图12)。当履带112对连杆机构和从动轮108都无约束力时，连杆机构在连杆复位弹簧116的拉力作用下复位，重心向前并且进一步抬高(参见图13)。当重心达到临界点后，前端重心向下，移动平台翻越障碍，尾轮307失去了地面的约束力后，在尾轮复位弹簧304的拉力作用下复位，此时为轮-履混合运动模式(参见图14)。移动平台继续向前运动，恢复至轮式运动(参见图9)。

本发明单履带轮-履复合自适应机器人移动平台在车轮悬空情况下的工作原理及工作过程为：在未运动到障碍物前，由于整个通道宽度小于履带112宽度，履带112直接与地面接触，两侧主动轮111和从动轮108悬空，因此，主动轮111空转，从动轮108不转，移动平台通过履带112向前运动(参见图15和图16)。当遇到障碍物时，外界的约束力作为一种使连杆机构变形的驱动力，使得上连杆113的前端上抬，连杆复位弹簧116拉长，与上连杆113固连的从动轮系统也上抬，因此从动轮108的质心抬高，此时履带112与障碍物的摩擦力作为移动平台斜向上的牵引力，履带112后部分与地面接触提供向前的动力使其攀爬障碍物(参见图17)；当移动平台继续爬越障碍时，移动平台与地面的仰角增大，尾轮307则逐渐接触地面(参见图11)。随着移动平台与地面仰角继续增大，尾轮杆305与尾轮支架301的角度也不断增大，当限位轴303到达限位槽末端时，尾轮杆305无法再转动，此时尾轮模块3转化为支撑装置，尾轮模块3起到支撑车体模块2的作用，此时履带112的后部脱离地面，只由履带112与障碍物接触，尾轮307与地面接触的方式运动，逐渐障碍物对连杆机构不再有约束力，连杆机构在连杆复位弹簧116的拉力作用下复位，重心向前(参见图18)。随着继续运动，移动平台的重心继续抬高(参见图13)。最后，当重心达到临界点后，前端重心向下，使移动平台翻越障碍，尾轮307失去了地面的约束力后，在尾轮复位弹簧304的拉力作用下复位，变为单履带运动模式(参见图19)。

本发明所述的轮-履复合模块2中上面两组履带轮是主动的，而下面三组是被动的，由于上面两组履带轮的中心距不变，因此可以实现同一履带用两组主动履带轮，而仅仅只由后端一组履带轮作为主动轮时，当连杆机构变形后，履带与履带轮之间的包角减小，无法提供足够的驱动力使得履带运动。

本发明所述的尾轮模块具有支撑整个车体越过比自身还要高的障碍物的功能。

本发明所述的“前、后、左、右、上、下”等方位词是为了描述清楚，只具有相对意义。一般情况下，以移动平台水平向前运动的方向为前，并作为其他方位词的基准。本发明未述及之处适用于现有技术。

需要强调的是，本发明所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明包括并不限于具体实施方式中所述的实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本发明保护范围。