一种步履复合式移动机器人行走系统的改良结构的制作方法

本发明涉及一种行走机器人行走系统的改良结构，尤其是涉及步履复合式移动机器人的一种行走系统的改良结构。

背景技术：

移动机器人是机器人领域的发展热点，近年来发展迅猛。不仅在工业、农业、医疗、服务等行业中得到广泛的应用，而且在城市安全、反恐、国防和空间探测领域等有害与危险场合得到很好的应用。移动机器人面临的环境特点是复杂未知和多变的。目前，这类机器人主要有轮式、腿式和履带式三种移动机构。这三种机构各有所长，也各有所短。轮式速度快，但地形适应能力差；腿式灵活机动，但速度慢且不易控制；履带式越障能力强，但能耗大且转向困难。

本发明是在研究一种具有复合移动机构的移动机器人时根据实际要求而提出的。特别针对地面路况高低不平时，在转弯、变速时如何既能有较好的动作功能、效率，又保持机器人有平稳的运行状态，有利提高机器人的整体运行质量。这类机器人具有平衡摇臂悬架和步履复合行走装置，行走系统采用平衡摇臂底盘和四个关节履带摆臂的配置方案，通过对关节履带四个摆臂的协调控制使其具有较强的越障能力，它具有较强的复杂环境姿态调控能力和地形适应能力。

现有技术的此类机器人尚存在如下三方面的不足，需要改进和改善。

中国实用新型专利号：201520666955.0，名称：变形履带悬架及具有其的机器人移动平台。该实用新型涉及的悬架结构有六杆构成，由中间联接架、变形履带单元、变形驱动组件等组成，通过连杆的运动带动履带轮转动，同时调节离地间隙。但是，该技术结构较为复杂，且无法在平衡摇臂结构的底盘上使用，而且也没有较好的减震效果。

另外传统的履带车辆单功率转向机构存在很多明显的缺点：车辆仅有几个固定的转向半径,按非规定的转向半径转向时要靠摩擦元件的滑磨来实现,难以得到稳定准确的转向半径，且剧烈滑磨会带来发热和磨损,使传动效率降低、转向不平稳和不可靠,特别是在较大功率的转向工作状态下,会存在较大的功率损失导致常常需降速转向，急需改变。

而且不平路面会影响履带总成的接地性能，同时，地面上的障碍物也会对履带式机器人移动平台产生一定的冲击载荷，影响移动机器人移动平台的正常工作。传统的关节履带为刚性连接，无法吸收地面障碍物产生的冲击载荷。并且当刚性连接的关节履带遇到凹凸不平的路面时，仿地形能力较差。当通过地面较高凸块时，刚性关节履带有可能会出现履带悬空的状态。

技术实现要素：

本发明目的在于克服现有技术的不足，提供一种步履复合式移动机器人行走系统的改良机构，在减震和保持平衡的摇臂悬架可主动调节离地间隙，改变以摩擦方式实现转变的转向机构，提高关节履带遇到凹凸不平的路面时的仿地形能力。

本发明的目的由以下技术方案实现。

一种步履复合式移动机器人行走系统的改良结构，其特征在于：

在“h”型传动方式的底盘上配置左右两侧对称的平衡摇臂悬架，工作平台置于平衡摇臂悬架的三个固定点上；由直线行驶驱动电机和转向行驶驱动电机驱动的驱动转向总成配置于所述平衡摇臂悬架位于“h”型底盘外桥壳横杆上，所述平衡摇臂悬架的四条支腿配置具有能调整姿态关节履带总成；

所述平衡摇臂悬架包括两侧配置的支撑平衡架；

所述支撑平衡架由平行于行走方向的板状外摇臂和内摇臂间隔配置构成，在两所述摇臂之间经支腿旋转轴转动固定一对呈八字状斜向下的支腿；

在两摇臂之间的上方平行行走方向配置电动推杆，在电动推杆的两端分别对称配置有上、下两支点的角平分支架，角平分支架的上支点转动连接在电动推杆的一端及筒状的减震弹簧的上端，角平分支架的下支点固定连接角平分齿轮，并列配置的一对角平分齿轮相互啮合，由角平分齿轮轴转动装配在内、外摇臂上；

减震弹簧的下端转动连接在支腿的中上部位置；

所述内摇臂向后方伸出杆状臂，左、右两根内摇臂的杆状臂端部分别铰接竖直的竖拉杆，左、右两根竖拉杆的下端由一根横向的平衡臂铰接相连接，平衡臂的中央位置为一与工作平台的铰接固定点；

两个所述支撑平衡架的内摇臂中央部位，由横向的外桥轴壳两端经回转支承可绕外桥轴壳转动连接，在所述外桥轴壳上两侧位置设置两个工作平台的固定点；

所述驱动转向总成：

转向机构壳体有左端输出轴和右端输出轴：在转向机构壳体内自左至右相继配置对称式锥齿轮差速器、第一行星排和第二行星排，且左端输出轴、右端输出轴、对称式锥齿轮差速器两半轴齿轮及第一行星排和第二行星排的太阳轮轴均位于同一轴线；

驱动电机轴上的第一齿轮啮合传动固定在差速器壳上的主减速器从动齿轮；

左端输出轴连接第一半轴齿轮，右端输出轴连接第二半轴齿轮及第二行星排的第二太阳轮；

第一行星排的第一太阳轮与差速器壳固定连接，第一行星排的第二行星轮与第二行星排的第三行星轮通过双联行星架平行配置；

第一行星排的第二行星轮啮合传动于第一太阳轮和内圈是齿的第二齿圈间；

第二行星排的第三行星轮啮合传动于第二太阳轮和内圈是齿的第一齿圈间；

第一行星排的大圆柱齿轮与第二齿圈)的非齿面同轴固定连接；

转向电机输出轴上的第二齿轮与大圆柱齿轮啮合传动；

第二行星排外圈的第一齿圈固定在转向机构壳体内壁。

所述调整姿态关节履带总成：

在大轮旋转轴上套置一端有链盘的驱动空心轴，驱动空心轴驱动大轮旋转，拨动履带运行，带动小轮旋转；

在大轮旋转轴和驱动空心轴之间，套置一端有链盘的姿态调整空心轴，三轴同轴线可相互转动；

姿态调整空心轴的插入端经扭矩减震机构连接杆形摆臂，摆臂的另一端转动连接小轮支撑旋转轴；所述摆臂的长度方向与大轮旋转轴和小轮支撑旋转轴的连线一致；

所述扭矩减震机构为：在姿态调整空心轴的插入端垂直固定扭转减震主动盘，两片扭转减震从动盘分别配置、夹持在所述扭转减震主动盘的两侧，在扭转减震主动盘上沿周向装置若干弹簧，在两侧扭转减震从动盘的相应位置开设相应尺寸的弹簧孔，所述弹簧嵌入所述弹簧孔，使得扭转减震主动盘上弹簧的弹力可以传递给扭转减震从动盘上的弹簧孔；

两片扭转减震从动盘与扭转减震主动盘围绕大轮旋转轴可有弹性地往复转动；

两侧的扭转减震从动盘由垂直于盘面的螺栓连接，在扭转减震主动盘的相应位置开设腰形长孔，保证连接扭转减震从动盘的螺栓)位于腰形长孔内往复转动不受阻碍；

所述摆臂的一端固定在外侧的扭转减震从动盘轴孔位置。

采用本技术方案平衡摇臂悬架：

包括车辆及移动机器人的工作平台能配置在两侧为支撑平衡架为主的摇臂式悬架内，三个点形成一个平稳的连接面。摇臂式悬架在一对可控制、改变夹角的支腿支撑下可变化离地高度，以适应两侧地面不同高度的路况。相互啮合的一对角平分齿轮可以严格保证电动推杆形成的小平台始终不发生前后左右的位移，能平稳运行、行走。减震弹簧减弱吸收了支腿行走中的震动。

随着电动推杆的伸缩，两侧两个角平分支架的上支点在电动推杆的中央垂线两侧有始终对称的移动；

随着地面的形状变化，一对支腿的下端在电动推杆的中央垂线两侧有对称或不对称的转动。

采用本技术方案驱动转向总成：

在工作过程中，双功率流动力差速转向机构有两路功率输入，一路来自直线行驶驱动电机，另一路来自转向行驶转向电机，两路功率流在动力差速转向机构处实现汇流。差速转向机构用转向行驶转向电机的功率输入来增加一侧输出轴的转速，同时减小另一侧输出轴的转速，从而引起两端输出轴的转速不同，使平衡摇臂底盘车辆转向。通过控制两路功率流的方向和大小就可以控制平衡摇臂底盘车辆转向的方向和转向的快慢。转向行驶驱动转向电机的旋转方向决定平衡摇臂式底盘车辆的转向方向(左转或右转)，转向行驶驱动转向电机的旋转速度决定了平衡摇臂式转向的急或缓。通过差速转向机构的功率可以分成3种工作情况，从直线行驶驱动电机来的直线行驶功率传递、来自转向行驶驱动转向电机的转向功率传递及前两种功率传递的复合。

采用本技术方案调整姿态关节履带总成：

本技术方案在大轮上共有三根轴：大轮旋转轴、驱动空心轴和姿态调整空心轴，三轴同轴线可相互转动；

大轮旋转轴起支撑大轮作用；

驱动空心轴：驱动空心轴由链条转动带动一端有链盘的驱动空心轴转动，驱动大轮旋转，拨动履带运行，带动小轮旋转；

姿态调整空心轴是本专利的主要内容，通过上述所述结构和内容，往复小范围旋转，实现关节履带的姿态调整。

进一步，所述角平分支架的上支点拆分为间隔一定距离的两点，一点转动连接在电动推杆的一端，另一端转动连接在筒状减震弹簧的上端，所述一定距离为小于等于所述角平分支架上支点至下支点的距离。

进一步，所述支腿的上端至减震弹簧的下端转动连接在支腿上位置的距离小于减震弹簧的原始长度。

进一步，所述扭转减震主动盘和两片扭转减震从动盘均为圆片形，且扭转减震主动盘的直径小于扭转减震从动盘的直径；

在扭转减震主动盘的外周边均匀分布开设4个开口向外的矩形凹口，置入圆柱弹簧；在两扭转减震从动盘的相应位置开设与圆柱弹簧相应的矩形弹簧孔，且一矩形长边连接向外侧呈小于45度夹角的挡板，当扭转减震主动盘和两片扭转减震从动盘(3)由螺栓连接时，所述圆柱弹簧被夹持在两侧矩形弹簧孔中。

进一步，所述大圆柱齿轮与第二齿圈的非齿面采用以下方式之一连接：

①第二齿圈的外圈和大圆柱齿轮的内圈为过盈配合；

②将第二齿圈和大圆柱齿轮制成一个零件；

③将第二齿圈的外圈和大圆柱齿轮的内圈结合处用紧定螺钉连接。

本发明的有益效果：

本发明克服了现有技术步履复合式移动机器人行走系统中的主要三个不足。

首先，通过对电动推杆的简单控制以及电动推杆水平方向的自由滑动结构设计可以实现前后支腿夹角的控制，从而达到控制悬架底部离地面的间隙距离。电动推杆的控制是主动的，这样可以更加方便适应不同路况情况。通过设置减震器衰减行进过程中路面传到悬架的震动的作用。本发明“随着地面的形状变化，一对支腿的下端在电动推杆的中央垂线两侧有对称或不对称的转动”，如此结构，不仅可以适应行走箱体左右高低不平，也可以适应和消除在同一侧前后的高低差异，导致平稳行走。本发明“随着电动推杆的伸缩，两侧两个角平分支架的上支点在电动推杆的中央垂线两侧有始终对称的移动”如此结构，使得无论电动推杆如何推行，电动推杆和一对角平分齿轮始终对称行动，保持在x方向没有偏移，使得两侧摇臂和桥轴壳没有偏移，可确保行走箱体安置在平稳的悬架上，附有行走箱体的机器人或机器装置行走中自身不偏移，进一步提高行走稳定性。

其次，该转向机构将转向系统和传动系统合为一体，简化了机械结构，提高了机械的使用性能，能够绕其自身中心实现原地转向，通过调节两路功率流的大小，可具有不同的连续转向半径，能够适应不同的转向要求。能使车辆相对正常行驶的平均行驶速度不变。具备平均分配转矩的功能。具有差速锁的功用，充分利用附着条件好的一边的轮子提高机器人或车辆的通过能力。

最后，履带总成具有接地角度调整功能，可跨越障碍(比如爬楼梯)，适应复杂的路面环境，可实现履带接地角度的主动调整，具有较好仿地形能力，提高履带地面附着力，扭转减震机构起到衰减在复杂地面行驶过程中履带前端受到的扭转振动、缓和冲击和降低噪声的作用，结构简单、紧凑，零件受力合理，操纵姿态调整方便，操纵效果、效率好。

本发明是一种对平衡摇臂的步履复合式移动机器人或车辆的行走系统的主要结构有重大改变和改良的技术方案，它对复杂环境和非结构化路面具有很强的适应性，并具有灵活的姿态调控和稳定的姿态保持能力。具有自动适应高低不平复杂地面的附着仿形能力、地面附着性好、减少因路面凸凹不平对车体的俯仰和侧倾的扰动；履带和平衡摇臂相结合不仅增加了该移动平台的负重能力，而且使其具有爬楼梯和障碍物跨越的能力；移动平台采用四轮驱动的方式增加了车辆的越野能力，可以实现原地转型，机动性强。

本发明相关三大类总成的改良结构相对简单，原理清晰，适用范围广，可以稍微改变结构后应用到很多采用平衡摇臂悬架的车辆或移动机器人平台。

附图说明

图1为本发明步履复合式移动机器人行走系统的改良结构的一种实施方式三维轴测图；

图2为图1去除工作平台部件的俯视图；

图3为本发明一实施例，其中平衡摇臂悬架总成部件的轴测图；

图4为图3平衡摇臂悬架其中支撑平衡架部件，从侧面观察的正视图，且显示了相关零部件的运动方向；

图5为本发明一实施例，其中驱动转向总成的原理及结构简图；

图6为图5的结构分解轴测图；

图7为图6中锥齿轮差速器部件及相关零件的结构分解轴测图；

图8为图7中第一齿轮、第二齿轮及相关零件的结构分解轴测图；

图9为本发明一实施例，驱动转向总成的一实施方式，配置两件惰轮的结构分解轴测图；

图10为本发明步履复合式移动机器人行走系统的改良结构的一种实施方式，其中调整姿态关节履带总成，沿大轮和小轮轴线的剖视图；

图11为本发明一种实施方式，其中调整姿态关节履带总成的外形轴测图；

图12为图11调整姿态关节履带其中摇臂及相关部件的轴测图。

图中,a是调整姿态关节履带总成、b是驱动转向总成、c是平衡摇臂悬架；

1是履带、2是小轮、3是大轮互换毂、4是深沟球轴承1、5是小轮支撑旋转轴、6是深沟球轴承2、7是滑动轴承1、8是负重轮1、9是负重轮旋转轴套、10是扭簧、11是负重轮摆臂、12是负重轮2、13是摆臂、14是大轮、15是深沟球轴承3、16是圆螺母、17是大轮旋转轴、18是弹性挡圈、19是滑动轴承2、20是扭转减震主动盘、21是扭转减震从动盘、22是弹簧、23是扭转减震从动盘、24是大轮互换毂、25是制动盘、26是轮边驱动链轮、27是轮边支撑法兰、28是姿态调整链轮、29是深沟球轴承4、30是弹簧垫圈1、31是螺母1、32是螺母2、33是弹簧垫圈2、34是内六角螺钉、a是弹簧孔、b是螺栓、c是挡板。

35是万向节、36是内摇臂、37是减震器、38是支腿、39是对锁螺栓、40是支撑耳朵、41是角平分支架、42是支腿旋转轴、43是电动推杆、44是大螺母、45是外摇臂、46是角平分齿轮轴、47是角平分齿轮、48是外桥轴壳、49是差速器壳体、50是回转支撑、51是竖拉杆、52是平衡臂；

53是第一齿轮、54是驱动电机、55是第一惰轮、56是第一行星齿轮、57是第一半轴齿轮、58是左端输出轴、59是行星齿轮轴、60是主减速器从动齿轮、61是第四行星齿轮、62是转向机构壳体、63是差速器壳、64是大圆柱齿轮、65是第一齿圈、66是第二行星齿轮、67是第三行星齿轮、68是第一太阳轮、69是第二太阳轮、70是右端输出轴、71是双联行星架、72是第二半轴齿轮、73是第二齿圈、74是第二惰轮、75是齿轮轴、76是转向电机、77是第二齿轮、78是变速箱、79是调节摆臂电机、80是角度传感器、81是工作平台、82是齿轮壳体。

具体实施方式

以下结合附图进一步详细说明本发明悬架的结构。

一种步履复合式移动机器人行走系统的改良结构：

在“h”型传动方式的底盘上配置左右两侧对称的平衡摇臂悬架c，工作平台81置于平衡摇臂悬架c的三个固定点上；由直线行驶驱动电机54和转向行驶驱动电机76驱动的驱动转向总成b配置于所述平衡摇臂悬架c位于“h”型底盘外桥壳横杆上，所述平衡摇臂悬架c的四条支腿配置具有能调整姿态关节履带总成a；

所述平衡摇臂悬架c包括两侧配置的支撑平衡架；

所述支撑平衡架由平行于行走方向的板状外摇臂45和内摇臂36间隔配置构成，在两所述摇臂之间经支腿旋转轴42转动固定一对呈八字状斜向下的支腿38；

在两摇臂之间的上方平行行走方向配置电动推杆43，在电动推杆43的两端分别对称配置有上、下两支点的角平分支架41，角平分支架41的上支点转动连接在电动推杆43的一端及筒状的减震弹簧37的上端，角平分支架的下支点固定连接角平分齿轮47，并列配置的一对角平分齿轮47相互啮合，由角平分齿轮轴46转动装配在内、外摇臂上；

减震弹簧37的下端转动连接在支腿的中上部位置；

所述内摇臂向后方伸出杆状臂，左、右两根内摇臂36的杆状臂端部分别铰接竖直的竖拉杆51，左、右两根竖拉杆51的下端由一根横向的平衡臂52铰接相连接，平衡臂52的中央位置为一与工作平台的铰接固定点；

两个所述支撑平衡架的内摇臂36中央部位，由横向的外桥轴壳48两端经回转支承50可绕外桥轴壳48转动连接，在所述外桥轴壳48上两侧位置设置两个工作平台的固定点；

所述驱动转向总成b：

转向机构壳体62有左端输出轴58和右端输出轴70：在转向机构壳体62内自左至右相继配置对称式锥齿轮差速器、第一行星排和第二行星排，且左端输出轴58、右端输出轴70、对称式锥齿轮差速器两半轴齿轮及第一行星排和第二行星排的太阳轮轴均位于同一轴线；

驱动电机轴上的第一齿轮53啮合传动固定在差速器壳上的主减速器从动齿轮60；

左端输出轴58连接第一半轴齿轮57，右端输出轴70连接第二半轴齿轮72及第二行星排的第二太阳轮69；

第一行星排的第一太阳轮68与差速器壳63固定连接，第一行星排的第二行星轮66与第二行星排的第三行星轮67通过双联行星架平行配置；

第一行星排的第二行星轮66啮合传动于第一太阳轮68和内圈是齿的第二齿圈73间；

第二行星排的第三行星轮67啮合传动于第二太阳轮69和内圈是齿的第一齿圈65间；

第一行星排的大圆柱齿轮64与第二齿圈73的非齿面同轴固定连接；

转向电机输出轴上的第二齿轮77与大圆柱齿轮64啮合传动；

第二行星排外圈的第一齿圈65固定在转向机构壳体62内壁；

所述调整姿态关节履带总成a：

在大轮旋转轴17上套置一端有链盘的驱动空心轴，驱动空心轴驱动大轮旋转，拨动履带运行，带动小轮旋转；

在大轮旋转轴17和驱动空心轴之间，套置一端有链盘的姿态调整空心轴，三轴同轴线可相互转动；

姿态调整空心轴的插入端经扭矩减震机构连接杆形摆臂13，摆臂13的另一端转动连接小轮2；所述摆臂13的长度方向与大轮14和小轮2的连线一致；

所述扭矩减震机构为：在姿态调整空心轴的插入端垂直固定扭转减震主动盘20，两片扭转减震从动盘21、23分别配置、夹持在所述扭转减震主动盘的两侧，在扭转减震主动盘20上沿周向装置若干弹簧22，在两侧扭转减震从动盘21、23的相应位置开设相应尺寸的弹簧孔a，所述弹簧22嵌入所述弹簧孔a，使得扭转减震主动盘20上弹簧22的弹力可以传递给扭转减震从动盘21、23上的弹簧孔a；

两片扭转减震从动盘21、23与扭转减震主动盘20围绕大轮旋转轴可有弹性地往复转动；

两侧的扭转减震从动盘由垂直于盘面的螺栓b连接，在扭转减震主动盘20的相应位置开设腰形长孔，保证连接扭转减震从动盘21、23的螺栓b位于腰形长孔内往复转动不受阻碍；

所述摆臂13的一端固定在外侧的扭转减震从动盘21、23轴孔位置。

所述角平分支架41的上支点拆分为间隔一定距离的两点，一点转动连接在电动推杆43的一端，另一端转动连接在筒状减震弹簧37的上端，所述一定距离为小于等于所述角平分支架41上支点至下支点的距离。前述“角平分支架的上支点转动连接在电动推杆的一端及筒状的减震弹簧的上端”虽然可以实现本发明的动作、功能，但是同时连接电动推杆的一端和减震弹簧的上端，位置相对有些“挤”，不便于装配、操作，还防止相互会有擦碰，因此如本技术方案所述，“将上支点拆分为间隔一定距离的两点”，可以更从容地装配，更从容、合理地按受力和位移计算、设计相应的构件尺寸。

所述支腿38的上端至减震弹簧37的下端转动连接在支腿38上位置的距离小于减震弹簧37的原始长度。距离过长受力不佳，甚至无法推行，不过距离也不能过短，会造成干涉。

所述扭转减震主动盘20和两片扭转减震从动盘21、23均为圆片形，且扭转减震主动盘20的直径小于扭转减震从动盘21、23的直径；

在扭转减震主动盘20的外周边均匀分布开设4个开口向外的矩形凹口，置入圆柱弹簧22；在两扭转减震从动盘21、23的相应位置开设与圆柱弹簧相应的矩形弹簧孔，且一矩形长边连接向外侧呈小于45度夹角的挡板c，当扭转减震主动盘20和两片扭转减震从动盘21、23由螺栓b连接时，所述圆柱弹簧22被夹持在两侧矩形弹簧孔a中。

如此结构比较紧凑，圆柱弹簧提供和传递弹力较好，工艺性好，易加工、易组装，使用也可靠，开设四个矩形凹口为宜，结构不复杂，提供弹力足够。

当然，如果转减震主动盘20的直径与扭转减震从动盘21、23的直径相等也是可以的，此时在扭转减震主动盘20的外周边均匀分布开设4个开口向外的矩形凹口的凹入深度要更深些，或者直接开设相应的矩形孔。以上根据材料和加工条件作选择。

所述大圆柱齿轮64与第二齿圈73的非齿面采用以下方式之一连接：

①第二齿圈73的外圈和大圆柱齿轮64的内圈为过盈配合；

②将第二齿圈73和大圆柱齿轮64制成一个零件；

③将第二齿圈73的外圈和大圆柱齿轮64的内圈结合处用紧定螺钉连接。

本发明对复杂环路面有很强适应性，并有灵活的姿态调控和稳定的姿态保持能力。具有自动适应高低不平复杂地面的附着仿形能力，减少因路面不平对车体的扰动；增加了移动工作平台的负重能力，而且具有爬楼梯和障碍物跨越能力；四轮驱动的方式增加了车辆越野能力，可实现原地转弯，机动性强。