小型轮腿式移动机器人的制作方法

本发明涉及一种小型移动机器人，属于移动机器人领域。

背景技术：

机器人的运动越障能力是移动机器人的基本要求，同时适应性和可恢复性是侦察、救援领域必不可少的要求。传统的移动机器人中，轮式机器人和履带式机器人具有较为简单的行走结构和控制方式，运动能力较强，但适应能力差，在恶劣的环境中易于受到振动和冲击的影响造成翻仰，丧失工作能力；腿式或仿生爬行机器人对于复杂环境有较强的适应能力，但存在自由度多，控制复杂，运动缓慢的缺点。

在侦察、救援领域，复杂的环境对机器人的适应性和恢复性要求较高，机器人应具有较强的运动能力和灵活性，同时控制简单。

因此，设计一种具有抗倾覆性、自动复位、运动灵活能力强、爬坡越障能力优越的轮腿式移动机器人在工程上具有非常重要的意义。

技术实现要素：

本发明为了克服上述现有技术存在的问题，提供一种自动复位、运动灵活、爬坡越障能力优越的小型轮腿式移动机器人。

实现上述目的，本发明采取的技术方案是：

小型轮腿式移动机器人，包括底板、电路板、电路板支撑件、两个关节基座、两个关节、四个腿部、四个腿-机体连接件及两个轮组；

所述的四个腿-机体连接件均可拆卸固定在底板的一侧表面上，每个所述的腿-机体连接件上可拆卸固定有一个腿部，所述的四个腿部相对于底板十字中心线对称设置，所述的两个关节基座均可拆卸固定在底板所述的一侧表面上，所述的两个关节和两个关节基座一一对应设置，每个关节与对应的关节基座可拆卸固定连接，两个关节相对于底板的中心对称设置；所述的电路板支撑件可拆卸固定在底板的一侧表面上，所述的电路板可拆卸固定在电路板支撑件上，所述的两个轮组与两个关节一一对应设置，每个所述的轮组中的轮子环套装在相对应的关节的关节输出外壳的外侧，且轮组中的轮子与关节的关节输出外壳可拆卸固定连接。

本发明相对于现有技术的有益效果是：

1.本发明的小型轮腿式移动机器人从高处任意姿态落下或侧翻时，其轮子和轮壳结构使得机器人在重力作用下能够实现自动复位，恢复能力强；

2.本发明的小型轮腿式移动机器人腿部收缩时能够任意半径转弯，运动灵活；

3.本发明的小型轮腿式移动机器人腿部支出时，具有优越的爬坡越障能力。

综上所述，本发明结构简单，并具有抗倾覆性、自动复位、运动灵活、爬坡越障能力优越的特点，可满足侦察、救援机器人运动性能的要求。

附图说明

图1是本发明的小型轮腿式移动机器人侧剖视图；

图2是本发明的小型轮腿式移动机器人主视图；

图3是本发明的小型轮腿式移动机器人主剖视图；

图4是本发明的小型轮腿式移动机器人俯视图；

图5是图1的B处局部放大图；

图6是图1的C处局部放大图；

图7是图1的D处局部放大图；

图8是图2的E处局部放大图

图9是图2的F处局部放大图；

图10是图3的G处局部放大图；

图11是图3的L处局部放大图；

图12是图3的H处局部放大图；

图13是图3的I处局部放大图；

图14是图4的J处局部放大图；

图15是图4的K处局部放大图。

图中：腿-机体连接件P1、基节电机P2、锥齿轮一P3、锥齿轮二P4、锥齿轮三P5、无刷直流电机P6、锥齿轮四P7、锥齿轮五P8、腿部连杆P9、腿部连接板P10、腿部联接架P11、螺栓十七P12、保护壳二P13、保护壳一P14、螺栓三P15、电机端盖P16、底板P17、螺母一P18、螺母二P19、关节基座P21、螺栓五P22、电路板支撑件P23、轮壳P24、轮子P25、螺栓十六P26、橡胶胎P27、周向螺栓P28、电机外壳P29、静密封垫圈P30、外圈挡板P31、C形环P32、轴承一P33、电机定子P34、轴承二P35、内圈挡板P36、谐波减速器P37、螺栓十一P38、轴承三P39、电机转子P40、电机轴P41、螺栓十二P42、导线保护壳P43、尼龙套P44、柔轮锁紧螺母P45、关节输出外壳P46、磁盘固定架P47、螺栓十八P48、板簧压板P49、螺栓八P50、板簧P51、硅钢片二P52、螺栓四P53、硅钢片一P54、螺栓十四P55、板簧端盖P56、腿部A1、关节A2、电路板A3、编码器A4。

具体实施方式

具体实施方式一：如图1～图15所示，本实施方式的小型轮腿式移动机器人，包括底板P17、电路板A3、电路板支撑件P23、两个关节基座P21、两个关节A2、四个腿部A1、四个腿-机体连接件P1及两个轮组；

所述的四个腿-机体连接件P1均(通过螺栓一)可拆卸固定在底板P17的一侧表面上，每个所述的腿-机体连接件P1上(通过螺栓二)可拆卸固定有一个腿部A1，所述的四个腿部A1相对于底板P17十字中心线对称设置，所述的两个关节基座P21均(通过螺栓三P15、螺母一P18)可拆卸固定在底板P17所述的一侧表面上，所述的两个关节A2和两个关节基座P21一一对应设置，每个关节A2与对应的关节基座P21(通过螺栓四P53)可拆卸固定连接，两个关节A2相对于底板P17的中心对称设置，所述的电路板支撑件P23(通过螺栓五P22、螺母二P19)可拆卸固定在底板P17的一侧表面上，所述的电路板A3(通过螺栓六)可拆卸固定在电路板支撑件P23上，所述的两个轮组与两个关节A2一一对应设置，每个所述的轮组中的轮子P25环套装在相对应的关节A2的关节输出外壳P46的外侧，且轮组中的轮子P25与关节A2的关节输出外壳P46(通过螺栓八P50)可拆卸固定连接。

具体实施方式二：如图1～图15所示，具体实施方式一所述的小型轮腿式移动机器人，所述的两个关节A2均包括关节驱动电机、外圈挡板P31、静密封垫圈P30、轴承一P33、内圈挡板P36、关节输出外壳P46、谐波减速器P37、柔轮锁紧螺母P45、尼龙套P44、导线保护壳P43、磁盘固定架P47、电机端盖P16、轴承二P35、板簧压板P49、板簧P51、板簧端盖P56及编码器A4；所述的关节驱动电机包括电机外壳P29、C形环P32、电机定子P34、电机转子P40、电机轴P41及轴承三P39；

所述的电机定子P34固定安装在电机外壳P29内，电机定子P34与电机外壳P29之间设置有C形环P32，所述的C形环P32(通过周向螺栓P28)可拆卸固定在电机定子P34的外圆面上，电机定子P34环套装在电机转子P40上，所述的电机转子P40(采用胶粘方式)固定套装在电机轴P41上，所述的轴承一P33安装在电机外壳P29外侧面上，轴承一P33外圈的内外两侧端面分别通过外圈挡板P31及关节输出外壳P46限位，所述的外圈挡板P31与关节输出外壳P46(通过螺栓九)可拆卸固定连接，外圈挡板P31与关节输出外壳P46之间通过静密封垫圈P30密封；

轴承一P33内圈的内外两侧端面分别通过电机外壳P29及内圈挡板P36限位，所述的内圈挡板P36内侧设置有谐波减速器P37的刚轮，所述的谐波减速器P37的刚轮与电机外壳P29的一端(通过螺栓十)可拆卸固定连接，内圈挡板P36与谐波减速器P37的刚轮(通过螺栓十一P38)可拆卸固定连接；

谐波减速器P37的柔轮套装在柔轮锁紧螺母P45上并位于柔轮锁紧螺母P45与关节输出外壳P46之间，谐波减速器P37的柔轮与柔轮锁紧螺母P45及关节输出外壳P46三者(通过螺栓十二P42)可拆卸固定连接，谐波减速器P37的波发生器(通过螺栓十三)与电机轴P41可拆卸固定连接，电机端盖P16与电机外壳P29的另一端(通过螺栓十四P55)可拆卸固定连接，电机轴P41与电机外壳P29之间设置有轴承三P39，电机轴P41与电机端盖P16之间设置有轴承二P35(即电机轴P41分别通过轴承二P35及轴承三P39径向限位)，所述的磁盘固定架P47套装在电机轴P41外侧，且磁盘固定架P47两端抵靠在轴承二P35的内圈的内侧端面以及电机轴P41外圆周面设有的限位台肩上(即电机轴P41轴向通过轴承三P39及磁盘固定架P47限位)；

所述的板簧端盖P56与电机端盖P16(通过螺栓十五)可拆卸固定连接，所述的板簧P51和板簧压板P49设置在板簧端盖P56与电机端盖P16之间，且板簧P51与板簧端盖P56相邻设置，板簧P51通过板簧压板P49、磁盘固定架P47及电机轴P41对轴承二P35及轴承三P39进行预紧并轴向限位；所述的编码器A4设置在电机端盖P16与磁盘固定架P47之间，且编码器A4与电机端盖P16和磁盘固定架P47固接(编码器A4用于检测关节驱动电机的转动角度)；所述的导线保护壳P43设置在电机轴P41的中心腔、柔轮锁紧螺母P45中心孔以及尼龙套P44内，导线保护壳P43一端与尼龙套P44紧密配合，导线保护壳P43另一端设有向外翻的外沿，且导线保护壳P43的外沿(通过螺栓十八P48)可拆卸固定设置在板簧端盖P56外端面设有的中心凹槽内；两个关节A2的板簧端盖P56相对设置。

所述的谐波减速器P37由刚轮、柔轮、波发生器组成。

关节驱动电机动作后，电机转子P40带动电机轴P39转动，电机轴P39通过带动谐波减速器P37的波发生器转动，把减速后的运动传递给谐波减速器P37的柔轮，谐波减速器P37的柔轮通过柔轮锁紧螺母P45把运动传递给关节输出外壳P46，从而带动轮组转动。

所述的外圈挡板P31、内圈挡板P36、轴承一P33均采用THK集团的产品，轴承一P33型号为RA7008，轴承二P35型号为6705，编码器A4的型号为HD-77，轴承三P39的型号为6707，上述部件均为市场采购件。

具体实施方式三：如图3及图12所示，具体实施方式二所述的小型轮腿式移动机器人，所述的两个关节A2还分别包括有硅钢片一P54和硅钢片二P52；所述的电机外壳P29所述的另一端上固定有硅钢片二P52，所述的电机端盖P16上固定有硅钢片一P54。目的是为了消除外部磁场对编码器A4的影响。

具体实施方式四：如图1、图5～图7所示，具体实施方式一所述的小型轮腿式移动机器人，所述的四个腿部A1均包括无刷直流电机P6、锥齿轮四P7、锥齿轮五P8、腿部连杆P9、腿部连接板P10、腿部联接架P11、两个基节电机P2(为无刷直流电机)、两个锥齿轮一P3、两个锥齿轮二P4及四个锥齿轮三P5；

所述的两个基节电机P2并列设置，每个所述的基节电机P2的输出轴上均固定套装有一个锥齿轮一P3，每个所述的锥齿轮一P3与相邻设置的一个锥齿轮二P4啮合，所述的四个锥齿轮三P5(外形尺寸相同)相互啮合并固定套装在十字轴上，其中两个相对设置的锥齿轮三P5与两个锥齿轮二P4同轴设置且分别连接，由两个锥齿轮一P3、两个锥齿轮二P4及四个锥齿轮三P5组成差动传动机构；每个腿部A1通过两个基节电机P2驱动锥齿轮一P3、锥齿轮二P4以及四个锥齿轮三P5转动实现翘曲和外展/内收两个自由度，从而构成腿部A1的两个基关节；

所述的锥齿轮四P7固定安装在无刷直流电机P6的输出轴上，所述的锥齿轮五P8与锥齿轮四P7啮合，锥齿轮五P8固定在腿部连杆P9上；无刷直流电机P6输出的运动和力矩经锥齿轮四P7、锥齿轮五P8传递到腿部连杆P9，从而构成腿部A1的第三关节；

所述的腿部连杆P9与腿部连接板P10铰接，所述的腿部连接板P10与腿部联接架P11铰接，由锥齿轮五P8、腿部连杆P9、腿部连接板P10及腿部联接架P11构成平面四连杆耦合传动机构，即构成第四关节(因此无刷直流电机P6直接驱动第三关节、第四关节耦合运动，每个腿部有四个关节，三个自由度)。

具体实施方式五：如图3所示，具体实施方式一所述的小型轮腿式移动机器人，所述的两个轮组均包括轮子P25、橡胶胎P27及轮壳P24；所述的橡胶胎P27粘合在轮子P25外圆周面上，所述的轮壳P24与轮子P25外侧面的外边缘(通过螺栓十六P26)可拆卸固定连接。橡胶胎P27直接作用于地面驱动机体前进，轮壳P24能在机器人在抛出执行任务或受到障碍物影响倾覆时与地面接触进行自动复位。

具体实施方式六：如图2所示，具体实施方式一所述的小型轮腿式移动机器人，所述的小型轮腿式移动机器人还包括保护壳一P14及四个保护壳二P13；所述的保护壳一P14与底板P17的一侧表面(通过螺栓十七P12)可拆卸固定连接，所述的保护壳一P14与四个腿部A1相对应位置均设置有开口，每个所述的开口处设置有一个保护壳二P13，每个所述的保护壳二P13与保护壳一P14(通过螺栓十七P12)可拆卸固定连接。

保护壳一P14用于机器人内部和外部的隔离，对内部电路板A3进行防护。

电路板A3用于信号的处理和所有电机的驱动。

工作原理：如图1～图4所示，机器人通过关节传动和腿部运动结合实现两种运动状态。腿部A1收缩(腿部A1收缩到保护壳一P14)时，机器人通过关节A2转动产生的机体的重力偏心力矩驱动机器人运动；腿部A1支出时，通过腿部A1运动与关节A2驱动轮子P25的组合作用使机器人拥有更优越的爬坡越障能力。对于关节A2传动，电机轴P39通过带动谐波减速器P37的波发生器转动，把减速后的运动传递给谐波减速器P37的柔轮，谐波减速器P37的柔轮通过柔轮锁紧螺母P45把运动传递给关节输出外壳P46。对于腿部A1的运动，两个基节电机P2驱动锥齿轮一P3、锥齿轮二P4，通过四个相同的锥齿轮三P5相互啮合及十字轴组成差动传动机构，实现翘曲和外展/内收两个自由度；无刷直流电机P6输出的运动和力矩经锥齿轮四P7、锥齿轮五P8传递到腿部连杆P9，从而实现第三关节的驱动，通过锥齿轮五P8、腿部连杆P9、腿部连接板P10、腿部联接架P11构成平面四连杆耦合传动机构，从而实现第四关节的驱动。

两个关节A2开始转动时，由于地面阻力的存在，轮子P25并未转动，直至机体重心偏离竖直位置一定角度，在重力的作用下产生重力偏心力矩，驱动轮子P25转动。

通过控制两个关节A2的转速，就可以达到控制机器人运动轨迹的目的。这种状态下，机器人的驱动力矩受最大重力偏心距限制，爬坡和越障能力较差。

腿部A1伸到轮子P25外部时，腿部A1与地面接触限制了机器人机体发生自旋转，关节A2的驱动力矩可直接作用在轮子P25上，驱动机器人运动，并且关节A2的驱动力矩可以完全发挥，使机器人拥有更优越的爬坡能力；同时腿部A1的组合运动可以直接抬升机器人整体脱离地面一定高度，通过与关节A2驱动轮子P25的组合作用使机器人拥有更优越的越障能力。

如图3及图12所示，机器人的重心偏离中心轴线N一段距离，在轮壳P24边缘法线外，所以机器人在抛出执行任务或受到障碍物影响倾覆时，腿部A1收缩，当轮壳P24与地面接触时，重心在接触点外侧偏移一段距离，在重力和接触点正压力作用下产生向外的偏转力矩，驱动机器人复位。