复合轮式机器人行走机构的制作方法

本发明涉及一种复合轮式机器人行走机构。

背景技术：

目前，国内爬梯机器人大致分为步行式爬楼机器人，履带式结构机器人，轮组式爬楼梯机器人三种，但是均含有一定的问题，迟迟不能推向市场。

步行式爬楼机器人一般是通过仿生学达到爬台阶的目的，运行平稳，适合多种楼梯结构，但是人或动物在行走或爬台阶过程中有大量的关节和肌肉参与协调，以保证身体的平衡，此外人或动物还可以通过自己的感官判断楼梯的踏步来确定自己的步距和步高参数，然而普通腿式机器人则难以做到对重心的稳定控制这一点，步行式爬楼机器人对控制要求极高，操作复杂，在平地上运行缓慢，效率低。

履带式结构机器人直接利用履带传动达到爬行的目的，传动效率高，重心高度稳定，地形范围较广，但重量较大，在爬楼过程中对楼梯边缘损坏程度较大，转向不方便。

轮组式爬楼机器人直接利用车轮转动达到爬行的目的，运动灵活，但是上下楼运动平稳性不高，重心起伏较大，体积较大，要在爬行台阶的过程中同步转动，并且像在平整地面上的运动一样达到重心平稳是很困难的，不适合在普通复杂的住宅楼使用。

综上所述，国外产品结构复杂，造价昂贵，国内研究相对较晚，但是受控制，体积，稳定性限制，产品迟迟未投入市场，所以，急需研究一种结构简单，体积小，易于控制和生产，功能多样，适应于多种复杂的环境的爬楼梯装置。

技术实现要素：

本发明要解决的问题是提供一种复合轮式机器人行走机构。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

复合轮式机器人行走机构，包括底盘、大功率电机、控制器和四个复合轮式机构，所述大功率电机固定于所述底盘上，所述复合轮式机构包括一个十字行星架、两个主动轮和两个从动轮，所述主动轮和所述从动轮间隔设于所述十字行星架的架杆端部，所述大功率电机通过传动机构驱动所述十字行星架，所述主动轮分别通过小功率电机驱动，所述底盘两侧相对的两个所述十字行星架之间通过同步轴连接，所述同步轴上设有电刷开关，所述电刷开关包括定子和转子，所述转子套设于所述同步轴上，所述定子通过导线连接所述控制器，所述转子通过导线连接所述小功率电机。

所述传动机构包括一组链传动机构，所述链传动机构包括固定于所述大功率电机的输出轴端部的链轮、分别固定于所述底盘同侧两个所述十字行星架中心的链轮以及链条。

所述小功率电机固定于所述十字行星架的架杆上，所述小功率电机通过带轮传动机构驱动所述主动轮。

所述底盘一侧的两个所述十字行星架上的小功率电机由一个单片机控制，所述底盘另一侧的两个所述十字行星架上的小功率电机由另一个单片机控制。

所述带轮传动机构包括大同步轮、小同步轮和同步带，所述小同步轮与所述小功率电机的输出轴固定，所述大同步轮与所述主动轮固定。

所述同步轴为空心轴，所述转子通过穿过空心轴的导线连接所述小功率电机。

所述十字行星架的架杆长度相等。

位于所述底盘前部的十字行星架上的主动轮连线与位于所述底盘后部的十字行星架上的主动轮连线垂直。

位于所述底盘左右两侧的所述十字行星架上所述主动轮和所述从动轮的布置均相同。

所述主动轮外表设有防滑装置。

本发明具有使用范围广，体积小，稳定性高，易于控制和生产，功能多样优点，解决机器人在执行命令时所面临的的上下楼梯，沟壑，斜坡，草地等复杂地形问题。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是本发明的复合轮式结构安装后视图；

图3是本发明的复合轮式结构安装正视图；

图4是本发明复合轮式结构爆炸图；

图5是本发明底盘结构示意图；

图6是本发明底盘结构爆炸图；

图7是本发明复合轮式结构电机连接示意图；

图8是本发明大功率电机连接示意图；

图9是本发明上下楼驱动方式示意图；

图10是本发明沟壑驱动方式示意图；

图11是本发明水平直线运动示意图；

图12是本发明斜坡驱动方式示意图；

图13是本发明水平转向驱动示意图。

具体实施方式

如图1至图6所示，复合轮式机器人行走机构，包括底盘10、大功率电机8、控制器和四个复合轮式机构，大功率电机8安装在机架9上，机架9安装在底盘10上，四个复合轮式机构两两一组对称设置在车体底部两侧，所述复合轮式机构包括一个十字行星架2、两个主动轮6和两个从动轮7，所述主动轮和所述从动轮间隔设于所述十字行星架的架杆端部，大功率电机和控制器连接，所述大功率电机通过传动机构驱动所述十字行星架，所述主动轮分别通过小功率电机1驱动，所述底盘两侧相对的两个所述十字行星架之间通过同步轴11连接，所述同步轴上设有电刷开关12，所述电刷开关包括定子和转子，所述转子套设于所述同步轴上，所述定子通过导线连接所述控制器，所述转子通过导线连接所述小功率电机。

位于所述底盘前部的十字行星架上的主动轮连线与位于所述底盘后部的十字行星架上的主动轮连线垂直。位于所述底盘左右两侧的所述十字行星架上所述主动轮和所述从动轮的布置均相同。

所述传动机构包括一组链传动机构，所述链传动机构包括固定于所述大功率电机的输出轴端部的链轮、分别固定于所述底盘同侧两个所述十字行星架中心的链轮以及链条14。分别固定于所述底盘同侧两个所述十字行星架中心的链轮安装在两同步轴11上，四个复合轮式结构分别安装在车体两侧，两两对称安装。

所述小功率电机固定于所述十字行星架的架杆上，所述小功率电机通过带轮传动机构驱动所述主动轮。

所述底盘一侧的两个所述十字行星架上的小功率电机由一个单片机控制，所述底盘另一侧的两个所述十字行星架上的小功率电机由另一个单片机控制。通过单片机控制，车体左侧4个小功率电机通过一个单片机控制，车体右侧通过另一个单片机控制。当同时经过两侧单片机控制转向相反，即可实现转向功能。

所述带轮传动机构包括大同步轮5、小同步轮3和同步带4，所述小同步轮与所述小功率电机的输出轴固定，所述大同步轮与所述主动轮固定。

图7所示为复合轮式行星轮、小功率电机、同步轮和同步带安装位置。图8所示为四个复合轮式结构的安装位置和大功率电机，链和链轮的安装位置。

结合图9，本发明上下楼驱动原理，电源控制部分发出电信号，直接驱动大功率电机8，大功率电机8输出轴通过链14传动，传递至链轮13，链轮13与同步轴11同步顺时针周转，复合轮式结构跟随同步轴11同步周转。其中，每次着地的行星轮均与楼梯台面宽度中线处接触，根据周转方向，相继着地，车体实现上楼驱动。同理，下楼驱动方式即上述所有方向均反方向运行即可，不再赘述。

本发明上下楼驱动时，电源控制部分控制大功率电机转动，小链轮安装在输出轴上，通过链传动传递至大连轮，链轮安装在同步轴上，复合轮式机构分别安装在同步轴两侧，实现复合轮式机构周转，行星轮着地点均与与楼梯结构水平位置宽度中心处结合，实现上下楼驱动。

结合图10，本发明沟壑环境驱动方式与上下楼驱动方式类似不再赘述。

结合图11，本发明水平直线驱动方式，其工作原理如下：电源控制部分发出电信号，电源控制部分通过导线控制电刷开关通电，经过电刷开关12驱动小功率电机1转动，再经过同步带4传动，驱动主动轮6周转。车体右侧两个着地主动轮6顺时针(方向是从外向车体未正方向，以下均采用此标准)周转，底盘10左侧两个着地主动轮6逆时针方向周转。底盘10着地四个从动轮7也跟随周转，致使底盘10直线前进。安装在小功率电机输出轴上的同步轮通过带传动驱动大同步轮，大同步轮安装在行星轮上，进而驱动主动轮周转。四个着地主动轮周转，另外四个着地从动轮跟随周转，从而实现水平直线前进驱动。直线倒退只需使上述旋转方向均相反即可，不再赘述。

结合图12，本发明斜坡驱动方式与水平直线驱动方式类似，不再赘述。

结合图13，详细说明本发明水平转向驱动方式，其工作原理在于：电源控制部分发出电信号，经过电刷开关12驱动小功率电机1转动，在经过同步带4传动，驱动主动轮6周转。底盘10右侧两个着地主动轮6顺时针周转，车体左侧两个着地主动轮6也顺时针周转。其他着地从动轮轮7跟随周转，致使底盘10围绕中心位置左转向。右转向只需将上述旋转方向均相反即可，不再赘述。

本发明能够使机器人快速稳定的上下楼梯，能够在楼梯、平地、沟壑、斜坡等等复杂环境中运行，而且灵活性、机动性、效率高；复合轮式结构能够提高运动越障等的生存能力，并含有多种运动模式，适用于多种复杂的环境；结构简单，质量轻，易于生产，便于操纵，运动性能良好。

采用以上驱动方案，具有如下的优点：

1、本发明采用多种运行模式配合运行，能够实现楼梯、沟壑、斜坡、草坪等等的复杂地形，提高了生存能力。

2、本发明采用四个结构相同的行星轮均步在十字行星架上，四个十字行星架均步在车体上，达到运动平稳、抗冲击和抗震的效果。

3、本发明质量小，尺寸小，承载能力巨大，传动效率高，能够搭载多样的需求功能，使产品功能更加的多样化，功能更加强大，提高机器人的协调性。

4、本发明采用电刷开关与同步轴配合的方式，当上下楼驱动时，水平驱动导线通过同步轴经过电刷开关转换，解决了导线缠绕的问题，具有低成本，高效率的优点。

5、本发明采用主动轮呈180度对称安装，前后十字行星架呈90度安装，解决了重力惯性下滑的问题。

6、本发明采用大功率电机通过链驱动，实现了上下楼的功能，通过小功率电机通过带传动驱动行星轮的方式，实现直线，转向等功能，结构简单，成本低，易于生产，可广泛应用于现实日常生活和特殊环境。

7、本发明上下楼驱动采用链传动方式，具有承载能力高，适用于恶劣的工作环境，能保证准确的平均传动比的优点。采用带传动直接驱动行星轮，具有效率高，缓和载荷冲击，运行平稳，无噪声，减缓冲击和振动的特点。