基于行星轮的轮‑履复合自适应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，具体为一种基于行星轮的轮-履复合自适应机器人移动平台。

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，前端轮子着地，后端履带着地，存在轮式与履带式要同步问题，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，而且没有发挥轮式具有速度快、机动灵活性好、转弯性能好的特点。

现有的轮-履复合式机器人就其结构而言，车轮位置固定，由履带变形来实现轮-履模式的切换。如公布号为cn106114661a的专利公开一种基于四连杆机构的履带可变形机器人移动平台，该移动平台在轮-履模式切换过程中对移动平台冲击大，使移动平台的重心大幅抬高，越障过程的稳定性较差。轮式与履带式分开，通过控制翻转来切换运动模式的机器人有中科院沈阳自动化研究所研制的climber机器人，该机器人需要复杂的控制和结构才能实现轮式与履带式的切换，模式切换时复杂，缓慢，且重心很不稳定。这些机器人在模式切换过程中不稳定，并且无法实现正反向越障，在狭窄的通道内无法原路返回。

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，提供一种基于行星轮的轮-履复合自适应机器人移动平台。该移动平台对障碍物具有被动自适应能力，平地为轮式运动，越障时履带式运动，可在轮式、履带式两种运动模式之间切换，能够正反向越障，甚至能越过比自身还要高的障碍物。

本发明解决所述技术问题采用的技术方案如下：

一种基于行星轮的轮-履复合自适应机器人移动平台，其特征在于该平台包括车体模块、两个轮-履复合模块和两个尾轮模块；两个轮-履复合模块绕车体模块的形心轴线呈中心对称形式分布在车体模块左右两侧，车体模块内安装有驱动两个轮-履复合模块动作的动力驱动系统，两个尾轮模块对称分布在车体模块前后两端；移动平台整体绕车体模块的形心轴线中心对称；

以位于右侧的轮-履复合模块为例，轮-履复合模块包括前后对称的两部分结构、同步带与同步带轮及由两部分结构支撑的履带，前后对称的两部分结构对称布置在车体模块的前后位置上，在前部分结构上安装有同步带与同步带轮；

以前部分结构为例，前部分结构包括四个履带轮、两个连杆系统、车轮、行星轮系齿轮和连杆复位弹簧；两个连杆系统左右对称；每个连杆系统包括横向杆、纵向杆、上抬杆和行星杆；上抬杆的前端固定有一个履带轮，下端与行星杆一端铰接；上抬杆的后端与纵向杆一端铰接，纵向杆另一端分别与横向杆一、横向杆二的一端铰接；横向杆二的另一端与行星杆的中部铰接；两个上抬杆前端固定履带轮的位置之间安装履带轮支撑轴一，中部之间安装有弹簧轴一，后部之间安装连杆连接轴二；两个横向杆一、横向杆二与纵向杆连接处之间安装连杆连接轴三；两个上抬杆下端与行星杆铰接处之间安装行星轮中心轴，行星轮中心轴靠近车体模块的一侧安装有行星轮系齿轮；两个横向杆一的另一端之间安装连杆连接轴四，两个横向杆二与行星杆中部铰接处安装有连杆连接轴一，两个行星杆下端之间安装车轮轴，车轮轴一端的外侧安装车轮，另一端安装一个行星轮系齿轮；位于行星轮中心轴和车轮轴上的两个行星轮系齿轮相互啮合；在弹簧轴一的下方依次安装弹簧轴二、履带轮支撑轴二，履带轮支撑轴二的两端安装有履带轮；在弹簧轴一和弹簧轴二之间安装连杆复位弹簧；四个履带轮支撑履带；

弹簧轴二、履带轮支撑轴二、连杆连接轴四及行星轮中心轴的一端均插入所述车体模块内；

在前部分结构的履带轮支撑轴一与行星轮中心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；

所述的车体模块包括车体盖板和两个动力驱动系统，两个动力驱动系统在车体盖板围成的空间内绕车体模块的形心轴线呈中心对称布置，每一个动力驱动系统为同一侧的两根行星轮中心轴提供动力。

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.本发明的结构是绕车体模块形心轴线中心对称，移动平台的前侧与后侧结构与功能都相同，所以可以实现正反向越障，当遇到无法转弯处，可以反向越障，且和正向越障的功能一致。

3.本发明可以在越障过程中实现轮式、履带式两种运动模式的切换。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，履带式运动具有更强的越障能力和更高的稳定性。

4.本发明尾轮模块中尾轮杆可正反转动，前端尾轮模块当遇到障碍时，可以往回收起，避免妨碍移动平台越障，越障过程中，尾轮杆转到极限位置，尾轮模块转化为支撑装置，具有支撑整个车体越过比自身更高的障碍物的功能。

5.本发明运用两个电机实现四个车轮和两个履带的转动，每个电机负责一侧的轮-履复合模块的动力，能够实现转弯，这样不仅不会影响移动平台的转弯，而且使得整体结构变的更加紧凑，效率提高，并且控制变的更加简单。

本发明综合运用了连杆机构与行星轮结构的特点，使得在未遇到障碍物前，由于横向杆一与横向杆二水平共线，行星杆与横向杆一、横向杆二处于死点位置，行星杆不转，两行星轮系齿轮以定轴的方式转动，车轮轴心不动；当遇到障碍物时，上抬杆前端上抬，带动行星杆转动，安装在行星轮中心轴上的行星轮系齿轮作为太阳轮绕行星轮中心轴定轴转动，安装在车轮轴上的行星轮系齿轮绕车轮轴自转的同时还绕行星轮中心轴公转，从而带动行星杆上的车轮以行星轮方式绕行星轮中心轴转动，实现轮式与履带式的切换。

附图说明

图1为本发明基于行星轮的轮-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为本发明基于行星轮的轮-履复合自适应机器人移动平台一种实施例的无履带和上盖板的俯视结构示意图；

图3为本发明基于行星轮的轮-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的主视结构示意图；

图4为本发明的轮-履复合模块1的无履带的前部分结构的立体结构示意视图；

图5为本发明基于行星轮的轮-履复合自适应机器人移动平台一种实施例的车体模块2去除上盖板的俯视结构示意图；

图6为图5中车体模块2的a-a的剖视结构示意图；

图7为本发明基于行星轮的轮-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为本发明基于行星轮的轮-履复合自适应机器人移动平台做轮式运动的示意图；

图9为本发明基于行星轮的轮-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10为本发明基于行星轮的轮-履复合自适应机器人移动平台尾轮刚爬越障碍的运动示意图；

图11为本发明基于行星轮的轮-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12为本发明基于行星轮的轮-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13为本发明基于行星轮的轮-履复合自适应机器人移动平台越过障碍物后运动示意图；

图中：1-轮-履复合模块，2-车体模块，3-尾轮模块，101-履带轮，102-履带，103-车轮，104-横向杆一，105-纵向杆，106-横向杆二，107-上抬杆，108-连杆复位弹簧，109-行星轮系齿轮，110-行星杆，111-履带轮支撑轴一，112-同步带，113-弹簧轴一，114-连杆连接轴一，115-车轮轴，116-连杆连接轴二，117-连杆连接轴三，118-连杆连接轴四，119-弹簧轴二，120-履带轮支撑轴二，121-行星轮中心轴，122-同步带轮，201-右侧板，202-主动轴支架，203-大齿轮，204-主动轴，205-电机支架，206-减速器，207-电机，208-短从动轴，209-小齿轮，210-锥齿轮，211-上盖板，212-前挡板，213-圆形法兰，214-矩形法兰，215-底板，301-尾轮支架，302-尾轮弹簧轴，303-尾轮复位弹簧，304-尾轮连接轴，305-尾轮杆，306-限位轴，307-尾轮，308-尾轮支撑轴。

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：如图1、图2所示，本发明基于行星轮的轮-履复合自适应机器人移动平台(简称移动平台)包括车体模块2、两个轮-履复合模块1和两个尾轮模块3；两个轮-履复合模块1以车体模块2的形心轴线呈中心对称形式分布在车体模块2左右两侧，车体模块2内安装有驱动两个轮-履复合模块1动作的动力驱动系统，两个尾轮模块3对称分布在车体模块2前后两端；移动平台整体绕车体模块的形心轴线中心对称。外部的约束力能够转换为本发明移动平台变形的驱动力，使得本发明移动平台能够实现轮式、履带式两种运动模式的切换，能够正反向越障，尾轮模块3使得本发明能够越过比自身更高的障碍物。

以位于右侧的轮-履复合模块1为例，如图3、图4所示，轮-履复合模块1包括前后对称的两部分结构、同步带112与同步带轮122及由两部分结构支撑的履带102，前后对称的两部分结构对称布置在车体模块2的前后位置上，在前部分结构上安装有同步带112与同步带轮122；以前部分结构为例，前部分结构包括四个履带轮101、两个连杆系统、车轮103、行星轮系齿轮109和连杆复位弹簧108；两个连杆系统左右对称；每个连杆系统包括横向杆104、纵向杆105、上抬杆107和行星杆110；上抬杆107的前端固定有一个履带轮101，下端与行星杆110一端铰接，行星轮中心轴121一端插入所述车体模块2内；上抬杆107的后端与纵向杆105一端铰接，纵向杆105另一端分别与横向杆一104、横向杆二106的一端铰接；横向杆二106的另一端与行星杆110的中部铰接；两个上抬杆107前端固定履带轮101的位置之间安装履带轮支撑轴一111，中部之间安装有弹簧轴一113，后部之间安装连杆连接轴二116；两个横向杆一104、横向杆二106与纵向杆105连接处之间安装连杆连接轴三117；两个上抬杆107下端与行星杆110铰接处之间安装行星轮中心轴121，行星轮中心轴121靠近车体模块2的一侧安装有行星轮系齿轮109；两个横向杆一104的另一端之间安装连杆连接轴四118，两个横向杆二106与行星杆110中部铰接处安装有连杆连接轴一114，两个行星杆110下端之间安装车轮轴115，车轮轴115一端的外侧安装车轮103，另一端安装一个行星轮系齿轮109；位于行星轮中心轴121和车轮轴115上的两个行星轮系齿轮109相互啮合；在弹簧轴一113的下方依次安装弹簧轴二119、履带轮支撑轴二120，履带轮支撑轴二120的两端安装有履带轮101；在弹簧轴一113和弹簧轴二119之间安装连杆复位弹簧108；四个履带轮101支撑履带；

弹簧轴二119、履带轮支撑轴二120、连杆连接轴四118及行星轮中心轴121的一端均插入所述车体模块2内，其中弹簧轴二119插入车体模块固定不转，履带轮支撑轴二120、连杆连接轴四118和行星轮中心轴121插入车体模块，并通过相应的轴承固定，会发生转动；

在前部分结构的履带轮支撑轴一111与行星轮中心轴121上分别安装一个同步带轮122，两个同步带轮122通过同步带112连接；每个轮-履复合模块1只有一组由同步带112和同步带轮122组成的传动系统为履带102提供动力。

具体运动原理如下：由车体模块2提供的动力传递给行星轮中心轴121，通过行星轮中心轴121和车轮轴115上的两个行星轮系齿轮109啮合使得车轮轴115旋转，带动安装在车轮轴115上的车轮103转动，分别安装在行星轮中心轴121与履带轮支撑轴一111上的同步带轮122通过同步带112将动力传至履带轮支撑轴一111，因此安装在履带轮支撑轴一111上的履带轮101转动，所以与履带轮101相配合的履带102转动。当外界的约束力作为一种使轮-履复合模块1内的连杆系统变形的驱动力时，上抬杆107的前端上抬，纵向杆105向下运动，与纵向杆105铰接的横向杆一104和横向杆二106转动，从而带动行星杆110转动，因此，车轮103形心逐渐抬高，由于履带102长度不变，上抬杆107前端上抬，所以履带轮支撑轴一111与履带轮支撑轴二120的中心距变大，在履带102的作用力下，后部分结构的连杆行星轮系统朝与前部分结构相反的方向转动，后部分结构的车轮103上抬，使移动平台逐渐从轮式运动转换为履带式运动。

所述的车体模块2，如图5、图6所示，包括车体盖板和两个动力驱动系统，两个动力驱动系统在车体盖板围成的空间内绕车体模块2的形心轴线呈中心对称布置，所述车体盖板包括前挡板212、后挡板、左侧板、右侧板201、上盖板211和底板215，前挡板212、后挡板、左侧板、右侧板201、上盖板211和底板215形成一个封闭的空间；以位于右侧的动力驱动系统为例，该动力驱动系统包括电机207、主动轴支架202、大齿轮203、主动轴204、短从动轴208、小齿轮209和锥齿轮210；所述电机207的输出轴经减速器206连接有一个大齿轮203，所述电机207与减速器206连接并通过电机支架205安装在底板215上；所述主动轴支架202安装在右侧板201上，所述主动轴204沿平行于车体模块2的长度方向安装在减速器206的输出轴的上方，主动轴204通过主动轴支架202安装在右侧板201上，在主动轴204中部上也安装有一个大齿轮203，主动轴204中部和减速器206输出轴上的两个大齿轮203相互啮合，将电机207的动力传递给主动轴204；在主动轴204的两端均安装有一个锥齿轮210；在主动轴支架202的两侧的右侧板201上对称安装有两个行星轮中心轴121，在一侧的主动轴支架202和行星轮中心轴121之间的右侧板201上安装有短从动轴208；在短从动轴208和与短从动轴208相邻的行星轮中心轴121靠近右侧板201的一端上均安装有一个小齿轮209，两个小齿轮209相互啮合，用于传递短从动轴208与与短从动轴208相邻的行星轮中心轴121之间的动力；短从动轴208的另一端和远离短从动轴208的行星轮中心轴121上均安装有一个锥齿轮210，这两个锥齿轮210分别与主动轴204上的两个锥齿轮210相互啮合，将主动轴204的动力传递给短从动轴208和远离短从动轴208的行星轮中心轴121；弹簧轴二119的一端通过圆形法兰213固定在右侧板201上，圆形法兰213用于加固弹簧轴二119；履带轮支撑轴二120的一端通过矩形法兰214固定安装在右侧板201上，矩形法兰214用于加固履带轮支撑轴二120。

具体运动原理如下：电机207转速通过减速器206降到所需转速，再通过两个大齿轮203连接将动力传至主动轴204，主动轴204一端与行星轮中心轴121用锥齿轮210连接，将动力传至一个行星轮中心轴121，主动轴204的另一端与短从动轴208用锥齿轮210连接将动力传至短从动轴208，短从动轴208和与其同侧的行星轮中心轴121通过小齿轮209啮合将动力传至另一个行星轮中心轴121。因此，每一个动力驱动系统为同一侧的两根行星轮中心轴121提供动力，保证车轮103的转向一致。

所述的尾轮模块3，如图7所示，包括两个尾轮支架301、两个尾轮杆305、两个尾轮307、尾轮连接轴304、尾轮弹簧轴302、尾轮支撑轴308、限位轴306和尾轮复位弹簧303，每个尾轮支架301的一端固定安装在前挡板212或后挡板上，所述尾轮杆305上装有短的限位轴306，限位轴306插入尾轮支架301上的限位槽中，在尾轮支架301和尾轮杆305上各安装有一根尾轮弹簧轴302，在两个尾轮弹簧轴302上尾轮复位弹簧303，在两个尾轮支架301和尾轮杆305的铰接处安装尾轮连接轴304，在两个尾轮杆305的末端安装尾轮支撑轴308，在尾轮支撑轴308上安装两个尾轮307，尾轮307能绕尾轮支撑轴308的轴心转动。

具体运动原理如下：当移动平台遇到障碍时，前端尾轮307与障碍物接触，尾轮杆305朝移动平台内侧转动，避免阻碍移动平台运动，尾轮复位弹簧303拉长，当前端尾轮307没有障碍物阻碍后，尾轮复位弹簧303将尾轮杆305复位；在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308固连并绕尾轮支撑轴308轴心转动，地面施加的外力使得尾轮307绕着尾轮连接轴304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306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，因此两根尾轮弹簧轴302之间距离变大，尾轮复位弹簧303变长，当尾轮307脱离地面后，尾轮复位弹簧303将尾轮杆305复位。

本发明基于行星轮的轮-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，四个车轮103与地面接触，动力由动力驱动系统驱动，履带102的最低位置高于地面，履带102在动力驱动系统的驱动下空转，通过控制左右两侧车轮103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8)。当遇到障碍物时，外界的约束力作为一种使轮-履复合模块1变形的驱动力，使得上抬杆107上抬，纵向杆105向下运动，与此铰接的横向杆一104和横向杆二106转动，从而带动行星杆110转动，因此，车轮103形心逐渐抬高，由于履带102整体长度不变，上抬杆107前端上抬，使履带轮支撑轴一111与履带轮支撑轴二120的中心距变大，所以在履带102的作用力下，后半部分的连杆行星轮系统向与前半部分相反的方向转动，后半部分车轮103上抬。所以移动平台逐渐从轮式运动转换为履带式运动(参见图9)。移动平台逐渐爬越障碍，履带102后下部与地面线接触，前端尾轮307与障碍物接触，尾轮杆305朝移动平台内侧转动，避免阻碍移动平台运动，尾轮复位弹簧303拉长(参见图10)，随着移动平台与地面仰角继续增大，障碍物对前端尾轮307不再有约束力，尾轮杆305在尾轮复位弹簧303的拉力作用下复位，后端尾轮杆305与尾轮支架301的角度也不断变大，当限位轴306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102的后部脱离地面，只由履带102与障碍物接触、后端尾轮307与地面接触的方式运动(参见图11)。当履带102对连杆系统无约束力时，连杆系统在连杆复位弹簧108的拉力作用下复位，重心向前并且进一步抬高(参见图12)。当重心达到临界点后，前端重心向下，移动平台翻越障碍，后端尾轮307失去了地面的约束力后，在尾轮复位弹簧303的拉力作用下复位(参见图13)。移动平台继续向前运动，恢复至轮式运动(参见图8)。

本发明所述的车体模块的形心轴线是指形心点沿车体模块高度方向所在的直线。

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。在轮-履复合模块1的部件描述中，以图2中所示方位进行限定，图2中的上方为右，下方为左，右侧为前，左侧为后。

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，同样属于本发明权利要求的保护范围。