一种基于超越离合机理的欠驱动攀爬机器人

摘要

本发明涉及爬行机器人技术领域，具体地说是一种基于超越离合机理的欠驱动攀爬机器人，其前身支板和后身支板通过中间关节相连，在前身支板和后身支板上分别设有前轮组件和后轮组件，在前身支板和后身支板两侧均设有侧肢节，抱持驱动电机组件通过前传动组件向前钢丝卷轴传递转矩，通过后传动组件向后钢丝卷轴传递转矩，所述侧肢节的各肢节段依次铰接且各铰接轴上均设有滑轮，所述前钢丝卷轴上的钢丝分别向两侧引出并分别绕过前身支板两侧侧肢节上的各个滑轮，所述后钢丝卷轴上的钢丝分别向两侧引出并分别绕过后身支板两侧侧肢节上的各个滑轮。本发明简化了机器人结构，并将超越弹簧离合器应用于机器人，有效减少机器人的驱动源的数量。

说明书

技术领域

本发明涉及爬行机器人技术领域，具体地说是一种基于超越离合机理的欠驱动攀爬机器人。

背景技术

攀爬机器人作为特种机器人的一个重要分支，经常应用在深水区、航空、航天、核工业等危险环境中以及工况极差的地下(水下)管道中进行建设、监查与维修，攀爬机器人极大地拓展了机器人的作业范围，提高了工作效率，因而越来越受到各国科研工作人员的青睐，各国都在加大攀爬机器人的研究。目前国内外开发出的攀爬机器人均具有独立控制、结构复杂、驱动源较多、功能简单、自适应性较差等缺点。为了克服这些不足之处，需要进一步简化攀爬机器人的结构。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于超越离合机理的欠驱动攀爬机器人，采用钢丝驱动两侧的侧肢节实现抱持，简化了机器人结构，减轻机器人重量，且抱持驱动机构中的前传动组件和后传动组件均设有带抱持离合弹簧的抱持离合器，后轮传动机构中设有带后轮离合弹簧的后轮离合器，将超越弹簧离合器应用于机器人，有效减少机器人的驱动源的数量。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种基于超越离合机理的欠驱动攀爬机器人，包括前轮组件、后轮组件、前身支板、后身支板、抱持驱动机构、中间关节和侧肢节，所述前身支板和后身支板通过中间关节相连，在所述前身支板前端设有前轮组件，在所述后身支板后端设有后轮组件，在所述前身支板和后身支板两侧均设有侧肢节，所述抱持驱动机构包括抱持驱动电机组件、前传动组件、后传动组件、前钢丝卷轴和后钢丝卷轴，其中前钢丝卷轴设置于前身支板上，后钢丝卷轴设置于后身支板上，且所述抱持驱动电机组件通过前传动组件向前钢丝卷轴传递转矩，所述抱持驱动电机组件通过后传动组件向后钢丝卷轴传递转矩，所述侧肢节包括多个肢节段，所述侧肢节的各肢节段依次铰接且各铰接轴上均设有滑轮，所述前钢丝卷轴上的钢丝分别向两侧引出并分别绕过前身支板两侧侧肢节上的各个滑轮，所述后钢丝卷轴上的钢丝分别向两侧引出并分别绕过后身支板两侧侧肢节上的各个滑轮。

所述前轮组件包括行走驱动电机、前轮传动机构、前驱动轮和第一钢丝软轴，所述后轮组件包括后轮传动机构和后驱动轮，所述行走驱动电机的输出轴通过所述前轮传动机构与前驱动轮的轮轴一端相连，所述前驱动轮的轮轴另一端通过所述第一钢丝软轴与后轮传动机构相连，所述后轮传动机构与所述后驱动轮的轮轴相连。

所述后轮组件包括后轮传动机构和后驱动轮，所述后轮传动机构包括后轮离合器和后轮传动组件，所述后轮离合器包括动力输入轴、后轮离合弹簧、动力输出轴和后轮离合器座，所述后轮离合弹簧设置于所述后轮离合器座内，所述动力输入轴和动力输出轴分别安装在所述后轮离合器座两侧侧壁上且相邻一端通过所述后轮离合弹簧相连。

所述后轮传动组件包括后主动带轮、后从动带轮和后同步带，其中所述后主动带轮与所述后轮离合器的动力输出轴固连，所述后从动带轮与所述后驱动轮的轮轴固连。

所述行走驱动电机安装在一个行走电机支架上，所述行走电机支架固装于所述前身支板上，所述前轮传动机构包括前主动带轮、前从动带轮和前同步带，所述前主动带轮安装在所述行走驱动电机的输出轴上，所述前从动带轮与所述前驱动轮的轮轴固连，所述前主动带轮和前从动带轮外侧套装有前同步带。

所述前传动组件和后传动组件均设有结构相同的抱持离合器，所述抱持离合器包括抱持离合器座、抱持输出轴和抱持离合弹簧，其中抱持输出轴安装在抱持离合器座的任一侧壁上，抱持离合弹簧设置于抱持离合器座中，所述抱持驱动电机组件设有驱动轴，且所述驱动轴两端分别插入不同传动组件的抱持离合器中并通过抱持离合弹簧与抱持输出轴相连。

所述抱持驱动电机组件包括抱持驱动电机、抱持电机支架、齿轮传动组件和驱动轴，所述抱持电机支架安装在所述前身支板上，所述抱持驱动电机和驱动轴均安装在所述抱持电机支架上，所述齿轮传动组件包括相互啮合的主动齿轮和从动齿轮，其中主动齿轮固装在所述抱持驱动电机的输出轴上，从动齿轮固装在所述驱动轴上。

所述后传动组件包括一个抱持离合器和一个第二钢丝软轴，所述抱持离合器通过所述第二钢丝软轴与所述后钢丝卷轴相连。

所述侧肢节包括连接端板和多个肢节段，所述连接端板通过第一铰接轴与相邻的一个肢节段铰接，其余肢节段依次通过铰接轴铰接，且在各个铰接轴上端均设有滑轮，在各个铰接轴中部均设有复位弹簧，在最外端的肢节段末端设有钢丝固定块，钢丝依次绕过各个滑轮后固定于所述钢丝固定块上，在各个肢节段上均设有肢节滚轮。

所述中间关节包括关节电机、第一关节转臂、第二关节转臂和关节转轴，所述第一关节转臂和第二关节转臂通过关节转轴铰接，关节电机固装于第二关节转臂上且输出轴与所述关节转轴固连，所述第一关节转臂与前身支板固连，所述第二关节转臂与后身支板固连。

本发明的优点与积极效果为：

1、本发明采用钢丝驱动两侧的侧肢节实现抱持，简化了机器人结构，减轻机器人重量。

2、本发明将超越弹簧离合器应用于机器人，有效减少机器人的驱动源的数量。

附图说明

图1为本发明的俯视图，

图2为图1中本发明的主视图，

图3为图1中的侧肢节结构示意图，

图4为图1中的抱持驱动电机组件示意图，

图5为图1中的抱持离合器结构示意图，

图6为图1中的行走驱动电机安装示意图，

图7为图1中的后轮离合器结构示意图，

图8为图1中的中间关节结构示意图。

其中，1为前轮组件，101为行走驱动电机，102为前驱动轮，103为第一钢丝软轴，104为行走电机支架，105为前轮传动机构，2为后轮组件，201为后驱动轮，202为后轮离合器，2021为后轮离合弹簧，2022为动力输入轴，2023为后轮离合器座，2024为动力输出轴，203为后轮传动组件，3为侧肢节，301为连接端板，302为第一滑轮，303为第一复位弹簧，304为第一铰接轴，305为第一肢节，306为第一肢节滚轮，307为第二复位弹簧，308为第二滑轮，309为第二铰接轴，310为第二肢节，311为第二肢节滚轮，312为钢丝固定块，4为前身支板，401为前辅助行走轮，5为后身支板，501为后辅助行走轮，6为抱持驱动机构，601为抱持驱动电机，602为抱持离合器，6021为抱持离合器座，6022为抱持输出轴，6023为抱持离合弹簧，603为前钢丝卷轴，604为第二钢丝软轴，605为后钢丝卷轴，606为齿轮传动组件，607为驱动轴，608为抱持电机支架，7为中间关节，701为关节电机，702第二连接板，703为关节转轴，704为第一关节转臂，705为第一连接板，706为第二关节转臂。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详述。

如图1～8所示，本发明包括前轮组件1、后轮组件2、前身支板4、后身支板5、抱持驱动机构6、中间关节7和侧肢节3，所述前身支板4和后身支板5通过中间关节7相连，在所述前身支板4前端设有前轮组件1，在所述后身支板5后端设有后轮组件2，在所述前身支板4和后身支板5两侧均设有侧肢节3，所述抱持驱动机构6包括抱持驱动电机组件、前传动组件、后传动组件、前钢丝卷轴603和后钢丝卷轴605，其中前钢丝卷轴603设置于前身支板4上，后钢丝卷轴605设置于后身支板5上，且所述抱持驱动电机组件通过前传动组件向前钢丝卷轴603传递转矩，所述抱持驱动电机组件通过后传动组件向后钢丝卷轴605传递转矩，所述侧肢节3包括多个肢节段，所述侧肢节3的各肢节段依次铰接且各铰接轴上均设有滑轮，所述前钢丝卷轴603上的钢丝分别向两侧引出并分别绕过前身支板4两侧侧肢节3上的各个滑轮，所述后钢丝卷轴605上的钢丝分别向两侧引出并分别绕过后身支板5两侧侧肢节3上的各个滑轮，所述前钢丝卷轴603和后钢丝卷轴605即通过所述抱持驱动电机组件驱动旋转，进而通过钢丝分别带动前身支板4和后身支板5两侧的侧肢节3实现抱持动作。

如图1～2和图6所示，所述前轮组件1包括行走驱动电机101、前轮传动机构105、前驱动轮102和第一钢丝软轴103，所述后轮组件2包括后轮传动机构和后驱动轮201，所述行走驱动电机101的输出轴通过所述前轮传动机构105与前驱动轮102的轮轴一端相连，所述前驱动轮102的轮轴另一端通过所述第一钢丝软轴103与后轮传动机构相连，所述后轮传动机构与所述后驱动轮201的轮轴相连。

如图6所示，所述行走驱动电机101安装在一个行走电机支架104上，所述行走电机支架104固装于所述前身支板4上，所述前轮传动机构105为一个同步带传动机构，包括前主动带轮、前从动带轮和前同步带，所述前主动带轮安装在所述行走驱动电机101的输出轴上，所述前从动带轮与所述前驱动轮102的轮轴固连，所述前主动带轮和前从动带轮外侧套装有前同步带。

如图1～2和图6～7所示，所述后轮传动机构包括后轮离合器202和后轮传动组件203，如图7所示，所述后轮离合器202包括动力输入轴2022、后轮离合弹簧2021、动力输出轴2024和后轮离合器座2023，所述后轮离合弹簧2021设置于所述后轮离合器座2023内，所述动力输入轴2022和动力输出轴2024分别通过轴承支承安装在所述后轮离合器座2023两侧侧壁上，且所述动力输入轴2022和动力输出轴2024相邻一端通过所述后轮离合弹簧2021相连，动力输入轴2022与前轮组件1中的第一钢丝软轴103相连，动力输出轴2024与所述后轮传动组件203相连，当所述动力输入轴2022旋向和所述后轮离合弹簧2021绕向一致时，所述后轮离合弹簧2021旋紧并带动动力输出轴2024旋转，后轮离合器202处于结合状态，当所述动力输入轴2022旋向和所述后轮离合弹簧2021绕向相反时，后轮离合弹簧2021变松，也就无法带动动力输出轴2024旋转，后轮离合器202处于分离状态。

如图1所示，在所述后身支板5后端设有一个后轮架，所述后驱动轮201安装在所述后轮架上，所述后轮传动组件203为一个同步带组件，包括后主动带轮、后从动带轮和后同步带，其中所述后主动带轮与所述后轮离合器202的动力输出轴2024固连，所述后从动带轮与所述后驱动轮201的轮轴固连，在所述后主动带轮和后从动带轮外侧套装有后同步带。

如图1～2所示，所述抱持驱动电机组件通过前传动组件向前钢丝卷轴603传递转矩，所述前传动组件为一个抱持离合器602，所述抱持驱动电机组件通过后传动组件向后钢丝卷轴605传递转矩，所述后传动组件包括一个抱持离合器602和一个第二钢丝软轴604。

如图4所示，所述抱持驱动电机组件包括抱持驱动电机601、抱持电机支架608、齿轮传动组件606和驱动轴607，所述抱持电机支架608安装在所述前身支板4上，所述抱持驱动电机601和驱动轴607均安装在所述抱持电机支架608上，所述齿轮传动组件606包括相互啮合的主动齿轮和从动齿轮，其中主动齿轮固装在所述抱持驱动电机601的输出轴上，从动齿轮固装在所述驱动轴607上，所述驱动轴607前端与所述前传动组件相连，所述驱动轴607后端与所述后传动组件相连。

如图1～2所示，所述前传动组件包括一个抱持离合器602，所述后传动组件包括一个抱持离合器602和一个第二钢丝软轴604。

如图5所示，所述前传动组件中的抱持离合器602和后传动组件中的抱持离合器602结构相同，均包括抱持离合器座6021、抱持输出轴6022和抱持离合弹簧6023，其中抱持输出轴6022通过轴承支承安装在抱持离合器座6021的任一侧壁上，抱持离合弹簧6023设置于抱持离合器座6021中，且所述驱动轴607一端伸入至抱持离合器座6021中并通过所述抱持离合弹簧6023与所述抱持输出轴6022相连，所述抱持离合器602的离合原理和所述后轮离合器202相同，当驱动轴607旋向和所述抱持离合弹簧6023绕向一致时即带动所述抱持输出轴6022转动，当驱动轴607旋向和所述抱持离合弹簧6023绕向相反时，所述抱持离合器602处于分离状态。前传动组件中的抱持离合器602的抱持输出轴6022与所述前钢丝卷轴603相连，后传动组件中的抱持离合器602的抱持输出轴6022与所述后钢丝卷轴605相连。

如图3所示，所述侧肢节3包括连接端板301、第一肢节305和第二肢节310，所述连接端板301与前身支板4或后身支板5相连，所述第一肢节305通过第一铰接轴304与所述连接端板301铰接，在所述第一铰接轴304上端设有第一滑轮302，在所述第一铰接轴304中部设有第一复位弹簧303，在所述第一肢节305内部设有第一肢节滚轮306，所述第二肢节310通过第二铰接轴309与所述第一肢节305铰接，在所述第二铰接轴309上端设有第二滑轮308，在所述第二铰接轴309中部设有第二复位弹簧307，在所述第二肢节310的自由端设有钢丝固定块312，在所述第二肢节310内部设有第二肢节滚轮311，由所述前钢丝卷轴603或后钢丝卷轴605上引出的钢丝依次绕过所述第一滑轮302和第二滑轮308后固定于所述钢丝固定块312上。机构工作时，所述第一铰接轴304和第二铰接轴309通过钢丝和各自轴端的滑轮驱动旋转，进而带动侧肢节3的各个肢节段摆动实现抱持。

如图1和图8所示，所述中间关节7包括关节电机701、第一关节转臂704、第二关节转臂706和关节转轴703，所述第一关节转臂704和第二关节转臂706通过关节转轴703铰接，关节电机701固装于第二关节转臂706上且输出轴与所述关节转轴703固连，在所述第一关节转臂704上设有第一连接板705与前身支板4固连，在所述第二关节转臂706上设有第二连接板702与后身支板5固连。所述前身支板4和后身支板5即通过所述关节电机701驱动相对转动。

本发明的工作原理为：

本发明工作时，所述行走驱动电机101通过所述前轮传动机构105传递转矩驱动前驱动轮102转动，同时所述前驱动轮102的轮轴另一端依次通过所述第一钢丝软轴103、后轮离合器202和后轮传动组件203传递转矩驱动后驱动轮201转动，实现整个机构行走，其中后轮离合器202中设有后轮离合弹簧2021，当所述动力输入轴2022旋向和所述后轮离合弹簧2021绕向一致时，所述后轮离合弹簧2021旋紧并带动动力输出轴2024旋转，后轮离合器202处于结合状态，当所述动力输入轴2022旋向和所述后轮离合弹簧2021绕向相反时，所述后轮离合器202处于分离状态。

本发明在前身支板4上设有抱持驱动机构6，所述抱持驱动机构6包括抱持驱动电机组件、前传动组件、后传动组件、前钢丝卷轴603和后钢丝卷轴605，且所述抱持驱动电机组件通过前传动组件向前钢丝卷轴603传递转矩，所述抱持驱动电机组件通过后传动组件向后钢丝卷轴605传递转矩，所述侧肢节3包括多个肢节段，所述侧肢节3的各肢节段依次铰接且各铰接轴上均设有滑轮，所述前钢丝卷轴603上的钢丝分别向两侧引出并分别依次绕过前身支板4两侧侧肢节3上的各个滑轮，所述后钢丝卷轴605上的钢丝分别向两侧引出并分别依次绕过后身支板5两侧侧肢节3上的各个滑轮，所述前钢丝卷轴603和后钢丝卷轴605即通过所述抱持驱动电机组件驱动旋转，进而通过钢丝分别带动前身支板4和后身支板5两侧的侧肢节3实现抱持动作。所述前传动组件和后传动组件均设有抱持离合器602，所述抱持离合器602的离合原理和所述后轮离合器202相同，当驱动轴607旋向和所述抱持离合弹簧6023绕向一致时即带动所述抱持输出轴6022转动，当驱动轴607旋向和所述抱持离合弹簧6023绕向相反时，所述抱持离合器602处于分离状态。