一種行星輪系爬樓機器人的制作方法
【專利摘要】本發明屬于機電一體化領域，具體涉及一種行星輪系爬樓機器人。本發明主要解決現有爬樓機器人存在的傳動效率低、變形困難、運動緩慢、結構穩定性差等問題。一種行星輪系爬樓機器人，包括傳動系統、轉換系統和執行系統，傳動系統包括左右兩個傳動組，左右兩個傳動組平行且以縱向中心線對稱安裝，轉換系統包括四個轉換組，四個轉換組分別安裝在底板的四個方位，每個轉換組都是由太陽輪軸、長套筒、聯軸器、電磁離合器和軸承組成；執行系統由四個輪組系統組成，每個輪組系統包括一個內三角板、一個外三角板、三根行星輪軸、六個行星輪軸套筒、三個行星輪葉片、一個太陽輪和葉片軸承。
【專利說明】
一種行星輪系爬樓機器人
技術領域
[0001]本發明屬于機電一體化領域，具體涉及一種行星輪系爬樓機器人。
【背景技術】
[0002]移動機器人是機器人學中的一個重要分支，是一類能夠通過傳感器感知環境，實現在非規則環境下，動態決策與規劃、行為控制與執行等多項功能于一體的高智能化機器系統。而其中的爬樓梯機器人又是它的重要分支，按爬樓梯功能實現的原理主要分為履帶式、輪組式、步行式等爬樓梯裝置。它體現了信息科學和人工智能技術的最新成果，具有重要的軍用及民用價值，是現代機器人學中一個重要而且相當活躍的研究領域。
[0003]申請號為201420085626.2的可變換葉輪式爬樓機器人包括機身和運動機構，運動機構由減速電機，傳動軸和四個行星輪系組成，該機器人由減速電機帶動傳動軸驅動輪系中的太陽輪運動，利用太陽輪的正轉和反轉時行星輪運動軌跡的不同，實現葉片運動姿態的不同，通過控制行星輪系中的太陽輪和行星輪的轉差，控制葉片的弧形桿的運動姿態，使機器人實現爬樓和平地行走功能之間的轉換。但該可變換葉輪式爬樓機器人利用輸出軸末端的方形桿帶動太陽輪運動，結構較復雜，要求的輸出轉矩較大，且太陽輪開方槽之后，強度將變弱，另外該機器人無自鎖機構，利用地面摩擦力實現變形，對地面摩擦系數有一定要求，不能保證其四個輪組同步且快速變形，在爬樓過程中存在結構不穩定，動力不足，動作緩慢等問題。

【發明內容】

[0004]本發明針對現有爬樓機器人存在的傳動效率低、變形困難、運動緩慢、結構穩定性差等問題，提出一種較靈活穩定的行星輪系爬樓機器人。該機器人由減速電機將轉矩傳遞至套筒，套筒帶動行星輪運動，太陽輪軸與套筒之間用軸承連接，實現了行星輪與太陽輪的分開控制，這種結構可有效降低對輸出轉矩的要求;本發明采用電磁離合器作為自鎖機構，四個輪系可實現同步快速變形，變形后以一種狀態穩定運動。
[0005]本發明的技術方案為:
[0006]—種行星輪系爬樓機器人，包括底板，其中還包括傳動系統、轉換系統和執行系統，所述的傳動系統包括左右兩個傳動組，左右兩個傳動組平行且以縱向中心線對稱安裝，每個傳動組由直流減速電機、中間軸、主動錐齒輪、從動錐齒輪、兩個小鏈輪、兩個大鏈輪和兩根鏈條組成，直流減速電機安裝在底板上，直流減速電機的輸出軸穿過底板與主動錐齒輪連接，從動錐齒輪安裝在中間軸上并與主動錐齒輪嚙合連接，中間軸通過兩個軸承座安裝在底板的橫向中心線上，兩個小鏈輪依次安裝在中間軸上，每個小鏈輪都通過一根鏈條與一側的大鏈輪連接構成一組鏈傳動，大鏈輪安裝在長套筒上；
[0007]所述的轉換系統包括四個轉換組，四個轉換組分別安裝在底板的四個方位，每個轉換組都是由太陽輪軸、長套筒、聯軸器、電磁離合器和軸承組成，太陽輪軸安裝在底板上，長套筒通過軸承套在太陽輪軸上實現太陽輪軸與長套筒的相對運動，電磁離合器的內圈與太陽輪軸連接，電磁離合器的外圈與聯軸器連接，聯軸器與大鏈輪連接；
[0008]所述的執行系統由四個輪組系統組成，每個輪組系統包括一個內三角板、一個外三角板、三根行星輪軸、六個行星輪軸套筒、三個行星輪葉片、一個太陽輪和葉片軸承，內三角板安裝在長套筒的法蘭上并通過軸承與太陽輪軸相連接，外三角板通過軸承與太陽輪軸相連接，內三角板和外三角板相對安裝以支撐均勻分布的三根行星輪軸，每根行星輪軸都穿過內三角板和外三角板，三個行星輪葉片分別通過葉片軸承安裝在三個行星輪軸的中間，三個行星輪葉片組成一個圓，在每根行星輪軸上安裝兩個行星輪軸套筒且兩個行星輪軸套筒分別位于葉片軸承的兩側，太陽輪安裝在太陽輪軸上。
[0009]本發明通過控制兩個直流減速電機經錐齒輪和鏈輪傳動，驅動四個輪組運動，機器人可實現前進、后退、加速、減速、轉彎等基本動作;通過控制電磁離合器的通電斷電，機器人可實現變形、爬樓、越障等較復雜動作。該機器人具有兩種運動方式，一種是圓輪行走，一種是葉輪行走。當路面平坦無障礙時，機器人啟用圓輪行駛，以確保較快的行駛速度，視路面情況而定，可適當加速減速;當路面崎嶇，障礙較多時，機器人圓輪變形為葉輪，電磁離合器通電，機構自鎖，機器人保持葉輪運動，即可越障和爬樓。本發明較其他爬樓機器人而言，最大的特點就是利用行星輪系機構變形，用電磁離合器實現機構自鎖。與輪式、腿式、履帶式爬樓機器人相比，本發明具有運動靈活、結構穩定、機構簡單、承載能力高、路況適應性強等諸多優點。其可用于殘疾人士日常生活的代步工具，也可作為極端環境條件下的探測和搜救平臺。
【附圖說明】
[0010]圖1是本發明立體圖；
[0011]圖2是本發明俯視圖；
[0012]圖3是中間軸示意圖；
[0013]圖4是小鏈輪示意圖；
[0014]圖5是大鏈輪示意圖；
[0015]圖6是長套筒剖面圖；
[0016]圖7是太陽輪軸示意圖；
[0017]圖8是電磁離合器示意圖；
[0018]圖9是輪組機構立體圖；
[0019]圖10是輪組機構示意圖；
[0020]圖11是行星輪軸示意圖；
[0021]圖12是葉輪示意圖；
[0022]圖13是內二角板不意圖；
[0023]圖14是底板不意圖；
[0024]圖15是平地行走時行星齒輪齒形；
[0025]圖16是爬樓梯時行星齒輪齒形。
【具體實施方式】
[0026]實施例1
[0027]—種行星輪系爬樓機器人，如圖1-圖14所示，包括底板I和傳動系統、轉換系統、執行系統，所述的傳動系統包括左右兩個傳動組，這兩個傳動組平行且以縱向中心線對稱安裝，每個傳動組由直流減速電機2、中間軸5、主動錐齒輪3、從動錐齒輪4、兩個小鏈輪6、兩個大鏈輪9和兩根鏈條7組成，直流減速電機2安裝在底板I上，其輸出軸穿過底板I上的一個圓孔與主動錐齒輪3用一個頂絲固定連接，從動錐齒輪4安裝在與直流減速電機2輸出軸相垂直的中間軸5上并與主動錐齒輪3嚙合連接，中間軸5通過兩個軸承座8安裝在底板I的橫向中心線上，兩個小鏈輪6通過定位螺釘依次安裝在中間軸5上，一個小鏈輪6與縱軸正方向的大鏈輪9通過鏈條7構成一組鏈傳動，另一個小鏈輪6與縱軸負方向的大鏈輪9構成一組鏈傳動，從而可以實現兩個輪組同步運動，大鏈輪9安裝在長套筒22上；
[0028]所述的轉換系統包括四個轉換組，四個轉換組分別安裝在底板I的四個方位，每個轉換組都是由太陽輪軸24、長套筒22、聯軸器25、電磁離合器26和軸承23組成，太陽輪軸24安裝在底板I上，長套筒22通過軸承23套在太陽輪軸24上實現太陽輪軸24與長套筒22的相對運動，電磁離合器26的內圈與太陽輪軸24利用型面連接得以實現同步運動，電磁離合器
26的外圈通過頂絲與聯軸器25連接，聯軸器25通過三個相互交錯120度的定位螺絲與大鏈輪9連接；
[0029]所述的執行系統由四個輪組系統組成，每個輪組系統包括一個內三角板12、一個外三角板16、三根行星輪軸11、六個行星輪軸套筒14、三個行星輪葉片15、一個太陽輪10和三個葉片軸承13，內三角板12通過三個相互交錯120度的定位螺絲20固定安裝在長套筒22的法蘭上并通過軸承23與太陽輪軸24相連接，外三角板16通過軸承23與太陽輪軸24相連接，內三角板12和外三角板16相對安裝以支撐均勻分布的三根行星輪軸11，每根行星輪軸11都穿過內三角板12和外三角板16對應的孔，三個行星輪葉片15分別通過葉片軸承13安裝在三個行星輪軸11的中間，行星輪葉片15和葉片軸承13的外圈采用過盈配合，三個行星輪葉片15組成一個圓，在每根行星輪軸11上安裝兩個行星輪軸套筒14且兩個行星輪軸套筒14分別位于葉片軸承13的兩側，太陽輪10通過太陽輪內夾板19與太陽輪外夾板17固定在太陽輪軸24上，每個輪組的太陽輪10均與三個行星輪葉片15同時嚙合，內三角板12與長套筒22固連，即長套筒22的轉矩經內三角板12和三根行星輪軸11傳遞至三個行星輪葉片15，因而長套筒22決定行星輪葉片15的運動，太陽輪軸24)決定太陽輪10的運動。即電磁離合器(26)吸合一一長套筒(22)與太陽輪軸(24)同步轉動一一行星輪(15)與太陽輪(10)無相對運動裝置自鎖爬樓機器人保持一種狀態持續運動。
[0030]由于行星輪與太陽輪最多相對轉動120度，輪組即可變形，所以每個行星輪均為120度的不完全齒輪機構，如圖12所示。根據機械結構設計方案，機器人小車工作時分以下幾種情況:
[0031](I)小車在圓輪狀態下離合器通電時，小車可在任何情況下保持圓輪前進、后退、轉彎、加速、減速。
[0032](2)小車在葉輪狀態下離合器通電時，小車可在任何情況下保持葉輪前進、后退、轉彎、加速、減速。
[0033](3)離合器斷電時:如圖15所示，由于行星輪葉片為不完全齒輪機構，所以在圓輪狀態時行星輪順時針轉動，將沒有齒再與太陽輪嚙合，故太陽輪與行星輪將無相對運動，圓輪得以保持不變無阻力下。因而，在無阻力且離合器斷電時，小車可以以圓輪保持前進圖15中，行星輪順時針轉為前進。
[0034](4)同理，如圖16所示，在無阻力且離合器斷電時，小車可保持葉輪后退，但有阻力時，葉輪將會變形。
【主權項】
1.一種行星輪系爬樓機器人，包括底板(I)，其特征是還包括傳動系統、轉換系統和執行系統，所述的傳動系統包括左右兩個傳動組，左右兩個傳動組平行且以縱向中心線對稱安裝，每個傳動組由直流減速電機(2)、中間軸(5)、主動錐齒輪(3)、從動錐齒輪(4)、兩個小鏈輪(6)、兩個大鏈輪(9)和兩根鏈條(7)組成，直流減速電機(2)安裝在底板(I)上，直流減速電機(2)的輸出軸穿過底板(I)與主動錐齒輪(3)連接，從動錐齒輪(4)安裝在中間軸(5)上并與主動錐齒輪(3)嚙合連接，中間軸(5)通過兩個軸承座(8)安裝在底板(I)的橫向中心線上，兩個小鏈輪(6)依次安裝在中間軸(5)上，每個小鏈輪(6)都通過一根鏈條(7)與一側的大鏈輪(9)連接構成一組鏈傳動，大鏈輪(9)安裝在長套筒(22)上； 所述的轉換系統包括四個轉換組，四個轉換組分別安裝在底板(I)的四個方位，每個轉換組都是由太陽輪軸(24)、長套筒(22)、聯軸器(25)、電磁離合器(26)和軸承(23)組成，太陽輪軸(24)安裝在底板(I)上，長套筒(22)通過軸承(23)套在太陽輪軸(24)上實現太陽輪軸(24)與長套筒(22)的相對運動，電磁離合器(26)的內圈與太陽輪軸(24)連接，電磁離合器(26)的外圈與聯軸器(25)連接，聯軸器(25)與大鏈輪(9)連接； 所述的執行系統由四個輪組系統組成，每個輪組系統包括一個內三角板(12)、一個外三角板(16)、三根行星輪軸(11)、六個行星輪軸套筒(14)、三個行星輪葉片(15)、一個太陽輪(10)和葉片軸承(13)，內三角板(12)安裝在長套筒(22)的法蘭上并通過軸承(23)與太陽輪軸(24)相連接，外三角板(16)通過軸承(23)與太陽輪軸(24)相連接，內三角板(12)和外三角板(16)相對安裝以支撐均勻分布的三根行星輪軸(11)，每根行星輪軸(11)都穿過內三角板(12)和外三角板(16)，三個行星輪葉片(15)分別通過葉片軸承(13)安裝在三個行星輪軸(11)的中間，三個行星輪葉片(15)組成一個圓，在每根行星輪軸(11)上安裝兩個行星輪軸套筒(14)且兩個行星輪軸套筒(14)分別位于葉片軸承(13)的兩側，太陽輪(10)安裝在太陽輪軸(24)上。
【文檔編號】B62D57/024GK105857429SQ201610246431
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年4月20日
【發明人】鄭智貞, 劉娜, 許健非, 梅瑛, 秦慧斌, 王書森, 王寧, 李思徵, 王寧寧
【申請人】中北大學