一种可变形履带式机器人移动平台

技术领域

本发明涉及天然气站场机器人移动平台技术领域，尤其涉及一种可变形履带式移动底盘，并进行移动平台关键部件仿真分析。

背景技术

移动平台在天然气站场环境中需适应的环境包括台阶、斜坡、楼梯、工艺区的沙石路面和雪地环境等复杂路面，轮式移动底盘不具备较高的越障能力，足式移动底盘在高负载的同时稳定性能会降低，因此履带式移动底盘因负载能力高、具有一定的越障能力和稳定性能，可适用于天然气站场工作环境。

目前履带式移动平台根据运动方式的不同可分为主动可变形履带式和固定履带式，而主动可变形履带式具有较强的越障能力和地形适应性。因此可选择一款可变形履带式移动平台搭载多种设备应用于天然气站场环境中，但可变形履带式移动平台越障能力提高的同时，也面对稳定性降低、地面附着面积小的问题，在越障过程中可能会发生倾覆现象，存在安全隐患。

发明内容

本发明的目的是为了适应天然气站场环境，具备一定的越障能力和稳定性能，因此为解决上有技术中存在的问题，提出一种可变形履带式机器人移动平台，并进行移动平台关键部件仿真分析。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种可变形履带式机器人移动平台，其特征包括：防爆车体，对称设置于防爆车体左右两端的两套可变形履带式移动机构。

优选的，所述可变形履带式移动机构包括主驱动轮、主摆臂张紧轮、从动轮、含制动器的主摆臂电动推杆、双行星辅助变形机构、2套避震承重轮组、车架和橡胶履带，所述可变形履带式移动机构的原理设计基于单椭圆定理，所述主驱动轮、从动轮设置在椭圆中的左右两个焦点，主摆臂电动推杆设置在椭圆的圆心位置，所述双行星辅助变形机构安装在主驱动轮外侧，所述主摆臂张紧轮与含制动器的主摆臂电动推杆连接，含制动器的主摆臂电动推杆绕圆心做椭圆圆周轨迹运动，所述橡胶履带环绕安装在主驱动轮、主摆臂张紧轮、从动轮和所有承重轮上，橡胶履带的张紧程度调节依靠所述含制动器的主摆臂电动推杆。

优选的，所述第1套避震承重轮组和第2套避震承重轮组分别设置于主驱动轮、从动轮与含制动器的主摆臂电动推杆的对称中心，所述第1套避震承重轮组包括避震器、承重轮和连接架，所述避震器与车架直接连接，所述2个承重轮通过2个连接架与车架连接，所述第2套避震承重轮组包括避震器、承重轮、联动架和连接架，所述2个呈“翅膀”状的联动架对称安装与避震器和车架连接，所述2个承重轮通过2个连接架与联动架连接。

优选的，所述双行星辅助变形机构包括2个小行星轮、1个双行星辅助变形机构的主动轮、4个张紧螺栓、2个支撑块、4个内含滚珠的圆柱形套筒、2组末端带有弹簧的小行星轮连接架、外挡板、小行星轮外端盖、辅助变形机构橡胶履带。所述2个小行星轮和双行星辅助变形机构的主动轮通过橡胶履带包覆，所述2个小行星轮对称安装在主动轮两端，所述辅助变形机构橡胶履带的张紧程度可通过改变张紧螺栓和小行星轮连接架的前后位移实现，所述张紧螺栓与支撑块连接，支撑块的一端固定安装圆柱形套筒，所述张紧螺栓向前旋转，推动套筒内的滚珠与小行星轮连接架末端的弹簧前移，所述滚珠与弹簧带动设置在套筒前端的小行星轮连接架向前运动，所述2个小行星轮连接架的前端与2个小行星轮分别通过1个转动轴连接；所述小行星轮与小行星轮外端盖通过螺栓连接，所述外挡板与2个支撑块通过安装螺钉连接。

优选的，所述防爆车体包括防爆车体外壳、防爆车体内端盖、防爆车体外端盖，所述防爆车体外壳左右两端加工三个带有凸台的安装孔，所述防爆车体内端盖上部设置可通过外部电源线的防爆线嘴，所述防爆车体内端盖与防爆车体外壳采用螺栓连接形成隔爆型安全空间，所述防爆车体外端盖上可安装车体需搭载的外部设备，通过外端盖连接螺栓与车体连接，螺栓安装位置处设置连接圆柱，保证螺栓连接不发生穿透。

优选的，所述双行星辅助变形机构驱动轴通过主驱动轮的空心套筒驱动轴与动力装置相连，动力装置驱动双行星辅助变形机构转动，履带驱动系统输出的动力经由锥齿轮传动传递给空心套筒驱动轴，并带动履带式移动机构的主驱动轮转动。所述含制动器的主摆臂电动推杆驱动轴穿过带有凸台的安装孔与减速电机连接，驱动主摆臂电动推杆转动。

优选的，所述双行星辅助变形机构驱动轴和主摆臂电动推杆驱动轴利用Ansys软件进行了静力学分析，将模型导入软件，设定两个轴材料为40Cr，对两个轴进行均匀化网格划分，添加主要载荷扭矩，仿真获得两个轴的等效应力云图。

采用本发明提供的技术方案，与现有技术相比，具有以下有益收益：

1.本发明通过设计一款主动可变形履带式机器人移动平台，可搭载多种设备应用于天然气站场环境中，可实现天然气站场环境中台阶、斜坡、楼梯等障碍环境的攀爬运动，同时也可在工艺区中沙石地面与雪地等复杂路面环境平稳运动。

2.可变形履带式移动机构的原理设计基于单椭圆定理，增强了移动机构的越障能力，双行星辅助变形机构的搭配可使越障能力提升的同时，增强移动平台的稳定性能，同时双行星辅助变形机构的结构设计也可适用于多种障碍物环境，双行星辅助变形机构可360°旋转，便于多角度满足移动平台的稳定要求。防爆车体内外端盖的设计便于工作人员的后续拆卸维修，同时保障了防爆车体的防爆性能。

3.对双行星辅助变形机构驱动轴和含制动器的主摆臂电动推杆驱动轴进行静力学分析，校核零件强度，有效验证了所选材料不会因为承受着底盘工作时双行星辅助变形机构的主动轮和含制动器的主摆臂电动推杆的扭矩而发生的扭矩过大导致失效的现象。

附图说明

图1为本发明提出的一种可变形履带式机器人移动平台的结构示意图；

图2为本发明提出的一种可变形履带式机器人移动平台的侧视图；

图3为本发明提出的双行星辅助变形机构的剖视图；

图4为本发明提出的防爆车体的结构示意图；

图5为本发明中双行星辅助变形机构驱动轴的等效应力云图；

图6为本发明中主摆臂电动推杆驱动轴的等效应力云图；

图中：1防爆车体、2可变形履带式移动机构、11防爆车体外壳、12防爆车体内端盖、13防爆车体外端盖、14带凸台的安装孔、121防爆线嘴、122内端盖连接螺栓、131外端盖连接螺栓、201主驱动轮、202主摆臂张紧轮、203从动轮、204含制动器的主摆臂电动推杆、205双行星辅助变形机构、206避震承重轮组、207车架、208橡胶履带、209双行星辅助变形机构驱动轴、210含制动器的主摆臂电动推杆驱动轴、251小行星轮、252双行星辅助变形机构的主动轮、253张紧螺栓、254支撑块、255套筒、256滚珠、257弹簧、258小行星轮连接架、259外挡板、2510小行星轮外端盖、2511辅助变形机构橡胶履带、261避震器、262承重轮、263联动架、264连接架。

具体实施方式

为进一步了解本发明的内容，结合附图1-6对本发明实施例中的技术方案进行描述，附图中的实施例仅发明中的部分实施例，仅提供参考与说明，本发明的保护范围不限于下述实施例。

需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示上、下、左、右、前、后、竖直、水平、中间等，则该方向性指示仅用于描述和解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变，因此不能理解为对本发明的限制。

如图1至图4所示，在本发明中，可变形履带式机器人移动平台可搭载多种设备在天然气站场中各工艺区运动，可变形履带式机器人移动平台的设计要求如下：

本发明提出的一种可变形履带式机器人移动平台(参见图1-2)，包括防爆车体1，2个对称设置于防爆车体1左右两端的可变形履带式移动机构2。

根据本发明的一个实施例中，可变形履带式移动机构2的原理设计基于单椭圆定理，主驱动轮201、从动轮203和主摆臂电动推杆204设置在椭圆定理中的左右两个焦点和圆心位置，双行星辅助变形机构205安装在主驱动轮201外侧，主摆臂张紧轮202与含制动器的主摆臂电动推杆204连接，主摆臂张紧轮202依靠含制动器的主摆臂电动推杆204绕圆心做椭圆圆周轨迹运动，橡胶履带208环绕安装在主驱动轮201、主摆臂张紧轮202、从动轮203和所有承重轮262上，所述含制动器的主摆臂电动推杆204可调节橡胶履带208的张紧程度，保障主摆臂张紧轮202的灵活转动。

根据本发明的一个实施例中，第1套避震承重轮组206和第2套避震承重轮组206分别设置于主驱动轮201、从动轮203与含制动器的主摆臂电动推杆204的对称中心。第1套避震承重轮组206包括避震器261、承重轮262和连接架264，避震器261与可变形履带式移动机构2的车架207直接连接，2个承重轮262通过2个连接架264与可变形履带式移动机构2的车架207连接。第2套避震承重轮组206包括避震器261、承重轮262、联动架263和连接架264，2个呈“翅膀”状的联动架263对称安装与避震器261和车架207连接，2个承重轮262通过2个连接架264与联动架263连接，避震承重轮组206的设计既减少移动平台的质量，又可保障移动平台运动过程中的稳定性能。

根据本发明的一个实施例中，双行星辅助变形机构205结构设计如下(参见图3)：2个小行星轮251和双行星辅助变形机构的主动轮252通过橡胶履带2511包覆，2个小行星轮251对称安装在主动轮252两端，辅助变形机构橡胶履带2511的张紧程度可通过改变张紧螺栓253和小行星轮连接架258的前后位移实现，张紧螺栓253与支撑块254连接，支撑块254的一端固定安装圆柱形套筒255，张紧螺栓253向前旋转，推动套筒255内的滚珠256与小行星轮连接架258末端的弹簧257前移，滚珠256与弹簧257带动设置在套筒255前端的小行星轮连接架258向前运动，2个小行星轮连接架258的前端与2个小行星轮251分别通过1个转动轴连接；橡胶履带2511的张紧程度通过调整张紧螺栓253达到合适的效果。小行星轮251与小行星轮外端盖2510通过螺栓连接，所述外挡板259与2个支撑块254通过安装螺钉连接。双行星辅助变形机构205的加入，保障了移动平台越障性能提高的同时，增强了移动平台的稳定性。

根据本发明的一个实施例中，防爆车体1(参见图4)包括防爆车体外壳11、防爆车体内端盖12、防爆车体外端盖13，防爆车体外壳11左右两端加工三个带有凸台的安装孔14，防爆车体内端盖12上部设置可通过外部电源线的防爆线嘴121。所述防爆车体内端盖12与防爆车体外壳11采用螺栓122连接形成隔爆型安全空间。防爆车体外端盖13上可安装车体需搭载的外部设备，通过外端盖连接螺栓131与车体1连接，螺栓131安装位置处设置连接圆柱，保证螺栓131连接不发生穿透。防爆车体满足天然气站场的防爆要求，同时可拆卸的设计便于移动平台的后期维护。

根据本发明的一个实施例中，双行星辅助变形机构驱动轴209通过空心套筒驱动轴与动力装置连接，驱动双行星辅助变形机构205转动，空心套筒驱动轴与履带驱动系统连接驱动主驱动轮201转动，所述含制动器的主摆臂电动推杆驱动轴210穿过带有凸台的安装孔14与减速电机连接，驱动含制动器的主摆臂电动推杆204转动。

含制动器的主摆臂电动推杆204和双行星辅助变形机构205的组合设计使移动平台提高了越障能力和稳定性能，双行星辅助变形机构驱动轴209和含制动器的主摆臂电动推杆驱动轴210承受着底盘工作时双行星辅助变形机构的主动轮252和含制动器的主摆臂电动推杆204的扭矩，零件很容易发生扭矩过大而失效的现象，因此必须进行静力学分析校核强度零件强度。两种轴的材料均选用40Cr，均经过热处理与表面氧化处理，采用均匀划分网格的方式对两个轴进行网格划分，扭矩为两个轴的主要载荷，取安全系数为1.6，则双行星辅助变形机构驱动轴209和含制动器的主摆臂电动推杆驱动轴210的许用应力[σ]为491MPa，通过Ansys静力学分析(参见图5-6)，双行星辅助变形机构驱动轴209的应力最大值在轴左侧边缘，大小为96.2MPa<[σ]；含制动器的主摆臂电动推杆驱动轴210的最大应力的位置在轴左侧与蜗轮蜗杆减速机连接处，大小为225MPa<[σ]，因此，两个轴的强度均满足要求。

本发明的一种可变形履带式机器人移动平台，具有主动变形能力，可适应天然气站场中多种地形环境，移动平台具有高负载能力的同时，通过主摆臂电动推杆和双行星辅助变形机构的同时摆动，提高了移动平台面对障碍物的越障性能，也增强了履带式移动机构的稳定性，减少了高负载下履带式移动机构的倾覆现象。

以上仅为本发明的优选实例，不可理解对本发明的限制范围，凡根据本发明应用原理、说明书及附图等同物结构替换、修改或流程替换，或本行业的技术人员将其应用到其他相关领域，这些都视为要求保护的本发明的范围。