一种轮距可变轮向可调的三轮模块化移动机器人

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，更具体地，涉及一种轮距可变轮向可调的三轮模块化移动机器人。

背景技术

移动机器人是国内外研究最早、应用最广的一类机器人，是机器人研究中一个经久不衰的热点。正是移动机器人的机动性使机器人的活动范围和应用领域大大扩展。随着科学技术的发展，越来越多的移动机器人被开发出来，比如服务机器人、搬运机器人、消防机器人等，其具备自动化程度高且应用灵活、安全可靠且工作效率高等诸多优点，因而被广泛的应用。

现有移动机器人有轮式、履带式和足式。其中等履带式移动机器人由履带驱动，接触面较大，适合于松软的沙土等地面移动，其越障性和越野性良好，然而这种机器人所需的驱动力大、能耗高、结构复杂、体积和重量都较大。足式移动机器人有结构复杂、控制困难且移动速度慢，机动性不强等弱势。而轮式移动机器人因其移动的灵活性和快捷性而成为最为广泛和普遍的一类。其中轮式移动机器人又包括四轮、三轮、两轮、独轮等不同结构形式。四轮结构稳定性好，但结构较复杂，成本较高,运动的灵活性稍差；两轮和独轮结构较简单，机动性和灵活性好，但稳定性较差，控制较复杂，对环境的适应性较差，一般适合在比较平的地面上滚动。

在实际使用过程中，移动机器人要求成本低、运动性能强、移动敏捷、运动平稳可靠。三轮结构的移动机器人介于上述四轮移动机器人和两轮/独轮移动机器人之间。三轮机器人结构比四轮机器人简单，而其稳定性比独轮机器人和双轮机器人更好，因而得到了广泛关注。但目前多数三轮机器人的灵活性和环境适应性有待于进一步提高和改进，全方位移动特性没有充分开发和实现，因此开发一种结构简单、轻巧便捷、移动稳定、能实现全方位移动并能适应复杂环境三轮机器人是非常必要的。

发明内容

本发明为克服上述现有技术中的至少一个缺陷，提供一种轮距可变轮向可调的三轮模块化移动机器人，能实现全方位移动。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种轮距可变轮向可调的三轮模块化移动机器人，包括车体、轮组模块、万向轮以及支架；所述的车体包括至少三个摆转关节模块和至少两个回转关节模块；多个摆转关节模块按顺序依次连接，连接后位于两端的两个摆转关节模块分别与一个回转关节模块的顶部一端连接，所述的摆转关节模块横向设置，回转关节模块竖向设置；每个回转关节模块的底部一端分别连接一个轮组模块；所述的支架的一端与位于中间的摆转关节模块连接，另一端与万向轮连接。在本发明中，车体为模块化结构，通过各个模块依次串联组装而成，连接是顺序为：轮组模块-回转关节模块-摆转关节模块-摆转关节模块-摆转关节模块-回转关节模块-轮组模块；其中，三个摆转关节模块水平方向设置，两组回转关节模块竖向设置；位于车体两端的两个回转关节模块的回转运动能够使与其相连的轮组模块绕该回转关节模块的轴线转动，改变轮组模块中轮子的方向，实现机器人沿任意方向的移动(前后左右和斜向等)，或实现机器人的转向(包括原地零半径旋转)，车体中间的三个摆转关节模块的摆转运动以使机器人本体伸展或弯曲，改变移动机器人的两个轮组模块之间的距离，以适应不同的环境状况。本发明采用模块化设计方法，可实现重构；结构和控制简单，整个机器人拆装方便快捷；通过摆转关节模块的设计，实现两个轮组模块之间距离的可变，可适应不同的环境；通过回转关节模块，两个轮组模块的轮子的方向可变，机器人可实现任意方向移动和转向，具有全方位移动功能；另外，除了两组轮组模块驱动，还加入了一组万向轮支撑，不仅机动性强而且稳定性更好。

在其中一个实施例中，所述的轮组模块包括第一电机、轮架、轮子、小带轮、大带轮、同步带；所述的第一电机固定于轮架上，所述的小带轮与第一电机的输出轴连接，所述的轮子通过连接件与轮架转动连接，所述的大带轮与连接件连接，所述的同步带一端缠绕于小带轮上，另一端缠绕于大带轮上；通过驱动大带轮转动从而驱动轮子转动。通过第一电机驱动小带轮转动，小带轮带动同步带转动，从而带动大带轮转动，大带轮通过连接件与轮子连接，大带轮转动，连接件跟着一起转动，连接件再带动轮子转动，最终实现第一电机驱动轮子运动。

在其中一个实施例中，所述的连接件包括轴承和转轴，所述的轴承安装在轮架上，所述的轮子固定套设于转轴上，所述的大带轮固定套设于转轴上，所述的转轴的一端与穿设于轴承上。轴承安装在轮架上，转轴与轴承连接，通过轴承和转轴的设置，实现轮子与轮架的转动连接。

在其中一个实施例中，所述的轮架上还设有电机座，所述的电机安装与电机座内。

在其中一个实施例中，所述的转轴上设有键槽，所述的轮子通过键和卡簧固定于转轴上。

在其中一个实施例中，所述的摆转关节模块包括第一基座、第一关节输出件、第一驱动电机以及第一动力传递机构；所述第一基座内部由第一分隔板分隔成第一驱动电机安装腔和第一动力传递机构安装腔，两腔体的轴线相垂直；所述第一驱动电机设置在第一驱动电机安装腔内；所述第一动力传递机构设置在第一动力传递机构安装腔内，该第一动力传递机构包括锥齿传动机构和第一谐波减速器，所述第一驱动电机的主轴穿过所述第一分隔板与锥齿传动机构中的主动锥齿轮连接，锥齿传动机构中的从动锥齿轮与所述第一谐波减速器连接，所述第一关节输出件连接在第一谐波减速器上；所述第一谐波减速器的轴线与第一驱动电机主轴的轴线垂直；所述第一分隔板上设有连通第一驱动电机安装腔和第一动力传递机构安装腔的走线孔，所述第一谐波减速器内部为中空结构，其中空部位构成走线孔，该走线孔的一端与第一动力传递机构安装腔连通，另一端与设在第一关节输出件上的走线孔连通；所述第一关节输出件包括用于与第一基座连接的第一连接端以及用于与其他关节模块连接的第二连接端，所述第一连接端内具有用于容纳和连接第一谐波减速器的安装内腔，该安装内腔的开口与所述第一基座中的第一动力传递机构安装腔的开口对接；所述第一基座的第一动力传递机构安装腔的开口方向与第一驱动电机主轴的轴线垂直，所述安装内腔的开口的朝向与第一驱动电机主轴的轴线垂直。

在其中一个实施例中，所述的第一谐波减速器与第一关节输出件之间设有关节零位及极限位检测装置，该关节零位及极限位检测装置包括零位霍尔元件、两个极限位霍尔元件以及触发磁铁，其中，所述触发磁铁设置在第一谐波减速器的固定部分上，所述的零位霍尔元件和两个极限位霍尔元件设置在第一关节输出件的圆周方向上；当第一关节输出件位于零位时，所述的触发磁铁与零位霍尔元件正面相对，当第一关节输出件位于两个极限位置时，所述的触发磁铁分别与两个极限霍尔元件正面相对。通过上述关节零位及极限位检测装置实现关节输出件的零位以及两个摆转极限位置的检测，以便控制关节输出件在工作过程中快速回归零位并防止关节输出件摆动至设定活动范围的极限位置之外。采用电磁铁和霍尔元件来实现位置检测，零件尺寸小，容易嵌入其它零部件中，安装简单方便，无机械接触和磨损，可靠性好。

在其中一个实施例中，所述的第一谐波减速器包括第一波发生器、第一柔轮和第一输出钢轮，其中，所述第一波发生器为中空结构，该第一波发生器的一端与锥齿传动机构中的从动锥齿轮连接，所述的第一输出钢轮与第一关节输出件连接；所述的第一波发生器的轴线与第一驱动电机的柱轴轴线垂直。

在其中一个实施例中，所述的回转关节模块包括第二基座、第二关节输出件、第二驱动电机以及第二动力传递机构；所述第二基座内部沿轴线方向由第二分隔板分隔成第二驱动电机安装腔和第二动力传递机构安装腔；所述第二驱动电机设置在第二驱动电机安装腔内；所述第二动力传递机构设置在第二动力传递机构安装腔内，该第二动力传递机构包括圆柱齿轮传动机构和第二谐波减速器，所述第二驱动电机的主轴穿过所述第二分隔板与圆柱齿轮传动机构中的第二主动齿轮连接，圆柱齿轮传动机构中的第二从动齿轮与所述第二谐波减速器同轴连接，所述第二关节输出件连接在第二谐波减速器上；所述第二谐波减速器内部为中空结构，所述第二分隔板在与第二谐波减速器的中空部位端部设有导电滑环。

在其中一个实施例中，所述第二谐波减速器包括第二波发生器、第二柔轮、第二输出刚轮和交叉滚子轴承，其中，所述第二波发生器为中空结构，该第二波发生器的一端通过紧定螺钉与圆柱齿轮传动机构中的第二从动齿轮固定连接，所述交叉滚子轴承的外圈通过螺钉与第二基座固定连接，该交叉滚子轴承的内圈通过螺钉与第二输出刚轮以及第二关节输出件连接。

与现有技术相比，有益效果是：本发明提供的一种轮距可变轮向可调的三轮模块化机器人，采用模块化设计方法，可实现重构；结构和控制简单，整个机器人拆装方便快捷；通过摆转关节模块的设计，实现两个轮组模块之间距离的可变，可适应不同的环境；通过回转关节模块，两个轮组模块的轮子的方向可变，机器人可实现任意方向移动和转向，具有全方位移动功能；另外，除了两组轮组模块驱动，还加入了一组万向轮支撑，不仅机动性强而且稳定性更好。

附图说明

图1是本发明机器人y轴方向移动示意图。

图2是本发明机器人x轴方向移动示意图。

图3是本发明机器人零半径旋转示意图。

图4是本发明万向轮与支架连接关系示意图。

图5是本发明轮组模块结构爆炸示意图。

图6是本发明轮组模块整体结构示意图。

图7是本发明回转关节模块整体结构示意图。

图8是本发明回转关节模块内部结构示意图。

图9是本发明摆转关节模块整体结构示意图。

图10是本发明摆转关节模块内部结构示意图。

图中：1、摆转关节模块；101、第一基座；102、第一关节输出件；103、第一驱动电机；104、主动锥齿轮；105、从动锥齿轮；106、走线孔；107、零位霍尔元件；108、触发磁铁；109、第一波发生器；110、第一柔轮；111、第一输出钢轮；2、回转关节模块；20、第二基座；21、第二关节输出件；22、第二驱动电机；23、第二主动齿轮；24、第二从动齿轮；25、第二波发生器；26、第二柔轮；27、第二输出刚轮；28、交叉滚子轴承；29、导电滑环；3、轮组模块；31、第一电机；32、轮架；33、轮子；34、小带轮；35、大带轮；36、同步带；37、轴承；38、转轴；39、电机座；4、万向轮；5、支架。

具体实施方式

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。附图中描述位置关系仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制。

如图1至3所示，一种轮距可变轮向可调的三轮模块化移动机器人，包括车体、轮组模块3、万向轮4以及支架5；所述的车体包括至少三个摆转关节模块1和至少两个回转关节模块2；多个摆转关节模块1按顺序依次连接，连接后位于两端的两个摆转关节模块1分别与一个回转关节模块2的顶部一端连接，所述的摆转关节模块1横向设置，回转关节模块2竖向设置；每个回转关节模块2的底部一端分别连接一组轮组模块3；所述的支架5的一端与位于中间的摆转关节模块1连接，另一端与万向轮4连接。在本发明中，车体为模块化结构，通过各个模块依次串联组装而成，连接是顺序为：轮组模块3-回转关节模块2-摆转关节模块1-摆转关节模块1-摆转关节模块1-回转关节模块2-轮组模块 3；其中，三组摆转关节模块1水平方向设置，两组回转关节模块2竖向设置；位于车体两端的两个回转关节模块2的回转运动能够使与其相连的轮组模块3 绕该回转关节模块2的轴线转动，改变轮组模块3中轮子33的方向，实现机器人沿任意方向的移动(前后左右和斜向等)，或实现机器人的转向(包括原地零半径旋转)，车体中间的三个摆转关节模块1的摆转运动以使机器人本体伸展或弯曲，改变移动机器人的两个轮组模块3之间的距离，以适应不同的环境状况。本发明采用模块化设计方法，可实现重构；结构和控制简单，整个机器人拆装方便快捷；通过摆转关节模块1的设计，实现两个轮组模块3之间距离的可变，可适应不同的环境；通过回转关节模块2，两个轮组模块3的轮子33的方向可变，机器人可实现任意方向移动和转向，具有全方位移动功能；另外，除了两组轮组模块3驱动，还加入了一组万向轮4支撑，不仅机动性强而且稳定性更好。

在其中一个实施例中，如图4和图5所示，所述的轮组模块3包括第一电机31、轮架32、轮子33、小带轮34、大带轮35、同步带36；所述的第一电机 31固定于轮架32上，所述的小带轮34与第一电机31的输出轴连接，所述的轮子33通过连接件与轮架32转动连接，所述的大带轮35与连接件连接，所述的同步带36一端缠绕于小带轮34上，另一端缠绕于大带轮35上；通过驱动大带轮35转动从而驱动轮子33转动。通过第一电机31驱动小带轮34转动，小带轮34带动同步带36转动，从而带动大带轮35转动，大带轮35通过连接件与轮子33连接，大带轮35转动，连接件跟着一起转动，连接件再带动轮子33 转动，最终实现第一电机31驱动轮子33运动。

在其中一个实施例中，所述的连接件包括轴承37和转轴38，所述的轴承 37安装在轮架32上，所述的轮子33固定套设于转轴38上，所述的大带轮35 固定套设于转轴38上，所述的转轴38的一端与穿设于轴承37上。轴承37安装在轮架32上，转轴38与轴承37连接，通过轴承37和转轴38的设置，实现轮子33与轮架32的转动连接。

在其中一个实施例中，所述的轮架32上还设有电机座39，所述的电机安装与电机座39内。

在其中一个实施例中，所述的转轴38上设有键槽，所述的轮子33通过键和卡簧固定于转轴38上。

在其中一个实施例中，如图9和图10所示，所述的摆转关节模块1包括第一基座101、第一关节输出件102、第一驱动电机103以及第一动力传递机构；所述第一基座101内部由第一分隔板分隔成第一驱动电机安装腔和第一动力传递机构安装腔，两腔体的轴线相垂直；所述第一驱动电机103设置在第一驱动电机安装腔内；所述第一动力传递机构设置在第一动力传递机构安装腔内，该第一动力传递机构包括锥齿传动机构和第一谐波减速器，所述第一驱动电机103 的主轴穿过所述第一分隔板与锥齿传动机构中的主动锥齿轮104连接，锥齿传动机构中的从动锥齿轮105与所述第一谐波减速器连接，所述第一关节输出件102连接在第一谐波减速器上；所述第一谐波减速器的轴线与第一驱动电机103 主轴的轴线垂直；所述第一分隔板上设有连通第一驱动电机安装腔和第一动力传递机构安装腔的走线孔106，所述第一谐波减速器内部为中空结构，其中空部位构成走线孔106，该走线孔106的一端与第一动力传递机构安装腔连通，另一端与设在第一关节输出件102上的走线孔106连通；所述第一关节输出件 102包括用于与第一基座101连接的第一连接端以及用于与其他关节模块连接的第二连接端，所述第一连接端内具有用于容纳和连接第一谐波减速器的安装内腔，该安装内腔的开口与所述第一基座101中的第一动力传递机构安装腔的开口对接；通过上述结构，不但实现了关节输出件和第一基座101的紧密对接，使得外观整洁、美观；而且由所述第一动力传递机构安装腔和安装内腔构成的空间为动力第一动力传递机构提供了安装空间，结构紧凑，装配方便。所述第一基座101的第一动力传递机构安装腔的开口方向与第一驱动电机103主轴的轴线垂直，所述安装内腔的开口的朝向与第一驱动电机103主轴的轴线垂直。

在其中一个实施例中，所述的第一谐波减速器与第一关节输出件102之间设有关节零位及极限位检测装置，该关节零位及极限位检测装置包括零位霍尔元件107、两个极限位霍尔元件以及触发磁铁108，其中，所述触发磁铁108设置在第一谐波减速器的固定部分上，所述的零位霍尔元件107和两个极限位霍尔元件设置在第一关节输出件102的圆周方向上；当第一关节输出件102位于零位时，所述的触发磁铁108与零位霍尔元件107正面相对，当第一关节输出件102位于两个极限位置时，所述的触发磁铁108分别与两个极限霍尔元件正面相对。通过上述关节零位及极限位检测装置实现关节输出件的零位以及两个摆转极限位置的检测，以便控制关节输出件在工作过程中快速回归零位并防止关节输出件摆动至设定活动范围的极限位置之外。采用电磁铁和霍尔元件来实现位置检测，零件尺寸小，容易嵌入其它零部件中，安装简单方便，无机械接触和磨损，可靠性好。

上述关节零位及极限检测装置的原理是：触发磁铁108和零位霍尔元件107 两件正面相对时第一关节输出件102和第一基座101的位置关系定义为零位，此时第一关节输出件102和第一基座101两者轴线平行，整个摆转关节模块1 呈现伸直状态。当关节模块在非零位位置而需要回到零位时，驱动控制器发送信号使第一驱动电机103转动，从而驱动第一关节输出件102向其中一个方向摆动，触发磁铁108随着第一关节件运动，此过程中若触发磁铁108和零位霍尔元件107出现正面相对则触发零位信号使第一驱动电机103停止，若与限位霍尔元件正面相对即触发限位信号则使第一驱动电机103反转，直至触发零位信号。摆转关节模块1摆转时，触发磁铁108随第一关节输出件102相对于第一基座101运动，表现为触发磁铁108接近或原理对应的限位霍尔元件，在接近的过程中，若触发磁铁108与限位霍尔元件两者相距约3mm时即会触发限位霍尔元件向控制器发出相应的限位信号，摆转关节模块1不能再向此方向摆转，从而起到限位开关的作用。

在其中一个实施例中，所述的第一谐波减速器包括第一波发生器109、第一柔轮110和第一输出钢轮111，其中，所述第一波发生器109为中空结构，该第一波发生器109的一端与锥齿传动机构中的从动锥齿轮105连接，所述的第一输出钢轮111与第一关节输出件102连接；所述的第一波发生器109的轴线与第一驱动电机103的柱轴轴线垂直。

在第一谐波减速器中，其动力输入端和动力输出端分别设有输入端轴承37 端盖和输出端轴承37端盖，该第一谐波减速器中设有第一交叉滚子轴承28，该第一交叉滚子轴承28的内圈通过螺钉与输出钢轮连接，外圈通过螺钉与输入端轴承37端盖连接，该输入轴承37端盖和交叉滚子轴承28的外圈通过固定螺钉与第一基座101固定连接，所述的输出端轴承37端盖与第一输出钢轮111固定连接，同时通过螺钉与第一关节输出件102连接，从而将第一输出钢轮111 的动力传输给第一关节输出件102。

在其中一个实施例中，如图7和图8所示，所述的回转关节模块2包括第二基座20、第二关节输出件21、第二驱动电机22以及第二动力传递机构；所述第二基座20内部沿轴线方向由第二分隔板分隔成第二驱动电机安装腔和第二动力传递机构安装腔；所述第二驱动电机22设置在第二驱动电机安装腔内；所述第二动力传递机构设置在第二动力传递机构安装腔内，该第二动力传递机构包括圆柱齿轮传动机构和第二谐波减速器，所述第二驱动电机22的主轴穿过所述第二分隔板与圆柱齿轮传动机构中的第二主动齿轮23连接，圆柱齿轮传动机构中的第二从动齿轮24与所述第二谐波减速器同轴连接，所述第二关节输出件21连接在第二谐波减速器上；所述第二谐波减速器内部为中空结构，所述第二分隔板在与第二谐波减速器的中空部位端部设有导电滑环29。

在其中一个实施例中，所述第二谐波减速器包括第二波发生器25、第二柔轮26、第二输出刚轮27和交叉滚子轴承28，其中，所述第二波发生器25为中空结构，该第二波发生器25的一端通过紧定螺钉与圆柱齿轮传动机构中的第二从动齿轮24固定连接，所述交叉滚子轴承28的外圈通过螺钉与第二基座20固定连接，该交叉滚子轴承28的内圈通过螺钉与第二输出刚轮27以及第二关节输出件21连接。第二基座20、第二关节输出件21、以及第二谐波减速器三者的轴线重合，通过上述结构，实现从动齿轮的动力传递给第二关节输出件21，结构紧凑。

第二基座20和第二关节输出件21的外形为直径相同的圆柱体，第二关节输出件21内具有用于容纳和连接第二谐波减速器的安装内腔，该安装内腔的开口与第二基座20中的第二动力传递机构安装腔的开口对接。通过上述结构，不但实现第二关节输出件21和第二基座20的紧密对接，使得外观整洁、美观；而且由所述第二动力传递机构安装腔和安装内腔构成的空间为第二动力传递机构提供了安装空间，结构紧凑，装配方便。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个、三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。