專利名稱：一種模塊化的輪距和輪向可變的雙輪驅(qū)動移動機(jī)器人的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及種模塊化的輪距和輪向可變的雙輪驅(qū)
動移動機(jī)器人。
背景技術(shù)：
移動機(jī)器人是國內(nèi)外研究最早、應(yīng)用最廣的一類機(jī)器人，是機(jī)器人研究中一個經(jīng) 久不衰的熱點。正是移動機(jī)器人的機(jī)動性使機(jī)器人的活動范圍和應(yīng)用領(lǐng)域大大擴(kuò)展。移動 機(jī)器人包括輪式、履帶式和足式等多種移動形式的機(jī)器人。履帶式移動機(jī)器人由履帶驅(qū)動， 接觸面較大，特別適合于非結(jié)構(gòu)化或松軟的沙土等地面移動，其越障性和越野性良好。然而 這種機(jī)器人所需的驅(qū)動力大、能耗高；結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積和重量都較大。相對而言，輪式移動機(jī) 器人的移動和轉(zhuǎn)向靈活和輕巧，速度也較快，與人們的工作和生活最接近。輪式移動機(jī)器人 輪子數(shù)目不等，有獨輪、雙輪、三輪至六輪，甚至八輪。 一般而言，輪子越多，機(jī)器人越穩(wěn)定， 負(fù)載可以更大，但相應(yīng)的機(jī)體也就越大，耗能越多，運動不靈活。獨輪移動機(jī)器人(包括球 形機(jī)器人)運動非常靈活輕便，但受驅(qū)動和結(jié)構(gòu)的限制只適合在比較平的地面上滾動。而 且這種機(jī)器人往往只能避障而難以越障，其作業(yè)能力很有限。雙輪移動機(jī)器人不像自行車 那樣兩輪前后分布而是左右同軸并列，這樣的布局使其拐彎半徑可以為零，在最近幾年受 到廣泛關(guān)注。美國明尼蘇達(dá)大學(xué)研制了一種微型雙輪機(jī)器人，比手掌還小，可單獨使用，也 可作為子機(jī)先被較大的機(jī)器人母機(jī)運載，到達(dá)目的地后離開母機(jī)獨立執(zhí)行偵察任務(wù)。常規(guī) 大小的最典型的雙輪直立機(jī)器人產(chǎn)品是美國的Segway，已用于載人運送服務(wù)。日本玉川大 學(xué)和產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究院聯(lián)合研制出的PMP也可以載人，美國斯坦福大學(xué)研制了 Segbot。 受Segway的啟發(fā)并以之為參考，新加坡南洋理工大學(xué)、瑞士聯(lián)邦工學(xué)院和臺灣中央大學(xué)也 開發(fā)了類似的系統(tǒng)，中國科技大學(xué)也研制出樣機(jī)。這類機(jī)器人除了具有較大的實用價值外， 其平衡控制象倒立擺一樣在研究上饒有趣味性和挑戰(zhàn)性。三輪機(jī)器人比之多輪機(jī)器人簡 單，而又具有獨輪機(jī)器人和雙輪機(jī)器人無法比擬的穩(wěn)定性，容易實現(xiàn)全方位移動，因而得到 了廣泛應(yīng)用(尤其是在室內(nèi))。四輪移動機(jī)器人研究最早、技術(shù)最成熟，安裝Mecanum輪可 以實現(xiàn)全方位移動，樣機(jī)和產(chǎn)品不勝枚舉。除了在地面上應(yīng)用外，多輪移動機(jī)器人在星球 表面探測上也廣泛采用，例如日本東芝公司和原電子技術(shù)研究院研制的火星探測機(jī)器人有 四個輪子，而美國宇航局NASA開發(fā)的"索杰納"、"勇氣號"和"機(jī)遇號"火星探測機(jī)器人，法 國Cybernetix公司和CNES共同研制的火星探測機(jī)器人則都有六個輪子。日本東京工業(yè)大 學(xué)開發(fā)了多種移動機(jī)器人。其極具創(chuàng)意的SMC Rover機(jī)器人系統(tǒng)使用母體時，可以作為多 輪移動車輛使用，因為其每個輪子單元(Uni-Rover)可以自由地卸下和脫離母體，而每個 Uni-Rover又是一個獨立的小型獨輪移動機(jī)器人，其與母體連接用的部件則有三個平行轉(zhuǎn) 動軸，因而可以作為Uni-Rover的三自由度帶夾持器的操作臂！通過這個操作臂和夾持器 還可以將若干個Uni-Rover依次連接而組成串聯(lián)式多節(jié)多輪移動機(jī)器人。由于SMC Rover 的母體上安裝有太陽能電池，該系統(tǒng)可望用于星球表面探測。雖然到目前為止，有多種多 的輪式移動機(jī)器人被開發(fā)出來，但其機(jī)動靈活性還未令人滿足。如果機(jī)器人輪子之間的距離和方向能夠改變，必定增強(qiáng)機(jī)器人的機(jī)動靈活性和對各種地面的適應(yīng)性。認(rèn)識到這點后， 北京航空航天大學(xué)機(jī)器人研究所研制了一種由平行六邊形機(jī)構(gòu)為機(jī)架的變結(jié)構(gòu)輪腿復(fù)合 式四輪移動機(jī)器人，并已獲得中國專利(專利號ZL 200310117170. X)。增加變輪距功能， 提高移動機(jī)器人的機(jī)動性和靈活性是移動機(jī)器人的發(fā)展方向之一。

實用新型內(nèi)容本實用新型的目的在于克服目前輪式移動機(jī)器人的本體構(gòu)型固定、輪距不能變等 缺點，為提高移動機(jī)器人的機(jī)動性和靈活性、增強(qiáng)對環(huán)境的適應(yīng)性而提供一一種模塊化的 輪距和輪向可變的雙輪驅(qū)動移動機(jī)器人。 為實現(xiàn)上述目的，本實用新型采用的技術(shù)方案如下 —種模塊化的輪距和輪向可變的雙輪驅(qū)動移動機(jī)器人，其本體結(jié)構(gòu)是一個五自由 度機(jī)器人操作臂。整個機(jī)器人由五個關(guān)節(jié)模塊、兩個車輪模塊、一個連接套筒和一個萬向輪 組成。所述五個關(guān)節(jié)模塊包括兩個I型關(guān)節(jié)模塊和三個T型關(guān)節(jié)模塊。所有模塊采用串聯(lián) 方式通過卡環(huán)依次連接，連接順序從一端到另一端為車輪模塊-I型關(guān)節(jié)模塊-T型關(guān)節(jié)模 塊-T型關(guān)節(jié)模塊-T型關(guān)節(jié)模塊-I型關(guān)節(jié)模塊_車輪模塊。三個T型關(guān)節(jié)模塊的轉(zhuǎn)軸互 相平行，并與兩端的I型關(guān)節(jié)模塊的轉(zhuǎn)軸互相垂直。所述萬向輪固定在中間T型關(guān)節(jié)模塊 的關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)軸處。 一個I型關(guān)節(jié)模塊能作整周轉(zhuǎn)動，分別與兩個輪子固連，驅(qū)動兩個輪子模塊 使整個機(jī)器人移動；中間的三個T型關(guān)節(jié)模塊用于改變機(jī)器人本體的構(gòu)型、調(diào)節(jié)兩個車輪 之間的距離和兩個車輪的方向。 上述模塊化的輪距和輪向可變的雙輪驅(qū)動移動機(jī)器人中，所述I型關(guān)節(jié)模塊是指 只有一個轉(zhuǎn)動自由度且關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)軸與連桿軸線重合或平行的關(guān)節(jié)模塊。關(guān)節(jié)由直流伺服電機(jī) 驅(qū)動，電機(jī)的后端與用于檢測轉(zhuǎn)角位移和角速度的光電編碼器直接相聯(lián)，前端與諧波減速 器相連，進(jìn)行減速增力。諧波減速器通過一個軸輸出到一個中心直齒輪，而中心直齒輪通過 兩個對稱分布的過渡輪驅(qū)動一個內(nèi)齒直齒輪作進(jìn)一步減速增力并保持傳動方向，內(nèi)齒輪帶 動關(guān)節(jié)模塊的另一部分作相對轉(zhuǎn)動，最后驅(qū)動關(guān)節(jié)的輸出件。具體結(jié)構(gòu)包括伺服電機(jī)及光 電編碼器組件卜1、關(guān)節(jié)套筒卜2、電機(jī)軸套1-3、電機(jī)座l-4、關(guān)節(jié)基座l-5、第一軸承端蓋 l-6、軸承座l-7、角接觸球軸承及外軸套l-8、第二軸承端蓋1-9、內(nèi)齒輪l-10、關(guān)節(jié)輸出端 連接件l-ll、過渡齒輪軸l-12、過渡齒輪l-13、諧波減速器輸出軸1-14、中心齒輪l-15、小 軸承端蓋l-16、軸套l-17、角接觸球軸承l(wèi)-18、諧波減速器輸出過渡盤l-19、盤式諧波減速 器組件1-20。各零部件的連接方式為伺服電機(jī)及光電編碼器組件1-1與電機(jī)座1-4通過 軸向螺釘緊固；電機(jī)軸通過電機(jī)軸套1-3與盤式諧波減速器組件1-20的波發(fā)生器間接相 連；盤式諧波減速器組件1-20的輸入和輸出剛輪通過軸向螺釘分別與電機(jī)座l-4和諧波減 速器輸出過渡圓盤1-19緊固連接，而后者(1-19)再用軸向螺釘與諧波減速器輸出軸1-14 緊固連接；關(guān)節(jié)套筒l-2套在電機(jī)座l-4上并沿圓周方向用徑向螺釘緊固；電機(jī)座l-4通過 軸向螺釘與關(guān)節(jié)基座1-5緊固連接；軸承座1-7通過角接觸球軸承及外軸套1-8支承于關(guān) 節(jié)基座1-5上；角接觸球軸承及外軸套1-8通過軸承端蓋1-6定位和施加預(yù)緊力；諧波減速 器輸出軸1-14通過兩個鍵與中心齒輪1-15連接，而中心齒輪1-15又與對稱分布的兩個過 渡齒輪1-13嚙合；兩個過渡齒輪軸1-12通過其上的螺紋與關(guān)節(jié)基座1-5緊固連接，并通過
軸承與過渡齒輪1-13連接；兩個過渡齒輪1-13與內(nèi)齒輪1-10嚙合；內(nèi)齒輪1-10、關(guān)節(jié)輸出端連接件1-11和軸承座1-7三者通過軸向螺釘緊固連接。 上述模塊化的輪距和輪向可變的雙輪驅(qū)動移動機(jī)器人中，所述T型關(guān)節(jié)模塊是指 只有一個轉(zhuǎn)動自由度且關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)軸與連桿軸線垂直的關(guān)節(jié)模塊。關(guān)節(jié)由直流伺服電機(jī)驅(qū)動， 電機(jī)的后端與用于檢測轉(zhuǎn)角位移和角速度的光電編碼器直接相聯(lián)，前端與諧波減速器相 連，進(jìn)行減速增力。諧波減速器通過一個軸進(jìn)行輸出，再通過一對錐齒輪作進(jìn)一步減速與 增力并改變傳動方向。大錐齒輪通過一根關(guān)節(jié)軸帶動關(guān)節(jié)模塊的另一部分作相對轉(zhuǎn)動，進(jìn) 行速度和力的輸出。具體結(jié)構(gòu)包括伺服電機(jī)及光電編碼器組件2-l、關(guān)節(jié)套筒2-2、電機(jī)座 2-3、關(guān)節(jié)基座2-4、角接觸球軸承2-5、軸承套環(huán)2-6、內(nèi)軸套2-7、小錐齒輪2-8、齒輪端蓋 2-9、關(guān)節(jié)軸端蓋2-10、關(guān)節(jié)軸2-ll、關(guān)節(jié)蓋2-12、大錐齒輪2-13、關(guān)節(jié)連接件2_14、關(guān)節(jié)軸 角接觸球軸承2-15、關(guān)節(jié)軸端蓋2-16、第三軸承端蓋2-17、第四軸承端蓋2-18、諧波減速器 輸出軸2-19、諧波減速器輸出過渡盤2-20、盤式諧波減速器組件2-21、電機(jī)軸套2-22。各 零部件的連接方式為伺服電機(jī)及光電編碼器組件2-l與電機(jī)座2-3通過軸向螺釘緊固； 電機(jī)軸通過電機(jī)軸套2-22與盤式諧波減速器組件2-21的波發(fā)生器間接相連；盤式諧波減 速器組件2-21的輸入和輸出剛輪通過軸向螺釘分別與電機(jī)座2-3和諧波減速器輸出過渡 盤2-20緊固連接，而后者(2-20)再用軸向螺釘與諧波減速器輸出軸2-19緊固連接；關(guān)節(jié) 套筒2-2套在電機(jī)座2-3上并沿圓周方向用徑向螺釘緊固；電機(jī)座2-3通過軸向螺釘與關(guān) 節(jié)基座2-4緊固連接；諧波減速器輸出軸2-19通過角接觸球軸承2-5及軸承套環(huán)2-6支承 于關(guān)節(jié)支座2-4內(nèi)，輸出端與小錐齒輪2-8連接，用齒輪端蓋2-9緊固；小錐齒輪2-8與角 接觸球軸承2-5之間通過內(nèi)軸套2-7作軸向間隔；小錐齒輪2-8與大錐齒輪2-13嚙合，而 后者安裝于關(guān)節(jié)軸2-11上；關(guān)節(jié)軸2-11用關(guān)節(jié)軸角接觸球軸承2-15支承于關(guān)節(jié)基座2-4 上，兩端通過關(guān)節(jié)軸端蓋2-10與關(guān)節(jié)連接件2-14固連。 所述輪子模塊由輪子3-1和輪軸3-2組成。輪軸3-2穿過輪子3_1的中心孔，在 軸端用墊片和螺母緊固；另一頭通過卡環(huán)0_4(也即圖3中3-3)實現(xiàn)與關(guān)節(jié)模塊的連接和 緊固。 本實用新型的機(jī)器人具有以下特點 1)與傳統(tǒng)的車輛式移動機(jī)器人不同，該機(jī)器人為雙輪驅(qū)動的三輪機(jī)器人，其本體 結(jié)構(gòu)實質(zhì)上是一個五自由度機(jī)器人操作臂，具有五個關(guān)節(jié)，包括兩個I型關(guān)節(jié)和三個T型關(guān) 節(jié)。關(guān)節(jié)采用串聯(lián)方式依次連接，順序為1型關(guān)節(jié)-T型關(guān)節(jié)-T型關(guān)節(jié)-T型關(guān)節(jié)-I型關(guān) 節(jié)，即中間為三個T型關(guān)節(jié)，兩端各為一個I型關(guān)節(jié)。三個T型關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)軸互相平行，并與 兩端的I型關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)軸互相垂直。兩端的I型關(guān)節(jié)各與一個輪子緊固連接，起著驅(qū)動機(jī)器 人移動的作用。 2)通過改變中間三個T型關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)角可以調(diào)整本體的構(gòu)型、兩輪之間的距離和兩
輪的方向。機(jī)器人直線行駛時，兩輪平行、方向相同；機(jī)器人轉(zhuǎn)彎時，輪子方向通過臨近的T
型關(guān)節(jié)進(jìn)行改變。這樣機(jī)器人即可實現(xiàn)前進(jìn)、后退和轉(zhuǎn)向，具有很強(qiáng)的移動功能和很好的機(jī)
動性。由于機(jī)器人本體是一個五自由度操作臂，該機(jī)器人還具有潛在的操作功能。 3)主要由七個模塊組成，包括兩個I型關(guān)節(jié)模塊、三個T型關(guān)節(jié)模塊和兩個車輪模
塊。模塊之間的連接和緊固通過在其兩端用卡環(huán)實現(xiàn)。隨動的萬向輪固定在中間T型關(guān)節(jié)
模塊的關(guān)節(jié)軸處。機(jī)器人的構(gòu)建簡單、方便和快速。 本實用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點和效果[0014] (1)機(jī)器人的構(gòu)型、輪距和輪向可改變和調(diào)節(jié)，因而具有很好的靈活性和機(jī)動性； (2)本實用新型采用模塊化方法構(gòu)建機(jī)器人系統(tǒng)，主體只由兩種關(guān)節(jié)模塊組成，構(gòu) 建容易，設(shè)計、制造和維護(hù)簡單，成本較低； (3)本實用新型創(chuàng)建的移動機(jī)器人穩(wěn)定性好，而且不怕翻倒(翻倒后可通過調(diào)節(jié) 構(gòu)型恢復(fù)過來，也可以上下對稱安裝兩個萬向輪，翻倒后依然是構(gòu)型相同的移動機(jī)器人)， 因而具有很強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)性； (4)本實用新型所創(chuàng)建的機(jī)器人本體實際上是個五自由度的機(jī)械臂，一端固定后 另一端在其工作空間中可實現(xiàn)各種位姿，因而具有一定的操作功能。

圖1是本實用新型的機(jī)器人外觀圖； 圖2是本實用新型的機(jī)器人機(jī)構(gòu)示意圖； 圖3是本實用新型的車輪模塊及其連接的外觀圖； 圖4是本實用新型的I型關(guān)節(jié)模塊的外觀圖； 圖5是本實用新型的I型關(guān)節(jié)模塊的剖面圖； 圖6是本實用新型的T型關(guān)節(jié)模塊的外觀圖； 圖7是本實用新型的T型關(guān)節(jié)模塊的剖面圖。
具體實施方式為了更好地理解本實用新型，
以下結(jié)合附圖對本實用新型作進(jìn)一步地描述，但本 實用新型的實施方式不限于此。 本實用新型的機(jī)器人采用五個關(guān)節(jié)，包括兩個I型關(guān)節(jié)和三個T型關(guān)節(jié)，兩端是兩 個輪子。各部分采用串聯(lián)方式依次連接，順序為輪子-I型關(guān)節(jié)-T型關(guān)節(jié)-T型關(guān)節(jié)-T型 關(guān)節(jié)-I型關(guān)節(jié)_輪子，即中間為三個T型關(guān)節(jié)，兩端各為一個I型關(guān)節(jié)。三個T型關(guān)節(jié)的 轉(zhuǎn)軸互相平行，并與兩端I型關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)軸互相垂直。機(jī)器人的具體組成包括兩個I型關(guān)節(jié) 模塊、三個T型關(guān)節(jié)模塊、兩個車輪模塊、一個連接套筒和一個萬向輪。萬向輪通過連接件 固定在機(jī)器人中部的連接套筒上。兩個I型關(guān)節(jié)能作整周轉(zhuǎn)動，分別與兩個輪子固連，驅(qū)動 它們使整個機(jī)器人移動。中間的三個T型關(guān)節(jié)用于改變機(jī)器人本體的構(gòu)型、調(diào)節(jié)兩個輪子 之間的距離和它們的方向。 圖1和圖2分別示出了本實用新型所構(gòu)建的移動機(jī)器人的外觀圖和機(jī)構(gòu)示意圖。 如圖所示，機(jī)器人有五個自由度，共有七個模塊。本體由五個關(guān)節(jié)模塊0-2和0-3組成，兩端 各接一個車輪模塊0-l。各模塊依次以串聯(lián)方式連接，順序為車輪-I型關(guān)節(jié)-T型關(guān)節(jié)-T 型關(guān)節(jié)-T型關(guān)節(jié)-I型關(guān)節(jié)_車輪。中間為三個T型關(guān)節(jié)模塊0-3，其中兩個用一個過渡 套筒0-5調(diào)整連接距離。各關(guān)節(jié)模塊之間用卡環(huán)0-4(圖3中的零件3-3)進(jìn)行連接。卡環(huán) 的內(nèi)環(huán)縱截面為凹的梯形槽，卡環(huán)有個開口 ，開口部分穿過螺栓，擰緊卡環(huán)上的螺栓和螺母 即可將相連的兩個零件緊固連接。三個T型關(guān)節(jié)模塊0-3的關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)軸互相平行，并與兩端 的I型關(guān)節(jié)模塊0-2的關(guān)節(jié)軸垂直。如圖1和圖2所示，機(jī)器人的構(gòu)型象個V字或倒立的 V字。轉(zhuǎn)動TO關(guān)節(jié)即改變其角位移時，V字的開口大小也隨之改變(開口最大時拉成一直 線)，關(guān)節(jié)Tl和T2之間的距離發(fā)生變化，進(jìn)而兩輪的中心距和輪向也就改變。轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)Tl或/和T2時，相應(yīng)輪子的方向發(fā)生變化(兩輪中心之間的距離也隨之變化)。同時轉(zhuǎn)動三 個T型關(guān)節(jié)就可以實現(xiàn)期望的輪距和輪向。這樣通過改變?nèi)齻€T型關(guān)節(jié)的角位移即可調(diào)整 機(jī)器人的構(gòu)型、兩個驅(qū)動輪之間的距離和它們的方向。 如圖3所示為車輪模塊及其連接部分的外觀圖。車輪模塊包括輪子3-1和輪軸 3-2。輪軸3-2穿過輪子3-1輪轂的中心孔，在軸端用墊片和螺母緊固；另一頭與其它模塊 用卡環(huán)3-3連接。實際上可用童車的輪子作為本機(jī)器人的車輪。 如圖4和圖5所示分別為I型關(guān)節(jié)模塊的外觀圖和剖面圖。零部件包括伺服電機(jī) 及光電編碼器組件卜1、關(guān)節(jié)套筒1-2、電機(jī)軸套1-3、電機(jī)座l-4、關(guān)節(jié)基座l-5、第一軸承端 蓋l-6、軸承座l-7、角接觸球軸承及外軸套l-8、第二軸承端蓋1-9、內(nèi)齒輪l-10、關(guān)節(jié)輸出 端連接件l-ll、過渡齒輪軸l-12、過渡齒輪l-13、諧波減速器輸出軸1-14、中心齒輪1-15、 小軸承端蓋l-16、軸套l-17、角接觸球軸承l(wèi)-18、諧波減速器輸出過渡盤l-19和盤式諧波 減速器組件1-20。驅(qū)動電機(jī)為直流伺服電機(jī)，電機(jī)與用于角位移和角速度檢測的光電編碼 器集成，即電機(jī)軸后端直接連接光電編碼器，成為伺服電機(jī)及光電編碼器組件1-1。電機(jī)的 前端面與電機(jī)座1-4用螺釘(沿軸向)相連接。電機(jī)外面的關(guān)節(jié)套筒1-2的一端套在電機(jī) 座l-4上，并沿圓周方向與電機(jī)座l-4用螺釘(沿徑向)相連接。電機(jī)座l-4與關(guān)節(jié)基座
1- 5也用螺釘沿軸向緊固。電機(jī)的輸出軸與電機(jī)軸套l-3相連接，用兩個徑向頂絲緊固。電 機(jī)軸套1-3與諧波減速器1-20的波發(fā)生器相連接，通過一個直鍵傳遞運動和動力。為了得 到較小的關(guān)節(jié)模塊長度，一級減速采用扁平盤狀的諧波減速器三大件l-2，其中的輸入剛輪 與電機(jī)座1-4用螺釘沿軸向緊固，輸出剛輪用螺釘沿軸向與諧波減速器過渡圓盤1-19緊固 連接，過渡圓盤1-19再用通過螺釘與諧波減速器輸出軸1-14連接。波減速器輸出軸1-14 通過一對角接觸軸承1-18支承于關(guān)節(jié)基座1-5中，兩個軸承之間有內(nèi)圈套筒l-17，一端用 軸承套1-16定位和預(yù)緊。波減速器輸出軸1-14的輸出端上安裝一個直齒輪作為中心齒 輪l-15，通過對稱的兩個直鍵傳遞運動和動力。中心齒輪1-15與兩個對稱分布的過渡直 齒輪1-13嚙合。每個過渡直齒輪1-13通過內(nèi)孔中的軸承支承在其齒輪軸1-12上，而后者 (1-12)通過其上的螺紋固定安裝在關(guān)節(jié)基座1-5上。過渡直齒輪1-13與內(nèi)齒輪1-10嚙 合。內(nèi)齒輪l-10、軸承座1-7和關(guān)節(jié)輸出端連接件1-11三者通過軸向螺釘連接緊固，成為 關(guān)節(jié)模塊的最后輸出部件。這個輸出輸出部件通過一對角接觸球軸承及外軸套1-8支承在 關(guān)節(jié)基座l-5上。軸承端蓋l-6對這對角接觸球軸承進(jìn)行軸向定位和預(yù)緊。該關(guān)節(jié)模塊的 工作過程和運動原理如下電機(jī)的輸出軸驅(qū)使電機(jī)軸套l-3轉(zhuǎn)動，而電機(jī)軸套l-3又帶動諧 波減速器1-20的波發(fā)生器。諧波減速器1-20減速增力，通過輸出軸1-14將運動和動力傳 遞到中心齒輪1-15上。中心齒輪1-15驅(qū)動兩個過渡齒輪1-13，進(jìn)而驅(qū)動內(nèi)齒輪1-10。內(nèi) 齒輪1-10與軸承座1-7和關(guān)節(jié)輸出端連接件1-11緊固，完成整個關(guān)節(jié)模塊的運動和動力 的輸出。 如圖6和圖7所示分別為T型關(guān)節(jié)模塊的外觀圖和剖面圖。零部件包括伺服電 機(jī)及光電編碼器組件2-l、關(guān)節(jié)套筒2-2、電機(jī)座2-3、關(guān)節(jié)基座2-4、角接觸球軸承2-5、軸承 套環(huán)2-6、內(nèi)軸套2-7、小錐齒輪2-8、齒輪端蓋2-9、關(guān)節(jié)軸端蓋2_10、關(guān)節(jié)軸2_11、關(guān)節(jié)蓋
2- 12、大錐齒輪2-13、關(guān)節(jié)連接件2-14、關(guān)節(jié)軸角接觸球軸承2-15、關(guān)節(jié)軸端蓋2_16、第三 軸承端蓋2-17、第四軸承端蓋2-18、諧波減速器輸出軸2-19、諧波減速器輸出過渡盤2-20、 盤式諧波減速器組件2-21和電機(jī)軸套2-22。驅(qū)動電機(jī)為直流伺服電機(jī)，電機(jī)與用于角位移和角速度檢測的光電編碼器集成，即電機(jī)軸后端直接連接光電編碼器，成為伺服電機(jī)及光 電編碼器組件2-1。電機(jī)的前端面與電機(jī)座2-3用螺釘(沿軸向)相連接電機(jī)外面的關(guān)節(jié) 套筒2-2的一端套在電機(jī)座2-3上，并沿圓周方向與電機(jī)座2-3用螺釘(沿徑向)相連接。 電機(jī)座2-3與關(guān)節(jié)基座2-4也用螺釘沿軸向緊固。電機(jī)的輸出軸與電機(jī)軸套2-22相連接， 用兩個徑向頂絲緊固。電機(jī)軸套2-22與諧波減速器2-21的波發(fā)生器相連接，通過一個直 鍵傳遞運動和動力。為了得到較小的關(guān)節(jié)模塊長度，一級減速采用扁平盤狀的諧波減速器 三大2-21，其中的輸入剛輪與電機(jī)座2-3用螺釘沿軸向緊固，輸出剛輪用螺釘沿軸向與諧 波減速器過渡圓盤2-20緊固連接，過渡圓盤2-20再用通過螺釘與諧波減速器輸出軸2-19 連接。波減速器輸出軸2-19通過一對角接觸軸承2-5支承于關(guān)節(jié)基座2-4中，兩個軸承之 間有軸承套2-6，一端用軸承套2-18進(jìn)行軸向定位和預(yù)緊。波減速器輸出軸2-19的輸出端 上安裝一個小錐齒輪2-8，通過對稱的兩個直鍵傳遞運動和動力，用齒輪端蓋2-9作軸向鎖 緊。小錐齒輪2-8與角接觸軸承2-5之間用內(nèi)軸套2-7作軸向間隔。小錐齒輪2-8與大錐 齒輪2-13嚙合，而后者安裝于關(guān)節(jié)軸2-11上，通過一對直鍵傳遞運動和動力。關(guān)節(jié)軸2-11 用一對關(guān)節(jié)軸角接觸球軸承2-15支承于關(guān)節(jié)基座2-4上，兩個軸承端蓋2-17對關(guān)節(jié)軸角 接觸球軸承2-15進(jìn)行軸向定位和預(yù)緊。關(guān)節(jié)軸2-11兩端通過兩個端蓋2-10與關(guān)節(jié)連接 件2-14固連，并用端蓋2-16進(jìn)行軸向定位和鎖緊。該關(guān)節(jié)模塊的工作過程和運動原理如 下電機(jī)的輸出軸驅(qū)使電機(jī)軸套2-22轉(zhuǎn)動，而電機(jī)軸套2-22又帶動諧波減速器2-21的波 發(fā)生器。諧波減速器2-21減速增力，通過輸出軸2-19將運動和動力傳遞到小錐齒輪2-8 上。小錐齒輪2-8驅(qū)動大錐齒輪2-13，實現(xiàn)了運動方向的90度改變。大錐齒輪2-13將運 動和動力傳遞到關(guān)節(jié)軸2-ll，而后者與關(guān)節(jié)軸端蓋2-10固接，將運動和動力傳遞到關(guān)節(jié)連 接件2-14。整個關(guān)節(jié)模塊的運動和動力通過關(guān)節(jié)連接件2-14輸出。
權(quán)利要求一種模塊化的輪距和輪向可改變的雙輪驅(qū)動移動機(jī)器人，其本體是一個五自由度機(jī)器人操作臂，其特征在于該機(jī)器人包括五個主動單自由度關(guān)節(jié)模塊、兩個輪子模塊、一個連接套筒和一個萬向輪；所述五個主動單自由度關(guān)節(jié)模塊包括兩個I型關(guān)節(jié)模塊和三個T型關(guān)節(jié)模塊，它們采用串聯(lián)方式通過卡環(huán)依次連接，順序從一端到另一端為I型關(guān)節(jié)模塊-T型關(guān)節(jié)模塊-T型關(guān)節(jié)模塊-T型關(guān)節(jié)模塊-I型關(guān)節(jié)模塊，三個T型關(guān)節(jié)模塊的轉(zhuǎn)軸互相平行，并與兩端的I型關(guān)節(jié)模塊的轉(zhuǎn)軸互相垂直，兩個輪子模塊位于機(jī)器人的兩端，所述萬向輪固定在中間的T型關(guān)節(jié)模塊的關(guān)節(jié)軸處；兩個I型關(guān)節(jié)模塊能作整周轉(zhuǎn)動，分別與一個輪子固連，驅(qū)動兩個輪子使整個機(jī)器人移動。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的模塊化的輪距和輪向可變的雙輪驅(qū)動移動機(jī)器人，其特征 在于所述I型關(guān)節(jié)模塊是指只有一個轉(zhuǎn)動自由度且關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)軸與連桿軸線重合或平行的關(guān) 節(jié)模塊，所述T型關(guān)節(jié)模塊是指只有一個轉(zhuǎn)動自由度且關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)軸與連桿軸線垂直的關(guān)節(jié)模 塊。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的模塊化的輪距和輪向可變的雙輪驅(qū)動移動機(jī)器人，其特征 在于所述I型關(guān)節(jié)模塊包括伺服電機(jī)及光電編碼器組件(l-l)、關(guān)節(jié)套筒(l-2)、電機(jī)軸 套(l-3)、電機(jī)座(l-4)、關(guān)節(jié)基座(l-5)、第一軸承端蓋(l-6)、軸承座(l-7)、角接觸球軸 承及外軸套(l-8)、第二軸承端蓋(l-9)、內(nèi)齒輪(l-10)、關(guān)節(jié)輸出端連接件(1-11)、過渡 齒輪軸(l-12)、過渡齒輪(l-13)、諧波減速器輸出軸(l-14)、中心齒輪(l-15)、小軸承端 蓋(1-16)、軸套(l-17)、角接觸球軸承(l-18)、諧波減速器輸出過渡盤(1-19)和盤式諧波 減速器組件(l-20)，各零部件的連接方式為伺服電機(jī)及光電編碼器組件(1-1)與電機(jī)座 (1-4)通過軸向螺釘緊固；電機(jī)軸通過電機(jī)軸套(1-3)與盤式諧波減速器組件(1-20)的波 發(fā)生器間接相連；盤式諧波減速器組件(1-20)的輸入和輸出剛輪通過軸向螺釘分別與電 機(jī)座(1-4)和諧波減速器輸出過渡盤(1-19)緊固連接，而諧波減速器輸出過渡盤(1-19) 再用軸向螺釘與諧波減速器輸出軸(1-14)緊固連接；關(guān)節(jié)套筒(1-2)套在電機(jī)座(1-4)上 并沿圓周方向用徑向螺釘緊固；電機(jī)座(1-4)通過軸向螺釘與關(guān)節(jié)基座(1-5)緊固連接； 軸承座(1-7)通過角接觸球軸承及外軸套(1-8)支承于關(guān)節(jié)基座(1-5)上；角接觸球軸承 及外軸套(1-8)通過軸承端蓋(1-6)定位和施加預(yù)緊力；諧波減速器輸出軸(1-14)通過兩 個鍵與中心齒輪(1-15)連接，而中心齒輪(1-15)又與對稱分布的兩個過渡齒輪(1-13)嚙 合；兩個過渡齒輪軸(1-12)通過其上的螺紋與關(guān)節(jié)基座(1-5)緊固連接，并通過軸承與過 渡齒輪(1-13)連接；兩個過渡齒輪(1-13)與內(nèi)齒輪(1-10)嚙合；內(nèi)齒輪(l-10)、關(guān)節(jié)輸 出端連接件(1-11)和軸承座(1-7)三者通過軸向螺釘緊固連接。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的模塊化的輪距和輪向可變的雙輪驅(qū)動移動機(jī)器人，其特 征在于所述T型關(guān)節(jié)模塊包括伺服電機(jī)及光電編碼器組件(2-l)、關(guān)節(jié)套筒(2-2)、電機(jī) 座(2-3)、關(guān)節(jié)基座(2-4)、角接觸球軸承(2-5)、軸承套環(huán)(2-6)、內(nèi)軸套(2-7)、小錐齒 輪(2-8)、齒輪端蓋(2-9)、關(guān)節(jié)軸端蓋(2-10)、關(guān)節(jié)軸(2-11)、關(guān)節(jié)蓋(2-12)、大錐齒輪 (2-13)、關(guān)節(jié)連接件(2-14)、關(guān)節(jié)軸角接觸球軸承(2-15)、關(guān)節(jié)軸端蓋(2-16)、第三軸承 端蓋(2-17)、第四軸承端蓋(2-18)、諧波減速器輸出軸(2-19)、諧波減速器輸出過渡盤 (2-20)、盤式諧波減速器組件(1-21)和電機(jī)軸套(2-22);各零部件的連接方式為伺服 電機(jī)及光電編碼器組件(2-1)與電機(jī)座(2-3)通過軸向螺釘緊固；電機(jī)軸通過電機(jī)軸套 (2-22)與盤式諧波減速器組件(2-21)的波發(fā)生器間接相連；盤式諧波減速器組件(2-21)的輸入和輸出剛輪通過軸向螺釘分別與電機(jī)座(2-3)和諧波減速器輸出過渡盤(2-20)緊 固連接，而諧波減速器輸出過渡盤(2-20)再用軸向螺釘與諧波減速器輸出軸(2-19)緊固 連接；關(guān)節(jié)套筒(2-2)套在電機(jī)座(2-3)上并沿圓周方向用徑向螺釘緊固；電機(jī)座(2-3) 通過軸向螺釘與關(guān)節(jié)基座(2-4)緊固連接；諧波減速器輸出軸(2-19)通過角接觸球軸承 (2-5)及軸承套環(huán)(2-6)支承于關(guān)節(jié)支座(2-4)內(nèi)，輸出端與小錐齒輪(2-8)連接，用齒 輪端蓋(2-9)緊固；小錐齒輪(2-8)與角接觸球軸承(2-5)之間通過內(nèi)軸套(2-7)作軸 向間隔；小錐齒輪(2-8)與大錐齒輪(2-13)嚙合，而后者安裝于關(guān)節(jié)軸(2-11)上；關(guān)節(jié) 軸(2-11)用關(guān)節(jié)軸角接觸球軸承(2-15)支承于關(guān)節(jié)基座(2-4)上兩端通過關(guān)節(jié)軸端蓋 (2-10)與關(guān)節(jié)連接件(2-14)固連。
5.根據(jù)權(quán)利要求1 4任一項所述的模塊化的輪距和輪向可變的雙輪驅(qū)動移動機(jī)器 人，其特征在于所述輪子模塊由輪子(3-1)和輪軸(3-2)組成，輪軸(3-2)穿過輪子(3-1) 的中心孔，在軸端用墊片和螺母緊固，另一端與關(guān)節(jié)模塊通過卡環(huán)(3-3)實現(xiàn)連接和緊固。
專利摘要本實用新型公開一種模塊化的輪距和輪向可變的雙輪驅(qū)動移動機(jī)器人。其由五個關(guān)節(jié)模塊、兩個輪子和一個萬向輪組成。每個關(guān)節(jié)模塊具有一個轉(zhuǎn)動自由度，由直流伺服電機(jī)驅(qū)動。關(guān)節(jié)模塊有I型和T型兩種，其關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)軸分別與關(guān)節(jié)連桿軸線平行和垂直。各模塊按串聯(lián)方式依次連接輪子-I型關(guān)節(jié)-T型關(guān)節(jié)-T型關(guān)節(jié)-T型關(guān)節(jié)-I型關(guān)節(jié)-輪子，萬向輪安裝在機(jī)器人中部下方。三個T型關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)軸互相平行，并與兩端I型關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)軸垂直。I型關(guān)節(jié)驅(qū)動輪子轉(zhuǎn)動，從而使整個機(jī)器人移動。改變T型關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)角即可調(diào)節(jié)輪距和輪向。該機(jī)器人具有構(gòu)型可變、輪距和輪向可調(diào)、結(jié)構(gòu)簡單、靈活性和機(jī)動性強(qiáng)、對環(huán)境的適應(yīng)性好等特點，可用于搬運、探測和救災(zāi)等作業(yè)。
文檔編號B25J5/00GK201537917SQ20092005710
公開日2010年8月4日 申請日期2009年5月22日 優(yōu)先權(quán)日2009年5月22日
發(fā)明者師雪超, 張憲民, 江勵, 管貽生 申請人:華南理工大學(xué)