申请/专利权人：上海大学

申请日：2019-07-24

公开（公告）日：2020-10-16

公开（公告）号：CN110355735B

主分类号：B25J5/00(20060101)

分类号：B25J5/00(20060101);B60K7/00(20060101);B62D57/028(20060101)

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2020.10.16#授权;2019.11.15#实质审查的生效;2019.10.22#公开

摘要：本发明公开一种二自由度机器人，包括机架，机架上固设有至少三个运动单元；运动单元包括均与机架固连的内电机板、外电机板和外架板，内电机板上固设有第一电机，第一电机的转子通过第一连接盘与第一减速器连接，第一减速器的输出轴连接有转动盘，转动盘与驱动轴键连接，外电极板上固设有中空的第二电机，第二电机的转子通过第二连接盘与第二减速器连接，第二减速器的输出部与驱动轮的轮毂固连，驱动轮与外架板转动连接，驱动轴穿过第二电机及轮毂，且驱动轴与第二电机之间有间隙，驱动轴与偏心机构固连，驱动轮外侧固设有防护筒，桨杆通过桨轴与偏心机构转动连接，桨杆穿过防护筒。本发明二自由度机器人能够适应多种地形，环境适应性强。

主权项：1.一种二自由度机器人，其特征在于：包括机架，所述机架上固设有至少三个运动单元；所述运动单元包括均竖直且均与所述机架固连的内电机板、外电机板和外架板，所述外电机板位于所述内电机板和所述外架板之间，所述内电机板上固设有第一电机，所述第一电机的转子通过第一连接盘与第一减速器连接，所述第一减速器的输出轴连接有转动盘，所述转动盘与驱动轴键连接，所述外电机板上固设有中空的第二电机，所述第二电机的转子通过第二连接盘与第二减速器连接，所述第二减速器的输出部与驱动轮的轮毂固连，所述驱动轮与所述外架板转动连接，所述驱动轴穿过所述第二电机及所述轮毂，且所述驱动轴与所述第二电机之间有间隙，所述驱动轴远离所述第一电机的一端与偏心机构固连，所述驱动轮远离所述第一电机的一侧固设有与所述第一电机的侧面垂直的防护筒，桨杆的一端通过桨轴与所述偏心机构转动连接，所述桨杆的另一端穿过所述防护筒，所述桨杆上套设有直线轴承，所述直线轴承通过铰块与所述防护筒连接。

全文数据：一种二自由度机器人技术领域本发明涉及机器人技术领域，特别是涉及一种二自由度机器人。背景技术目前，在很多复杂恶劣的环境中所进行的工程研发、探险、抢险救灾等工作并不适合人类亲自作业，而机器人能够代替人类安全、高效地完成预期任务。目前的机器人大多为轮式、腿式和履带式，但在复杂恶劣的两栖环境中这三类机器人都不同程度上暴露出了很多问题：轮式机器人环境适应性差，容错率非常低，只能适应平滑的路面；腿式机器人结构复杂，速度缓慢，功耗高，稳定性差；而履带式机器人灵活机动性较差，重量较大，速度缓慢。发明内容本发明的目的是提供一种二自由度机器人，以解决上述现有技术存在的问题，提高机器人的环境适应性，使其能够适应多种地形。为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种二自由度机器人，包括机架，所述机架上固设有至少三个运动单元；所述运动单元包括均竖直且均与所述机架固连的内电机板、外电机板和外架板，所述外电机板位于所述内电机板和所述外架板之间，所述内电机板上固设有第一电机，所述第一电机的转子通过第一连接盘与第一减速器连接，所述第一减速器的输出轴连接有转动盘，所述转动盘与驱动轴键连接，所述外电极板上固设有中空的第二电机，所述第二电机的转子通过第二连接盘与第二减速器连接，所述第二减速器的输出部与驱动轮的轮毂固连，所述驱动轮与所述外架板转动连接，所述驱动轴穿过所述第二电机及所述轮毂，且所述驱动轴与所述第二电机之间有间隙，所述驱动轴远离所述第一电机的一端与偏心机构固连，所述驱动轮远离所述第一电机的一侧固设有与所述第一电机的侧面垂直的防护筒，桨杆的一端通过桨轴与所述偏心机构转动连接，所述桨杆的另一端穿过所述防护筒，所述桨杆上套设有直线轴承，所述直线轴承通过铰块与所述防护筒连接。优选地，所述第一电机上设置有第一编码器，所述第二电机上设置有第二编码器。优选地，所述驱动轴通过两个第一轴承与所述轮毂转动连接，两个所述第一轴承之间的所述驱动轴上还设置有第三连接盘。优选地，所述防护筒与所述驱动轮同轴。优选地，所述偏心机构包括与所述驱动轴固连的偏心转盘底座，所述偏心转盘底座上固设有偏心转盘，所述偏心转盘上固设有转盘，所述转盘上设置有桨轴，桨杆的一端通过桨固定件与所述桨轴转动连接；两个所述桨固定件之间设置有第二轴承，所述桨轴与所述第二轴承转动连接；所述偏心转盘底座与所述轮毂之间设置有垫圈。优选地，所述铰块通过两个第三轴承与所述防护筒转动连接，两个所述第三轴承沿所述防护筒的轴向分布。优选地，所述运动单元为四个，四个所述运动单元两两对称，每两个对称的所述运动单元构成一组运动部。优选地，一组所述运动部位于所述机架的前端，另一组所述运动部位于所述机架的后端。本发明二自由度机器人相对于现有技术取得了以下技术效果：本发明二自由度机器人能够适应多种地形，环境适应性强。本发明二自由度机器人中的运动单元能够实现两个自由度的运动，且两个自由度的运动由两组不同的驱动系统提供动力，两组驱动机构同轴心安装，与轮毂相连接的一组驱动驱动轮的转动，与轴相连接的一组为偏心机构提供动力、极大地节约了机器人的空间占用率，免去了齿轮或者带轮传动，提高了机器人运动的稳定性和速度的传递性能。附图说明为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1为本发明二自由度机器人的结构示意图；图2为本发明二自由度机器人中运动单元的结构示意图一；图3为本发明二自由度机器人中运动单元的结构示意图二；图4为本发明二自由度机器人中偏心机构的结构示意图；图5为本发明二自由度机器人中桨杆与偏心转盘的连接结构的结构示意图；图6为本发明二自由度机器人中桨杆的结构示意图；图7为本发明二自由度机器人中桨杆与防护板的连接结构的结构示意图；其中，1-机架，2-运动单元，3-第一电机，4-第一连接盘，5-第一编码器，6-第一减速器，7-转动盘，8-第二电机，9-第二连接盘，10-第二编码器，11-第二减速器，12-轮毂，13-驱动轮，14-内电机板，15-外电机板，16-驱动轴，17-第三连接盘，18-偏心转盘底座，19-偏心转盘，20-连接杆，21-桨轴，22-桨杆，23-直线轴承，24-铰块，25-桨固定件，26-防护筒，27-转盘，28-第一轴承，29-垫圈，30-第二轴承，31-球端，32-第三轴承。具体实施方式下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。本发明的目的是提供一种二自由度机器人，以解决现有技术存在的问题，提高机器人的环境适应性，使其能够适应多种地形。为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。如图1所示，本实施例二自由度机器人，包括机架1，机架1上固设有四个运动单元2；四个运动单元2中两两对称，每两个对称的运动单元2构成一组运动部，一组运动部位于机架1的前端，另一组运动部位于机架1的后端。参照图1-7，运动单元2包括均竖直且均与机架1固连的内电机板14、外电机板15和外架板，外电机板15位于内电机板14和外架板之间，在本实施例中，机架1由一些竖管和横管搭接构成，竖管和横管通过夹持器与内电机板14、外电机板15及外架板连接。内电机板14上固设有第一电机3，第一电机3的转子通过第一连接盘4与第一减速器6连接，第一减速器6的输出轴连接有转动盘7，转动盘7与驱动轴16键连接，第一电机3上还设置有第一编码器5，第一电机3、第一连接盘4、第一减速器6、转动盘7等构成第一驱动系统；外电极板上固设有中空的第二电机8，第二电机8的转子通过第二连接盘9与第二减速器11连接，第二减速器11的输出部与驱动轮13的轮毂12固连，驱动轮13与外架板转动连接，第二电机8上设置有第二编码器10，第二电机8、第二连接盘9、第二减速器11等构成第二驱动系统。需要注意的是，本实施例中的第一电机3和第二电机8均为直流无刷电机，而第二电机8是中空的及第二电机8的中部设置有一通孔，而驱动轴16穿过该通孔及轮毂12，且驱动轴16与第二电机8之间有间隙，驱动轴16远离第一电机3的一端与偏心机构固连，驱动轴16通过两个第一轴承28与轮毂12转动连接，两个第一轴承28之间的驱动轴16上还设置有第三连接盘17。偏心机构具体包括与驱动轴16固连的偏心转盘底座18，偏心转盘底座18上固设有偏心转盘19，偏心转盘底座18通过连接杆20与偏心转盘19连接，偏心转盘19上固设有转盘27，转盘27上设置有桨轴21，桨杆22的一端通过桨固定件25与桨轴21转动连接；两个桨固定件25之间设置有第二轴承30，桨轴21与第二轴承30转动连接；偏心转盘底座18与轮毂12之间设置有垫圈29。驱动轮13外侧固设有与第一电机3的侧面垂直且与所述驱动轮13同轴的防护筒26，桨杆22的一端通过桨轴21与偏心机构转动连接，桨杆22的另一端穿过防护筒26，桨杆22上套设有直线轴承23，直线轴承23通过铰块24与防护筒26连接，铰块24通过两个第三轴承32与防护筒26转动连接，两个第三轴承32沿防护筒26的轴向分布。如图6所示，桨杆22远离桨轴21的一端设置有球端31。本实施例二自由度机器人中还包括有设置在机架上的控制器和驱动器，控制器与驱动器电连接，驱动器与第一电机3和第二电机8电连接，控制器的型号为STM32F103，驱动器的型号为elmoG-WH。本实施例二自由度机器人在工作时具有以下三种工作状态：1轮式工作形态：首先调节偏心转盘19的位置，使得浆轴21位于驱动轴16的正上方，此时桨杆22竖直向上，然后开启第二驱动系统，并关闭第一驱动系统；驱动轮13在第二驱动系统的驱动下不断转动，在驱动轮13的带动下，桨杆22以桨轴21为圆心做圆周运动，由于是偏心机构，所以桨杆22在驱动轮13中不断伸出和收缩，且由于浆轴21位于驱动轴16的正上方，浆轴21的位置固定不变，桨杆22的伸出和收缩不会影响到驱动轮与地面的接触，即桨杆22不会与地面发生干涉；2腿式工作形态：地面环境复杂而使得驱动轮13失去作用时，本实施例二自由度机器人可以实现步态跃进，首先保证球端31伸出驱动轮13，使得桨杆22能够充当机器人的腿，然后同时开启第一驱动系统和第二驱动系统，控制偏心机构与驱动轮13同步转动，使整个车轮的转动相配合，在崎岖复杂的地面上完成腿式运动；腿式工作形态时“桨腿”即桨杆22的球端31相对防护筒的距离可以根据偏心轮在轮系中的位置来进行调节，从而实现机器人不同“腿长”下的步态运动。3越障工作形态：当二自由度机器人面对较高障碍物时，腿式工作形态则可能会因为步态幅度不够无法完成越障，甚至于可能会造成机器人机构的损坏。在越障工作形态下，首先通过调节桨轴21和铰块24位置，使得球端31伸出驱动轮13外，即使桨杆22充当机器人的越障支腿，此时开启第一组驱动系统而关闭第二组驱动系统即可驱动机器人完成越障，由于驱动轮外壳与地面接触以保证足够的接触面积，同时桨杆22前端的天然橡胶头球端31又可以“卡住”障碍面以提供额外的越障动力，从而提高了机器人在恶劣环境下的运动和适应能力。在本发明的描述中，需要说明的是，术语“竖直”、“内”、“外”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”、“笫二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

权利要求：1.一种二自由度机器人，其特征在于：包括机架，所述机架上固设有至少三个运动单元；所述运动单元包括均竖直且均与所述机架固连的内电机板、外电机板和外架板，所述外电机板位于所述内电机板和所述外架板之间，所述内电机板上固设有第一电机，所述第一电机的转子通过第一连接盘与第一减速器连接，所述第一减速器的输出轴连接有转动盘，所述转动盘与驱动轴键连接，所述外电极板上固设有中空的第二电机，所述第二电机的转子通过第二连接盘与第二减速器连接，所述第二减速器的输出部与驱动轮的轮毂固连，所述驱动轮与所述外架板转动连接，所述驱动轴穿过所述第二电机及所述轮毂，且所述驱动轴与所述第二电机之间有间隙，所述驱动轴远离所述第一电机的一端与偏心机构固连，所述驱动轮远离所述第一电机的一侧固设有与所述第一电机的侧面垂直的防护筒，桨杆的一端通过桨轴与所述偏心机构转动连接，所述桨杆的另一端穿过所述防护筒，所述桨杆上套设有直线轴承，所述直线轴承通过铰块与所述防护筒连接。2.根据权利要求1所述的二自由度机器人，其特征在于：所述第一电机上设置有第一编码器，所述第二电机上设置有第二编码器。3.根据权利要求1所述的二自由度机器人，其特征在于：所述驱动轴通过两个第一轴承与所述轮毂转动连接，两个所述第一轴承之间的所述驱动轴上还设置有第三连接盘。4.根据权利要求1所述的二自由度机器人，其特征在于：所述防护筒与所述驱动轮同轴。5.根据权利要求1所述的二自由度机器人，其特征在于：所述偏心机构包括与所述驱动轴固连的偏心转盘底座，所述偏心转盘底座上固设有偏心转盘，所述偏心转盘上固设有转盘，所述转盘上设置有桨轴，桨杆的一端通过桨固定件与所述桨轴转动连接；两个所述桨固定件之间设置有第二轴承，所述桨轴与所述第二轴承转动连接；所述偏心转盘底座与所述轮毂之间设置有垫圈。6.根据权利要求5所述的二自由度机器人，其特征在于：所述铰块通过两个第三轴承与所述防护筒转动连接，两个所述第三轴承沿所述防护筒的轴向分布。7.根据权利要求1所述的二自由度机器人，其特征在于：所述运动单元为四个，四个所述运动单元两两对称，每两个对称的所述运动单元构成一组运动部。8.根据权利要求7所述的二自由度机器人，其特征在于：一组所述运动部位于所述机架的前端，另一组所述运动部位于所述机架的后端。

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