CN101219683A - 轮足两用式移动机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明属于机器人技术领域的一种轮足两用式移动机器人。采用轮腿结合运动模式；在车体的两侧长边分别安装有四条结构相同的具有轮、足两用功能的腿；在车体内部带有两块电池，用于为车载计算机、内置摄像机及扩展插件提供能源。每条腿由大腿和小腿组成，具有两级动力输入单元，通过离合器进行轮腿模式切换。第一电机通过安装座固定在车体底板上，座把第一轴固定到车体侧面上在车体内安装有内置摄像机可以作为机器人的眼睛，车载计算机作为整个机器人运动的规划控制中心，小轮为被动轮有电磁抱闸控制从动或止转。进行模块化设计，保证机器人快速、灵活运动、具有多种运动方式，地面适应性强，针对特殊地形变换运动姿态有利于降低能量损耗。
Description
技术领域
本发明属于机器人技术领域特别涉及一种轮足两用式移动机器人。
背景技术
机器人移动通常有轮式和关节式两种方式。轮式结构具有移动速度快、转向性好、驱动控制方便等特点；但其着地面积小、壁面适应性差、避障能力和非结构环境下移动性能差。关节式结构一般采用多节连杆串联形式，它对路面要求低，可以跨越障碍物，走过沙地、沼泽等特殊路面；但存在着运动间歇大、速度慢、驱动控制困难等缺点。而通常移动机器人只有一种运动方式。因此迫切需要一种结构紧凑、地形适应性强、移动速度快、控制简单的机器人结构。现有的轮足两用型机器人通常是由履带车加一组或两组单关节履带腿组成，移动速度慢、转向不灵活且越障能力有限。若能提高机器人腿自由度，同时采用轮组在提高机器人运动灵活性的同时，又能具有履带式优点。在设计过程中引入模块化设计理念，使得机器人具有快速重组、替换、修复能力。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提出一种轮足两用式移动机器人，其特征在于，该机器人采用轮腿结合运动模式、进行模块化设计，保证机器人快速、灵活运动；在车体的两长边分别安装有四条结构相同的具有轮、足两用功能的腿；在车体内部带有两块电池，用于为车载计算机、内置摄像机及扩展插件提供能源。
所述四条结构相同的腿由大腿和小腿组成，具有两级动力输入单元，通过离合器进行轮腿模式切换；
所述车体底部的安装接口处放置转动平台，作为机器人功能扩展接口。
所述机器人的每条腿由大腿和小腿组成，所述每条腿的两级动力输入单元的第一级动力输入源为第一电机通过安装座固定在车体底板上，第一电机与第一电机驱动器连接，经第一变速器减速后由第一联轴节与第一轴连接，第一轴承内圈与第一轴连接、外圈经第一轴承座把第一轴固定到车体侧面上，第一轴通过第一离合器的一个从动片与第一大轮毂连接，第一大轮套在第一大轮毂上、另一个从动片与大腿连接。大腿内固定第二级动力输入源的第二电机和第二电机驱动器，第二电机经过变速器减速后由锥齿轮转向后传给第二离合器，第二离合器的从动片与第二大轮毂连接、第二大轮套在第二大轮毂上；第二大轮毂通过大腿与第一大轮毂连接，；第一大轮毂与小腿连接；小腿的另一端连接小轮毂，小轮套在小轮毂上，小轮为被动轮有电磁抱闸控制从动或止转。
所述小腿长度是大腿长度的一半。两大轮半径相等，且两大轮半径加小轮直径再加轮间间隙刚好等于大腿长度。小轮作为被动轮，在电磁抱闸作用下分别有随转和止转两种状态。
所述四条腿均布在车体两侧，并且轴线在车体厚度一半处。
所述车体底板上还固定车载计算机。
所述小腿内固定小腿电池。
本发明的有益效果是该轮足两用式移动机器人通过控制机器人腿的不同运动形式组合可以实现机器人轮式、关节式和轮足并用式三种运动形式，保证机器人移动速度及地形适应性，且结构紧凑。采用轮足两用腿模块，是一种结构紧凑、地形适应性强、移动速度快、控制简单的移动机器人。既节省能耗及结构空间，又能使机器人具有快速组装、置换、修复等功能。
附图说明
图1为本发明的原理图的三维实体图
图2为本发明的隐藏左侧大腿及局部零件后原理图的三维实体图
图3为本发明的隐藏前左、后右腿及车壳后原理图的三维实体图
图4为本发明的伸展型轮式移动实施例的三维实体图
图5为本发明的蜘蛛型轮式移动实施例的三维实体图
图6为本发明的攀越型轮足式移动实施例的三维实体图
图7为本发明的撑大腿溜冰式移动实施例的三维实体图
图8为本发明的贴地溜冰式移动实施例的三维实体图
图9为本发明的撑大腿轮式移动实施例的三维实体图
图10为本发明的关节式移动实施例的三维实体前视图
图11为本发明的关节式移动实施例的三维实体后视图
图中：车体1、前左腿2、后左腿3、后右腿4、前右腿5、小腿6、第一离合器7、第一大轮毂8、小腿电池9、第二大轮17、小轮18、第一大轮19、大腿20、小轮毂10、第二离合器11、第二大轮毂12、第二电机驱动器13、第二电机14、第二变速器15、锥齿轮16、内置摄像机21、第一电机安装座22、第一电机23、第一电机驱动器24、车内电池25、车载计算机26、第一变速器27、第一联轴节28、第一轴承29、第一轴承座30、第一轴31。
具体实施方式
本发明提出一种轮足两用式移动机器人，以下结合附图进一步说明本发明。
在图1、图2、图3中，该机器人采用轮腿结合运动模式、进行模块化设计，保证机器人快速、灵活运动；在车体1的两侧长边上均布安装有四条结构相同的具有轮、足两用功能的四条腿：前左腿2、后左腿3、后右腿4、前右腿5，并且轴线在车体厚度一半处。车体1底板上固定车载计算机26；在小腿6内固定小腿电池9，用于为车载计算机、内置摄像机及扩展插件提供能源。小腿6内固定内置摄像机21。
所述每条腿的结构为作第一级动力输入源的第一电机23通过安装座22固定在车体1底板上，第一电机与第一电机驱动器24连接，经第一变速器27减速后由第一联轴节28与第一轴31连接，第一轴承29内圈与第一轴31连接、外圈经第一轴承座30把第一轴31固定到车体1侧面上，第一轴31通过第一离合器7的一个从动片与第一大轮毂8连接，第一大轮19套在第一大轮毂8上、另一个从动片与大腿20连接。大腿20内固定第二级动力输入源的第二电机14和第二电机驱动器13连接，第二电机14经过第二变速器15减速后由锥齿轮16转向后传给第二离合器11，第二离合器11的从动片与第二大轮毂12连接、第二大轮17套在第二大轮毂12上；第二大轮毂12通过大腿20与第一大轮毂8连接，；第一大轮毂8与小腿6连接；小腿6的另一端连接小轮毂10，小轮18套在小轮毂10上，小轮18为被动轮有电磁抱闸控制从动或止转。
轮足两用式移动机器人有四条相同的腿模块组成，每条腿模块有两个动力输入单元，通过离合器进行轮腿模式切换，第一大轮19和第二大轮17可以分别绕轴完成主动或被动旋转运动，大腿20可以与第一大轮同轴完成前后摆动，小腿6可以与第二大轮同轴完成旋转运动，小轮18在小腿末端可以绕轴完成被动旋转运动或由电磁抱闸止转。轮腿运动由统一的控制器进行规划控制，并且采用独立供电方式。
在车体1内安装有内置摄像机21可以作为机器人的眼睛辅助机器人运动控制，车载计算机26作为整个机器人运动的规划控制中心，车内电池25专门为摄像机21、计算机26及其他扩展插件提供能源；机器人腿的第一级动力输入源第一电机23通过安装座22固定在车体底板上，经第一变速器27减速后由第一联轴节28输出到腿模块第一轴31，第一轴承29内圈与第一轴31连接、外圈经第一轴承座30把第一轴固定到车体1上。具体连接方式如图1、图3所示。动力输入后直接传给第一离合器7，其一个从动片与第一大轮19连接、另一个与大腿20连接。机器人腿的第二级动力由固定在大腿20上的第二电机14提供，动力经第二减速器15减速并由锥齿轮16转向后传给第二离合器11，其一个从动片与第二大轮17连接、另一个与小腿6连接。小轮18为被动轮有电磁抱闸控制从动或止转。具体连接方式如图2所示。
在设计时小腿长度是大腿长度的一半，两大轮半径相等，且两大轮半径加小轮直径再加轮间间隙刚好等于大腿长度。小轮作为被动轮，在电磁抱闸作用下分别有随转和止转两种状态。四条腿均布在车体两侧，并且轴线在车体厚度一半处。
如图1、图4所示，机器人作为轮式小车移动时，大轮和小轮都分别与地面相切，可以有紧凑型和伸展型两种运动状态。此时第一轴31输入的转矩通过第一离合器7传给第一大轮19做绕轴旋转；第二电机14输出转矩通过锥齿轮16转向后传到第二离合器11驱动第二大轮17做绕轴旋转；小轮18随动。在小轮18收拢状态时结构紧凑，适合平坦道路的快速移动；打开小轮18，先由离合器选择驱动小腿6使小轮打开并与地面相切，再选择驱动第二大轮17，此时可以扩大机器人底盘面积，有利于机器人结构稳定性，适用于崎岖复杂路面移动时保证机器人不倾倒。
如图5所示，机器人仍旧作轮式运动，第一大轮19及小轮18与地面相切，第二大轮17离开地面。此时第一轴31输入的转矩通过第一离合器7传给第一大轮19做绕轴旋转，第二电机14输出转矩通过锥齿轮16转向后传到第二离合器11选择驱动短小腿6，使第二大轮抬离地面，被动小轮与地面相切，在路面阻力小或移动速度要求不高的情况下，既有利于节能，又能保证机器人的平衡。
如图6所示，机器人腿同时作为轮和关节使用，大腿20与机器人本体1保持角度，小腿6做绕轴旋转运动。此时第一轴31输入的转矩通过第一离合器7传给大腿20使其与机器人本体1保持一定角度，第二电机14输出转矩通过锥齿轮16转向后传到第二离合器11并选择驱动小腿6做绕轴旋转运动，电磁抱闸通电使小轮18止转，通过小轮18与地面的摩擦使机器人本体1向前上方产生间歇移动。在上台阶或崎岖路面运行时，可以使机器人获得快速、有效的攀越运动。
如图7、图8所示，机器人前腿作轮式运动，后腿做关节式运动，构成溜冰式移动，可以有车体离地和贴地两种形式。离地运动时前腿第一轴31输入力矩使大腿20与机器人本体1保持角度，第二大轮17及小轮18与地面相切；后退第一轴31输入力矩使大腿20摆动，第二电机17输出转矩通过锥齿轮16转向后传到第二离合器11并选择驱动小腿6做前后摆动，在前摆时小轮18与地面相切并做相对滚动，在后摆时电磁抱闸通电使小轮止转，在小轮18与地面摩擦力作用下推动机器人向前行走，并且保证车体1相对水平。贴地运动时前腿2、3无动力输入，前腿大小轮都处被动状态且与地面相切，后退第一电机23无动力输入，第一大轮19处被动状态且与地面相切，大腿20处随动状态，后退第二电机17输出转矩驱动小腿6做前后摆动，在前摆时小轮18与地面相切并做相对滚动，在后摆时电磁抱闸通电使小轮止转，在小轮18与地面摩擦力作用下推动机器人向前行走。在冰面或非常光滑的地面上，有利于节能和机器人的快速移动。
如图9所示，机器人腿也是同时作为轮和关节使用，大腿20支起后抬高车体1底盘，第二大轮17与地面相切，可以有摆大腿20和不摆大腿20两种方式。此时第一轴31输入的转矩通过第一离合器7传给大腿20作摆腿运动或与机器人本体1成固定角度，第二电机14输出转矩通过锥齿轮16转向后传到第二离合器11且驱动第二大轮17做绕轴旋转，被动小轮18与地面相切，在涉水、泥泞、沙地或雪地中行走时，既有利于提高机器人本体，又能保证机器人的平衡。
如图10、图11所示，机器人腿完全作为四足关节式移动机器人运动。此时第一轴31输入的转矩通过第一离合器7传给大腿20做前后摆动运动，第二电机14输出转矩通过锥齿轮16转向后传到第二离合器11且选择驱动小腿6做前后摆动运动，电磁抱闸通电使小轮18止转作为足，在特点步态规划与控制下做间歇爬行运动或跑动。
Claims (7)
1.一种轮足两用式移动机器人，其特征在于，该机器人采用轮腿结合运动模式、进行模块化设计，保证机器人快速、灵活运动；在车体的两侧长边分别安装有四条结构相同的具有轮、足两用功能的腿；在车体内部带有两块电池，用于为车载计算机、内置摄像机及扩展插件提供能源。
2.根据权利要求1所述轮足两用式移动机器人，其特征在于，所述四条结构相同的腿由大腿和小腿组成，具有两级动力输入单元，通过离合器进行轮腿模式切换。
3.根据权利要求1所述轮足两用式移动机器人，其特征在于，所述每条腿都是第一级动力输入源为第一电机通过安装座固定在车体底板上，第一电机与第一电机驱动器连接，经第一变速器减速后由第一联轴节与第一轴连接，第一轴承内圈与第一轴连接、外圈经第一轴承座把第一轴固定到车体侧面上，第一轴通过第一离合器的一个从动片与第一大轮毂连接，第一大轮套在第一大轮毂上、另一个从动片与大腿连接，大腿内固定第二级动力输入源的第二电机和第二电机驱动器，第二电机经过变速器减速后由锥齿轮转向后传给第二离合器，第二离合器的从动片与第二大轮毂连接、第二大轮套在第二大轮毂上；第二大轮毂通过大腿与第一大轮毂连接，第一大轮毂与小腿连接；小腿的另一端连接小轮毂，小轮套在小轮毂上，小轮为被动轮有电磁抱闸控制从动或止转。
4.根据权利要求1所述轮足两用式移动机器人，其特征在于，所述小腿长度是大腿长度的一半；两大轮半径相等，且两大轮半径加小轮直径再加轮间间隙刚好等于大腿长度；小轮作为被动轮，在电磁抱闸作用下分别有随转和止转两种状态。
5.根据权利要求1所述轮足两用式移动机器人，其特征在于，所述四条腿均布在车体两侧，并且轴线在车体厚度一半处。
6.根据权利要求1所述轮足两用式移动机器人，其特征在于，所述车体底板上还固定车载计算机。
7.根据权利要求1或5所述轮足两用式移动机器人，其特征在于，所述小腿内固定小腿电池。
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