CN101850795B - 一种轮腿复合式移动机器人平台 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种轮腿复合式移动机器人平台，该机器人包括机架、前部轮腿系统和后部轮腿系统，前部轮腿系统包括前轴、三个前轮腿，前电机以及齿条和前传动系统；后部轮腿系统由摆腿系统和驱动系统两个子系统组成，安装于机架的后部；摆腿系统包括轴架、后轴、配轴，两个相同的轴套，四个相同的后轮腿和两台相同的第一组后电机以及后传动系统；驱动系统分成左右对称、结构相同的两部分，两部分分别由两台相同的第2组后电机独立驱动；每部分均包括复合轮、链条、皮带、小皮带轮和小链轮。本发明机器人平台采用轮腿复合式结构，结构简单，控制容易，在平整地面上采用轮式方法行进，能耗降低；在复杂地形下采用轮腿复合式方法行进，效率提高。

Description

一种轮腿复合式移动机器人平台

技术领域

本发明涉及机器人技术，具体为一种轮腿复合式移动机器人平台。 

背景技术

轮式移动机器人平台的优点是高速高效，缺点是地形适应能力差。为了适应复杂的地形环境，现在很多机器人都不单单采用轮式移动机构，更多的是采用轮履式、轮腿式或是轮履腿式等复合移动机构。复合移动机器人平台在不同环境下采用不同的行进策略，极大地提高了机器人的前进速度和地形适应能力，成为当今室外机器人发展的一个主要方向。移动机器人平台是一个基础平台，其上可搭载控制系统、检测系统和机械手等其他部分，可以实现许多普通机器人难以实现的功能。机器人平台是一个独立的模块，和其他平台之间相互独立，便于二次开发和改装，应用范围很广。 

机器人移动平台系统要解决的实质问题是，通过对机器人的工作环境、要实现的功能等技术指标进行综合分析，设计出一种最优机械结构，使机器人实现特定的功能。移动平台系统设计的首要问题是确定其行进方式，单一的行进方式主要有轮式、腿式和履带式。单一的行进方式由于不能满足复杂地形的要求，因而现在大都采用两种以上的复合行进方式，这样的机器人平台对复杂地形具有更强的适应能力。例如，新型四轮腿式月球车轮腿结构设计及分析(尚伟燕等，武汉理工大学学报(交通科学与工程版)第32卷第5期2008年10月)、轮腿式机器人的转向特性及控制策略的研究(邓乃上等，机械科学与技术，第28卷第2期2009年2月)采用的是轮腿复合式移动平台；又例如，轮履复合式探测车避障系统研究(尚伟燕等，传感器与微系统，第28卷第5期2009年)、轮履复合式军用地面探测车运动学建模及分析(尚伟燕等，航空动力学报，第24卷第10期2009年10月)采用的是轮履复合式移动平台；还例如，腿履复合机器人自主越障分析与动作规划(王伟东等，哈尔滨工业大学学报，第41卷第5期2009年5月)采用的是腿履复合式移动平台。 

现有的轮腿机器人主要有以下几种：1，以美国Sojourner火星探测者为 代表的六轮腿移动机器人，这类机器人可跨越高于其轮径的障碍，但受其结构的限制，车轮较小，不能跨越高于底盘高度的障碍，在复杂地形环境下必须频繁抬腿越障，行进效率不高，且跨越凹坑的能力不强。2，以清华大学设计的轮腿可变结构移动机器人为代表，这类机器人可实现轮、腿、轮腿复合式运动，越障能力也较强，但其至少需要八个电机和四个万向轮，功耗较大，并且只能做的比较小，负载能力和续航能力较差。3，以上海交通大学三角叉式轮腿机器人为代表，这类机器越障能力较强，控制简单，但其在平整地形采用和复杂地形采用相同的行进方式，效率低下，并且底盘振动剧烈，机器人平台寿命不长。 

发明内容

针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是，提供一种轮腿复合式移动机器人平台，该平台能满足在野外复杂环境下工作的多种要求，能够实现爬坡，越障，在非平整地形下实现平稳前进等。在实现所述功能要求的前提下，本发明机器人平台具有结构简单，控制容易，耗能较低等特点。 

本发明解决所述技术问题的技术方案是，设计一种轮腿复合式移动机器人平台，该机器人包括机架、前部轮腿系统和后部轮腿系统， 

前部轮腿系统包括前轴、三个前轮腿，前电机以及齿条和前传动系统；所述前轴安装在机架的前部，前轴的两个轴端分别伸出机架的两个侧壁；所述三个前轮腿包括两个前边轮腿和一个支撑轮腿，两个前边轮腿对称安装在所述的两个轴端上，支撑轮腿与安装在滑槽内的齿条采用销连接，滑槽安装在机架的前端内，垂直于前轴，齿条垂直于地面，支撑轮腿可以相对于机架做上下垂直运动，同时在水平面内可以绕销做360°自由旋转；所述的前轴通过齿轮与齿条连接，使支撑轮腿与轮腿实现同步动作；前电机安装在机架的一个侧壁上，通过前传动系统与前轴驱动连接； 

后部轮腿系统由摆腿系统和驱动系统两个子系统组成，安装于机架的后部；摆腿系统包括轴架、后轴、配轴，两个相同的轴套，四个相同的后轮腿和两台相同的第一组后电机以及后传动系统；所述后轴和配轴安装在轴架上，后轴的两端分别活套安装有一个轴套；后轴和轴套之间通过配轴和后传动系统连接起来，实现同轴换向功能；两个轴套之间同速同向；所述四个轮腿每两个一组，按“人”字型排布，分别安装于后轴的两端及轴套的外端；一台 后电机固定在轴架上，并通过后传动系统与后轴驱动连接，建立以轴架为基础的摆腿系统；另一台后电机通过齿轮与轴架连接，带动整个后部轮腿系统转动； 

驱动系统分成左右对称、结构相同的两部分，两部分分别由两台相同的第2组后电机独立驱动；每部分均包括复合轮、链条、皮带、小皮带轮和小链轮；复合轮包括三部分，前端是个链轮，中间是皮带轮，后端是齿轮，三部分固定在一起；所述第2组后电机分别通过后端的齿轮与复合轮啮合，带动复合轮转动，复合轮又通过皮带带动小皮带轮转动，同时还通过链条带动小链轮转动，小皮带轮和小链轮分别带动其对应的车轮运动。 

与现有技术相比，本发明机器人平台采用轮腿复合式结构，只采用五个驱动电机，一个万向轮，结构简单，控制容易，在平整地面上采用轮式方法行进，能耗大幅降低；在复杂地形下采用轮腿复合式方法行进，效率大为提高。本发明由于特殊的结构设计，可跨越高于底盘高度的障碍，跨越任意长度的凹坑，并且可以调整机器人的横滚角，地形适应能力很强。 

附图说明

图1为本发明轮腿复合式移动机器人平台一种实施例的整体三维结构示意图。 

图2为本发明轮腿复合式移动机器人平台一种实施例的主视结构示意图。 

图3为本发明轮腿复合式移动机器人平台一种实施例的俯视结构示意图。 

图4为本发明轮腿复合式移动机器人平台一种实施例的前部轮腿系统结构示意图。 

图5为本发明轮腿复合式移动机器人平台一种实施例的后部轮腿系统结构示意图。 

图6为本发明轮腿复合式移动机器人平台一种实施例的机器人驱动系统结构示意图。 

图7为本发明轮腿复合式移动机器人平台一种实施例的同轴换向机构示意图。 

具体实施方式

下面结合实施例及其附图详细叙述本发明。实施例是以本发明所述技术 方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和过程。但本发明申请的权利要求保护范围不限于下述的实施例描述。 

本发明设计的轮腿复合式移动机器人平台(以下简称机器人平台，参见图1-7)遵循机器人模块化设计思想，采用模块化设计，该平台主要包括机架1、前腿模块或系统2和后腿模块或系统3，后腿模块2又包括摆腿模块或系统和驱动模块或系统两个子系统。前腿模块2主要采用了齿轮齿条结构(参见图4)，摆腿模块主要采用了套轴结构和同轴换向结构(参见图5)，驱动模块主要采用了带链轮复合结构(参见图6)。下面以实施例的机器人平台设计来详细阐述本发明。 

本发明机器人平台包括机架1、前部轮腿系统2和后部轮腿系统3，共有七腿七轮(前面三腿三轮，后面四腿四轮)和五台电机(前面1台，后面2组4台)(参见图1-3)。 

本发明所述前部轮腿系统包括前轴25、三个前轮腿21、21’、22，前电机24以及齿条26和前传动系统；所述机架1为方形框式结构，前部有方形缺口；所述前轴25安装在机架1的前部(图1的右侧)，前轴25的两个轴端分别伸出机架1的两个侧壁；所述三个前轮腿包括两个前边轮腿21、21’和一个支撑轮腿22，两个前边轮腿21、21’对称安装在所述的两个轴端上，支撑轮腿22安装在机架1内，并与安装在滑槽11内的齿条26采用销23连接，滑槽11安装在机架1的前端内，垂直于前轴25，齿条26的竖直面上有齿，下部为L型结构，前端有销孔(参见图4)。齿条26的这种结构使轮腿22的位置前移，增强了整个机器人平台的平稳性，又避开齿轮27，增大了齿条的行程；齿条26垂直于地面安装，支撑轮腿22可以相对于机架1做上下垂直运动，同时在水平面内可以绕销23做360°自由旋转，实现万向轮的功能；所述前轴25通过齿轮27与齿条26连接，使支撑轮腿22与轮腿21、21’实现同步动作；前电机24安装在机架1的一个侧壁上，通过前传动系统与前轴25驱动连接，当电机24动作时，将驱动前轴25带动三个前轮腿21、21’、22协调动作，其步调是：前边轮腿21、21’向上摆动时，支撑轮腿22向下伸出运动，抬高机架1，并支撑机架1运动；而前边轮腿21、21’向下摆动时，则放低机架1，并支撑机架1跨越障碍物运动，与此同时，支撑轮腿22向上收缩运动，避免其与障碍物相碰，影响机架1的运动。所述的前传动系统为多个或一系列传动齿轮。 

本发明所述后部轮腿系统由摆腿系统和驱动系统两个子系统组成，整个后部轮腿系统安装于机架1的后部上；摆腿系统包括轴架36、后轴38、配轴37，两个相同的轴套310，四个相同的后轮腿31、31’、32、32’和两台相同的第一组后电机34、35以及后传动齿轮系统；后轴38和配轴37安装在轴架36上，后轴38的两端分别活套安装有一个轴套310，即轴套310和后轴38之间可以自由转动；后轴38和轴套310之间通过配轴37和一系列齿轮构成的后传动系统连接起来，使之实现同轴换向功能，即后轴38和轴套310相对于轴架36同速反向转动；两个轴套310之间同速同向；四个轮腿每两个一组，按“人”字型排布，分别安装于后轴38的两端及轴套310的外端(参见图3)，实施例的轮腿31’、32’交叉安装在机架1的左侧，一个安装在后轴38的一端上，一个安装在左侧的轴套310上；实施例的轮腿31、32交叉安装于机架1右侧，对称地一个安装在后轴38的另一端上，一个安装在右侧的轴套310上；但需要注意的是，后轴38左右两端的两个轮腿要一前一后对称安装，即左右两端的轮腿一条向前一条向后；同样，安装于两个轴套310上的两个轮腿也要一前一后对称安装；一台后电机35固定在轴架36上，并通过后传动系统与后轴38驱动连接，这样就建立了以轴架36为基础的摆腿系统；后电机35通过齿轮带动后轴38正转或者反转，可以带动机器人平台左右两侧的两个轮腿做“张开”和“合起”的动作。由于后轴38两端安装的两个轮腿和轴套310上安装的两个轮腿伸出的方向相反，并且后轴38和轴套310同速反向转动，左右两侧的两组轮腿的“张”“合”运动也是正好相反，即如果左侧的一组轮腿张开，则右侧的一组轮腿合起，反之亦然；另一台后电机34通过齿轮39与轴架36连接，带动整个后部轮腿系统转动，实现“跨越”的动作。 

本发明所述驱动系统分成左右对称、结构相同的两部分，两部分分别由两台相同的第2组后电机33’、33独立驱动；每部分均包括复合轮311、链条314、皮带313、小皮带轮312和小链轮315；复合轮311包括三部分，前端是个链轮，中间是皮带轮，后端是齿轮，三部分固定在一起；所述第2组后电机33’和33分别通过后端的齿轮与复合轮311啮合，带动复合轮311转动，复合轮311又通过皮带313带动小皮带轮312转动，同时还通过链条314带动小链轮315转动，小皮带轮312和小链轮315分别带动其对应的车轮运动；其中，皮带313带动靠前的腿轮运动，链条314带动靠后的腿轮运动。 

本发明机器人平台在后轮腿做“张”“合”动作的时候，其车轮由于受到 链条314和皮带313的约束，不能按照地面的摩擦自由转动。为了减小车轮与地面之间的相对位移，在轮腿初始状态为45度(π/4)的情况下，相关参数设计应当满足(1)式要求： 

R[sin(π/4+x)-sin(π/4)]≈r(k-1)x    (1) 

(1)式中，R为轮腿长度，r为车轮半径，k为复合轮311中的皮带轮与小皮带轮312的半径比(或者复合轮311中的链轮与小链轮315的半径比，两者相同)，x为单条腿摆动的角度。 

在R、r确定的情况下可以确定k值的大小。在设计满足以上关系的情况下，轮腿做张合动作时，车轮与地面的摩擦会降到最低(但无法完全消除)。 

为了进一步解决这个问题，本发明采取了两个方法：其一，对轮腿31和31’上的车轮驱动采用皮带传动，由于皮带本身具有弹性以及皮带和皮带轮之间允许出现相对运动，可以避免前轮的摩擦问题；其二，在所述后轮腿的链条上加装张紧装置，该张紧装置包括对称安装在导槽316里的两个张紧链轮318，两个张紧链轮318通过弹簧317拉紧在一起，并从外侧将有一定余量的链条314夹紧，导槽316安装在两侧轮腿32和32’的中部，张紧链轮318在导槽316里可以自由滑动。 

机器人平台在非平整地面上行进时，为了避免频繁摆腿越障，本发明实施例初步设计的车轮直径为160mm，腿长为230mm(为了便于安装和批量生产，所有车轮直径相同，除支撑腿22以外的所有腿长度相同)。方形机架1的长为800mm，宽为500mm。前轴25和后轴38安装在同一平面上，且其距离车底盘下部距离为50mm。车在跨越低于80mm即小于车轮直径1/2的障碍时，车轮可以直接越过，并不需要摆腿越障。轮腿21、21’在不越障时是抬起的，因此其距离地面高度最好大于车轮半径。后轮腿的安装设为可调式，即后腿之间安装角度可在50°～140°范围内调节，因为一旦安装完毕，当一侧腿合时，另一侧腿张，两侧腿之间做反向运动相互制约。因此腿的安装采用花键联接，每10°为一档，即腿之间的安装角度可以以10°的整数倍调节。实施例初步设计的后腿安装角度为90°。 

为避免前轮腿阻碍机器人平台的前进，正常行驶下，前腿21和21’与机架1竖直方向的夹角θ(参见图2)应该满足(2)式要求： 

230·cos(π/4)-230·cosθ≥80mm    (2) 

经过计算可得：θ≥69.65°，取θ＝75°。为了使齿条26有较大的行程，支 撑腿22在正常行驶时的长度(即齿条26下端与车轮轴心的垂直距离)取100mm。因为轮腿21、21’顺时针摆动时，支撑腿22会垂直向上运动。为避免支撑腿22与前轴25相碰，支撑腿22向上的最大移动距离为162.6-100-10＝52.6mm(100为支撑腿22在正常行驶时的长度，10为前轴半径)。在齿轮齿条运动副中，齿条移动的距离＝比率×转动角度，比率等效于齿轮的节圆半径。取齿轮27的模数为2，齿数为48，无间隙啮合状态下，节圆半径＝分度圆半径＝(m·z)/2＝48mm。取转动角度为π/4，则齿条移动的距离s＝48·π/4＝12π＜52.6，满足设计要求。因为齿条要上下运动，所以齿条26的长度应该大于2×12π，取齿条长度为80mm。 

本发明机器人平台独创了后部轮腿同轴换向机构，可实现轮腿的同速反向转动。后部轮腿同轴换向结构是(参见图7)大齿轮319固定在后轴38上，并与小齿轮320啮合，小齿轮320与中齿轮321固定在配轴37上，中齿轮321与固定在轴套310上的内齿轮322相啮合；显然大齿轮319与内齿轮322转向相反，大齿轮319与小齿轮320的齿数比为3∶1，中齿轮321与内齿轮322的齿数比为1∶3，这样大齿轮319与内齿轮322就可实现同轴同速反向转动，即实现了同轴换向功能。由于相互啮合的齿轮具有相同的模数，同时为了避免机械结构之间的相互干涉，实施例设计的大齿轮319、小齿轮320、中齿轮321、内齿轮322的分度圆直径之比为3∶1∶2∶6；综合考虑后，实施例设计的小齿轮320的模数为1，齿数为20；大齿轮319的模数为1，齿数为60；中齿轮321的模数为2，齿数为20；内齿轮322的模数为2，齿数为60。 

当机器人在崎岖不平的路面上行进时，如果发生车体左右倾斜，机器人可以通过调整左右轮腿的叉角改变车体的横滚角，使车体保持平衡避免翻覆。机器人可以安装倾角传感器对控制系统进行反馈，实现实时调整。本发明设计的机器人平台有较强的跨越障碍能力。当机器人遇到无法直接越过的障碍时，通过前后轮腿系统的配合，可以越过最大1.2倍车轮直径的垂直障碍。根据机器人的越障原理，实施例机器人平台所能跨越的最高障碍高度为230-80+80＝230mm(230为后腿长，80为车轮半径)，取200mm，即当车体上的激光传感器检测到障碍物的高度大于200mm时，机器人平台采取转向策略；当障碍物的高度低于200mm时，采取越障策略。由于两侧的驱动轮由两个电机分别控制，转向方式为差速转向，因而可实现原地转向。经过计算， 在机器人总重为60kg、安全系数为1.6的情况下，机器人平台越障时，电机消耗的最大功率为80W，最大扭矩为1000N·m，其负载可达10kg，续航可达8小时，性能优良，应用范围非常广泛。 

本发明未述及之处适用于现有技术。 

Claims (5)

1.一种轮腿复合式移动机器人平台，该机器人平台包括机架、前部轮腿系统和后部轮腿系统；

前部轮腿系统包括前轴、三个前轮腿，前电机以及齿条和前传动系统；所述前轴安装在机架的前部，前轴的两个轴端分别伸出机架的两个侧壁；所述三个前轮腿包括两个前边轮腿和一个支撑轮腿，两个前边轮腿对称安装在所述的两个轴端上，支撑轮腿与安装在滑槽内的齿条采用销连接，滑槽安装在机架的前端内，垂直于前轴，齿条垂直于地面，支撑轮腿可以相对于机架做上下垂直运动，同时在水平面内可以绕销做360°自由旋转；所述的前轴通过齿轮与齿条连接，使支撑轮腿与前边轮腿实现同步动作；前电机安装在机架的一个侧壁上，通过前传动系统与前轴驱动连接；

后部轮腿系统由摆腿系统和驱动系统两个子系统组成，安装于机架的后部；摆腿系统包括轴架、后轴、配轴，两个相同的轴套，四个相同的后轮腿和两台相同的第一组后电机以及后传动系统；所述后轴和配轴安装在轴架上，后轴的两端分别活套安装有一个轴套；后轴和轴套之间通过配轴和后传动系统连接起来，实现同轴换向功能，即后轴和轴套相对于轴架同速反向转动；两个轴套之间同速同向；所述四个后轮腿每两个一组，按“人”字型排布，分别安装于后轴的两端及轴套的外端，后轴左右两端的两个轮腿要一前一后对称安装，即左右两端的轮腿一条向前一条向后；同样，安装于两个轴套上的两个轮腿也要一前一后对称安装，左右两侧的两组轮腿的“张”“合”运动正好相反，即如果左侧的一组轮腿张开，则右侧的一组轮腿合起，反之亦然，实现“跨越”的动作；一台后电机固定在轴架上，并通过后传动系统与后轴驱动连接，建立以轴架为基础的摆腿系统；另一台后电机通过齿轮与轴架连接，带动整个后部轮腿系统转动；

驱动系统分成左右对称、结构相同的两部分，两部分分别由两台相同的第2组后电机独立驱动；每部分均包括复合轮、链条、皮带、小皮带轮和小链轮；复合轮包括三部分，前端是个链轮，中间是皮带轮，后端是齿轮，三部分固定在一起；所述第2组后电机分别通过后端的齿轮与复合轮啮合，带动复合轮转动，复合轮又通过皮带带动小皮带轮转动，同时还通过链条带动小链轮转动，小皮带轮和小链轮分别带动其对应的车轮运动。 

2.根据权利要求1所述的轮腿复合式移动机器人平台，其特征在于所述后轮腿在初始状态为45度的情况下，相关参数设计满足(1)式：

    R[sin(π/4+x)-sin(π/4)]≈r(k-1)x     (1)

(1)式中，R为轮腿长度，r为车轮半径，k为复合轮中的皮带轮与小皮带轮的半径比，x为单条腿摆动的角度。

3.根据权利要求1或2所述的轮腿复合式移动机器人平台，其特征在于在所述后轮腿的链条上加装张紧装置，该张紧装置包括对称安装在导槽里的两个张紧链轮，两个张紧链轮通过弹簧拉紧在一起，并从外侧将有一定余量的链条夹紧，导槽安装在两侧轮腿的中部，张紧链轮在导槽里可以自由滑动。

4.根据权利要求1或2所述的轮腿复合式移动机器人平台，其特征在于所述的后部轮腿系统设计有同轴换向机构，该机构的结构是：大齿轮固定在后轴上，并与小齿轮啮合，小齿轮与中齿轮固定在配轴上，中齿轮与固定在轴套上的内齿轮相啮合，大齿轮与内齿轮的转向相反，大齿轮与小齿轮的齿数比为3∶1，中齿轮与内齿轮的齿数比为1∶3。

5.根据权利要求4所述的轮腿复合式移动机器人平台，其特征在于所述大齿轮、小齿轮、中齿轮、内齿轮的分度圆直径之比为3∶1∶2∶6；小齿轮的模数为1，齿数为20；大齿轮的模数为1，齿数为60；中齿轮的模数为2，齿数为20；内齿轮的模数为2，齿数为60。 

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