CN102099157B - 内置有用于克服地形的辅助轮的小型移动机器人 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用两个轮子保持姿势，可前后左右移动的小型移动机器人，尤其涉及在其内部内置辅助轮以克服地形高度差异的小型移动机器人。具备于本发明小型移动机器人的辅助轮，以附着于伺服电机的形式，通过远程控制驱动伺服电机；以使轮子移动至所需位置的形式，在平时行驶时，隐藏于机器人内部，但当遇到存在高度差异的地形时，下降以接触地面，当主轮爬上高的地形时，在后面起到支撑杆的作用。另外，本发明小型移动机器人具备用于检测障碍物的传感器和控制模块，从而在移动至目的地时可绕过障碍物移动，而且，还具备在移动中通过机器人之间的无线通信掌握位置的功能，及通过摄像头传递环境信息的功能。本发明小型移动机器人以附着辅助轮的形式，通过小的改变可在存在高度差异的地形中顺利移动，从而可通过简单的结构，获得高的经济效益。

Description

内置有用于克服地形的辅助轮的小型移动机器人

技术领域

本发明涉及与目前为止的工业机器人不同的，可向人类提供高层次的各种服务的小型移动机器人，尤其涉及内置有用于克服地形的辅助轮的小型移动机器人，其可用于无所不在的传感器网络(USN，Ubiquitous Sensor Network)或无所不在的机器人伴侣(URC，Ubiquitous Robotic Companion)用最下部装置，且其辅助轮平时隐藏于主体内部，但当遇到存在高度差异的地形时，辅助轮下降以接触地面，起到支撑杆的作用，而且，辅助轮只沿前进方向旋转，而不能反向旋转，从而有利于其通过存在高度差异的地形。

背景技术

最近，在全世界范围内，受机器人产业的快速发展和研究支援政策的鼓舞，对智能型服务机器人、工业用智能型机器人及用于特殊目的的智能型机器人的开发相当活跃，而且，为了提供高级功能的各种服务，重点开展对机器人功能和机器人移动的研究。尤其是，用于勘探、观测、警戒等目的的机器人，为使其在所需位置执行目标功能，需构建检测系统并添加通信技术、网络技术、各种移动功能、克服障碍物及极限地形的功能，以制造出具备获取可靠信息，扩大活动领域等高级功能的机器人。

通常，两轮移动机器人，较之两脚机器人及特殊形态的移动机器人，具有其移动机理简单，速度及经济性高等特点，但在特殊地形中的移动方面收到限制，因此，在进行容易移动的两脚机器人、多轮机器人及附着有特殊形态的驱动装置的机器人的研究。另外，两轮移动机器人或两轮服务机器人，较之现有技术的人形机器人及各种移动型机器人，具有其制作成本低廉，机理简单，但移动性好的特点。

上述两轮移动机器人1的一例如图1所示。上述两轮移动机器人1与一般现有技术的USN传感器节点不同，是可在移动中进行通信，且可在所需位置实时传递各种信息的可移动的两轮小型智能型机器人。上述两轮小型智能型机器人1在主体10的两侧具备两个轮子20a、20b，通过利用蓝牙的个人数字助理(PDA)30和机器人之间的无线通信方式，在PDA 30画面的控制窗口确认并控制机器人的移动(前进、后退、旋转等)/停止、摄像头影像信息监控等，而且，通过对直流(DC)电机的速度调节，可控制机器人的移动速度并检测各种传感器的信息。另外，也可添加利用遥控器40的控制功能，使用时，因有与机器人的移动相关的按钮(前进、后退、旋转等)/停止，而且还有速度调节按钮，从而可容易地在狭小空间移动并绕开阻碍移动的障碍物。

在一般USN系统中，为了在较宽的区域获取准确稳定的环境信息，需要多个传感器节点系统。但是像上述两轮小型移动机器人1，可相互进行通信，而且可移动，因此具有可扩大检测环境区域的优点，而且可最大限度地到达所需位置，从而可准确检测所要检测的目标值。

为了系统的顺利移动和动作控制，上述两轮小型移动机器人1利用陀螺仪传感器、加速度传感器及编码器，检测倾斜和惯性所产生的扭曲，并通过构建反馈补偿电路，保持姿势及平衡。另外，内置有用于检测障碍物及物体的传感器，从而可实时检测前后方状况，为回避提供信息。

另外，为达到系统的小型化目的，内置有用于影像及通信的整合模块，而这用于机器人之间的通信及与服务器之间的通信，而且，可在机器人的移动过程中交换位置信息。但是，上述具备优秀功能的两轮小型智能型机器人1，在移动至检测目的地时，若遇到特殊地形中的门槛等存在高度差异的地形时，则不能通过高度差异，出现两轮向后倒退的现象。因此，在存在高度差异的地形中，存在不能克服障碍物而倒退，从而不能前进至目的地的问题。

发明内容

本发明用于克服所述现有技术的不足，其目的在于构筑现有智能型机器人研究的基础技术并提供用于反向工程的，用于高层次个人服务的，高级功能的工业服务，提供一种通过容易地克服存在高度差异的地形，可用于现有智能型机器人技术的提高和USN及URC产业的高级功能的内置有用于克服地形的辅助轮的小型移动机器人。

本发明的另一目的在于，提供一种的内置有用于克服地形的辅助轮的小型移动机器人，其辅助轮平时隐藏，而当遇到存在高度差异的地形时，则辅助轮下降以克服地形，从而可容易地在小型狭窄地形中移动，而且，具备新的高级功能。

为了达到上述目的，本发明提供一种内置有用于克服地形的辅助轮的小型移动机器人，在可在移动中进行通信，且可在所需位置实时传递各种信息的可移动的两轮小型智能型机器人中，其特征在于，包括：

主体，两个主轮设置在其两侧；

伺服电机，搭载于所述主体且其旋转轴可正向/逆向旋转；

辅助轮，通过连接部连接于所述伺服电机的旋转轴；及

单向旋转部件，附着于上述辅助轮并只可沿辅助轮的行进方向旋转，而防止逆向旋转；

其中，所述辅助轮平时内置于主体内部，但当遇到存在高度差异的地形时，辅助轮下降以接触地面，逆向起到支撑杆的作用，正向起到旋转辅助轮的作用，从而所述小型移动机器人可通过存在高度差的地形。

另外，较佳地，本发明所述连接部，包括：第一连杆，其一侧端部连接于所述伺服电机的旋转轴；第二连杆，其一侧可旋转地连接于所述第一连杆的另一侧端部，而另一侧端部上可旋转地设置有所述辅助轮；而且，所述第二连杆可旋转地连接在具备于所述主体的铰链轴。

另外，较佳地，本发明所述第二连杆，在其中间形成长孔以连接于铰链轴，而所述铰链轴可沿所述长孔移动。

另外，较佳地，本发明所述连接部，在伺服电机沿第一方向旋转时，将辅助轮向上旋转至主体的上部侧空间，以内置于主体内部；而在伺服电机沿与所述第一方向相反的第二方向旋转时，将辅助轮从主体的上部侧空间向下旋转，以使其接触地面。

另外，较佳地，本发明所述辅助轮具备可旋转地设置于连接部末端的轮子，而且，在该轮子的一侧面设置单向旋转部件。

另外，较佳地，本发明所述辅助轮具备可旋转地设置于连接部末端的多个轮子，而且，在其一侧面设置单向旋转部件。

另外，较佳地，本发明所述单向旋转部件，包括：锯齿部件，固定于轮子的一侧面；制动杆，其端部挂接于所述锯齿部件；其中，所述制动杆的挂接于锯齿部件的其末端位置位于所述轮子的中心轴前方，从而允许辅助轮的正向旋转，防止逆向旋转。

另外，较佳地，所述单向旋转部件，向连接部的末端上部一侧形成突出部以可旋转地设置制动杆，而且所述突出部向轮子的外侧突出。

另外，较佳地，所述轮子的外周面形成有锯齿形糙面。

本发明具有如下效果：

首先，现有技术的移动机器人，为克服高度差异及地形需要复杂的结构设计或辅助装置，但本发明的小型移动机器人，其辅助轮平时隐藏于主体内部，而当遇到存在高度差异的地形时，下降以容易克服高度差异，从而可通过小的结构改变在存在高度差异的地形中顺利移动，因而可通过简单的结构，获得高的经济效益。

另外，因可附着各种形态的辅助轮可根据地形选择适合的辅助轮，从而可移动至各种移动区域。

不仅如此，通过附着辅助轮以在存在高度差异的地形或特殊地形中顺利通过，而且，在移动至目标位置的过程中，提供通过通信的环境信息及障碍物信息，从而可以各种方式应用于移动机器人领域。

因此，根据本发明可弥补现有技术的两轮智能型移动机器人的不足，容易克服存在高度差异的地形，可揭示新的高级功能的内置有辅助轮的小型移动机器人。

附图说明

图1为现有技术的两轮小型移动机器人的整体结构示意图；

图2为本发明内置有用于克服地形的辅助轮的小型移动机器人示意图；

图3为本发明内置有用于克服地形的辅助轮的小型移动机器人详细示意图，其中，图a)为主体和辅助轮分解示意图；图b)为表示连接部动作的详细示意图；

图4为本发明内置有用于克服地形的辅助轮的小型移动机器人侧面图，其中，图a)为后方侧面图；图b)为右侧面图；

图5为在本发明内置有用于克服地形的辅助轮的小型移动机器人中，安装锯齿结构轮子的结构示意图；

图6为本发明内置有用于克服地形的辅助轮的小型移动机器人通过存在高度差异的地形的过程示意图。

附图标记说明

1现有技术的两轮移动机器     10、110主体

20a、20b、112a、112b轮子    30PDA

40遥控器

100本发明内置有用于克服地形的辅助轮的小型移动机器人

120辅助轮                   122伺服电机

122a旋转轴                  130连接部

132第一连杆                 135第二连杆

140铰链轴                   142长孔

151、151′轮子              160单向旋转部件

162锯齿部件                 164制动杆

170突出部                   K存在高度差异的地形

具体实施方式

下面，结合附图对本发明较佳实施例进行详细说明。

如图2所示，本发明内置有用于克服地形的辅助轮的小型移动机器人100，具备辅助轮120以容易克服存在高度差异的地形。首先，说明本发明内置有用于克服地形的辅助轮的小型移动机器人100的运行机理。

本发明内置有用于克服地形的辅助轮的小型移动机器人100，是在将各种传感器和影像装置搭载于机器人平台的状态下移动，并检测所需位置的环境信息并将其通过无线通信传送的系统。基本而言，为移动而在主体110上具备两个主轮112a、112b，尤其是，在其后方具备辅助轮120，以克服存在高度差异的地形。

上述辅助轮120连接于设置在主体110后方的伺服电机122的旋转轴122a，从而在遇到存在高度差异的地形时，使辅助轮120下降以接触地面，从而起到支撑杆的作用。上述辅助轮120只沿前进方向旋转，而逆向旋转受限。上述辅助轮120设置于主体110的后面，而且，通过搭载于上述主体110的伺服电机122运行。所述伺服电机122的旋转轴122a可正向/逆向旋转，而且，辅助轮120通过连接部130连接于旋转轴122a。

如图3a、3b所示，所述连接部130，包括：第一连杆132，其一侧端部连接于所述伺服电机122的旋转轴122a；第二连杆135，其一侧可旋转地连接于所述第一连杆132的另一侧端部，而另一侧端部上可旋转地设置有所述辅助轮120。另外，如图所示，所述第二连杆135的长度大于第一连杆132，且可旋转地连接在具备于所述主体110的铰链轴140，而通过这样的结构，所述连接部130在伺服电机122的旋转轴122a沿第一方向旋转时，例如正向旋转时，使第一连杆132旋转，以通过第二连杆135将辅助轮120向上旋转至主体110的上部侧空间，如图2的虚线显示，内置于主体110内部。

与此不同，在沿与所述第一方向相反的第二方向旋转时，例如逆向旋转时，使第一连杆132反向旋转，以通过第二连杆135将辅助轮120从主体110的上部侧空间向下旋转，如图2的虚线显示，使其接触地面。

另外，所述第二连杆135在其中间形成长孔142以连接于铰链轴140，而在上述长孔142中，可沿所述长孔142移动地连接有所述铰链轴140。上述结构示于图3b中，而通过上述结构，即使伺服电机122的旋转轴122a和所述铰链轴140偏离同轴状态，也能通过伺服电机122的运行使第二连杆135旋转。即，在伺服电机122将辅助轮120下降至地面的如图2的实线和图3b的实线位置上，铰链轴140在长孔142中位于与辅助轮120较近的一侧，而在伺服电机122将辅助轮120内置于主体110内部的如图2及图3b的虚线位置上，铰链轴140在长孔142中位于与辅助轮120较远的位置。

另外，在本发明内置有用于克服地形的辅助轮的小型移动机器人1中，所述辅助轮120具备可旋转地设置于连接部130末端的轮子151，而且，在该轮子151的一侧面设置单向旋转部件160。此时，所述轮子151可具备圆盘结构，而且，如图2及图4a、4b所示，也可具备多个轮子151。

上述辅助轮120具备单向旋转部件160，以只沿行进方向，即主体110的前进方向旋转，而防止沿逆向，即主体110的后退方向旋转，而通过上述单向旋转部件160，当辅助轮120下降以与地面接触之后，逆向起到支撑杆的作用，而正向起到旋转辅助轮的作用。如图4b所示，所述单向旋转部件160，包括：锯齿部件162，固定于轮子151的一侧面；制动杆164，其端部挂接于所述锯齿部件162。

另外，所述制动杆164的挂接于锯齿部件162的其末端位置位于所述轮子151的中心轴前方，从而允许辅助轮120的正向旋转，而防止逆向旋转。

另外，如图5所示，所述单向旋转部件160向连接部130的末端上部一侧形成突出部170以可旋转地设置制动杆164，而在上述结构中，所述突出部170向轮子151′的外侧突出。尤其是，在上述结构中，在构成所述辅助轮120的轮子151′的直径小，且在其外周面形成锯齿形糙面。若形成如上所述的锯齿形糙面，则较之上述圆形轮151，具有可在表面不平的地形或一般地形中增加摩擦面，更减少倒退现象的优点。

如上所述，在本发明中，伺服电机122以可远程控制的形式连接于微控制器(未图示)，以可在外部控制，而且，在必要的状况，即只在遇到存在高度差异的地形时，通过远程控制下降至地面，而平时内置于主体内。

如图6所示，上述结构的本发明内置有用于克服地形的辅助轮120的小型移动机器人100，利用具备于主体110的两个主轮112a、112b移动至目的地。此时，与现有技术中一样，用户通过利用蓝牙的PDA与机器人之间的无线通信方式，在PDA画面的控制窗口确认并控制机器人的移动(前进、后退、旋转等)/停止、摄像头影像信息监控等，而且，通过对DC电机的速度调节，控制机器人的移动速度并检测各种传感器的信息。

与此同时，在使用遥控器时，利用与机器人的移动相关的按钮(前进、后退、旋转等)/停止及速度调节按钮，容易在狭小空间移动并绕开阻碍移动的障碍物。

如图6所示，在上述移动过程中，若遇到存在高度差异的地形K，则使辅助轮120下降以与地面接触，逆向起到支撑杆的作用，正向起到旋转辅助轮的作用，从而克服存在高度差异的地形。

此时，用户可通过内置于主体110的摄像头(未图示)，在远程PDA上容易确认存在高度差异的地形。即，若用户通过摄像头影像预先检测到行进方向一侧的存在高度差异的地形K，则将使辅助轮120下降，而在机器人将辅助轮120内置于主体110内的状态下后退时，因以整体上稍向前倾斜的状态移动，摄像头的方向指向稍向下的方向，从而操作者更容易检测存在高度差异的地形K，并根据上述信息通过PDA或遥控器远程启动伺服电机122，使辅助轮120下降。另外，操作者可利用控制器等随意使辅助轮下降至地面。

较佳地，在利用所述摄像头检测存在高度差异的地形K时，启动伺服电机122预先使内置于主体110后端部的辅助轮120下降至后面地面之后，在辅助轮120下降的状态下，接近存在高度差异的地形。此时，通过单向旋转部件160只沿前进方向旋转的辅助轮120，在因垂直存在高度差异的地形K，两个主轮112a、112b后退时，起到支撑杆的作用。即，在两个主轮112a、112b最大限度地接近垂直存在高度差异的面时，辅助轮120最终起到支撑两个主轮112a、112b后退的反作用力的支撑杆的作用，而通过上述力两个主轮112a、112b爬上存在高度差异的垂直面。

在上述情况下，单向旋转部件160在两个主轮112a、112b接触存在高度差异的地形而倒退时，通过使制动杆164挂接于锯齿部件162防止辅助轮120的逆向旋转。因此，主体110不向后方倒退而紧贴于存在高度差异的地形，且通过主轮112a、112b的旋转通过存在高度差异的地形。

此时，因两个主轮112a、112b的沿前进方向的力，向相反方向产生反作用力，从而通过该反作用力成分，在辅助轮120和地面的接触点部分形成力学关系。即，通过辅助轮120向地面作用的力的成分，向相反方向形成反作用力成分，而上述力作用于使主体110前进的方向，从而产生推力。因此，辅助轮120在小型移动机器人的后面起到推动机器人的作用，辅助产生克服存在高度差异的地形的力。

如上所述，现有技术的移动机器人，为克服高度差异及地形需要复杂的结构设计或辅助装置，但本发明小型移动机器人，其辅助轮120平时隐藏于主体110内部，而当遇到存在高度差异的地形K，辅助轮120下降以容易克服高度差异。因此，本发明以附着辅助轮120的小的改变可在存在高度差异的地形K中顺利移动，从而可通过简单的结构，获得高的经济效益。

另外，本发明因可附着锯齿形等各种形式的辅助轮120，从而可根据地形选择适合的辅助轮120，移动至各种移动区域。

不仅如此，本发明不仅在存在高度差异的地形或特殊地形中顺利通过，而且，在向移动至目标位置的过程中，通过通信提供环境信息及障碍物信息，从而可以各种方式应用于移动机器人领域。另外，本发明弥补现有技术的两轮智能型移动机器人的不足，容易克服存在高度差异的地形K，提供新的高级功能的内置有辅助轮120的小型移动机器人。

上述实施例仅用以说明本发明而非限制，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明进行修改、变形或者等同替换。例如，在辅助轮的轮子上附着用于防止滑动的摩擦系数高的衬层，或形成滚纹(knurling)等糙面，或具备多个轮子等。而在不脱离本发明的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (5)

1.一种内置有用于克服地形的辅助轮的小型移动机器人，在可在移动中进行通信，且可在所需位置实时传递各种信息的可移动的两轮小型智能型机器人中，其特征在于，包括：

主体，两个主轮设置在其两侧；

伺服电机，搭载于所述主体且其旋转轴可正向/逆向旋转；

辅助轮，通过连接部连接于所述伺服电机的旋转轴，所述辅助轮具备可旋转地设置在所述连接部的末端上的轮子，而且，在该轮子的一侧面设置有单向旋转部件；及

单向旋转部件，包括：锯齿部件，固定于所述轮子的一侧面；以及制动杆，其端部挂接于所述锯齿部件；

其中，所述制动杆的末端位于所述轮子的中心轴的前方，从而允许所述辅助轮的正向旋转，防止逆向旋转；

其中，所述辅助轮平时内置于所述主体的内部，但当遇到存在高度差异的地形时，所述辅助轮下降以接触地面，逆向起到支撑杆的作用，正向起到旋转辅助轮的作用，从而所述小型移动机器人可通过存在高度差的地形。

2.根据权利要求1所述的内置有用于克服地形的辅助轮的小型移动机器人，其特征在于：所述连接部，包括：第一连杆，其一侧端部连接于所述伺服电机的旋转轴；第二连杆，其一侧可旋转地连接于所述第一连杆的另一侧端部，而另一侧端部上可旋转地设置有所述辅助轮；而且，所述第二连杆可旋转地连接在具备于所述主体的铰链轴。

3.根据权利要求2所述的内置有用于克服地形的辅助轮的小型移动机器人，其特征在于：所述第二连杆，在其中间形成长孔以连接于铰链轴，而所述铰链轴可沿所述长孔移动。

4.根据权利要求2所述的内置有用于克服地形的辅助轮的小型移动机器人，其特征在于：所述连接部，在伺服电机沿第一方向旋转时，将辅助轮向上旋转至主体的上部侧空间，以内置于主体内部，而在伺服电机沿与所述第一方向相反的第二方向旋转时，将辅助轮从主体的上部侧空间向下旋转，以使其接触地面。

5.根据权利要求1所述的内置有用于克服地形的辅助轮的小型移动机器人，其特征在于：所述轮子的外周面形成有锯齿形糙面。

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