CN102180204A

CN102180204A - 移动机器人的导臂式前轮关节机构

Info

Publication number: CN102180204A
Application number: CN 201110106728
Authority: CN
Inventors: 宋爱国; 钱夔; 郭晏; 韩益利; 包加桐; 章华涛; 熊鹏文; 高鸣
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Jiangsu Haijian Co., Ltd.
Priority date: 2011-04-27
Filing date: 2011-04-27
Publication date: 2011-09-14
Anticipated expiration: 2031-04-27
Also published as: CN102180204B

Abstract

本发明公开了一种可在复杂路面行驶，具有较强越障能力的移动机器人的导臂式前轮关节机构，包括第一电机，蜗轮，蜗杆，旋转变压器，力矩传感器，导臂轴，第一导臂和第二导臂，第二电机，第一齿轮和第二齿轮，第一空心轴和第二空心轴，第一主动轮和第二主动轮，第三电机，第三齿轮与第四齿轮，第一随动轮与第二随动轮。本发明仅通过使用一个电机，实现导臂前轮的旋转。其自锁性能可以在移动机器人翻越障碍物时，车身与障碍物角度固定，具有更强的越障能力。旋转变压器可以测出导臂运动的绝对位置，控制更为灵活。力距传感器用于判断目前机器人有无遇到障碍。本发明结构简单，工作可靠，导臂式前轮大大提高了移动机器人的越障能力。

Description

移动机器人的导臂式前轮关节机构

技术领域

本发明属于地面移动机器人领域，具体涉及一种可在复杂路面行驶，具有较强越障能力的移动机器人的导臂式前轮关节机构。

背景技术

近年来，地面移动机器人已经广泛应用于探测、军事、排险、服务等各个领域，其中大部分移动机器人采用的移动平台是步行机构，轮式机构、履带机构等几种。步行机构控制复杂，能耗高；履带机构可爬陡坡，路面适应性好，但速度受到限制且能耗高。轮式机构能耗低，移动速度快，但越障性能不足，只适合在平地行驶。本发明提出一种移动机器人的导臂式前轮关节机构，在遇到障碍物时，可以利用导臂越过障碍物，在道路崎岖或空间狭小无法绕行环境下尤为有利。其灵活的越障方式与良好的越障性能大大提高了移动机器人的工作范围。

发明内容

本发明提出一种可在复杂路面行驶，具有较强越障能力的移动机器人的导臂式前轮关节机构。仅通过使用一个电机，实现导臂前轮的旋转，蜗轮蜗杆的传动机构实现导臂的自锁。在保持了移动机器人低能耗、高速性同时，具有了越障性能。遇到障碍物时，可以利用导臂越过障碍物，在道路崎岖或空间狭小无法绕行环境下，保证移动机器人正常工作。旋转变压器可以测出机器人导臂的绝对位置，结构简单，动作灵敏，且抗干扰能力强。力矩传感器用于判断机器人有无遇到障碍物。

本发明采用如下技术方案：

一种移动机器人的导臂式前轮关节机构，包括第一电机，蜗轮，蜗杆，旋转变压器，力矩传感器，导臂轴，第一导臂和第二导臂，第二电机，第一齿轮和第二齿轮，第一空心轴和第二空心轴，第一主动轮和第二主动轮，第三电机，第三齿轮与第四齿轮，第一随动轮与第二随动轮。旋转变压器装在第一电机后端，第一电机输出轴与蜗杆传动连接，蜗轮与导臂轴传动连接，力矩传感器装在导臂轴上，第一导臂固定在导臂轴的左端，第二导臂固定在导臂轴的右端，第一导臂顶端固定有第一随动轮，第二导臂顶端固定有第二随动轮；第二电机输出轴与第一齿轮传动连接，第一齿轮与第二齿轮啮合，第一空心轴固定连接在第二齿轮上，第一空心轴左端装有第一主动轮；第三电机输出轴与第三齿轮传动连接，第三齿轮与第四齿轮啮合，第二空心轴固定连接在第四齿轮上，第二空心轴右端装有第二主动轮；第一空心轴与第二空心轴均空套在导臂轴上，这就保证了导臂轴的独立运动，不影响主动轮的运动。上述机构均安装于移动机器人车身前部，保证重心前移，有利于提高机器人的越障能力。

第一电机通电后，将第一电机的高速旋转运动传递到固定在第一电机输出轴上的蜗杆上，通过蜗轮蜗杆组件传动，经过减速与变换后，蜗轮将动力传递到导臂轴上，分别固定在导臂轴左右两端的第一导臂和第二导臂随着导臂轴做旋转运动。根据旋转变压器可以测出机器人导臂的绝对位置。力矩传感器判断机器人有无遇到障碍物。

第二电机通电后，将第二电机的高速旋转运动传递到与第二电机输出轴固定的第一齿轮上，第一齿轮经过与第二齿轮啮合将动力传递到空套在导臂轴上的第一空心轴上，第一空心轴左端装有第一主动轮，第一主动轮随第一空心轴运动。

第三电机通电后，将第三电机的高速旋转运动传递到与第三电机输出轴固定的第三齿轮上，第三齿轮经过与第四齿轮啮合将动力传递到空套在导臂轴上的第二空心轴上，第二空心轴右端装有第二主动轮，第二主动轮随第二空心轴运动。

考虑到移动机器人的低能耗、高速性，主动轮驱动部分采用电机经小齿轮与大齿轮啮合后传动，结构简单又有较高了能量利用效率。移动机器人的转向方式为差动，通过设定第二电机与第三电机不同的速度控制量，可以实现任意方向的转动。

与现有技术相比，本发明有很多有益效果。目前移动机器人导臂关节多用于履带机器人上，其结构主要有两种，一种为直齿锥齿轮传动，对装配要求较高，而且两根导臂需要两个电机分别控制，增加了成本，同时两个电机控制两根导臂，极有可能导致两根导臂不在同一空间水平位置上，这样移动机器人在负重翻越障碍物时，导臂受力不均匀，车身重量某一时刻会完全压在某一根导臂上，导致轴的断裂和直齿锥齿轮的损坏；另一种结构是导臂与履带均由电机直接驱动，这四个电机分别控制，而且对电机要求较高，既要满足一定的转速，又要足够的转矩输出，一般需要定制，成本仍然很大。本发明仅通过一个电机，控制两根导臂的旋转运动，既降低系统故障率，又节省了成本，还避免了导臂受力不均匀现象，同时利用蜗轮蜗杆组件的自锁特性，可以在移动机器人翻越障碍物时，车身与障碍物角度固定，且此角度可控，具有更强的越障能力，更重要的是在移动机器人越障时发生突然掉电等系统故障时具有姿态保持功能，防止车身的摔落和与障碍物的碰撞，最大限度地保护了机器人。同时利用旋转变压器直接得到导臂运动的绝对位置，没有误差累计，且不用担心断电后找零位问题。

在判断障碍物距离问题上，一般技术手段主要有摄像头、超声、红外、激光。通过摄像头观测没有距离感，有时即使机器人已经遇到障碍物，远端操作人员也无法进行准确的判断，这时如果仍继续前进，会造成机器人与障碍物的碰撞，给机器人造成损坏；超声存在盲区，想避免盲区得在机器人前端布上多个超声传感器，安装及控制都极为不便。红外精度低，方向性差；激光成本高且光学系统需要保持干净，否则将影响测量。本发明利用力矩传感器判断机器人是否遇到障碍物问题，以决定是否需要导臂运动来越障。当机器人抬起导臂前进时，如果遇到障碍物，导臂就会受到阻力，导臂轴就会存在这个阻力的力矩，通过装在导臂轴上的力矩传感器能得到该力矩的大小，继而判断机器人是否遇到障碍物，以决定是否需要导臂运动来越障。当没有遇到障碍物时，继续前进，当遇到障碍物时，停止前进，利用导臂越过障碍物后再继续前进。

附图说明

图1是本发明总体结构示意图。

图2是本发明中装有力矩传感器的导臂轴的半剖图。

附图中，1—车体，2—第一电机，3—旋转变压器，4—力矩传感器，5—蜗杆，6—蜗轮，7—导臂轴，81—第一导臂，82—第二导臂，91—第一随动轮，92—第二随动轮，101—第二电机，102—第三电机，111—第一齿轮，112—第二齿轮，113—第三齿轮，114—第四齿轮，121—第一空心轴，122—第二空心轴，131—第一主动轮，132—第二主动轮，14—固定座。

具体实施方式

一种移动机器人的导臂式前轮关节机构，包括第一电机2，蜗轮6，蜗杆5，旋转变压器3，力矩传感器4，导臂轴7，第一导臂81和第二导臂82，第二电机101，第一齿轮111和第二齿轮112，第一空心轴121和第二空心轴122，第一主动轮131和第二主动轮132，第三电机102，第三齿轮113与第四齿轮114，第一随动轮91与第二随动轮92。旋转变压器3装在第一电机2后端，第一电机2输出轴与蜗杆5传动连接，蜗轮6与导臂轴7传动连接，力矩传感器4装在导臂轴7上，第一导臂81固定在导臂轴7的左端，第二导臂82固定在导臂轴7的右端，第一导臂81顶端固定有第一随动轮91，第二导臂82顶端固定有第二随动轮92；第二电机101输出轴与第一齿轮111传动连接，第一齿轮111与第二齿轮112啮合，第一空心轴121固定连接在第二齿轮112上，第一空心轴121左端装有第一主动轮131；第三电机102输出轴与第三齿轮113传动连接，第三齿轮113与第四齿轮114啮合，第二空心轴122固定连接在第四齿轮114上，第二空心轴122右端装有第二主动轮132；第一空心轴121与第二空心轴122均空套在导臂轴7上，这就保证了导臂轴的独立运动，不影响主动轮的运动。

下面结合附图对本发明的工作原理做进一步说明。一种移动机器人的导臂式前轮关节机构，如图1所示，第一电机2通电后，将第一电机2的高速旋转运动传递到固定在第一电机2输出轴上的蜗杆5上，通过蜗轮蜗杆组件传动，经过减速与变换后，蜗轮6将动力传递到导臂轴7上，固定在导臂轴7左端的第一导臂81和固定在导臂轴7右端的第二导臂82随着导臂轴7做旋转运动。根据旋转变压器3可以测出机器人导臂的绝对位置。导臂轴7上装有力矩传感器4，当机器人抬起导臂前进时，如果遇到障碍物，导臂就会受到阻力，导臂轴就会存在这个阻力的力矩，通过装在导臂轴7上的力矩传感器4能得到该力矩的大小，继而判断机器人是否遇到障碍物，以决定是否需要导臂运动来越障。当没有遇到障碍物时，继续前进，当遇到障碍物时，停止前进，利用导臂越过障碍物后再继续前进。

第二电机101通电后，将第二电机101的高速旋转运动传递到与第二电机101输出轴固定的第一齿轮111上，第一齿轮111经过与第二齿轮112啮合将动力传递到空套在导臂轴7上的第一空心轴121上，第一空心轴121左端装有第一主动轮131，第一主动轮131随第一空心轴121运动。第三电机102通电后，将第三电机102的高速旋转运动传递到与第三电机102输出轴固定的第三齿轮113上，第三齿轮113经过与第四齿轮114啮合将动力传递到空套在导臂轴7上的第二空心轴122上，第二空心轴122右端装有第二主动轮132，第二主动轮132随第二空心轴122运动。

图2是装有力矩传感器的导臂轴的半剖图，当机器人抬起导臂前进时，如果遇到障碍物，导臂就会受到阻力，导臂轴就会存在这个阻力的力矩，通过装在导臂轴上的力矩传感器能得到该力矩的大小，继而判断机器人是否遇到障碍物，以决定是否需要导臂运动来越障。当没有遇到障碍物时，继续前进，当遇到障碍物时，停止前进，利用导臂越过障碍物后再继续前进。避免了因传统观测上存在盲区而导致机器人遇到障碍物仍继续前进造成机器人损坏的问题。

Claims

1.一种移动机器人的导臂式前轮关节机构，其特征在于，包括第一电机（2），蜗轮（6），蜗杆（5），旋转变压器（3），力矩传感器（4），导臂轴（7），第一导臂（81）和第二导臂（82），第二电机（101），第一齿轮（111）和第二齿轮（112），第一空心轴（121）和第二空心轴（122），第一主动轮（131）和第二主动轮（132），第三电机（102），第三齿轮（113）与第四齿轮（114），第一随动轮（91）与第二随动轮（92），旋转变压器（3）装在第一电机（2）后端，第一电机（2）输出轴与蜗杆（5）传动连接，蜗轮（6）与导臂轴（7）传动连接，力矩传感器（4）装在导臂轴（7）上，第一导臂（81）固定在导臂轴（7）的左端，第二导臂（82）固定在导臂轴（7）的右端，第一导臂（81）顶端设有第一随动轮（91），第二导臂（82）顶端设有第二随动轮（92）；第二电机（101）输出轴与第一齿轮（111）传动连接，第一齿轮（111）与第二齿轮（112）啮合，第一空心轴（121）固定连接在第二齿轮（112）上，第一空心轴（121）左侧装有第一主动轮（131）；第三电机（102）输出轴与第三齿轮（113）传动连接，第三齿轮（113）与第四齿轮（114）啮合，第二空心轴（122）固定连接在第四齿轮（114）上，第二空心轴（122）右侧装有第二主动轮（132）；第一空心轴（121）与第二空心轴（122）均空套在导臂轴（7）上。