CN102267508A - 双轮滚动爬行混合运动装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种双轮滚动爬行混合运动装置，包括在驱动下可进行位移的双轮式行走部、与所述行走部连接而随其同步位移的越障爪部，还包括控制所述越障爪部伸缩的传动部。采用本发明，其双轮式行走部在一定的驱动下可实现平地行走，而当遇到障碍物如土坡时，行走部减速，越障爪部在惯性下倒向前方障碍物且其末端爪可抓紧在障碍物上，传动部动作将行走部向越障爪部末端拉近，从而带动整个装置越过障碍物而到达越障爪部末端所在位置，加速行进，则越障爪部受惯性而倒在行走部后方，而不影响行走部的正常前行。

Description

双轮滚动爬行混合运动装置

技术领域

本发明涉及双轮滚动装置，更具体地说，涉及一种能够攀越障碍物的双轮滚动爬行混合运动装置。

背景技术

移动机器人及移动装置在各行各业有着广阔的应用，其中采用轮式移动具有低成本、机构和控制简单、移动高速稳定、高能量利用率等优点。现有轮式移动装置大都以四轮传动机构作为动力系统，其劣势在于系统的占地面积较大、转弯半径较大、行动不灵活。因此，研究方向趋于向双轮式发展。

但双轮式移动装置也有一些缺陷，一方面是采用双轮式结构，其平衡性差，很难保持整机在竖直方向的平衡，另一方面是双轮式结构缺少支点，攀爬、越障碍的能力差。这两方面的缺陷大大限制了双轮式移动装置的应用。针对双轮式存在的平衡问题，国内外研究者通过一系列复杂的传感器、陀螺回旋阵列装置、计算机控制系统、测距仪等系统在某种程度上来说在平衡问题上取得了一定进展，但越障能力依然没有得到解决。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述现有技术的双轮式移动装置越障能力差的缺陷，提供一种能够翻越障碍的双轮滚动爬行混合运动装置。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种双轮滚动爬行混合运动装置，包括在驱动下可进行位移的双轮式行走部、与所述行走部连接而随其同步位移的越障爪部，还包括控制所述越障爪部伸缩的传动部。

在本发明所述的双轮滚动爬行混合运动装置中，所述行走部包括左轮组件和右轮组件，所述左轮组件和右轮组件均包括输出转动力矩的驱动机构、将所述转动力矩转化为转速的变速机构、与所述变速机构连接且以所述转速同步转动的轮轴、装在所述轮轴上绕其转动的轮盘。

在本发明所述的双轮滚动爬行混合运动装置中，所述左轮组件与右轮组件的两个驱动机构独立运行。

在本发明所述的双轮滚动爬行混合运动装置中，所述驱动机构为驱动电机。

在本发明所述的双轮滚动爬行混合运动装置中，所述越障爪部包括第一关节臂和第二关节臂，所述第一关节臂一端与所述行走部连接，另一端与所述第二关节臂通过枢轴连接且置于地面上。

在本发明所述的双轮滚动爬行混合运动装置中，所述第二关节臂具有可钩抓在障碍物上的爪形末端。

在本发明所述的双轮滚动爬行混合运动装置中，所述传动部装在所述第一关节臂上，并与所述第一、第二关节臂构成四连杆机构。

在本发明所述的双轮滚动爬行混合运动装置中，所述传动部包括装在所述第一关节臂上的舵机、装在所述舵机上随其轴转动的转盘以及一端与所述转盘上一位置点球状旋转铰接、另一端与所述第二关节臂球状旋转铰接的连杆。

在本发明所述的双轮滚动爬行混合运动装置中，还包括位于所述行走部之上的承载物件的承载部。

在本发明所述的双轮滚动爬行混合运动装置中，还包括控制所述行走部和传动部的/或运行状态的控制模块。

实施本发明的双轮滚动爬行混合运动装置，具有以下有益效果：双轮式行走部在一定的驱动下可实现平地行走，而当遇到障碍物如土坡时，行走部减速，越障爪部在惯性下倒向前方障碍物且其末端爪可抓紧在障碍物上，传动部动作将行走部向越障爪部末端拉近，从而带动整个装置越过障碍物而到达越障爪部末端所在位置，加速行进，则越障爪部受惯性而倒在行走部后方，而不影响行走部的正常前行。

同时，优选的第一、第二关节臂所构成的越障爪部结构简单，可伸可缩，在正常行进时收缩而减小空间体积，抓障碍物时则伸长以抓牢障碍物；

另外，优选的曲柄连杆机构，采用最简单的传动方式以节省的空间体积，可实现第一、第二关节臂的大角度开合；

进一步地，本发明的行走部、传动部和越障爪部均可配合利用传感器、控制电路、遥控技术等多个控制模块，实现对三者运行状态的精确控制，增强双轮滚动爬行混合运动装置的智能化。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明双轮滚动爬行混合运动装置的优选实施例的结构示意图；

图2是图1所示实施例自中间向右轮组件看去的侧视图；

图3a是图1所示实施例在行走时的结构图；

图3b显示图3a所示实施例减速时越障爪部抬起；

图3c显示越障爪部勾抓住障碍物；

图3d显示传动部运行使行走部沿障碍物行进以向越障爪部末端靠近；

图3e显示装置越过障碍物。

附图中各标号对应名称为：

1第二关节臂；100爪形末端；2舵机；200转盘；3第一关节臂；4轮盘；5球形旋转副；6电机；7齿轮组；8连杆；9地面；10枢轴。

具体实施方式

本发明涉及一种可以翻越障碍的双轮滚动爬行混合运动装置，其至少包括行走部、越障爪部和传动部。

如图1、图2所示，行走部用于驱动整个装置行走，尤其是水平或有一定坡度的地面等环境。在本优选实施例中，行走部为双轮式结构，其包括左轮组件和右轮组件，每个组件均包括轮盘4、轮轴、变速机构和驱动机构，以实现行走功能。

其中，驱动机构输出转矩，变速机构与驱动机构连接并将转矩以一定的转速输出。变速机构的输出端与轮轴相连，带动装在轮轴上的轮盘4同步转动，轮盘4即可在地面9上行进而带动整个双轮滚动爬行混合运动装置行走。

优选地，驱动机构采用驱动电机6，变速机构采用齿轮组7。同时，本发明中左轮组件和右轮组件的驱动机构如驱动电机6可共用从而同步运转，也可两驱动机构各自独立运行。优选地，采用两驱动机构各自独立运行，则当需要转向拐弯时，可调整两个驱动机构的输出，使两个轮盘4的转速不同，即可实现转弯。

如图1、图2所示，越障爪部包括第一关节臂3和第二关节臂1。其中，第一关节臂3一端与行走部连接，更具体来说，是与驱动机构连接，另一端通过枢轴10与第二关节臂1的一端连接。在自然状态下，第一关节臂3的连接有枢轴10的一端与轮盘4底部持平。因此，在行走时，第一关节臂3一端托在地面9等行走表面上，作为除两轮盘4的两支点外的第三支点，起到保持两轮行走部的平衡支撑作用。

第二关节臂1一端与第一关节臂3枢轴连接，另一端呈内弯的爪形末端100，且弯曲方向是朝向装置前方。同时，由于第一、第二关节臂通过枢轴10连接，二者可绕枢轴10相对转动，从而形成不同的夹角。在行走状态，第二关节臂1叠合在第一关节臂3上保持收缩，二者之间具有较小的夹角，以减小装置的整体体积；当需要攀越障碍物，则二者之间角度增大，第二关节臂1张开，二者形成较长的臂，使爪形末端100可以伸到障碍物处并勾挂到障碍物背面上。

第一、第二关节臂之间的角度调整是通过传动部来实现的。如图1、图2所示，本实施例中的传动部包括舵机2、转盘200和连杆8。其中，舵机2固定连接到第一关节臂3上靠近驱动机构的位置，舵机2外端面安装有转盘200，舵机2可带动转盘200绕其轴转动。连杆8一端与转盘200周向的一位置点铰接，另一端铰接到第二关节臂1上。优选地，采用球形旋转副5的铰接方式。

因此，第一关节臂3、第二关节臂1、连杆8和转盘200构成了四连杆机构。转盘200转动，可拉动连杆8进而拉动第二关节臂1折向第一关节臂3或者远离第一关节臂3，从而使得第一、第二关节臂之间收缩叠合或者张开伸长，进一步地，连接到第一关节臂3上的行走部向第二关节臂1的爪形末端100靠近或远离。

图3a至图3e显示了本发明的双轮滚动爬行混合运动装置攀越障碍物的动作过程。

如图3a所示，在自然行走状态，第二关节臂1叠合到第一关节臂3上，第一关节臂3末端置于行走表面上作为两轮组件的支撑点；

如图3b所示，当遇到障碍物时，行走部减速，第一、第二关节臂受惯性的影响继续前行而发生翻转，第一关节臂3末端扬起，此时控制传动部运行，连杆8动作而撑开第二关节臂1，使整个越障爪部伸长，行走部远离爪形末端100；

如图3c所示，第一、第二关节臂继续翻转，爪形末端100倒在行走部前面的障碍物上，并勾挂到障碍物背面；

如图3d所示，控制传动部动作，使连杆8拉紧第二关节臂1使越障爪部收缩叠合，由于第二关节臂1爪形末端100挂在障碍物上定位，则第一关节臂3在连杆8作用下向第二关节臂1运动，并带动行走部沿障碍物表面移动而逐渐靠近第二关节臂1的爪形末端100；

如图3e所示，行走部被第一关节臂3和连杆8带动而爬上障碍物，继续控制传动部运行至第一、第二关节臂叠合，当行走部向下运动离开障碍物，整个装置加速，第一、第二关节臂同样在惯性的作用下相对向后翻转，继而回到图3a所示的平地运行状态。

因此，采用本发明的双轮滚动爬行混合运动装置，不仅具有第一关节臂3作为第三支点，保证两轮行走部在平地行走时的平衡；其越障爪部在传动部的作用下可实现伸缩，能模仿爪子的动作在伸手抓紧障碍物的同时拉动行走部攀爬至并越过障碍物。

需要说明的是，本发明的双轮滚动爬行混合运动装置并不限定按照上述图3a至3e所显示的动作状态进行攀越障碍物，其还可采用其他可实现的攀越方式，例如上述动作是越障爪部拉行走部的过程，相反的，还可采用前者推后者的过程。进一步来说，本发明的第二关节臂可相对行走部反方向地枢轴连接到第一关节臂上，使得第一、第二关节臂形成向后的折弯结构；当需要爬越障碍物时，第一关节臂的爪形末端抵在地面上，传动部动作而推开第一、第二关节臂之间夹角，从而推动第一关节臂和行走部向前运动，行走部爬上障碍物后，再控制传动部动作，收起第一关节臂离开地面，整个装置继续行走。

还需要说明的是，本发明的行走部并不仅限为本实施例所述的齿轮组7、驱动电机6等构成，实现对驱动机构所输出的转矩进行转换来实现变速的变速机构还以是皮带轮传动机构、链条传动机构等；甚至，本发明的左轮组件、走轮组件可不含有变速机构，其只要选择可输出合适的转矩的驱动机构即可。

本发明的传动部也并不限定为本实施例所述的四连杆机构，其可以为任何可控制越障爪部伸缩的机构，例如，传动部可以为连接第一、第二关节臂的液压缸或者气缸，所述液压缸或气缸固定端连接到第一关节臂3中间或者靠近枢轴10的位置上，输出的升降杆则用于提拉第二关节臂1向第一关节臂3叠合或张开；又例如，传动部可为菱形折叠伸缩机构，其通过多根杆交叉铰接依次形成多个菱形，将此结构一端与第一关节臂3连接，另一端与第二关节臂1连接，则此菱形折叠伸缩机构折叠时可缩短第一、第二关节臂之间的距离减小二者之间的夹角，伸长则可使第一、第二关节臂之间夹角张大。其它具体实施方式本文不再赘述。总之，能实现将行走部向越障爪部拉近的机构有各种形式，均为本发明的传动部。

同样，本发明的越障爪部并不限定为有第一、第二关节臂枢轴连接而构成，可在行走状态随行走部一起移动、在越障状态则抓紧障碍物的越障爪部也有很多实现方式，例如，本发明的越障爪部可由钩爪和柔性链构成，则本发明相应设有在遇到障碍物时将钩爪抛出而挂到障碍物上的抛射或者弹射机构，传动部则可对应地为用于卷绕所述柔性链的卷筒。上述所例举的具体实施方式，均属于本发明的越障爪部，因此属于本发明保护范围之内。

进一步地，为了扩展本发明双轮滚动爬行混合运动装置的功能，行走部之上设置有承载部，用于承载一些合适尺寸和重量的物件，此功能尤其适用于人员不适合或者不方便携带所述物件的场合。

更进一步地，为了提高本发明双轮滚动爬行混合运动装置的适应性和精确性，所述双轮滚动爬行混合运动装置上还设置有控制行走部和/或传动部和/或越障爪部的运行状态的控制模块。例如，针对上述优选实施例，控制模块可包括为驱动机构提供电力的电源组件，也可包括分别控制左轮组件和右轮组件的转速的控制电路板，控制模块还可包括检测行走加速度以确定是否遇到障碍物的加速度传感器、检测加速度传感器的信号并判断是否发送信号以驱动舵机2转动从而伸开第一、第二关节臂3、1准备抓紧障碍物的检测电路。当然，本发明的控制模块可具有上述一种或多种控制单元，上述一种控制单元或多种控制单元的组合均属于本发明的控制模块所述范围。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (10)

1.一种双轮滚动爬行混合运动装置，其特征在于，包括在驱动下可进行位移的双轮式行走部、与所述行走部连接而随其同步位移的越障爪部，还包括控制所述越障爪部伸缩的传动部。

2.根据权利要求1所述的双轮滚动爬行混合运动装置，其特征在于，所述行走部包括左轮组件和右轮组件，所述左轮组件和右轮组件均包括输出转动力矩的驱动机构、将所述转动力矩转化为转速的变速机构、与所述变速机构连接且以所述转速同步转动的轮轴、装在所述轮轴上绕其转动的轮盘(4)。

3.根据权利要求2所述的双轮滚动爬行混合运动装置，其特征在于，所述左轮组件与右轮组件的两个驱动机构独立运行。

4.根据权利要求3所述的双轮滚动爬行混合运动装置，其特征在于，所述驱动机构为驱动电机(6)。

5.根据权利要求1所述的双轮滚动爬行混合运动装置，其特征在于，所述越障爪部包括第一关节臂(3)和第二关节臂(1)，所述第一关节臂(3)一端与所述行走部连接，另一端与所述第二关节臂(1)通过枢轴(10)连接。

6.根据权利要求5所述的双轮滚动爬行混合运动装置，其特征在于，所述第二关节臂(1)具有可钩抓在障碍物上的爪形末端(100)。

7.根据权利要求5所述的双轮滚动爬行混合运动装置，其特征在于，所述传动部装在所述第一关节臂(3)上，并与所述第一、第二关节臂构成四连杆机构。

8.根据权利要求7所述的双轮滚动爬行混合运动装置，其特征在于，所述传动部包括装在所述第一关节臂(3)上的舵机(2)、装在所述舵机(2)上随其轴转动的转盘(200)以及一端与所述转盘(200)上一位置点球状旋转铰接、另一端与所述第二关节臂(1)球转旋转铰接的连杆(8)。

9.根据权利要求1所述的双轮滚动爬行混合运动装置，其特征在于，还包括位于所述行走部之上的承载物件的承载部。

10.根据权利要求1所述的双轮滚动爬行混合运动装置，其特征在于，还包括控制所述行走部和/或传动部和/或越障爪部的运行状态的控制模块。

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