CN102407893A - 一种轮腿结合移动机器人 - Google Patents

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路敦民
王磊
高道祥
田野
李琼砚
钱桦
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Abstract

本发明提出了一种轮腿结合移动机器人,涉及机器人技术领域。它由车体框架系统、主动轮单元、从动轮单元、腿式结构单元、轮式升降结构、电源、控制系统等组成。车体框架系统采用了角铝与方形铝管支撑结构,采用底板与电源罩相结合的方式保护电源与控制电路。前、后轮运动单元布置于车体左右两侧,四个腿式结构运动单元分别布置于车体的前后两端。前轮单元采用直流伺服电机驱动,为主动轮,后轮单元为从动轮。轮式升降结构由直流伺服电机、弹性联轴器、直齿轮、转轴、防护罩以及必要的电机支架组成。电源由两个蓄电池组成。控制系统采用DSP和单片机的两级控制方案。本发明可以在平坦及复杂的路面上行驶,对非结构化环境具有良好的适应性。

Description

(-)技术领域
[0001] 本发明涉及机器人技术领域,具体为一种轮腿结合移动机器人。
(二)背景技术
[0002] 移动机器人是一种具有移动功能的机器人,比一般机器人具有更大的机动性、灵活性。在代替人从事危险、恶劣和人所不及的环境作业方面,具有很大的优势。传统的移动机器人一般采用轮式、履带式、腿式等单一移动机构。与传统意义上的移动机器人相比,轮腿结合移动机器人具有更强的非结构化地形适应性,不仅可以在平坦的地面上行进,而且可以穿越野外崎岖地形。轮腿结合移动机器人在航天科考、救灾排险、军事侦察、防暴反恐等领域具有广泛的应用前景。
(三)发明内容
[0003] 本发明的目的是公开一种轮腿结合移动机器人,它可以适应非结构化环境。在平坦路面上采用轮式结构实现高速行驶;当遇到复杂路面时,通过轮式升降结构实现轮式运动模式与腿式运动模式之间的切换,通过或避开障碍物。
[0004] 本发明所提出的轮腿结合移动机器人组成和原理如下:
[0005] 它由车体框架系统、主动轮单元、从动轮单元、腿式结构单元、轮式升降结构、电源、控制系统等组成;车体框架系统采用了角铝与方形铝管支撑结构,车体底部布置有底板,采用底板与电源罩相结合的方式保护电源与控制电路板;两个前轮运动单元、两个后轮运动单元布置于车体左右两侧,四个腿式结构运动单元分别布置于车体的前后两端;前轮单元采用直流伺服电机驱动,为主动轮;后轮单元为从动轮;轮式升降结构由直流伺服电机、弹性联轴器、直齿轮、转轴、防护罩以及必要的电机支架组成;电源由两个蓄电池组成, 为前轮单元、腿式结构单元、控制系统供电;控制系统采用上下两级控制方案,上位机采用 DSP,下位机采用单片机。
[0006] 本发明还有其它一些特征:
[0007] 1.所述的轮腿结合移动机器人的前轮单元,其特征是采用直流伺服电机驱动,由十字联轴器、锥齿轮轴将运动传递至前车轮,车轮采用普通轮胎,整个前轮单元由两个电机支架、一个轴承座支架、两个轮支架支撑;在直流伺服电机中安装有编码器,通过控制系统构成半闭环系统。
[0008] 2.所述的轮腿结合移动机器人的后轮单元,其特征是由轮支架、套筒、车轮轴、车轮、轴端挡圈等组成,无动力源。后轮运动单元为从动轮,车轮采用普通轮胎。
[0009] 3.所述的轮腿结合移动机器人的腿式结构运动单元,其特征是由髋关节、髋部、大腿关节、大腿、小腿关节、小腿组成。
[0010] 4.所述的腿式结构运动单元,其特征是在髋关节中采用舵机驱动,由舵机支架、舵机、舵盘组成;
[0011] 5.所述的腿式结构运动单元,其特征是髋部采用U形铝板支撑,与大腿关节采用轴连接形式。
[0012] 6.所述的腿式结构运动单元,其特征是在腿关节和大腿处由大腿板、蜗轮蜗杆机构、轴承座、滚动轴承、蜗轮轴、套筒、键等组成,由直流伺服电机驱动,在其中安装有与直流伺服电机配套的编码器测速,通过控制系统构成半闭环系统。
[0013] 7.所述的腿式结构运动单元,其特征是小腿关节和小腿处由小腿板、小腿底、蜗轮蜗杆机构、轴承座、滚动轴承、蜗轮轴、套筒、键等组成,由直流伺服电机驱动,在其中安装有与直流伺服电机配套的编码器测速,通过控制系统构成半闭环系统。
[0014] 8.所述的腿式结构运动单元,其特征是小腿底采用弧形结构,与小腿板构成密闭式结构,保护小腿关节处的直流伺服电机。
[0015] 9.所述的轮腿结合移动机器人,其特征是可以采用遥控操作模式或自主运行模式运行。操作者采用遥控操作模式时,机器人转弯、加速、减速、制动、轮腿运动单元切换等指令均来自遥控器遥控信号。
[0016] 采用自主运行模式时,机器人机载控制器根据传感器(检测现场环境)发送回的信号进行分析计算,向机器人执行机构发送转弯、加速、减速、制动、轮腿运动单元切换等指令
[0017] 10.所述的轮腿结合移动机器人,其特征是在使用车轮单元运动时,通过对两个前轮运动单元中的直流伺服电机的运动控制实现转向、加速、减速、制动等功能。
[0018] 11.所述的轮腿结合移动机器人,其特征是在路况较好时,采用轮式运动时,其特征是腿式结构收放于机器人顶部。在路况不好时采用腿式结构行走,将腿式结构放下,支撑机器人,通过轮式升降结构中转轴的旋转运动,驱动轮式结构运动单元的支架,从而使四个车轮离开地面。
[0019] 12.所述的轮腿结合移动机器人,其特征是采用腿式结构行走时,通过每个腿式结构的直流伺服电机、舵机的控制实现机器人转向、加速、减速等功能。
[0020] 13.所述的轮腿结合移动机器人。其特征是在机器人前端与底部安装有障碍检测传感器,机器人重心位置安装平衡传感器,机器人腿部运动单元底部安装压力传感器等。
(四)附图说明
[0021] 图1是本发明轮腿结合移动机器人的正视图。
[0022] 图2是本发明轮腿结合移动机器人的俯视图。
[0023] 图3是本发明轮腿结合移动机器人的左视图。
[0024] 图4是本发明轮腿结合移动机器人前轮运动单元正视图。
[0025] 图5是本发明轮腿结合移动机器人前轮运动单元左视图。
[0026] 图6是本发明轮腿结合移动机器人后轮运动单元正视图。
[0027] 图7是本发明轮腿结合移动机器人后轮运动单元左视图。
[0028] 图8是本发明轮腿结合移动机器人腿式结构单元正视图。
[0029] 图9是本发明轮腿结合移动机器人腿式结构单元左视图。
[0030] 图10是本发明轮腿结合移动机器人腿式结构单元俯视图。
(五)具体实施方式[0031] 结合附图1-10,对本发明的具体实施方式作进一步描述(实施方式中出现的零件标号以总装配图图中的零件标号为准)
[0032] 如图1-10所示本发明实例由车体框架系统、主动轮单元、从动轮单元、腿式结构单元、轮式升降结构、电源、控制系统等组成。
[0033] 车体框架系统是整个机器人的框架和基础,其它机构都安装于其上。如附图1所示,它由角铝(500) 1、角铝000)48、正方形支撑铝管6构成。两个前轮运动单元和两个后轮运动单元分别安装在车体的左右两侧,前、后论运动单元成对称梯形布置;四个腿式结构运动单元分别安装在车体的前后两端,成矩形布置。两个直流伺服电机96分别通过弹性联轴器、直齿轮(52、99)驱动前轮转轴58和后轮转轴84,通过前、后轮转轴的旋转带动前、后轮运动单元的支架相对于转轴中心轴线旋转,改变四轮与地面的高度,从而完成轮式结构和腿式结构的切换。前轮运动单元为主动轮,后轮运动单元为从动轮,主动轮差速实现转向。 前轮直流伺服电机62在控制系统作用下可以实现实现速度控制、制动、转弯等功能。
[0034] 轮式升降机构分为前轮升降机构、后轮升降机构。分别由直流伺服电机96、弹性联轴器(50、55、56)、轴承座3、直齿轮(52、99)、转轴(前轮转轴58、后轮转轴84)、防护罩以及必要的电机支架(电机支架(3)49、电机支撑0)86)组成。为保证结构的强度,采用双重支架,包括支架(3)95、支架(由方形管57、方形管连接76构成)。在电机96驱动下,带动转轴58、84正反向旋转,实现轮式结构单元的升降,完成轮足运动模式的切换。当遇到小型障碍物或者涉浅水时,通过升降结构抬高机器人底部与地面的距离通过障碍物, 也可在转弯、爬坡的时候通过升降结构降低机器人的重心,提高机器人行驶的稳定性,防止纵向倾覆、侧向倾覆的发生。
[0035] 前轮运动单元由前轮直流电机62、前轮电机支架0)63、前轮电机支架(1)65、前轮电机轴套66、十字连轴器67、大圆锥齿轮轴68、前轮轴承套支座69、前轮支架(1) 2、前轮支架O) 70、小锥齿轴套套筒(5) 71、锥齿轮轴套72、小圆锥齿轮轴73、前车轮22及必要的轴承与紧固零件组成,结构图如附图4、附图5所示。前轮直流电机62在给定速度下运转, 经过减速器、十字联轴器67、大圆锥齿轮轴68、小圆锥齿轮轴73将动力传送至前车轮22。 通过对两个前轮运动单元的直流伺服电机控制实现机器人加速、减速、转弯等动作。若采用轮式结构行驶,则应首先在直流伺服电机96的驱动下,将前、后轮运动单元放下,前后车轮与地面接触。直流伺服电机96安装有增量式旋转编码器。
[0036] 后轮运动单元由后轮轴80、套筒(3)83、后轮支架18、后车轮20、后轮轴承盖19、后轮横架88及必要的轴承与紧固零件等构成。后轮为从动轮,不提供动力源。
[0037] 腿式结构单元由髋关节、髋部、大腿关节、大腿、小腿关节、小腿组成。髋关节由舵机39、舵盘41、舵机支架(1)94、髋部U形铝板10构成,舵机支架(1)94与机器人框架采用螺钉连接。为保证舵机的支撑强度,采用附图1所示对称支撑方式,分别由角接触球轴承支座(1)40、角接触球轴承43、角接触球轴承支座O)44、舵机支承轴45构成,在舵机驱动髋部运动时,保证支撑力由上下支座承担,舵机不会承受很大的弯矩,保证了强度。髋关节处具有一个横向摆动的自由度。大腿关节和大腿部分由大腿板36、蜗轮轴(¾ 100、蜗轮89、 蜗杆13、腿部轴承座14、蜗杆轴套31、腿部十字联轴器30、腿部十字联轴器电机轴套四、腿用直流电机77、大腿部电机支架(1)34、大腿部电机支架0)33以及必要的滚动轴承、套筒、 键及连接紧固零件构成。大腿关节由腿部直流电机77驱动,经过减速器、十字联轴器组件、蜗轮蜗杆机构驱动大腿板绕蜗轮轴蜗轮轴(¾ 100旋转,此处具有一个纵向摆动的自由度。 小腿关节和小腿部分由小腿板16、蜗轮轴0)32、蜗轮89、蜗杆13、腿部轴承座14、蜗杆轴套31、腿部十字联轴器30、腿部十字联轴器电机轴套31、腿用直流电机77、小腿部电机支架 (1)28、小腿部电机支架0)27、小腿底沈以及必要的滚动轴承、套筒、键及连接紧固零件构成。小腿关节由腿部直流电机77驱动,经过减速器、十字联轴器组件、蜗轮蜗杆机构驱动两个小腿板绕蜗轮轴蜗轮轴(¾ 32旋转,小腿关节处具有一个纵向摆动的自由度。当采用腿式结构行走时,每个腿部运动单元由两个腿用直流电机77、及舵机39驱动,四足配合,实现转弯、加速、减速等功能。
[0038] 当机器人发生侧翻或者纵翻等事故时,可由机器人自身调整复位:一、当机器人采用轮式结构行驶时,若发生事故,则由放置于机器人顶部的四个腿部运动单元反向伸直,帮助机器人复位;二,当机器人采用腿式结构行走发生事故时,则由直流伺服电机96驱动升降结构的前轮转轴58、后轮转轴84旋转,改变轮式运动单元支架与地面的角度,协助四足结构完成机器人的复位。
[0039] 操作者采用遥控方式操作时,机器人转弯、加速、减速、制动、轮腿运动单元切换等指令均来自遥控器遥控信号。在采用自主运行模式时,机器人机载控制器根据传感器发送回的信号进行分析计算,向机器人执行机构发送转弯、加速、减速、制动、轮腿运动单元切换等指令。
[0040] 2个蓄电池布置在机器人中部,为整个系统提供电源由底板101、电源外罩4保护蓄电池的密封性。机器人携带高性能摄像头,将拍摄到的图像画面信息传递给控制室,通过遥控操作装置向机器人发送下一步的指令。在车载控制器方面,利用DSP作为控制系统的上位机,接收来自机器人各传感器发送回的信息(或接收来自遥控器的指令),经过计算分析后向下位机(采用单片机)发送指令,驱动机器人的执行机构执行预期的动作,控制机器人完成期望的任务要求。

Claims (10)

1. 一种轮腿结合移动机器人,其特征是:由车体框架系统、主动轮单元、从动轮单元、 腿式结构单元、轮式升降结构、电源、控制系统等组成;车体框架系统采用了角铝与方形铝管支撑结构,车体底部布置有底板,采用底板与电源罩相结合的方式保护电源与控制电路板;前、后轮运动单元布置于车体左右两侧,四个腿式结构运动单元分别布置于车体的前后两端;前轮单元采用直流伺服电机驱动,为主动轮;后轮单元为从动轮;轮式升降结构由直流伺服电机、弹性联轴器、直齿轮、转轴、防护罩以及必要的电机支架组成;电源由两个蓄电池组成;控制系统采用两级控制方案,上位机采用DSP,下位机采用单片机。
2.如权利要求1所述的轮腿结合移动机器人,其特征是前轮单元采用直流伺服电机驱动,由十字联轴器、锥齿轮轴将运动传递至前车轮,整个前轮单元由两个电机支架、一个轴承座支架、两个轮支架支撑;在直流伺服电机中安装有编码器,通过控制系统构成半闭环系统;后轮单元由轮支架、套筒、车轮轴、车轮、轴端挡圈等组成,无动力源,为从动轮。
3.如权利要求1所述的轮腿结合移动移动机器人的腿式结构运动单元,其特征是由髋关节、髋部、大腿关节、大腿、小腿关节、小腿组成;在髋关节中采用舵机驱动,由舵机支架、 舵机、舵盘组成。
4.如权利要求3所述的腿式结构运动单元,其特征是在腿关节和大腿处由大腿板、蜗轮蜗杆机构、轴承座、滚动轴承、蜗轮轴、套筒、键等组成,由直流伺服电机驱动,在其中安装编码器,通过控制系统构成半闭环系统。
5.如权利要求3所述的腿式结构运动单元,其特征是小腿关节和小腿处由小腿板、小腿底、蜗轮蜗杆机构、轴承座、滚动轴承、蜗轮轴、套筒、键等组成,由直流伺服电机驱动,在其中安装编码器,通过控制系统构成半闭环系统。
6.如权利要求3所述的腿式结构运动单元,其特征是小腿底采用弧形结构,与小腿板构成密闭式结构,保护小腿关节处的直流伺服电机。
7.如权利要求1所述的轮腿结合移动机器人,其特征是可以采用遥控操作方式或自主运行模式运行:遥控操作模式时,机器人转弯、加速、减速、制动、轮腿运动单元切换等指令均来自遥控器遥控信号;采用自主运行模式时,机器人机载控制器根据传感器发送回的信号进行分析计算,向机器人执行机构发送转弯、加速、减速、制动、轮腿运动单元切换等指令。
8.如权利要求1所述的轮腿结合移动机器人,其特征是在路况较好时,采用轮式运动, 腿式结构收放于机器人顶部,通过对两个前轮运动单元中的直流伺服电机的运动控制实现转向、加速、减速、制动等功能。
9.如权利要求1所述的轮腿结合移动机器人,其特征是在路况不好时采用腿式结构行走,将腿式结构放下,支撑机器人,通过轮式升降结构中转轴的旋转运动,驱动轮式结构运动单元的支架,从而使四个车轮离开地面。
10.如权利要求1所述的轮腿结合移动机器人,其特征是采用腿式结构行走时,通过每个腿式结构的直流伺服电机、舵机的控制实现机器人转向、加速、减速等功能。
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