CN102802881B - 移动机器人 - Google Patents

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Abstract

移动机器人包括底盘、一对驱动系统以及带有转台的机械手臂。所述的一对驱动系统可操作地连接至所述底盘的相对两侧。所述转台旋转地联接至底盘。所述机械手臂的第一连杆在第一关节处联接至所述转台。所述机械手臂至少具有第一连杆，所述第一连杆适于作为牵引设备起作用。

Description

移动机器人
此发明是关于移动机器人，尤其涉及包括具有双重功能机械手臂的移动机器人。
背景技术
本发明涉及移动机器人。移动机器人通常设计为可远程控制或自动控制。移动机器人的巨大挑战之一是操纵它们上下楼梯、越过障碍物和不平坦的地形。
众所周知的是，通过延伸轮距或轨距，能提高可移动机器人翻越障碍物的能力。已经有一些设备曾被提出来试图延伸轮距或轨距。例如，2008年11月13日公开的Ben-Tzi等人的美国专利申请US20080277172A1，提出了一种移动机器人，其中第一连杆具有作为臂的第一连杆以及作为每侧具有履带的底盘的功能，第二连杆可以从其一端被展开以便延伸轨距。第二连杆枢转地联接至第一连杆。再者，2008年12月4日公开的Langord等人的美国专利申请US20080296853A1示出了安装有平台的机械手臂，具有联接至第一连杆的滑板以辅助进行爬楼梯。第一连杆枢转地联接至底盘。同时，PackBotTM移动机器人具有一对履带式鳍(trackedflippers)，履带式鳍的一端枢转地联接至底盘的任一端。PackBotTM可见于2001年7月24公布的Won享有的美国专利US6,263,989以及相关专利中。另一个可选择的例子是2009年2月24公布的美国专利7,493,976以及2009年10月13公布的Goldenberg等人享有的美国专利7,600,592，这些专利介绍了可被用于延伸轨距的左右行星轮。
所有上述移动机器人，它们的多功能性受到限制，因为第一连杆枢转地联接至平台或者底盘，仅具有一个自由度。因此运动的范围受到限制，并且第一连杆的实用性的灵活度也受到限制。此外，尤其是关于美国专利6,263,989以及美国专利7,600,592，履带式鳍和行星轮是单一用途的设备。同时，美国专利申请US20080277172A1和US20080296853A1在第一臂/连杆和楼梯之间均使用滑动摩擦以改善机动性。然而，这种滑动摩擦将造成工作效率的降低而且由于臂/连杆磨损可能发生故障。US20080296853A1在臂的第一连杆的下面附接滑板结构从而试图降低摩擦。
因此本发明在提供带有双重目的机械手臂的移动机器人方面具有优势，所述机械手臂通过转台联接至机器人的底盘。由此机械手臂可以被旋转至机器人的侧面以及前面和后面。同时，该机械手臂适于被用来增加轮距或轨距，也可以用于其他功能。本发明的移动机器人具有以下能力：向前和向上提升其前面的皮带轮或车轮，因而增强其上下楼梯以及翻越障碍物的能力。同时，当上下楼梯以及翻越障碍物时，本发明的移动机器人能够调整其重心的位置以保护其免于翻倒。
发明内容
本发明涉及移动机器人，包括：底盘、一对驱动系统以及带有转台的机械手臂。所述一对驱动系统可操作地连接至所述底盘的相对两侧。所述转台旋转地联接至所述底盘。所述机械手臂的第一连杆在第一关节处联接至所述转台。所述机械手臂至少具有第一连杆，所述第一连杆适于用作牵引设备。
所述第一连杆可以包括鳍式履带，其中所述鳍式履带用作所述牵引设备。
所述第一连杆是大致三角形形状，所述鳍式履带沿所述三角形的一侧定位，所述第一连杆能够定位以使得所述鳍式履带从所述底盘向外延伸。
所述驱动系统可以是履带式驱动系统或轮式驱动系统。
所述驱动系统能够在履带式驱动系统和轮式驱动系统之间转换。
所述底盘可以包括四个通用轮轴，所述驱动系统可以可操作地连接至所述轮轴。
快速连接销可以将所述驱动系统可操作地联接至所述轮轴。
所述底盘具有在所述一对驱动系统之间且在所述底盘两端中任一端切出的凹槽，其中所述第一连杆能够被展开在所述一对驱动系统之间。
所述第一连杆的一部分可以用作为所述一对驱动系统的延伸。
所述机械手臂可以包括枢转地联接至所述第一连杆的第二连杆以及可操作地联接至所述第二连杆的手爪。
所述转台可以连续地旋转。
所述机器人适于越过障碍物和爬楼梯，其中所述机械手臂的所述第一连杆有助于通过向前和向上提升所述底盘的前部来越过障碍物和爬楼梯。
所述机器人可以由操纵人员远程操作或自动控制。
以下将对本发明的移动机器人的特征作进一步详细的描述。
附图说明
现在将通过参考附图对本发明进行详细描述，其中：
图1是本发明移动机器人的实施例的立体图；
图2(a)至(h)描述了本发明移动机器人的实施例一系列立体图，图示了爬楼梯的步骤；
图3(a)至(h)描述了本发明移动机器人的实施例一系列立体图，图示了跨越沟渠的步骤；
图4是移动机器人的实施例的平台的立体图；
图5是平台的立体图，类似于图4所示但示出了罩体被移除；
图6是移动机器人的实施例的平台的俯视图；
图7是本发明移动机器人的实施例的机械手臂的立体图；
图8是图7所示的机械手臂的转台的立体图；
图9是图8所示的转台的分解立体图；
图10是图7所示的机械手臂的第一连杆的立体图；
图11是图10中所示的第一连杆的肩关节的立体图；
图12是图11所示的肩关节的分解立体图；
图13是图7所示的机械手臂的肘关节的立体图；
图14是图13所示的肘关节的分解立体图；
图15是图7所示的机械手臂的手爪及辊关节(gripperandrolljoint)的立体图；
图16是图15所示的手爪及辊关节的分解立体图；
图17是本发明的移动机器人的立体图，类似于图1所示，但包括车轮而不是履带；
图18是图17所示的混合(hybrid)移动机器人的立体图，显示了机械手臂的安装位置；
图19是图17和18所示的混合移动机器人的立体图，显示了机械手臂的第一连杆在牵引位置；
图20是图1所示的混合移动机器人的立体图，显示了移除的快速连接销；
图21是图20所示的混合移动机器人的立体图，显示出拆除了的履带和皮带轮；
图22是图20所示的混合移动机器人的立体图，显示出了车轮被定位以备附接；以及
图23是图20所示的混合移动机器人的立体图，显示出了用快速连接销附接的车轮，其中快速连接销被定位以备附接。
具体实施方式
如图1所示，移动机器人10是基于对移动平台12和机械手臂14的组合设计而获得的一个新颖的机器人系统。核心概念是机械手臂的第一连杆或肩关节连杆16不仅是臂的一部分，而且其能够用作平台牵引运动的辅助设备，以提高机器人在爬楼梯和翻越障碍物方面的能力。
图2(a)至(h)显示了移动机器人10的第一连杆16如何辅助机器人系统爬楼梯。图3(a)至(h)显示了移动机器人10的第一连杆16如何辅助机器人越过沟渠。
参考图4至图7，平台12具有底盘或框架18。一对驱动系统附接至底盘18的相对两侧。在一个实施例中，驱动系统是联接于底盘18两侧的履带和皮带轮系统。每个履带和皮带轮系统包括：履带20；在底盘18任一侧的一对驱动皮带轮22；以及置于驱动皮带轮22之间的子皮带轮24。每根履带20环绕于相应的驱动皮带轮22和子皮带轮24。每个履带和皮带轮系统可操作地连接至电机系统26。为了降低履带从皮带轮脱离的可能性，履带优选包括引导件，该引导件将自跟踪(self-tracking)凹槽与皮带轮接合。E-箱或电子箱28以及C-箱或控制箱30位于底盘18中。E-箱28优选地包括：用于牵引电机的两个吉他伺服驱动器(guitardrives)、用于操纵臂电机(manipulatormotors)的六个鸣笛伺服驱动器(whistledrives)以及一个配电板。C-箱30包括Cancard&AnaII(PC-104)、数据调制解调器、VT30视频发射器、VR75视频接收器以及四芯电缆(quad)。蓄电池32可操作地连接至其他系统以提供电能并操纵机器人。根据用户需求还可以包括其他配件。同时，还可以包括各种天线34。
底盘18在其每端切出凹槽(kneehole)35。当操纵臂14被部署为用于行进时，凹槽35的尺寸被设计为以适应机械手臂14的第一连杆16。第一连杆优选能够被部署为使得第一连杆的一部分作为所述一对驱动系统的延伸。
如图7所示，机械手臂14包括转台36、第一连杆或肩关节连杆16、第二连杆或肘关节连杆46以及手爪及辊关节40。肩关节连杆16具有肩关节42和肘关节44，肩关节42将肩关节连杆16在肩关节42的一端枢转地连接至转台36，肘关节44将肩关节连杆16枢转地连接至第二连杆或肘关节连杆46。第二连杆46在其远端具有手爪及手腕组件40。
参考图8和图9，转台36包括转台支撑件48；转台底部50，旋转地联接至转台支撑件48；以及转台侧部52，联接至转台底部50。转台支撑件能够连续地旋转。转台底部50通过谐波减速器(harmonicdrive)54枢转地联接至转台支撑件48。齿轮箱56通过带轮58和传动带60可操作地连接至谐波减速器。齿轮箱壳体62覆盖齿轮箱56并联接至转台支撑件48。
参考图10，肩关节连杆16包括可操作地连接至鳍式皮带轮64的鳍式履带63和肩关节42。肩关节连杆16可以是三角形形状以使其能够被部署成使得鳍式履带63可以与履带20基本在相同的平面。肩关节42将肩关节连杆16枢转地连接至转台36。
参考图11和图12，肩关节42包括壳体上部(housingup)64、谐波减速器66、壳体基座68、传动系统70、壳体72以及壳体底部(housingdown)74。谐波减速器66和传动系统可操作地连接在一起，安装于壳体72、壳体基座68、壳体上部64和壳体底部74的组合体内。
肘关节44将肩关节连杆16连接至肘关节连杆46。参考图13和图14，肘关节44包括可操作地连接至肘关节传动系统78和蜗杆蜗轮系统76。轴80可操作地连接至蜗杆蜗轮系统76。肘壳体82和肘插件84一起与肘连杆46结合从而创建蜗杆蜗轮系统76以及传动系统78的壳体。轴80与鳍式皮带轮64中的一个是同轴的。
参考图15和图16，手爪及手腕组件40包括手爪部分82和手腕部分84。手腕部分84包括连接至肘关节连杆46的连接构件86。传动辊88和球轴承90安装在壳体92内。手爪传动系统94安装在手爪壳体96内。手爪壳体96接合辊部球轴承90。手爪传动系统94可操作地连接至手爪指部系统96。球轴承98接合手爪及手腕壳体92和手爪指部系统96。手爪指部系统96包括手指部分100，指部100用枢轴106枢转地附接于顶板102和底板104之间。蜗轮108可操作地连接于指部100和手爪传动系统94之间。前挡块110和后挡块112连接至顶板102和底板104。
参考图17至图19，应该注意的是，本发明的机械手臂14还可以与如图所示的轮式移动机器人一起使用。轮式移动机器人120与上述履带式移动机器人有着极为相似的工作方式，但是其使用车轮122而不是履带。四个车轮122联接至底盘18的四个拐角处的通用轮轴，并且可操作地连接至传动系统26(未示出)。通常来说，轮式机器人与履带式机器人有着相似的操作方式。在某些情况下优先采用轮式移动机器人，而在其他情况下优先选择履带机器人。
将履带式机器人10改变至轮式机器人120的步骤如图20至图23所示。底盘或框架18包括四个通用轮轴，用于安装车轮122或皮带轮22。车轮或皮带轮通过快速连接销124连接至轴126。如图20所示，从每个轴移除快速连接销124。如图21所示，移除履带和皮带轮22。如图22所示，车轮122被定位，其中每个车轮联接至一个轴126。如图23所示，将销124连接至轴126从而紧固每个车轮124。这些步骤能够颠倒以将机器人从轮式机器人120改变回履带式机器人10。这种转换可以用5分钟完成。
在使用中，如图2和图3所示，机械手臂14能够用来延伸轮距或轨距。如图2所示，当移动机器人10接近楼梯时，可以将机械手臂14部署为使得履带式第一连杆与楼梯接触(b)。履带式第一连杆通过提升机器人底盘来辅助爬楼梯。移动机器人10沿楼梯向上移动(c)直到机器人的履带与楼梯相接触。然后将机械手臂14从机器人前端旋转至后端旋(d)，然后将机械手臂14支承于楼梯下面的地板(e)。然后机械手臂14可辅助移动机器人10上楼梯(f)。一旦移动机器人10到达楼梯顶部，可以将混合机械手臂14置于贮藏位置(h)。随着底盘角度的变化，机械手臂14的角度尤其是第一连杆16的角度可以相对于底盘变化。肩关节42旋转范围是210度，肘关节44旋转范围是300度。
移动机器人10越过沟渠或其他障碍物的步骤如图3所示。该步骤类似于上述那些关于爬楼梯的步骤，其中，机械手臂14的第一连杆16在需要时策略地部署以延伸轨距或轮距。如图3(b)和(f)所示，机械手臂14的第一连杆16能够在移动机器人前端或后端展开。
本发明的移动机器人可以远程操作或自动地操作。
一般来讲，此处描述的系统针对移动机器人。按照要求，此处公开了本发明的实例图。然而，公开的实例仅仅是示例性的，应当理解的是，本发明可以用多种不同可选形式实施。附图未按比例显示，一些特征可以放大或缩小以表示特定构件的细节，而相关构件可以被消除以防止模糊新颖的方面。因此，此处公开的特定结构和功能细节并不是限制性的，仅仅是作为权利要求的基础和代表性基础以教导本领域技术人员多方面地采用本发明。为了教导和非限制性的目的，图示实施例针对移动机器人。
正如此处使用的，术语“包括”和“包括有”视为是广义的、开放性的含义，而不是排他性的含义。具体来讲，当在本说明书包括权利要求书中使用时，术语“包括”和“包括有”以及它们的变型意味着包含特定的特征、步骤或元件。这些术语并不能被解释为排除其他特征、步骤或元件的存在。

Claims (12)

1.一种移动机器人，包括：
底盘；
一对驱动系统，可操作地连接至所述底盘的相对两侧；
转台，旋转地联接至所述底盘；以及
机械手臂，具有手爪和至少第一连杆，所述机械手臂的所述第一连杆在第一关节处枢转地联接至所述转台，其中，所述机械手臂在所述第一连杆中包括鳍式履带，所述鳍式履带用作牵引设备并且所述机械手臂辅助运动。
2.根据权利要求1所述的移动机器人，其中，所述第一连杆是大致三角形形状，所述鳍式履带沿所述三角形的一侧定位，所述第一连杆能够被定位以使得所述鳍式履带从所述底盘向外延伸。
3.根据权利要求1或2所述的移动机器人，其中，所述驱动系统是履带式驱动系统或轮式驱动系统。
4.根据权利要求1或2所述的移动机器人，其中，所述驱动系统能够在履带式驱动系统和轮式驱动系统之间转换。
5.根据权利要求1或2所述的移动机器人，其中，所述底盘包括四个通用轮轴，所述驱动系统可操作地连接至所述轮轴。
6.根据权利要求5所述的移动机器人，其中，快速连接销将所述驱动系统可操作地联接至所述通用轮轴。
7.根据权利要求1或2所述的移动机器人，其中，所述底盘具有在所述一对驱动系统之间且在所述底盘两端中任一端切出的凹槽，其中，所述第一连杆能够被展开在所述一对驱动系统之间。
8.根据权利要求7所述的移动机器人，其中，所述第一连杆的一部分能够用作为所述一对驱动系统的延伸。
9.根据权利要求1或2所述的移动机器人，其中，所述机械手臂进一步包括枢转地联接至所述第一连杆的第二连杆，并且所述手爪可操作地联接至所述第二连杆。
10.根据权利要求1或2所述的移动机器人，其中，所述转台能够连续地旋转。
11.根据权利要求1或2所述的移动机器人，其中，所述机器人适用于翻越障碍物和爬楼梯，其中，所述机械手臂的所述第一连杆有助于通过向前和向上提升所述底盘的前部来越过障碍物和爬楼梯。
12.根据权利要求1或2所述的移动机器人，其中，所述移动机器人可由操纵人员远程操作或自动控制。
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