CN103241303A - 一种具有柔性躯干的轮腿式移动机器人 - Google Patents
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Abstract
一种具有柔性躯干的轮腿式移动机器人，由机器人躯干、前轮腿装置和后轮腿装置三部分组成。机器人躯干由两个同构关节模块连接而成。关节模块由外U形框、内U形框、翻转舵机、旋转轴、舵机输出盘、直流电机、直流电机输出齿轮、旋转齿轮、轴承和旋转盘组成。翻转舵机固定在外U形框内，驱动内U形框上下翻转，直流电机输出齿轮与旋转齿轮啮合驱动旋转盘。前轮腿装置包括舵机盒、舵机、舵机输出盘、万向轮和腿。后轮腿装置和前轮腿装置基本相同，仅腿的朝向不同，四个舵机和舵机盒通过螺丝固定连接，万向轮、腿分别和舵机旋转轴固定连接。本发明的具有柔性躯干的轮腿式移动机器人机构简单，倾覆时可继续运动，具有较强环境适应能力。
Description
技术领域
本发明涉及一种新型轮腿式移动机器人，具体来说是具有柔性躯干的轮腿式移动机器人。
背景技术
移动机器人是一个集环境感知、动态决策与规划、行为控制与执行等多功能的综合体，涉及传感技术，机械工程，电子工程，计算机工程，自动化控制工程以及人工智能等领域。按照行进方式分为轮式、足式、履带式三种。履带式移动机器人越障能力和地形适应能力较强，适应松软地形，如沙地等，行进较平稳，但速度相对较低，运动噪声大； 轮式移动机器人速度快、运动噪声低，但是对地形适应能力较差，不能有效跨越障碍物。足式移动机器人的地形适应能力和越障能力强，几乎可以适应各种复杂地形，能够跨越障碍物，但是控制算法复杂，行进速度慢和效率低。轮腿式移动机器人融合了轮式移动机器人速度快、行进灵活和足式移动机器人越障能力和地形适应能力强的优点。
目前，轮腿式移动机器人存在如下的缺点：一、大部分轮腿式移动机器人的躯干为刚性连接，较难调整机器人的重心位置和机器人的姿态，攀爬障碍物时，容易发生倾覆；二、轮腿式移动机器人多采用轮腿机构融合，轮腿之间的转换机构复杂及机器人；三、轮腿式移动机器人发生倾覆时，基本无法继续运动。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提出一种具有柔性躯干的轮腿式移动机器人，为克服背景技术中存在的机器人躯干不具备柔性，轮腿转换机构复杂，发生倾覆无法运动等缺点。
本发明通过以下技术方案实现：
所述的轮腿式移动机器人主要由机器人躯干、前轮腿装置和后轮腿装置三部分组成。其中：机器人躯干是由两个同构关节模块通过各自旋转盘的固定孔固定连接而成，两关节模块的翻转轴线相互正交。关节模块由外U形框、内U形框、翻转舵机、旋转轴、舵机输出盘、直流电机、直流电机输出齿轮、旋转齿轮、旋转轴承和旋转盘组成。翻转舵机通过螺丝直接固定在外U形框上，舵机输出盘与内U形框固定连接，外U形框和内U形框通过旋转轴连接，构成一个翻转自由度。直流电机和内U形框的电机安装凸台通过销孔固定连接，旋转盘的凸台和内U形框的旋转轴承套接在一起，旋转齿轮和旋转盘凸台通过固定孔连接，直流电机输出齿轮与旋转齿轮啮合驱动旋转盘，形成一个旋转自由度。
前轮腿装置包括舵机盒、舵机、万向轮、腿和舵机输出盘。后轮腿装置和前轮腿装置基本相同，唯一不同就是前后轮腿装置的腿的安装朝向不同。四个舵机与舵机盒通过螺丝固定连接，万向轮、腿分别与舵机输出盘固定连接。
本发明具有以下有益效果：
一、机器人躯干具有柔性，较灵活地调整机器人的重心位置和机器人的姿态，避免机器人在攀爬障碍物的过程中发生倾覆；
二、机器人的轮腿分开设计，机构简单、控制灵活；
三、轮腿机器人的万向轮和腿安装在接近躯干中线，即使发生倾覆时，亦可继续行进。
附图说明:
图1是：轮腿式移动机器人结构图
图2是：机器人躯干结构图
图3是：关节模块结构图
图4是：关节模块上视图
图5是：前轮腿装置结构图
图6是：前轮腿装置舵机盒的结构图
图7是：前轮腿装置舵机盒的右视图
图8是：后轮腿装置结构图
图9是：机器人发生倾覆恢复运动状态的示意图（倾覆后可选择不翻转过来继续运动）
图10是：机器人躯干在竖直平面内俯仰示意图
图11是：机器人躯干在水平面内旋转示意图
图12是：机器人躯干前后两个关节模块发生相对扭转示意图（机器人的躯干具有柔性）
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明作进一步详细说明。
如图1所示，为轮腿式移动机器人结构图，该机器人由三个部分组成：机器人躯干1、前轮腿装置2和后轮腿装置3组成。其中前轮腿装置2和后轮腿装置3基本相同。
如图2所示，为机器人躯干1的结构图，机器人躯干1由两个同构关节模块101、102通过各自旋转盘的固定孔固定连接而成。关节模块101、102的翻转轴线相互正交。机器人躯干1具有3个自由度，关节模块101在竖直平面内的翻转自由度，关节模块102在水平面内的旋转自由度以及关节模块101、102之间的扭转自由度。
如图3，图4所示，为关节模块101的结构图和上视图，关节模块101由外U形框103、内U形框104、旋转轴105、旋转轴108、旋转轴承106、直流电机输出齿轮107、直流电机109、翻转舵机110、舵机输出盘111、旋转盘112和旋转齿轮113组成。舵机输出盘111和内U形框104通过螺丝固定，外U形框103和旋转轴105通过螺丝固定，外U形框103与内U形框104通过两侧的旋转轴105、108连接。翻转舵机110通过舵机输出盘111带动内U形框104转动，外U形框103与内U形框104之间有一个翻转自由度。直流电机109和内U形框104上的电机凸台通过螺丝固定。旋转轴承106嵌套在内U形框架104的安装孔内，旋转盘112的凸台和旋转轴承106套接在一起，旋转齿轮113和旋转盘112的凸台固定连接。直流电机109通过直流电机输出齿轮107和旋转齿轮113啮合驱动旋转盘112旋转，形成一个旋转自由度。
如图5，图6，图7所示，前轮腿装置2由舵机盒201、盖板203、万向轮202、204、腿205、206、舵机207、208、209、210和舵机输出盘211、212、213、214组成。舵机盒201和舵机盒盖203通过螺丝固定连接。舵机207、208、209、210和舵机盒201通过螺丝固定连接。舵机输出盘211和腿205固定连接，由舵机210驱动腿205转动；舵机输出盘212和万向轮204固定连接，舵机209驱动万向轮204转动；舵机输出盘214和腿206固定连接，由舵机207驱动腿206转动；舵机输出盘213和万向轮202固定连接，舵机208驱动万向轮202转动。
如图8所示，为后轮腿装置3的结构图，后轮腿装置3和前轮腿装置2装置基本相同，唯一的不同就是后轮腿装置的腿305、306和前轮腿装置的腿205、206的安装朝向不同。
如图9所示，为机器人发生倾覆后恢复运动的示意图，
step1：机器人的初始运动状态，此时机器人四条腿和地面保持接触，四个轮子和地面处于分离的状态；
step2：机器人在行进过程中或是攀爬障碍物的过程中，发生倾覆时的状态，此时机器人四条腿和地面分离，四个轮子和地面保持接触状态。当机器人所处地形较为平坦，机器人可采取轮式行进，不需要试图重新翻转过来；
step3：当所处地形崎岖时，无法采用轮式行进时，机器人驱动腿旋转，让机器人的四条腿和地面保持接触，四个轮子和地面分离，采用腿式行进。
如图10所示，为机器人躯干1在竖直平面内的俯仰示意图，机器人在攀爬障碍物时，可通过调节关节模块101在竖直平面内的翻转角度，避免机器人躯干1与障碍物碰撞。
如图11所示，为机器人躯干1在水平面内旋转示意图，通过关节模块102在水平面内旋转一定的角度改变机器人的运动方向。
如图12所示，为机器人躯干1的两个关节模块101、102发生相对扭转示意图，当机器人遇到崎岖不平路面的时候，利用机器人躯干1两个关节模块101、102之间的相对扭转自由度保证机器人的四足始终和地面接触，保持平衡，防止倾覆。
具有柔性躯干的轮腿式移动机器人，可以灵活的调整前后轮腿装置的相对位置，改变机器人的姿势和运动方向；调整机器人的重心位置，保持平衡，防止机器人倾覆；配合万向轮灵活的运动方式，让机器人适应更加复杂的环境。
Claims (6)
1.一种具有柔性躯干的轮腿式移动机器人，其主要由机器人躯干、前轮腿装置和后轮腿装置三部分组成，其中所述机器人躯干是由两个同构关节模块通过各自旋转盘的固定孔固定连接而成，上述两个关节模块的翻转轴线相互正交，所述关节模块由外U形框、内U形框、翻转舵机、旋转轴、舵机输出盘、直流电机、直流电机输出齿轮、旋转齿轮、旋转轴承和旋转盘组成，所述翻转舵机通过螺丝直接固定在所述外U形框上，所述舵机输出盘与所述内U形框固定连接，所述外U形框和所述内U形框通过旋转轴连接，构成一个翻转自由度，所述直流电机和所述内U形框的电机安装凸台通过销孔固定连接，所述旋转盘的凸台和所述内U形框的旋转轴承套接在一起，所述旋转齿轮和所述旋转盘凸台通过固定孔连接，所述直流电机输出齿轮与所述旋转齿轮啮合驱动旋转盘，形成一个旋转自由度；所述前轮腿装置和后轮腿装置分别包括相同结构的舵机盒、舵机、万向轮、腿和舵机输出盘，所述舵机与舵机盒通过螺丝固定连接，万向轮、腿分别与舵机输出盘固定连接，所述后轮腿装置和前轮腿装置的唯一不同为前后轮腿装置的腿的安装朝向不同。
2.如权利要求1所述的具有柔性躯干的轮腿式移动机器人，其特征在于，当该机器人处于初始运动状态时，所述机器人的四条腿和地面保持接触，四个轮子和地面处于分离的状态；当机器人在行进过程中或是攀爬障碍物的过程中，发生倾覆时的状态，此时机器人四条腿和地面分离，四个轮子和地面保持接触状态。
3.如权利要求2所述的具有柔性躯干的轮腿式移动机器人，其特征在于，当机器人所处地形较为平坦，机器人可采取轮式行进，不需要试图重新翻转过来；当所处地形崎岖时，无法采用轮式行进时，机器人驱动腿旋转，使得四条腿和地面保持接触，四个轮子和地面分离，采用腿式行进。
4.如权利要求1所述的具有柔性躯干的轮腿式移动机器人，其特征在于，机器人在攀爬障碍物时，可通过调节关节模块在竖直平面内的翻转角度，避免机器人躯干与障碍物碰撞。
5.如权利要求1所述的具有柔性躯干的轮腿式移动机器人，其特征在于，通过关节模块在水平面内旋转一定的角度改变机器人的运动方向。
6.如权利要求4所述的具有柔性躯干的轮腿式移动机器人，其特征在于，当机器人遇到崎岖不平路面的时候，利用机器人躯干的两个关节模块之间的相对扭转自由度保证机器人的四足始终和地面接触。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20130814 |