CN103273977A - 一种被动自适应履带可变形移动机器人平台 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种被动自适应履带可变形移动机器人平台，采用模块化设计，其特征在于该机器人平台主要包括车体、被动自适应变形履带模块、摆臂模块和尾轮模块；尾轮模块安装在车体后部，车体位于机器人平台中间，被动自适应变形履带模块为结构相同的两个，左右对称安装在车体两侧；摆臂模块也为结构相同的两个，左右对称安装在被动自适应变形履带模块两侧；所述摆臂模块包括摆臂系统和摆臂驱动系统，摆臂系统主要由摆臂支撑轮、摆臂架、摆臂驱动轮和摆臂履带组成；摆臂驱动系统由同步轮、摆臂摆动驱动轴、连接轴和摆臂摆动驱动电机构成；所述尾轮模块由尾轮系统和尾轮复位弹簧组成。本发明平台履带变形长度可控，负载能力大，耗能低等特点。

Description

一种被动自适应履带可变形移动机器人平台

技术领域

本发明涉及机器人平台技术，具体为一种被动自适应履带可变形移动机器人平台。

背景技术

目前，对大多数的履带移动机器人平台采用主动自适应驱动机构。这些机器人关节较多，具有较多的自由度，每个自由度均由一个专门的电机驱动，当机器人在复杂的路面运动时，它们需要通过传感设备不断地将所检测的环境信息传给控制系统，然后做出判断，每个控制电机驱动相应的自由度，使移动机构改变运动模式，以适应复杂的路面环境。主动自适应驱动机构存在以下问题：1、运动姿态或运动模式的变化在很大程度上依赖于传感器所反馈的信号，对传感器的精度要求较高；2、电机和传感器的数量较多，控制算法较为复杂，具有一定程度的滞后性。

基于主动自适应履带移动机器人平台的一系列缺点，人们提出了被动自适应履带可变形移动机器人平台，它有两个特点：1、将环境约束力作为机器人移动机构要克服的对象。2、充分利用这种环境约束力，将其作为环境对机器人移动机构的一种有效输入，使机器人移动机构在驱动电动机和环境约束力的共同作用下实现机器人移动机构对复杂路面的被动自适应性。被动自适应履带可变形移动机器人平台能够减小运动过程中对控制系统的依赖，简化控制算法，提高电机的使用率。提高机器人地形适应能力，成为当今室外机器人发展的一个主要方向。被动自适应履带可变形移动机器人平台是一个基础平台，其上可搭载控制系统、检测系统或机械手等，可以实现许多普通机器人难以实现的功能。被动自适应履带可变形移动机器人平台是一个独立的模块，和其他平台之间相互独立，便于二次开发和改装，应用范围很广。

被动自适应履带可变形移动机器人平台要解决的实质问题是，通过对机器人的工作环境和要实现的具体功能等技术指标进行综合性能分析，设计出一套最优机械结构，使机器人能够实现被动地自主改变履带结构，以适应环境的变化，增强机器人的越障能力。现有的被动自适应履带可变形移动机器人移动平台是基于具有自适应能力的轮-履复合变形移动机器人开发的(参见李智卿等，机械工程学报，第47卷第5期2011年3月)，但其存在履带变形长度不可控制，负载能力较小等问题，尚不能满足实际应用需要。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是，提供一种被动自适应履带可变形移动机器人平台，该平台能满足在野外复杂环境下工作的多种要求，能够实现爬坡、跨越壕沟和在非平整地形下平稳前进等。在实现所述功能要求的前提下，本发明机器人平台具有履带变形长度可控，负载能力较大，耗能较低等特点。

本发明解决所述技术问题的技术方案是，设计一种被动自适应履带可变形移动机器人平台，采用模块化设计，其特征在于该机器人平台主要包括车体、被动自适应变形履带模块、摆臂模块和尾轮模块；其中，尾轮模块安装在车体的后部，车体位于机器人平台的中间，被动自适应变形履带模块为结构相同的两个，左右对称安装在车体的两侧；摆臂模块也为结构相同的两个，左右对称安装在被动自适应变形履带模块的两侧；

所述被动自适应变形履带模块主要包括变形履带系统、复位弹簧和履带驱动系统；所述变形履带系统主要包括履带驱动轮、履带支撑轮、履带和作为支撑的平面六杆机构；所述平面六杆机构为欠驱动杆机构，包括地面连杆、前部连杆、驱动带轮支撑连杆、上连杆、后部连杆和机架，每个变形履带系统有两组平面六杆机构，履带驱动轮和履带支撑轮装在这两组平面六杆机构上，履带驱动轮和履带支撑轮支撑起履带；当机器人平台在行进的过程中，地面对机器人的约束力作为一种外力向平面六杆机构进行作用；复位弹簧其两端分别固定在上连杆和机架上，当变形履带系统发生变形时，复位弹簧随之产生形变，产生复位拉力；履带驱动系统主要由履带驱动电机、同步轮和履带旋转驱动轴构成；履带驱动电机通过同步带传递给固定在履带旋转驱动轴上的同步带轮，使履带旋转驱动轴产生转动，履带旋转驱动轴通过同步带驱动履带驱动轮和履带支撑轮旋转，驱动履带产生旋转运动；

所述摆臂模块包括摆臂系统和摆臂驱动系统，摆臂系统主要由摆臂支撑轮、摆臂架、摆臂驱动轮和摆臂履带组成；摆臂驱动系统由同步轮、摆臂摆动驱动轴、连接轴和摆臂摆动驱动电机构成。所述履带旋转驱动轴为一根空心轴，摆臂摆动驱动轴两端经过轴承的支撑安装在履带旋转驱动轴的空心内孔内，摆臂摆动驱动电机安装在车体上，通过同步带带动固定在摆臂摆动驱动轴上的摆臂驱动轮转动和摆臂摆动驱动轴转动，使摆臂转动，左、右摆臂模块的摆臂摆动驱动轴通过左、右连接轴相连，实现一个摆臂摆动驱动电机带动左、右两个摆臂模块旋转；

所述尾轮模块由尾轮系统和尾轮复位弹簧组成；尾轮系统由尾轮固定杆、尾轮杆和尾轮组成；尾轮固定杆通过螺钉固定在车体的后部；尾轮复位弹簧的两端分别固定在尾轮固定杆上和尾轮杆上，尾轮安装在尾轮杆上。

与现有技术相比，本发明机器人平台采用被动自适应履带变形驱动模块和摆臂模块相组合的驱动模式，能满足在野外复杂环境下工作的多种要求，能够实现爬坡、跨越壕沟和在非平整地形下平稳前进等，且只采用三个驱动电机，控制容易，控制算法大为简化；本发明机器人平台由于特殊的结构设计，在实现所述功能要求的前提下，可跨越高于自身高度的障碍，地形适应能力很强，且平台具有履带变形长度可控，负载能力较大，耗能较低等特点。

附图说明

图1为本发明被动自适应履带可变形移动机器人平台一种实施例的整体三维结构示意图。

图2为本发明被动自适应履带可变形移动机器人平台一种实施例的整体俯视结构示意图。

图3为本发明被动自适应履带可变形移动机器人平台一种实施例的未安装履带时的整体主视结构示意图。

图4为本发明被动自适应履带可变形移动机器人平台一种实施例的未安装履带时的整机剖面（A-A）结构示意图。

具体实施方式

下面结合实例及其附图详细叙述本发明。实施例是以本发明所述技术方案为前提进行的具体实施，给出了详细的实施方式和过程。但本申请的权利要求保护范围不限于所述实施例的描述范围。

本发明设计的被动自适应履带可变形移动机器人平台（以下简称机器人平台，参见图1-4），采用模块化设计，其特征在于该机器人平台主要包括车体1、被动自适应变形履带模块2、摆臂模块3和尾轮模块4；其中，尾轮模块4安装在车体1的后部，车体1位于机器人平台的中间，被动自适应变形履带模块2为结构相同的两个，左右对称安装在车体1的两侧；摆臂模块3也为结构相同的两个，左右对称安装在被动自适应变形履带模块2的两侧。

整体机器人平台共有四条履带和三台驱动电机：四条履带是：左、右被动自适应变形履带模块各一条，左、右摆臂模块3履带各一条；三台驱动电机是：分别驱动左、右被动自适应变形履带模块2运行的履带驱动电机231各一台，驱动左、右摆臂模块3实现旋转摆动的摆臂摆动驱动电机38一台。三台电机都通过螺栓安装在车体模块1上（参见图2）。

本发明所述被动自适应变形履带模块2主要包括变形履带系统21、复位弹簧22和履带驱动系统23。所述变形履带系统21主要包括履带驱动轮217、履带支撑轮218、履带219和作为支撑的平面六杆机构；所述平面六杆机构为欠驱动杆机构，包括地面连杆211、前部连杆212、驱动带轮支撑连杆213、上连杆214、后部连杆215和机架216，每个变形履带系统21有两组平面六杆机构，履带驱动轮217和履带支撑轮218装在这两组平面六杆机构上，履带驱动轮217和履带支撑轮218支撑起履带219。所述六杆机构为欠驱动杆机构；当机器人平台在行进的过程中，地面对机器人的约束力作为一种外力向平面六杆机构进行作用；复位弹簧22其两端分别固定在上连杆214和机架216上，当变形履带系统21发生变形时，复位弹簧22随之产生形变，从而产生复位拉力。履带驱动系统23主要由履带驱动电机231、同步带轮232和履带旋转驱动轴233构成。履带驱动电机231通过同步带传递给固定在履带旋转驱动轴233上的同步带轮232，从而使履带旋转驱动轴233产生转动，履带旋转驱动轴233通过同步带驱动履带驱动轮217和履带支撑轮218旋转，从而驱动履带219产生旋转运动。地面对机器人平台的约束力、由履带219的旋转而使地面产生给机器人平台的驱动力和复位弹簧22的拉力共同作用，使机器人平台能被动自适应非结构环境下地形的变化。

所述摆臂模块3包括摆臂系统和摆臂驱动系统，摆臂系统主要由摆臂支撑轮31、摆臂架32、摆臂驱动轮33和摆臂履带34组成；摆臂驱动系统由同步轮35、摆臂摆动驱动轴36、连接轴37和摆臂摆动驱动电机38构成。所述履带旋转驱动轴233为一根空心轴，摆臂摆动驱动轴36两端经过轴承的支撑安装在履带旋转驱动轴233的空心内孔内，摆臂摆动驱动电机38安装在车体1上，通过同步带带动固定在摆臂摆动驱动轴36上的摆臂驱动轮33转动和使摆臂摆动驱动轴36转动，从而使摆臂转动，左、右摆臂模块的摆臂摆动驱动36轴通过左、右连接轴37相连，从而实现一个摆臂摆动驱动电机38带动左、右两个摆臂模块旋转。

所述尾轮模块4由尾轮系统和尾轮复位弹簧42组成。尾轮系统由尾轮固定杆41、尾轮杆43和尾轮44组成（参见图3）。尾轮固定杆41通过螺钉固定在车体1的后部；尾轮复位弹簧42的两端分别固定在尾轮固定杆41上和尾轮杆43上，尾轮44安装在尾轮杆43上。当车体1在非平整路面上行驶时，尾轮固定杆41和尾轮杆43之间的角度会发生变化，这时尾轮复位弹簧42会产生变形，从而产生复位拉力。复位拉力的作用是帮助机器人平台在非结构环境下不平路面行驶时，保持机器人平台自身平衡。

本发明机器人平台的工作原理和过程是：当机器人平台在行进的过程中接触到高于自身高度的障碍物时，障碍物对机器人的阻力作为一种外力对被动自适应变形履带模块2的变形履带系统21的平面六杆机构进行作用，所述平面六杆机构为欠驱动杆机构，当受到障碍物的阻力时，地面连杆211、前部连杆212、驱动带轮支撑连杆213、上连杆214和后部连杆215相对于机架216的位置发生变化，使履带驱动轮217的轮心相对地面的位置升高，从而使机器人可跨越高于自身高度的障碍物；复位弹簧22其两端分别固定在上连杆214和机架216上，当变形履带系统21发生变形时，复位弹簧22随之产生形变，从而产生复位拉力，障碍物对机器人的阻力、由履带219的旋转而使地面产生给机器人平台的驱动力和复位弹簧22的拉力共同作用，使机器人平台能被动自适应非结构环境下地形的变化，从而使被动自适应履带可变形移动机器人平台能够减小运动过程中对控制系统的依赖，简化控制算法，提高驱动电机的使用率。

本发明机器人平台的被动自适应变形履带模块2的履带驱动轮和所有履带支撑轮的直径均相等，且两个相邻轮的中心距固定不变，所以在被动自适应变形履带模块2发生变形时，其履带的总长度保持不变，从而解决了现有的被动自适应履带可变形移动机器人移动平台的履带变形长度不可控制的技术问题。

本发明具体实施例设计的机器人平台总重小于35kg，安全系数设计为1.6，该机器人平台越障时，所述3个驱动电机总消耗的最大功率为600W，最大扭矩为14N·m，其负载可达10kg，续航能力可达3小时，性能优良，应用范围非常广泛。

之前设计的摆臂履带移动机器人平台，在面对复杂非结构环境下不能被动适应地形的变换，只能依靠主动控制，因此其控制比较复杂。本发明机器人平台具有被动自适应履带变形结构，在同样的非结构环境下，其越障能力更强，控制相对容易，且功耗更低。

本发明未述及之处适用于现有技术。

Claims (3)

1.一种被动自适应履带可变形移动机器人平台，采用模块化设计，其特征在于该机器人平台主要包括车体、被动自适应变形履带模块、摆臂模块和尾轮模块；其中，尾轮模块安装在车体的后部，车体位于机器人平台的中间，被动自适应变形履带模块为结构相同的两个，左右对称安装在车体的两侧；摆臂模块也为结构相同的两个，左右对称安装在被动自适应变形履带模块的两侧；

所述被动自适应变形履带模块主要包括变形履带系统、复位弹簧和履带驱动系统；所述变形履带系统主要包括履带驱动轮、履带支撑轮、履带和作为支撑的平面六杆机构；所述平面六杆机构为欠驱动杆机构，包括地面连杆、前部连杆、驱动带轮支撑连杆、上连杆、后部连杆和机架，每个变形履带系统有两组平面六杆机构，履带驱动轮和履带支撑轮装在这两组平面六杆机构上，履带驱动轮和履带支撑轮支撑起履带；当机器人平台在行进的过程中，地面对机器人的约束力作为一种外力向平面六杆机构进行作用；复位弹簧其两端分别固定在上连杆和机架上，当变形履带系统发生变形时，复位弹簧随之产生形变，产生复位拉力；履带驱动系统主要由履带驱动电机、同步轮和履带旋转驱动轴构成；履带驱动电机通过同步带传递给固定在履带旋转驱动轴上的同步带轮，使履带旋转驱动轴产生转动，履带旋转驱动轴通过同步带驱动履带驱动轮和履带支撑轮旋转，驱动履带产生旋转运动；

所述摆臂模块包括摆臂系统和摆臂驱动系统，摆臂系统主要由摆臂支撑轮、摆臂架、摆臂驱动轮和摆臂履带组成；摆臂驱动系统由同步轮、摆臂摆动驱动轴、连接轴和摆臂摆动驱动电机构成；所述履带旋转驱动轴为一根空心轴，摆臂摆动驱动轴两端经过轴承的支撑安装在履带旋转驱动轴的空心内孔内，摆臂摆动驱动电机安装在车体上，通过同步带带动固定在摆臂摆动驱动轴上的摆臂驱动轮转动和摆臂摆动驱动轴转动，使摆臂转动，左、右摆臂模块的摆臂摆动驱动轴通过左、右连接轴相连，实现一个摆臂摆动驱动电机带动左、右两个摆臂模块旋转；

所述尾轮模块由尾轮系统和尾轮复位弹簧组成；尾轮系统由尾轮固定杆、尾轮杆和尾轮组成；尾轮固定杆通过螺钉固定在车体的后部；尾轮复位弹簧的两端分别固定在尾轮固定杆上和尾轮杆上，尾轮安装在尾轮杆上。

2.根据权利要求1所述的被动自适应履带可变形移动机器人平台，其特征是所述被动自适应变形履带模块的履带驱动轮和所有履带支撑轮的直径均相等，且两个相邻轮的中心距固定不变。

3.根据权利要求1所述的被动自适应履带可变形移动机器人平台，其特征是所述的机器人平台总重小于35kg，安全系数设计为1.6；该机器人平台越障时，所述3个驱动电机总消耗的最大功率为600W，最大扭矩为14N·m，其负载达10kg，续航能力达3小时。

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