CN103661669A - 一种轮腿式机器人底盘悬挂装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种轮腿式机器人底盘悬挂装置。包括轮式移动驱动机构、轮式移动机构、腿式行走机构、腿式行走驱动机构、转向机构；轮式移动机构和腿式行走机构共用三对车轮，每个车轮通过安装在其上的轮胎转向座分别与轮式移动机构、腿式行走机构相连接，每个车轮的轮毂上侧安装有角度传感器，且每相邻两个轮毂安装的角度传感器相位相差180°；轮式移动驱动机构和腿式行走机构的驱动机构相互独立且分别安装在轮腿式机器人底盘的两端。同现有技术相比：用一套悬挂装置实现腿式和轮式机构的结合，兼具两者的优点，越障性、适应性、稳定性好，有减震作用，无需附加控制机构对其进行调节；腿式和轮式协调共同工作，速度快、机动灵活性好、控制简单。

Description

一种轮腿式机器人底盘悬挂装置

技术领域：

本发明属于机器人、车辆底盘悬挂技术领域，涉及一种轮腿式机器人底盘悬挂装置。

背景技术：

机器人按移动方式可分为：轮式机器人、足式机器人、履带式机器人、爬行机器人等。按作业空间来分：陆地移动机器人、水下机器人、无人飞机和空间机器人等。按功能和用途来分：医疗机器人、军用机器人、助残机器人、清洁机器人等。轮式机器人根据机器人移动机构的特点，可分为关节轮式机器人、行星轮式机器人、普通轮式机器人。而根据车轮数目，轮式移动机器人又有单轮、四轮、五轮、六轮和八轮等结构。

在本发明以前的现有技术中，机器人的行走装置，主要是轮式或腿式结构。世界各国开发轮腿式机器人装置已经有多年历史，特别是美国在这方面已有成熟的经验。现今国外得到业内认同的轮腿式移动机器人主要是火星/月球漫游车，有的在研究，有的已经成功使用。腿式结构的例如：参考文献1：H.R.Choi，S.M.Ryew，T.H.Kang，J.H.Lee，and H.M.Kim，“A Wall Climbing Robot with Closed Link Mechanism，”in Proc.ofthe 2000IEEE/RSJ Int.Con.on intelligent Robots and Systems，2000，vol.3，pp.2006-2011，“一种具有闭合连杆机构的爬壁机器人”，智能机器人及装置，2000年，第3卷，2006-2011页；或者采用由多个单元模块组成的可重构机构(文献2：DOMENICOLONGO AND GIOVANNI MUSCATO，“The Alicia3 climbing robot：athree-module robot forautomatic wall inspection”，IEEE Robotics&AutomationMagazine，2006，Vol13，pp.42-50，“一种具有自动壁面侦查功能的三模块机器人”，机器人与自动化技术杂志，第13卷，42-50页，等等。轮式结构例如：(1)前苏联Lunokhod月球探测车：Lunokhod是历史上第一辆月球探测车，车体结构分为两部分，上部分是仪器舱，装有各种仪器，下部分是自动行走底盘，装有8个车轮。车子按照地面指令运动，有两个速度档，可登上30度的斜坡，越过40cm高的障碍物和60cm宽的沟壑，在一走意义上具有轮腿式的结构特点。(2)美国JPL的Sojourner火星探测车：Sojourner是一辆微型自主式机器人车辆，且可从地面对它进行遥控，该机器人采用六轮摇臂悬吊式结构，即有6个独立悬挂的驱动轮，传动比为2000∶1，因而能在各种复杂的地形中行驶，特别是软沙地。此外该机器人的四个角轮具有独立驱动和控制能力。该机器人是真正意义上的六轮腿式移动机器人。(3)美国C-MU大学的Moda(流浪者)自主移动机器人：美国CMU大学研制的Nomda机器人，其于1997年通过了类似于月球和火星表面环境的智利阿特卡马沙漠的测试，测试行程220公里，其中既有自主控制又有几千里外的人工遥操作。该机器人采用四轮机构，四轮具有独立驱动和导向功能，行驶机构由可变形底盘、均化悬挂机构和自包含轮组成。可变形底盘可使机器人能根据工作状态改变机构的覆盖面积。均化悬挂机构可以平滑机器人本体相对于轮子的运动，这种结构可保证在各种地形情况下四轮都能同时着地。(4)美国火星探测车MsRor(漫游者)：美国火星探测车MsRor，该机器人上安装了迄今为止最先进的仪器，同时拥有最先进的机动性，其六轮腿式结构是目前最先进的，具有强大的越障能力、原地360”的转弯能力及伸缩性。

综上所述，腿式结构具有越野能力强的特点，但结构复杂且运行速度慢；而传统的轮式结构虽然运行速度快，但越野性能不太强。履带式机器人凭借其强大的地形适应性而倍受青睐，但转弯时，履带的磨损问题以及履带开模难度大等都已成为其应用的瓶颈。轮式移动机器人克服了履带式的这些缺点，在满足一定地形适应性的前提下，可以充分发挥移动机器人移动灵活、控制简单等优点，但是它对地形的适应性不如履带式机器人，一般来说，轮式移动机器人对地形的适应性大小与轮子相对车体底盘的可变位移量成正比，但是随着悬挂装置相对车体底盘位移量的增加，又带来了机器人底盘较高，重心不稳等缺点。

当今我国对探测开发太空投入了极大的关注，而轮腿式结构是现今最流行的行星探测车结构，虽然与国外的水平还有不小的差距，但国家在这方面也加大了投入力量，现在一些高等院校和科研机构相继开展了有关轮腿式机器人方面的研究工作。

发明内容

针对上述现有技术状况，本发明所要解决的技术问题是：提供一种轮腿式机器人底盘悬挂装置，该悬挂装置可以兼具轮式和腿式移动的优点，达到提高机器人越障能力的目的。

现将本发明构思及技术解决方案叙述如下：

本发明一种轮腿式机器人底盘悬挂装置，其特征在于：包括轮式移动驱动机构、轮式移动机构、腿式行走机构、腿式行走驱动机构、转向机构；所述的轮式移动机构和腿式行走机构共用三对车轮，每个车轮通过安装在其上的轮胎转向座分别与轮式移动机构、腿式行走机构相连接，且在实现腿式行走功能时，车轮圆周运动轨迹的最高点为车轮直径的1～1.5倍；在每个车轮的轮毂上侧安装有角度传感器，且每相邻两个轮毂安装的角度传感器相位相差180°(参见图1)；轮式移动驱动机构和腿式行走机构的驱动机构相互独立且分别安装在轮腿式机器人底盘的两端。

本发明进一步提供一种轮腿式机器人底盘悬挂装置，其特征在于：所述的轮式移动机构由轮式从动链轮23、万向节和装于车轮内部的轮端转向座8组成，所述的万向节由22狗骨杯、9、轮端狗骨杯，10、狗骨构成，狗骨杯22与从动链轮23的轴心相铰接，轮端狗骨杯9与轮端转向座的轮胎驱动端轴心相铰接；所述的轮式驱动机构是指驱动电机1，驱动电机1的轴心与主动链轮26的轴心孔相接，主动链轮26通过链条与从动链轮23连接。

本发明进一步提供一种轮腿式机器人底盘悬挂装置，其特征在于：所述的腿式行走机构由腿式移动从动链轮18、关节轴承27、摇臂2、转向座21、下摇臂11、轮端转向座5、轮端转向座8组成，关节轴承27与从动链轮18偏心铰接，关节轴承27一端通过上摇臂连接件28与上摇臂2铰接，上摇臂2中部通过一贯穿轴与转向座21连接，摇臂2末端以及两摇杆11与轮端转向座8连接。所述的腿式行走驱动机构采用链条和链轮进行传动，由电机13、主动链轮14、从动链轮18构成；电机13输出轴与主动链轮14的轴心孔相接，主动链轮14通过链条与从动链轮18相连。

本发明进一步提供一种轮腿式机器人底盘悬挂装置，其特征在于：所述的转向机构由转向连杆19，左右转向拉杆3、舵机20构成，转向连杆19两端分别与左右向拉杆3相连，左右转向拉杆3通过转向球头4与两侧轮胎内部的转向座5连接。

本发明进一步提供一种轮腿式机器人底盘悬挂装置，其特征在于：采用单片机编程控制；无线遥控技术对轮腿式机器人底盘悬挂装置进行控制；所述的单片机编程控制机构采用目前常用的ARDUINO单片机，其采用VRC语言编码，简单价廉易于掌握，程序可随时更改；所述的遥控控制机构采用常用的成熟的车模控制器，手持舒适，使用方便所述的控制机构的接收机和单片机相连，单片机可接受到接收机发来的控制信号并放大处理然后控制电机做出预定动作，即混合控制或者是半自主控制，使本发明兼具智能性和可操控性。

本发明同现有技术相比的有益效果为：

1.用一套悬挂装置实现腿式和轮式机构的结合，兼具两者的优点，使机器人的越障性能大为提高；

2.悬挂装置在实现腿式行走功能时运动轨迹的最高点约为车轮直径的1.5倍，对一定高度的台阶也可满足要求，对于一些较为复杂的路面也可以更好的适应。

3.悬挂装置中的六个腿式行走机构在运动过程中，始终能保证位于某一三角形三个顶点处的三个车轮着地，可以在实现腿式前进的同时更好的保证运动过程中整体的稳定性。并且悬挂装置具有减震作用，可以减小地面对车轮的冲击作用。

4.腿式行走时，依靠同步带轮独特的传动方式，即可使各悬挂装置之间保持设定的相位规律，无需附加控制机构对其进行调节。

5.轮式前进和腿式行走机构动力机构相互独立，在路面状况较好的情况下可以和一般轮式机器人一样进行控制作业，当遇到一定的障碍时可以通过腿式行走机构进行越障，还可以实现腿式和轮式协调共同工作，完成特殊的动作。

6.独特的三竖板车体机构，为功能扩展留有足够空间，可容纳一定体积的电子及相关控制设备，有效提高了空间利用率，而且不影响整车外形，利于隐身，而且使机器人底盘质量轻，前后抗压强度高。

总之，本发明利用独特的悬挂装置，使机器人不仅具有一般轮式机器人速度快、机动灵活性好、控制简单的特点，还可以实现六个车轮腿式行走的功能，大大提高了机器人的越障能力。例如在地面环境复杂情况下采用腿式行走或腿轮式结合行走，在地面情况较佳时，采用轮式实现高速移动；另外依靠独立的动力机构，当两套动力机构采用不同组合时还可实现轮式和腿式的协同工作，完成不同的动作姿态。

附图说明

图1为本发明整体结构的俯视示意图。

图2图1的侧视示意图。

图3图1的前视示意图

图4为发明整体结构爬行模式相位示意图

图5为悬挂装置的细部结构示意图

图6为轮腿式机器人底盘结构示意图-1

图7为轮腿式机器人底盘结构示意图-2

图8为轮腿式机器人底盘结构示意图-3

图9为悬挂装置的细部机械结构图

图10本发明整体前视机械结构图

图中：

1轮式移动驱动电机，2上摇臂，3转向拉杆，4转向球头，5轮端转向座，6车轮，7轴承，8轮端转向座，9轮端狗骨杯，10狗骨，11下摇臂，12连接杆，13腿式移动前驱动电机，14主动链轮，15连接套，16中竖板，17侧竖版，18腿式移动从动链轮，19转向连杆，20转向舵机，21转向座，22狗骨杯，23轮式移动从动链轮，24止推轴承，25连接刚鞘，26轮式移动主动链轮，27关节轴承，28上摇臂连接件，29转向座夹板30角度传感器31腿式移动后驱动电机

具体实施方式

现结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明

实施例：

腿式行走功能的实现：

腿式行走机构由腿式移动从动链轮18、关节轴承27、摇臂2、转向座21、下摇臂11、轮端转向座5、轮端转向座8组成，关节轴承27与从动链轮18偏心铰接，关节轴承一端与上摇臂2铰接，上摇臂2中部通过一贯穿轴与转向座21连接，摇臂末端以及两摇杆与轮端转向座8连接。腿式行走驱动电机13通过主动链轮14驱动腿式移动从动轮18，之后依靠从动链轮18的转动使上摇臂2产生空间周期运动，进而带动整个悬挂装置完成近似的圆周运动；同时依靠六套悬挂装置之间已经设定好的相位关系，减速电机通过主动链轮将动力传输至从动链轮，链轮通过关节轴承(连接着摇杆)，将其圆周运动经转向座转化为摇臂末端的近似圆周运动，之后摇臂与两摇杆带动轮端转向座，进而使轮胎整体做圆周运动。为实现腿式前进，还必须要求六套悬挂装置之间符合一定的配合关系，在一侧的三个爬虫最外侧两个相位相同并与中间相位相差180度，两侧相同位置的悬挂装置相位相差180度。即可实现腿式行走功能。

轮式移动功能的实现：

轮式移动机构，由轮式从动链轮23和狗骨杯22、轮端狗骨杯9、狗骨10构成的万向传动机构以及装于车轮内部的轮端转向座8组成，狗骨杯22与从动链轮23的轴心相铰接，轮端狗骨杯9与轮端转向座8的车轮驱动端轴心相铰接。轮式移动驱动电机1通过轮式移动主动链轮26驱动轮式移动从动链轮23，从动链轮23在轴心处与由轮端狗骨杯9、狗骨10构成的万向传动轴机构连接，即可使悬挂装置在空间在任意位置仍能正常输出动力，且为等角速度传动。由于装置采用不同的动力机构，所以当不同动力机构之间进行不同组合时，两套装置的功能实现也进行组合，可实现更高性能的越障能力。

轮腿结合移动功能的实现：

依靠不同动力机构的特定组合方式，可以结合实现两种功能，进而完成特定复杂动作。腿式行走驱动机构由电机13输出轴与主动链轮14连接，主动链轮通过链条与从动链轮18相连。轮式移动驱动机构由电机1输出轴与主动链轮26连接，主动链轮通过链条与从动23连接。单侧的轮式移动动力机构和腿式行走动力机构为单独的两套机构。

转向功能的实现：转向机构由转向连杆19，左转向拉杆3、右转向拉杆3、舵机20构成，转向连杆19两端分别与左右向拉杆3相连，左右转向拉杆与两侧轮胎内部的转向座5通过球铰链连接。转向机构首先依靠中部同步带轮内部的限位机构将单侧三套悬挂装置的相位差消除，即单侧三套装置相位相同，此时机器人底盘六车轮同时着地，动力机构通过主动链轮将动力传递至从动同步带轮，从动链轮将转动通过贯穿转向座的万向节传递至轮端，通过轮端结合器实现轮胎的转动。依靠转向舵机20输出的扭矩驱动转向连杆19，连杆通过转向拉杆3将直线运动转化为轮端转向座5绕轮端转向座8的转动，从而实现转向。另外，采用链条和链轮进行传动，可保证单侧三套悬挂装置的相位始终保持以上描述设定的规律。

控制机构功能的实现：

本发明采用三套独立控制单元的复合控制机构。分别为单片机控制机构、遥控控制机构和线路控制机构。单片机控制机构采用目前常用的ARDUINO单片机，其采用VRC语言编码，简单价廉易于掌握，程序可随时更改。遥控控制机构采用常用的成熟的车模控制器，手持舒适，使用方便。控制机构的接收机和单片机相连，单片机可接受到接收机发来的控制信号并放大处理然后控制电机做出预定动作，即混合控制或者是半自主控制，使本发明兼具智能性和可操控性。

Claims (6)

1.一种轮腿式机器人底盘悬挂装置，其特征在于：包括轮式移动驱动机构、轮式移动机构、腿式行走机构、腿式行走驱动机构、转向机构；所述的轮式移动机构和腿式行走机构共用三对车轮，每个车轮通过安装在其上的轮胎转向座分别与轮式移动机构、腿式行走机构相连接，且在实现腿式行走功能时，车轮圆周运动轨迹的最高点为车轮直径的1～1.5倍；在每个车轮的轮毂上侧安装有角度传感器，且每相邻两个轮毂安装的角度传感器相位相差180°；轮式移动驱动机构和腿式行走机构的驱动机构相互独立且分别安装在轮腿式机器人底盘的两端。

2.根据权利要求1所述的一种轮腿式机器人底盘悬挂装置，其特征在于：所述的腿式行走机构由腿式移动从动链轮(18)、关节轴承(27)、摇臂(2)、转向座(21)、下摇臂(11)、轮端转向座(5)、轮端转向座(8)组成，关节轴承(27)与从动链轮(18)偏心铰接，关节轴承(27)一端通过上摇臂连接件(28)与上摇臂(2)铰接，上摇臂(2)中部通过一贯穿轴与转向座(21)连接，摇臂(2)末端以及两摇杆(11)与轮端转向座(8)连接。

3.根据权利要求2所述的一种轮腿式机器人底盘悬挂装置，其特征在于：所述的腿式行走驱动机构采用链条和链轮进行传动，由电机(13)、主动链轮(14)、从动链轮(18)构成；电机(13)输出轴与主动链轮(14)的轴心孔相接，主动链轮(14)通过链条与从动链轮(18)相连。

4.根据权利要求3所述的一种轮腿式机器人底盘悬挂装置，其特征在于：所述的轮式移动机构由轮式从动链轮(23)、万向节和装于车轮内部的轮端转向座(8)组成；所述的万向节由、狗骨杯(22)、轮端狗骨杯(9)、狗骨构成(10)；狗骨杯(22)与从动链轮(23)的轴心相铰接，轮端狗骨杯(9)与轮端转向座的轮胎驱动端轴心相铰接；所述的轮式驱动机构是指驱动电机(1)，驱动电机(1)的轴心与主动链轮(26)的轴心孔相接，主动链轮(26)通过链条与从动链轮(23)连接。

5.根据权利要求4所述的一种轮腿式机器人底盘悬挂装置，其特征在于：所述的转向机构由转向连杆(19)，左右转向拉杆(3)、舵机(20)构成，转向连杆(19)两端分别与左右向拉杆(3)相连，左右转向拉杆(3)通过转向球头(4)与两侧轮胎内部的转向座(5)连接。

6.根据权利要求5所述的一种轮腿式机器人底盘悬挂装置，其特征在于：采用单片机编程控制；无线遥控技术对轮腿式机器人底盘悬挂装置进行控制；所述的单片机编程控制机构采用目前常用的ARDUINO单片机，其采用VRC语言编码；所述的遥控控制机构采用常用的成熟的车模控制器单。

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