CN103879467A - 一种被动自适应履带可变形摇杆差动移动机器人平台 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种被动自适应履带可变形摇杆差动移动机器人平台，其特征在于该机器人平台采用模块化设计，包括车体模块、位于车身两侧的左、右被动自适应变形履带模块和左、右旋转支撑模块以及位于车体后部的差动连杆模块；所述左、右被动自适应变形履带模块分别通过左、右旋转支撑模块和车体模块相连接，被动自适应变形履带模块可以绕车体转动；所述差动连杆模块安装在车体后板上，其两端与左、右被动自适应变形履带模块相连接；整体机器人平台共有两条履带和两台驱动电机：左、右被动自适应变形履带模块上分别安装有一条履带，左、右被动自适应变形履带模块上的履带分别由一台驱动电机来驱动，可跨越高于自身高度的障碍，被动适应地形能力很强。

Description

一种被动自适应履带可变形摇杆差动移动机器人平台

技术领域

本发明涉及机器人技术，具体为一种被动自适应履带可变形摇杆差动移动机器人平台。

背景技术

目前，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。因此，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、要求电机和传感器的数量较多，控制算法较为复杂，具有一定程度的控制滞后性。

基于主动自适应履带移动机器人平台的诸多缺点，本发明提出了被动自适应履带可变形摇杆差动移动机器人平台，该概念已经存在，但首次应用于履带式机器人上，并且技术路线不同。它有以下三个特点：1、移动机构为欠驱动机构，即机构的原动件数目小于机构的自由度的数目；2、将环境约束力作为对机器人移动机构的一种有效输入作用力；3、机器人移动机构在驱动电动机驱动力和环境约束力的共同作用下，可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摇杆差动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，是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摇杆差动移动机器人平台是一个基础平台，其上可搭载控制系统、检测系统和机械手等，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摇杆差动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摇杆差动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和两侧履带模块相对车身的转角，以适应环境的变化，增强机器人的越障能力。现有的被动自适应摇杆差动移动机器人平台主要是中国矿业大学研制的摇杆式履带矿井救灾移动机器人，但其存在履带不可变形，被动自适应能力较差的问题。

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摇杆差动移动机器人平台，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，在非平整地形下实现平稳前进等。在实现所述功能要求的前提下，本发明机器人移动平台具有结构简单，容易控制，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摇杆差动移动机器人平台。该机器人平台采用模块化设计，从整体来看可分为四部分，即车体模块、位于车身两侧的被动自适应变形履带模块（左、右两侧被动自适应变形履带模块结构相同）、支撑被动自适应变形履带模块绕车体旋转的旋转支撑模块（左、右两侧旋转支撑模块结构相同）和位于车体后部的差动连杆模块。左、右两侧被动自适应变形履带模块分别通过左、右两侧旋转支撑模块和车体模块相连接，即被动自适应变形履带模块可以绕车体模块转动；差动连杆模块安装在车体后板上，两端和左、右两侧被动自适应变形履带模块相连。整体机器人平台共有两条履带和两台驱动电机：左、右被动自适应变形履带模块上分别安装有一条履带，左、右被动自适应变形履带模块上的履带分别由一台驱动电机来驱动。

本发明机器人平台所述车体模块包括车体左板、车体上盖、车体右板、车体底板、车体前板、车体后板，全部零件通过螺钉相互连接共同组成车体模块。

所述被动自适应变形履带模块主要包括变形履带系统、复位系统和驱动系统。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这样的六杆机构，履带驱动轮和履带支撑轮装在这两组六杆机构上，履带驱动轮和履带支撑轮支撑起履带。机器人在行进的过程中地面对机器人的约束力作为一种外力向六杆机构进行作用。复位系统主要由复位弹簧构成，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从而产生复位拉力。驱动系统主要由同步带轮、履带旋转驱动轴、履带同步轮、电机法兰、电机、同步带构成。电机通过电机法兰固定在车体模块上，电机的旋转运动通过同步带传递给固定在履带旋转驱动轴上的同步带轮，从而使履带旋转驱动轴产生转动，履带旋转驱动轴带动固连在其上的履带同步轮旋转，履带同步轮通过同步带驱动变形履带系统中的履带驱动轮转动，从而驱动履带产生旋转运动。地面对机器人的约束力、机器人履带的旋转给机器人的驱动力和复位系统弹簧的拉力共同作用使机器人能被动自适应非结构环境下地形的变化。

所述旋转支撑模块由空心轴、圆螺母、深沟球轴承、滚针推力轴承组成。空心轴一端通过深沟球轴承和圆螺母装在车体模块的车体右板上，空心轴另一端通过深沟球轴承和圆螺母装在被动自适应变形履带模块的机架上。因车体模块和被动自适应变形履带模块之间有相对的转动，所以在车体右板和机架之间装有滚针推力轴承，这样就能保证被动自适应变形履带模块可以绕车体模块自由旋转。

所述差动连杆模块主要包括摆杆支座、支座支撑轴、摆杆、上球副、下球副组成。支座支撑轴通过螺钉固定在车体模块的车体后板上，摆杆支座通过一个深沟球轴承固定在支座支撑轴上，这样摆杆支座就可以绕车体模块转动。摆杆和摆杆支座固定连接，上球副固定在摆杆上，下球副和被动自适应变形履带模块的机架相固定，上球副和下球副通过连杆相连。差动连杆模块这种机构保证了左、右被动自适应变形履带模块可以以相同的旋转角度但不同的旋转方向绕着车体模块旋转。

本机器人左、右两个旋转支撑模块分别安装在机器人车体模块的左、右两侧；左、右两侧的被动自适应变形履带模块通过轴承支撑分别安装在左、右两侧的旋转支撑模块上，并且被动自适应变形履带模块以旋转支撑模块的空心轴为轴实现自由的转动；差动连接模块的摆杆通过轴承支撑安装在支座支撑轴上，并且以支座支承轴为轴可以实现自由转动，摆杆的左、右两端通过上球副分别和左、右连杆相连，左、右连杆通过下球副分别和左、右被动自适应变形履带模块连接；假定当左被动自适应变形履带模块相对车体模块顺时针旋转时，其顺时针旋转的运动通过左连杆传递使差动连接模块的摆杆的左端向下运动，因摆杆的中心通过轴承安装在车体模块上，所以摆杆的右端向上运动，摆杆右端的向上的运动通过右连杆传递给右被动自适应变形履带模块，即转化成其相对车体模块逆时针旋转相同的角度；以此保持机器人车体模块的相对平衡，有效的减小地形变化对车体模块的影响。

与现有技术相比，本发明机器人平台结构简单，控制容易，使控制算法大为简化。由于特殊的结构设计，本发明机器人平台可跨越高于自身高度的障碍，在非结构环境下被动适应地形能力很强。

附图说明

图1为本发明被动自适应履带可变形摇杆差动移动机器人平台一种实施例的整体立体结构示意图。

图2为本发明被动自适应履带可变形摇杆差动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摇杆差动移动机器人平台一种实施例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摇杆差动移动机器人平台一种实施例的A-A剖面结构示意图。

图5为本发明被动自适应履带可变形摇杆差动移动机器人平台一种实施例的A-A剖面局部I结构放大示意图。

图6为本发明被动自适应履带可变形摇杆差动移动机器人平台一种实施例的整体右视结构示意图。

具体实施方式

下面结合实施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。但本发明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摇杆差动移动机器人平台（以下简称机器人平台，参见图1-6）遵循机器人模块化设计思想，采用模块化设计。本发明平台从整体来看可分为四部分，即车体模块1、位于车身两侧的被动自适应变形履带模块2（左、右两侧被动自适应变形履带模块结构相同）、支撑被动自适应变形履带模块2绕车体模块1旋转的旋转支撑模块3（左右两侧旋转支撑模块结构相同）和位于车身后部的差动连杆模块4。左、右两侧被动自适应变形履带模块2分别通过左、右两侧旋转支撑模块3和车体模块1相连接，被动自适应变形履带模块2可以绕车体模块1转动；差动连杆模块4安装在车体模块1上，两端和左、右两侧被动自适应变形履带模块2相连。整体机器人平台共有两条履带和两台驱动电机：左、右被动自适应变形履带模块上分别安装有一条履带，左、右被动自适应变形履带模块上的履带分别由一台驱动电机来驱动。

本发明机器人所述车体模块1包括车体左板11、车体上盖12、车体右板13、车体底板14、车体前板15和车体后板16，全部零件通过螺钉相互连接，共同组成车体模块1（参见图2和图4）。

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、复位系统22、驱动系统23。所述变形履带系统21主要包括履带驱动轮215、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，还包括地面连杆211、前部连杆212、驱动带轮支撑连杆213、上连杆214、后部连杆216和机架217（参见图3）；每个变形履带系统21有两组这样的六杆机构，履带驱动轮215和履带支撑轮218装在这两组六杆机构上，履带驱动轮215和履带支撑轮218支撑起履带219；机器人在行进的过程中地面对机器人的约束力作为一种外力向六杆机构进行作用。复位系统22主要由复位弹簧221构成（参见图3），其两端分别固定在上连杆214和机架217上；当变形履带系统21发生变形时弹簧221随之产生形变从而产生复位拉力。驱动系统23主要由同步带轮231、履带旋转驱动轴232、履带同步轮233、电机法兰234、电机235、同步带236构成（参见图2、图4和图5）。电机235通过电机法兰234固定在车体模块1上，电机235的旋转运动通过同步带236传递给固定在履带旋转驱动轴232上的同步带轮231，从而使履带旋转驱动轴232产生转动，履带旋转驱动轴232带动固连在其上的履带同步轮233旋转，履带同步轮233通过同步带驱动变形履带系统21中的履带驱动轮215转动，从而驱动履带219产生旋转运动。地面对机器人的约束力、机器人履带的旋转给机器人的驱动力和复位系统弹簧的拉力共同作用使机器人能被动自适应非结构环境下地形的变化。

所述旋转支撑模块3由空心轴31、车体右板圆螺母32、车体右板深沟球轴承33、滚针推力轴承34、机架深沟球轴承35、机架圆螺母36组成（参见图5）。空心轴31一端通过车体板深沟球轴承33和车体板圆螺母32装在车体模块1的车体右板13上，另一端通过机架深沟球轴承35和机架圆螺母36装在被动自适应变形履带模块2的机架217上；因车体模块1和被动自适应变形履带模块2之间有相对的转动，所以在车体右板13和机架217之间装有滚针推力轴承34，这样就能保证被动自适应变形履带模块2可以绕车体模块1自由旋转。

所述差动连杆模块4主要包括摆杆支座41、支座支撑轴42、摆杆43、上球副44、连杆45和下球副46组成（参见图6）。支座支撑轴42通过螺钉固定在车体模块1的车体后板16上，摆杆支座41通过一个深沟球轴承固定在支座支撑轴42上，这样摆杆支座41就可以绕车体模块1转动；摆杆43和摆杆支座41固定连接，上球副44固定在摆杆43上，下球副46和被动自适应变形履带模块2的机架217相固定，上球副44和下球副46通过连杆45相连。差动连杆模块4这种机构保证了左、右被动自适应变形履带模块2可以以相同的旋转角度但不同的旋转方向绕着车体模块1旋转。

本发明机器人左、右两个旋转支撑模块3分别安装在机器人车体模块1的左、右两侧；左、右两侧的被动自适应变形履带模块2通过轴承支撑分别安装在左、右两侧的旋转支撑模块3上，并且被动自适应变形履带模块以旋转支撑模块的空心轴31为轴实现自由的转动；差动连接模块的摆杆43通过轴承支撑安装在支座支撑轴42上，并且以支座支撑轴42为轴可以实现自由转动，摆杆43的左、右两端通过上球副44分别和左、右连杆45相连，左、右连杆45通过下球副46分别和左、右被动自适应变形履带模块2连接；假定当左被动自适应变形履带模块2相对车体模块顺时针旋转时，其顺时针旋转的运动通过左连杆46传递使差动连接模块4的摆杆43的左端向下运动，因摆杆43的中心通过轴承安装在车体模块1上，所以摆杆43的右端向上运动，摆杆43右端的向上的运动通过右连杆45传递给右被动自适应变形履带模块2，即转化成其相对车体模块1逆时针旋转相同的角度（参见图6）。如此就可以保持机器人车体模块的相对平衡，有效的减小地形变化对车体模块的影响。因此摇杆机器人具有很强的地形被动自适应能力、运行的平稳性、抗颠覆能力和越障能力。

本发明机器人平台的工作原理和过程是：当机器人行驶过程中，右侧履带遇到较高障碍物时，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216相对于机架217的位置发生变化，使履带驱动轮215的轮心相对地面的位置升高；遇到障碍物的右侧被动自适应变形履带模块2为克服障碍物必定旋转一定角度，此时差动连杆模块4开始起作用，使左侧被动自适应变形履带模块2以相反的方向旋转相同的角度，从而使机器人的底盘升高，与履带驱动轮215的轮心相对地面的位置升高共同作用，使机器人能够越过高于自身高度的障碍物。复位弹簧221其两端分别固定在上连杆214和机架217上，当变形履带系统21发生变形时，复位弹簧221随之产生变形，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，使机器人平台能够减小运动过程中对控制系统的依赖，简化控制算法，并提高了驱动电机的使用率。

本发明实施例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2个电机总消耗的最大功率为400W，最大扭矩为14N·m，最大速度1.5m/s，其负载可达10kg，续航可达3小时，性能优良，应用范围非常广泛。

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，功耗更低。通过差动连杆模块，如果左侧被动自适应变形履带模块上升，右侧被动自适应变形履带模块下降相同的角度，被动自适应能力强，车体的波动小。

本发明未述及之处适用于现有技术。

Claims (2)

1.一种被动自适应履带可变形摇杆差动移动机器人平台，其特征在于该机器人平台采用模块化设计，包括车体模块、位于车身两侧的左、右被动自适应变形履带模块和左、右旋转支撑模块以及位于车体后部的差动连杆模块；所述左、右被动自适应变形履带模块分别通过左、右旋转支撑模块和车体模块相连接，被动自适应变形履带模块可以绕车体转动；所述差动连杆模块安装在车体后板上，其两端与左、右被动自适应变形履带模块相连接；整体机器人平台共有两条履带和两台驱动电机：左、右被动自适应变形履带模块上分别安装有一条履带，左、右被动自适应变形履带模块上的履带分别由一台驱动电机来驱动；

所述车体模块包括车体左板、车体上盖、车体右板、车体底板、车体前板、车体后板，车体全部零件通过螺钉连接，共同组成车体模块；

所述左、右被动自适应变形履带模块结构相同，主要包括变形履带系统、复位系统和驱动系统；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所述的平面六杆机构，履带驱动轮和履带支撑轮安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；机器人在行进的过程中地面对机器人的约束力作为一种外力向六杆机构进行作用；所述复位系统主要由复位弹簧构成，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从而产生复位拉力；所述驱动系统主要由同步带轮、履带旋转驱动轴、履带同步轮、电机法兰、电机和同步带构成；电机通过电机法兰固定在车体模块上，电机的旋转运动通过同步带传递给固定在履带旋转驱动轴上的同步带轮，从而使履带旋转驱动轴产生转动，履带旋转驱动轴带动固连在其上的履带同步轮旋转，履带同步轮通过同步带驱动变形履带系统中的履带驱动轮转动，从而驱动履带产生旋转运动；地面对机器人的约束力、机器人履带的旋转给机器人的驱动力和复位系统弹簧的拉力共同作用使机器人能被动自适应非结构环境下地形的变化；

所述左、右旋转支撑模块结构相同，主要由空心轴、圆螺母、深沟球轴承和滚针推力轴承组成；空心轴一端通过深沟球轴承和圆螺母安装在车体模块的车体右板上，空心轴另一端通过深沟球轴承和圆螺母安装在被动自适应变形履带模块的机架上；滚针推力轴承安装在车体右板和机架之间；

所述差动连杆模块主要包括摆杆支座、支座支撑轴、摆杆、上球副和下球副；支座支撑轴通过螺钉固定在车体模块的车体后板上，摆杆支座通过一个深沟球轴承固定在支座支撑轴上，摆杆支座可以绕车体模块转动；摆杆和摆杆支座固定连接，上球副固定在摆杆上，下球副和被动自适应变形履带模块的机架相固定；差动连杆模块这种机构保证了左、右被动自适应变形履带模块可以以相同的旋转角度但不同的旋转方向绕着车体模块旋转；

机器人平台左、右都采用摇杆移动系统，通过差动机构连接左、右被动自适应变形履带模块与机器人主车体；差动连接机构是摇杆式移动机器人的重要组成部分，它把机器人左、右摇杆的摆角进行线性平均，转化为机器人主车体摆角输出，以此保持机器人主车体的相对平衡，有效的减小地形变化对主车体的影响；还可以使得机器人较为均匀地向各个车轮分配车体重量，使各车轮能随着地面的起伏被动自由调整位置。

2.根据权利要求1所述的被动自适应履带可变形摇杆差动移动机器人平台，其特征在于该机器人平台总重小于35kg、其负载可达10kg，续航可达3小时，安全系数设计为1.6；所述电机总消耗的最大功率为400W，最大扭矩为14N·m，最大速度1.5m/s。

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