CN104058022A - 一种地形自适应的可变形移动机器人 - Google Patents

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Abstract

本发明提供的是一种地形自适应的可变形移动机器人，包括平衡机构、摇臂机构、转向机构和转子机构，两个摇臂机构固定安装在平衡机构的两侧，每个摇臂机构的两端各设置一个转向机构，每个转向机构的下端设置一个转子机构。本发明通过平衡机构的差分齿轮组实现差动，以适应崎岖地形的变化，通过摇臂机构的摇杆摆角和转向机构的L形杆转角的变化得到不同的构型，本发明是一种多自由度、构型可变、适应地形能力强的、结构稳定可靠的可变形轮式移动机器人。

Description

一种地形自适应的可变形移动机器人
技术领域
本发明涉及一种移动机器人，尤其涉及一种地形自适应的可变形移动机器人。
背景技术
移动机器人广泛应用于航天、军事、救援、服务、娱乐等领域。实际工作时会遇到不同的地形环境，移动机器人的地形适应能力对于其运动的可靠性和稳定性具有重要的作用。
移动机器人按照行走运动机构的不同可以分为：履带式、腿式、跳跃式、轮式等。履带式移动机器人具有越野能力强、控制简单的优点，但是灵活性不够、且行走机构容易损坏。腿式移动机器人地形适应能力强，但是机械结构和控制系统复杂，且速度慢，稳定性差。跳跃式移动机器人体积小、结构紧凑，但可靠性和稳定性差。相比于这些，轮式机器人机构简单、摩擦阻力小、速度快、效率高，控制简单，所以得到广泛采用，但轮式机器人在越障能力上稍有不足。
发明内容
本发明的目的是为了适应运动可靠性和稳定性要求、提高越障能力而提供一种地形自适应的可变形移动机器人。
本发明的目的是这样实现的：包括平衡机构、摇臂机构、转向机构和转子机构，两个摇臂机构固定安装在平衡机构的两侧，每个摇臂机构的两端各设置一个转向机构，每个转向机构的下端设置一个转子机构。
本发明还包括这样一些结构特征：
1.所述平衡机构包括底盘、连接轴a、连接轴b、锥齿轮a、锥齿轮b、锥齿轮c和传动轴，锥齿轮a安装在连接轴a上，连接轴a通过安装座a安装在底盘上，锥齿轮b安装在连接轴b上，连接轴b通过安装座b安装在底盘上，锥齿轮c安装在传动轴上，传动轴通过安装座c安装在底盘上，锥齿轮c同时和锥齿轮a和锥齿轮b啮合。
2.所述摇臂机构分三段，摇臂段a和摇臂段c的结构相同，包括支架、安装在支架上的一号电机、与一号电机连接的联轴器、通过联轴器与一号电机连接的丝杠和套在丝杠上的螺母，还包括连杆和摇杆，连杆的一端与螺母铰接、另一端与摇杆的一端铰接，摇杆的另一端与支架铰接，摇臂段b是一连接板，连接板的一端与摇臂段a的支架固定连接，连接板的另一端与摇臂段b的支架固定连接，所述两个摇臂机构固定安装在平衡机构的两侧是指两个摇臂机构的摇臂段b与连接轴a和连接轴b的轴端固定连接。
3.所述转向机构包括舵机、转向法兰套和L形连杆，舵机安装在摇杆的末端，舵机的输出端与转向法兰套连接，L形连杆的一端与转向法兰套固定连接，L形连杆的另一端固连所述转子机构的二号电机，转子机构还包括转子法兰套和车轮，二号电机的输出端与转子法兰套连接，转子法兰套与车轮固定连接。
4.所述一号电机和二号电机是带减速器的直流电机。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明的移动机器人通过摇臂机构的摇杆摆角和转向机构的L形杆转角的变化得到不同的构型，由于移动机器人的每个自由度都有独立的电机驱动所以可以得到多种构型。几个典型的构型如：常规构型，适用于一般地形条件；极限爬坡构型，将机器人的重心降到最低，适用于坡度较高的地形；原地旋转构型，适用于要求移动机器人原地转向的情况。移动机器人所需构型根据地形条件的变化通过控制系统自动调整，以提高行走运动的可靠性、稳定性。同时机器人可以作为多种设备的搭载平台，以满足不同的功能需要。本发明是一种多自由度、构型可变、适应地形能力强的、结构稳定可靠的可变形轮式移动机器人，可以根据地形条件的不同，改变机器人的机械构型，以适应运动可靠性和稳定性的要求，提高越障能力。
附图说明
图1是本发明的总体机构图；
图2是本发明的平衡机构示意图；
图3是本发明的摇臂机构示意图；
图4是本发明的转向机构示意图；
图5是本发明的车轮机构示意图；
图6是本发明移动机器人常规构型示意图；
图7是本发明移动机器人常规构型下的越障示意图；
图8是本发明移动机器人极限爬坡构型示意图；
图9是本发明移动机器人原地旋转构型示意图。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
如图1所示：本发明的移动机器人由平衡机构1、摇臂机构2、转向机构3、轮子机构4组成，两个摇臂机构2固定安装在平衡机构1的两侧，每个摇臂机构2的两端各设置一个转向机构3，每个转向机构3的下端设置一个转子机构4。
如图2所示：平衡机构1包括底盘1-6、连接轴a1-1、连接轴b1-5、锥齿轮a1-2、锥齿轮b1-3、锥齿轮c1-7和传动轴1-8，锥齿轮a1-2安装在连接轴a1-1上，连接轴a1-1通过安装座a1-10安装在底盘1-6上，锥齿轮b1-3安装在连接轴b1-5上，连接轴b1-5通过安装座b1-1-4安装在底盘上，锥齿轮c1-7安装在传动轴1-8上，传动轴1-8通过安装座c1-9安装在底盘1-6上，锥齿轮c1-7同时和锥齿轮a1-2和锥齿轮b1-3啮合。锥齿轮a1-2和锥齿轮b1-3的齿数为30，锥齿轮c1-7的齿数为15；平衡机构通过两侧连接轴a、连接轴b实现与其固定摇臂的差动；移动机器人的控制系统硬件和其它外加的设备安装在底盘1-6上。
如图3所示：摇臂机构2分三段，中间位置是摇臂段b，两端分别是摇臂段a和摇臂段c，摇臂段a和摇臂段c的结构相同，包括支架2-8、安装在支架2-8上的一号电机2-2、与一号电机2-2连接的联轴器2-3、通过联轴器2-3与一号电机2-2连接的丝杠2-4和套在丝杠2-4上的螺母2-5，还包括连杆2-6和摇杆2-7，连杆2-6的一端与螺母2-5铰接、另一端与摇杆2-7的一端铰接，摇杆2-7的另一端与支架2-8铰接，摇臂段b是一连接板2-9，连接板2-9的一端与摇臂段a的支架固定连接，连接板的另一端与摇臂段b的支架固定连接，则摇臂段a、摇臂段b、摇臂段c铆接成一个整体，所述两个摇臂机构固定安装在平衡机构1的两侧是指两个摇臂机构2的摇臂段b与连接轴a1-1和连接轴b1-5的轴端固定连接。丝杠2-4的末端通过联轴器2-3与固定在摇臂上的带减速器的直流电机2-2运动耦合；电机的转动通过丝杠带动移动螺母直线运动，螺母的行程为0-100mm，对应的摇杆摆幅角度为0-90°；当摇杆摆幅为90°，即螺母移动到最大行程100mm时，电机、丝杠、摇杆的轴线在同一条直线上；当摇杆摆幅为0°，即螺母行程0mm时，摇杆的轴线与丝杠和电机的轴线垂直；摇杆末端与转向机构3的舵机固联，且转向机构的轴线与摇杆轴线同轴，摇杆摆角的变化得到不同的机器人构型。
如图4所示：转向机构3包括舵机3-1、转向法兰套3-3和L形连杆3-2，舵机3-1安装在摇杆2-7的末端，舵机3-1的输出端与转向法兰套3-3固定连接，L形杆3-2的两臂通过半径为22mm的圆弧连接，两臂投影长度72mm；L形杆的一侧臂端与转向法兰套3-3固定，另一侧臂端与车轮机构4固联，使得车轮机构在舵机的输出作用下转向。
如图5所示：转子机构4包括二号电机4-2、转子法兰套4-3和车轮4-1，二号电机4-2的输出端与转子法兰套4-3连接，转子法兰套4-3与车轮4-1固定连接，车轮4-1的轮面轴向截面为半径80mm的圆弧，当接触弹性地面时可以增大接触面积，同时降低车轮转向时所需的扭矩；车轮径向最大截面为半径50mm的圆，转向机构的轴线与该圆共面且穿过其圆心；带减速器的直流电机4-2的转动输出与转子法兰套4-3固定；转子法兰套4-3与车轮4-1的轮辐固定连接，每个车轮都能由电机独立驱动，以提供较高的自由度和驱动力。
移动机器人由于具有多个可控制的自由度，通过主动的改变摇杆摆角或者L形杆转角可以得到很多不同的构型，以适应地形条件的变化。几个典型的构型如：常规构型、极限爬坡构型、原地旋转构型。
如图6所示：摇杆摆幅为10°，移动机器人工作在常规构型下，由于底盘距离地面高使得机器人具有较好的通过性和崎岖地面适应力。
如图7所示：机器人在常规构型的越障运动，左前轮翻越障碍时，车身会被向左上方抬起一定角度。由于平衡机构的作用，两侧摇臂产生差动，使得四个轮子能同时接触到地面，避免车轮的悬空，提供越障的可靠性、稳定性。
如图8所示：摇杆摆幅为90°，移动机器人工作在极限爬坡构型下，增大摇杆摆角有利于减小机器人的重心高度，防止机器人在陡坡上运动时发生后仰或者侧翻，提供运动的稳定性和可靠性。
如图9所示：摇杆摆幅为0°，每个转向机构转角60°，使得四个车轮的轴线相交于一点，移动机器人工作在原地旋转构型下，当机器人遇到无法通过的障碍时，可以快速原地转向。

Claims (5)

1.一种地形自适应的可变形移动机器人，其特征在于：包括平衡机构、摇臂机构、转向机构和转子机构，两个摇臂机构固定安装在平衡机构的两侧，每个摇臂机构的两端各设置一个转向机构，每个转向机构的下端设置一个转子机构。
2.根据权利要求1所述的一种地形自适应的可变形移动机器人，其特征在于：所述平衡机构包括底盘、连接轴a、连接轴b、锥齿轮a、锥齿轮b、锥齿轮c和传动轴，锥齿轮a安装在连接轴a上，连接轴a通过安装座a安装在底盘上，锥齿轮b安装在连接轴b上，连接轴b通过安装座b安装在底盘上，锥齿轮c安装在传动轴上，传动轴通过安装座c安装在底盘上，锥齿轮c同时和锥齿轮a和锥齿轮b啮合。
3.根据权利要求1或2所述的一种地形自适应的可变形移动机器人，其特征在于：所述摇臂机构分三段，摇臂段a和摇臂段c的结构相同，包括支架、安装在支架上的一号电机、与一号电机连接的联轴器、通过联轴器与一号电机连接的丝杠和套在丝杠上的螺母，还包括连杆和摇杆，连杆的一端与螺母铰接、另一端与摇杆的一端铰接，摇杆的另一端与支架铰接，摇臂段b是一连接板，连接板的一端与摇臂段a的支架固定连接，连接板的另一端与摇臂段b的支架固定连接，所述两个摇臂机构固定安装在平衡机构的两侧是指两个摇臂机构的摇臂段b与连接轴a和连接轴b的轴端固定连接。
4.根据权利要求3所述的一种地形自适应的可变形移动机器人，其特征在于：所述转向机构包括舵机、转向法兰套和L形连杆，舵机安装在摇杆的末端，舵机的输出端与转向法兰套连接，L形连杆的一端与转向法兰套固定连接，L形连杆的另一端固连所述转子机构的二号电机，转子机构还包括转子法兰套和车轮，二号电机的输出端与转子法兰套连接，转子法兰套与车轮固定连接。
5.根据权利要求4所述的一种地形自适应的可变形移动机器人，其特征在于：所述一号电机和二号电机是带减速器的直流电机。
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