CN104670355A - 一种双偏心圆可变偏心距越障组件及轮足机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双偏心圆可变偏心距越障组件，包括同为偏心轮的内轮和外轮，所述内轮可转动的设置于外轮中，所述内轮的外环表面上设置有若干个第一限位装置，所述外轮的内环表面设置有与第一限位装置配合的第二限装置。本发明的越障机器人既可做偏心轮足结构机器人使用，又可做普通圆轮结构机器人使用。当机器人在平坦地面运动时，其越障轮切换为普通圆轮模式，普通圆轮的动力轴位于圆心，行走无起伏，效率高。在非平坦地面运动时，其越障轮可做偏心轮使用，偏心轮的动力轴偏离圆心，越障能力强。本发明中机器人的越障轮可以在偏心和圆心中自由切换，偏心距的大小可依据越障环境中障碍物的高度而实时调整，障碍物越高，越障轮的偏心距越大。

Description

一种双偏心圆可变偏心距越障组件及轮足机器人

技术领域

本发明涉及一种机器人行走装置，具体涉及一种双偏心圆可变偏心距越障组件以及包含该组件的轮足机器人。

背景技术

人类对未知领域的不断探索以及人类工作环境的非结构化，并且，随着核能工业、探险救援、军事侦察、消防排爆、航天航空等众多领域的快速发展，迫切需要一种既能在平坦地面自由行走，又能在野外环境和复杂地形(如地震废墟、矿难现场)中自由行走和越障的移动机器人。

现有移动机器人的运动机构大致可分为：轮式、履带式、多足式、混合式(如轮腿混合式、轮履混合式)和特殊形式(如多边形翻滚式、蛇形滑动式)。其中，多足式和特殊形式大多属于仿生类行走机构，具有很强的越障能力和地形适应性，但这两类行走机构的机械结构复杂、控制难度大、机动性相对较差，目前正处于研究与开发应用的初级阶段。履带经过一百多年的发展已经被证明是一种能适应复杂地形和恶劣环境的行走机构，不过它的缺点也很明显：笨重、需要大功率驱动器，因此，对于便携式或对功率有严格限制的移动机器人来说履带并不合适。

轮子早在三千多年前就已经出现，被认为是能量轮换效率最高的行走机构，轮子具有轻便简洁、高速度、高效率和控制简单等优势使得它经久不衰，近年来出现的万用拖轮(三角轮)、各种越障轮以及轮子与其它形式混合的行走机构使得轮子开始脱离硬质平坦地面而走进复杂地形。轮式机构具有效率高、速度快、行动稳定等优点，因此，经历了几千年的实际应用。

如何提高使用轮式机器人的越障能力，能够兼顾在规整地形系统功耗的平稳性和行走的高效性，是目前机器人技术领域亟待解决的问题。

发明内容

鉴于此，本发明的目的之一是提供一种双偏心圆可变偏心距越障组件，本发明的目的之二是提供一种具有双偏心圆可变偏心距越障组件的轮足机器人。

本发明的目的之一是通过以下的技术方案实现的，一种双偏心圆可变偏心距越障组件，包括同为偏心轮的内轮32和外轮31，所述内轮可转动的设置于外轮中，所述内轮的外环表面321上设置有若干个第一限位装置361，所述外轮的内环表面311设置有与第一限位装置配合的第二限装置362。

进一步，所述第一限位装置为凹陷部，所述第二限位装置为可伸入凹陷部的伸缩部。

进一步，所述内轮和外轮上设置有驱动孔37。

本发明的目的之二是通过以下的技术方案实现的，一种双偏心圆可变偏心轮足机器人，包括机体1、安装在机体内部的控制系统2及对称安装在机体侧面的行走装置3，所述行走装置为双偏心圆可变偏心距越障组件。

进一步，所述机体1的前端设置有越障支撑件25，其底端设置有防滑层。

进一步，所述机体1呈扁平狭长状结构。

由于采用了上述技术方案，本发明具有如下的优点：

本发明通过采用一种双偏心圆可变偏心距越障轮足结构形式，设计一种结构简洁可靠、效率高、低能耗、地表适应性好、越障能力强的越障机器人，该越障机器人能够兼顾在规整地形系统功耗的平稳性和行走的高效性，同时能满足在非规整地形下的越障能力。

与现有技术相比，本发明具有以下显著优点：

采用双偏心圆可变偏心距越障轮足结构行走，可以改善偏心轮足结构的机器人在规整地形运动效率低的劣势而又不丧失越障能力，使得环境适应能力较高；

采用双偏心圆可变偏心距越障轮足结构行走，不但可以改善偏心轮结构在行走时功耗剧烈震荡，而且能保证行走的可靠性，并保证了前进、后退、左右转向功能的完整性；

采用双偏心圆可变偏心距越障轮足结构和机身结构采用对称设计并呈扁平狭长体型，对于发生倾覆时也能够正常行走，使得容错能力提高；

采用双偏心圆可变偏心距越障轮足结构，既能做偏心轮足越障机器人使用，又可做普通圆心轮足移动机器人使用，能够实现偏心轮足和普通的圆心轮足之间自由切换。

根据负重的大小和障碍物的高低，可以方便地选用不同大小的越障轮偏心距；

采用独立驱动方式，可控性好，可动态调整机器人的步距与速度。机械结构简单、实现容易、控制方便。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：

图1为轮足机器人的整体结构示意图；

图2为双偏心圆可变偏心距越障组件的结构示意图；

图3为双偏心圆可变偏心距越障组件的爆炸视图；

图4为双偏心圆可变偏心距越障组件的剖面图；

图5为本发明作偏心轮足结构机器人使用的结构示意图——越障轮的偏心距最大时的越障机器人；

图6为本发明作偏心轮足结构机器人使用的结构示意图——越障轮的偏心距任意时的越障机器人；

图7为本发明作普通圆轮结构机器人使用的结构示意图——越障轮的偏心距为0时的移动机器人；

其中，1-机体，2-控制系统，3-行走装置，21-中央控制器，22-电机驱动控制器，23-电源，24-无线通讯单元，25-越障支撑件，31-外轮，311-内环表面，32-内轮，321-外环表面，33-驱动轴，34-电机，35-电机固定板，361-第一限位装置，362-第二限位装置，37-驱动孔。

具体实施方法

以下将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述；应当理解，优选实施例仅为了说明本发明，而不是为了限制本发明的保护范围。

一种双偏心圆可变偏心距越障组件，包括同为偏心轮的内轮32和外轮31，所述内轮可转动的设置于外轮中，所述内轮的外环表面321上设置有若干个第一限位装置361，所述外轮的内环表面311设置有与第一限位装置配合的第二限装置362。

所述内轮和外轮上设置有驱动孔37。

基于上述的双偏心圆可变偏心距越障组件，本发明还提供一种轮足机器人，主要包括机体1、安装在机体内部的控制系统2及对称安装在机体侧面的行走装置3。所述控制系统2主要包括中央控制器21、电机驱动控制器22、电源23和无线通信单元24；其中，电源23通过电源线分别连接中央控制器21、电机驱动控制器22和无线通信单元24；中央控制器21使用控制线分别与电机控制器22和无线通信单元24连接；电机驱动控制器22通过控制线与电机34连接。所述行走装置为前述的双偏心圆可变偏心距越障组件，内轮32通过驱动孔37安装在电机34的输出轴/驱动轴33上，电机34通过电机固定板35安装在机体1上，并且，双偏心圆可变偏心距越障组件3是四个对称安装在机体1两侧。

作为对本实施例的改进，机体1的前端设置有越障支撑件25，其底端设置有硅橡胶作为防滑层。防滑材料可以为硅橡胶、树脂摩擦材料或铝基复合材料。

作为对本实施例的进一步改进，机体1呈扁平狭长状结构，采用该结构使得机器人在发生侧翻后不影响其行走。

中央控制器21、电机驱动控制器22、电源23、无线通信单元24和控制电路固定安装在机体1中，为了避免机器人运动时重心失衡，最好将它们安装于靠近机器人重心位置，在本方案中，将它们装于重心位置并使其靠近重心的重量前后左右尽可能均衡。

如图2，双偏心圆可变偏心距越障轮3的内轮32上的驱动孔37与电机34的输出轴/驱动轴33相连，一个电机34对应一个双偏心圆可变偏心距越障轮3，采用独立驱动方式。电机34的驱动轴33始终可以带动内轮32转动。

如图3、4，本发明中行走装置——双偏心圆可变偏心距越障轮3的爆炸视图和剖面图。双偏心圆可变偏心距越障轮3为双偏心轮结构，且内轮32固定于外轮31之中，内轮32可以在外轮31中转动，并且内轮32除了可以在外轮31中转动以外，没有其它的任何异动。当内轮32转动到相应位置时，可以利用第一限位装置361配合第二限位装置362将内轮32锁死，使其不再转动，而是带动外轮31一起转动，此过程即为行走装置3在普通圆轮和不同偏心距的偏心轮之间的模式切换。在本设计方案中，第一限位装置和第二限位装置通过外轮31和内轮32的凹凸嵌入方式设计来实现，即第一限位装置为凹陷部，所述第二限位装置为可伸入凹陷部的伸缩部，如图4的爆炸视图可知。

本发明中的机器人可以根据越障环境中障碍物的最大高度，调整越障轮偏心距的大小，即双偏心圆可变偏心距越障轮3为可调偏心距的越障轮，即通过伸缩部与不同位置凹陷部相配合来改变偏心距，伸缩部的伸缩可由外界遥控。偏心距定义为电机34的驱动轴33轴心与双偏心圆可变偏心距越障轮3的外轮31中心(圆心)之间的距离。

在本发明中，偏心距L的大小范围为[0，R)，其中，R为双偏心圆可变偏心距越障轮3的外轮31的半径。

若假设驱动轴33的轴心到机器人底盘的距离为E，则机器人可越过的障碍物最大高度接近R+L-E。

如图5，当双偏心圆可变偏心距越障轮3将偏心距调到最大时，即驱动轴靠近外轮31的边缘时，本发明可作偏心轮足结构机器人使用，并且，此时机器人可越过其所能达到的最大高度障碍物。

如图6，当双偏心圆可变偏心距越障轮3将偏心距调到某个值L时，该值的范围为(0，R)。此时，本发明可作偏心轮足结构机器人使用，且其越障高度为R+L-E。其中，E为电机34的驱动轴33轴心到机器人底盘的距离，R为双偏心圆可变偏心距越障轮3的外轮31的半径。

如图7，当双偏心圆可变偏心距越障轮3将偏心距调为最小值0时，该越障轮切换为普通圆轮，此时，本发明可作普通圆轮结构机器人使用。

在本发明中，轮足机器人共有六种动作方式：复位、前进、后退、原地向左转、原地向右转和停止。注意，在机器人执行相应的动作方式之前，一般应先调整越障轮的偏心距到适当位置，以使机器人能够越过相应高度的障碍物。

1)复位：通过电源23供电开始运行后自动进入复位操作，复位操作将测试各功能部件是否正常工作，并将任意放置于地面的机器人支撑起来，各部件处于预备状态等待控制信号。

2)前进：当机器人接收到前进信号后，控制电路运行前进算法，机器人向前行走，直到接收到其他的控制信号。

当机器人执行前进算法时，分为两种情况：

①行走装置(双偏心圆可变偏心距越障轮)3调整为普通的圆心轮

在此步态下，机器人的四个圆轮需保持同相位转动。

②行走装置(双偏心圆可变偏心距越障轮)3调整为偏心轮

首先，机器人可以根据障碍物的高度，调整越障轮偏心距的大小，偏心距的大小范围为[0，R)，其中，R为双偏心圆可变偏心距越障轮3的外轮31的半径。若假设偏心距为L，驱动轴的轴心到机器人底盘的距离为E，则机器人可越过的障碍物最大高度接近R+L-E。

然后，机器人的四个偏心轮保持同相位转动。

3)后退：一种双偏心圆可变偏心轮足机器人的机体采用的是偏平狭长状结构，并且四个双偏心圆可变偏心距越障轮分别是对称安装在机体的两侧，因此，后退就是前行的逆向运动，表现出来的就是电机的反向转动。

注意：一种双偏心圆可变偏心轮足机器人在规整地面前进和后退时，行走装置3一般调整为普通的圆心轮；在非规整地面进行前进和后退越障时，行走装置3一般调整为偏心轮。

4)左转：当机器人接收到原地左转弯信号时，控制电路执行左转弯算法，机器人向左转弯，直到接收到其他的控制信号。

机器人的转弯采用左右机构差速方式，机体左转时，可以采用两种方式：

①保持左侧两个电机(34)不动，右侧两个电机(34)正转整数个周期(单个周期电机旋转360度)以达到理想的转弯角度要求。

②左侧电机(34)反向转动，右侧电机(34)正向转动，转动的量程为半个周期(电机旋转180度)的整数倍。

以上两种方式都可以达到转弯的效果，前者需要的转弯半径较大，后者基本上可以原地转弯。

5)右转：机体右转时，是对左转的一个反相位操作，原理和左转类似。

6)停止：当机器人接收到停止信号后，控制电路运行停机程序，取消各路与驱动电路连接的驱动控制信号。此时，机体左右两侧的电机34均停止转动，机器人将停止不动，直到接收到其他的控制信号。

本发明是一种结构简洁可靠、效率高、地表适应性好、越障能力强的双偏心圆可变偏心轮足机器人。当其需要在平整地面行走时，可将行走装置3的偏心距调整为0，此时本发明可做普通圆轮结构机器人使用，行走效率高；当其需要在非平整地面行走时，可将偏心距调整为(0,R)中的任意值(其中，R为越障轮的外轮31的半径)，此时本发明可做偏心轮足结构机器人使用，越障能力强，并且能够适应不同高度的障碍物。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (8)

1.一种双偏心圆可变偏心距越障组件，其特征在于：包括同为偏心轮的内轮(32)和外轮(31)，所述内轮可转动的设置于外轮中，所述内轮的外环表面(321)上设置有若干个第一限位装置(361)，所述外轮的内环表面(311)设置有与第一限位装置配合的第二限装置(362)。

2.根据权利要求1所述的双偏心圆可变偏心距越障组件，其特征在于：所述第一限位装置为凹陷部，所述第二限位装置为可伸入凹陷部的伸缩部。

3.根据权利要求1所述的双偏心圆可变偏心距越障组件，其特征在于：所述内轮和外轮上设置有驱动孔(37)。

4.一种双偏心圆可变偏心轮足机器人，包括机体(1)、安装在机体内部的控制系统(2)及对称安装在机体侧面的行走装置(3)，其特征在于：所述行走装置为双偏心圆可变偏心距越障组件，所述双偏心圆可变偏心距越障组件包括同为偏心轮的内轮(32)和外轮(31)，所述内轮可转动的设置于外轮中，所述内轮的外环表面上设置有若干个第一限位装置(361)，所述外轮的内环表面设置有与第一限位装置配合的第二限装置(362)。

5.根据权利要求4所述的双偏心圆可变偏心轮足机器人，其特征在于：所述内轮和外轮上设置有驱动孔(37)。

6.根据权利要求4所述的双偏心圆可变偏心轮足机器人，其特征在于：所述控制系统(2)主要包括中央控制器(21)、电机驱动控制器(22)、电源(23)和无线通信单元(24)；其中，电源(23)通过电源线分别连接中央控制器(21)、电机驱动控制器(22)和无线通信单元(24)；中央控制器(21)使用控制线分别与电机控制器(22)和无线通信单元(24)连接；电机驱动控制器(22)通过控制线与电机(34)连接，电机(34)通过电机固定板(35)安装在机体(1)上，内轮(32)通过驱动孔(37)安装在电机(34)的输出轴/驱动轴(33)上。

7.根据权利要求4所述的双偏心圆可变偏心轮足机器人，其特征在于：所述机体(1)的前端设置有越障支撑件(25)，其底端设置有防滑层。

8.根据权利要求4所述的双偏心圆可变偏心轮足机器人，其特征在于：所述机体(1)呈扁平狭长状结构。