CN104773226A - 轮足转换式移动机器人系统 - Google Patents

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Abstract

轮足转换式移动机器人系统，它涉及一种移动机器人。本发明解决了现有的轮式机器人存在避障能力差以及现有的足式机器人行走速度慢的问题。中心轴的一端固定连接且通过第一限位块轴向锁紧，中心轴的另一端设有台肩，弹簧套装在中心轴上且位于所述第一轴承与台肩之间，中心轴的另一端加工有中心盲孔，中心盲孔内加工有第一键槽；固定半轮上沿其圆周方向加工有半环凹槽，活动半轮与固定半轮相对于中心轴转动连接，转换轮式状态时，固定半轮和活动半轮构成完整的车轮，转换足式状态时，活动半轮旋转至固定半轮的半环凹槽内，单条幅安装在中心轴上。本发明属于移动机器人领域。

Description

轮足转换式移动机器人系统
技术领域
本发明涉及一种轮足转换式移动机器人，具体涉及一种可以在轮-足两种模式间切换的移动机器人。
背景技术
目前的救灾工作主要以人工搜救为主，极大地限制了救援的水平与效率，使许多受难者错过最佳治疗时间，失去宝贵生命。由于搜救现场大多被火、炸弹、水等严重破坏，因此现场的地面环境极其复杂，既有平整的路面，也有坑坑洼洼的道路；有丛林、草地，也有楼梯、障碍物等。这些情况要求机器人对环境的适应能力特别强，既要能平面移动，又要能上下楼梯、爬障碍。目前单一的足式机器人或者单一的轮式机器人无法达到机器人对环境适应能力特别强的要求。传统的轮式机器人具有较高的运动速度，并且控制简单，但是其避障能力和非平整路面的运动性能不好；与轮式机器人相比，足式机器人对环境的适应能力很强，其运动的轨迹是孤立的支撑点，而不是连续的点，因此足式机器人对行走路面状况的要求很低，它可以结合路面情况，规划好在相应的步态，完成机器人避障、爬坡和上下楼梯的动作。但是足式机器人运动速度较低，工作效率不高，这一点上，足式机器人又比不过轮式机器人。以上的分析列出了轮式机器人和足式机器人的优缺点，我们希望将轮式机器人和足式机器人的优点都集合于一个机器人上，高效地完成搜救任务。这就是轮足转换式移动机器人。
轮足转换式移动机器人综合了足式和轮式机器人的优点，具有较强的地形适应能力和稳定性。本发明设计的机器人腿部机构并不是一种既有轮又有足的混合结构，而是使用一种可以根据路况随时切换的单一结构。在路面平整时，这种腿部结构以轮的状态实现移动功能。而遇到复杂路面时，该结构可以通过各电机的驱动来改变结构形式，切换到足的状态，来实现越障移动的功能。
综上，现有的轮式机器人存在避障能力差以及现有的足式机器人行走速度慢的问题。
发明内容
本发明为解决现有的轮式机器人存在避障能力差以及现有的足式机器人行走速度慢的问题，进而提供了一种轮足转换式移动机器人系统。
本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：
本发明的轮足转换式移动机器人系统包括机器人框架和四个轮足转换机构，机器人框架上矩阵安装有四个轮足转换机构，每个轮足转换机构包括轮足转换本体、升降机构、旋转机构和切换机构；
轮足转换本体包括固定半轮、活动半轮、单条幅、中心轴、第一限位块和弹簧，中心轴通过第一轴承安装在固定半轮的中心处，中心轴的一端固定连接且通过第一限位块轴向锁紧，中心轴的另一端设有台肩，弹簧套装在中心轴上且位于所述第一轴承与台肩之间，中心轴的另一端加工有中心盲孔，中心盲孔内加工有第一键槽；固定半轮上沿其圆周方向加工有半环凹槽，活动半轮与固定半轮相对于中心轴转动连接，转换轮式状态时，固定半轮和活动半轮构成完整的车轮，转换足式状态时，活动半轮旋转至固定半轮的半环凹槽内，单条幅安装在中心轴上；
切换机构包括伸缩轴、轴套、导轨、电机座、滑块、舵机、曲柄连杆、第一驱动电机、底板和固定架，底板的一侧固装在固定架的下端面上，导轨安装在底板的上端面上，滑块安装在导轨上，电机座固装在滑块的上端面上，第一驱动电机固装在电机座上，舵机通过曲柄连杆与电机座连接，伸缩轴的一端与第一驱动电机的输出端固接，轴套套装在伸缩轴上，伸缩轴的另一端加工有第二键槽，伸缩轴的第二键槽上设置有连接键；
升降机构包括升降套、升降管、齿条、齿轮、齿轮挡板，升降管固定连接在固定半轮的侧壁上，齿条沿升降管的长度方向安装在升降管内，升降套套装在升降管上，切换机构安装在升降套上，伸缩轴的另一端穿过升降套，齿轮套装在伸缩轴上，齿条与齿轮相互啮合，齿轮内孔上沿圆周方向加工有两个第三键槽，伸缩轴上的连接键与齿轮中的一个第三键槽相配合，当轮足转换状态时，伸缩轴上的连接键与中心轴上的第一键槽相配合；
旋转机构包括同步带、第二驱动电机、第一同步带轮、第二同步带轮，第一同步带轮套装在轴套上，第二同步带轮套装在第二驱动电机的输出轴上，第一同步带轮通过同步带与第二同步带轮连接，底板通过两个第二轴承安装在第一驱动电机和第二驱动电机的输出轴上。
本发明与现有的移动机器人相比具有以下有益效果：
本发明的轮足转换式移动机器人系统结合了足式和轮式机器人的优点，实现了传统轮式和足式机器人的结合；具有较强的地形适应能力和稳定性，轮足转换式移动机器人包含有轮足转换机构，这是一种可以根据路况随时切换状态的腿部结构；
在路面平整时，这种腿部结构通过一系列电机和舵机的驱动改变结构形式，转换到轮式状态，实现轮式移动功能。其移动速度与传统四足机器人相比提高了3～5倍，电机驱动力矩减少90％以上，功耗降低50％以上，控制系统也在很大程度上得到了简化；
遇到复杂路面时，该结构可以通过一系列电机和舵机的驱动来改变结构形式，切换到足的状态，实现越障移动的功能。与传统的轮式机器人相比，轮足转换式移动机器人在不平整路面上的行走速度与轮式机器人提高了近一倍；在一些有障碍物的路面上，轮式机器人甚至不能完成测试，而轮足转换移动式机器人可以很平稳地行走。与传统的足轮混合机器人(轮安装在足上)相比，在加工装配成本上，由于电机数量减少，结构紧凑，其加工装配成本节约了30％以上；由于在控制方式上可以采用传统的、成型的四足机器人控制方案，很大程度上节约了研究的成本和时间；这种独特的半轮式腿部结构可以实现多种步态，在爬楼梯时，可以钩住楼梯，爬行速度提高50％以上。
附图说明
图1是本发明的轮足转换式移动机器人系统的立体图，图2是具体实施方式一中轮足转换机构轮式状态的立体图，图3是具体实施方式一中轮足转换本体A的立体图，图4是具体实施方式一中轮足转换机构轮式状态的主剖视图，图5是图4的俯视剖视图，图6是具体实施方式一中轮足转换机构足式状态的立体图。
具体实施方式
具体实施方式一：如图1～6所示，本实施方式的轮足转换式移动机器人系统包括机器人框架E和四个轮足转换机构，机器人框架上矩阵安装有四个轮足转换机构，每个轮足转换机构包括轮足转换本体A、升降机构B、旋转机构C和切换机构D；
轮足转换式移动机器人系统包括轮足转换本体A、升降机构B、旋转机构C和切换机构D；
轮足转换本体A包括固定半轮1、活动半轮2、单条幅3、中心轴4、第一限位块5和弹簧6，中心轴4通过第一轴承安装在固定半轮1的中心处，中心轴4的一端固定连接且通过第一限位块5轴向锁紧，中心轴4的另一端设有台肩4-1，弹簧6套装在中心轴4上且位于所述第一轴承与台肩4-1之间，中心轴4的另一端加工有中心盲孔4-2，中心盲孔4-2内加工有第一键槽；固定半轮1上沿其圆周方向加工有半环凹槽1-1，活动半轮2与固定半轮1相对于中心轴4转动连接，转换轮式状态时，固定半轮1和活动半轮2构成完整的车轮，转换足式状态时，活动半轮2旋转至固定半轮1的半环凹槽1-1内，单条幅3安装在中心轴4上；
切换机构D包括伸缩轴11、轴套12、导轨13、电机座14、滑块15、舵机16、曲柄连杆17、第一驱动电机18、底板19和固定架20，底板19的一侧固装在固定架20的下端面上，导轨13安装在底板19的上端面上，滑块15安装在导轨13上，电机座14固装在滑块15的上端面上，第一驱动电机18固装在电机座14上，舵机16通过曲柄连杆17与电机座14连接，伸缩轴11的一端与第一驱动电机18的输出端固接，轴套12套装在伸缩轴11上，伸缩轴11的另一端加工有第二键槽，伸缩轴11的第二键槽上设置有连接键；
升降机构B包括升降套21、升降管22、齿条23、齿轮24、齿轮挡板25，升降管22固定连接在固定半轮1的侧壁上，齿条23沿升降管22的长度方向安装在升降管22内，升降套21套装在升降管22上，切换机构安装在升降套21上，伸缩轴的另一端穿过升降套21，齿轮24套装在伸缩轴11上，齿条23与齿轮24相互啮合，齿轮24内孔上沿圆周方向加工有两个第三键槽，伸缩轴11上的连接键与齿轮24中的一个第三键槽相配合，当轮足转换状态时，伸缩轴11上的连接键与中心轴4上的第一键槽相配合；
旋转机构C包括同步带、第二驱动电机31、第一同步带轮32、第二同步带轮33，第一同步带轮32套装在轴套12上，第二同步带轮33套装在第二驱动电机31的输出轴上，第一同步带轮32通过同步带30与第二同步带轮33连接，底板19通过两个第二轴承安装在第一驱动电机18和第二驱动电机31的输出轴上。
具体实施方式二：如图3所示，本实施方式所述固定半轮1上设置有两个固定条幅1-1，两个固定条幅1-1呈直角设置。如此设置，使固定半轮1的刚度得到了保证，在径向受力的情况下不会发生严重的变形，将固定条幅1-1和固定半轮1设计成两个零件也降低了加工的难度和成本。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：如图3所示，本实施方式轮足转换本体A号包括挡片6和活动条幅8，所述挡片6设置在活动半轮2的内壁上，两个固定条幅1-1的连接处加工有槽口1-2，转换轮式状态时，单条幅3被槽口1-2限位在水平位置，单条幅3的上端与挡片6相接触，活动条幅8竖直设置在轮足转换本体A的下半部，活动条幅8的一端与中心轴4固定连接，活动条幅8的另一端与活动半轮2的一端固定连接。如此设计，容易看出单条幅3为随动轮辐，轮足转换时可以随着活动半轮2转动，在机体运动过程中起到提高机构刚度的作用，有了单条幅3，可以降低活动半轮2的厚度，减轻轮足转换本体A的重量。活动条幅8起到加强刚度的作用。其它组成及连接关系与具体实施方式二相同。
具体实施方式四：如图2、4、5或6所示，本实施方式第一驱动电机18为伺服步进电机。如此设计，直流伺服电机转速高，配合相应的减速机可以提供较大扭矩；另外直流伺服电机可实现闭环控制，可实现较高的转动精度。
其它组成及连接关系与具体实施方式一、二或三相同。
具体实施方式五：如图2、4、5或6所示，本实施方式第二驱动电机31为伺服步进电机。如此设计，直流伺服电机转速高，配合相应的减速机可以提供较大扭矩；另外直流伺服电机可实现闭环控制，可实现较高的转动精度。
其它组成及连接关系与具体实施方式四相同。
具体实施方式六：如图5和图6所示，本实施方式升降机构B还包括四个限位销27，四个限位销27关于升降套21的两个侧壁上对称设置，升降管22上沿长度方向对称加工有两个条形孔21-1，每个条形孔21-1通过两个限位销27进行限位。如此设计，定位销起到限位的作用，防止升降套和升降管在作相对运动时发生脱离。其它组成及连接关系与具体实施方式一、二、三或五相同。
具体实施方式七：如图5所示，本实施方式升降机构B还包括第二限位块28和两个齿轮挡片29，齿轮24位于两个齿轮挡片29之间，齿轮24与两个齿轮挡片29固装为一体，齿轮24的外缘与两个齿轮挡片29形成环形凹槽，所述环形凹槽与第二限位块28相配合。如此设计，防止齿轮在运动时脱离齿条。另外伸缩轴沿轴向运动时，齿轮两侧分别以齿条和限位块导向，齿轮对称受力，不会偏斜，不会对轴产生较大摩擦力而卡住。其它组成及连接关系与具体实施方式六相同。
工作原理：
将四个轮足转换机构安装在车体框架上从而形成轮足转换式移动机器人。
轮式移动速度快，控制简单，在平整地面上，机器人以轮的状态移动。轮式状态，将第一驱动电机18轴线对准轮足机构的圆心，驱动第二驱动电机31旋转，第二驱动电机31带动第二同步带轮33旋转，第二同步带轮33旋转通过同步带30带动第一同步带轮32旋转，从而带动轮足整体机构旋转，也就是实现了轮的旋转；
采用机器人的摄像头和陀螺仪检测地面是否平整，当地面不平整时，切换为足式状态，轮足转换过程如下：
转换开始，驱动舵机16顺时针旋转90度，带动曲柄连杆17转动，曲柄连杆17转动带动滑块15向远离舵机16一侧滑动，从而带动电机座14、第一驱动电机18、伸缩轴11同时向远离舵机16一侧移动，伸缩轴11上的连接键脱离所述齿轮24中的一个第三键槽，插入中心轴4的第一键槽，伸缩轴11顶住中心轴4移动一段距离，中心轴4带动第一限位块5脱离固定半轮1，此时活动半轮2与固定半轮1解除锁定，活动半轮2可以在伸缩轴11带动下旋转；
驱动第一驱动电机18逆时针旋转180度，伸缩轴11旋转带动中心轴4、活动半轮2旋入固定半轮1的半环凹槽1-1内，然后驱动舵机16逆时针旋转90度，曲柄连杆17带动滑块15向靠近舵机16的一侧运动，从而带动第一驱动电机18、伸缩轴11同步向靠近舵机16的一侧运动，从而伸缩轴11与中心轴4的第一键槽脱离，伸缩轴11上的连接键再次与齿轮24中余下的一个第三键槽相配合，第一限位块5在弹簧6的作用下复位嵌入固定半轮1上，从而将活动半轮2与固定半轮1固连；
驱动第一驱动电机18旋转，使伸缩轴11带动齿轮24转动，齿轮24转动带动升降套21、第一驱动电机18沿升降管22长度方向升降运动，从而改变第一驱动电机18轴线位置的高度，在视觉系统的辅助下，根据地面的不平整状态，通过调整第一驱动电机18和第二驱动电机31的运动参数，轮足转换式移动机器人可以像四足动物一样在不平整地面上平稳行走。

Claims (7)

1.一种轮足转换式移动机器人系统，其特征在于：所述移动机器人系统包括机器人框架(E)和四个轮足转换机构，机器人框架上矩阵安装有四个轮足转换机构，每个轮足转换机构包括轮足转换本体(A)、升降机构(B)、旋转机构(C)和切换机构(D)；
轮足转换本体(A)包括固定半轮(1)、活动半轮(2)、单条幅(3)、中心轴(4)、第一限位块(5)和弹簧(6)，中心轴(4)通过第一轴承安装在固定半轮(1)的中心处，中心轴(4)的一端固定连接且通过第一限位块(5)轴向锁紧，中心轴(4)的另一端设有台肩(4-1)，弹簧(6)套装在中心轴(4)上且位于所述第一轴承与台肩(4-1)之间，中心轴(4)的另一端加工有中心盲孔(4-2)，中心盲孔(4-2)内加工有第一键槽；固定半轮(1)上沿其圆周方向加工有半环凹槽(1-1)，活动半轮(2)与固定半轮(1)相对于中心轴(4)转动连接，转换轮式状态时，固定半轮(1)和活动半轮(2)构成完整的车轮，转换足式状态时，活动半轮(2)旋转至固定半轮(1)的半环凹槽(1-1)内，单条幅(3)安装在中心轴(4)上；
切换机构(D)包括伸缩轴(11)、轴套(12)、导轨(13)、电机座(14)、滑块(15)、舵机(16)、曲柄连杆(17)、第一驱动电机(18)、底板(19)和固定架(20)，底板(19)的一侧固装在固定架(20)的下端面上，导轨(13)安装在底板(19)的上端面上，滑块(15)安装在导轨(13)上，电机座(14)固装在滑块(15)的上端面上，第一驱动电机(18)固装在电机座(14)上，舵机(16)通过曲柄连杆(17)与电机座(14)连接，伸缩轴(11)的一端与第一驱动电机(18)的输出端固接，轴套(12)套装在伸缩轴(11)上，伸缩轴(11)的另一端加工有第二键槽，伸缩轴(11)的第二键槽上设置有连接键；
升降机构(B)包括升降套(21)、升降管(22)、齿条(23)、齿轮(24)、齿轮挡板(25)，升降管(22)固定连接在固定半轮(1)的侧壁上，齿条(23)沿升降管(22)的长度方向安装在升降管(22)内，升降套(21)套装在升降管(22)上，切换机构安装在升降套(21)上，伸缩轴的另一端穿过升降套(21)，齿轮(24)套装在伸缩轴(11)上，齿条(23)与齿轮(24)相互啮合，齿轮(24)内孔上沿圆周方向加工有两个第三键槽，伸缩轴(11)上的连接键与齿轮(24)中的一个第三键槽相配合，当轮足转换状态时，伸缩轴(11)上的连接键与中心轴(4)上的第一键槽相配合；
旋转机构(C)包括同步带(30)、第二驱动电机(31)、第一同步带轮(32)、第二同步带轮(33)，第一同步带轮(32)套装在轴套(12)上，第二同步带轮(33)套装在第二驱动电机(31)的输出轴上，第一同步带轮(32)通过同步带(30)与第二同步带轮(33)连接，底板(19)通过两个第二轴承安装在第一驱动电机(18)和第二驱动电机(31)的输出轴上。
2.根据权利要求1所述的轮足转换式移动机器人系统，其特征在于：所述固定半轮(1)上设置有两个固定条幅(1-1)，两个固定条幅(1-1)呈直角设置。
3.根据权利要求2所述的轮足转换式移动机器人系统，其特征在于：轮足转换本体(A)号包括挡片(6)和活动条幅(8)，所述挡片(6)设置在活动半轮(2)的内壁上，两个固定条幅(1-1)的连接处加工有槽口(1-2)，转换轮式状态时，单条幅(3)被槽口(1-2)限位在水平位置，单条幅(3)的上端与挡片(6)相接触，活动条幅(8)竖直设置在轮足转换本体(A)的下半部，活动条幅(8)的一端与中心轴(4)固定连接，活动条幅(8)的另一端与活动半轮(2)的一端固定连接。
4.根据权利要求1、2或3所述的轮足转换式移动机器人系统，其特征在于：第一驱动电机(18)为伺服步进电机。
5.根据权利要求4所述的轮足转换式移动机器人系统，其特征在于：第二驱动电机(31)为伺服步进电机。
6.根据权利要求1、2、3或5所述的轮足转换式移动机器人系统，其特征在于：升降机构(B)还包括四个限位销(27)，四个限位销(27)关于升降套(21)的两个侧壁上对称设置，升降管(22)上沿长度方向对称加工有两个条形孔(21-1)，每个条形孔(21-1)通过两个限位销(27)进行限位。
7.根据权利要求6所述的轮足转换式移动机器人系统，其特征在于：升降机构(B)还包括第二限位块(28)和两个齿轮挡片(29)，齿轮(24)位于两个齿轮挡片(29)之间，齿轮(24)与两个齿轮挡片(29)固装为一体，齿轮(24)的外缘与两个齿轮挡片(29)形成环形凹槽，所述环形凹槽与第二限位块(28)相配合。
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