CN104890752A - 一种行星轮式越障机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种行星轮式越障机器人，包括车体及三个驱动组，车体包括前车体和后车体，前车体第一铰轴铰接在后车体上，每个驱动组均包括一支撑梁、一距离传感器、两个支撑架、两个动力驱动装置和两个行星轮组；每个支撑架上均安装所述距离传感器，所述距离传感器用于测量该距离传感器所在侧的行星轮组与前方障碍物的距离；所述的三个驱动组按从前至后的顺序依次设置，在前的驱动组的支撑梁、在中间的驱动组的支撑梁和在后的驱动组的支撑梁分别通过前铰轴、中铰轴和后铰轴铰接在车体上，所述前铰轴、中铰轴和后铰轴均竖直设置。本发明具有体积小，质量轻，负载能力强，越障能力强尤其是能翻越转弯台阶障碍的显著优点。
Description
技术领域
本发明属于机器人领域，更具体地，涉及一种行星轮式越障机器人。
背景技术
越障机器人具有广泛的用途。目前的越障机器人以轮式，履带式，足式为主。现有越障机器人种类各有优点也各有不足:轮式越障机器人结构简单，控制方便，负重比高，能量效率高，在平坦路面负载行进时较其他种类机器人具有绝对优势，但在崎岖地形下其越障性能较差,比如重载车辆，虽然负重能力强，行进速度也快，但需要路面平坦；履带式越障机器人支撑面积大，下陷度小，地形适应能力强，但其结构复杂质量大，能量利用率低，比如坦克，越障能力强，但体积质量大，一般不用来负重；足式越障机器人运动灵活，地形适应能力强，但其结构和控制都很复杂，负重比较低，例如Boston Dynamics公司的R.Playter,M.Buehler和M.Raibert等人在《BigDog》一文中提出的BigDog机器人，自重90kg,负重50kg，自身长度1m,最大速度为0.7m/s。因此，研究一种结构较为简单，控制方便，地形适应能力强，负重比高，能量效率高的越障机器人对工业、运输等都具有重要意义。
华中科技大学李一鹏在硕士论文《一种新型越障机器人的设计与开发》里面介绍了一种越障机器人，其体积小，质量轻，采用了6个独立的行星轮组作为驱动，具有良好的越障能力。但是该机器人的驱动组在偏航方向没有自由度，在爬有转弯弧度的楼梯时不能使左右两边的行星轮组同时翻转，左前行星轮组和右前行星轮组分别在上下两级台阶上，即车身的左前端和右前端处于不同高度，车身严重歪斜，容易导致翻车。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种行星轮式越障机器人，其越障能力强，能适应有转弯弧度的楼梯的爬坡要求。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种行星轮式越障机器人，包括车体及用于支撑车体的三个驱动组，所述车体包括前车体和后车体，所述前车体通过水平设置的第一铰轴铰接在后车体上，所述第一铰轴的轴线沿左右方向延伸，其特征在于：
每个驱动组均包括一支撑梁、一距离传感器、两个支撑架、两个动力驱动装置和两个行星轮组；其中，这两个行星轮组左右设置，而且每个行星轮组分别通过一动力驱动装置驱动移动；此外，每个支撑架上安装一所述行星轮组和一所述动力驱动装置，并且所述支撑梁通过所述的两个支撑架支撑，而且在每个支撑架上均安装所述距离传感器，所述距离传感器用于测量该距离传感器所在侧的行星轮组与前方障碍物的距离；
所述的三个驱动组按从前至后的顺序依次设置，在前的驱动组的支撑梁、在中间的驱动组的支撑梁和在后的驱动组的支撑梁分别通过前铰轴、中铰轴和后铰轴铰接在车体上，所述前铰轴、中铰轴和后铰轴均竖直设置。
优选地，每个驱动组的支撑梁上均安装电磁开关，所述的电磁开关包括电磁铁和开关轴，所述开关轴竖直设置，所述车体在对应于每个开关轴的位置均设置有限位孔，所述开关轴能在电磁铁的驱动下伸入连接孔内或从限位孔内退出，从而使控制支撑梁与车体之间的相对转动。
优选地，每个支撑架的上部均设置有减震器，减震器的上下两端分别安装在支撑梁和支撑架上。
优选地，每个减震器均包括上连接板、上连杆、下连杆和空气弹簧，其中，所述上连杆的上端安装在所述上连接板上，所述下连杆的下端安装在所述支撑架上，所述上连杆的下端通过水平设置的第二铰轴铰接在所述下连杆的上端，所述空气弹簧的上下两端分别安装在所述上连接板和所述支撑架上。
优选地，每个减震器均包括上连接板、空气弹簧和两铰接件，两铰接件左右设置且对称安装在上连接板的两侧，每个铰接件包括上连杆和下连杆，所述上连杆的上端通过水平设置的第三铰轴铰接在在所述上连接板上，所述下连杆的下端通过水平设置的第四铰轴铰接在所述支撑架上，所述上连杆的下端通过水平设置的第二铰轴铰接在所述下连杆的上端，所述空气弹簧的上下两端分别安装在所述上连接板和所述支撑架上。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
1)本发明采用减震器安装在支撑架上，减震器采用悬挂式减震结构，具有体积小，质量轻，承载力高的特点；
2)本发明采用两截式车体，并且采用竖直设置的前铰轴、中铰轴和后铰轴，通过中铰轴，前车体和后车体之间可以有一定角度的偏转；通过前铰轴，前车轮和前车体之间能有在爬地形适应能力较单一车体式更强；
3)采用可控式电磁开关，使得机身与动力驱动装置之间可实现固接与铰接的自由转换，越障种类广泛。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明中前车体的结构示意图；
图3是本发明中后车体的结构示意图；
图4是本发明中驱动组的结构示意图；
图5是本发明的主视图；
图6是本发明中前驱动组上其中一种结构的减震器安装在支撑架上的结构示意图；
图7是本发明的前驱动组上另一种结构的减震器安装在支撑架上的结构示意图；
图8为本发明行进在转弯台阶上的俯视示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1～图7所示，一种行星轮式越障机器人，包括车体及用于支撑车体的三个驱动组，所述车体包括前车体100和后车体200，所述前车体100通过水平设置的第一铰轴10铰接在后车体200上，所述第一铰轴10的轴线沿左右方向延伸；
每个驱动组均包括一支撑梁、两个支撑架、两个动力驱动装置和两个行星轮组；其中，这两个行星轮组左右设置，而且每个行星轮组分别通过一动力驱动装置驱动移动；此外，每个支撑架上安装一所述行星轮组和一所述动力驱动装置，并且所述支撑梁通过所述的两个支撑架支撑，而且在每个支撑架上均安装有距离传感器，所述距离传感器用于测量该距离传感器所在侧的行星轮组与前方障碍物的距离；
优选地，每个驱动组的支撑梁上均安装电磁开关，所述的电磁开关包括电磁铁和开关轴，所述开关轴竖直设置，所述车体在对应于每个开关轴的位置均设置有限位孔，所述开关轴能在电磁铁的驱动下伸入连接孔内或从限位孔内退出，从而使控制支撑梁与车体之间的相对转动。
所述的三个驱动组按从前至后的顺序依次设置，在前的驱动组的支撑梁通过前铰轴313铰接在前车体100上，在中间的驱动组的支撑梁通过中铰轴铰接在前车体100上，在后的驱动组的支撑梁通过后铰轴铰接在后车体200上，所述前铰轴313、中铰轴60和后铰轴70均竖直设置。
本发明中的“前、后”方向是指生活中对车体方位惯常叫法；而相应地，“左、右”方向是指生活中对车体方位的惯常叫法。
进一步，每个支撑架的上表面均设置有减震器，减震器的上下两端分别安装在支撑梁和支撑架上，以减小车体的震动。
参照图6，作为一种优选，所述减震器包括上连接板321、上连杆21、下连杆22和空气弹簧322，所述上连杆21的上端安装在上连接板321上，所述下连杆22的下端安装在支撑架320上，所述上连杆21的下端通过水平设置的第二铰轴20铰接在下连杆22的上端，所述空气弹簧的上下两端分别安装在上连接板321和支撑架320上。
参照图7，作为另一种优选，所述减震器包括上连接板321、空气弹簧322和两铰接件，两铰接件左右设置且对称安装在上连接板321的两侧，每个铰接件包括上连杆21和下连杆22，所述上连杆21的上端通过水平设置的第三铰轴30铰接在在上连接板321上，所述下连杆22的下端通过水平设置的第四铰轴40铰接在支撑架320上，所述上连杆21的下端通过水平设置的第二铰轴20铰接在下连杆22的上端，所述空气弹簧322的上下两端分别安装在上连接板321和支撑架320上。
本发明的三个驱动组按从前往后的顺序依次为前驱动组300、中驱动组400和后驱动组500，三者具有相同的结构；
参照图2，所述前车体100包括前车架110，前车箱120和电池箱130；
所述前车架110包括前横杆111，中横杆112，后横杆113，左竖杆114，右竖杆115，前铰架116，中铰架117和后铰架118；前横杆111和中横杆112的左端均与左竖杆114固接，右端均与右竖杆115固接，以此形成前车架110的整体；所述前铰架116固接在所述前横杆111的中后部，其上有前孔116A和后孔116B，前孔116A用于使前铰轴313伸入前铰架116内，以使在前的驱动组的支撑梁能够相对于前车体100转动；
所述中铰架117固接于中横杆112的中上部；
所述后铰架118与所述前铰架116具有相同结构，固接于所述后横杆113的中后部；
前车箱120固接于所述前车架110的前上部，为箱体件，便于安装控制器和电机驱动器等；
电池箱130安装于所述前车架110的中下部，其内安放电池；
参照图3，所述后车体200包括后车架210和后车箱220；
所述后车架210包括第一横杆211，第二横杆212，第三横杆213，第四横杆214，后左竖杆215，后右竖杆216，下横杆217，后前铰218和后后铰219；所述横杆左端均与后左竖杆215固接，右端均与后右竖杆216固接，以此形成后车架210的整体；所述后前铰218固接于所述第一横杆211的中前部，并通过第一铰轴10与所述前车架110的中铰架117形成铰接；所述后后铰219与所述前车架110的前铰架116具有相同结构，固接于所述第四横杆214的中后部；
参照图4，所述前驱动组300包括前支撑组310，左前驱动组320和右前驱动组330；
其中，所述前支撑组310包括前支撑梁311，前支撑铰架312，前铰轴313，前电磁铁314，前开关轴315；
另外，所述左前驱动组320包括左前安装板321，左前空气弹簧322，左前电机323，左前减速器324，左前支撑架325，左前联轴器326，左前测距距离传感器327，左前连接法兰328和左前轮组329；
此外，所述左前安装板321安装在前支撑梁311的左下部；所述左前支撑架325通过第二铰轴与所述左前安装板321在右端形成铰接；所述左前空气弹簧322上下两个面分别与所述左前安装板321的下面和左前支撑架325的上面固接；所述左前减速器324的外壳安装在所述左前支撑架325的右端，所述左前电机323的外壳安装在所述左前减速器324上，其输出轴与所述左前减速器324的输入轴连接；所述左前安装法兰328安装在所述左前支撑架325的左端；所述左前轮组329的输入轴通过轴承与所述左前安装法兰328形成转动连接，其端部从左前安装法兰328的右端伸出并通过所述左前联轴器326与所述左前减速器324的输出轴连接；所述左前测距距离传感器327安装在所述左前支撑架325的前端；
所述左前轮组329包括减速箱329O和左前行星轮组，左前行星轮组包括上轮329A，前轮329B和后轮329C；所述减速箱329O内使用周转轮系，其三个输出轴运动相同，分别与所述三个轮子连接；
所述右前驱动组330与所述左前驱动组320具有相同结构，连接在所述前支撑梁311的右下部；
所述中驱动组400和所述后驱动组500具有相同结构，中驱动组400安装在所述前车架110的后铰架118上；后驱动组500安装在所述后车架210的后后铰219上；
本发明的轮组结构在遇到障碍物时，前轮329B即被障碍物堵住，减速箱329O在电机驱动力矩的作用上会绕前轮329B向前翻转，使得上轮329A着地，此时若尚未通过障碍，上轮329A即被障碍物堵住，减速箱329O在电机驱动力矩的作用下会绕前轮329A向前翻转，使得后轮329C着地；三个轮子依次翻转直至整个轮组通过障碍物；
本发明使用的空气弹簧322为充满高压空气的气囊，具有很大的强度和刚度，相比普通弹簧阻尼减震结构，本发明具有体积小，质量轻，承载能力大的优点；
本发明所使用的电磁铁314配合开关轴315使用，具有机械开关的作用，当电磁铁314关时，开关轴315上升并穿入前车架110上的孔中，此时驱动组320与前车体100之间形成固接，二者不能形成相对转动，整车可在平地上以左右轮组差速的形式通过滑移实现转向；
当电磁铁314开时，开关轴315下降，此时前驱动组300与前车体100通过前铰轴313、中驱动组400与前车体100通过中铰轴60、后驱动组500与后车体通过后铰轴70之间分别形成铰接，整车可通过转弯台阶等连续障碍物。
参照图8，转弯台阶的每一级台阶一般是内侧窄，外侧宽，且转弯半径越小每级台阶内外两侧的宽度相差越大。本机器人在爬这种楼梯时，每个驱动组的左右行星轮组高度差不能过大，换言之，左右行星轮组若在不同级的台阶上，机器人极有可能因为车身的严重倾斜而导致翻车。本机器人的左右行星轮组均安装有距离距离传感器，驱动组翻越台阶时，将左右两个距离距离传感器测得的行星轮组与台阶间的距离进行比较，距离远的行星轮组加速，距离近的行星轮组减速，通过反馈控制使得左右行星轮组同时翻越后一级台阶，使得车体左右高度基本无变化；各级驱动组相互独立，分别加以控制，使得车体不会出现因前后驱动组动作不一致导致的卡死现象；前后两车体之间也采用铰接，使得车体对台阶的转弯半径具有更强的适应性，不会因为车体过长而导致转弯半径超出台阶半径的情况。如图8中所示，为本机器人行进于转变台阶中的某一状态，三个驱动组分别位于不同台阶上，且相互间成一定角度(此角度大小由台阶转弯半径决定)，由于车体与驱动组之间采用了铰接，前后两车体与各驱动组间也成一定角度，避免了单节车体或车体与驱动组固接形式会产生的行星轮组不能同时翻越，车身严重倾斜，车身不能转向等一系列问题。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种行星轮式越障机器人，包括车体及用于支撑车体的三个驱动组，所述车体包括前车体和后车体，所述前车体通过水平设置的第一铰轴铰接在后车体上，所述第一铰轴的轴线沿左右方向延伸，其特征在于：
每个驱动组均包括一支撑梁、一距离传感器、两个支撑架、两个动力驱动装置和两个行星轮组；其中，这两个行星轮组左右设置，而且每个行星轮组分别通过一动力驱动装置驱动移动；此外，每个支撑架上安装一所述行星轮组和一所述动力驱动装置，并且所述支撑梁通过所述的两个支撑架支撑，而且在每个支撑架上均安装所述距离传感器，所述距离传感器用于测量该距离传感器所在侧的行星轮组与前方障碍物的距离；
所述的三个驱动组按从前至后的顺序依次设置，在前的驱动组的支撑梁、在中间的驱动组的支撑梁和在后的驱动组的支撑梁分别通过前铰轴、中铰轴和后铰轴铰接在车体上，所述前铰轴、中铰轴和后铰轴均竖直设置。
2.根据权利要求1所述的一种行星轮式越障机器人，其特征在于：每个驱动组的支撑梁上均安装电磁开关，所述的电磁开关包括电磁铁和开关轴，所述开关轴竖直设置，所述车体在对应于每个开关轴的位置均设置有限位孔，所述开关轴能在电磁铁的驱动下伸入连接孔内或从限位孔内退出，从而使控制支撑梁与车体之间的相对转动。
3.根据权利要求1所述的一种行星轮式越障机器人，其特征在于：每个支撑架的上部均设置有减震器，减震器的上下两端分别安装在支撑梁和支撑架上。
4.根据权利要求3所述的一种行星轮式越障机器人，其特征在于：每个减震器均包括上连接板、上连杆、下连杆和空气弹簧，其中，所述上连杆的上端安装在所述上连接板上，所述下连杆的下端安装在所述支撑架上，所述上连杆的下端通过水平设置的第二铰轴铰接在所述下连杆的上端，所述空气弹簧的上下两端分别安装在所述上连接板和所述支撑架上。
5.根据权利要求3所述的一种行星轮式越障机器人，其特征在于：每个减震器均包括上连接板、空气弹簧和两铰接件，两铰接件左右设置且对称安装在上连接板的两侧，每个铰接件包括上连杆和下连杆，所述上连杆的上端通过水平设置的第三铰轴铰接在在所述上连接板上，所述下连杆的下端通过水平设置的第四铰轴铰接在所述支撑架上，所述上连杆的下端通过水平设置的第二铰轴铰接在所述下连杆的上端，所述空气弹簧的上下两端分别安装在所述上连接板和所述支撑架上。
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