CN105216892B - 一种刚度半主动调控的履带式移动机器人悬挂系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种刚度半主动调控的履带式机器人悬挂系统，包括悬架、支撑轮、定位板和履带；所述定位板安装在履带的侧面，若干支撑轮安装在履带内侧的顶部，若干悬架安装在履带的内侧。本发明悬挂系统刚度半主动可调，在机器人通过不同的任务地形时，地面对悬架在竖直方向上的作用力，可改变悬架的刚度，具有悬挂系统刚度自适应的能力；当传感器检测到悬架竖直方向上的加速度未达到通过该地形的加速度要求，即达到最适宜的通过任务地形的悬挂系统刚度时，可通过对电磁铁线圈内电流的调节，使悬挂系统刚度达到通过任务地形的要求，提高了刚度调节的精确性。

Description

一种刚度半主动调控的履带式移动机器人悬挂系统

技术领域

本发明属于地面移动机器人技术领域，具体涉及一种刚度半主动调控的履带式移动机器人悬挂系统。

背景技术

履带式机器人其履带的刚度对机器人的运动性能会产生一定的影响，而在刚体机身下，履带一旦选定其刚度无法改变，即很难再利用改变刚度这一因素来改善机器人的运动性能；另外，机身为刚体的机器人在运动时，特别是在非结构地形上运动时，重心轨迹会出现明显的波动，反映出机器人运动时会有明显的振动，而机器人在执行任务的时候，往往会携带很多设备，长期的振动会导致机器人的零部件异常，如螺丝松动、摄像头图像不稳定等。

使用悬挂系统是车辆设计中改善运动性能的常用方式，如坦克、汽车的设计等，而现有的履带式机器人研究中也开始使用悬挂系统。悬挂系统能影响履带的张力，从而影响履带机器人在地面上的运动性能；更突出的是，悬挂系统能改善机器人机械系统的稳定性。

悬挂系统的特性主要体现在刚度上，不同的任务地形对悬挂系统刚度的要求也不一样，软地面上刚度不能过小，硬地面上刚度不能过大，适宜的悬挂系统刚度能大大的提高机器人的运动性能。因此，需要根据执行任务的地形对悬挂系统的刚度进行调节，从而使机器人获得良好的运动性能。

悬挂系统刚度的控制方法有：被动方式、半主动式和主动式。被动式即由外力驱动的而调节刚度，成本低、有较高的可靠性；主动式即由电脑控制，对悬挂系统刚度进行调节，具有多种传感器并将有关数据集中到微电脑进行运算并决定控制方式。主动式汇集了力学和电子学的技术知识，是一种比较复杂的高技术控制方式，控制迅速、精确；半主动式介于被动式和主动式之间。

发明内容

本发明的目的是提出一种刚度半主动调控的履带式移动机器人悬挂系统，在悬挂系统刚度自适应的同时，实现对悬挂系统刚度的半主动控制。

为了达到上述目的，本发明的构思是：应用了一种由磁弹簧和结构梁组合而成的变刚度组合结构。其中，磁弹簧由永磁铁和电磁铁组成，可产生负刚度，结构梁可产生正刚度。这种结构在悬架刚度自适应的同时，又能够通过调节电磁铁线圈中的电流来获得通过任务地形的更适宜的悬挂系统刚度。悬架刚度计算的基本公式：

其中，为结构梁的刚度，需根据不同的结构梁进行计算；为电磁铁通入调节电流后，磁弹簧的刚度。

其中，为活动永磁铁芯偏离平衡位置的位移，为电磁铁线圈内电流，参数、、、、、与材料的选取和变刚度组合结构的布置有关。

根据上述构思，本发明采用如下技术方案：

一种刚度自适应的履带式移动机器人悬挂系统，包括悬架、支撑轮、定位板和履带；所述定位板安装在履带的侧面，若干支撑轮安装在履带内侧的顶部，若干悬架安装在履带的内侧；所述悬架包括变刚度组合结构、连接装置和负重轮；所述连接装置下端为具有内螺纹的圆形管，与负重轮连接，所述负重轮连接履带内侧的底部，所述连接装置上端设有方形管，与变刚度组合结构的一端连接，所述变刚度组合结构的另一端安装于定位板上。

所述变刚度组合结构包括结构梁组合、活动永磁铁组合、电磁铁组合、和加速度传感器；所述结构梁组合和电磁铁组合安装方向相互垂直，两侧对称的安装在定位板上；所述活动永磁铁组合一端与连接装置联接，另一端与结构梁组合联接；所述加速度传感器贴于活动永磁铁组合上，随活动永磁铁组合一起运动。

所述结构梁组合包括右结构梁底座、右结构梁紧固件、结构梁、结构梁底座固定板、左结构梁底座和左结构梁紧固件；所述结构梁分别由右结构梁紧固件和左结构梁紧固件拉紧固定于右结构梁底座和左结构梁底座上，所述右结构梁底座和左结构梁底座对称布置于结构梁底座固定板两端。

所述活动永磁铁组合包括活动铜管、下活动铁盖、下永磁铁芯、上永磁铁芯和上活动铁盖；所述下永磁铁芯和上永磁铁芯分别嵌在下活动铁盖和上活动铁盖中，并由螺栓固定于结构梁的中间位置；所述活动铜管下端与连接装置联接，上端用金属粘接剂与下活动铁盖粘接在一起，活动铜管带动下活动铁盖和上活动铁盖内的下永磁铁芯和上永磁铁芯以及结构梁一起运动。

所述电磁铁组合包括下电磁铁底座、下电磁铁、电磁铁底座固定板、上电磁铁和上电磁铁底座；所述下电磁铁和上电磁铁均由电线圈缠绕于铁芯外部，铁芯中空，所述活动铜管穿过下电磁铁铁芯内部，能够自由活动；所述下电磁铁和上电磁铁分别固定于下电磁铁底座和上电磁铁底座上，且下电磁铁和上电磁铁电线圈内同时通有大小相同，方向相反的电流；所述下电磁铁底座和上电磁铁底座对称布置于电磁铁底座固定板两端。

与现有技术相比，本发明具有如下显著的特点：

本发明悬挂系统刚度半主动可调，在机器人通过不同的任务地形时，地面对悬架在竖直方向上的作用力，可改变悬架的刚度，具有悬挂系统刚度自适应的能力；当传感器检测到悬架竖直方向上的加速度未达到通过该地形的加速度要求，即达到最适宜的通过任务地形的悬挂系统刚度时，可通过对电磁铁线圈内电流的调节，使悬挂系统刚度达到通过任务地形的要求，提高了刚度调节的精确性。

附图说明

图1是刚度半主动调控的履带式移动机器人悬挂系统结构示意图。

图2是悬架结构示意图。

图3是变刚度组合结构示意图。

图4是结构梁组合和活动永磁铁组合示意图。

图5是电磁铁组合示意图。

图6是变刚度组合结构部分参数示意图。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对发明的具体实施方式进行进一步说明。

如图1和图2所示，一种刚度自适应的履带式移动机器人悬挂系统，包括悬架1、支撑轮2、定位板3和履带4；所述定位板3安装在履带4的侧面，若干支撑轮2安装在履带4内侧的顶部，若干悬架1安装在履带4的内侧；所述悬架1包括变刚度组合结构11、连接装置12和负重轮13；所述连接装置12下端为具有内螺纹的圆形管，与负重轮13连接，所述负重轮13连接履带4内侧的底部，所述连接装置12上端设有方形管，与变刚度组合结构11的一端连接，所述变刚度组合结构11的另一端安装于定位板3上。

如图3所示，所述变刚度组合结构11包括结构梁组合111、活动永磁铁组合112、电磁铁组合113、和加速度传感器114；所述结构梁组合111和电磁铁组合113安装方向相互垂直，两侧对称的安装在定位板3上；所述活动永磁铁组合112一端与连接装置12联接，另一端与结构梁组合111联接；所述加速度传感器114贴于活动永磁铁组合112上，随活动永磁铁组合112一起运动。

如图4所示，所述结构梁组合111包括右结构梁底座1111、右结构梁紧固件1112、结构梁1113、结构梁底座固定板1114、左结构梁底座1115和左结构梁紧固件1116；所述结构梁1113分别由右结构梁紧固件1112和左结构梁紧固件1116拉紧固定于右结构梁底座1111和左结构梁底座1115上，所述右结构梁底座1111和左结构梁底座1115对称布置于结构梁底座固定板1114两端。

所述活动永磁铁组合112包括活动铜管1121、下活动铁盖1122、下永磁铁芯1123、上永磁铁芯1124和上活动铁盖1125；所述下永磁铁芯1123和上永磁铁芯1124分别嵌在下活动铁盖1122和上活动铁盖1125中，并由螺栓固定于结构梁1113的中间位置；所述活动铜管1121下端与连接装置12联接，上端用金属粘接剂与下活动铁盖1122粘接在一起，活动铜管1121带动下活动铁盖1122和上活动铁盖1125内的下永磁铁芯1123和上永磁铁芯1124以及结构梁1113一起运动。

如图4和图5所示，所述电磁铁组合113包括下电磁铁底座1131、下电磁铁1132、电磁铁底座固定板1133、上电磁铁1134和上电磁铁底座1135；所述下电磁铁1132和上电磁铁1134均由电线圈缠绕于铁芯外部，铁芯中空，所述活动铜管1121穿过下电磁铁1132铁芯内部，能够自由活动；所述下电磁铁1132和上电磁铁1134分别固定于下电磁铁底座1131和上电磁铁底座1135上，且下电磁铁1132和上电磁铁1134电线圈内同时通有大小相同，方向相反的电流；所述下电磁铁底座1131和上电磁铁底座1135对称布置于电磁铁底座固定板1133两端。

本发明的使用过程如下：

如图2、图3、图4、图5和图6所示，当机器人在不同的任务地形上运动时，悬架1会受到地面的作用力，从而使得负重轮13在z方向产生位移，并由连接装置12带动活动铜管1121在z方向上移动。活动铜管1121带动结构梁1113，以及上活动铁盖1122和下活动铁盖1125内的永磁铁芯偏离平衡位置，使永磁铁芯与电磁铁之间产生负刚度，结构梁1113产生正刚度。当加速度传感器114检测到悬架1在z方向上的加速度，在任务地形上没有达到机器人最佳运动性能的要求时，需要同时调节下电磁铁1132和上电磁铁1134电线圈内的电流大小，即对悬挂系统刚度进行调节，从而让加速度传感器114检测到的加速度达到机器人最佳通过性能的要求，实现了履带式移动机器人悬挂系统刚度半主动调控的目的。

Claims (3)

1.一种刚度半主动调控的履带式移动机器人悬挂系统，其特征在于：包括悬架（1）、支撑轮（2）、定位板（3）和履带（4）；所述定位板（3）安装在履带（4）的侧面，若干支撑轮（2）安装在履带（4）内侧的顶部，若干悬架（1）安装在履带（4）的内侧；所述悬架（1）包括变刚度组合结构（11）、连接装置（12）和负重轮（13）；所述连接装置（12）下端为具有内螺纹的圆形管，与负重轮（13）连接，所述负重轮（13）连接履带（4）内侧的底部，所述连接装置（12）上端设有方形管，与变刚度组合结构（11）的一端连接，所述变刚度组合结构（11）的另一端安装于定位板（3）上；

所述变刚度组合结构（11）包括结构梁组合（111）、活动永磁铁组合（112）、电磁铁组合（113）、和加速度传感器（114）；所述结构梁组合（111）和电磁铁组合（113）安装方向相互垂直，两侧对称的安装在定位板（3）上；所述活动永磁铁组合（112）一端与连接装置（12）联接，另一端与结构梁组合（111）联接；所述加速度传感器（114）贴于活动永磁铁组合（112）上，随活动永磁铁组合（112）一起运动；

所述结构梁组合（111）包括右结构梁底座（1111）、右结构梁紧固件（1112）、结构梁（1113）、结构梁底座固定板（1114）、左结构梁底座（1115）和左结构梁紧固件（1116）；所述结构梁（1113）分别由右结构梁紧固件（1112）和左结构梁紧固件（1116）拉紧固定于右结构梁底座（1111）和左结构梁底座（1115）上，所述右结构梁底座（1111）和左结构梁底座（1115）对称布置于结构梁底座固定板（1114）两端。

2.根据权利要求1所述的刚度半主动调控的履带式移动机器人悬挂系统，其特征在于：所述活动永磁铁组合（112）包括活动铜管（1121）、下活动铁盖（1122）、下永磁铁芯（1123）、上永磁铁芯（1124）和上活动铁盖（1125）；所述下永磁铁芯（1123）和上永磁铁芯（1124）分别嵌在下活动铁盖（1122）和上活动铁盖（1125）中，并由螺栓固定于结构梁（1113）的中间位置；所述活动铜管（1121）下端与连接装置（12）联接，上端用金属粘接剂与下活动铁盖（1122）粘接在一起，活动铜管（1121）带动下活动铁盖（1122）和上活动铁盖（1125）内的下永磁铁芯（1123）和上永磁铁芯（1124）以及结构梁（1113）一起运动。

3.根据权利要求1所述的刚度半主动调控的履带式移动机器人悬挂系统，其特征在于：所述电磁铁组合（113）包括下电磁铁底座（1131）、下电磁铁（1132）、电磁铁底座固定板（1133）、上电磁铁（1134）和上电磁铁底座（1135）；所述下电磁铁（1132）和上电磁铁（1134）均由电线圈缠绕于铁芯外部，铁芯中空，所述活动铜管（1121）穿过下电磁铁（1132）铁芯内部，能够自由活动；所述下电磁铁（1132）和上电磁铁（1134）分别固定于下电磁铁底座（1131）和上电磁铁底座（1135）上，且下电磁铁（1132）和上电磁铁（1134）电线圈内同时通有大小相同，方向相反的电流；所述下电磁铁底座（1131）和上电磁铁底座（1135）对称布置于电磁铁底座固定板（1133）两端。