CN105365483A - 越障脚轮组件及包括该越障脚轮组件的移动式装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种越障脚轮组件及包括该越障脚轮组件的移动式装置，其可以克服传统脚轮所带来的问题，有利于其所承载的物体，特别是轮式移动机器人的运动。根据本发明的越障脚轮组件的技术方案为：一种越障脚轮组件，包括脚轮，脚轮连接臂，在脚轮连接臂的两端分别设置有第一枢轴和第二枢轴，第一枢轴用于连接外接装置，脚轮围绕第二枢轴枢转，脚轮连接臂上设置有弹簧，弹簧的一端连接在脚轮连接臂上，弹簧的另一端用于连接至外接装置。

Description

越障脚轮组件及包括该越障脚轮组件的移动式装置

技术领域

本发明涉及移动式装置领域，更具体地，涉及用于移动式装置的越障脚轮组件以及包括该越障脚轮组件的移动式装置，所述移动式装置可以是移动机器人。

背景技术

轮式移动机器人，特别是差分轮驱动型移动机器人要保证移动稳定性需要脚轮支持。特别是对于自身本体较高的移动机器人，脚轮可扩大支撑平面，降低机器人本体设计阶段重心配置设计的难度。但移动机器人实际作业时，其所在的平面复杂多样，传统脚轮设计对于轮式移动机器人将大大降低其越障能力，带来这种结果的主要原因在于传统脚轮，例如固定式脚轮或万向脚轮在越障时实际上成为机械阻碍。

发明内容

本发明的目的在于提出一种越障脚轮组件，其可以克服传统脚轮所带来的上述问题，有利于其所承载的物体，特别是轮式移动机器人的运动。

根据本发明的越障脚轮组件的技术方案为：一种越障脚轮组件，包括脚轮，脚轮连接臂，在脚轮连接臂的两端分别设置有第一枢轴和第二枢轴，第一枢轴用于连接外接装置，脚轮围绕第二枢轴枢转，脚轮连接臂上设置有弹簧，弹簧的一端连接在脚轮连接臂上，弹簧的另一端用于连接至外接装置。

本发明的越障脚轮组件可以用于外接装置中，用于辅助外接装置越过障碍物。

本发明还提供一种移动式装置，该移动式装置包括上述的越障脚轮组件。

优选地，所述移动式装置还包括驱动轮，所述驱动轮驱动移动式装置运动，沿所述驱动轮的前进方向，所述越障脚轮组件设置在所述驱动轮的前侧，所述越障脚轮组件和所述驱动轮均位于所述移动式装置的底端；当所述移动式装置位于水平的作业面上时，在所述驱动轮与所述作业面保持接触的情况下，所述弹簧设置为：当弹簧处于初始张紧状态时，所述脚轮的最下侧端部与驱动轮的最下侧端部平齐或者略高于驱动轮的最下侧端部，从而所述脚轮不与所述作业面产生干涉，当所述移动式装置在前进途中，遇到障碍物时，所述脚轮最先接触到障碍物，随后所述脚轮连接臂克服弹簧的弹力绕第一枢轴相对于前进方向向后转动，此时，移动式装置在驱动轮的驱动下仍然向前运动，从而带动脚轮也向前运动并越过障碍物，在所述脚轮越过障碍物之后，弹簧在其储存的弹力的作用下回复到初始张紧状态，脚轮回复到初始位置。

本文中所提到的干涉，是指脚轮与作业面不会相互产生影响，包括但不限于指所述脚轮不与所述作业面接触，或者脚轮虽然与所述作业面接触，但是不会受到作业面的阻碍，不会为移动式装置向前运动提供阻力。通常，弹簧在初始张紧状态下，脚轮的最低点略高于作业面或者与作业面平齐，不会影响移动式装置的运动。弹簧的初始张紧状态是指，弹簧安装在脚轮与移动式装置上之后，在移动式装置正常搁置于作业面上没有进行任何运动时，弹簧所达到的状态。弹簧的初始张紧状态是一种弱张紧状态。弹簧弱张紧，有利于克服移动装置运动过程中脚轮受到的地面摩擦力不会使脚轮连接臂意外后转。

沿移动式装置的驱动轮的前进方向，将越障脚轮组件设置在驱动轮的前侧，当驱动轮驱动移动式装置向前运动时，如果在向前的作业面，通常为路面上遇到障碍物时，越障脚轮组件的脚轮会最先接触障碍物，在障碍物的作用力下，脚轮向后并向上运动，此时，脚轮上连接的弹簧对脚轮施加向前牵引的力量，驱动轮持续向前驱动并使移动式装置继续向前运动，在脚轮没有越过障碍物之前，脚轮继续向后并向上运动，弹簧对脚轮的向前牵引力持续增加，并且随后拉动脚轮越过障碍物。当脚轮越过障碍物之后，其在弹簧的储存的弹力作用下，向前并向下运动，从而回复到弹簧的初始弱张紧状态。

优选地，所述移动式装置是移动机器人。

优选地，在所述越障脚轮组件上还设置有向移动机器人的控制系统传递信息的传感器，所述传感器传感脚轮连接臂的运动，当脚轮连接臂绕第一枢轴枢转时，向所述控制系统传递信息。

当脚轮连接臂发生枢转运动时，可以推论得知，脚轮遇到障碍物，此时，通过传感器将脚轮遇到障碍物的信息传递至控制系统，可以通知控制系统做出相应的处理，例如减速，增大驱动轮的输出扭矩，以更大的驱动力通过障碍物，这样有利于移动式装置平稳通过障碍物继续向前运动。

优选地，所述移动机器人还包括后置脚轮，所述后置脚轮的最底端与所述作业面接触并辅助驱动轮使移动机器人运动。

设置后置脚轮有助于使移动机器人更平稳地在作业面上运动。

优选地，所述弹簧的力的作用方向与所述移动式装置的前进和后退方向平行。

优选地，在所述弹簧处于初始张紧状态，脚轮位于初始位置时，脚轮连接臂相对于水平面和移动式装置的前进方向呈竖直或前伸状态。

本发明提出了一种关节式脚轮设计，平整地面行驶时小幅离地并可提供触地支撑；在越障时本发明实现的弹性牵引与反应行程自动保证对台阶或坑洼的规避，提高了整机地面通过性。本发明的本质是无源驱动，并且支持台阶地面识别，可作为信号输入作为机器人控制策略调整的依据。

根据本发明的移动式装置很容易支持低矮障碍、台阶的识别，这类场景是当前设计移动机器人需要克服的一个难点。

附图说明

本发明的其它优点和特征将从接下来的仅以非限制性示例的目的给出的并表示在附图中的本发明的特定实施例的说明变得更加清楚明显，在附图中：

图1示出了根据本发明的越障脚轮组件，其中左侧的脚轮没有受到阻碍，其搁置在水平面上，右侧的脚轮受到了障碍物的阻挡向后运动；

图2是根据本发明的移动式装置的示意图；

图3，图4也是根据本发明的移动式装置的示意图，其中图3中的脚轮没有受到阻挡，图4中的脚轮受到障碍物的阻挡；

图5是根据本发明的移动式装置的前视图；

图6是沿图5中的A-A线剖开的剖视图；

图7是图6中的B部分的放大视图。

附图标记说明

1脚轮

2脚轮连接臂

3第一枢轴

4第二枢轴

5弹簧

6驱动轮

7后置脚轮

8障碍物

9作业面

具体实施方式

下面结合图1至图7详细说明根据本发明的越障脚轮组件和移动式装置。

图1示出了根据本发明的越障脚轮组件，包括脚轮1，脚轮连接臂2，在脚轮连接臂2的两端分别设置有第一枢轴3和第二枢轴4，第一枢轴3用于连接外接装置，脚轮1围绕第二枢轴4枢转，脚轮连接臂2上设置有弹簧5，弹簧5的一端连接在脚轮连接臂2上，弹簧的另一端用于连接至外接装置。图1中所标注的Fs为弹簧的弹力方向。

本发明的越障脚轮组件可以用于外接装置中，用于辅助外接装置越过障碍物。该外接装置例如为将在下文详细描述的移动式装置。

图2，图3和图4均是移动式装置的示意图。图3中的脚轮处于初始状态，即，没有受到外物阻碍的状态，图4中的脚轮受到障碍物8的阻碍。

图3和图4中所示出的移动式装置还包括驱动轮6，所述驱动轮6驱动移动式装置运动，沿所述驱动轮6的前进方向，在本实施例中，驱动轮6的前进方向为图3和图4中的从右侧向左侧方向，所述越障脚轮组件设置在所述驱动轮的前侧，即，越障脚轮组件设置在驱动轮6的左侧。

所述越障脚轮组件和所述驱动轮6均位于所述移动式装置的底端。当所述移动式装置位于水平的作业面9上时，在所述驱动轮6与所述作业面9保持接触的情况下，越障脚轮组件的弹簧5设置为：当弹簧5处于初始弱张紧状态时，所述脚轮1的最下侧端部与驱动轮6的最下侧端部平齐或者略高于驱动轮6的最下侧端部，如图3中所示的状态，从而所述脚轮6不与所述作业面产生干涉，即作业面不会因为脚轮1的存在而为移动式装置增加其前进的阻力，更优选地是，所述脚轮1的最下侧端部略高于驱动轮6的最下侧端部，这样当驱动轮6在平整地面上正常行驶时，脚轮1不会与作业面9接触。当发生紧急制动或外力介入导致移动装置前倾时，脚轮1会提供支撑作用，保证了整机稳定性。正是由于脚轮连接臂2相对于水平作业面和移动式装置的前进方向呈竖直或前伸状态，与机构的奇异点吻合或接近，即使很大的地面支撑力很难使脚轮连接臂2旋转。

当所述移动式装置在前进途中，遇到障碍物8时，所述脚轮1最先接触到障碍物8，随后所述脚轮连接臂克服弹簧的弹力绕第一枢轴相对于前进方向向后转动，此时，移动式装置在驱动轮6的驱动下仍然向前运动，从而带动脚轮1也向前运动并越过障碍物，在所述脚轮1越过障碍物8之后，弹簧在其储存的弹力的作用下回复到弱张紧状态，脚轮1回复到初始位置。

沿移动式装置的驱动轮的前进方向，将越障脚轮组件设置在驱动轮的前侧，当驱动轮驱动移动式装置向前运动时，如果在向前的作业面，通常为路面上遇到障碍物时，越障脚轮组件的脚轮会最先接触障碍物，在障碍物的作用力下，脚轮向后并向上运动，此时，脚轮上连接的弹簧对脚轮施加向前牵引的力量，驱动轮持续向前驱动并使移动式装置继续向前运动，在脚轮没有越过障碍物之前，脚轮继续向后并向上运动，弹簧对脚轮的向前牵引力持续增加，并且随后拉动脚轮越过障碍物。当脚轮越过障碍物之后，其在弹簧的储存的弹力作用下，向前并向下运动，从而回复到弹簧的初始弱张紧状态。

在图3和图4所示的实施例中的移动式装置中，设置了越障脚轮，在越障脚轮上设置有弹簧，当移动式装置正常向前移动没有遇到障碍物时，脚轮在弹簧的拉力作用下位于作业面的上侧，不与作业面接触，当移动式装置遇到障碍物时，脚轮首先与障碍物接触，并且向后运动，在驱动轮的驱动下，移动式装置仍然向前移动，脚轮受到障碍物的阻碍继续向后运动，当经过适当距离后，弹簧对脚轮施加的拉力及驱动轮所施加的向前的运动力增大到使得脚轮越过障碍物，从而带动移动式装置整体继续向前运动越过障碍物。

在图1中所示的弹簧5设置在脚轮连接臂2的左侧，但是，经过适当变形，弹簧5也可以设置在脚轮连接臂2的右侧，例如将拉簧替换为压簧或扭簧，其不偏离本发明的本质。

图5是根据本发明的移动式装置的前视图；图6是沿图5中的A-A线剖开的剖视图；图7是图6中的B部分的放大视图。

图5至图7所示的移动式装置包括两个驱动轮6，移动式脚轮组件在横向上布置在两个驱动轮6的中间。如图6和图7所示，移动式脚轮组件布置在驱动轮6的左侧，即前进运动方向的前侧，在移动式装置的后部还设置有后置脚轮7。

本发明中的所述移动式装置可以是移动机器人。进一步，还可以在越障脚轮组件上还设置有向移动机器人的控制系统传递信息的传感器，所述传感器传感脚轮连接臂的运动，当脚轮连接臂绕第一枢轴枢转时，向所述控制系统传递信息。

当脚轮连接臂发生枢转运动时，可以推论得知，脚轮遇到障碍物，此时，通过传感器将脚轮遇到障碍物的信息传递至控制系统，可以通知控制系统做出相应的处理，例如减速，或增大驱动轮的输出扭矩，以更大的驱动力通过障碍物，这样有利于移动式装置通过障碍物继续向前运动。

前述的移动机器人还可以包括后置脚轮7，所述后置脚轮7的最底端与所述作业面接触并辅助驱动轮使移动机器人运动。

为了使得弹簧更便于牵引脚轮，可以将所述弹簧的力的作用方向设置为与所述移动式装置的前进和后退方向平行。

进一步，在所述弹簧处于弱张紧状态，脚轮位于初始位置时，脚轮连接臂相对于水平面和移动式装置的前进方向呈竖直或前伸状态。从而使得脚轮更适于起到越障的作用。

本发明提出了一种关节式脚轮设计，平整地面行驶时小幅离地并可提供触地支撑；在越障时本发明实现的弹性牵引与反应行程自动保证对台阶或坑洼的规避，提高了整机地面通过性。本发明的本质是无源驱动，并且支持台阶地面识别，可作为信号输入作为机器人控制策略调整的依据。

根据本发明的移动式装置很容易支持低矮障碍、台阶的识别，这类场景是当前设计移动机器人需要克服的一个难点。

以上对本发明进行了详细介绍，对于本领域的一般技术人员，依据本发明实施例的思想，在具体实施方式及应用范围上的改变不应认为偏离了本发明保护的范围，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种越障脚轮组件，其特征在于：包括脚轮(1)，脚轮连接臂(2)，在脚轮连接臂(2)的两端分别设置有第一枢轴(3)和第二枢轴(4)，第一枢轴(3)用于连接外接装置，脚轮(1)围绕第二枢轴(4)枢转，脚轮连接臂(2)上设置有弹簧(5)，弹簧(5)的一端连接在脚轮连接臂(2)上，弹簧的另一端用于连接至外接装置。

2.一种移动式装置，其特征在于：包括如权利要求1所述的越障脚轮组件。

3.根据权利要求2所述的移动式装置，其特征在于：还包括驱动轮(6)，所述驱动轮(6)驱动移动式装置运动，沿所述驱动轮的前进方向，所述越障脚轮组件设置在所述驱动轮的前侧，所述越障脚轮组件和所述驱动轮均位于所述移动式装置的底端；当所述移动式装置位于水平的作业面(9)上时，在所述驱动轮(6)与所述作业面(9)保持接触的情况下，所述弹簧(5)设置为：当弹簧(5)处于初始张紧状态时，所述脚轮的最下侧端部与驱动轮的最下侧端部平齐或者略高于驱动轮的最下侧端部，从而所述脚轮(1)不与所述作业面(9)产生干涉，当所述移动式装置在前进途中，遇到障碍物(8)时，所述脚轮最先接触到障碍物，随后所述脚轮连接臂克服弹簧的弹力绕第一枢轴相对于前进方向向后转动，此时，移动式装置在驱动轮的驱动下仍然向前运动，从而带动脚轮也向前运动并越过障碍物，在所述脚轮越过障碍物之后，弹簧在其储存的弹力的作用下回复到初始张紧状态，脚轮回复到初始位置。

4.根据权利要求3所述的移动式装置，其特征在于：所述移动式装置是移动机器人。

5.根据权利要求4所述的移动式装置，其特征在于：在所述越障脚轮组件上还设置有向移动机器人的控制系统传递信息的传感器，所述传感器传感脚轮连接臂的运动，当脚轮连接臂绕第一枢轴枢转时，向所述控制系统传递信息。

6.根据权利要求5所述的移动式装置，其特征在于：所述移动机器人还包括后置脚轮(7)，所述后置脚轮(7)的最底端与所述作业面接触并辅助驱动轮使移动机器人运动。

7.根据权利要求3至6中任一项所述的移动式装置，其特征在于：所述弹簧(5)的力的作用方向与所述移动式装置的前进和后退方向平行。

8.根据权利要求7所述的移动式装置，其特征在于：在所述弹簧处于初始张紧状态，脚轮位于初始位置时，脚轮连接臂相对于水平面和移动式装置的前进方向呈竖直或前伸状态。