CN106985607B - 应用于机器人的中心位置可控的驱动车轮及位置控制方法 - Google Patents

应用于机器人的中心位置可控的驱动车轮及位置控制方法 Download PDF

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Abstract

应用于机器人的中心位置可控的驱动车轮及位置控制方法，包括外轮圈、转子、偏心轮一和偏心轮二；偏心轮一套装在偏心轮二的外周，转子套装在偏心轮一的外周，外轮圈同轴固定套装在转子的外周；偏心轮一分别与偏心轮二和转子相铰接，偏心轮一的外环面上设置有环状凹槽，环状凹槽内镶嵌有线圈；当线圈通电后，线圈能提供转子及外轮圈转动的驱动扭矩；偏心轮一和偏心轮二各连接一个驱动装置，偏心轮一和偏心轮二均能在相应驱动装置的作用下实现独立转动；偏心轮二的圆形端面上设置有偏心柱。本发明能对车轮中驱动轴的中心位置实现动态控制，能够大幅提高机器人复杂环境的行走适应能力。

Description

应用于机器人的中心位置可控的驱动车轮及位置控制方法
技术领域
本发明涉及机器人技术领域，特别是一种应用于机器人的中心位置可控的驱动车轮及位置控制方法。
背景技术
随着科技进步，机器人行走机构已经开始应用，但是现有的机器人行走机构由于结构所 限，路面适应性差，遇到路面障碍时无法跨越，遇到台阶无法攀爬，导致其使用环境受很大限制，无法全面推广。随着机器人研究的深入，目前机器人的车轮，也有采用弹性悬架进行支撑，然而，这种车轮的路面崎岖吸收能力差，仍不能改善机器人在复杂环境的行走适应能力。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种应用于机器人的中心位置可控的驱动车轮，该应用于机器人的中心位置可控的驱动车轮能对车轮实现自驱动，同时车轮具有偏心柱，且偏心柱的中心位置能实现动态控制，从而能大幅提高机器人复杂环境的行走适应能力。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种应用于机器人的中心位置可控的驱动车轮，包括外轮圈、转子、偏心轮一和偏心轮二。
偏心轮一套装在偏心轮二的外周，转子套装在偏心轮一的外周，外轮圈同轴固定套装在转子的外周。
偏心轮一分别与偏心轮二和转子相铰接，偏心轮一的外环面上设置有环状凹槽，环状凹槽内镶嵌有线圈；当线圈通电后，线圈能提供转子及外轮圈转动的驱动扭矩。
偏心轮一和偏心轮二各连接一个驱动装置，偏心轮一和偏心轮二均能在相应驱动装置的作用下实现独立转动。
偏心轮二通过连接座与机架固定连接。
偏心轮一的驱动装置为驱动电机一，偏心轮二的驱动装置为驱动电机二。
位于偏心柱外周的偏心轮二圆形端面上从内至外依次设置有内齿圈和外齿圈；驱动电机二固定在连接座上，驱动电机二的齿轮与内齿圈相啮合；驱动电机一固定在偏心轮一上，且驱动电机一的齿轮与外齿圈相啮合。
还包括连接支架，驱动电机一通过连接支架固定在偏心轮一上。
偏心轮二的圆形端面上设置有偏心柱，连接座铰接在偏心柱上。
本发明还提供一种应用于机器人的中心位置可控的驱动车轮的中心位置控制方法，该应用于机器人的中心位置可控的驱动车轮的中心位置控制方法能对车轮实现自驱动，同时车轮具有偏心柱，且偏心柱的中心位置能实现动态控制，从而能大幅提高机器人复杂环境的行走适应能力。
一种应用于机器人的中心位置可控的驱动车轮的中心位置控制方法，线圈通电，实现对机器人中驱动车轮的驱动，机器人行驶；然后，通过两个驱动装置分别对偏心轮一和偏心轮二进行驱动，实现对偏心轮一和偏心轮二角度的控制，进而实现对驱动车轮中心位置的控制，使机器人能适应不同的路面环境状况；在不同路面环境状况下，驱动车轮中心位置的控制方式具体如下。
1）当机器人在水平地面上行驶时，通过两个驱动装置对偏心轮一和偏心轮二角度的控制，使偏心柱与车轮圆心的连线始终呈水平状态，且偏心柱与车轮圆心之间的直线距离值保持恒定；此时，车轮能在无驱动扭矩的情况下实现滚动。
2）当机器人在崎岖不平路面行驶时，通过对前后车轮中偏心轮一和偏心轮二角度的控制，根据路面状况，使前后车轮的偏心柱在竖直直线上上下移动，从而使前车轮的偏心柱和后车轮的偏心柱连线保持水平状态，也即使与偏心柱固定连接的机架处于水平状态。
3）当机器人行驶过程中车轮遇到路面上的障碍物时，通过两个驱动装置对偏心轮一和偏心轮二角度的控制，使车轮的偏心柱移动到障碍物支撑点前方水平距离为el的位置，则车轮能在无外力驱动的作用下，实现自动跨越障碍物。
机器人具有多轮行走机构时，当机器人行驶过程中遇到路面上的障碍物时，通过两个驱动装置对偏心轮一和偏心轮二角度的控制，使即将与障碍物接触的车轮逐个抬起，实现避障。
本发明采用上述结构与方法后，能对车轮中驱动轴的中心位置实现动态控制，能够大幅提高机器人复杂环境的行走适应能力。
附图说明
图1显示了本发明一种应用于机器人的中心位置可控的驱动车轮的立体结构示意图。
图2显示了本发明应用于机器人的中心位置可控的驱动车轮的剖面立体结构示意图。
图3显示了偏心轮二的立体结构示意图。
图4显示了本发明应用于机器人的中心位置可控的驱动车轮的工作原理示意图。
图5显示了机器人在水平地面上行驶时，驱动车轮中偏心柱位置调节控制的示意图。
图6显示了机器人在崎岖不平路面行驶时，驱动车轮中偏心柱位置调节控制的示意图。
图7显示了机器人跨越障碍时，驱动车轮中偏心柱位置调节控制的示意图。
图8显示了机器人具有多轮行走机构且跨越障碍时，驱动车轮中偏心柱位置调节控制的示意图。
其中有：1.外轮圈；2.转子；3.偏心轮一；31.环状凹槽；32.线圈；4.驱动电机一；41.连接支架；5.偏心轮二；51.外齿圈；52.偏心柱；53.内齿圈；6.驱动电机二；61.连接座；7.机架；8.车轮圆心。
具体实施方式
下面结合附图和具体较佳实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图1和图2所示，一种应用于机器人的中心位置可控的驱动车轮，包括外轮圈1、转子2、偏心轮一3、偏心轮二5、连接支架41和连接座61。
偏心轮一套装在偏心轮二的外周，转子套装在偏心轮一的外周。
偏心轮一的外环面与转子的内环面相铰接，偏心轮一的内环面与偏心轮二的外环面相铰接。
外轮圈同轴固定套装在转子的外周，外轮圈与转子形成一体结构。
偏心轮一的外环面上设置有环状凹槽，环状凹槽内镶嵌有线圈；当线圈通电后，线圈能提供转子及外轮圈转动的驱动扭矩。
偏心轮一和偏心轮二各连接一个驱动装置，偏心轮一和偏心轮二均能在相应驱动装置的作用下实现独立转动。
偏心轮一的驱动装置优选为驱动电机一4，偏心轮二的驱动装置优选为驱动电机二6。驱动电机一4和驱动电机二6均优选为伺服电机。作为替换，偏心轮一和偏心轮二的驱动装置也可以为现有技术中的其他装置，如驱动气缸等。
如图3所示，偏心轮二的圆形端面上设置有偏心柱52。
驱动电机一优选通过连接支架41固定在偏心轮一上。
连接座上优选设置有两个圆孔，其中一个圆孔用于铰接在偏心轮二的偏心柱上，另一个圆孔用于安装驱动电机二。
位于偏心柱外周的偏心轮二圆形端面上从内至外依次设置有内齿圈53和外齿圈51。
驱动电机二的齿轮与内齿圈相啮合，驱动电机一的齿轮与外齿圈相啮合。
如图4所示，通过驱动电机一和驱动电机二实现对偏心轮一和偏心轮二进行驱动，实现偏心轮一和偏心轮二的角度控制，进而实现驱动车轮中心位置，也即偏心柱位置的控制。如图4所示，以车轮圆心为原点，偏心柱的中心距为（ex，ey）。
然后，线圈通电，产生扭矩，驱动转子转动，进而实现对车轮的驱动。
一种应用于机器人的中心位置可控的驱动车轮的中心位置控制方法，线圈通电，实现对机器人中驱动车轮的驱动，机器人行驶；然后，通过两个驱动装置分别对偏心轮一和偏心轮二进行驱动，实现对偏心轮一和偏心轮二角度的控制，进而实现对驱动车轮中心位置的控制，使机器人能适应不同的路面环境状况；在不同路面环境状况下，驱动车轮中心位置的控制方式具体如下。
1）如图5所示，当机器人在水平地面上行驶时，通过两个驱动装置对偏心轮一和偏心轮二角度的控制，使偏心柱与车轮圆心的连线始终呈水平状态，且偏心柱与车轮圆心之间的直线距离值保持恒定；假设中心向前移动ex的距离；此时，相当于向前的驱动（滚动）扭矩为M=G×ex，其中，M表示驱动扭矩，G为重力，图7中N表示水平地面对车轮的支撑力；从而使车轮能在无驱动扭矩的情况下实现滚动。
2）当机器人在崎岖不平路面行驶时，通过对前后车轮中偏心轮一和偏心轮二角度的控制，根据路面状况，使前后车轮的偏心柱在竖直直线上上下移动，从而使前车轮的偏心柱和后车轮的偏心柱连线保持水平状态，也即使与偏心柱固定连接的机架处于水平状态。
因此，当地面出现崎岖不平时，可以更好适应地面环境的变化。并且使用保持机架处于水平状态。这是现有技术无法实现的。现有技术大多采用弹性支撑，弹性支撑当遇见崎岖不平的地面环境时，会出现晃动。如果机器人上装载有精密测试仪器时，这种晃动会对仪器的测量精度产生巨大影响。而本发明，可以保证机器人在复杂环境中，平稳移动，且不会产生晃动。
另外，图6中，ey表示当以车轮圆心为原点时，驱动轴轴心的竖向坐标值。
3）如图7所示，当机器人行驶过程中车轮遇到路面上的障碍物时，通过两个驱动装置对偏心轮一和偏心轮二角度的控制，使车轮的偏心柱移动到障碍物支撑点前方水平距离为el的位置，则车轮能在无外力驱动的作用下，实现自动跨越障碍物。
如图8所示，机器人具有多轮行走机构时，当机器人行驶过程中遇到路面上的障碍物时，通过两个驱动装置对偏心轮一和偏心轮二角度的控制，使即将与障碍物接触的车轮逐个抬起，实现避障。
本发明采用上述结构与方法后，能对车轮中驱动轴的中心位置实现动态控制，能够大幅提高机器人复杂环境的行走适应能力。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种应用于机器人的中心位置可控的驱动车轮，包括偏心轮一和偏心轮二，偏心轮一套装在偏心轮二的外周；其特征在于：还包括外轮圈和转子；
转子套装在偏心轮一的外周，外轮圈同轴固定套装在转子的外周；
偏心轮一分别与偏心轮二和转子相铰接，偏心轮一的外环面上设置有环状凹槽，环状凹槽内镶嵌有线圈；当线圈通电后，线圈能提供转子及外轮圈转动的驱动扭矩；
偏心轮一和偏心轮二各连接一个驱动装置，偏心轮一和偏心轮二均能在相应驱动装置的作用下实现独立转动；
偏心轮二通过连接座与机架固定连接；偏心轮二的圆形端面上设置有偏心柱，连接座铰接在偏心柱上。
2.根据权利要求1所述的应用于机器人的中心位置可控的驱动车轮，其特征在于：偏心轮一的驱动装置为驱动电机一，偏心轮二的驱动装置为驱动电机二。
3.根据权利要求2所述的应用于机器人的中心位置可控的驱动车轮，其特征在于：位于偏心柱外周的偏心轮二圆形端面上从内至外依次设置有内齿圈和外齿圈；驱动电机二固定在连接座上，驱动电机二的齿轮与内齿圈相啮合；驱动电机一固定在偏心轮一上，且驱动电机一的齿轮与外齿圈相啮合。
4.根据权利要求2所述的应用于机器人的中心位置可控的驱动车轮，其特征在于：还包括连接支架，驱动电机一通过连接支架固定在偏心轮一上。
5.一种根据权利要求1所述应用于机器人的中心位置可控的驱动车轮的中心位置控制方法，其特征在于：线圈通电，实现对机器人中驱动车轮的驱动，机器人行驶；然后，通过两个驱动装置分别对偏心轮一和偏心轮二进行驱动，实现对偏心轮一和偏心轮二角度的控制，进而实现对驱动车轮中心位置的控制，使机器人能适应不同的路面环境状况；在不同路面环境状况下，驱动车轮中心位置的控制方式具体如下：
1）当机器人在水平地面上行驶时，通过两个驱动装置对偏心轮一和偏心轮二角度的控制，使偏心柱与车轮圆心的连线始终呈水平状态，且偏心柱与车轮圆心之间的直线距离值保持恒定；此时，车轮能在无驱动扭矩的情况下实现滚动；
2）当机器人在崎岖不平路面行驶时，通过对前后车轮中偏心轮一和偏心轮二角度的控制，根据路面状况，使前后车轮的偏心柱在竖直直线上上下移动，从而使前车轮的偏心柱和后车轮的偏心柱连线保持水平状态，也即使与偏心柱固定连接的机架处于水平状态；
3）当机器人行驶过程中车轮遇到路面上的障碍物时，通过两个驱动装置对偏心轮一和偏心轮二角度的控制，使车轮的偏心柱移动到障碍物支撑点前方水平距离为el的位置，则车轮能在无外力驱动的作用下，实现自动跨越障碍物。
6.根据权利要求5所述应用于机器人的中心位置可控的驱动车轮的中心位置调节方法，其特征在于：机器人具有多轮行走机构时，当机器人行驶过程中遇到路面上的障碍物时，通过两个驱动装置对偏心轮一和偏心轮二角度的控制，使即将与障碍物接触的车轮逐个抬起，实现避障。
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