CN107021146A - 一种新型轮腿复合式变位越障移动机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型轮腿复合式变位越障移动机器人，移动机器人包括机身部分、机身滑移机构、轮腿复合结构。机身部分分为上下两部分机身，两部分机身分别连接到滑动导轨上实现相互滑动，机身滑移机构包括伸缩装置和滑动导轨，轮腿复合结构包括腿部支撑部分以及移动轮部分，腿部支撑部分分为前腿、中间腿和后腿，每个腿部底端都安装有移动轮，前腿可以旋转和伸缩实现前轮接触升高表面，中间腿和后腿可通过自身移动来调整中间轮和后轮的垂直位置，同一时间中间腿或者后腿至少有一个从机身向下悬垂。本发明的创新点在于机器人通过自身的变位变形不加辅助即可实现将负载运送到升高表面上来实现大越障，具有很强的环境适应能力和越障能力。

Description

一种新型轮腿复合式变位越障移动机器人

技术领域

本发明涉及智能机器人技术领域，尤其涉及一种新型轮腿复合式变位越障移动机器人。

背景技术

众所周知，随着智能机器人的发展，与运送负载(例如残疾人、工厂物料)有关的问题越来越突出，比如残疾人通常不能充分移动以离开轮椅并将自身提升到升高的表面(例如车辆地板、台阶)上，工厂物料搬运过程中现有的机器人无法将物料搬运到更高平台(汽车、传送带)。因此，需要一种移动机器人必须经常执行将负载运输到升高表面的任务。

如上所述，运输残疾人的一个常见示例是将人从地面传输到车辆中。为了将残疾人运送到车辆中的传统轮椅上，可能需要对车辆进行特殊修改。这种修改是昂贵的，并且必须要在第三方辅助人员的协助下才能将残疾人移动进入车辆。

市面上已经出现用于将负载运输到升高表面上的可调节设备，然而，该现有技术的设备需要存在第三方辅助人员来调节并将其移动到升高的表面上，在调整设备时，服务人员需要承担设备一部分重量，其中也包括一些能跨越台阶的移动机器人，但是其越障能力有限，只能跨越一些尺寸较小的障碍。

因此，需要一种改进的可以运输负载的移动机器人，机器人通过自身的变位变形不需要辅助即可将负载运送到高度差较大的升高表面上来实现大越障，比如完成跨越台阶，进入车子等一系列动作，并且可以保持机器人负载平面始终与地面平行。

发明内容

为了克服现有移动机器人中机器人自身越障能力差、负载能力差、结构不合理等问题。本发明提供了一种通过自身变位变形不需要辅助即可将负载运送到高度差较大的升高表面上来实现大越障的新型轮腿复合式变位越障移动机器人。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种新型轮腿复合式变位越障移动机器人,包括机身部分、机身滑移机构、轮腿复合结构。

优选的,所述机身部分分为上半机身和下半机身，两部分机身分别连接到滑动导轨上实现相互滑动。

优选的，所述机身滑移机构包括电动推杆和滑动导轨，电动推杆一端靠螺栓连接在下半机身上，另一端通过铰链连接固定到上半机身的下侧,电动推杆提供动力使上半机身在滑动导轨上滑动。

优选的，所述轮腿复合结构包括一对中间腿和一对后腿，中间轮分别连接到中间腿的下端，后轮分别连接到后腿的下端。中间腿和后腿可通过自身移动来调整中间轮和后轮的垂直位置，同一时间中间腿或者后腿至少有一个从机身向下悬垂。中间轮和后轮分别限定一条旋转轴线，中间轮作为主动轮，后轮是常规的旋转轮，作为随动轮。

优选的，所述轮腿复合结构同样包括一对前腿，前腿安装在前腿支撑件上。前轮连接到前腿的下端。前腿可以旋转和伸缩实现前轮接触升高表面，前轮能够通过合适的装置(例如防倒转轴承(未示出))仅沿向前方向滚动(即防止前轮向后滚动)。

优选的，腿部丝杠驱动器分别用来延伸(即，下降)和缩回(即，升高)中间腿以及后腿，腿部推杆驱动器分别用来延伸(即，下降)和缩回(即，升高)前腿。

优选的，中间腿共用一个腿部丝杠驱动器，后腿共用一个腿部丝杠驱动器，腿部丝杠驱动器安装到下半机身的侧部。驱动前腿的推杆驱动器通过螺栓连接固定安装到前腿支撑件上。

优选的，所述用于驱动后腿运动的腿部丝杠驱动器包括外螺纹丝杠、支撑架、内螺纹丝杠从动件、电动机、传动齿轮。内螺纹丝杠从动件啮合外螺纹丝杠，驱动丝杠转动的常规电动机安装在支撑架的一端，电动机旋转通过传动齿轮带动内螺纹丝杠从动件沿外螺纹丝杠向外或向内移动(取决于丝杠的旋转方向)。

优选的，所述后腿通过铰接悬挂在腿部丝杠驱动器下方，后腿包括长腿、短腿，长腿在其上端通过铰链铰接到内螺纹丝杠从动件，在其底端，长腿连接到后轮。短腿一端通过铰链铰接到支撑架远端，并且另一端通过铰链铰接到长腿。腿部丝杠驱动器中内螺纹丝杠从动件接近支撑架远端的运动导致长腿和短腿的铰接组件远离腿部丝杠驱动器向下延伸。腿部丝杠驱动器中内螺纹丝杠从动件远离支撑架远端的运动导致长腿和短腿的铰接组件靠近腿部丝杠驱动器向上延伸。后腿中长腿的伸出和缩回又使后轮升高和降低。

优选的，所述中间腿与后腿相同，将不再进一步描述。本领域技术人员可以理解，中间腿和后腿可以用使腿延伸和缩回的任何其它合适的方式构造。例如，腿可以由类似于前腿伸缩构件构成。

优选的，电动机驱动装置分别安装在中间腿上，以便驱动中间轮，中间轮作为主动轮来驱动机器人移动。

优选的，电动推杆通过自身伸长与收缩提供动力以升高和降低前腿支撑件，电动推杆的一端通过铰链连接件连接到上半机身的下侧，另一端通过铰链连接件连接到前腿支撑件下侧。

优选的，滑动导轨包括外轨道、内轨道、中间轨道、滚珠衬套，具体地，中间轨道安装在外轨道的滚珠衬套内，外轨道安装在中间轨道的滚珠衬套内。滚珠衬套用来实现各个轨道之间相互滑动。电动推杆通过滑轨推动上半机身相对于中间轮和后轮的旋转轴线向前和向后滑动，滑动导轨可以实现上半机身平移与外轨道长度相等的距离。

优选的，机器人可以提供电池和任何合适的控制系统(未示出)，例如常规的电子控制系统，以操作电动机、腿部丝杠驱动器、腿部推杆驱动器、电动推杆。电池可以安装在下半机身下方，电子控制系统可以安装在无线遥控手柄上，手柄可以包括一个或多个操纵杆，以控制机器人的各种运动。

优选的，机器人跨上台阶的一系列动作，跨台阶前机器人调整自身姿态，机器人先将前腿抬起，机器人移动靠近障碍物，直到机器人中间轮邻近台阶表面的边缘。机器人前腿伸长将前轮下降使其接触台阶表面。机器人上半机身凭借滑移机构沿前进方向相对于下半机身向前滑移，直到机器人的重心位于中间轮旋转轴线的前方。机器人中间轮升高到高于台阶上表面的位置。机器人滑移机构缩回，使得中间轮和后轮向前移动，直到中间轮旋转轴线移动到上半机身重心前方，上述动作都是由于前轮被防倒转轴承(未示出)防止向后滚动而实现的。机器人降低中间轮，直到中间轮与台阶上表面接触。机器人上半机身再次相对于中间轮旋转轴线向前滑动，使得上半机身重心再次移动到中间轮旋转轴线的前方。机器人后腿缩回将后轮升高到台阶上方的高度。机器人向前移动，机器人后轮下降与台阶上表面接触，滑移机构缩回，上半机身相对于中间轮旋转轴线向后移动，以将上半机身的重心定位在中间轮和后轮之间。至此，机器人爬上台阶。

本发明公开了一种新型轮腿复合式变位越障移动机器人，移动机器人包括机身部分、机身滑移机构、轮腿复合结构。机身部分分为上下两部分机身，两部分机身分别连接到滑动导轨上实现相互滑动，机身滑移机构包括伸缩装置和滑动导轨，轮腿复合结构包括腿部支撑部分以及移动轮部分，腿部支撑部分分为前腿、中间腿和后腿，每个腿部底端都安装有移动轮，前腿可以旋转和伸缩实现前轮接触升高表面，中间腿和后腿可通过自身移动来调整中间轮和后轮的垂直位置，同一时间中间腿或者后腿至少有一个从机身向下悬垂。本发明的创新点在于机器人通过自身的变位变形不加辅助即可实现将负载运送到升高表面上来实现大越障，具有很强的环境适应能力和越障能力。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明新型轮腿复合式变位越障移动机器人顶部结构示意图；

图2是机器人底部结构示意图；

图3是处于水平或撑开位置的机器人底部结构示意图；

图4是机器人后腿和用于驱动后腿运动的腿部丝杠驱动器的局部结构示意图；

图5是滑轨局部结构示意图；

图6(a)-6(j)是机器人一系列正视图，显示出了机器人跨台阶的一系列动作。

图中1.机身部分，11.下半机身，12.上半机身，18.前腿支撑件，2.机身滑移机构，21.电动推杆，22.滑动导轨，22a.滑动导轨，22b.滑动导轨，220.滚珠衬套，222.外轨道，224.内轨道，226.中间轨道，228.滚珠衬套，3.轮腿复合结构，30a.中间腿，30b.中间腿，32a.后腿，32b.后腿，34a.中间轮，34b.中间轮，36a.后轮，36b.后轮，38a.前腿，38b.前腿，40a.前轮，40b.前轮，42a.腿部丝杠驱动器，42b.腿部丝杠驱动器，42c.推杆驱动器，42d.推杆驱动器，50.支撑架，52.外螺纹丝杠，54.电动机，56.内螺纹丝杠从动件，58.传动齿轮，60.长腿，62.销铰链，63.支撑架远端，64.短腿，10a.电动机驱动装置，10b.电动机驱动装置，90.电动推杆，90a.铰链连接件，A.中间轮旋转轴线，B.后轮旋转轴线。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小，数量等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”等用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

【实施例】

图1显示出了本发明实施例中新型轮腿复合式变位越障移动机器人。该移动机器人包括机身部分1、机身滑移机构2、轮腿复合结构3。机身部分1分为下半机身11和上半机身12，两部分机身分别连接到滑动导轨22上实现相互滑动。

如图1所示，机身滑移机构包括电动推杆21和滑动导轨22，电动推杆21一端靠螺栓连接在下半机身11上，另一端通过铰链连接固定到上半机身12的下侧。电动推杆21提供动力使上半机身12在滑动导轨22a、滑动导轨22b上滑动。

如图1和图3所示，轮腿复合结构3包括一对中间腿30a、30b和一对后腿32a、32b，中间轮34a、34b分别连接到中间腿30a、30b的下端，后轮36a、36b分别连接到后腿30a、30b的下端。中间腿30a、30b和后腿32a、32b可通过自身移动来调整中间轮34a、34b和后轮36a、36b的垂直位置，同一时间中间腿30a、30b或者后腿32a、32b至少有一个从机身向下悬垂。中间轮34a、34b限定旋转轴线A，并且后轮36a、36b限定旋转轴线B。旋转轴线A和B在图1中标出，中间轮34a、34b作为主动轮，后轮36a、36b是常规的旋转轮，作为随动轮。

参考图1，如图3所示，轮腿复合结构3同样包括一对前腿38a、38b，前腿38a、38b安装在前腿支撑件18上。前轮40a、40b连接到前腿38a、38b的下端。前腿38a、38b可以旋转和伸缩实现前轮40a、40b接触升高表面，前轮40a、40b能够通过合适的装置(例如防倒转轴承(未示出))仅沿向前方向滚动(即防止前轮向后滚动)。

参考图1，如图3所示，腿部丝杠驱动器42a、42b分别用来延伸(即，下降)和缩回(即，升高)中间腿30a、30b以及后腿32a，32b，腿部推杆驱动器42c、42d分别用来延伸(即，下降)和缩回(即，升高)前腿38a、38b。

如图3所示，中间腿30a，30b共用一个腿部丝杠驱动器42a，后腿32a、32b共用一个腿部丝杠驱动器42b，腿部丝杠驱动器42a、42b安装到下半机身11的侧部。驱动前腿的推杆驱动器42c、42d通过螺栓连接固定安装到前腿支撑件18上。

如图4所示，用于驱动后腿运动的腿部丝杠驱动器42a包括外螺纹丝杠52、支撑架50、内螺纹丝杠从动件56、电动机54、传动齿轮58。内螺纹丝杠从动件56啮合外螺纹丝杠52，驱动丝杠52转动的常规电动机54安装在支撑架50的一端，电动机54旋转通过传动齿轮58带动内螺纹丝杠从动件56沿外螺纹丝杠52向外或向内移动(取决于丝杠的旋转方向)。腿部丝杠驱动器42b与腿部丝杠驱动器42a相同，因此，不在详细展示腿部丝杠驱动器42b。

参考图1、图3，如图4所示，后腿32a通过铰接悬挂在腿部丝杠驱动器42a下方。后腿32a包括长腿60、短腿64，长腿60在其上端通过铰链62铰接到内螺纹丝杠从动件56，在其底端，长腿60连接到后轮36a(如图3所示)。短腿64一端通过铰链62铰接到支撑架50远端63，并且另一端通过铰链62铰接到长腿60。腿部丝杠驱动器42a中内螺纹丝杠从动件56接近支撑架50远端63的运动导致长腿60和短腿64的铰接组件远离腿部丝杠驱动器42a向下延伸。腿部丝杠驱动器42a中内螺纹丝杠从动件56远离支撑架50远端63的运动导致长腿60和短腿64的铰接组件靠近腿部丝杠驱动器42a向上延伸。后腿32a中长腿60的伸出和缩回又使后轮36a升高和降低。

如图3所示，中间腿30a、30b和后腿32b与后腿32a相同，将不再进一步描述。本领域技术人员可以理解，中间腿30a、30b和后腿32a、32b可以用使腿延伸和缩回的任何其它合适的方式构造。例如，腿可以由类似于前腿38a、38b伸缩构件构成。

再次参考图1，如图3所示，电动机驱动装置10a、10b分别安装在中间腿30a、30b上，以便驱动中间轮34a、34b。中间轮34a、34b作为主动轮来驱动机器人移动。

再次参考图1，如图2所示，电动推杆90通过自身伸长与收缩提供动力以升高和降低前腿支撑件18，电动推杆90的一端通过铰链连接件90a连接到上半机身12的下侧，另一端通过铰链连接件90a连接到前腿支撑件18下侧。

参考图1，如图5所示，滑动导轨22a、22b包括外轨道222、内轨道224、中间轨道226、滚珠衬套220、滚珠衬套228，具体地，中间轨道226安装在外轨道222的滚珠衬套220内，外轨道222安装在中间轨道226的滚珠衬套220内。滚珠衬套220、滚珠衬套228用来实现各个轨道之间相互滑动。电动推杆21通过滑轨22a、22b推动上半机身12相对于中间轮34a、34b和后轮36a、36b的旋转轴线A、B向前和向后滑动，滑动导轨22a、22b可以实现上半机身12平移与外轨道222长度相等的距离。

机器人可以提供电池(未示出)和任何合适的控制系统(未示出)，例如常规的电子控制系统，以操作电动机10a、电动机10b、腿部丝杠驱动器42a、腿部丝杠驱动器42b、腿部推杆驱动器42c、腿部推杆驱动器42d、电动推杆90。电池可以安装在下半机身11下方，电子控制系统可以安装在无线遥控手柄上，手柄可以包括一个或多个操纵杆，以控制机器人的各种运动。

现在将参照图1和图2描述本发明的操作，如图6(a)-6(j)所示，是机器人的一系列正视图，显示出了机器人跨上台阶的一系列动作。跨台阶前机器人将自身姿态调整如图6(a)所示。图6(b)，机器人先将前腿38a、38b抬起，电动机驱动装置10a、10b驱动中间轮34a、34b使机器人移动靠近障碍物，直到机器人中间轮34a、34b邻近台阶表面的边缘。图6(c)，前腿38a、38b伸长将前轮40a、40b下降使其接触台阶表面。图6(d)，机器人上半机身12凭借滑移机构2沿前进方向相对于下半机身11向前滑移，直到机器人的重心位于旋转轴线A的前方。图3(e)，中间轮34a、34b升高到高于台阶上表面的位置。图3(f)，机器人滑移机构2缩回，使得中间轮34a、34b和后轮36a、36b向前移动，直到旋转轴线A移动到上半机身12重心前方，上述动作都是由于前轮40a、40b被防倒转轴承(未示出)防止向后滚动而实现的。图3(g),机器人降低中间轮34a、34b，直到它们与台阶上表面接触。图3(h)，上半机身12再次相对于中间轮34a、34b旋转轴线A向前滑动，使得上半机身12重心再次移动到旋转轴线A的前方。图3(i)，后腿32a、32b缩回将后轮36a、36b升高到台阶上方的高度。图3(j)，机器人向前移动，后轮36a、36b下降与台阶上表面接触，滑移机构2缩回，上半机身12相对于旋转轴线A向后移动，以将上半机身12的重心定位在中间轮34a、34b和后轮36a、36b之间。至此，机器人爬上台阶。

Claims (5)

1.一种新型轮腿复合式变位越障移动机器人，包括机身部分、机身滑移机构、轮腿复合结构，机身部分分为下半机身和上半机身，两部分机身分别连接到滑动导轨上实现相互滑动，机身滑移机构包括电动推杆和滑动导轨，电动推杆一端靠螺栓连接在下半机身上，另一端通过铰链连接固定到上半机身的下侧,电动推杆提供动力使上半机身在滑动导轨上滑动，轮腿复合结构包括一对中间腿和一对后腿，中间轮分别连接到中间腿的下端，后轮分别连接到后腿的下端。中间轮和后轮分别限定一条旋转轴线，中间轮作为主动轮，后轮是常规的旋转轮，作为随动轮，轮腿复合结构同样包括一对前腿，前腿安装在前腿支撑件上，前轮连接到前腿的下端。

2.根据权利要求1所述的新型轮腿复合式变位越障移动机器人，其特征在于，上述移动机器人腿部丝杠驱动器分别用来延伸(即，下降)和缩回(即，升高)中间腿以及后腿，腿部推杆驱动器分别用来延伸(即，下降)和缩回(即，升高)前腿。

3.根据权利要求1所述的新型轮腿复合式变位越障移动机器人，其特征在于，上述移动机器人中间腿和后腿可通过自身移动来调整中间轮和后轮的垂直位置，同一时间中间腿或者后腿至少有一个从机身向下悬垂，前腿可以旋转和伸缩实现前轮接触升高表面，前轮能够通过合适的装置仅沿向前方向滚动。

4.根据权利要求1以及权利要求2所述的新型轮腿复合式变位越障移动机器人，其特征在于，上述中间腿共用一个腿部丝杠驱动器，后腿共用一个腿部丝杠驱动器，腿部丝杠驱动器安装到下半机身的侧部。驱动前腿的推杆驱动器通过螺栓连接固定安装到前腿支撑件上。

5.根据权利要求1、权利要求2、权利要求4所述的新型轮腿复合式变位越障移动机器人，其特征在于，上述用于驱动后腿运动的腿部丝杠驱动器包括外螺纹丝杠、支撑架、内螺纹丝杠从动件、电动机、传动齿轮。内螺纹丝杠从动件啮合外螺纹丝杠，驱动丝杠转动的常规电动机安装在支撑架的一端，电动机旋转通过传动齿轮带动内螺纹丝杠从动件沿外螺纹丝杠向外或向内移动(取决于丝杠的旋转方向)。