CN107097870B - 一种非对称性三角步态行走移动机器人 - Google Patents

Abstract

本发明保护一种非对称性三角步态行走移动机器人，包括机身、传动机构和车轮，车轮在机身两侧，一侧三个共六个。左侧的前后车轮与右侧的中间车轮构成三角步态组I，保持同相同步转动，右侧的前后车轮和左侧的中间车轮构成三角步态组II，保持同相同步转动，且左右两侧的车轮前后水平错开，均不在同一轴上，形成非对称布置，中间车轮受到的摩擦力小于前后车轮。本发明两组车轮交替运动时，始终保持三车轮接触地面，构成一个稳定的支撑平面，运动过程中保持平稳状态。两组三角步态前后交错放置在同一水平面，非对称性放置，使机身结构更加紧凑稳定，转弯效果更明显。

Description

一种非对称性三角步态行走移动机器人

技术领域

本发明属于机器人技术领域，具体是涉及移动机器人的行走机构。

背景技术

随着我国核能工业、探险救援、军事侦察、消防排爆、航天航空等众多领域的快速发展，迫切需要一种既能在平坦地面自由行走，又能在野外环境和复杂地形（如地震废墟、矿难现场）中自由行走和越障的移动机器人。现有移动机器人的行走机构大致可分为：轮式、履带式、多足式、混合式（如轮腿混合式、轮履混合式）和特殊形式（如多边形翻滚式、蛇形滑动式）。其中，将轮腿式结构和三角步态结合的行走方式具有很强的越障能力和地形适应性，而现有的三角步态行走方式如下,以六足三角步态为例：一、六电机单独控制六个轮，随意切换六个轮的相位进行不同的三角步态行走，这种机械结构复杂，控制难度大，但效率高，机动性强；二、同侧三角步态，单侧前后轮相位相同，与中间轮相位相差180°，左侧前后两轮与右侧中间轮组成三角步态，右侧前后轮与左侧中间轮组成三角步态，这种行走方式，机械结构简单，控制简单，转向效果不佳；三、前后两轮同轴，再通过同步装置分别连接任意一个中间轮，组成三角步态，这种行走方式，控制简单，机械结构相对简单，依旧稳点性不足；四、六轮同向三角步态，即在同侧的基础上同轴，机械结构简单和控制难度低，但机动性太差，只能前进后退，转向不容易实现。

发明内容

本发明为了克服现有技术的移动机器人移动不够稳定、转向效果不够明显的不足，提供一种结构简洁可靠、效率高、地表适应性好、稳点性高、越障能力强的非对称性三角步态行走移动机器人。

本发明的技术方案如下：

一种非对称性三角步态行走移动机器人，所述移动机器人包括机身、传动机构和被传动机构带动的车轮，所述车轮安装在机身两侧，一侧三个，共六个。其中左侧的前后车轮与右侧的中间车轮构成三角步态组I，保持同相同步转动，右侧的前后车轮和左侧的中间车轮构成三角步态组II，保持同相同步转动，且左右两侧的车轮前后水平错开，均不在同一轴上，形成非对称布置；所述中间车轮受到的摩擦力小于前后车轮。

本移动机器人的直线行走方式：一、控制两组三角步态保持180°相位差同向同步转动，转速相同，两组车轮交替进行有效运动，完成流畅稳定的直线前进后退行走。二、两组三角步态同向分步进行转动，且两组三角步态相位差在0°-180°内，互不干涉运动，能够有效稳定地前进后退。

转向方式：一、两组三角步态同步转动控制转向，且三角步态组相位相差180°，当需要左转向时，三角步态组Ⅰ反转，三角步态组Ⅱ正转；当需要右转时，三角步态组Ⅰ正转，三角步态组Ⅱ反转。二、两组三角步态分步转动控制转向，且两组三角步态相位差在0°-180°内，互不干涉运动，即：当需要左转向时，三角步态组Ⅰ无效反转，三角步态组Ⅱ有效正转，或三角步态组Ⅰ有效反转，三角步态组Ⅱ无效正转；当需要右转时，三角步态Ⅰ有效正转，三角步态Ⅱ无效反转，或三角步态Ⅰ无效正转，三角步态组Ⅱ有效反转。

从以上结构设计可见，本发明将六个车轮分为两组，左侧前后两车轮和右侧中间车轮保持同相运动，而右侧前后两车轮和左侧中间车轮保持同相运动，这样两组车轮交替运动时，始终保持三车轮接触地面，由于三点成面，从而构成一个稳定的支撑平面，运动过程中保持平稳状态。由于两组三角步态前后交错放置在同一水平面，对于移动机器人由于电机一般选取长圆柱电机，非对称性放置，使得结构更加紧凑、简洁，车轴可以贯穿机身布置，使得结构更加稳定；非对称性结构配合轮1、轮3、轮4、轮6摩擦力大于轮2、轮5摩擦力更有利于转弯。

另外，本发明左右两边前后两个车轮的所受摩擦力大于中间的车轮所受摩擦力，在两组轮同相转动时，可以实现直线前进或者后退。在两组轮反向旋转时，由于单侧的合力不为零且方向相反，可以实现转弯。与非对称结构配合，非对称结构使机身结构更加紧凑稳定，转弯效果更明显。

进一步，本发明设计两侧的中间车轮分别分布同侧前后车轮中间位置，即同侧的三个车轮之间等距。这样设计，可选取更多形式的车轮，防止轮与轮之间产生运动干涉。

但是，进一步将两侧的中间车轮设计为分别向相反方向更靠近两端，即同侧的三个车轮之间不等距，可以获得更好转向效果。

进一步，本发明的车轮为C形腿式轮或偏心轮，由于三角步态三点定位可保持机身的稳定性，选取轮腿式结构的车轮兼顾稳定性的优点，极大地增加了机器人的攀爬越障能力。

进一步，本发明的两组三角步态的可同步转动控制运动，相位差保持在180°，也可以分步转动控制运动，相位差范围保持在0°到180°内。选取同步转动控制运动，控制方式更简洁，机身转向更加流畅稳定。

进一步，本发明的动力机构包括电机和传动装置，每组三角步态车轮通过传动装置连接并由电机同步驱动，这样设计，便于有效地实现同步控制，并简化结构。

优选地，所述每组三角步态车轮的驱动电机设置两个，同时驱动，从而增加驱动力。

本发明设计的移动机器人具有良好的移动、转向和越障性能，并且稳点性高、结构简单，易于实现。

附图说明

图1是非对称性三角步态行走移动机器人的结构示意图；

图2是两组三角步态车轮的布置和相位关系示意图；

图3是同侧车轴等距分布示意图；

图4和图5是移动机器人直线行走时车轮状态图；

图6、图7和图8是移动机器人向左转弯行走时车轮状态图；

图9、图10和图11是移动机器人向右转弯行走时车轮状态图；

图中：1、机身，2、电机，3、传动装置，4、车轮；41、第一车轮，2、第二车轮，3、第三车轮，4、第四车轮，5、第五车轮，46、第六车轮。

具体实施方式

为了使发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图和实施例本发明的基本原理、结构及行走方法做详细说明，但本发明要求保护的范围并不局限于以下所述。

本发明的基本原理：

1．本发明将六个轮分为两组，左侧前后两车轮和右侧中间车轮保持同相运动，而右侧前后两车轮和左侧中间车轮保持同相运动。

．两组车轮交替运动时，始终保持三车轮接触地面，由于三点成面，从而构成一个稳定的支撑平面，运动过程中保持平稳状态

3．左右两边前后两个车轮的所受摩擦力大于中间的车轮所受摩擦力，在两组轮同相转动时，可以实现直线前进或者后退。在两组轮反向旋转时，由于单侧的合力不为零且方向相反，可以实现转弯

4．非对称结构使机身结构更加紧凑稳定，转弯效果更明显。

参见图1，本发明具有移动机器人的基本结构，这里简约显示了机身1、动力装置和车轮4。动力装置包括电机2和传动装置3。图2显示了两组三角步态车轮的布置和相位关系，图3显示了同侧车轴等距分布的状态，从图2开始，均是重点显示车轮的布置和运动方式，因此图中对车身内部的电机2和传动装置3没有再显示。

车轮4由六个大小相同车轮组成，在机身1的左右两侧各安装3个。六个车轮组成两组三角步态，第一车轮41、第四车轮44、第五车轮45保持同相同步转动，构成三角步态组I，而第二车轮42、第三车轮43和第六车轮46保持同相同步转动，构成三角步态组II，并且左右两侧的车轮前后水平错开，均不在同一轴上，形成非对称布置。第一、第五、第二、第六车轮41、45、42、46的受到的摩擦力大于第三和第四车轮43、44（改变摩擦的方式可以为：改变车轮摩擦系数、轮径等）。两组三角步态交替运动实现行走的功能，行走过程一直保持三点触地，而且左右车轮不在同一轴上，前后左右水平布置。车轮形式多样，可以是如图所示的C形腿，也可以是偏心轮等。

直线运动时，两组三角步态保持180°相位差同步转动，转速相同，两组车轮交替进行有效运动，能够比较流畅稳定的直线前进后退。也可以控制两组三角步态相位差在0°-180°范围，分步转动，转向相同，交替进行运动，完成流畅稳定地直线前进后退。

转向时，两组三角步态保持180°相位差同步转动，当需要左转向时，三角步态组I反转，三角步态组II正转；当需要右转时，三角步态组I正转，三角步态组II反转。也可以两组三角步态在0°-180°相位差范围内分步转动，转向原理与同步转向方式相同。

实施例:

参见图6，移动机器人包括有机身1、六个C形车轮4，四个电机2和传动装置3组成。第一车轮41、第四车轮44和第五车轮45的轮轴通过传送装置3如一根皮带连接，使三个轴同相，从而相应的三个车轮保持同相同步，构成三角步态组I，该三角步态由两个电机2同时驱动，如图所示，第一车轮41的轮轴上布置一个电机，第五车轮45的轮轴上布置一个电机，增强驱动力。同理，将第二车轮42、第三车轮43和第六车轮46的轮轴通过另一传送装置4连接，使三根轴同相，从而与之相应的车轮同相同步，构成三角步态组II。第一、第五、第二、第六车轮41、45、42、46受到的摩擦力（这里改变的是车轮1、5、2、6摩擦系数大于车轮3、4）大于第三和第四车轮43、44。

当小车需要前进时，两组三角步态保持180°相位差同步正转，如图4和图5是直线前进时两组三角步态的车轮位置状态图。同理，当小车后退时，两组三角步态保持一定的相位差同步反转。

以起始状态图中中间箭头所示方向为前进方向。

当小车需要左转时，两组三角步态处于相同的起始状态，如图6，三角步态组I反转，三角步态组II正转，当转到状态c 如图7，此时三角步态组II着地，三角步态组I离地。左侧一个车轮，右侧两个车轮，并且两个车轮摩擦力大于一个车轮，使得左转向；当转到状态d，如图8，此时三角步态组I着地，三角步态组II离地，左侧两个车轮，右侧一个车轮，两个车轮摩擦力比一个车轮摩擦力大，但三角步态组I反转，使得小车仍然左转。两组三角步态车轮状态c、d来回切换着地，使得小车一直向左转向。

当小车需要右转时，两组三角步态回到起始状态，如图9。三角步态组I正转，三角步态组II反转，当转到状态e如图10，此时三角步态组I着地，三角步态组II离地，左侧两个车轮着地，右侧一个车轮着地，并且左侧车轮摩擦力大于右侧车轮摩擦力，使得小车右转向，当转动状态f如图11，此时三角步态组II着地，三角步态组I离地，左侧一个车轮，右侧两个车轮，右侧车轮摩擦力大于左侧车轮摩擦力，但三角步态组II为反转状态，所以小车仍然向右转向。状态e、f来回切换，小车一直向右转向。

Claims (6)

1.一种非对称性三角步态行走移动机器人，所述移动机器人包括机身、传动机构和被传动机构带动的车轮；所述车轮安装在机身两侧，一侧三个，共六个；

其特征在于：左侧的前后车轮与右侧的中间车轮构成三角步态组I，保持同相同步转动，右侧的前后车轮和左侧的中间车轮构成三角步态组II，保持同相同步转动，且左右两侧的车轮前后水平错开，均不在同一轴上，形成非对称布置；所述中间车轮受到的摩擦力小于前后车轮；所述车轮为C形腿式轮或偏心轮；

直线行走方式：控制两组三角步态保持相位差180°同步转动，转速相同，两组车轮交替进行运动，完成流畅稳定的直线前进后退；也可以控制两组三角步态相位差在0°-180°范围，分步转动，转向相同，交替进行运动，完成流畅稳定地直线前进后退；

转向方式：当需要左转向时，三角步态组I反转，同时三角步态组II以相同的车轮相位状态正转，实现左转；当需要右转时，三角步态组I正转，三角步态组II以相同的车轮相位状态反转，实现右转；也可以两组三角步态在0°-180°相位差范围内分步转动，转向原理与同步转向方式相同。

2.根据权利要求1所述的非对称性三角步态行走移动机器人，其特征在于，两侧的中间车轮分别分布在两侧前后车轮的中间位置，即同侧的三个车轮之间等距。

3.根据权利要求1所述的非对称性三角步态行走移动机器人，其特征在于，两侧的中间车轮分别向相反方向更靠近两端，即同侧的三个车轮之间不等距。

4.根据权利要求1、2或3所述的非对称性三角步态行走移动机器人，其特征在于，两组三角步态的相位差范围可在180°内变化。

5.根据权利要求1、2或3所述的非对称性三角步态行走移动机器人，其特征在于，动力机构包括电机和传动装置，每组三角步态车轮通过传动装置连接并由电机同步驱动。

6.根据权利要求1、2或3所述的非对称性三角步态行走移动机器人，其特征在于，所述每组三角步态车轮的驱动电机设置两个，同时驱动。