CN107215407B - 移动机器人的行走机构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种移动机器人的行走机构，包括底盘、行走系统、转向系统和控制系统；所述行走系统包括四个主动轮、与主动轮相连接的前后主轴、连轴器、行走驱动电机；所述转向系统是在底盘中心设一向上内凹的大圆柱坑，大圆柱坑内安装平衡转向盘，三个从动轮分别安装在平衡转向盘底面远离圆中心的位置；本发明的转向工作模式是，驱动轮总工作在能量利用率最高的直线行驶模式，从动轮总工作在悬空或半悬空转向模式上，两者根据路况和交替轮流工作，各司其职，结构简单。

Description

移动机器人的行走机构

技术领域

本发明属于移动机器人技术领域，具体涉及一种移动机器人的行走机构，比较适用于在坚固且不粗糙的地面上行驶，进行日常生活方面的作业。

背景技术

进入21世纪以来，伴随着计算机科学、自动化控制、信息技术等行业的迅猛发展，涉及到这些专业的移动机器人技术也随之发展壮大起来。“移动性”是移动机器人进入我们平时日常生活的必要条件之一。机动性和灵活性的不断提高，是移动机器人技术发展的源泉。移动机器人主要是模仿动物、车辆和人类等各种形态。人类奔跑速度最高能达到36千米/小时，美洲猎豹奔跑速度最高能达到110千米/小时，而轮式车辆的最高速度能达到300‐400千米/小时。与人和动物的腿足式结构比较，轮式结构的稳定性更好、结构更加简单，比较利于提升速度。智能轮式移动机器人可以实现稳定可靠的运动，机构和控制比较简单，且能量的利用率比较高，因此被广泛的应用在军事、科研、民用、工业领域等方面。

轮式移动机器人在坚固且不粗糙的地面环境上行驶时，传统的差速转向方式控制简单，但机器人在转弯时受底盘重量、地面摩擦力等影响，控制精度低；如果采用汽车的阿克曼(Ackerman)转向机构，由于转弯半径大，限制了机器人的机动性。现有的月球、火星探测车通常使用具有多轮独立驱动和转向机构的移动底盘。例如：“好奇号”火星车使用了六个车轮，每个车轮均有独立的驱动电机，两个前轮和两个后轮还配有独立的转向电机；另外，采用摇杆式转向悬挂系统，具有较好的越障、防倾覆等特点，但这种移动底盘结构复杂。

2015年05月06日，合肥工业大学在中国发明专利申请公布号CN104590414A中，公开了一种具有相对位姿检测功能的全方位轮式移动机器人，其底盘由四个主动轮和三个从动轮组成，每个主动轮能够独立驱动和转向，通过协调控制，实现机器人的灵活运动；底盘移动时带动三个从动轮转动，通过三个全向轮的组合转速测量，可以检测机器人的相对位姿变化。该移动机器人在每个全向轮的转轴上安装编码器，通过三个编码器的测量数据组合，计算机器人的相对运动位姿增量，机械设计结构依然尤显复杂。

发明内容

本发明针对上述独立驱动和转向车轮、全向轮的优却点，设计了一种移动机器人的行走机构。该移动机器人的底盘由主动轮系和从动轮系共同组成：主动轮系的四个主动轮仅使用一台电机直接连轴驱动轮，并且无需转向功能；从动轮系的三个从动轮专门用于平衡和缓冲移动机器人的惯性运动姿位，并产生移动机器人水平360°的任意转向功能。

本发明是通过以下技术方案来实现的：

一种移动机器人的行走机构，包括底盘、行走系统、转向系统和控制系统；所述行走系统包括四个主动轮、与主动轮相连接的前后主轴、连轴器、行走驱动电机；四个主动轮对称安装在底盘两侧只采用一台行走驱动电机同步驱动；所述行走驱动电机经过减速器减速、连轴器、前后主轴同步驱动四个主动轮，使机器人依靠四个主动轮只具有直行的运动功能；所述转向系统是在底盘中心设一向上内凹的大圆柱坑，大圆柱坑内安装平衡转向盘，三个从动轮分别安装在平衡转向盘底面远离圆中心的位置，且处于以平衡转向盘底面中心对称的正三角顶点位置；

所述平衡转向盘的上部中心通过升降油缸与底盘活动连接；平衡转向盘的侧部为直齿面，底盘上安装的转向电机减速齿轮与平衡转向盘侧部的直齿保持相啮合；在与平衡转向盘上部盘面相对的底盘大圆柱坑坑底平面上，远离圆平面中心同心均匀地布设3-4个感应平衡油缸；每个感应平衡油缸的活塞顶杆通过滑轮与平衡转向盘上部盘面相接触；

所述的感应平衡油缸是在油缸活塞顶杆上或油缸缸体与底盘的接触处设压力传感元件；

所述前后主轴与底盘是通过滑动轴承连接的，且前后主轴可以相对底盘有一定的轴向窜动间隙余量；在前后主轴的中部均有一转向缓冲辅助调整圆盘；每片转向缓冲辅助调整圆盘翼缘，均安装有由缓冲油缸控制的“U”形约束夹；

所述升降油缸、感应平衡油缸和缓冲油缸的液压变化量由控制系统根据移动机器人的作业任务或平衡纠偏量需求控制；所述压力传感元件检测到平衡转向盘不同部位接触压力的信号变化，传输给控制系统，经比较计算转变为不同的油压控制量，使感应平衡油缸活塞顶杆的伸缩量作出相应响应，以保持机器人整体转向的平衡。

所述三个从动轮为阻尼从动，即从动轮旋转后，旋转阻力从最小量开始，随从动轮转角的增大而增量式增大。

本发明的移动机器人的行走机构，可以实现的机器人的运动模式主要包括：直行、低速行走转弯、高速行走转弯和原地360°任意角度的转向；

a直行时，升降油缸将平衡转向盘提升离开地面，四个主动轮支撑底盘并依据机器人的作业任务直接驱动直行；

b低速行走转弯时，升降油缸控制平衡转向盘下行，其三个从动轮接触地面瞬间，被四个主动轮同步带动，拖曳直线运行；升降油缸机型控制平衡转向盘继续下行将底盘升高悬空，四个主动轮离地失去驱动力，三个从动轮支撑了整个移动机器人的重量惯性前行；与此同时控制系统根据转向作业任务计算目标转向角，转向电机通过减速齿轮执行转向，使得底盘悬空自转到所需要的角度；接着升降油缸机型控制平衡转向盘上升将底盘降低，已经改变行进方向角度的四个主动轮接触地瞬间，与三个惯性前行的从动轮行进方向不一致，导致且前后主轴轴向窜动和四个主动轮侧滑；随着底盘的进一步降低，整个移动机器人的重量又转移到了四个主动轮承担，变成三个不承重的从动轮侧滑，直至完全离地；四个主动轮触地获得新方向角度的驱动力；此时，控制系统通过缓冲油缸控制的“U”形约束夹将轴向偏离主轴回位，辅助移动机器人进一步改变行进方向；当移动机器人改变行进方向后，由于惯性的作用，依然具有原运行方向趋势，呈现为移动机器人整体趋向偏斜状态；底盘大圆柱坑坑底平面上的各感应平衡油缸活塞顶杆接触平衡转向盘的压力差发生变化，通过压力传感元件检测传输给控制系统，经比较计算转变为不同的油压控制量，使感应平衡油缸活塞顶杆的伸缩量作出相应响应，以保持机器人整体转向的运动姿位平衡；三个从动轮完全离地悬空后，转向电机通过减速齿轮又控制平衡转向盘的三个从动轮的行进方向角度与四个主动轮一致，实现低速行走转弯；

c高速行走转弯时，控制系统根据转向作业任务计算的目标转向角需要分多个较小的转向角累积来实现；即用较小的转向角多次小转向累加，可以实现快速行走转弯；先升降油缸控制平衡转向盘下行，其三个从动轮接触地面瞬间，被四个主动轮同步带动，拖曳直线运行；升降油缸机型控制平衡转向盘继续下行将底盘升高悬空，四个主动轮离地失去驱动力，三个从动轮支撑了整个移动机器人的重量惯性前行，控制系统给出一个较小的转向角，转向电机通过减速齿轮执行转向，使得底盘悬空自转到所需要的小角度；接着升降油缸机型控制平衡转向盘上升将底盘降低，已经改变行进方向角度的四个主动轮接触地瞬间，与三个从动轮行进方向不一致，导致且前后主轴轴向窜动和四个主动轮侧滑；随着底盘的进一步降低，整个移动机器人的重量又转移到了四个主动轮承担，变成三个不承重的从动轮侧滑，直至完全离地；四个主动轮触地获得新方向角度的驱动力；此时，控制系统通过缓冲油缸控制的“U”形约束夹将轴向偏离主轴回位，辅助移动机器人进一步改变行进方向；移动机器人改变行进方向后，由于惯性的作用，依然具有原运行方向趋势，呈现为移动机器人整体趋向偏斜状态；底盘大圆柱坑坑底平面上的各感应平衡油缸活塞顶杆接触平衡转向盘的压力差发生变化，通过压力传感元件检测传输给控制系统，经比较计算转变为不同的油压控制量，使感应平衡油缸活塞顶杆的伸缩量作出相应响应，以保持机器人整体转向的运动姿平衡；三个从动轮完全离地悬空后，转向电机通过减速齿轮又控制平衡转向盘的三个从动轮的行进方向角度与四个主动轮一致；

即重复上述控制过程，用较小的转向角多次小转向累加，可以实现快速行走转弯；

d原地任意角度的转向时，升降油缸控制平衡转向盘下行，其三个从动轮接触地面将底盘升高悬空，四个主动轮也离地悬空，三个从动轮支撑了整个移动机器人的重量，控制系统根据转向作业任务计算目标转向角，转向电机通过减速齿轮执行转向，使得底盘悬空自转到所需要的角度；接着升降油缸机型控制平衡转向盘上升将底盘降低，已经改变行进方向角度的四个主动轮接触地，整个移动机器人的重量又转移到了四个主动轮承担，三个从动轮完全离地悬空后，转向电机通过减速齿轮又控制平衡转向盘的三个从动轮的行进方向角度与四个主动轮一致。

本发明利用一台行走驱动电机对四个主动轮直接直线驱动，四个主动轮无需独立转向功能；行走驱动电机的负载性质比较好，过载能力和抗干扰能力强；无需差速机构，转矩比较大，响应效果比较快，能适应多变的速度，并可以克服传动装置的负载转矩和摩擦转矩，并且运行速度比较平稳，且调速范围比较宽；本发明创造性地设计了具有三个阻尼从动轮的平衡转向盘、前后主轴可以相对底盘有一定的轴向窜动间隙余量和缓冲油缸控制的“U”形约束夹调整主轴回位，三者巧妙地有机结合实现了机器人的直行、低速行走转弯、高速行走转弯和原地360°任意角度的转向的运动模式。本发明的转向工作模式是，驱动轮总工作在能量利用率最高的直线行驶模式，从动轮总工作在悬空或半悬空转向模式上，两者根据路况和交替轮流工作，各司其职。经过检索，本发明的悬空转向系一种新的转向工作模式。国内外尚无文献报道。本发明具有履带式的移动结构的原地360°任意角度的转向功能，但相比履带式的移动结构的原地360°任意角度的履带拖移滑动转向，本发明的悬空或半悬空转向，大大减少摩擦。相比现有技术汽车的阿克曼(Ackerman)转向机构转弯半径大大减小。相比火星探测车通常使用具有多轮独立驱动和转向机构的移动底盘，结构大为简化；相比CN104590414A的每个主动轮独立驱动和转向机械设计结构简单的多。

附图说明

图1为本发明的主视图。

图2为本发明直线行驶模式的侧视图。

图3为本发明直线转弯模式的侧视图。

图4为本发明直线转弯模式的状态示意图。

图中标记是：1底盘；2主动轮；3前主轴；4后主轴；5连轴器；6行走驱动电机；7大圆柱坑；8平衡转向盘；9从动轮；10升降油缸；11平衡转向盘的直齿面；12转向电机；13感应平衡油缸；14滑轮；15圆盘；16缓冲油缸；17“U”形约束夹17。

具体实施方式

下面结合附图和实施方式对本发明做进一步说明。

参见附图1-4，一种移动机器人的行走机构，包括底盘1、行走系统、转向系统和控制系统；所述行走系统包括四个主动轮2、与主动轮2相连接的前主轴3、后主轴4、连轴器5、行走驱动电机6；四个主动轮2对称安装在底盘1两侧只采用一台行走驱动电机6同步驱动；所述行走驱动电机6经过减速器减速、连轴器5、前后主轴同步驱动四个主动轮2，使机器人依靠四个主动轮2只具有直行的运动功能；所述转向系统是在底盘中心设一向上内凹的大圆柱坑7，大圆柱坑7内安装平衡转向盘8，三个从动轮9分别安装在平衡转向盘8底面远离圆中心的位置，且处于以平衡转向盘8底面中心对称的正三角顶点位置；

所述平衡转向盘8的上部中心通过升降油缸10与底盘1活动连接；平衡转向盘8的侧部为直齿面11，底盘上安装的转向电机12减速齿轮与平衡转向盘8侧部的直齿总是保持相啮合；在与平衡转向盘8上部盘面相对的底盘1大圆柱坑7坑底平面上，远离圆平面中心同心均匀地布设3-4个感应平衡油缸13；每个感应平衡油缸13的活塞顶杆通过滑轮14与平衡转向盘8上部盘面相接触；

所述的感应平衡油缸13是在油缸活塞顶杆上或油缸缸体与底盘1的接触处设压力传感元件；

所述前后主轴4与底盘1是通过滑动轴承连接的，且前后主轴4可以相对底盘1有一定的轴向窜动间隙余量；在前后主轴4的中部均有一转向缓冲辅助调整圆盘15；每片转向缓冲辅助调整圆盘15翼缘，均安装有由缓冲油缸16控制的“U”形约束夹17；

所述的升降油缸10、感应平衡油缸13和缓冲油缸16的液压变化量由控制系统根据移动机器人的作业任务或平衡纠偏量需求控制；所述压力传感元件检测到平衡转向盘8不同部位接触压力的信号变化，传输给控制系统，经比较计算转变为不同的油压控制量，使感应平衡油缸13活塞顶杆的伸缩量作出相应响应，以保持机器人整体转向的平衡。

所述三个从动轮9为阻尼从动，即从动轮9旋转后，旋转阻力从最小量开始，随从动轮9转角的增大而增量式增大。

所述平衡转向盘8侧部直齿面11的宽度要大于转向电机12减速齿轮齿条的宽度，当升降油缸10控制平衡转向盘8上下运动时，平衡转向盘8侧部的直齿面11总是能够与底盘上的转向电机12减速齿轮保持相啮合。

Claims (2)

1.一种移动机器人的行走机构，包括底盘(1)、行走系统、转向系统和控制系统；其特征在于：所述行走系统包括四个主动轮(2)、与主动轮(2)相连接的前主轴(3)、后主轴(4)、连轴器(5)、行走驱动电机(6)；四个主动轮(2)对称安装在底盘(1)两侧只采用一台行走驱动电机(6)同步驱动；所述行走驱动电机(6)经过减速器减速、连轴器(5)、前后主轴同步驱动四个主动轮(2)，使机器人依靠四个主动轮(2)只具有直行的运动功能；所述转向系统是在底盘中心设一向上内凹的大圆柱坑(7)，大圆柱坑(7)内安装平衡转向盘(8)，三个从动轮(9)分别安装在平衡转向盘(8)底面远离圆中心的位置，且处于以平衡转向盘(8)底面中心对称的正三角顶点位置；

所述平衡转向盘(8)的上部中心通过升降油缸(10)与底盘(1)活动连接；平衡转向盘(8)的侧部为直齿面(11)，底盘上安装的转向电机(12)减速齿轮与平衡转向盘(8)侧部的直齿总是保持相啮合；在与平衡转向盘(8)上部盘面相对的底盘(1)大圆柱坑(7)坑底平面上，远离圆平面中心同心均匀地布设3-4个感应平衡油缸(13)；每个感应平衡油缸(13)的活塞顶杆通过滑轮(14)与平衡转向盘(8)上部盘面相接触；

所述的感应平衡油缸(13)是在油缸活塞顶杆上或油缸缸体与底盘(1)的接触处设压力传感元件；

所述前主轴(3)和后主轴(4)与底盘(1)是通过滑动轴承连接的，且前主轴(3)和后主轴(4)可以相对底盘(1)有一定的轴向窜动间隙余量；在前主轴(3)和后主轴(4)的中部均有一转向缓冲辅助调整圆盘(15)；每片转向缓冲辅助调整圆盘(15)翼缘，均安装有由缓冲油缸(16)控制的“U”形约束夹(17)；

所述的升降油缸(10)、感应平衡油缸(13)和缓冲油缸(16)的液压变化量由控制系统根据移动机器人的作业任务或平衡纠偏量需求控制；所述压力传感元件检测到平衡转向盘(8)不同部位接触压力的信号变化，传输给控制系统，经比较计算转变为不同的油压控制量，使感应平衡油缸(13)活塞顶杆的伸缩量作出相应响应，以保持机器人整体转向的平衡；

所述三个从动轮(9)为阻尼从动，即从动轮(9)旋转后，旋转阻力从最小量开始，随从动轮(9)转角的增大而增量式增大。

2.根据权利要求1所述的一种移动机器人的行走机构，其特征在于：所述平衡转向盘(8)侧部直齿面(11)的宽度要大于转向电机(12)减速齿轮齿条的宽度，当升降油缸(10)控制平衡转向盘(8)上下运动时，平衡转向盘(8)侧部的直齿面(11)总是能够与底盘上的转向电机(12)减速齿轮保持相啮合。