CN107618582A - 干粘附与钩爪的足/轮/履带混合式四驱车及其运动方法 - Google Patents

Abstract

一种干粘附与钩爪的足/轮/履带混合式四驱车及其运动方法，属于机器人技术应用领域。它的轮足包括一个正n边形支撑环（h）和一个正n边形弹性履带（i），两者之间安装有阻尼减震伸缩杆粘附组件。当遇到障碍物时，固定帽（d13）受力推动阻尼减震伸缩杆挤压减震弹簧和空气向内压缩，从而使小车顺利通过崎岖不平的地面；干粘附材料片（e1），使小车通过一些摩擦系数小的大坡度光滑斜坡；固定钩爪（g1）使小车可以相对轻松地上下阶梯，运动在坡度较大、崎岖不平的地面。本发明能够实现多种复杂运动功能，具有良好的全地形适应性和越障特性。

Description

干粘附与钩爪的足/轮/履带混合式四驱车及其运动方法

技术领域

本发明属于机器人技术应用领域，具体涉及一种干粘附与钩爪的足/轮/履带混合式四驱车及其运动方法，主要作为自然环境下的全地形越野移动平台。

背景技术

适应各种地面环境的机器人是当今机器人研究领域最为前沿的课题之一，它集机械、电子、计算机、材料、传感器、控制技术及人工智能等多门学科于一体，反映了一个国家的智能化和自动化研究水平，同时也作为一个国家高科技实力的重要标志，各发达国家在该领域相继投入巨资开展研究。

足式机器人能够实现复杂地面爬坡，可调整前后端高低体位运动相结合的方式，满足更大坡度的山地环境运动要求，增强了山地环境运动的适应性，但同时足式机器人行进速度低，由于重心原因容易侧翻，不稳定。因履带与地面接触面积大、较平稳，履带式机器人能更好的适应松软的地形（如沙地、泥地），但对高低落差较大的地形无能为力。轮式机器人更适合平坦的路面，且能高速移动，但容易打滑，不平稳，越障能力、地形适应能力差、转弯效率低。如何能将各式机器人的优点集中，弥补缺点是一个当下的研究热点。

比较国内外较为著名的轮足式结合机器人，其中由The University ofMichigan、McGill University、University of California等研究机构研制的“X-RHexLite” 是一款轮足结合的机器人（https://www.grasp.upenn.edu/projects/x-rhex-lite-xrl），它可以双足跳跃，四足跳跃、六足跳跃，还可以连续跳跃。通过不同的跳跃模式达到不同的效果，比如跳跃沟槽，攀爬矮墙，或者是180°跳跃翻身，甚至是在岩石地面运动。波士顿动力的RISE机器人采用钩爪与腿结合驱动方式，是一种垂直爬行的机器人，该机器人脚部有小爪可以方便它在粗糙地面上牢固抓紧（Saunders A, Goldman D I, Full R J,et al. The rise climbing robot: body and leg design[C]. Georgia Institute ofTechnology, 2006）。北京理工大学特种机器人科技创新团队设计的新型节肢机器人（http://www.liuti.cn/News/117741.html），采用的腿与轮子的结合驱动方式，具有一定的爬楼梯能力。东南大学的蚂蚁月球车，是一款仿生轮腿式机器人（http://news.longhoo.net/index/content/2016-04/23/content_28380.html），采用分布式传感控制系统，具有一定越障能力，可在山地、冰雪地等环境中行走，具有较好的适应性。中国科学院合肥物质科学研究院先进制造技术研究所研制的仿壁虎轮足复合爬壁机器人，采用粘附、履带和足驱动方式，实现光滑壁面的爬行（http://mil.huanqiu.com/china/2013-09/4341264.html）。

单一的轮足、足钩、粘附履带等机器人功能有限，而与具有干粘附与钩爪的足/轮/履带混合式四驱车相似的运动方式尚未报道过，也并未开展过研究。

发明内容

本发明的目的在于提供一种干粘附与钩爪的足/轮/履带混合式四驱车及其运动方法，该四驱车具有较高的越野爬坡运动功能、满足自然环境下非结构地形表面自适应要求，同时在光滑玻璃上可采用干粘附进行大坡度爬行，可作为自然环境下的全地形越野移动平台。

一个干粘附与钩爪的足/轮/履带混合式四驱车，其特征在于:包括机体、固定于机体中间位置的控制盒和沿机体左右对称分布的4个轮足动力机构；每个轮足动力机构由一个舵机和安装于舵机输出轴的轮足组成；每个轮足动力机构与机体通过舵机固定槽固定；其中轮足包括一个正n边形支撑环和一个正n边形弹性履带，其中正n边形支撑环位于正n边形弹性履带中心，正n边形支撑环的每个多边形条边的中心位置设置一个支撑孔，正n边形弹性履带的每个多边形角的位置设置一个定位孔，上述支撑孔与定位孔位置对应；每组对应的支撑孔与定位孔之间安装有一组阻尼减震伸缩杆粘附组件；其中每组阻尼减震伸缩杆粘附组件由阻尼减震伸缩套、阻尼减震伸缩杆、减震弹簧、固定帽和干粘附材料片组成；阻尼减震伸缩套后端安装于支撑孔内，固定帽安装于定位孔中，阻尼减震伸缩杆后端安装于阻尼减震伸缩套中，阻尼减震伸缩杆前端与固定帽后端相固定，减震弹簧安装于阻尼减震伸缩套的底部与阻尼减震伸缩杆之间；固定帽前端安装有干粘附材料片；上述正n边形支撑环与舵机输出轴固定；上述正n边形弹性履带的每条多边形边上还安装有固定钩爪；上述n为3-9的自然数。

所述的干粘附与钩爪的足/轮/履带混合式四驱车的运动方法，其特征在于包括以下过程:在轮足内部阻尼减震伸缩套和阻尼减震伸缩杆间有空气阻尼和减震弹簧，具有减震缓冲蓄能的作用；当遇到障碍物时，固定帽受力推动阻尼减震伸缩杆挤压减震弹簧和空气向内压缩，从而使小车顺利通过崎岖不平的地面；轮足上固连有干粘附材料片，使小车通过一些摩擦系数小的大坡度光滑斜坡；固定钩爪使小车可以相对轻松地上下阶梯，运动在坡度较大、崎岖不平的地面；四驱车的4个轮足分别由4个相互独立的电机驱动控制，实现4个轮足分别以不同的速度运动，同时实现原地转向，前进、后退、左转、右转、上下翻转、左右侧向翻转运动，翻转后仍能正常运动，实现多种复杂运动功能，具有良好的全地形适应性和越障特性。

本发明与现有技术相比有如下优点：

1、本发明能够实现四驱车在崎岖不平的路面上有效减震，使重心的运动轨迹呈现一条相对平稳曲线。

2、本发明的结构简单、运动原理清晰、运动实现方便，可使四驱车适应不同环境的崎岖或光滑路面，为高效稳定运动提供机构运动保障。

3、本发明克服了轮式机器人越障能力、地形适应能力差、转弯效率低、转弯半径大、不能上楼梯问题，以及履带式机器人速度低与效率低和足式机器人重心易偏移和侧翻的缺点。选取足/轮/履带的各自优点，巧妙综合应用，使得四驱车可实现前后翻转、上楼梯、原地转向等复杂特殊功能。

4、本发明中的干粘附材料可使四驱车在光滑且摩擦系数极小的表面（例如玻璃）上较为平稳的爬坡运动。

5、本发明中的采用钩爪方式可使四驱车在摩擦系数高的表面（例如岩石）上较为平稳的爬坡运动。

6、本发明的结构巧妙、体积小、重量轻、加工方便、经济可行，可为自然环境下的全地形越野移动平台提供解决方案。

附图说明

图1是本发明一种干粘附与钩爪的足/轮/履带混合式四驱车总体分布图；

图2是本发明一种干粘附与钩爪的足/轮/履带混合式四驱车分解示意图；

图3是本发明一种干粘附与钩爪的足/轮/履带混合式四驱车左前轮足分解示意图；

图1-3中标号名称：1、机体；2、控制盒；b1、舵机；c1、舵机固定槽；a1、轮足；d11、阻尼减震伸缩套；d12、阻尼减震伸缩杆；d13、固定帽；e1、干粘附材料片；f1、减震弹簧；g1、固定钩爪；h、正n边形支撑环；h1、支撑孔；i、正n边形弹性履带；i1、定位孔。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明：

结合图1，图2和图3，本实施例为一种干粘附与钩爪的足/轮/履带混合式四驱车及其运动方法，包括机体1、机体控制盒2、舵机b1、舵机固定槽c1、轮足a1、阻尼减震伸缩套d11、阻尼减震伸缩杆d12、固定帽d13、干粘附材料片e1、减震弹簧f1、固定钩爪g1、正n边形支撑环h、支撑孔h1、正n边形弹性履带i、定位孔i1。

其中结合图1，图2，本实施例为一种干粘附与钩爪的足/轮/履带混合式四驱车及其运动方法，包括机体1、控制盒2和沿机体1左右对称分布的4个轮足动力机构；每个轮足动力机构由一个舵机b1和安装于舵机输出轴的轮足a1组成。每个轮足动力机构与机体1通过舵机固定槽c1固定。

结合图3，其中轮足动力机构包括一个正n边形支撑环h和一个正n边形弹性履带i，其中正n边形支撑环h位于正n边形弹性履带i中心，正n边形支撑环h的每个多边形条边的中心位置设置一个支撑孔h1，正n边形弹性履带i的每个多边形角的位置设置一个定位孔i1，上述支撑孔与定位孔位置对应；每组对应的支撑孔与定位孔之间安装有一组阻尼减震伸缩杆粘附组件。每组阻尼减震伸缩杆粘附组件由阻尼减震伸缩套d11、阻尼减震伸缩杆d12、减震弹簧f1、固定帽d13、干粘附材料片e1组成；阻尼减震伸缩套d11后端安装于支撑孔h1内，固定帽d13安装于定位孔i1中，阻尼减震伸缩杆d12后端安装于阻尼减震伸缩套d11中，阻尼减震伸缩杆d12前端与固定帽d13后端相固定，减震弹簧f1安装于阻尼减震伸缩套d11的底部与阻尼减震伸缩杆d12之间；固定帽d13前端安装有干粘附材料片e1。

正n边形支撑环h与舵机b1输出轴固定。

控制盒2固定于机体1中间位置。

正n边形弹性履带i的每条多边形边上还安装有固定钩爪g1。

上述n为3-9的自然数。

Claims (2)

1.一个干粘附与钩爪的足/轮/履带混合式四驱车，其特征在于:

包括机体（1）、固定于机体（1）中间位置的控制盒（2）和沿机体（1）左右对称分布的4个轮足动力机构；

每个轮足动力机构由一个舵机（b1）和安装于舵机输出轴的轮足（a1）组成；

每个轮足动力机构与机体（1）通过舵机固定槽（c1）固定；

其中轮足包括一个正n边形支撑环（h）和一个正n边形弹性履带（i），其中正n边形支撑环（h）位于正n边形弹性履带（i）中心，正n边形支撑环（h）的每个多边形条边的中心位置设置一个支撑孔（h1），正n边形弹性履带（i）的每个多边形角的位置设置一个定位孔（i1），上述支撑孔与定位孔位置对应；每组对应的支撑孔与定位孔之间安装有一组阻尼减震伸缩杆粘附组件；

其中每组阻尼减震伸缩杆粘附组件由阻尼减震伸缩套（d11）、阻尼减震伸缩杆（d12）、减震弹簧（f1）、固定帽（d13）和干粘附材料片（e1）组成；阻尼减震伸缩套（d11）后端安装于支撑孔（h1）内，固定帽（d13）安装于定位孔（i1）中，阻尼减震伸缩杆（d12）后端安装于阻尼减震伸缩套（d11）中，阻尼减震伸缩杆（d12）前端与固定帽（d13）后端相固定，减震弹簧（f1）安装于阻尼减震伸缩套（d11）的底部与阻尼减震伸缩杆（d12）之间；固定帽（d13）前端安装有干粘附材料片（e1）；

上述正n边形支撑环（h）与舵机（b1）输出轴固定；

上述正n边形弹性履带（i）的每条多边形边上还安装有固定钩爪（g1）；

上述n为3-9的自然数。

2.根据权利要求1所述的干粘附与钩爪的足/轮/履带混合式四驱车的运动方法，其特征在于包括以下过程:

在轮足内部阻尼减震伸缩套（d11）和阻尼减震伸缩杆（d12）间有空气阻尼和减震弹簧（f1），具有减震缓冲蓄能的作用；当遇到障碍物时，固定帽（d13）受力推动阻尼减震伸缩杆挤压减震弹簧和空气向内压缩，从而使小车顺利通过崎岖不平的地面；

轮足上固连有干粘附材料片（e1），使小车通过一些摩擦系数小的大坡度光滑斜坡；固定钩爪（g1）使小车可以相对轻松地上下阶梯，运动在坡度较大、崎岖不平的地面；

四驱车的4个轮足分别由4个相互独立的电机驱动控制，实现4个轮足分别以不同的速度运动，同时实现原地转向，前进、后退、左转、右转、上下翻转、左右侧向翻转运动，翻转后仍能正常运动。