CN107804114A

CN107804114A - 一种可变轮径异形轮的多轮式全地形机器人

Info

Publication number: CN107804114A
Application number: CN201710936422.3A
Authority: CN
Inventors: 吴振宇; 唐彬; 辛全彬; 李胜铭
Original assignee: Dalian University of Technology
Current assignee: Dalian University of Technology
Priority date: 2017-10-10
Filing date: 2017-10-10
Publication date: 2018-03-16

Abstract

本发明涉及机器人制作技术领域，一种可变轮径异形轮的多轮式全地形机器人，包括双可变轮径异形轮式机器人和四可变轮径异形轮式机器人，二种机器人，分别包括可变轮径异形轮、电机、减速箱、机器人框架、电源及控制电路，每个可变轮径异形轮设置多个可收缩、伸展的L型轮足，并受伺服舵机控制带动上端盖旋转，并围绕设置在下端盖中的多个圆形支柱转动，改变各L型轮足的足端到可变轮径异形轮轮心的距离，进而改变可变轮径异形轮的外接圆直径，所述双可变轮径异形轮式机器人框架的底部设置有电动伸缩支架，均能向前或向后展开，除了提供万向轮支撑外，固定在连杆上的配重均能调节重心向后移动，确保机器人越障时不会向前倾倒。

Description

一种可变轮径异形轮的多轮式全地形机器人

技术领域

本发明涉及一种可变轮径异形轮的多轮式全地形机器人，属于机器人制作技术领域。

背景技术

小型电动轮式机器人由于其优异的越障能力和低成本、便携性等特点，在安防、军事、救援、科研等诸多领域获得了广泛了应用，其中轮式机器人结构简单，运行平稳，但是其在面对复杂环境地形，如台阶、土坡、砂砾、废墟等恶劣环境便难以胜任，这些特殊环境对移动式机器人提出了新的挑战，如何提高移动机器人的地形适应能力和特殊障碍的通过一度成为热点。

2016年申请的“一种异形轮式结构的全地形机器人”(申请号：201610066972.X)便针对该类问题，通过发明一种异形轮，将普通轮的连续触地变为类足式机器人的离散触地，增加机器人越障能力，但在实际测试中发现，该机器人在摩擦系数较低的硬质光滑平地上移动时，由于机器人轮子的特殊结构导致接触地面面积小，仅优化防滑垫结构和材料，也难以提供足够的摩擦力以实现快速移动，故移动效率较低。采用固定结构式的轮结构使其能较好的兼顾硬质光滑地面和瓦砾废墟两种不同的地面的难度较大，故设计本变结构异形轮，充分发挥异形轮和普通车轮的优点。

发明内容

为了克服现有技术中存在的不足，本发明目的是提供一种可变径异形轮的多轮式全地形机器人，包括双可变轮径异形轮式机器人和四可变轮径异形轮式机器人，每个可变轮径异形轮设置有多个可收缩、伸展的L型轮足，所述L型轮足受伺服舵机控制带动上端盖旋转，并围绕设置在下端盖中的多个圆形支柱转动，可以动态改变各L型轮足的足端到可变轮径异形轮轮心的距离，进而改变可变轮径异形轮的外接圆直径；本发明通过可变轮径结构动态切换L型轮足的收缩和伸展两种模式下，较好的解决了现有轮式或异形轮式机器人无法同时满足在相对平整硬质地面快速平稳移动和能够穿行复杂砂石地面的问题。

为了实现上述发明目的，解决已有技术中所存在的问题，本发明采取的技术方案是：一种可变轮径异形轮的多轮式全地形机器人，包括双可变轮径异形轮式机器人和四可变轮径异形轮式机器人，所述双可变轮径异形轮式机器人，包括二个可变轮径异形轮，二个电机，二个减速箱，二个摄像头，机器人框架，电源及控制电路，其特征在于：所述电机、减速箱、电源及控制电路分别采用螺栓固定在机器人框架上，可变轮径异形轮与减速箱输出轴相连，电机经减速箱驱动可变轮径异形轮旋转；所述每个可变轮径异形轮设置有多个可收缩、伸展的L型轮足、多个防滑垫、一个盖板、一个上端盖、一个伺服舵机、一个下端盖、多个下端盖挡板、一个角度传感器、一个防水导电滑环；所述L型轮足受伺服舵机控制带动上端盖旋转，并围绕设置在下端盖中的多个圆形支柱转动，改变各L型轮足的足端到可变轮径异形轮轮心的距离，进而改变可变轮径异形轮的外接圆直径；当其上端盖左旋至圆形支柱处于L型轮足U型槽最内侧远离足端和右旋至圆形支柱处于L型轮足U型槽最外侧靠近足端时，分别对应可变径异形轮外接圆直径的最大和最小状态，这两种状态下的L型轮足具有自卡紧功能，依靠设置在下端盖中的多个圆形支柱及上端盖固定轴进行限位；另外，所述双可变轮径异形轮式机器人框架的底部设置有二个电动伸缩支架，包括二个控制电机、二个连杆、二个万向轮及二个配重，所述二个控制电机对称固定在双可变轮径异形轮式机器人框架的底侧，二个连杆分别固定在二个控制电机输出轴上，二个万向轮分别固定在二个连杆的外端部，二个配重分别固定在二个连杆的中部，二个电动伸缩支架均能向前或向后展开，除了提供二个万向轮支撑的同时，固定在二个连杆上的二个配重均能调节重心向后移动，确保机器人越过障碍时不会向前倾倒。

所述四可变轮径异形轮式机器人，包括四个可变轮径异形轮，四个电机，四个减速箱，机器人框架，电源系统，控制电路及相关传感器，所述电机、减速箱、电源及控制电路分别采用螺栓固定在机器人框架上，可变轮径异形轮与减速箱输出轴相连，电机经减速箱驱动可变轮径异形轮旋转，可变径异形轮在L型轮足收缩和伸展的状态下，赋予了四可变轮径异形轮式机器人在不同路面环境行进执行任务的能力。

本发明有益效果是：一种可变轮径异形轮的多轮式全地形机器人，包括双可变轮径异形轮式机器人和四可变轮径异形轮式机器人，所述双可变轮径异形轮式机器人，包括二个可变轮径异形轮，二个电机，二个减速箱，二个摄像头，机器人框架，电源及控制电路，所述电机、减速箱、电源及控制电路分别采用螺栓固定在机器人框架上，可变轮径异形轮与减速箱输出轴相连，电机经减速箱驱动可变轮径异形轮旋转；所述每个可变轮径异形轮设置有多个可收缩、伸展的L型轮足、多个防滑垫、一个盖板、一个上端盖、一个伺服舵机、一个下端盖、多个下端盖挡板、一个角度传感器、一个防水导电滑环；所述L型轮足受伺服舵机控制带动上端盖旋转，并围绕设置在下端盖中的多个圆形支柱转动，改变各L型轮足的足端到可变轮径异形轮轮心的距离，进而改变可变轮径异形轮的外接圆直径；当其上端盖左旋至圆形支柱处于L型轮足U型槽最内侧远离足端和右旋至圆形支柱处于L型轮足U型槽最外侧靠近足端时，分别对应可变径异形轮外接圆直径的最大和最小状态，这两种状态下的L型轮足具有自卡紧功能，依靠设置在下端盖中的多个圆形支柱及上端盖固定轴进行限位；另外，所述双可变轮径异形轮式机器人框架的底部设置有二个电动伸缩支架，包括二个控制电机、二个连杆、二个万向轮及二个配重，所述二个控制电机对称固定在双可变轮径异形轮式机器人框架的底侧，二个连杆分别固定在二个控制电机输出轴上，二个万向轮分别固定在二个连杆的外端部，二个配重分别固定在二个连杆的中部，二个电动伸缩支架均能向前或向后展开，除了提供二个万向轮支撑的同时，固定在二个连杆上的二个配重均能调节重心向后移动，确保机器人越过障碍时不会向前倾倒。与已有技术相比，本发明通过可变轮径结构动态切换L型轮足的收缩和伸展两种模式下，较好的解决了现有轮式或异形轮式机器人无法同时满足在相对平整硬质地面快速平稳移动和能够穿行复杂砂石地面的问题。

附图说明

图1是本发明的双可变轮径异形轮式机器人俯视结构示意图。

图2是本发明的双可变轮径异形轮式机器人仰视结构示意图。

图3是本发明的四可变轮径异形轮式机器人结构示意图。

图4是本发明中的可变轮径异形轮在轮足收缩、伸展时的结构示意图，图中：(a)轮足收缩状态、(b)轮足伸展状态。

图5是本发明中的控制电路原理框图。

图中：1、可变轮径异形轮，2、电机，3、减速箱，4、上端盖，5、盖板，6、L型轮足，7、防滑垫，8、下端盖，9、圆形支柱，10、下端盖挡板，11、伺服舵机，12、防水导电滑环，13、机器人框架，14、电源，15、控制电路，16、角度传感器，17、电动伸缩支架，18、控制电机，19、连杆，20、万向轮，21、配重，22、摄像头。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图1、2、3、4所示，一种可变轮径异形轮的多轮式全地形机器人，包括双可变轮径异形轮式机器人和四可变轮径异形轮式机器人，所述双可变轮径异形轮式机器人，包括二个可变轮径异形轮1，二个电机2，二个减速箱3，二个摄像头22，机器人框架13，电源14及控制电路15，所述电机2、减速箱3、电源14及控制电路15分别采用螺栓固定在机器人框架13上，可变轮径异形轮1与减速箱3输出轴相连，电机2经减速箱3驱动可变轮径异形轮1旋转；所述每个可变轮径异形轮1设置有多个可收缩、伸展的L型轮足6、多个防滑垫7、一个盖板5、一个上端盖4、一个伺服舵机11、一个下端盖8、多个下端盖挡板10、一个角度传感器16、一个防水导电滑环12；所述L型轮足6受伺服舵机11控制带动上端盖4旋转，并围绕设置在下端盖8中的多个圆形支柱9转动，改变各L型轮足6的足端到可变轮径异形轮1轮心的距离，进而改变可变轮径异形轮1的外接圆直径；当其上端盖4左旋至圆形支柱9处于L型轮足6的U型槽最内侧远离足端和右旋至圆形支柱9处于L型轮足6的U型槽最外侧靠近足端时，分别对应可变径异形轮1外接圆直径的最大和最小状态，这两种状态下的L型轮足6具有自卡紧功能，依靠设置在下端盖8中的多个圆形支柱9及上端盖4固定轴进行限位；另外，所述双可变轮径异形轮式机器人框架13的底部设置有二个电动伸缩支架17，包括二个控制电机18、二个连杆19、二个万向轮20及二个配重21，所述二个控制电机18对称固定在双可变轮径异形轮式机器人框架13的底侧，二个连杆19分别固定在二个控制电机18输出轴上，二个万向轮20分别固定在二个连杆19的外端部，二个配重21分别固定在二个连杆19的中部，二个电动伸缩支架17均能向前或向后展开，除了提供二个万向轮20支撑的同时，固定在二个连杆19上的二个配重21均能调节重心向后移动，确保机器人越过障碍时不会向前倾倒。

所述四可变轮径异形轮式机器人，包括四个可变轮径异形轮1，四个电机2，四个减速箱3，机器人框架13，电源14及控制电路15，所述电机2、减速箱3、电源14及控制电路15分别采用螺栓固定在机器人框架13上，可变轮径异形轮1与减速箱3输出轴相连，电机2经减速箱3驱动可变轮径异形轮1旋转，可变轮径异形轮1在L型轮足6收缩和伸展的状态下，赋予了四可变轮径异形轮式机器人在不同路面环境行进执行任务的能力。

本发明工作过程如下：(1)机器人上电后开始自检，检测电量，收集传感器数据，检查驱动及执行器状态；(2)机器人开启摄像头，运行视频服务器，开启图像处理、传输和通信系统，等待上位机指令；(3)根据上位机指令完成相应动作，包括行进，轮足状态变化，带配重的电动伸缩支架的伸缩等，在自动巡航模式下可以通过机载处理器和传感器完成对周围环境的探索、地图建模、拍照等。

本发明优点在于：基于一种可变径异形轮的多轮式全地形机器人，包括双可变轮径异形轮式机器人和四可变轮径异形轮式机器人，通过异形轮中的L型轮足收缩或伸展的不同状态，改变L型轮足足端到轮心的距离，进而改变异形轮外接圆直径，使之可以获得轮式和异形轮足式机器人两者的优点，轮式移动效率高，抖动小，适合硬质平地，异形轮足式适合软质地面或砂石废墟地等复杂地形，有效提高了机器人的全地形适应能力。同时其特殊的结构可以使L型轮足在完全伸展和收缩的状态下自锁，无需变径伺服舵机提供较大扭矩即可保持相应状态。为适应不同的应用场合需求，四可变轮径异形轮式机器人体积较大，但越障能力强，双可变轮径异形轮式机器人通过增加带配重的可伸缩电动支架，解决异形轮移动时的重心不稳问题，该机器人通过搭载普通摄像头和红外摄像头实时获取相关图像，通过精确测量机器人姿态、速度数据，实时调节左右轮触地时刻，减小颠簸，提高图像稳定性，辅以电子防抖技术，提高图像质量，同时搭载的气体传感器模块可以检测气体环境，保护人员安全。双可变径异形轮机器人在异形轮处于普通车轮(L型轮足收缩)状态且可伸缩支架收缩离地时，便保留了双轮自平衡式的机器人的大部分优点，同时赋予了其通过展开异形轮伸展伸缩支架以获得较强的复杂障碍越过能力。

Claims

1.一种可变轮径异形轮的多轮式全地形机器人，包括双可变轮径异形轮式机器人和四可变轮径异形轮式机器人，所述双可变轮径异形轮式机器人，包括二个可变轮径异形轮，二个电机，二个减速箱，二个摄像头，机器人框架，电源及控制电路，其特征在于：所述电机、减速箱、电源及控制电路分别采用螺栓固定在机器人框架上，可变轮径异形轮与减速箱输出轴相连，电机经减速箱驱动可变轮径异形轮旋转；所述每个可变轮径异形轮设置有多个可收缩、伸展的L型轮足、多个防滑垫、一个盖板、一个上端盖、一个伺服舵机、一个下端盖、多个下端盖挡板、一个角度传感器、一个防水导电滑环；所述L型轮足受伺服舵机控制带动上端盖旋转，并围绕设置在下端盖中的多个圆形支柱转动，改变各L型轮足的足端到可变轮径异形轮轮心的距离，进而改变可变轮径异形轮的外接圆直径；当其上端盖左旋至圆形支柱处于L型轮足U型槽最内侧远离足端和右旋至圆形支柱处于L型轮足U型槽最外侧靠近足端时，分别对应可变径异形轮外接圆直径的最大和最小状态，这两种状态下的L型轮足具有自卡紧功能，依靠设置在下端盖中的多个圆形支柱及上端盖固定轴进行限位；另外，所述双可变轮径异形轮式机器人框架的底部设置有二个电动伸缩支架，包括二个控制电机、二个连杆、二个万向轮及二个配重，所述二个控制电机对称固定在双可变轮径异形轮式机器人框架的底侧，二个连杆分别固定在二个控制电机输出轴上，二个万向轮分别固定在二个连杆的外端部，二个配重分别固定在二个连杆的中部，二个电动伸缩支架均能向前或向后展开，除了提供二个万向轮支撑的同时，固定在二个连杆上的二个配重均能调节重心向后移动，确保机器人越过障碍时不会向前倾倒。

2.根据权利要求1所述一种可变轮径异形轮的多轮式全地形机器人，其特征在于：所述四可变轮径异形轮式机器人，包括四个可变轮径异形轮，四个电机，四个减速箱，机器人框架，电源系统，控制电路及相关传感器，所述电机、减速箱、电源及控制电路分别采用螺栓固定在机器人框架上，可变轮径异形轮与减速箱输出轴相连，电机经减速箱驱动可变轮径异形轮旋转，可变径异形轮在L型轮足收缩和伸展的状态下，赋予了四可变轮径异形轮式机器人在不同路面环境行进执行任务的能力。