CN108058755B - 双三角形悬架轮腿式全地形移动机器人 - Google Patents

双三角形悬架轮腿式全地形移动机器人 Download PDF

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Abstract

本发明提供的双三角形悬架轮腿式全地形移动机器人,包括轮腿机器人本体、设置在轮腿机器人本体上的雷达系统,前后、左右对称设置在轮腿机器人本体上的四个轮腿机器人单腿,每个轮腿机器人单腿包括作动器、连接作动器的三脚架、连接三脚架的阻尼弹簧、连接阻尼弹簧的双横臂悬架、连接双横臂悬架的转向电机、连接转向电机的轮腿、连接轮腿的带有轮毂电机的驱动轮,三脚架的中点连接轮腿机器人本体、两端分别连接作动器和阻尼弹簧,双横臂悬架包括悬架上控制臂和悬架下控制臂,悬架上控制臂和悬架下控制臂的一端与轮腿机器人本体的侧面铰接、另一端与转向电机铰接,阻尼弹簧与悬架上控制臂连接。本发明采用四轮驱动模式能够实现360度各个方向的行驶。

Description

双三角形悬架轮腿式全地形移动机器人
技术领域
本发明涉及一种轮腿式机器人,具体的说是一种具有优良越障、行驶平顺性、主/被动姿态调节功能的双三角形悬架轮腿式全地形移动机器人。
技术背景
随着社会和科技的不断进步,机器人越来越受到人类的关注,轮腿式机器人作为其中的一种,其在军事勘察、深空探索、灾害救援、野外作业等领域的优势越发突出,发展前景不可估量。关于轮腿机器人的移动方式,主要分为两种,即轮式轮腿机器人和腿式轮腿机器人。轮式移动是最常见的一种减小阻力的移动结构,但无法跨越高于车轮直径的障碍。采用腿式移动的轮腿机器人越障能力较强,但能耗较大,且移动速度较慢。在稳定性方面不及轮式移动,而将两者相结合的轮腿混合机构,融合了腿式越障能力强与轮式效率高的特点,成为新型移动轮腿机器人的研究发展方向。
轮腿式机器人不同于传统的机器人,其对越野性、通过性、操控性、平顺性有更高的要求,这其中,悬挂系统起着至关重要的作用。但传统的机器人普遍采用被动悬挂,这远远不能满足人们对轮腿式机器人的需求,这就要求轮腿式机器人需配备主动悬挂。目前市面上主流的主动悬挂系统主要有四种形式:空气悬挂、液压悬挂、电磁悬挂以及电子液力悬挂,但这四种悬挂也仅在汽车上有所应用,在轮腿式机器人领域内几乎没有应用。本发明基于此背景设计一种适合于轮腿式机器人用的双三角型主动悬挂系统。
发明内容
针对上述待解决的技术问题,本发明设计了一种轮腿式全地形轮腿机器人,该机器人克服了现有技术存在的轮式移动越障能力有限、腿式移动效率低、行驶平顺性差的问题。本发明的目的是要提供一种双三角形悬架轮腿式全地形移动机器人,该机器人是一种轮腿式全地形主/被动姿态调整轮腿机器人,具有优良的动力学行驶平顺性,采用四轮驱动模式能够实现360度无死角转向,同时能够实现360度各个方向的行驶,能够实现轮腿机器人的主/被动姿态调整模式的切换。
本发明的目的是这样实现的:一种双三角形悬架轮腿式全地形移动机器人,包括一个轮腿机器人本体、设置在轮腿机器人本体上的雷达系统,前后、左右对称设置在轮腿机器人本体上的四个轮腿机器人单腿,每个轮腿机器人单腿包括作动器、连接作动器的三脚架、连接三脚架的阻尼弹簧、连接阻尼弹簧的双横臂悬架、连接双横臂悬架的转向电机、连接转向电机的轮腿、连接轮腿的带有轮毂电机的驱动轮,三脚架的中点连接轮腿机器人本体、两端分别连接作动器和阻尼弹簧,双横臂悬架包括悬架上控制臂和悬架下控制臂,悬架上控制臂和悬架下控制臂的一端与轮腿机器人本体的侧面铰接、另一端与转向电机铰接,阻尼弹簧与悬架上控制臂连接。
本发明的优点和技术效果:
(1)、本发明涉及的轮腿式机器人双三角型主动悬挂系统弥补了机器人领域普遍采用被动悬挂及无阻尼弹簧主动悬挂的空白。使轮腿式机器人具有优越的越野性、通过性、操控性、平顺性,同时又具备主动调节车身姿态的功能。同时相比传统的主动悬挂系统具有性能稳定,造价低廉,可靠性好的优点。
(2)、本发明将作动器,阻尼弹簧,三角架等结构通过一系列连杆机构巧妙的结合在一起,设计出一种全新的轮腿式机器人用主/被动悬挂系统,兼顾了轮腿式机器人减震与主动调节车身姿态的性能。本发明涉及的轮腿式机器人双三角型主动悬挂系统在机器人领域尚属首创,具有很好的科研、商业价值。
(3)本发明采用四轮驱动模式能够实现360度无死角转向,当纵向行驶方向遇到无法逾越障碍且深陷其中时(例如泥泞路面),可任意切换行驶方向,进而摆脱障碍。
(4)本发明采用轮腿机构,具有适应性强、机动性能好等优点,在军事侦查、资源勘探等领域有得天多厚的优势。
(5)本发明基于学科交叉理念,首次将汽车悬架系统引入到轮腿式全地形轮腿机器人的设计当中,具有很强的现实意义。
(6)本发明能够实现轮腿机器人的主/被动姿态调整模式的切换,当路况不好时,可根据雷达预瞄的路况同步调整作动器工作,实现姿态调整,保证优良行驶平顺性,此时轮腿机器人为主动姿态调整,;当行驶在较好路况时,作动器不工作,利用轮腿机器人本身特有的弹簧阻尼悬架系统即可保证较好的行驶平顺性。此时轮腿机器人为被动姿态调整。
(7)本发明涉及的悬架上控制臂采用三角形结构设计,利用三角形本身固有的稳定特性有效改善了本发明悬架系统的强度。
(8)当作动器工作时,图2所示三脚架能够将作动器的控制力以1:1.5的形式传递到阻尼弹簧,这样设计的优点是在不减少控制力大小的同时即可实现力方向的改变,提高能源利用率。
(9)本发明涉及的轮腿式全地形移动轮腿机器人在主动姿态调整模式下,能够在车身加速度、悬架动行程、轮胎动载荷三项行驶平顺性性能指标上相对被动模式分别提升2.8%、17%、3.5%。
附图说明
图1是本发明整体结构示意图。
图2是本发明图1中轮腿机器人单腿局部放大结构示意图。
图3是本发明双横臂悬架放大图。
具体实施方式
本发明涉及的具体实施方式如下:
由附图1、2、3所示:一种双三角形悬架轮腿式全地形移动机器人,该轮腿机器人包括一个轮腿机器人本体1、设置在轮腿机器人本体1上的雷达系统2,前后、左右对称设置在轮腿机器人本体1上的四个轮腿机器人单腿3,每个所述轮腿机器人单腿3包括作动器3-1、连接作动器3-1的三脚架3-2、连接三脚架3-2阻尼弹簧3-3、连接阻尼弹簧3-3的双横臂悬架3-4、连接双横臂悬架3-4的转向电机3-5、连接转向电机3-5的轮腿3-6、连接轮腿3-6的带有轮毂电机3-7的驱动轮3-8,所述三脚架3-2的上角连接轮腿机器人本体1、两端角分别连接作动器3-1和阻尼弹簧3-3,所述双横臂悬架3-4包括悬架上控制臂3-4-1和悬架下控制臂3-4-2(图3),所述悬架上控制臂3-4-1和悬架下控制臂3-4-2一端与轮腿机器人本体1侧面铰接、另一端与转向电机3-5铰接,所述阻尼弹簧3-3与悬架上控制臂3-4-1连接。
图2所示:所述作动器3-1与轮腿机器人本体1之间通过耳件以铰接的方式连接,作动器3-1与三脚架3-2之间通过铰接的方式连接,三脚架3-2与阻尼弹簧3-3之间通过铰接的方式连接,阻尼弹簧3-3与悬架下控制臂3-4-2之间通过铰接的方式连接,双横臂悬架3-4与轮腿机器人本体1之间通过铰接的方式连接,相应的耳件与部件之间为焊接,雷达系统2与轮腿机器人本体1之间为螺栓连接。
所述轮毂电机3-7构成了轮腿机器人的动力系统,转向电机3-5构成了轮腿机器人的转向系统,驱动轮3-8构成了轮腿机器人的行驶系统,所述电池及控制模块均集成于轮腿机器人本体1当中构成轮腿机器人的电器系统,本发明轮腿机器人带有雷达系统2,具有四轮转向、主/被动姿态调节、四轮驱动等功能。所设计轮腿机器人采用左右、前后对称结构,总体尺寸为1200mm×600mm×600mm,典型的特点是加入了汽车悬架元素,具体结构如图2所示。
本发明采用四轮驱动模式,具体实施方式是在各个驱动轮布置轮毂电机3-7,轮毂电机3-7与车轮采用螺栓连接,轮毂电机3-7与轮腿3-6的连接方式同样为螺栓连接;
四轮转向功能是通过转向电机3-5带动轮腿3-6转动,进而带动驱动轮3-8实现转向,转向电机3-5内置有减速器,保证转向速度不至过快,以提高操纵稳定性,四轮转向能够实现360度无死角转向。
主动姿态调节是通过作动器3-1带动三脚架3-2转动,通过三脚架3-2、阻尼弹簧3-2的二次传递,将控制力传递到悬架下控制臂3-4-2,实现车身姿态的调整。
本发明能够实现轮腿机器人的主/被动姿态调整模式的切换,当路况不好时,可根据雷达系统2预瞄的路况同步调整作动器3-1工作,实现姿态调整,保证优良行驶平顺性,此时轮腿机器人为主动姿态调整,;当行驶在较好路况时,作动器3-1不工作,利用轮腿机器人本身特有的弹簧阻尼悬架系统即可保证较好的行驶平顺性。此时轮腿机器人为被动姿态调整。全车布置四个作动器,可实现俯仰、侧倾范围内多角度的主动姿态调整,实现优良的越障及行驶平顺性。
本发明主被动姿态的调节功能分两种模式。模式一:作动器不参与工作,模式二:作动器参与工作。
模式一的具体工作流程如下:来自地面的冲击经过轮胎3-8传递到轮腿3-6,进而传递到转向电机3-5,地面冲击继续向上传递,经过阻尼弹簧3-4时,冲击会以热能的形式被消耗。在此过程中作动器3-1不工作,此种模式适应于路况较好,车身姿态变化不明显的情况。
模式二的具体工作流程如下:模式一的具体工作流程如下:来自地面的冲击经过轮胎3-8传递到轮腿3-6,进而传递到转向电机3-5,地面冲击继续向上传递,经过阻尼弹簧3-4时,冲击会以热能的形式被消耗。地面冲击被消耗后车身如果发生大角度倾斜,此时传感器将采集到的信号发给ECU,之后ECU将会给作动器3-1发送指令,通过作动器的伸缩以及三角架3-2的旋转来调节阻尼弹簧行程,进而调节悬架动行程,以达到维持车身姿态平衡的目的。
本发明涉及的电池及控制模块均集成于轮腿机器人本体1当中,这不是本发明的研究重点,因此不做详细介绍。

Claims (2)

1.一种双三角形悬架轮腿式全地形移动机器人,其特征在于:该机器人包括一个轮腿机器人本体、设置在轮腿机器人本体上的雷达系统,前后、左右对称设置在轮腿机器人本体上的四个机器人单腿,每个所述机器人单腿包括作动器、连接作动器的三脚架、连接三脚架的阻尼弹簧、连接阻尼弹簧的双横臂悬架、连接双横臂悬架的转向电机、连接转向电机的轮腿、连接轮腿的带有轮毂电机的驱动轮,所述作动器上端与轮腿机器人本体连接,所述三脚架的上角连接轮腿机器人本体、下方两角分别连接作动器的下端和阻尼弹簧,所述双横臂悬架包括悬架上控制臂和悬架下控制臂,所述悬架上控制臂和悬架下控制臂的一端与轮腿机器人本体的侧面铰接、另一端与转向电机铰接,所述阻尼弹簧与悬架上控制臂连接。
2.根据权利要求1所述的双三角形悬架轮腿式全地形移动机器人,其特征在于:所述作动器与轮腿机器人本体之间通过耳件以铰接的方式连接,作动器与三脚架之间通过铰接的方式连接,三脚架与阻尼弹簧之间通过铰接的方式连接,阻尼弹簧与悬架下控制臂之间通过铰接的方式连接,双横臂悬架与轮腿机器人本体之间通过铰接的方式连接,相应的耳件与部件之间为焊接,雷达系统与轮腿机器人本体之间为螺栓连接。
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