CN1123429C - 翻滚型轮腿式移动机器人 - Google Patents
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Abstract
一种翻滚型轮腿式移动机器人，由两个机器人单元组成，每个机器人单元中，由管道连接而成的机体上固定空心探测球和两组伸缩腿，每组3条伸缩腿互成120°呈星形分布在同一个平面内，伸缩腿的末端连接球形轮，机体外圆柱面上布置圆柱形太阳能电池板，两个机器人单元通过位于机体纵轴线上的连接轴和3个相互平行的伸缩部件相连。本发明具有压缩和展开两种模式，有主动翻滚和很强的系统重构能力，容积可进行扩展，更能适合星球探测的要求。
Description
本发明涉及一种轮腿式移动机器人，尤其涉及一种适用于星球探测的翻滚型轮腿式移动机器人，属于移动机器人技术领域。
现代科学的发展对机器人的要求越来越高，尤其是对于星球探测机器人，要求具备以下性能：(1)能跨越大于轮子直径的壕沟和高于轮子半径的台阶；(2)机器人陷入软土壤中时，能自动脱离软土壤区，恢复正常的行驶能力；(3)整机的可密封性和可压缩性良好；(4)克服倾翻对机器人行驶能力的不良影响；(5)行驶的高速高效性；(6)容积可进行扩充是星球探测等领域移动机器人运动系统所应具备的重要性能。
自20世纪60年代以来，国内外已经研制出了轮式、腿式、轮腿式、履带式和其它特殊形式的移动机器人。这些机器人大都仅仅适应某一种特殊环境，通用性不强。其中轮式移动机器人具有高速高效的性能，但越过壕沟、台阶的能力较低。腿式移动机器人地形适应能力强，能越过大的壕沟和台阶，其缺点是速度和效率均比较低。履带式移动机器人地形适应能力很强，动载荷小，设计紧凑，其缺点是重量大，能耗大。轮腿式移动机器人融合了腿式移动机构的地形适应能力和轮式移动机构的高速高效性能，其缺点是结构相对复杂一些。JPL(美国喷气推进实验室)的Go-For机器人(Sreenivasan S.V.，Wilcox B.H.，Stability and Traction Control of an Actively Actuated Micro-rover，Journal ofRobotic Systems，11(6)，1994：487～502.)是一种典型的轮腿式移动机器人。Go-For机器人长0.4米，高0.4米，重3.5千克。Go-For机器人有4条轮腿，轮子装在腿的末端。不过它的腿不是做直线运动，而是绕连在机体上的枢轴做回转运动。通过旋转前后腿的角度，Go-For机器人可以改变质量的分布，在翻倒时，可自己站立起来。但它不能跨越大于轮子直径的壕沟和高于轮子半径的台阶；不具备翻滚能力，机器人陷入软土壤中时，不能自动脱离软土壤区，恢复正常的行驶能力；容积没有可扩充性。
本发明的目的在于针对现有技术的上述不足，设计提供一种新型的翻滚型轮腿式移动机器人，使之具有主动翻滚能力和较高的越障能力，增强行驶可靠性和综合性能，更适合星球探测的要求。
为了实现这样的目的，本发明在技术方案中，设计的翻滚型轮腿式移动机器人由两个机器人单元组成，每个机器人单元由管道连接而成的机体、圆柱形太阳能电池板、6条可独立运动的伸缩轮腿和1个空心的探测球组成。机器人的6条伸缩腿分为两组，每一组有3条伸缩腿，分布在同一个平面内，呈星形分布，3条伸缩腿互成120°。
每一个机器人单元的各元部件的连接关系如下：球形轮连接在伸缩腿的末端，伸缩腿利用可拆卸连接固定在机体上。机体由若干段管道连接而成。探测球利用可拆卸连接固定在机体上。若利用太阳能电池板作为机器人能量的来源，则将太阳能电池板布置在机体的外圆柱面上。两个机器人单元通过1根位于机体纵轴线上的连接轴和3个相互平行的伸缩部件相连。每个伸缩部件由钢丝绳、普通螺旋弹簧和电机组成。机体管道和探测球里可配置若干仪器设备。伸缩腿就象自动伞一样是分段的，可以伸缩。它的伸缩机构主要由钢丝绳、普通螺旋弹簧和电机组成。
为更好地理解本发明的技术方案，以下结合附图作进一步详细描述。
图1为本发明的结构示意图。
图中所示的是在展开模式下的翻滚型轮腿式移动机器人。如图所示，本发明由两个机器人单元组成，每个机器人单元中，由管道连接而成的机体4上固定一个空心的探测球1和两组伸缩腿2，每组的3条伸缩腿2互成120°，呈星形分布在同一个平面内，每条伸缩腿2的末端连接球形轮3，机体4的外圆柱面上布置圆柱形太阳能电池板5。两个机器人单元通过位于机体4纵轴线上的连接轴7和3个相互平行的伸缩部件6相连。
每个伸缩部件6由钢丝绳、普通螺旋弹簧和电机组成。管道机体4内和空心探测球1内可配置若干仪器设备。伸缩腿2是分段式的，其伸缩机构主要由钢丝绳、普通螺旋弹簧和电机组成。钢丝绳一端固定在伸缩腿上，另一端穿过弹簧固定在由卷扬电机驱动的旋转轴上。旋转轴安装在机器人机体上。弹簧一端固定在伸缩腿上，另一端固定在机器人机体上。
图2为本发明在存储模式下的结构示意图。
图中所示的是在存储模式下的翻滚型轮腿式移动机器人。如图所示，两个机器人单元通过位于机体4纵轴线上的连接轴7和3个相互平行的伸缩部件6相连。每个机器人单元中，由管道连接而成的机体4上固定一个空心的探测球1和两组6条伸缩腿2，每条伸缩腿2的末端连接球形轮3，机体4的外圆柱面上布置圆柱形太阳能电池板5。图中，机器人的伸缩腿2和两个机器人单元之间的伸缩部件6均处在收缩状态，整个机器人置于存储容器8中。
图3为本发明在存储模式下结构的左视图。
图中可见，机体4上固定空心探测球1和两组伸缩腿2，每组的3条伸缩腿2互成120°，呈星形分布在同一个平面内，每条伸缩腿2的末端连接球形轮3，机体4的外圆柱面上布置圆柱形太阳能电池板5。整个机器人置于存储容器8中。
本发明的翻滚型轮腿式移动机器人有如下特点：
(1)具有压缩和展开两种模式，既便于机器人的运输，又能保证机器人在地面上行驶时有较大的车底净高。机器人从压缩模式到展开模式的扩展是通过它的伸缩腿的伸长实现的；
(2)在结构上综合考虑机器人在管道内和地面上运动的要求，使机器人集成了管道机器人和地面轮式自主移动机器人的越障功能和移动能力，具备管内和地面行驶的双重功能；
(3)机器人在结构上的最大特点是采用轮腿和管道结构。车轮呈球形，腿可以伸缩。机器人的大多数零部件采用圆筒结构，不采用长方体结构，因为圆筒结构在许多方面都优于长方体结构，例如：通过增加管道，可很方便地进行容积和探测功能的扩展；
(4)具有翻滚能力，机器人在倾翻后或当车轮陷入软土壤中时，机器人能自动恢复正常的行驶能力。
翻滚型轮腿式移动机器人的车轮呈星形分布。这种空间对称结构使得机器人即使翻倒在地，也能保持行驶能力不降低。这大大提高了机器人的可靠性。在此以前研制的星球探测机器人，如JPL研制的Go-For机器人，大都通过采用自动复位机构使机器人在翻倒之后重新获得行驶能力。自动复位机构的缺点是控制复杂，能耗大，需要一定的自动复位时间。这些缺点在能源有限、有明显的通信时延现象的星球探测机器人应用中是不希望出现的。
翻滚型轮腿式移动机器人利用车轮速度传感器检测出车轮转速，若车轮转速在设定的时间段内持续达到车轮的空载转速，则可断定此车轮已离开地面，可取消对它的驱动，以节省能量。与机器人纵轴共面的车轮组有三个，每组有4个车轮。根据某一组中的4个车轮是否全部离开了地面可判断机器人是否发生了侧翻以及向左侧翻还是向右侧翻。
机器人还具有主动翻滚的能力。当机器人的车轮陷入软土壤中时，机器人通过主动翻滚运动能自动恢复正常的行驶能力。
下面详细说明一下两个机器人单元相似位置处轮腿的动作相同的情况下，机器人完成翻滚运动的过程。当车轮陷入软土壤中后，一个机器人单元的右/左侧2条轮腿之一收缩(此时，一个机器人单元还有3条轮腿着地，可保证机器人能稳定地站立在地面上。这也是一个机器人单元采用4轮着地结构的原因)，接下来同一侧的另一条轮腿收缩，此时机器人处于向右/左倾斜状态，然后左/右侧2条轮腿重复右/左侧2条轮腿的动作，接下来右/左侧2条轮腿突然同时伸长，使机器人向左/右倾翻，此时原先悬在空中的车轮着地，然后右(倾翻前为左侧车轮)/左侧(倾翻前为右侧车轮)2条轮腿同时伸长，使机器人转到直立姿态，此时机器人的翻滚运动结束。
机器人在硬的地面上完成翻滚运动的动作大多数与上述动作相同，不同之处在于：在硬的地面上时，机器人从初始状态到各接地轮腿完全收缩转换的实现过程是通过所有接地轮腿均同时收缩实现的，而不是上述的左右两侧轮腿依次收缩实现的。
(5)两分体连同轮腿的结构形式使机器人能越过宽度小于相邻车轮组之间距离最小值的壕沟和高度小于1/3腿长的台阶；
(6)通过控制各条轮腿进行不同程度的伸缩，机器人爬坡时能保持机体处于水平状态；
(7)采用冗余设计技术，机器人行驶系统具有很强的系统重构能力。机器人在某些驱动部件出故障后，仍然能返回出发点附近，例如：若底盘中任意1个车轮出故障，剩下7个驱动轮，可保证机器人能继续行走；若机器人前车架前面两个驱动轮出故障，剩下6个驱动轮仍然可保证机器人能继续行走；当左侧或右侧的接地车轮全部失效时，机器人通过翻滚运动可将失效一侧的车轮悬空，原先悬空的车轮触地，重新组成一个8轮底盘，机器人又可正常运动，等等。
Claims (3)
1、一种翻滚型轮腿式移动机器人，其特征在于由两个机器人单元组成，每个机器人单元中，由管道连接而成的机体(4)上固定一个空心探测球(1)和两组伸缩腿(2)，每组的3条伸缩腿(2)互成120°，呈星形分布在同一个平面内，每条伸缩腿(2)的末端连接球形轮(3)，机体(4)的外圆柱面上布置圆柱形太阳能电池板(5)，两个机器人单元通过位于机体(4)纵轴线上的连接轴(7)和3个相互平行的伸缩部件(6)相连。
2、如权利要求1所说的翻滚型轮腿式移动机器人，其特征在于每条伸缩腿(2)的伸缩机构及每个伸缩部件(6)均由钢丝绳、普通螺旋弹簧和电机组成。
3、如权利要求1所说的翻滚型轮腿式移动机器人，其特征在于在机体(4)的管道内和空心探测球(1)中配置仪器设备。
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