CN112927596B - 一种单动力可转向移动机器人 - Google Patents

Abstract

一种单动力可转向移动机器人，该机器人以Myard机构为基础，由两个可收缩的变形轮、第一主体支撑杆(8)、第二主体支撑杆(9)和若干连杆及驱动系统构成，其中两个可收缩的变形轮由三类连杆组成，通过对贯通式丝杠直线步进电机(18)的转向及转速控制，能够控制两轮同步变形，使两变形轮不同杆件交替与地面接触，机器人利用整体重心的偏移实现滚动，控制两变形轮变形角度的大小，能够实现直行和转向的功能，此机器人在教育、娱乐、军事等领域将得到很好的应用。

Description

一种单动力可转向移动机器人

技术领域

本发明涉及单动力可转向移动机器人，具体涉及一种以Myard机构为基础的，通过一个驱动电机的正反转驱动机构直行及转向的单动力可转向移动机器人。

背景技术

由于5R Myard机构自由度为1，具有可折展特性，利用这种可折展特性，可以使组合的5R Myard机构具有运动的能力。

中国专利CN109774806B公开了“一种可转向滚动4U机构”，该机构使用两个电机分别通过调整四边形的顶点角度和调整十字形支撑板所在平面的二面角大小进行驱动和控制实现机构的翻滚运动和转弯功能，结构简单，具有一定运动能力。

发明内容

本发明要解决的技术问题：一般来说，移动型机器人(如移动四杆机构)在移动过程中一般不能通过单动力实现直行和转向，运动的机动性较差。

一种单动力可转向移动机器人为空间闭链机构，包括第一长支撑杆、第二长支撑杆、第三长支撑杆、第四长支撑杆、第五长支撑杆、第六长支撑杆、第七长支撑杆、第八长支撑杆、第九长支撑杆、第十长支撑杆、第十一长支撑杆、第十二长支撑杆；第一连接杆、第二连接杆、第三连接杆、第四连接杆、第五连接杆、第六连接杆、第七连接杆、第八连接杆、第九连接杆、第十连接杆、第十一连接杆、第十二连接杆；第一短支撑杆、第二短支撑杆、第三短支撑杆、第四短支撑杆、第五短支撑杆、第六短支撑杆、第七短支撑杆、第八短支撑杆、第九短支撑杆、第十短支撑杆、第十一短支撑杆、第十二短支撑杆；第一主体支撑杆；第二主体支撑杆；第一驱动连杆、第二驱动连杆、第三驱动连杆、第四驱动连杆；第一U形座、第二U形座、第三U形座、第四U形座；贯通式丝杠直线步进电机；第一丝杠连接件、第二丝杠连接件组成；

所述的第一长支撑杆，一端为圆头细杆，另一端为截面为矩形的杆件，在中间处进行适合长度的镂空处理，避免与第二主体支撑杆上凸起杆形成干涉；第二长支撑杆、第三长支撑杆、第四长支撑杆、第五长支撑杆、第六长支撑杆、第七长支撑杆、第八长支撑杆、第九长支撑杆、第十长支撑杆、第十一长支撑杆、第十二长支撑杆与第一长支撑杆的结构和外形尺寸相同；

所述的第一连接杆截面为矩形，一端带有球形洼坑，直径略大于第一短支撑杆一端处球体，另一侧为楔形形状，第二连接杆、第三连接杆、第四连接杆、第五连接杆、第六连接杆、第七连接杆、第八连接杆、第九连接杆、第十连接杆、第十一连接杆、第十二连接杆与第一连接杆的结构和外形尺寸相同；

所述的第一短支撑杆，截面为矩形，一端为球形端点，另一端呈楔形结构，杆件有效长度与第一连接杆相同；第二短支撑杆、第三短支撑杆、第四短支撑杆、第五短支撑杆、第六短支撑杆、第七短支撑杆、第八短支撑杆、第九短支撑杆、第十短支撑杆、第十一短支撑杆、第十二短支撑杆与第一短支撑杆的结构和外形尺寸相同；

所述的第一主体支撑杆，主体为正六棱柱结构，中间开有方形通孔，一侧设置有一定深度的长方形深孔，靠近长方形深孔一侧存在一十二轮辐圆轮结构，轮缘进行圆角处理；

所述的第二主体支撑杆，主体为正六棱柱结构，中间开有方形通孔，一侧有矩形缺口，在靠近缺口处均匀分布六根圆头细杆，其直径小于第一长支撑杆镂空槽宽；

所述的第一驱动连杆截面为矩形，一侧具有豁口，两侧通孔呈平行方位；第二驱动连杆、第三驱动连杆、第四驱动连杆与第一驱动连杆结构外形尺寸相同；

所述的第一U形座，整体呈U形形状，并在两侧设有轴孔；第二U形座、第三U形座、第四U形座与第一U形座结构外形尺寸相同；

所述的第一丝杠连接件，截面为矩形结构，中间设有与丝杠连接的通孔，两边设有正交的通孔；第二丝杠连接件与第一丝杠连接件结构外形尺寸相同；

具体连接方式为：

第一长支撑杆长方体一端与第一主体支撑杆靠近圆轮一端的六棱柱第一条边通过转动副连接，使第一长支撑杆与第一主体支撑杆中心部分对应平面夹角范围为90～180°；

第二长支撑杆、第三长支撑杆、第四长支撑杆、第五长支撑杆、第六长支撑杆按照与第一长支撑杆相同的装配方式依次装配到第一主体支撑杆上；

第七长支撑杆长方体一端与第二主体支撑杆靠近细杆一端的六棱柱第一条边通过转动副连接，使第七长支撑杆与第二主体支撑杆中心部分对应平面夹角范围为0～90°；

第八长支撑杆、第九长支撑杆、第十长支撑杆、第十一长支撑杆、第十二长支撑杆按照与第七长支撑杆相同的装配方式依次装配到第二主体支撑杆上；

第一连接杆带有球形坑洼的一端与第一短支撑杆球体一端通过转动副连接，另一端与第一长支撑杆通过转动副连接，第一短支撑杆另一端与第二长支撑杆通过转动副连接；

第二连接杆、第三连接杆、第四连接杆、第五连接杆、第六连接杆、第七连接杆、第八连接杆、第九连接杆、第十连接杆、第十一连接杆、第十二连接杆按照与第一连接杆相同的装配方式依次装配第二短支撑杆、第三短支撑杆、第四短支撑杆、第五短支撑杆、第六短支撑杆、第七短支撑杆、第八短支撑杆、第九短支撑杆、第十短支撑杆、第十一短支撑杆、第十二短支撑杆和第三长支撑杆、第四长支撑杆、第五长支撑杆、第六长支撑杆、第七长支撑杆、第八长支撑杆、第九长支撑杆、第十长支撑杆、第十一长支撑杆、第十二长支撑杆、第一长支撑杆；

第一主体支撑杆与第二主体支撑杆中心部分采用刚性连接方式；

第三U形座固连在第一长支撑杆长方体杆件边缘一侧，第三驱动连杆与第三U形座形成转动连接，第二丝杠连接件与第三驱动连杆形成转动连接，第二丝杠连接件与贯通式丝杠直线步进电机中丝杠固连在一起，第四驱动连杆与第二丝杠连接件形成转动连接，第四U形座与第四驱动连杆形成转动连接，第四U形座与第四长支撑杆固连在一起；第二主体支撑杆一侧连接方式与相同。

本发明的有益效果：本发明所述的一种单动力可转向移动机器人，通过一个电机正反转可以实现直行和转向功能。该机构结构简单，易于制造和加工。在民用领域，为中小学生提供了对移动机构认识的机会，可用于制作玩具、教学教具，在军用领域，也可进一步设计，改造为军用探测机器人。

附图说明

图1单动力可转向移动机器人装配原理图

图2第一长支撑杆结构图

图3第一连接杆结构图

图4第一短支撑杆结构图

图5第一主体支撑杆结构图

图6第二主体支撑杆结构图

图7第一驱动连杆结构图

图8第一U形座结构图

图9第一丝杠连接件结构图

图10单动力可转向移动机器人前进步态示意图

图11单动力可转向移动机器人后退步态示意图

图12单动力可转向移动机器人右转步态示意图

图13单动力可转向移动机器人左转步态示意图

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，一种单动力可转向移动机器人为空间闭链机构，包括第一长支撑杆1、第二长支撑杆4、第三长支撑杆7、第四长支撑杆36、第五长支撑杆39、第六长支撑杆42、第七长支撑杆12、第八长支撑杆16、第九长支撑杆22、第十长支撑杆27、第十一长支撑杆31、第十二长支撑杆33；第一连接杆2、第二连接杆5、第三连接杆34、第四连接杆37、第五连接杆40、第六连接杆43、第七连接杆13、第八连接杆20、第九连接杆23、第十连接杆28、第十一连接杆30、第十二连接杆10；第一短支撑杆3、第二短支撑杆6、第三短支撑杆35、第四短支撑杆38、第五短支撑杆41、第六短支撑杆44、第七短支撑杆15、第八短支撑杆21、第九短支撑杆26、第十短支撑杆29、第十一短支撑杆32、第十二短支撑杆11；第一主体支撑杆8；第二主体支撑杆9；第一驱动连杆14、第二驱动连杆25、第三驱动连杆45、第四驱动连杆48；第一U形座17、第二U形座24、第三U形座46、第四U形座49；贯通式丝杠直线步进电机18；第一丝杠连接件19、第二丝杠连接件47组成；

如图2所示，所述的第一长支撑杆1，一端为圆头细杆，另一端为截面为矩形的杆件，在中间处进行适合长度的镂空处理，避免与第二主体支撑杆9上凸起杆形成干涉；第二长支撑杆4、第三长支撑杆7、第四长支撑杆36、第五长支撑杆39、第六长支撑杆42、第七长支撑杆12、第八长支撑杆16、第九长支撑杆22、第十长支撑杆27、第十一长支撑杆31、第十二长支撑杆33与第一长支撑杆1的结构和外形尺寸相同；

如图3所示，所述的第一连接杆2截面为矩形，一端带有球形洼坑，直径略大于第一短支撑杆3一端处球体，另一侧为楔形形状，第二连接杆5、第三连接杆34、第四连接杆37、第五连接杆40、第六连接杆43、第七连接杆13、第八连接杆20、第九连接杆23、第十连接杆28、第十一连接杆30、第十二连接杆10与第一连接杆2的结构和外形尺寸相同；

如图4所示，所述的第一短支撑杆3，截面为矩形，一端为球形端点，另一端呈楔形结构，杆件有效长度与第一连接杆2相同；第二短支撑杆6、第三短支撑杆35、第四短支撑杆38、第五短支撑杆41、第六短支撑杆44、第七短支撑杆15、第八短支撑杆21、第九短支撑杆26、第十短支撑杆29、第十一短支撑杆32、第十二短支撑杆11与第一短支撑杆3的结构和外形尺寸相同；

如图5所示，所述的第一主体支撑杆8，主体为正六棱柱结构，中间开有方形通孔，一侧设置有一定深度的长方形深孔，靠近长方形深孔一侧存在一十二轮辐圆轮结构，轮缘进行圆角处理；

如图6所示，所述的第二主体支撑杆9，主体为正六棱柱结构，中间开有方形通孔，一侧有矩形缺口，在靠近缺口处均匀分布六根圆头细杆，其直径小于第一长支撑杆1镂空槽宽；

如图7所示，所述的第一驱动连杆14截面为矩形，一侧具有豁口，两侧通孔呈平行方位；第二驱动连杆25、第三驱动连杆46、第四驱动连杆48与第一驱动连杆14结构外形尺寸相同；

如图8所示，所述的第一U形座17，整体呈U形形状，并在两侧设有轴孔；第二U形座24、第三U形座45、第四U形座49与第一U形座17结构外形尺寸相同；

如图9所示，所述的第一丝杠连接件19，截面为矩形结构，中间设有与丝杠连接的通孔，两边设有正交的通孔；第二丝杠连接件47与第一丝杠连接件19结构外形尺寸相同；

具体连接方式为：

第一长支撑杆1长方体一端与第一主体支撑杆8靠近圆轮一端的六棱柱第一条边通过转动副连接，使第一长支撑杆1与第一主体支撑杆8中心部分对应平面夹角范围为90～180°；

第二长支撑杆4、第三长支撑杆7、第四长支撑杆36、第五长支撑杆39、第六长支撑杆42按照与第一长支撑杆1相同的装配方式依次装配到第一主体支撑杆8上；

第七长支撑杆12长方体一端与第二主体支撑杆9靠近细杆一端的六棱柱第一条边通过转动副连接，使第七长支撑杆12与第二主体支撑杆9中心部分对应平面夹角范围为0～90°；

第八长支撑杆16、第九长支撑杆22、第十长支撑杆27、第十一长支撑杆31、第十二长支撑杆33按照与第七长支撑杆12相同的装配方式依次装配到第二主体支撑杆9上；

第一连接杆2带有球形坑洼的一端与第一短支撑杆3球体一端通过转动副连接，另一端与第一长支撑杆1通过转动副连接，第一短支撑杆3另一端与第二长支撑杆4通过转动副连接；

第二连接杆5、第三连接杆34、第四连接杆37、第五连接杆40、第六连接杆43、第七连接杆13、第八连接杆20、第九连接杆23、第十连接杆28、第十一连接杆30、第十二连接杆10按照与第一连接杆2相同的装配方式依次装配第二短支撑杆6、第三短支撑杆35、第四短支撑杆38、第五短支撑杆41、第六短支撑杆44、第七短支撑杆15、第八短支撑杆21、第九短支撑杆26、第十短支撑杆29、第十一短支撑杆32、第十二短支撑杆11和第三长支撑杆7、第四长支撑杆36、第五长支撑杆39、第六长支撑杆42、第七长支撑杆12、第八长支撑杆16、第九长支撑杆22、第十长支撑杆27、第十一长支撑杆31、第十二长支撑杆33、第一长支撑杆1；

第一主体支撑杆8与第二主体支撑杆9中心部分采用刚性连接方式；

第三U形座45固连在第一长支撑杆1长方体杆件边缘一侧，第三驱动连杆46与第三U形座45形成转动连接，第二丝杠连接件47与第三驱动连杆46形成转动连接，第二丝杠连接件47与贯通式丝杠直线步进电机18中丝杠固连在一起，第四驱动连杆48与第二丝杠连接件47形成转动连接，第四U形座49与第四驱动连杆48形成转动连接，第四U形座49与第四长支撑杆36固连在一起；第二主体支撑杆9一侧连接方式与相同。

具体的使用方法：

单动力可转向移动机器人可以实现直行步态，可分为前进和后退。在前进状态下，如图10，利用贯通式丝杠直线步进电机18驱动即可完成，首先单动力可转向移动机器人处于如图10a所示的直行前进步态的起始位姿，各长支撑杆平面与第一主体支撑杆8和第二主体支撑杆9中心部分对应平面夹角呈90°；当要直行前进的时候，两边会各有一长支撑杆和以短支撑杆球体接触地面，形成四边形支撑面，机构质心处于支撑面内部，驱动电机带动两轮同时收缩，两侧的触地点会均变为短支撑杆，驱动反转，长支撑杆又会触地，实现周期性运动，机构实现前进功能；当驱动控制机构展开的速度合适时，短支撑杆和长支撑杆的支撑位置可与前进状态相反，进而可以实现后退功能，如图11。

单动力可转向移动机器人可以实现转向步态，可分为左转和右转。在右转状态下，利用贯通式丝杠直线步进电机18驱动即可完成，首先单动力可转向移动机器人处于如图12a所示的右转步态的起始位姿，各长支撑杆平面与第一主体支撑杆8和第二主体支撑杆9中心部分对应平面夹角呈90°；当要右转的时候，驱动带动两边轮收缩，靠近圆轮一侧的的长支撑杆和短支撑杆将不再触地，十二轮辐圆轮触地，另一侧在驱动的作用下短支撑杆和圆头细杆交替接触地面，提供运动的动力，由于圆头细杆和短支撑杆形成的周长小于圆轮，因此整体机构会围绕着圆头细杆一侧转向，因此前进可实现右转，如图12，机构后退后再直行能实现左转，如图13。

Claims (3)

1.一种单动力可转向移动机器人，其特征在于：单动力可转向移动机器人为空间闭链机构，包括第一长支撑杆(1)、第二长支撑杆(4)、第三长支撑杆(7)、第四长支撑杆(36)、第五长支撑杆(39)、第六长支撑杆(42)、第七长支撑杆(12)、第八长支撑杆(16)、第九长支撑杆(22)、第十长支撑杆(27)、第十一长支撑杆(31)、第十二长支撑杆(33)；第一连接杆(2)、第二连接杆(5)、第三连接杆(34)、第四连接杆(37)、第五连接杆(40)、第六连接杆(43)、第七连接杆(13)、第八连接杆(20)、第九连接杆(23)、第十连接杆(28)、第十一连接杆(30)、第十二连接杆(10)；第一短支撑杆(3)、第二短支撑杆(6)、第三短支撑杆(35)、第四短支撑杆(38)、第五短支撑杆(41)、第六短支撑杆(44)、第七短支撑杆(15)、第八短支撑杆(21)、第九短支撑杆(26)、第十短支撑杆(29)、第十一短支撑杆(32)、第十二短支撑杆(11)；第一主体支撑杆(8)；第二主体支撑杆(9)；第一驱动连杆(14)、第二驱动连杆(25)、第三驱动连杆(46)、第四驱动连杆(48)；第一U形座(17)、第二U形座(24)、第三U形座(45)、第四U形座(49)；贯通式丝杠直线步进电机(18)；第一丝杠连接件(19)、第二丝杠连接件(47)组成；

所述的第一长支撑杆(1)，一端为圆头细杆，另一端为截面为矩形的杆件，在中间处进行适合长度的镂空处理，避免与第二主体支撑杆(9)上凸起杆形成干涉；第二长支撑杆(4)、第三长支撑杆(7)、第四长支撑杆(36)、第五长支撑杆(39)、第六长支撑杆(42)、第七长支撑杆(12)、第八长支撑杆(16)、第九长支撑杆(22)、第十长支撑杆(27)、第十一长支撑杆(31)、第十二长支撑杆(33)与第一长支撑杆(1)的结构和外形尺寸相同；

所述的第一连接杆(2)截面为矩形，一端带有球形洼坑，直径略大于第一短支撑杆(3)一端处球体，另一侧为楔形形状，第二连接杆(5)、第三连接杆(34)、第四连接杆(37)、第五连接杆(40)、第六连接杆(43)、第七连接杆(13)、第八连接杆(20)、第九连接杆(23)、第十连接杆(28)、第十一连接杆(30)、第十二连接杆(10)与第一连接杆(2)的结构和外形尺寸相同；

所述的第一短支撑杆(3)，截面为矩形，一端为球形端点，另一端呈楔形结构，杆件有效长度与第一连接杆(2)相同；第二短支撑杆(6)、第三短支撑杆(35)、第四短支撑杆(38)、第五短支撑杆(41)、第六短支撑杆(44)、第七短支撑杆(15)、第八短支撑杆(21)、第九短支撑杆(26)、第十短支撑杆(29)、第十一短支撑杆(32)、第十二短支撑杆(11)与第一短支撑杆(3)的结构和外形尺寸相同；

所述的第一主体支撑杆(8)，主体为正六棱柱结构，中间开有方形通孔，一侧设置有一定深度的长方形深孔，靠近长方形深孔一侧存在一十二轮辐圆轮结构，轮缘进行圆角处理；

所述的第二主体支撑杆(9)，主体为正六棱柱结构，中间开有方形通孔，一侧有矩形缺口，在靠近缺口处均匀分布六根圆头细杆，其直径小于第一长支撑杆(1)镂空槽宽；

所述的第一驱动连杆(14)截面为矩形，一侧具有豁口，两侧通孔呈平行方位；第二驱动连杆(25)、第三驱动连杆(46)、第四驱动连杆(48)与第一驱动连杆(14)结构外形尺寸相同；

所述的第一U形座(17)，整体呈U形形状，并在两侧设有轴孔；第二U形座(24)、第三U形座(45)、第四U形座(49)与第一U形座(17)结构外形尺寸相同；

所述的第一丝杠连接件(19)，截面为矩形结构，中间设有与丝杠连接的通孔，两边设有正交的通孔；第二丝杠连接件(47)与第一丝杠连接件(19)结构外形尺寸相同；

具体连接方式为：

第一长支撑杆(1)长方体一端与第一主体支撑杆(8)靠近圆轮一端的六棱柱第一条边通过转动副连接，使第一长支撑杆(1)与第一主体支撑杆(8)中心部分对应平面夹角范围为90～180°；

第二长支撑杆(4)、第三长支撑杆(7)、第四长支撑杆(36)、第五长支撑杆(39)、第六长支撑杆(42)按照与第一长支撑杆(1)相同的装配方式依次装配到第一主体支撑杆(8)上；

第七长支撑杆(12)长方体一端与第二主体支撑杆(9)靠近细杆一端的六棱柱第一条边通过转动副连接，使第七长支撑杆(12)与第二主体支撑杆(9)中心部分对应平面夹角范围为0～90°；

第八长支撑杆(16)、第九长支撑杆(22)、第十长支撑杆(27)、第十一长支撑杆(31)、第十二长支撑杆(33)按照与第七长支撑杆(12)相同的装配方式依次装配到第二主体支撑杆(9)上；

第一连接杆(2)带有球形坑洼的一端与第一短支撑杆(3)球体一端通过转动副连接，另一端与第一长支撑杆(1)通过转动副连接，第一短支撑杆(3)另一端与第二长支撑杆(4)通过转动副连接；

第二连接杆(5)、第三连接杆(34)、第四连接杆(37)、第五连接杆(40)、第六连接杆(43)、第七连接杆(13)、第八连接杆(20)、第九连接杆(23)、第十连接杆(28)、第十一连接杆(30)、第十二连接杆(10)按照与第一连接杆(2)相同的装配方式依次装配第二短支撑杆(6)、第三短支撑杆(35)、第四短支撑杆(38)、第五短支撑杆(41)、第六短支撑杆(44)、第七短支撑杆(15)、第八短支撑杆(21)、第九短支撑杆(26)、第十短支撑杆(29)、第十一短支撑杆(32)、第十二短支撑杆(11)和第三长支撑杆(7)、第四长支撑杆(36)、第五长支撑杆(39)、第六长支撑杆(42)、第七长支撑杆(12)、第八长支撑杆(16)、第九长支撑杆(22)、第十长支撑杆(27)、第十一长支撑杆(31)、第十二长支撑杆(33)、第一长支撑杆(1)；

第一主体支撑杆(8)与第二主体支撑杆(9)中心部分采用刚性连接方式；

第三U形座(45)固连在第一长支撑杆(1)长方体杆件边缘一侧，第三驱动连杆(46)与第三U形座(45)形成转动连接，第二丝杠连接件(47)与第三驱动连杆(46)形成转动连接，第二丝杠连接件(47)与贯通式丝杠直线步进电机(18)中丝杠固连在一起，第四驱动连杆(48)与第二丝杠连接件(47)形成转动连接，第四U形座(49)与第四驱动连杆(48)形成转动连接，第四U形座(49)与第四长支撑杆(36)固连在一起；第二主体支撑杆(9)一侧连接方式与相同。

2.如权利要求1所述的单动力可转向移动机器人，其特征在于：第一长支撑杆(1)、第二长支撑杆(4)、第三长支撑杆(7)、第四长支撑杆(36)、第五长支撑杆(39)、第六长支撑杆(42)、第七长支撑杆(12)、第八长支撑杆(16)、第九长支撑杆(22)、第十长支撑杆(27)、第十一长支撑杆(31)、第十二长支撑杆(33)与第一短支撑杆(3)、第二短支撑杆(6)、第三短支撑杆(35)、第四短支撑杆(38)、第五短支撑杆(41)、第六短支撑杆(44)、第七短支撑杆(15)、第八短支撑杆(21)、第九短支撑杆(26)、第十短支撑杆(29)、第十一短支撑杆(32)、第十二短支撑杆(11)依次交替接触地面，依靠质心的变化实现前行和后退；第一短支撑杆(3)、第二短支撑杆(6)、第三短支撑杆(35)、第四短支撑杆(38)、第五短支撑杆(41)、第六短支撑杆(44)、第七短支撑杆(15)、第八短支撑杆(21)、第九短支撑杆(26)、第十短支撑杆(29)、第十一短支撑杆(32)、第十二短支撑杆(11)与第二主体支撑杆(9)上六根圆头细杆交替接触地面，圆头细杆和短支撑杆形成的等效周长小于第一主体支撑杆(8)上十二轮辐圆轮周长，实现转向功能。

3.如权利要求1所述的单动力可转向移动机器人，其特征在于：其驱动电机应采用贯通式丝杠直线步进电机。

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