CN113306642B - 一种全地形双向越障机器人及其动态变形履带底盘 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种动态变形履带底盘，包括底板、设置于所述底板两侧的履带架、可双向翻转地设置于各所述履带架上的支撑臂，所述履带架的两端均设置有用于驱动履带运转的驱动轮，所述支撑臂的顶端设置有用于套接所述履带的过渡轮，所述支撑臂与所述履带架的连接位置位于所述履带架的长度中心位置，且所述支撑臂的总长大于所述履带架的半长。如此，当支撑臂翻转到行进方向前方时，即可对履带提供前向越障能力，当支撑臂翻转到行进方向后方时，即可对履带提供后向越障能力。因此，本发明所提供的动态变形履带底盘，能够实现越障机器人的双向行进越障操作，提高越障性能和行进效率。本发明还公开一种全地形双向越障机器人，其有益效果如上所述。

Description

一种全地形双向越障机器人及其动态变形履带底盘
技术领域
本发明涉及智能机器人技术领域，特别涉及一种动态变形履带底盘。本发明还涉及一种全地形双向越障机器人。
背景技术
随着农业、军事、商业等多领域的发展，国家、社会对多地形机器人的发展均十分重视。
目前，多地形机器人主要分为蛇形机器人、履带机器人、四足机器人三种。其中，蛇形机器人的成本较高，对复杂地形适应较差。四足机器人的姿态控制程序十分复杂，造价成本也较高。履带机器人由于采用三角形履带，且履带具有变形功能，具有良好的地形适应能力，同时造价成本相对较低，因此成为当前的主流机器人。
传统的履带式越障机器人通常采用前置驱动轮与变形机构相结合，可以通过履带的前端变形进行较复杂的越障操作，但是受限于变形机构在前轮，越障能力仅局限于前向障碍，无法进行前后双向越障操作。而在实际地形中进行越障行进时，往往需要履带机器人在一定区域内进行多个方向上的前后往复运动，若采用现有技术中的履带机器人，则只能在前进方向上进行越障操作，而在需要后退到之前行进过的区域时，只能采用迂回环绕的方式绕开底盘后方的障碍物，无法直接进行后退行进并越障，导致越障性能较弱，双向行进效率较低。
因此，如何实现越障机器人的双向行进越障操作，提高越障性能和行进效率，是本领域技术人员面临的技术问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种动态变形履带底盘，能够实现越障机器人的双向行进越障操作，提高越障性能和行进效率。本发明的另一目的是提供一种全地形双向越障机器人。
为解决上述技术问题，本发明提供一种动态变形履带底盘，包括底板、设置于所述底板两侧的履带架、可双向翻转地设置于各所述履带架上的支撑臂，所述履带架的两端均设置有用于驱动履带运转的驱动轮，所述支撑臂的顶端设置有用于套接所述履带的过渡轮，所述支撑臂与所述履带架的连接位置位于所述履带架的长度中心位置，且所述支撑臂的总长大于所述履带架的半长。
优选地，所述支撑臂的长度与所述履带架的长度相等。
优选地，所述支撑臂的长度为所述履带架的半长的
Figure BDA0003114828030000021
倍。
优选地，所述支撑臂的顶端还设置有伸缩机构，所述过渡轮连接于所述伸缩机构的伸缩端，且所述伸缩机构的伸缩方向为所述支撑臂的长度方向。
优选地，所述伸缩机构为驱动电机，且所述过渡轮连接于所述驱动电机的推杆末端。
优选地，两侧所述履带架之间横向连接有驱动轴，且各所述支撑臂的底端均可旋转地套设于所述驱动轴的两端。
优选地，各所述履带架的长度方向前后两端均设置有用于检测行进方向上的障碍物的爬坡角度的传感器模组，且所述传感器模组与所述驱动轴的驱动部件的控制端信号连接。
优选地，所述传感器模组包括至少两个在所述履带架上沿垂向分布的、用于检测其与障碍物表面的水平距离的距离传感器。
优选地，各所述履带架的长度方向前后两端还均设置有用于检测当前地面的地形情况的图像传感器，且所述图像传感器与所述驱动轴的驱动部件的控制端信号连接。
本发明还提供一种全地形双向越障机器人，包括动态变形履带底盘和设置于其上的车体，其中，所述动态变形履带底盘具体为上述任一项所述的动态变形履带底盘。
本发明所提供的动态变形履带底盘，主要包括底板、履带架、支撑臂、驱动轮和过渡轮。其中，底板为本动态变形履带底盘的主体结构，主要用于安装和容纳其余零部件。履带架设置在底板的(左右)两侧位置，主要用于安装履带，供履带围绕履带架进行循环转动，以实现底板及整个底盘的行进(及转向)运动。支撑臂设置在各个履带架上，并且可在各个履带架上进行双向翻转运动，即朝向底盘的行进方向的前方翻转及朝向底盘的行进方向的后方翻转。驱动轮设置在履带架的前后两端位置，主要用于套接履带，并驱动履带进行转动。过渡轮设置在支撑臂的顶端，主要用于套接履带，由于支撑臂具有一定长度，过渡轮相当于将履带的中间部位顶起一定高度，使得履带整体形成三角形结构。再加上驱动轮固定在履带架的前后两端，而过渡轮可随着支撑臂在履带架上进行双向翻转运动，因此，整条履带处于在不同面积但等同周长的三角形结构之间的动态变化中。重要的是，支撑臂与履带架的连接位置位于履带架的长度中心位置，并且支撑臂的总长大于履带架的半长。如此，当支撑臂在履带架上翻转到一定角度时，总能使履带的前端或后端部分延伸出履带架的端部，并与履带中部水平的部分保持预定夹角，该预定夹角与障碍物的爬坡角度相当，从而可使延伸出的部分履带贴紧障碍物的斜坡面，增大接触面积，对履带的爬坡越障提供导向支撑作用，同时增强在障碍物斜坡面上的推力，提高推进效率。当支撑臂翻转到行进方向前方时，即可对履带提供前向越障能力，当支撑臂翻转到行进方向后方时，即可对履带提供后向越障能力。因此，本发明所提供的动态变形履带底盘，能够实现越障机器人的双向行进越障操作，提高越障性能和行进效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明所提供的一种具体实施方式的整体结构示意图。
图2为履带架的具体结构示意图。
图3为支撑臂的具体结构示意图。
图4为履带在越障爬坡时的变形结构示意图。
图5为履带在越障下坡时的变形结构示意图。
其中，图1—图5中：
底板—1，履带架—2，支撑臂—3，驱动轮—4，过渡轮—5，伸缩机构—6，驱动轴—7，传感器模组—8，图像传感器—9。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参考图1，图1为本发明所提供的一种具体实施方式的整体结构示意图。
在本发明所提供的一种具体实施方式中，动态变形履带底盘主要包括底板1、履带架2、支撑臂3、驱动轮4和过渡轮5。
其中，底板1为本动态变形履带底盘的主体结构，主要用于安装和容纳其余零部件。一般的，该底板1呈矩形形状，且在其两侧设置有侧板。
履带架2设置在底板1的(左右)两侧位置，主要用于安装履带，供履带围绕履带架2进行循环转动，以实现底板1及整个底盘的行进(及转向)运动。一般的，两侧履带架2可分别与底板1两侧的侧板相连，并且，履带架2的长度方向平行于底板1的长度方向。
支撑臂3设置在各个履带架2上，并且可在各个履带架2上进行双向翻转运动，即朝向底盘的行进方向的前方翻转及朝向底盘的行进方向的后方翻转。为保证两侧履带架2上套设的履带能够同步运行及变形，在正常行进时，两侧的支撑臂3进行同步翻转。
驱动轮4设置在履带架2的前后两端位置，主要用于套接履带，并驱动履带进行转动。过渡轮5设置在支撑臂3的顶端，主要用于套接履带，由于支撑臂3具有一定长度，过渡轮5相当于将履带的中间部位顶起一定高度，使得履带整体形成三角形结构。再加上驱动轮4固定在履带架2的前后两端，而过渡轮5可随着支撑臂3在履带架2上进行双向翻转运动，因此，整条履带处于在不同面积但等同周长的三角形结构之间的动态变化中。
重要的是，支撑臂3与履带架2的连接位置位于履带架2的长度中心位置，并且支撑臂3的总长大于履带架2的半长。如此，当支撑臂3在履带架2上翻转到一定角度时，总能使履带的前端或后端部分延伸出履带架2的端部，并与履带中部水平的部分保持预定夹角，该预定夹角与障碍物的爬坡角度相当，从而可使延伸出的部分履带贴紧障碍物的斜坡面，增大接触面积，对履带的爬坡越障提供导向支撑作用，同时增强在障碍物斜坡面上的推力，提高推进效率。当支撑臂3翻转到行进方向前方时，即可对履带提供前向越障能力，当支撑臂3翻转到行进方向后方时，即可对履带提供后向越障能力。
因此，本实施例所提供的动态变形履带底盘，能够实现越障机器人的双向行进越障操作，提高越障性能和行进效率。
如图2所示，图2为履带架2的具体结构示意图。
在关于履带架2的一种优选实施例中，该履带架2具体为片层式结构，包括两块侧板，且两块侧板之间通过双头螺柱等紧固件相连。
在关于支撑臂3的一种优选实施例中，为提高履带在变形时延伸出履带架2端部的部分长度，本实施例中的支撑臂3的长度与履带架2的长度相等，即为履带架2的半长的两倍。如此设置，履带在变形时能够延伸出履带架2端部的长度更长，进而能够使更大面积的履带能够在越障时率先压紧在障碍物的斜面上。
在关于支撑臂3的另一种优选实施例中，考虑到履带在未进行变形时，支撑臂3一般垂直立设在履带架2的表面，为此，本实施例中的支撑臂3的长度为履带架2的半长的
Figure BDA0003114828030000051
倍。如此设置，当履带在未进行变形时，履带将在过渡轮5和两个驱动轮4上套接形成等边三角形结构。
如图3所示，图3为支撑臂3的具体结构示意图。
此外，考虑到履带在进行变形时，可能会由于重力影响导致部分履带未绷紧的现象，针对此，本实施例在支撑臂3的顶端增设有伸缩机构6。具体的，过渡轮5设置在伸缩机构6的伸缩端上，可随着伸缩机构6的伸缩运动而同步直线运动。同时，伸缩机构6的伸缩运动方向为支撑臂3的长度方向，相当于小幅延长或减小支撑臂3的长度。如此，当支撑臂3进行翻转运动以带动履带进行变形时，伸缩机构6也同时进行伸缩运动，以保证履带整体绷紧，进而保证对障碍物斜面的压紧。
一般的，伸缩机构6具体可采用驱动电机，以提供驱动电机的推杆带动过渡轮5进行伸缩运动。当然，伸缩机构6也可以采用液压缸、气缸、直线电机等。
为保证两侧的支撑臂3的翻转运动精确同步，本实施例中增设了驱动轴7。具体的，该驱动轴7连接在两侧履带架2之间，并且驱动轴7的轴向一般垂直于两侧履带架2的长度方向，相当于连接在两侧履带架2之间的横梁。并且，驱动轴7的两端端部分别贯穿至对应侧的履带架2之外，以便于与支撑臂3的底端转动连接。一般的，支撑臂3的底端具体通过销轴等部件与驱动轴7的端部相连。如此设置，当驱动轴7进行旋转时，将同步带动其两端的支撑臂3进行同步翻转运动。
进一步的，为使支撑臂3能够精确地翻转到目标角度，保证履带的外伸部分能够紧密压实在障碍物的斜面上，本实施例中增设了传感器模组8。其中，该传感器模组8设置于在各个履带架2的长度方向的前后两端位置，主要用于检测行进方向的前方与后方的障碍物的爬坡角度，从而将检测到的爬坡角度数据发送给驱动轴7的驱动部件的控制端，使得该控制端根据内置算法计算得出目标角度后控制驱动轴7的翻转角度。
如图4所示，图4为履带在越障爬坡时的变形结构示意图。
具体的，传感器模组8主要包括两个距离传感器，如光电传感器等，并且该两个距离传感器在履带架2上沿垂向方向分布，分别用于检测其自身到障碍物表面斜坡的水平距离。比如，底部的距离传感器检测到自身到障碍物表面斜坡的水平距离为Dm，顶部的距离传感器检测到自身到障碍物表面斜坡的水平距离为Dn，且两个距离传感器之间的垂向间距为H，如此，即可根据几何关系并利用下列公式计算得到障碍物表面斜坡的倾角，亦即爬坡角度θ：
Figure BDA0003114828030000061
在计算出爬坡角度θ后，根据θ角调整支撑臂3的翻转角度，使得履带前端或后端的外伸部分与履带中心的水平部分之间的夹角为θ的补角即可。
当然，距离传感器不仅可以设置两个，还可设置三个或更多，只需保证垂向分布即可，如此计算出的爬坡角度值更加精确。
此外，为防止底盘刚爬上障碍物的斜坡表面时，因履带架2前端的传感器模组8检测到无障碍物导致支撑臂3的翻转角度即复位至初始状态，本实施例在履带架2的后端也设置有传感器模组8，从而只有在前后两端的传感器模组8都检测到无障碍物后或者后端的传感器模组8离障碍物的表面斜坡起始位置存在一定距离后，支撑臂3才开始进行复位翻转运动。
不仅如此，为了提高底盘的多地形适应能力，本实施例还在各履带架2的长度方向的前后两端均设置有图像传感器9，比如OpenMV双目镜头等，以通过图像传感器9实时获取地面的图形，分析辨识地形情况，累积采集当前路面资料，再将图像转成灰白图，通过评估图像中“斑块”数量的方式来评估路面的崎岖程度。一般的，当单位面积中的“斑块”数量≥500时，可以认为当前的路面崎岖不平，超过缓冲系统的缓冲范围，此种情况下履带与路面之间存在较多未贴合处。此时，图像传感器9将分析结果和形成的对应控制指令发送给驱动轴7的驱动部件的控制端，使得驱动轴7旋转至使得支撑臂3呈水平朝向的角度，进而使得履带整体从三角形变形为长圆形结构，以最大化增加履带与地面的贴合面积，从而提高底盘的稳定性和驱动力。
如图5所示，图5为履带在越障下坡时的变形结构示意图。
一般的，支撑臂3的翻转角度理论上为0～360°，通常可大于270°，即从朝向履带架2长度方向一端的位置翻转到朝向履带架2长度方向另一端的位置，达到水平状态，并继续同向翻转，直至大于180°。比如，在履带越障下坡时，支撑臂3就可以翻转到180°～270°之间，以便变形后的履带紧贴在障碍物的下斜坡面上，提高接触面积和下坡稳定性。
本实施例还提供一种全地形双向越障机器人，主要包括动态变形履带底盘和设置在动态变形履带底盘上的车体，其中，该动态变形履带底盘的具体内容与上述相关内容相同，此处不再赘述。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (2)

1.一种动态变形履带底盘，其特征在于，包括底板(1)、设置于所述底板(1)两侧的履带架(2)、可双向翻转地设置于各所述履带架(2)上的支撑臂(3)，所述履带架(2)的两端均设置有用于驱动履带运转的驱动轮(4)，所述支撑臂(3)的顶端设置有用于套接所述履带的过渡轮(5)，所述支撑臂(3)与所述履带架(2)的连接位置位于所述履带架(2)的长度中心位置，且所述支撑臂(3)的总长大于所述履带架(2)的半长；
所述支撑臂(3)的长度与所述履带架(2)的长度相等或为所述履带架(2)的半长的
Figure FDA0003905105440000012
倍；
所述支撑臂(3)的顶端还设置有伸缩机构(6)，所述过渡轮(5)连接于所述伸缩机构(6)的伸缩端，且所述伸缩机构(6)的伸缩方向为所述支撑臂(3)的长度方向；
所述伸缩机构(6)为驱动电机，且所述过渡轮(5)连接于所述驱动电机的推杆末端，以通过所述驱动电机的推杆带动所述过渡轮(5)进行伸缩运动；
两侧所述履带架(2)之间横向连接有驱动轴(7)，且各所述支撑臂(3)的底端均可旋转地套设于所述驱动轴(7)的两端；
各所述履带架(2)的长度方向前后两端均设置有用于检测行进方向上的障碍物的爬坡角度的传感器模组(8)，且所述传感器模组(8)与所述驱动轴(7)的驱动部件的控制端信号连接，仅在前后两端的所述传感器模组(8)均检测到无障碍物后或者后端的所述传感器模组(8)离障碍物的表面斜坡起始位置存在一定距离后，所述支撑臂(3)才开始进行复位翻转运动；
所述传感器模组(8)包括至少两个在所述履带架(2)上沿垂向分布的、用于检测其与障碍物表面的水平距离的距离传感器；其中，底部的所述距离传感器检测到自身到障碍物表面斜坡的水平距离为Dm，顶部的所述距离传感器检测到自身到障碍物表面斜坡的水平距离为Dn，两个所述距离传感器之间的垂向间距为H，并通过公式：
Figure FDA0003905105440000011
计算爬坡角度θ，再根据θ角调整所述支撑臂(3)的翻转角度，使履带前端或后端的外伸部分与履带中心的水平部分之间的夹角为θ的补角；
各所述履带架(2)的长度方向前后两端还均设置有用于检测当前地面的地形情况的图像传感器(9)，且所述图像传感器(9)与所述驱动轴(7)的驱动部件的控制端信号连接，以通过所述图像传感器(9)实时获取地面的图形，分析辨识地形情况，累积采集当前路面资料，再将图像转成灰白图，通过评估图像中斑块数量的方式评估路面的崎岖程度，当路面崎岖不平时，所述图像传感器(9)将分析结果和形成的对应控制指令发送给所述驱动轴(7)的驱动部件的控制端，使得所述驱动轴(7)旋转至使得所述支撑臂(3)呈水平朝向的角度，以使履带整体从三角形变形为长圆形结构。
2.一种全地形双向越障机器人，包括动态变形履带底盘和设置于其上的车体，其特征在于，所述动态变形履带底盘具体为权利要求1所述的动态变形履带底盘。
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