CN1186175C

CN1186175C - 双滚轮式机器人行走装置

Info

Publication number: CN1186175C
Application number: CNB021289328A
Authority: CN
Inventors: 廖启征; 孙汉旭
Original assignee: Beijing University of Posts and Telecommunications
Current assignee: Beijing University of Posts and Telecommunications
Priority date: 2002-08-22
Filing date: 2002-08-22
Publication date: 2005-01-26
Anticipated expiration: 2022-08-22
Also published as: CN1397408A

Abstract

一种双滚轮式机器人行走装置，包括：分别位于该机器人左右两侧的两个滚轮，分别为两个滚轮提供驱动力矩的两个电机，以及传动装置；其特征在于：该两个电机分别设置在机器人的厢体底部的左右两侧，以使该机器人的质心位于该两个滚轮的轴心连线的下方，使该机器人具有稳定性；传动装置包括：两个大齿轮分别与两个滚轮的轴承同轴并固定联接，从而分别与其滚轮固连成一体；两个小齿轮分别固装在两个电机的输出轴上，两个小齿轮各自分别与一个大齿轮相啮合而构成传动链。该装置使用电机驱动两个滚轮转动，使该机器人在运动或静止时都处于稳定平衡状态，越野性好；且有转弯半径小、转向灵活的优点，甚至可以实现转弯半径为零的原地旋转180°进行掉头。

Description

双滚轮式机器人行走装置

技术领域

本发明涉及一种机器人的行走驱动装置，确切地说，涉及一种双滚轮式机器人行走装置，属于非电变量的控制或调节系统中的陆地、水上的运载工具(机器人)的二维行走的控制装置技术领域。

背景技术

目前，经过长期的研究和实践，人类已经开发出两种类型的行走机器人，即用轮子滚动行走的轮式机器人和用足行走的步行式机器人。现在，机器人行走装置主要有轮式、步行式和跳跃式等几种。其中传统的轮式行走装置仍然是最简单、经济和易于控制，因此具有较好的推广应用前景。

最近国外出现了一种两轮电动车，如图1所示，人站在该车上，可以前后开动，并可以灵活地转向拐弯。这种车占地面积小，运动灵活，有希望部分取代自行车，成为道路上或建筑物内部的交通工具。但是这种车的重心位于轮子的上面一段距离，类似一个倒立摆，人与车之间构成不稳定的平衡结构，因此控制系统比较复杂，价格较高；且很难实现人力驱动。

参见图2所示的申请人在2001年5月申请的发明专利《球形机器人的全方位行走机构》(申请号：0118289.X)，该球形机器人的全方位行走机构由球形壳体和位于该球形壳体内的行走机构所组成，该球形机器人的行走移动是依靠球内的两个兼作配重的电机，驱动球内的齿轮传动系转动以及其他物体的运动，改变球体的质心位置，并通过质心的位移变化产生前后、左右移动的驱动力矩，从而带动球滚动。由于其质心可以沿球体的经度和纬度两个方向调节，所以该球形机器人可以沿任意方向滚动。该发明是球形机器人行走机构中较有特色和较有前途的一种方案。但是，该球形机器人的封闭外壳，会妨碍球内驾驶人员的视线；而且，球体的制造对设备、技术和工艺的要求都比较高，使得其成本比较昂贵，限制了该发明专利申请的推广应用。

发明内容

本发明的目的是提供一种双滚轮式机器人的行走装置，该装置不但克服了上述两种机器人行走机构的缺陷，同时兼具其优点，具有重心低、运动灵活平稳、结构简单、制造成本比较低廉等特点。

本发明的目的是这样实现的：一种双滚轮式机器人行走装置，包括有：分别位于该机器人左右两侧的两个滚轮，分别为两个滚轮提供驱动力矩的两个电机，以及传动装置；其特征在于：所述的分别为两个滚轮提供驱动力矩的两个电机分别设置在机器人的厢体底部的左右两侧，以使该机器人的质心位于该两个滚轮的轴心连线的下方，使该机器人具有稳定性；所述的传动装置包括有：两个大齿轮分别与所述的两个轴承同轴并固定联接，从而分别与其滚轮固连成一体；两个小齿轮分别固装在两个电机的输出轴上，两个小齿轮各自分别与一个大齿轮相啮合而构成传动链。

所述的两个滚轮分别通过辐条与其轴承固联成一体，该两个轴承分别承载在各自的转轴上，可以自由转动；该两个转轴分别固装在机器人的厢体的左右两侧，并与厢体固联成一体。

所述的相互啮合的大小齿轮传动链可用链轮传动链或皮带传动链替代之。

所述的为两个滚轮分别提供驱动力矩的两个电机分别固定设置在机器人的厢体左右两侧的侧壁上，该两个电机为步进电机、或减速电机、或力矩电机；此时，需在机器人的厢体底座上设置配重。

所述的两个滚轮分别通过辐条与其转轴固联成一体，该两个转轴分别藉助传动机构-联轴节-与两个电机的输出轴联成一体，与电机一起构成驱动装置。

所述的两个电机为减速电机，分别设置在厢体中部的左右两侧，直接与滚轮轴固连，驱动滚轮转动。

本发明是一种依靠两个滚轮行走的机器人行走装置，是将申请人的《球形机器人的全方位行走装置》的行走机构与图1所示位于该机器人左右两侧的两个滚轮相结合，且该两个滚轮的直径相对中间的机器人要大得多。该机器人的驱动使用电机作为动力源，通过减速装置驱动两个滚轮转动，使该机器人前进、后退或左右转弯。其最大特点是：该装置的质心位于两个行走滚轮中心线的下面，可以使机器人在运动或静止时都处于稳定平衡状态，使得运动平稳、越野性好。由于两个行走滚轮的直径较大，遇到路面起伏时，其颠簸情况要好；对于路面起伏较小时，其前进速度基本不受影响。另外，依靠该两个滚轮差动转向，具有转弯半径小、转向灵活的优点，甚至可以实现转弯半径为零的原地旋转180°进行掉头。与球形机器人相比较，因为本发明没有球形机器人的封闭外壳，不会妨碍人的视线；因此，人在其上操作时的视野要开阔得多，有助于安全驾驶。本发明可以应用于游乐场所或特种机器人、水上机器人等许多场合。

目前本发明存在的主要问题是：其制动性能欠佳，不能够迅速制动，因此其运动速度不宜设计得过高。但是因为它的越野性能好，运动平稳，转向灵活，视野开阔，因此应用于一些特殊场合，具有一定的优势。

附图说明

图1是国外出现的一种两轮电动车结构示意图。

图2是发明专利申请《球形机器人的全方位行走机构》的结构示意图。

图3是本发明双轮式机器人行走装置的工作原理示意图。

图4是本发明双轮式机器人行走装置的一实施例结构示意图。

图5是本发明双轮式机器人行走装置的另一实施例结构示意图。

图6是本发明双轮式机器人行走装置的性能样机结构示意图。

具体实施方式

参见图3所示的本发明的工作原理示意图，本发明是一种双滚轮式机器人行走装置，包括有：分别位于该机器人左右两侧的两个滚轮1、2，分别为两个滚轮提供驱动力矩的两个电机(图中未示)和传动装置(图中未示)；其最大特征是：该机器人的质心位于该两个滚轮1、2的轴心连线的下方，使该机器人具有稳定性。

下面结合本发明的一个实施例具体说明其结构，参见图4，分别位于该机器人厢体15左右两侧的滚轮1、2分别通过辐条与其轴承3、4固联成一体，该两个轴承3、4分别承载在各自的转轴5、6上，可以自由转动。两个转轴5、6则分别固定设置在机器人厢体15左右两侧外壁上，并与厢体15固联成一体。两个大齿轮7、8分别与轴承3、4同轴并固定联接，从而分别与其滚轮固连成一体。两个大齿轮7、8各自分别与一个小齿轮9、10相啮合。两个小齿轮9、10分别固装在两个电机13、14的输出轴11、12上，分别藉助各自的电机13、14的驱动旋转，使得两个小齿轮9、10转动，再分别带动与其啮合的大齿轮7、8和轴承3、4转动，最后驱动两个滚轮1、2转动。

为两个滚轮1、2分别提供驱动力矩的两个电机13、14设置在厢体15底部的左右两侧，该两个滚轮1、2的转向和转速取决于各自的驱动电机13、14的转向和转速。厢体15底部还可以根据需要设置配重16，以便使得该行走装置的综合质心位于滚轮1、2的轴心连线的下方，同时也使厢体15呈竖直下垂方向；除了在加速或减速运动时，厢体15会发生前后摆动外，在匀速前进或后退时，厢体15都能基本保持其竖直方向不变或仅有轻微的摆动。当两个电机13、14同速、同向转动而分别带动左右两侧的滚轮1、2转动时，机器人沿直线前进或后退。当两个电机13、14同速、反向转动而分别带动左右两侧的滚轮1、2转动时，机器人就在原地旋转，且旋转的半径为零。当两个滚轮1、2的转速不同时，机器人将边前进边转弯，或者是边后退边转弯。依据两个电机13、14的转速快慢差异不同，其转弯半径可以为任意值。上述的相互啮合的大小齿轮传动链也可用链轮传动链或皮带传动链替代之。

参见图5所示的本发明另一个实施例的结构示意图，其与图4的主要区别在于为两个滚轮1、2分别提供驱动力矩的两个电机13、14分别通过其法兰直接固定设置在机器人厢体15靠近中部的左右两侧的侧壁上，该两个电机13、14为步进电机、或减速电机、或力矩电机；此时，需在机器人厢体15的底座上设置配重16，以便使它与厢体、电机等部件一起构成的整个装置的综合质心仍然位于滚轮1、2的轴心连线的下方。其与图4的另一区别是两个滚轮1、2分别通过辐条直接与其转轴固联成一体，不再设置轴承，且该两个转轴分别藉助传动机构-联轴节-与两个电机13、14的输出轴联成一体，与电机一起构成驱动装置。当然，也可以将该两个电机13、14的输出轴直接作为滚轮1、2的转轴，省略联轴节。其直行前进、后退与转弯的原理都与图4的装置相同，不再赘述。

本发明已经完成性能样机的研制和试验，其运动性能完全达到设计要求，实现了发明目的。该性能样机如图6所示，基本结构与图4相同。用于承载两个滚轮1、2轴承的转轴和厢体15、两个驱动电机13、14等部件固联在一起，使该装置的质心位于两个滚轮的轴心连线的下方。两个驱动电机13、14的输出轴通过相互啮合的齿轮9、7和10、8带动两个滚轮1、2转动，从而实现各种运动。目前其运动控制是依靠无线遥控(图中未示)实现的，以后可以由厢体15上的人工控制或事先编排好程序，控制其运动。

Claims

1、一种双滚轮式机器人行走装置，包括有：分别位于该机器人左右两侧的两个滚轮，分别为两个滚轮提供驱动力矩的两个电机，以及传动装置；其特征在于：所述的分别为两个滚轮提供驱动力矩的两个电机分别设置在机器人的厢体底部的左右两侧，以使该机器人的质心位于该两个滚轮的轴心连线的下方，使该机器人具有稳定性；所述的传动装置包括有：两个大齿轮分别与所述的两个轴承同轴并固定联接，从而分别与其滚轮固连成一体；两个小齿轮分别固装在两个电机的输出轴上，两个小齿轮各自分别与一个大齿轮相啮合而构成传动链。

2、根据权利要求1所述的双滚轮式机器人行走装置，其特征在于：所述的两个滚轮分别通过辐条与其轴承固联成一体，该两个轴承分别承载在各自的转轴上，可以自由转动；该两个转轴分别固装在机器人的厢体的左右两侧，并与厢体固联成一体。

3、根据权利要求1所述的双滚轮式机器人行走装置，其特征在于：所述的相互啮合的大小齿轮传动链可以用链轮传动链或皮带传动链替代之。

4、根据权利要求1所述的双滚轮式机器人行走装置，其特征在于：所述的为两个滚轮分别提供驱动力矩的两个电机分别固定设置在机器人的厢体左右两侧的侧壁上，该两个电机为步进电机、或减速电机、或力矩电机；此时，需在机器人的厢体底座上设置配重。

5、根据权利要求1所述的双滚轮式机器人行走装置，其特征在于：所述的两个滚轮分别通过辐条与其转轴固联成一体，该两个转轴分别藉助传动机构-联轴节-与两个电机的输出轴联成一体，与电机一起构成驱动装置。

6、根据权利要求1所述的双滚轮式机器人行走装置，其特征在于：所述的两个电机为减速电机，分别设置在厢体中部的左右两侧，直接与滚轮轴固连，驱动滚轮转动。