CN200985053Y - 基于群体作业的轮腿弹跳复合式移动机器人 - Google Patents

基于群体作业的轮腿弹跳复合式移动机器人 Download PDF

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程佳
富晓杰
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Abstract

本实用新型公开了一种基于群体作业的轮腿弹跳复合式移动机器人。采用了主体为四轮车体，复合前后俩摆动轮腿且弹跳机构的结构形式。该机器人机构融合轮式机构和腿式机构的优点，并且可以根据不同的地形条件变换运动模式。本实用新型的机器人由于采用了前后摆动轮腿，不但增加了越障能力，而且借助于后摆动轮腿，当机器人倾覆时能实现自复位功能，本实用新型中机器人底部安装的弹跳机构突破了一般地面移动机器人的限制，实现了飞跃越障功能，安装CCD摄像头的云台安装在可升降的观测台中，大大增加了机器人的视野，由于以上特点，本实用新型在野外自然环境下具备很高的环境适应性和越障能力。

Description

基于群体作业的轮腿弹跳复合式移动机器人
技术领域
本实用新型涉及机器人技术，尤其是涉及一种基于群体作业的轮腿弹跳复合式移动机器人。
背景技术
移动机器人自从五十年代初美国Barrett Electronicsgs公司研制出世界第一台自动引导车辆系统起，作为机器人学中的一个重要分支，在家庭服务、娱乐、科学考察、星际探索、军事武器、反恐防暴、公共安全等危险与恶劣环境中有着广阔的应用前景。
目前，在移动机器人的运动机构中，普遍采用轮式、履带式和腿式机构，轮式机器人具有结构简单、速度高和能耗低的优点，但是不适合于跨越像沟壑、台阶、楼梯等障碍，越障能力差；履带式机器人在松软、不平坦地形等自然环境中有着较高的穿越能力和良好的环境适应性，但存在摩擦阻力较大、能耗很高的缺点；腿式机器人具有较高的机动性，容易适应各种复杂地面环境，但机构与控制较为复杂。另外，相对于采用以上三种运动方式的移动机器人，弹跳机器人可以轻而易举地跃过与自身尺寸大小相当的障碍物或沟壑，甚至可以跃过数倍于自身尺寸的障碍物，因此更适合复杂和不可预测的环境。
发明内容
由于上述各种移动机器人机构的长处与不足，本实用新型的目的在于提供一种基于群体作业的轮腿弹跳复合式移动机器人，使之具有结构简单，活动灵活的特点，能适应各种复杂地形，能实现自复位功能和跳跃功能。
为实现这样的目的，本实用新型采用的技术方案是：
采用了主体为四轮车体，复合前后俩摆动轮腿且弹跳机构的结构形式。具体是在装有激光测距仪、声音传感器、加速度传感器和陀螺仪的车体上安装4个驱动轮，两个后车轮分别由装有第一、第二传感器的两个车轮驱动电机驱动，车轮驱动电机分别通过同步带与两个前车轮转动连接，驱动车体前方安装一个前摆动轮腿，其由装有第三传感器的前摆动轮腿驱动电机驱动，后方安装一个后摆动轮腿，其由装有第四传感器的后摆动轮腿驱动电机驱动，两个摆动轮腿能绕其所安装的轴自由摆动，末端分别装有车轮，车体底部与顶部开有为前、后摆动轮腿完全收回放置的槽，机器人上的CCD摄像头安装在具有俯仰、回转两个转动自由度的云台上，云台安装在可以升降的观测台上，观测台与车体之间通过两根支杆形成摆动平行四杆结构的升降机构，其中支杆由装有第五传感器的观测台升降电机通过两个传动齿轮驱动；当观测台放低时，可以恰好收回到车体前端的卡座里；在车体底部安装有弹跳机构。
本实用新型采用五台电机，其中两台主电机用于主驱动，实现机器人的前进、后退、转向等功能，两台摆动驱动电机分别驱动前后摆动轮腿，一台升降电机控制观测台的升降。
本实用新型具有的有益效果是：本实用新型的机器人由于采用了前后摆动轮腿，不但增加了越障能力，而且借助于后摆动轮腿，当机器人倾覆时能实现自复位功能，本实用新型中机器人底部安装的弹跳机构突破了一般地面移动机器人的限制，实现了飞跃越障功能，安装CCD摄像头的云台安装在可升降的观测台中，大大增加了机器人的视野，由于以上特点，本实用新型在野外自然环境下具备很高的环境适应性和越障能力。
附图说明
图1是本实用新型各机构伸出时的前视图；
图2是本实用新型反映内部传动机构(去掉顶盖，且后摆动轮腿伸出与观测台升起)的俯视图；
图3(b)是本实用新型各机构完全收回时的前视图，其中(a)是局部视图A所示的是弹跳机构的示意图；
图4是图3的A-A剖视图；
图5是本实用新型各机构完全收回时的俯视图；
图6是本实用新型各机构完全收回时的仰视图；
图7是本实用新型复位过程示意图；
图8是本实用新型越障过程示意图；
图9是本实用新型跨沟过程示意图；
图10是本实用新型飞跃过程示意图。
图中：1、车体；2、后摆动轮腿；3.1、3.2、3.3、3.4、车轮；4.1、4.2、支杆；5、后摆动轮腿车轮；6、云台；7、观测台；8、前摆动轮腿；9.1、9.2、弹跳机构；10、前摆动轮腿车轮；11、后摆动轮腿驱动电机；12、观测台升降驱动电机；13.1、13.2、车轮驱动电机；14.1、14.2、同步带；15、前摆动轮腿驱动电机；16.1、16.2、传动齿轮；17、弹跳机构电机；18、螺旋传动机构；19、弹簧；20、底板。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步的说明。
如图1～图6所示，本实用新型采用了主体为四轮车体，复合前后俩摆动轮腿且弹跳机构的结构形式，在装有激光测距仪、声音传感器、加速度传感器和陀螺仪的机器人车体1上安装4个驱动轮3，两个后车轮3.1、3.2分别由车轮驱动电机13.2、13.1驱动，两个前车轮3.3、3.4通过同步带14.1、14.2也分别由车轮驱动电机13.1、13.2驱动。车体1前方安装一个前摆动轮腿8，其由前摆动轮腿驱动电机15驱动，后方安装一个后摆动轮腿2，其由后摆动轮腿驱动电机11驱动，两个摆动轮腿能绕其所安装的轴自由转动，末端都装有车轮5和10，车体1底部与顶部开有为前、后摆动轮腿8、2完全收回放置的槽，在平坦的地面上行走时，前后摆动轮腿8、2都收到车体1内，为4轮车，而在越障、跨沟和翻滚时则将摆动轮腿伸展开，构成3轮式；CCD摄像头安装在具有两个转动自由度(俯仰、回转)的云台6上，云台6安装在可以升降的观测台7上，观测台7与车体1之间通过两根支杆4.1、4.2形成平行四杆结构的升降机构，其中支杆4.2由观测台升降电机12通过传动齿轮16.1、16.2驱动。当观测台7放低时，可以恰好收回到车体1前端的卡座里；在车体1底部安装有弹跳机构9，需要时实现机器人的飞跃越障功能。
本实用新型采用六台电机，其中两台主电机用于主驱动，实现机器人的前进、后退、转向等功能，两台摆动驱动电机分别驱动前后摆动轮腿，一台升降电机控制观测台的升降，一台电机用于弹跳机构的弹簧伸缩。
图3中(a)是局部视图A给出的弹跳机构的示意图，其组成为：直流电机17位于机构顶部，螺旋传动装置18贯穿机构整体，他们构成了弹跳机构的驱动机构，螺旋传动机构18把电机17的转动转换为垂直方向上的直线行动，从而实现了弹簧19的压缩，当螺旋传动机构18把弹簧19压缩到一定位置，由锁定机构实现弹簧19的锁定，螺旋传动机构18的继续向下运动将触发释放机构，释放弹簧，储存在弹簧中的能量将推动整个机构，实现机构的弹跳。弹跳机构借鉴他人成果不在本专利申请范围内。
以下结合图对机器人的各动作的实现进行说明。
(1)图7(机器人复位)：机器人在复杂地形上高速行走以及在弹跳越障后可能会出现倾覆的情况，这就要求机器人能够自动恢复到机动状态。机器人复位过程如图所示，当机器人所带传感器感知车体倾覆时(图a)，利用后摆动轮腿2作向外摆动(图b、图c)，实现机器人复位(图d)。
(2)图8(越障)：当机器人遇到仅靠车轮3.3、3.4无法跨越的障碍时(图a)，可以依靠前后摆动轮腿8、2实现越障。越障时，根据障碍的高度或坡度将前摆动轮腿8抬起一定角度使前摆动轮腿车轮10在障碍之上(图b)，然后向下摆动顶起车轮3.3、3.4同时驱动车轮使车轮3.3、3.4跨到障碍之上(图c、图d)，后摆动轮腿2向下摆着地顶起移动机器人，然后驱动车轮(图e、图f、)使移动机器人四个车轮都在障碍之上，这样就实现了移动机器人越障。过程如图所示。
(3)图9(跨沟)：当机器人遇到较深的沟且宽度在机器人前车轮3.3、3.4与后车轮3.1、3.2距离之间时(图a)，可以借助前后摆动轮腿8、2实现跨沟功能。跨沟时，前摆动轮腿8摆出(图b)，依靠前摆动轮腿8着地沟对岸以免机器人调入沟中(图c、)，驱动车轮3.1、3.2使机器人前进(图d)，此时驱动后摆动轮腿2使后摆动轮腿2着地(图e)，同样避免机器人掉入沟中，驱动车轮使机器人跨过沟(图f、图g)，最后收起后摆动轮腿2(图h)。具体过程如图所示
(4)图10(飞跃)：当机器人遇到不可跨越的沟或无法借助前摆动轮腿跨越的障碍时(图a)，可以由控制器给弹跳机构发出信号，弹跳机构弹簧弹出实现机器人飞跃沟渠或障碍(图b、图c)，弹跳机构弹出后直流电机立即启动，通过旋转运动压缩弹簧使其在机器人落地前实现弹跳机构收回(图d)。具体过程如图所示。
机器人的整体控制如下图所示，机器人对环境的感知由安装在车体上的激光测距仪、声音传感器、加速度传感器、陀螺仪和安装在观测台内的CCD获知并把信号传送给控制器，由控制器计算并发出指令对各电机进行控制，各电机的运行状态同样由电机传感器反馈给控制器。所以机器人的各种功能，如复位、越障、跨沟、弹跳等，都由各传感器感知机器人所处周围环境后，由控制器发信号控制各电机和弹跳机构实现所需的功能。
以上元器件均可通过选购外购取得。
上述具体实施方式用来解释说明本实用新型，而不是对本实用新型进行限制，在本实用新型的精神和权利要求的保护范围内，对本实用新型作出的任何修改和改变，都落入本实用新型的保护范围。

Claims (1)

1、一种基于群体作业的轮腿弹跳复合式移动机器人，其特征在于：在装有激光测距仪、声音传感器、加速度传感器和陀螺仪的车体(1)上安装4个驱动轮(3)，两个后车轮(3.1、3.2)分别由装有第一、第二传感器的两个车轮驱动电机(13.2、13.1)驱动，车轮驱动电机(13.2、13.1)分别通过同步带(14.2、14.1)与两个前车轮(3.3、3.4)转动连接，驱动车体(1)前方安装一个前摆动轮腿(8)其由装有第三传感器的前摆动轮腿驱动电机(15)驱动，后方安装一个后摆动轮腿(2)，其由装有第四传感器的后摆动轮腿驱动电机(11)驱动，两个摆动轮腿(2、8)能绕其所安装的轴自由摆动，末端分别装有车轮(5、10)，车体(1)底部与顶部开有为前、后摆动轮腿(8、2)完全收回放置的槽，机器人上的CCD摄像头安装在具有俯仰、回转两个转动自由度的云台(6)上，云台(6)安装在可以升降的观测台(7)上，观测台(7)与车体(1)之间通过两根支杆(4.1、4.2)形成摆动平行四杆结构的升降机构，其中支杆(4.2)由装有第五传感器的观测台升降电机(12)通过两个传动齿轮(16.1、16.2)驱动；当观测台(7)放低时，可以恰好收回到车体(1)前端的卡座里；在车体(1)底部安装有弹跳机构(9)。
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