CN201249818Y - 自平衡式六轮独立驱动机器人 - Google Patents

Abstract

自平衡式六轮独立驱动机器人，属于机器人工程领域。该机器人由电气控制系统单元及与其通信连接的移动机构、平衡探测机构、视觉系统单元、红外测距单元、遥控单元，以及与各机构、单元连接的供电单元和承载以上各机构、单元的车体构成，其特征在于：所述的移动机构由均可独立动作的左右六连杆摇臂和前后柔性六连杆摇臂3组成，具有六个车轮4，左右侧六连杆摇臂各带有两个车轮4，前后侧柔性六连杆摇臂各带有1个车轮4。通过前后车轮受力不同检测车体俯仰姿态来调整车体的俯仰角、同时通过左右摇臂主动调节机器人横滚角度达到车体侧向自平衡的目的。

Description

自平衡式六轮独立驱动机器人

技术领域

本实用新型属于机器人工程领域。

背景技术

摇臂式六轮独立驱动机器人在月球探测、火星探测方面得到了应用。该机器人具有机动性能高的优点，非常适合野外探测等场合使用。但是该机器人的俯仰角由左右臂角平分机构来确定。即使该机器人行走在平整的坡面上，其俯仰角也与前向坡面平行，同时侧向姿态完全由地面侧向坡度决定。所以该机器人不能根据坡度调整其俯仰角及横滚角，因而其稳定性及机动性能受到了很大限制，也同时限制了该机器人用于高速越野当中。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种自平衡式六轮独立驱动结构机器人，通过前后车轮受力不同检测车体俯仰姿态来调整车体的俯仰角、同时通过左右摇臂主动调节机器人横滚角度达到车体侧向自平衡的目的。

本实用新型的解决方案是：自平衡式六轮独立驱动机器人由电气控制系统单元及与其通信连接的移动机构、平衡探测机构、视觉系统单元、红外测距单元、遥控单元，以及与各机构、单元连接的供电单元和承载以上各机构、单元的车体构成，其特征在于：所述的移动机构由均可独立动作的左右六连杆摇臂和前后柔性六连杆摇臂3组成，具有六个车轮4，左右侧六连杆摇臂各带有两个车轮4，前后侧柔性六连杆摇臂各带有1个车轮4：

1)左右侧六连杆摇臂结构相同，皆由连杆L1-L8、转动副R1-R10、电机M1-M5、侧前车轮和侧后车轮、压簧1和压簧2组成：连杆L1和连杆L3、连杆L2和连杆L4分别通过转动副R2、转动副R3轴连，连杆L1和连杆L2通过转动副R1轴连，且R1固定在车体的B1的位置，连杆L1和连杆L2的另外一头分别通过转动副R4和转动副R5与连杆L5和连杆L6的中部轴连，连杆L5和连杆L6的一头通过转动副R6轴连，且R6固定在车体的B2的位置，连杆L5和连杆L6另外一头分别通过转动副R7和转动副R8轴接连杆L7和连杆L8，连杆L7和连杆L8的另一头分别通过转动副R9和转动副R10接侧前车轮和侧后车轮；在转动副R1处设置可使连杆L1和L3张开或收拢的姿态控制电机M1，在转动副R7和转动副R8处分别设可使侧前车轮和侧后车轮独立转向的转向电极M2和M3，在转动副R9和转动副R10处分别设可使侧前车轮和侧后车轮独立转动的驱动电机M4和M5；在车体的B3和B4的位置分别设置当六连杆摇臂收拢时压紧侧前车轮和侧后车轮的压簧1和压簧2；

2)前后侧柔性六连杆摇臂结构由滑杆L9、连杆L10-L15、转动副R11-R21、电机M6-M10、弹簧SP1和弹簧SP2、棱柱副P1和棱柱副P2、丝杠S1、前车轮和后车轮、压簧3和压簧4组成：滑杆L9的中部通过丝杠S1固定于车体的B5的位置，且通过转动副R17与固定在丝杠S1上的、可使滑杆L9相对丝杠S1上下移动的姿态控制电机M6连接，滑杆L9上对称依次分别套有弹簧SP1和SP2、转动副R11和R12、棱柱副P1和棱柱副P2，转动副R11和R12分别与连杆L10和L11的一头轴连，L10和L11的另一头分别通过转动副R13和R14与连杆L12和L13的一头轴连，连杆L12和L13的中部分别与固定在车体的B5和B6的位置转动副R15和R16轴连，连杆L12和L13的另一头分别通过转动副R20和R21与连杆L15和L16的一头轴接，L15和L16的另一头分别通过转动副R18和R19与前车轮和后车轮轴接，在转动副R18和R19处分别设置有可使前车轮和后车轮独立转动的驱动电机M9和M10，在转动副R20和R21处分别设置有可使前车轮和后车轮独立转向的转向电机M7和M8，在车体的B8和B9的位置分别设有当前车轮和后车轮收拢时可压紧前车轮和后车轮的压簧3和压簧4。

自平衡式六轮独立驱动机器人的车轮4为着地面为弧形的宽厚鼓形车轮。

自平衡式六轮独立驱动机器人的视觉系统单元包括远景立体视觉系统、前侧立体视觉系统、后侧立体视觉系统、太阳测量立体视觉系统；远景立体视觉系统、前侧立体视觉系统、后侧立体视觉系统、太阳测量立体视觉系统各包含两个测量相机8；其中，远景立体视觉系统的两个测量相机8通过桅杆7安装在车体顶部，前侧立体视觉系统的两个测量相机8水平安装在车体前面的中部，后侧立体视觉系统的两个测量相机8水平安装在车体后面的中部，太阳测量立体视觉系统的两个测量相机8安装在车体的顶部。

自平衡式六轮独立驱动机器人的电气控制系统单元的核心控制器件采用PC104+嵌入式计算机，PC104+嵌入式计算机通过网络总线与X波段/S波段收发器连接，经全向天线10及高增益天线13与遥控操作计算机相连接，作为遥控单元；PC104+嵌入式计算机通过RS485串口总线与垂直陀螺连接，作为平衡探测机构；PC104+嵌入式计算机通过PCI总线连接Cameralinker接口板接收Cameralinker复路器传来的6路测量相机8的信息，以及PC104+嵌入式计算机通过PCI总线连接CAN接口板，通过CAN总线接收太阳相机12的信号，作为视觉系统单元；PC104+嵌入式计算机通过PCI总线连接CAN接口板，通过CAN总线控制移动机构中的姿态控制电机、车轮转向电机、车轮驱动电机；PC104+嵌入式计算机通过PCI总线连接模数/数模转换器板接收多路红外测距器9的信号，作为红外测距单元；电气控制系统单元中含有为电气控制系统单元提供系统电源的PC104电源模块，PC104电源模块通过PCI总线与PC104+嵌入式计算机连接。。

自平衡式六轮独立驱动机器人的供电单元由太阳能电池板6、充电器、1000VA24VDC动力锂电池、电源供配电系统组成，太阳能电池板6经充电器接到电源供配电系统；1000VA24VDC动力锂电池接入电源供配电系统；1000VA24VDC动力锂电池和电源供配电系统通过PC104电源模块为电气控制系统单元提供系统电源；PC104+嵌入式计算机通过模数/数模转换器板输出模拟信号控制电源供配电系统协调工作，并控制其通过DC-DC电压转换器提供5.7V、12V、24V直流电源，分别为红外测距器9、测量相机8、移动机构中的各类电机供电。

自平衡式六轮独立驱动机器人的转向电机、驱动电机及姿态控制电机采用无刷力矩电机，该电机配有谐波减速箱和具有力矩控制模式、速度控制模式、位置控制模式、CAN通信功能的电机控制器。

自平衡式六轮独立驱动机器人的红外测距单元中，在车体5的前后侧各安装9个红外测距器。

本实用新型的有益效果是：采用上述方案后，(1)由于采用6个独立驱动的车轮4，机器人具有很好的机动特性，越障高度超过3倍车轮半径、越坑宽度超过两个车轮半径。(2)由于采用左、右侧六连杆摇臂及前后柔性六连杆摇臂，高低温环境产生的结构变形对机器人结构运动的影响很小。(3)六个车轮4具有展与收拢功能，可以适应深空探测机器人在发射时结构压紧的要求。(4)在坡面上，该机器人结构能够自动调整重心，从而大大提高了安全性能。(5)车轮4受力平衡，可以充分利用驱动电机的功率实现大力矩牵引控制，也有助于降低车体的整体质量。

附图说明

图1是机器人结构示意图；

图2是左右侧六连杆摇臂结构示意图；

图3是收拢时的左右侧六连杆摇臂结构示意图；

图4是前后柔性六连杆摇臂结构示意图；

图5是收拢时的前后柔性六连杆摇臂结构示意图；

图6是自平衡式六轮独立驱动机器人外形结构示意图；

图7是左右侧六连杆摇臂、前后柔性六连杆摇臂与车体连接关系图；

图8是车轮4结构示意图

图9是机器人电气系统结构原理图。

图6中1、左侧六连杆摇臂，2、右侧六连杆摇臂，3、前后柔性六连杆摇臂，4、车轮，5、车体，6、太阳能电池板，7、桅杆，8、测量相机，9、红外测距器，10、全向天线，11、远景立体视觉系统，12、太阳相机，13、高增益天线，14、方向电机。

具体实施方式

自平衡式六轮独立驱动机器人总体结构关系如图1所示。

自平衡式六轮独立驱动机器人的移动机构结构如图2-图5所示。

1.图2和图3中的左、右侧六连杆摇臂由连杆L1-L8、转动副R1-R10、电机M1-M5、侧前车轮和侧后车轮、压簧1和压簧2组成。左右侧六连杆摇臂通过转动副R1、R6与车体的B1、B2位置固连。左、右侧六连杆摇臂是主动式平衡臂，通过力矩电机M1控制连杆L1和L2张开角度，从而控制车轮4与车体底盘高度，并可实现车轮4的收拢与展开功能。电机M2、M3为侧前车轮、侧后车轮的方向电机14，电机M4、M5为侧前车轮、侧后车轮的驱动电机。

通过力矩电机M1控制连杆L1和L2展开或收拢时，六连杆摇具有两个自由度，一个是L1和L2相对动转的自由度及连杆L1和L2相对车体一体转动的自由度。当力矩电机M1控制连杆L1和L2相对角度不变时，连杆L1和L2也能相对车体一体转动。在侧前车轮、侧后车轮下的地面不平时，六连杆摇臂通过相对车体的转动以适应地形的变化。

图3是力矩电机M1控制连杆L1和L2收拢直至车轮4与车体B3、车体B4位置的压簧1、压簧2相接触时车轮4压紧时的状态，从而实现车轮4的压紧功能，以满足月球车、火星车等在发射过程中的要求。

2.图4和图5所示的前后柔性六连杆摇臂3由滑杆L9、连杆L10-L15、转动副R11-R21、电机M6-M10、弹簧SP1和弹簧SP2、棱柱副P1和棱柱副P2、丝杠S1、前车轮和后车轮、压簧3和压簧4组成。由于车体重力及地面对车轮4作用力，前车轮、后车轮分别向上或向下或同时向下或向上运动时，前后柔性六连杆摇臂3相对车体转动，而棱柱副P1、P2在滑杆L9方向的作用力始终保持相等，棱柱副P1、P2在滑杆L9上滑动，决定其在滑杆L9上的位置，从而决定滑杆L9的俯仰角度，即决定了车体的俯仰角度。因而该柔性六连杆摇臂可以根据车轮4的作用力调整车体俯仰角度。

电机M1驱动丝杆S1调整滑杆L9的高度，从而控制了前车轮与后车轮的展开与收拢。当电机M1驱动丝杆S1调整滑杆L9的高度一定时，该柔性六连杆摇臂具有两个自由度，即前车轮和后车轮可同时向同一方向转动或同时向相反方向转动。如图5所示，当电机M1驱动丝杆S1调整滑杆L9的高度足够小时，前车轮和后车轮与车体B8和B9处压簧1和压簧2接触，从而实现车轮4与车体5的压紧功能。

电机M7、M8分别为前车轮和后车轮的方向电机14，电机M9、M10分别为前车轮和后车轮的驱动电机。

3.自平衡式六轮独立驱动机器人采用图8所示的宽厚鼓形车轮4，一方面是保证车轮4与软质地面具有较大的接触面，比如在沙质或土质路面上行走时具有较大的牵引力，而在砖石路面上行走时车轮4与地面具有较小的接触面及较小的牵引力。另一方面是要利于机器人保持平衡。当一侧车轮地面抬高时，地面与车轮接触位置向内侧移动，当一侧车轮地面降低时，地面与车轮接触位置向外侧移动。而车轮与地面接触的实际高度会减小，有利于机器人的平衡及机动性能的提高。

4.自平衡式六轮独立驱动机器人外形结构如图6所示。该机器人包括：左侧六连杆摇臂1、右侧六连杆摇臂2、前后柔性六连杆摇臂3、6个后车轮、车体5、太阳能电池板6、桅杆7、避障用的前后侧立体视觉系统(各包括两个测量相机8)、前后侧红外测距单元(前后侧各安装9个红外测距器9)、全向天线10、远景立体视觉系统11、太阳相机12、高增益天线13、6个方向电机14、6个车轮的驱动电机与电机控制器内置于车轮4中。2个姿态控制电机电机M1、M6安装于车体5内。

左右侧六连杆摇臂1、右侧六连杆摇臂2、前后柔性六连杆摇臂3与车体5连接关系如图7所示，图中标出了位置B1-位置B9在车体中的位置。

5.自平衡式六轮独立驱动机器人移动系统的电气结构如图9所示。6个车轮方向电机、6个车轮驱动电机及2个姿态控制电机采用无刷力矩电机，配谐波减速箱及具有CAN通信功能的电机控制器。电机控制器具有：力矩控制模式、速度控制模式、位置控制模式。谐波减速箱和电机控制器采用现有的产品。自平衡式六轮独立驱动机器人的电气控制系统单元采用核心控制器件为PC104+嵌入式计算机的控制系统。该计算机系统包括：1个电源模块、1个DIO模块、1个AD/DA模块、1个CAN通信模块、1个Cameralinker模块。主电源包括：3块太阳能电池板6、1只动力锂电池、1个供配电系统。供配电系统根据实际要求，按照常规技术来制作。

电源系统由太阳能电池板6、充电器及1000VA24VDC动力锂电池组成。电源经供配电系统对系统进行管理，并经DC-DC转换成为5.7V、12V供18个红外测距器、8只测量相机使用。24V母线电压由电源供配电系统向各类电机供电。视觉系统由一个远景立体视觉系统、前侧立体视觉系统、后侧立体视觉系统、太阳测量立体视觉系统组成。远景立体视觉系统、前侧立体视觉系统、后侧立体视觉系统通过Cameralinker分路器与Cameralinker接口板连接；左、右摇臂姿态控制电机、车轮方向电机、车轮驱动电机、太阳测量立体视觉系统中的太阳相机通过CAN总线与CAN接口板连接。通过网络总线与X波段/S波段收发器连接，经全向天线10及高增益天线13与遥操作计算机相连接。平衡探测机构中垂直陀螺通过RS485串口总线与PC104+嵌入式计算机通信。

6.该机器人结构参数如下

图2和图3中左右六车杆摇臂设计参数：L1＝L2＝240mm、L3＝L4＝240mm、L5＝L6＝380mm、L7＝L8＝140mm

图4和图5中前后柔性六车杆摇臂设计参数：L1＝440mm、L2＝L3＝120mm、L4＝L5＝340mm、L6＝L7＝140mm

图7中车体与摇臂连接设计参数：(在图5中已标注)

图8中车轮4设计参数：L＝200mm、D1＝240mm、D2＝190mm

7.该机器人机动性能如下：越障高度：0.28m；越坑宽度：0.20m；爬坡能力：35°；最高移动速度：0.5m/s；车体重量：55Kg；承载重量：55Kg；转变半径小于0.2m。

Claims (7)

1.自平衡式六轮独立驱动机器人，由电气控制系统单元及与其通信连接的移动机构、平衡探测机构、视觉系统单元、红外测距单元、遥控单元，以及与各机构、单元连接的供电单元和承载以上各机构、单元的车体构成，其特征在于：所述的移动机构由均可独立动作的左侧六连杆摇臂(1)、右侧六连杆摇臂(2)和前后柔性六连杆摇臂(3)组成，具有六个车轮(4)，左右侧六连杆摇臂各带有两个车轮(4)，前后侧柔性六连杆摇臂各带有1个车轮(4)：

1)左、右侧六连杆摇臂结构相同，皆由连杆L1-L8、转动副R1-R10、电机M1-M5、侧前车轮和侧后车轮、压簧1和压簧2组成：连杆L1和连杆L3、连杆L2和连杆L4分别通过转动副R2、转动副R3轴连，连杆L1和连杆L2通过转动副R1轴连，且R1固定在车体的B1的位置，连杆L1和连杆L2的另外一头分别通过转动副R4和转动副R5与连杆L5和连杆L6的中部轴连，连杆L5和连杆L6的一头通过转动副R6轴连，且R6固定在车体的B2的位置，连杆L5和连杆L6另外一头分别通过转动副R7和转动副R8轴接连杆L7和连杆L8，连杆L7和连杆L8的另一头分别通过转动副R9和转动副R10接侧前车轮和侧后车轮；在转动副R1处设置可使连杆L1和L3张开或收拢的姿态控制电机M1，在转动副R7和转动副R8处分别设可使侧前车轮和侧后车轮独立转向的转向电极M2和M3，在转动副R9和转动副R10处分别设可使侧前车轮和侧后车轮独立转动的驱动电机M4和M5；在车体的B3和B4的位置分别设置当六连杆摇臂收拢时压紧侧前车轮和侧后车轮的压簧1和压簧2；

2)前后侧柔性六连杆摇臂结构由滑杆L9、连杆L10-L15、转动副R11-R21、电机M6-M10、弹簧SP1和弹簧SP2、棱柱副P1和棱柱副P2、丝杠S1、前车轮和后车轮、压簧3和压簧4组成：滑杆L9的中部通过丝杠S1固定于车体的B5的位置，且通过转动副R17与固定在丝杠S1上的、可使滑杆L9相对丝杠S1上下移动的姿态控制电机M6连接，滑杆L9上对称依次分别套有弹簧SP1和SP2、转动副R11和R12、棱柱副P1和棱柱副P2，转动副R11和R12分别与连杆L10和L11的一头轴连，L10和L11的另一头分别通过转动副R13和R14与连杆L12和L13的一头轴连，连杆L12和L13的中部分别与固定在车体的B5和B6的位置转动副R15和R16轴连，连杆L12和L13的另一头分别通过转动副R20和R21与连杆L15和L16的一头轴接，L15和L16的另一头分别通过转动副R18和R19与前车轮和后车轮轴接，在转动副R18和R19处分别设置有可使前车轮和后车轮独立转动的驱动电机M9和M10，在转动副R20和R21处分别设置有可使前车轮和后车轮独立转向的转向电机M7和M8，在车体的B8和B9的位置分别设有当前车轮和后车轮收拢时可压紧前车轮和后车轮的压簧3和压簧4。

2.根据权利要求1所述的自平衡式六轮独立驱动机器人，其特征在于：所述的车轮(4)为着地面为弧形的宽厚鼓形车轮。

3.根据权利要求1所述的自平衡式六轮独立驱动机器人，其特征在于：所述的视觉系统单元包括远景立体视觉系统、前侧立体视觉系统、后侧立体视觉系统、太阳测量立体视觉系统；远景立体视觉系统、前侧立体视觉系统、后侧立体视觉系统、太阳测量立体视觉系统各包含两个测量相机(8)；其中，远景立体视觉系统的两个测量相机(8)通过桅杆(7)安装在车体顶部，前侧立体视觉系统的两个测量相机(8)水平安装在车体前面的中部，后侧立体视觉系统的两个测量相机(8)水平安装在车体后面的中部，太阳测量立体视觉系统的两个测量相机(8)安装在车体的顶部。

4.根据权利要求1或2或3所述的自平衡式六轮独立驱动机器人，其特征在于：所述的电气控制系统单元的核心控制器件采用PC104+嵌入式计算机，PC104+嵌入式计算机通过网络总线与X波段/S波段收发器连接，经全向天线(10)及高增益天线(13)与遥控操作计算机相连接，作为遥控单元；PC104+嵌入式计算机通过RS485串口总线与垂直陀螺连接，作为平衡探测机构；PC104+嵌入式计算机通过PCI总线连接Cameralinker接口板接收Cameralinker复路器传来的6路测量相机(8)信息，以及PC104+嵌入式计算机通过PCI总线连接CAN接口板，通过CAN总线接收太阳相机(12)的信号，作为视觉系统单元；PC104+嵌入式计算机通过PCI总线连接CAN接口板，通过CAN总线控制移动机构中的姿态控制电机、车轮转向电机、车轮驱动电机；PC104+嵌入式计算机通过PCI总线连接模数/数模转换器板接收多路红外测距器(9)的信号，作为红外测距单元；电气控制系统单元中含有为电气控制系统单元提供系统电源的PC104电源模块，PC104电源模块通过PCI总线与PC104+嵌入式计算机连接。

5.根据权利要求4所述的自平衡式六轮独立驱动机器人，其特征在于：所述的供电单元由太阳能电池板(6)、充电器、1000VA24VDC动力锂电池、电源供配电系统组成，太阳能电池板(6)经充电器接到电源供配电系统；1000VA24VDC动力锂电池接入电源供配电系统；1000VA24VDC动力锂电池和电源供配电系统通过PC104电源模块为电气控制系统单元提供系统电源；PC104+嵌入式计算机通过模数/数模转换器板输出模拟信号控制电源供配电系统协调工作，并控制其通过DC-DC电压转换器提供5.7V、12V、24V直流电源，分别为红外测距器(9)、测量相机(8)、移动机构中的各类电机供电。

6.根据权利要求1所述的自平衡式六轮独立驱动机器人，其特征在于：所述的转向电机、驱动电机及姿态控制电机采用无刷力矩电机，该电机配有谐波减速箱和具有力矩控制模式、速度控制模式、位置控制模式、CAN通信功能的电机控制器。

7.根据权利要求4所述的自平衡式六轮独立驱动机器人，其特征在于：所述的红外测距单元中在车体(5)的前后侧各安装9个红外测距器(9)。

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