CN202098476U - 一种轮腿复合式移动机器人平台 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种轮腿复合式移动机器人平台，该机器人平台包括车身、前、后车体和前、后轮腿系统，其特征在于前轮腿系统包括转向系统和前摆腿系统，转向系统包括转向电机、转向机构和转向车轮；前摆腿系统包括前摆腿电机、前轮腿支架和前摆腿车轮，两个子系统都安装在前箱体内，前箱体利用其后部伸出的前短轴与车身连接；后轮腿系统由车体及后摆腿系统和驱动系统组成，两个子系统都安装在后车体上；后车体利用其前部伸出的后短轴与车身连接；车身部分主要包括转角电机，转角电机安装在车身内部，与车身之间无相对运动，扭矩输出端连接一个齿轮，与之啮合的另一个齿轮与所述的后短轴刚性连接，由转角电机实现车身的左右调倾。

Description

一种轮腿复合式移动机器人平台

技术领域

本实用新型涉及机器人技术，具体为一种改进的轮腿复合式移动机器人平台。

背景技术

轮式移动机器人平台的优点是高速高效，缺点是地形适应能力差。为了适应复杂的地形环境，现在很多机器人都不单单采用轮式移动机构，更多的是采用轮履式、轮腿式或是轮履腿式等复合移动机构。复合移动机器人平台在不同环境下采用不同的行进策略，极大地提高了机器人的前进速度和地形适应能力，成为当今室外机器人发展的一个主要方向。移动机器人平台是一个基础平台，其上可搭载控制系统、检测系统和机械手等，可以实现许多普通机器人难以实现的功能。机器人平台是一个独立的模块，和其他平台之间相互独立，便于二次开发和改装，应用范围很广。

机器人移动平台系统要解决的实质问题是，通过对机器人的工作环境、要实现的具体功能等技术指标进行综合性能分析，设计出一套最优机械结构，使机器人能够实现规定的动作和相应的控制。移动平台系统设计的首要问题是确定其行进方式，单一的行进方式主要有轮式、腿式和履带式。单一的行进方式各有其特点和缺点，由于不能满足复杂地形的要求，因而现在大都采用两种以上的复合行进方式，这样的机器人平台对复杂地形具有更强的适应能力。例如，新型探测车复合式移动系统结构设计及运动分析(尚伟燕等，机械科学与技术，第28卷第7期2009年7月)、轮履复合式军用地面探测车运动学建模及分析(尚伟燕等，航空动力学报，第24卷第10期2009年10月)采用的是轮履复合式移动平台；还例如，腿履复合机器人自主越障分析与动作规划(王伟东等，哈尔滨工业大学学报，第41卷第5期2009年5月)采用的是腿履复合式移动平台；再例如，翻滚型轮腿式移动机器人(刘方湖等，上海交通大学学报，第32卷第5期2001年10月)、轮腿式机器人倾覆稳定性分析与控制(田海波等，机器人学报，第31卷第2期2009年3月)采用的是轮腿复合式移动平台。

现有的轮腿机器人主要有以下几种：1，以美国Mars Rover火星探测车为代表的六轮腿移动机器人，这类机器人可跨越高于其轮径的障碍，但受其结构的限制，车轮较小，车身距离地面距离太小，在复杂地形环境下必须频繁抬腿越障，行进效率不高，能耗较大。2，以上海交通大学三角叉式轮腿机器人为代表，这类机器越障能力较强，控制简单，但其在平整地形采用和复杂地形采用相同的行进方式，效率低下，并且底盘振动剧烈，机器人平台寿命不长。3，以清华大学设计的轮腿可变结构移动机器人为代表，这类机器人可实现轮、腿、轮腿复合式运动，虽然其越障能力也较强，但需要八个电机和四个万向轮，功耗较大，并且因为其体积较小，负载能力和续航能力较差。

实用新型内容

针对现有技术的不足，本实用新型拟解决的技术问题是，提供一种轮腿复合式移动机器人平台，该平台能满足在野外复杂环境下工作的多种要求，能够实现爬坡，跨越壕沟，在非平整地形下实现平稳前进等。在实现所述功能要求的前提下，本实用新型机器人平台具有结构简单，控制容易，耗能较低等特点。

本实用新型解决所述技术问题的技术方案是，设计一种轮腿复合式移动机器人平台，该机器人平台包括车身、前车体和后车体、前轮腿系统和后轮腿系统，其特征在于：

所述前轮腿系统包括转向系统和前摆腿系统两个子系统，转向系统包括转向电机、转向机构和转向车轮；前摆腿系统包括前摆腿电机、前轮腿支架和前摆腿车轮，两个子系统都安装在前车体上；前车体利用从其前箱体后部伸出的前短轴与车身连接；所述转向机构是一平面四杆机构，安装在前箱体的下部，通过前箱体下部的通孔伸出车体的下壁，连杆的两端通过销钉分别与两侧转向车轮的转角销轴连接，实现转向车轮的同向转向，转向车轮通过固定在前箱体侧壁的前轮腿支架与前箱体连接；所述前轮腿支架通过前箱体两侧的通孔伸出，外部左右两端分别安装一个前摆腿车轮，前摆腿车轮可以相对于前箱体做一定范围内的旋转运动；转向电机和前摆腿电机分别安装在前箱体内的适当位置，并通过齿轮连接将运动传递给转向机构和前轮腿支架，实现转向和摆腿；

所述后轮腿系统包括后摆腿系统和驱动系统两个子系统；两个子系统都安装在后车体上；后车体利用从其后箱体前部伸出的后短轴与车身连接；所述驱动系统包括驱动电机、差速器、带轮及驱动车轮，差速器安装在后车体内，差速器输出轴由后车体两侧的通孔伸出，伸出的两个轴端分别安装有驱动车轮，并用齿轮带动驱动车轮运动；后摆腿系统包括后摆腿电机、套筒、后摆腿支架及后摆腿车轮，套筒安装在差速器输出轴的一侧，与差速器及后车体之间都有相对运动，后摆腿电机的扭矩通过固定在套筒上的齿轮传递给后摆腿支架，实现一定角度范围内的摆腿，后摆腿车轮安装在后摆腿支架外部两端，通过固定在驱动车轮和后摆腿车轮上的带轮，由带传动将动力传递给后摆腿车轮；

所述车身部分主要包括转角电机；转角电机安装在车身内，与车身之间无相对运动；转角电机扭矩输出端连接一个齿轮，与之啮合的另一个齿轮与所述的后短轴刚性连接，由转角电机的旋转实现车身的左右调倾。

与现有技术相比，本实用新型机器人平台采用轮腿复合式结构，只采用五个驱动电机，结构简单，控制容易，在平整地面上采用轮式方法行进，能耗大幅降低；在复杂地形下采用轮腿复合式方法行进，效率大为提高。本实用新型由于特殊的结构设计，可跨越高于底盘高度的障碍，跨越一定长度的凹坑，并且可以调整机器人的横滚角，地形适应能力很强。

附图说明

图1为本实用新型轮腿复合式移动机器人平台一种实施例的整体三维结构示意图。

图2为本实用新型轮腿复合式移动机器人平台一种实施例的主视结构示意图。

图3为本实用新型轮腿复合式移动机器人平台一种实施例的俯视结构示意图。

图4为本实用新型轮腿复合式移动机器人平台一种实施例的前轮腿系统结构示意图。其中，

图4(1)为前摆腿系统结构示意图；

图4(2)为转向系统结构示意图。

图5为本实用新型轮腿复合式移动机器人平台一种实施例的后轮腿系统结构示意图。

图6为本实用新型轮腿复合式移动机器人平台一种实施例的车身结构示意图。

具体实施方式

下面结合实施例及其附图详细叙述本实用新型。实施例是以本实用新型所述技术方案为前提进行的具体实施，给出了详细的实施方式和过程。但本实用新型申请的权利要求保护范围不限于所述实施例的描述范围。

本实用新型设计的轮腿复合式移动机器人平台(以下简称机器人或平台，参见图1-6)遵循机器人模块化设计思想，采用模块化设计。具体结构特征是：

本实用新型平台从整体来看可分为三部分，即位于中间部分的车身1、位于车身1前部的前车体2和位于车身1后部的后车体3；前轮腿系统安装在前车体2上，后轮腿系统安装在后车体3上；前轮腿系统主要包含转向系统和前摆腿系统两个子系统；后轮腿系统主要包含后摆腿系统和驱动系统两个子系统；整体机器人平台共有四腿八轮：前车体2二腿四轮，后车体3二腿四轮和五台电机：前车体2两台，车身1一台，后车体3两台。

本实用新型机器人所述前轮腿系统主要包括前摆腿系统和转向系统及前箱体413(参见图4(1)、4(2))，所述转向系统或模块主要采用了平面四杆结构，包括转向电机48、曲柄414、连杆47、转向短轴46、前车轴45、左、右对称的两个支架44，44’、转向车轮410及传动齿轮49。所述前箱体413为长方体结构，为了美观实施例将其前面设计成圆柱面，两边侧壁及下面各加工一个通孔，其后部的有一伸出的前短轴415，用来实现与车身1的连接。所述转向电机48安装在前箱体413内，通过传动齿轮49及前箱体413下面的通孔将运动传递给前箱体413外的曲柄414，曲柄414与连杆47通过销钉连接，曲柄414在一定角度内的摆动转换为连杆47相对于前箱体413的往复移动，连杆47的两端分别与转向短轴46销钉连接，转向短轴46与其对应的前车轴45刚性连接，转向短轴46的摆动带动前车轴45绕其对应的支架44摆动，前车轴45的两端分别安装有转向车轮410，从而实现了两个转向车轮410的同步转向。

所述前摆腿系统包括前摆腿电机411、前摆腿支架43、左右对称的两个前摆腿车轮41，41’、短轴42，42’以及前传动齿轮412。所述前摆腿电机411安装在前箱体413内，并通过前传动齿轮412与前摆腿支架43连接；前摆腿支架43通过前箱体413两侧的通孔伸出前箱体413，前摆腿支架43的两端分别通过短轴42与对应的前摆腿车轮41连接。初始状态下，前摆腿支架43相对于水平面的角度(初始角)为60°。前摆腿支架43的长度和前摆腿车轮41的半径将决定机器人的最大越障高度和跨越壕沟的宽度。当需要越障时，前摆腿电机411带动前摆腿支架43向下摆动；前摆腿车轮41接触到障碍物时，将转向车轮410及前箱体413架空；当转向车轮410高度达到障碍物高度时，前摆腿支架43向上摆动，返回到初始状态。

本实用新型机器人所述后轮腿系统(参见图5)包括后摆腿系统和驱动系统及后箱体31(参见图3)。所述后箱体31为长方体结构，与前箱体413相对应，实施例的后箱体31的后面设计成圆柱面，两侧加工有通孔，前面有用来实现与车身1连接的后短轴32(参见图3)。

所述驱动系统或模块32主要采用了齿轮-带传动复合结构(参见图5)，主要包括驱动电机510、差速器58、带轮52、传动带53、后车轴512、左右对称的两个驱动车轮54，54’及驱动齿轮55，55’。驱动电机510安装在后箱体33内，通过差速器58将驱动电机510的扭矩输出，差速器58的输出轴通过后箱体33两侧的通孔伸到后箱体33的外部，差速器58输出轴的两端分别安装有驱动齿轮55，通过驱动齿轮55将扭矩传递给后车轴512，从而驱动安装在后车轴512上的驱动车轮54及带轮52运动，实现整体机器人的驱动。

所述后摆腿系统或模块主要包括后摆腿电机57、活套511、后摆腿支架59、左右对称的两个后摆腿车轮51，51’及后传动齿轮56。活套511安装在差速器58的一侧，相对于差速器轴有相对运动，通过安装在活套511两端的后传动齿轮56将后摆腿电机57的转矩传递给后摆腿支架59，进而带动后摆腿支架59上下摆动，实现摆腿功能。后摆腿车轮51通过安装在差速器轴上的传动带53获得动力，本身也具有驱动能力，这样设计可避免机器人平台在越障过程中失去动力。后摆腿车轮51在不越障时处于抬起状态，初始角为45°。

本实用新型所述车身1为长方体结构(参见图6)，主要包括箱体61、转角电机62和一对啮合齿轮63、63’。机器人的控制系统主要安装在车身1内部，要求车身1的内部结构尽量简单，实施例仅有一个转角电机62和一对啮合齿轮63。为了避免车身1在倾斜过程中与地面接触，实施例的长方体车身1的下部设计成较大的圆弧过渡。所述箱体61的前、后各加工一通孔，用来实现与前、后车体2、3的连接，其中与前车体2之间仅为单纯连接。转角电机62安装在车身1内部，位置靠后，与车身1之间无相对运动，转角电机62与主动啮合齿轮63连接；被动的啮合齿轮63’与后车体3前面伸出的后短轴32刚性连接，当转角电机62旋转时，车身61就会形成以后车体3伸出的后短轴32为轴的左右摆动，从而达到调倾目的。

机器人平台在非平整地面上行进时，为了避免频繁摆腿越障，本实用新型实施例初步设计的转向车轮与驱动车轮的直径均为200mm，前、后摆腿支架的支架长度均为240mm(为了便于安装和批量生产，所有车轮直径相同)。平台长度(即转向车轮轮轴与驱动车轮轮轴之间的距离)为600mm，宽度(即两个转向车轮之间的距离)为540mm。车身1底部距离地面的距离为车轮的半径。车在跨越低于100mm即小于车轮直径1/2的障碍时，车轮可以直接越过，并不需要摆腿越障。车体需要跨越壕沟时，当壕沟宽度小于车轮半径时，机器人平台可直接通过，壕沟宽度大于车轮半径时，通过指令控制前、后两台摆腿电机转动，根据初始角度不同，分别转动60°和45°，使前后摆腿车轮与地面接触，根据摆腿支架的长度计算，平台可通过最大宽度为400mm(240+100+100＝440mm，240mm为摆腿支架的支架长度，100mm为车轮半径，取400mm)的壕沟。

本实用新型机器人平台前部的四个车轮全是从动轮，由后部的四个车轮来驱动机器人前进。驱动系统本身为现有技术，仿照汽车上使用的差速减速器。

当机器人平台在崎岖不平的路面上行进时，如果发生车体左右倾斜，机器人平台可以通过调整转角电机62使车体保持平衡，避免翻覆。机器人可以安装倾角传感器对控制系统进行反馈，实现实时调整。另外，相比于其他结构的轮腿复合机器人，本实用新型机器人平台不论在什么路面上行进时均可实现转向车轮、驱动车轮与地面平稳接触(无车轮悬空现象)，提高了机器人平台在运动过程中的稳定性。本实用新型设计的机器人平台具有较强的跨越障碍能力。当机器人遇到无法直接越过的障碍时，通过前、后轮腿系统的配合，可以越过最大1.2倍车轮直径的垂直障碍。根据机器人的越障原理，实施例机器人平台所能跨越的最高障碍高度为240-100+100(240为后腿长，100为车轮半径)，取200mm，即当车体上的测距传感器检测到障碍物的高度大于200mm时，机器人平台采取转向策略；当障碍物的高度低于200mm时，采取越障策略。实施例的机器人总重为70kg、安全系数设计为1.6，该机器人平台越障时，所述5个电机总消耗的最大功率为100W，最大扭矩为1500N·m，其负载可达20kg，续航可达8小时，性能优良，应用范围非常广泛。

之前设计的七轮七腿复合移动机器人，除了越障轮外的六个轮子在初始状态下都是与地面接触的，因此机器人在由水平面往斜坡移动或者在斜坡上转向时，六个轮子无法同时与地面接触，使其稳定性和通过性变差。本实用新型机器人平台共有四腿八轮，在同样的上述路况中，能使转向车轮与驱动车轮与地面完全接触，从而提高了其稳定性；另外在结构上比现有机器人更简单，功耗更低。

需要补充说明的是，本实用新型所述的“前、后；左、右；上、下”等方位词是为了描述清楚，只具有相对意义。一般情况下，以机器人向前行进的方向为前，并作为其他方位词的基准。

本实用新型未述及之处适用于现有技术。

Claims (2)

1.一种轮腿复合式移动机器人平台，该机器人平台包括车身、前车体和后车体、前轮腿系统和后轮腿系统，其特征在于：

所述前轮腿系统包括转向系统和前摆腿系统两个子系统，转向系统包括转向电机、转向机构和转向车轮；前摆腿系统包括前摆腿电机、前轮腿支架和前摆腿车轮，两个子系统都安装在前车体上；前车体利用从其前箱体后部伸出的前短轴与车身连接；所述转向机构是一平面四杆机构，安装在前箱体的下部，通过前箱体下部的通孔伸出车体的下壁，连杆的两端通过销钉分别与两侧转向车轮的转角销轴连接，实现转向车轮的同向转向，转向车轮通过固定在前箱体侧壁的前轮腿支架与前箱体连接；所述前轮腿支架通过前箱体两侧的通孔伸出，外部左右两端分别安装一个前摆腿车轮，前摆腿车轮可以相对于前箱体做一定范围内的旋转运动；转向电机和前摆腿电机分别安装在前箱体内的适当位置，并通过齿轮连接将运动传递给转向机构和前轮腿支架，实现转向和摆腿；

所述后轮腿系统包括后摆腿系统和驱动系统两个子系统；两个子系统都安装在后车体上；后车体利用从其后箱体前部伸出的后短轴与车身连接；所述驱动系统包括驱动电机、差速器、带轮及驱动车轮，差速器安装在后车体内，差速器输出轴由后车体两侧的通孔伸出，伸出的两个轴端分别安装有驱动车轮，并用齿轮带动驱动车轮运动；后摆腿系统包括后摆腿电机、套筒、后摆腿支架及后摆腿车轮，套筒安装在差速器输出轴的一侧，与差速器及后车体之间都有相对运动，后摆腿电机的扭矩通过固定在套筒上的齿轮传递给后摆腿支架，实现一定角度范围内的摆腿，后摆腿车轮安装在后摆腿支架外部两端，通过固定在驱动车轮和后摆腿车轮上的带轮，由带传动将动力传递给后摆腿车轮；

所述车身部分主要包括转角电机；转角电机安装在车身内，与车身之间无相对运动；转角电机扭矩输出端连接一个齿轮，与之啮合的另一个齿轮与所述的后短轴刚性连接，由转角电机的旋转实现车身的左右调倾。

2.根据权利要求1所述的轮腿复合式移动机器人平台，其特征在于所述的转向车轮与驱动车轮的直径均为200mm，转向车轮轮轴与驱动车轮轮轴之间的距离为600mm，两个转向车轮之间的距离为540mm，前、后摆腿支架的支架长度均为240mm，车身底部距离地面的距离为车轮的半径。

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