RU2564796C2

RU2564796C2 - Wheeled robot chassis

Info

Publication number: RU2564796C2
Application number: RU2014100953/02A
Authority: RU
Inventors: Виктор Васильевич Денисенко
Priority date: 2014-01-13
Filing date: 2014-01-13
Publication date: 2015-10-10
Also published as: RU2014100953A

Abstract

FIELD: transport.

SUBSTANCE: wheeled robot chassis includes rectangular frame, two driving wheels of larger diameter and with rigidly fixed axles, two passive wheels of minor diameter and freely rotating around vertical axis, and the fifth passive wheel of larger diameter and with rigidly fixed axle. Herewith, the driving wheels are located at corners in front of the frame, two passive wheels of minor diameter are located at corners behind the frame, and the fifth passive wheel is located in the middle between passive wheels of minor diameter. In this structure, distance from lowest point of the fifth wheel to floor is less than half of diameter of passive wheels of minor diameter.

EFFECT: possibility to cross thresholds of door openings while keeping stability.

3 dwg

Description

Область техники, к которой относится изобретениеFIELD OF THE INVENTION

Изобретение относится к области робототехники и предназначено для построения колесных андроидных роботов, используемых внутри помещений.The invention relates to the field of robotics and is intended to build wheeled android robots used indoors.

Уровень техникиState of the art

Робот, используемый внутри помещений, должен обладать высокой маневренностью и способностью преодолевать пороги в дверных проемах.The robot used indoors must have high maneuverability and the ability to overcome thresholds in doorways.

Колесные андроидные роботы изготавливаются одноколесными, двухколесными, трехколесными, четырехколесными, шестиколесными. Достоинством одно- и двухколесных роботов является их высокая маневренность и возможность преодоления порогов благодаря большому диаметру колес. Высокая маневренность достигается благодаря тому, что каждое из двух колес имеет свой привод и поворот выполняется путем вращения колес в противоположных направлениях. Однако при выключенном питании такой робот теряет устойчивость, а применение третьего (поддерживающего) колеса или опорной планки для сохранения устойчивости не решает проблемы, поскольку площадь образующейся опоры недостаточно высока. Учитывая, что типовой вес андроидных роботов составляет 40-80 кг, использование одно- и двухколесных роботов в доме может нанести вред здоровью окружающих при потере роботом устойчивости.Wheel Android robots are made unicycle, two-wheeled, three-wheeled, four-wheeled, six-wheeled. The advantage of one- and two-wheeled robots is their high maneuverability and the ability to overcome thresholds due to the large diameter of the wheels. High maneuverability is achieved due to the fact that each of the two wheels has its own drive and rotation is carried out by rotating the wheels in opposite directions. However, when the power is off, such a robot loses stability, and the use of a third (supporting) wheel or support bar to maintain stability does not solve the problem, since the area of the formed support is not high enough. Given that the typical weight of android robots is 40-80 kg, the use of one- and two-wheeled robots in the house can harm the health of others when the robot loses stability.

Более устойчивым и одновременно маневренным является трехколесный робот при условии использования трех всенаправленных ведущих колес [см., например, патент US 2013/0226340 A1, фиг.3]. Однако такие колеса сложны, что приводит к их высокой стоимости.A more robust and at the same time maneuverable is a three-wheeled robot subject to the use of three omnidirectional drive wheels [see, for example, patent US 2013/0226340 A1, figure 3]. However, such wheels are complex, which leads to their high cost.

При использовании же трех обычных жестко закрепленных колес с одним пассивным колесом в случае поворота робота третье (пассивное) колесо движется юзом, что требует излишних затрат энергии, мощности двигателей и приводит к ускоренному износу колеса. Аналогичная проблема возникает при использовании четырех жестко закрепленных обычных колес.When using three ordinary rigidly fixed wheels with one passive wheel, in case of turning the robot, the third (passive) wheel moves in a skid, which requires excessive energy, engine power and leads to accelerated wear of the wheel. A similar problem arises when using four rigidly fixed conventional wheels.

Указанная проблема юза может быть решена применением поворачивающихся передних колес (см., например, http://www.ais.uni-bonn.de/nimbro/@Home/images/GO13/GO13_NimbRo_RIPS.jpg), но это существенно усложняет конструкцию приводов колес и увеличивает стоимость шасси.This use problem can be solved by using rotating front wheels (see, for example, http://www.ais.uni-bonn.de/nimbro/@Home/images/GO13/GO13_NimbRo_RIPS.jpg), but this significantly complicates the design of the drives wheels and increases the cost of the chassis.

Заметим, что трехколесное шасси менее устойчиво, чем четырехколесное при тех же продольных и поперечных размерах робота. Поэтому в настоящем изобретении используется четырехколесное шасси.Note that a three-wheeled chassis is less stable than a four-wheeled one with the same longitudinal and transverse dimensions of the robot. Therefore, the present invention uses a four-wheeled chassis.

Проблему юза четырехколесного шасси можно решить, используя два ведущих колеса и два пассивных (ведомых) колеса, если пассивные колеса выполнены так, что во время качения могут вращаться на шарнирах вокруг вертикальной оси. Такие колеса обычно используют для офисных кресел на колесиках. Шасси такой конструкции имеет высокую маневренность и одновременно высокую устойчивость. Из эргономических и конструктивных соображений для упрощения и обеспечения малых размеров шасси пассивные колеса удобно выбирать гораздо меньшего диаметра, чем ведущие колеса, которые выбирают исходя из высоты порогов в доме. Например, для порогов высотой 10 см диаметр ведущего колеса шасси робота должен быть более 20 см.The problem of using a four-wheeled chassis can be solved using two driving wheels and two passive (driven) wheels, if the passive wheels are designed so that they can rotate around the vertical axis during hinges. Such wheels are usually used for office chairs with castors. The chassis of this design has high maneuverability and at the same time high stability. From ergonomic and structural considerations, to simplify and ensure small chassis sizes, it is convenient to choose passive wheels of a much smaller diameter than drive wheels, which are selected based on the height of the thresholds in the house. For example, for thresholds 10 cm high, the diameter of the drive wheel of the robot chassis must be more than 20 cm.

Однако при использовании пассивных колес малого диаметра (например, 4-5 см) переезд такого шасси через порог, высота которого больше половины диаметра пассивных колес, становится невозможным.However, when using passive wheels of small diameter (for example, 4-5 cm), moving such a chassis through a threshold whose height is more than half the diameter of the passive wheels becomes impossible.

Известно шасси колесного робота (Патент CN 101554726 B), содержащее два колеса, устойчивость которого обеспечивается системой автоматического регулирования (САР). Недостатком этого устройства является потеря устойчивости при поломке САР, что недопустимо в описываемом применении, а также высокая сложность системы САР.A wheeled robot chassis is known (Patent CN 101554726 B) containing two wheels, the stability of which is ensured by an automatic control system (ATS). The disadvantage of this device is the loss of stability during breakdown of the ATS, which is unacceptable in the described application, as well as the high complexity of the ATS system.

Известно также шасси [US 2012/0061155 A1, fig.2E], содержащее четыре колеса, каждое из которых может поворачиваться вокруг вертикальной оси. Недостатком этого устройства является высокая сложность, поскольку каждое из колес требует двух отдельных двигателей для вращения вокруг как горизонтальной, так и вертикальной оси (для поворачивании шасси).A chassis is also known [US 2012/0061155 A1, fig.2E], comprising four wheels, each of which can be rotated about a vertical axis. The disadvantage of this device is the high complexity, since each of the wheels requires two separate engines for rotation around both the horizontal and vertical axes (for turning the chassis).

Наиболее близким к предлагаемому устройству (прототипом) является шасси колесного робота [http://msdn.microsoft.com/en-us/library/bb648760.aspx], содержащее два больших ведущих и два маленьких пассивных колеса, которые могут вращаться вокруг вертикальной оси, что предохраняет колеса от юза, причем переднее пассивное колесо расположено впереди ведущих колес, заднее - позади них. Для разворота на месте используется вращение ведущих колес в противоположных направлениях. Недостатком прототипа является невозможность преодоления порогов, поскольку при наезде передним пассивным колесом на порог одно из ведущих колес отрывается от пола.Closest to the proposed device (prototype) is a wheeled robot chassis [http://msdn.microsoft.com/en-us/library/bb648760.aspx], containing two large drive wheels and two small passive wheels that can rotate around a vertical axis , which protects the wheels from skidding, and the front passive wheel is located in front of the drive wheels, the rear - behind them. For a turn in place, the rotation of the drive wheels in opposite directions is used. The disadvantage of the prototype is the inability to overcome the thresholds, because when hitting the front passive wheel on the threshold, one of the driving wheels comes off the floor.

Сущность изобретенияSUMMARY OF THE INVENTION

В предлагаемом изобретении используются также два больших ведущих колеса 1 (фиг.1) с жестко закрепленными осями и два маленьких пассивных колеса 3, имеющих возможность свободно вращаться вокруг вертикальной оси. Однако, в отличие от прототипа, ведущие колеса 1 расположены впереди прямоугольной рамы 4, а оба пассивных колеса 3 - сзади рамы 4 и введено дополнительно большое пятое колесо 2 с жестко закрепленной осью, которое является пассивным и установлено посредине между двумя пассивными колесами 3 так, что при движении по ровному полу оно не касается пола, а имеется зазор 5 (фиг.2) величиной не более половины диаметра пассивного колеса, поэтому движение шасси выполняется на четырех колесах. При переезде через порог (фиг.3, а-д) пятое колесо касается порога (фиг.3, б) и принимает нагрузку на себя (фиг 3, б-в), затем приподнимает раму и с ней маленькие пассивные колеса до уровня, когда они могут переехать через порог (фиг.3, в), далее нагрузку принимают на себя маленькие пассивные колеса (фиг.3, г), далее, при съезде с порога, нагрузку с маленьких колес опять принимает на себя большое пятое колесо (фиг.3, д).In the present invention also uses two large drive wheels 1 (Fig. 1) with rigidly fixed axles and two small passive wheels 3, which are able to freely rotate around a vertical axis. However, unlike the prototype, the drive wheels 1 are located in front of the rectangular frame 4, and both passive wheels 3 are located behind the frame 4 and an additional large fifth wheel 2 with a fixed axle is introduced, which is passive and is installed in the middle between two passive wheels 3 so that when moving on a flat floor it does not touch the floor, but there is a gap 5 (figure 2) of no more than half the diameter of the passive wheel, so the chassis moves on four wheels. When crossing the threshold (Fig. 3, a-e), the fifth wheel touches the threshold (Fig. 3, b) and takes the load on itself (Fig. 3, b-c), then raises the frame and small passive wheels with it to the level, when they can cross the threshold (FIG. 3, c), then the small passive wheels take on the load (FIG. 3, d), then, when leaving the threshold, the load from the small wheels again takes on the big fifth wheel (FIG. .3, d).

Техническим результатом описанной конструкции шасси является возможность переезда через порог при сохранении максимально возможной устойчивости шасси на плоской поверхности (поскольку колеса расположены по углам прямоугольной рамы) и высокой маневренности (поскольку шасси позволяет выполнить разворот на месте путем вращения ведущих колес в противоположных направлениях).The technical result of the described chassis design is the ability to move across the threshold while maintaining the maximum possible stability of the chassis on a flat surface (since the wheels are located at the corners of a rectangular frame) and high maneuverability (since the chassis allows you to turn in place by rotating the drive wheels in opposite directions).

Перечень фигур чертежей и иных материаловList of figures of drawings and other materials

Фиг.1 - общий вид шасси колесного робота. Здесь 1 - два ведущих колеса; 2 - пятое колесо; 3 - два пассивных колеса; 4 - рама.Figure 1 - General view of the chassis of the wheeled robot. Here 1 is two driving wheels; 2 - fifth wheel; 3 - two passive wheels; 4 - frame.

Фиг.2 - вид сбоку на шасси колесного робота. Здесь 1 - два ведущих колеса: 2 - пятое колесо; 3 - два пассивных колеса; 4 - рама; цифрой 5 обозначен зазор между пятым колесом и поверхностью, по которой движется шасси.Figure 2 is a side view on the chassis of the wheeled robot. Here 1 - two driving wheels: 2 - fifth wheel; 3 - two passive wheels; 4 - frame; 5 indicates the gap between the fifth wheel and the surface on which the chassis moves.

Фиг.3 - иллюстрация процесса переезда шасси через порог.Figure 3 - illustration of the process of moving the chassis through the threshold.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретенияInformation confirming the possibility of carrying out the invention

Осуществляется изобретение в соответствии с описанием в разделе "Сущность изобретения", важным является выбор положения пятого колеса. Зазор между пятым колесом и поверхностью пола выбирается не более половины диаметра пассивных колес, но больше высоты неровностей поверхности между колесами, по которой движется шасси. Например, этот зазор может быть равен 1 см.The invention is carried out in accordance with the description in the section "Summary of the invention", it is important to choose the position of the fifth wheel. The gap between the fifth wheel and the floor surface is selected no more than half the diameter of the passive wheels, but greater than the height of the surface irregularities between the wheels along which the chassis moves. For example, this gap may be 1 cm.

Работа устройства очень проста, описана в разделе "Сущность изобретения" и иллюстрируется фиг.3.The operation of the device is very simple, described in the section "Summary of the invention" and is illustrated in Fig.3.

По мнению автора, сущность заявляемого изобретения не следует для специалиста явным образом из известного уровня техники, поскольку существует большое количество (более сотни) патентов на шасси роботов, а также действующих образцов шасси, ни одно из которых не содержит описанного выше решения и одновременно все они имеют такие недостатки, как плохая устойчивость, плохая маневренность, невозможность переезда через порог либо гораздо более сложны.According to the author, the essence of the claimed invention does not follow explicitly from the prior art for a specialist, since there are a large number (more than a hundred) patents for a robot chassis, as well as valid chassis models, none of which contain the solution described above and at the same time all of them they have disadvantages such as poor stability, poor maneuverability, the inability to move over the threshold or are much more complex.

Предложенная конструкция шасси робота испытана экспериментально, достаточно проста, технологична и в настоящее время готовится технологическая оснастка для ее серийного производства.The proposed design of the robot chassis has been tested experimentally, is quite simple, technologically advanced and is currently preparing technological equipment for its serial production.

Claims

The chassis of a wheeled robot used indoors, containing a rectangular frame, two driving wheels made of a larger diameter and with fixed axles, and two passive wheels made of a smaller diameter and freely rotating around a vertical axis, characterized in that it is equipped with a fifth passive wheel, made of a larger diameter and with a rigidly fixed axis, while the drive wheels are located at the corners in front of the frame, two passive wheels of a smaller diameter are at the corners behind the frame, and the fifth passive wheel is lozheno midway between the passive wheel of smaller diameter, the distance from the lowest point to the floor of the fifth wheel is less than half the diameter of the passive wheel of smaller diameter.