CN101157372A - 一种步轮履复合式移动机器人 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种步轮履复合式移动机器人，在前、后轮中心及车体上通过伸缩杆与履带侧翼连接，车体上的动力经减速器与车轮通过车体上的轴承连接，伸缩杆两端分别与固定在车体和履带侧翼上的球面副连接，通过固定在车体上的动力及减速器实现旋转功能，其伸缩功能是由齿轮齿条机构或液压来实现的，履带侧翼则通过固定在其自身上的动力经减速器实现运动功能。本发明移动机器人是以轮式移动机器人为载体，上面叠合了腿式及履带式移动机构，通过改变系统的接地曲线来适应地表曲线，具有多种运动模式和较强的越障能力，通过改变履带侧翼或车体的姿态来调整重心，且具有运动灵活、结构紧凑的特点。

Description

一种步轮履复合式移动机器人

技术领域

本发明涉及机器人领域，尤其涉及一种步轮履复合式移动机器人。本发明移动机器人是以轮式移动机器人为载体，上面叠合了腿式及履带式移动机构，使其具有轮式、履带式、腿式多种运动模式。

背景技术

轮式、履带式、腿式移动机构是人们研究最多的也是目前应用在移动机器人上的最为广泛的三种移动机构。轮式移动机器人有结构简单、移动速度快和便于操纵等特点，但其只适合在平坦地面运行而不能上下阶梯和跨越壕沟。履带式移动机器人的特点是稳定性好，它能在凹凸不平的地面上行走，并能越过障碍物和爬越较大斜坡或阶梯。但履带式移动机构运动方向的操纵是由左右履带的速度差所控制的。因此，转向时会出现滑动、阻力较大、转向半径及中心准确度较差等问题。腿式移动机器人是指采用了类似人、兽或昆虫用脚迈步移动的机器人，有两足、四足、六足及多足等形式的移动机器人，它们的共同特点是只需要离散的着地点，就能在平地及凹凸不平的地面上行走，可越过壕沟、洞穴等障碍及上、下阶梯，具有较高的机动性。然而腿式移动机构的控制较复杂，相关技术也不太成熟，且造价昂贵。

近年来，许多学者进行了基于复合机构的移动机器人的研究，上海交通大学的刘方湖在2001年分别申请了翻滚型轮腿式移动机器人(公开号：CN1317397A)和管道型轮腿式移动机器人的专利(公开号：CN 1317398A)；杨汝清和顿向明于2003年申请了四腿链轮式移动机器人的专利(公开号：CN1397409A)。上述几个专利是把轮式、腿式或者履带式、腿式结构复合在一起。而北京理工大学的黄强、段星光等人在2005年申请了小型轮履腿复合式移动机器人的专利(公开号：CN 1644328A)，虽然此专利把轮式、履带式以及腿式机构复合在一起，但它所设计的履带腿结构是履带绕其与机器人本体的连接点做360度旋转来模拟腿的运动，而且履带腿采用了内外轴传动机构，即在同一个转动中心上传动两个运动，这样导致履带和腿在切换时容易发生故障，可靠性降低，且控制复杂。因此，复合机构的结构和控制复杂性仍然是现代移动机器人机动性能的一个障碍。

发明内容

本发明的目的在于避免上述现有技术中的不足之处而提供一种  步轮履复合式移动机器人的产品。步轮履复合式移动机器人采用对称结构，由车体、四个完全相同的车轮及伸缩杆、两个完全相同的履带侧翼组成。伸缩杆两端分别与车体及履带侧翼连接，并能做360度回转。车轮采用双后轮驱动，差速转向，分别由动力经减速器输出给驱动轮。设计的车轮直径大于履带侧翼和车体高度，使得机器人倾翻后仍可保持继续运动。其具有步行式、轮式、履带式等多种运动模式。

本发明的目的可以通过以下措施来达到：

一种步轮履复合式移动机器人，由车体、在车体前、后两端对称的固接四个完全相同的车轮构成，车轮采用双后轮驱动，其特征在于：每一后轮由独立驱动系统驱动，其驱动系统由DC伺服电机，经减速器驱动后轮，车轮直径大于履带侧翼和车体高度。

所述的一种步轮履复合式移动机器人，车轮采用前、后轮驱动，每一车轮由独立驱动系统驱动。

所述的一种步轮履复合式移动机器人，在前、后轮的中心及车体上通过伸缩杆与履带侧翼连接。其履带侧翼距离水平面的高度小于车轮直径，

其伸缩杆伸缩机构是：固定在车体前、后每一侧上的DC伺服电机驱动齿轮齿条机构或液压；

履带侧翼动力机构是：固定在每一侧履带侧翼其自身上的DC伺服电机驱动减速器。

所述的一种步轮履复合式移动机器人，伸缩杆的转动机构构成是：伸缩杆两端分别与固定在车体和履带侧翼上的球面副连接，通过固定在车体前、后每一侧上的DC伺服电机驱动减速器。

所述的一种步轮履复合式移动机器人，其中上述驱动车体的前、后轮转动的减速器减速比小于上述驱动履带侧翼动力的减速器减速比；

其中上述驱动履带侧翼转动的减速器减速比小于上述伸缩杆旋转的减速器减速比。

本发明相比现有技术具有如下优点：

本发明移动机器人是以轮式移动机器人为载体，上面叠合了腿式及履带式移动机构，多种运动模式使其有更强的越障能力，且具有运动灵活、结构紧凑的特点；

本发明的机器人具有轮、履带及步行三种运动模式，它集成了各种移动机构的优点，使得机器人在不同的地形环境中可选择不同的运动模式。另外，步轮履复合式移动结构可使系统接地曲线自动变化以包容地表曲线，增强了机器人的越障能力；

本发明涉及的机器人通过改变履带侧翼或车体的姿态来调整重心的位置，以克服固定重心和稳定边界限制的问题。尤其在爬越斜面时，可以方便调整机器人重心，提高了机器人的运动稳定性。

附图说明

图1为本发明实施例中步轮履复合式移动机器人结构示意图；

图2A为本发明实施例中步轮履复合式移动机器人遇到障碍示意图；

图2B为本发明实施例中步轮履复合式移动机器人侧翼搭上障碍示意图；

图2C为本发明实施例中步轮履复合式移动机器人准备步行示意图；

图2D为本发明实施例中步轮履复合式移动机器人跨上障碍示意图；

图2E为本发明实施例中步轮履复合式移动机器人跨下障碍示意图；

图2F为本发明实施例中步轮履复合式移动机器人越过障碍示意图；

图2G为本发明实施例中步轮履复合式移动机器人继续行驶示意图；

图3A为本发明实施例中步轮履复合式移动机器人遇到壕沟示意图；

图3B为本发明实施例中步轮履复合式移动机器人侧翼跨在壕沟上示意图；

图3C为本发明实施例中步轮履复合式移动机器人步行示意图；

图3D为本发明实施例中步轮履复合式移动机器人跨越壕沟示意图；

图3E为本发明实施例中步轮履复合式移动机器人继续行驶示意图。

图号说明

1……履带侧翼  2……伸缩杆  3……车体  4……后轮5……前轮  6……动力(车轮)  7……动力(伸缩杆)8……动力(履带)

具体实施方式

下面将结合附图及实施例对本发明的技术方案进行更详细的说明。

如图1所示，本发明的技术方案中，设计的步轮履复合式移动机器人以轮式移动机器人为载体，在前、后轮5、4的中心及车体3上通过伸缩杆2与履带侧翼1连接。并保证履带侧翼1距离水平面的高度小于车轮直径。当履带侧翼1悬空时，可通过调整伸缩杆2的长度和旋转角度来调整系统重心。另外车体3上装有动力及其他仪器设备。本发明的移动机器人所有动力均采用了DC伺服电机，经减速器后输出。轮式运动要求高速、灵活，所以采用了较小减速比的减速器及质量轻、体积小的电机以实现高速运动；履带运动不要求高速，因此采用了大减速比的减速器配合电机来实现更强的越障功能；而实现步行功能的电机也采用了较大减速比的减速器来满足支撑车体3时的大力矩要求。

本发明的步轮履复合式构移动机器人的连接关系如下：车体3上的动力6经减速器与车轮通过固定在车体3上的轴承等连接方式连接；伸缩杆2两端分别与固定在车体3和履带侧翼1上的球面副连接，并通过固定在车体3上的动力7及减速器实现旋转功能，其伸缩功能是由齿轮齿条机构或液压来实现的；履带侧翼1则通过固定在其自身上的动力8经减速器实现运动功能。

正常状态下机器人通过动力6经减速器驱动后轮4旋转，可完成机器人的前进、后退等功能，转弯功能则依靠轮子差速来实现。此时伸缩杆2的动力7经减速器驱动伸缩杆2旋转至一定角度使得履带侧翼1保持在地面与车体3上端之间的位置并呈悬空状态。此状态下，即使机器人倾翻仍可保证其继续运动，而且履带侧翼分置在车体两边，可起到保护车体及车轮的作用。

当遇到松软地面、壕沟或其他突变障碍等情况，即轮式无法通过的地面环境时，动力7驱动伸缩杆2旋转，从而带动履带侧翼1旋转至接触地面，利用履带动力8可实现前进、后退及差速转弯的功能，或者通过同时施加动力6和8来实现轮子和履带的同时运动。

继续施加伸缩杆2动力7，此时地面对履带侧翼的反作用力与动力7使伸缩杆2旋转的力组成力偶，由力偶的作用是使物体转动这一性质，当履带侧翼1着地而不能继续旋转时，伸缩杆2将把车体抬起。当车体3悬空时，如调整伸缩杆2的长度，可完成车体3的多种姿态，方式如下：

1、前面两伸缩杆2同时伸长，后面两伸缩杆2同时缩短，车体3呈前倾姿态；

2、前面两伸缩杆2同时缩短，后面两伸缩杆2同时伸长，车体3呈后倾姿态；

3、左侧两伸缩杆2同时缩短，右侧两伸缩杆2同时伸长，车体3呈右倾姿态；

4、右侧两伸缩杆2同时缩短，左侧两伸缩杆2同时伸长，车体3呈左倾姿态。

当车体3旋转一周后落到地面，此时若继续施加驱动伸缩杆2旋转的动力7，履带侧翼1将再次旋转至悬空状态，这样就完成了移动机器人的一次步行运动。只要动力7不停止，机器人将会持续做步行运动。当履带侧翼1悬空时，如上所述，调整伸缩杆2的长短，可完成履带侧翼的前后及左右倾姿态以保证机器人在翻越突变障碍或者跨越壕沟时能适应多变的地形环境。

履带侧翼1除了完成前进、后退及转弯功能外，还要完成步行的功能。该机器人有以下几种步态：

1.如上所述，当动力7带动四伸缩杆同时旋转时，移动机器人依靠履带侧翼与地面的作用力完成步行功能；

2.左侧(右侧)两伸缩杆同时向前(后)旋转一周后，右侧(左侧)两伸缩杆也向前(后)旋转一周，以此交替运动完成步行功能。

因为机器人左右伸缩杆旋转角度不同可使履带侧翼1高度不同，由此可保证机器人即使在左右高度不同的地形环境下仍能保持车体3水平运动。另外，如果左(右)侧的伸缩杆2与右(左)侧伸缩杆2旋转方向相反，则可以使整个机器人长度增加，使其能跨越壕沟等障碍。

图2A、图2B、图2C、图2D、图2E、图2F、图2G为完成跨越障碍的分解动作示意图。

图3A、图3B、图3C、图3D、图3E为完成跨越壕沟的分解动作示意图。

本发明步轮履复合式移动机器人适合在战场、星球表面等非结构环境中执行侦察、探测等任务，该机器人具有快速、灵活的运动方式，又具有一定的刚度以承受机器人自身重力及操作过程中存在的力和力矩来保持平衡，另外还具有较高的机动性和较强的越障能力，且倾翻后仍可继续运动。

当然，本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (5)

1.一种步轮履复合式移动机器人，由车体、在车体前、后两端对称的固接四个完全相同的车轮构成，车轮采用双后轮驱动，其特征在于：每一后轮由独立驱动系统驱动，其驱动系统由DC伺服电机，经减速器驱动后轮，车轮直径大于履带侧翼和车体高度。

2.如权利要求1所述的一种步轮履复合式移动机器人，其特征在于：车轮采用前、后轮驱动，每一车轮由独立驱动系统驱动。

3.如权利要求1、2中的任一项所述的一种步轮履复合式移动机器人，其特征在于：在前、后轮的中心及车体上通过伸缩杆与履带侧翼连接，其履带侧翼距离水平面的高度小于车轮直径，

其伸缩杆伸缩机构是：固定在车体前、后每一侧上的DC伺服电机驱动齿轮齿条机构或液压；

履带侧翼动力机构是：固定在每一侧履带侧翼其自身上的DC伺服电机驱动减速器。

4.如权利要求3中所述的一种步轮履复合式移动机器人，其特征在于：伸缩杆的转动机构构成是：伸缩杆两端分别与固定在车体和履带侧翼上的球面副连接，通过固定在车体前、后每一侧上的DC伺服电机驱动减速器。

5.如权利要求4所述的一种步轮履复合式移动机器人，其特征在于：

其中上述驱动车体的前、后轮转动的减速器减速比小于上述驱动履带侧翼动力的减速器减速比；

其中上述驱动履带侧翼转动的减速器减速比小于上述伸缩杆旋转的减速器减速比。