CN108528562B - 一种机器人攀爬底盘装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及自动化技术领域，具体涉及一种机器人攀爬底盘装置，包括：底板，底板的下方与自平衡车架模块连接；自平衡车架模块，用于实现机器人攀爬底盘装置攀爬时的平衡；底板的上方设置对称设置有两个攀爬支撑模块，分别为前攀爬支撑模块以及后攀爬支撑模块，用于实现机器人攀爬底盘装置阶梯攀爬的支撑；自平衡车架模块下方对称设置有四个相同的可变径复合轮；其中，可变径复合轮的直径可调节。通过在底板上对称设置前攀爬支撑模块和后攀爬支撑模块，用于该机器人攀爬底盘装置在阶梯攀爬时，通过攀爬支撑模块与地面的有效支撑，来实现机器人攀爬底盘装置有效的阶梯攀爬；此外，通过自平衡车架模块，实现攀爬过程中的重心调整，能够避免出现倾倒。

Description

一种机器人攀爬底盘装置

技术领域

本发明属于自动化技术领域，具体涉及一种机器人攀爬底盘装置。

背景技术

近年来，作为快速发展的高附加值产业服务机器人得到了快速发展。目前已有服务机器人主要在平地上行走，但实际环境中往往存在阶梯等障碍，因此具备阶梯攀爬功能的底盘装置是服务机器人所急需的。

当前轮式、履带式和腿式结构是移动机器人常用的三种移动机构。轮式结构简单、移动速度快、便于操纵，但只适用于在平坦地面无法实现越障。履带式结构稳定，能够在凹凸不平的地面上行走，并能够越过障碍物和爬坡较大斜坡和阶梯，但该结构在转向时会出现滑动、阻力较大、转向半径及中心准确度较差等问题。腿式移动机器人的特点是只需要离散的着地点，就能在平地机凹凸不平的地面上行走，可越过沟壑、洞穴等障碍及上下阶梯，具有较高的机动性，然而腿式移动结构的承载能力比较弱，对重心控制要求高，相关控制技术还不成熟。

例如，专利号“ZL200820123938.2”的专利文献公开了一种包括有车轮外轮廓及用于驱动车轮外轮廓变形的伸缩机构的可变径车轮。虽然这种可变径车轮可通过外轮廓的伸缩适应部分路面障碍，但是该可变径车轮接触面积小，仅适合坚硬平坦路面且只能适应部分小型障碍，并不具备台阶越障的功能，从而导致该可变径车轮的使用范围较小。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中的机器人攀爬底盘装置应用范围小的缺陷。

鉴于此，本发明提供一种机器人攀爬底盘装置，包括：底板(1)，所述底板(1)的下方与自平衡车架模块(6)连接；其中，所述自平衡车架模块(6)，用于实现机器人攀爬底盘装置攀爬时的平衡；

所述底板(1)的上方设置对称设置有两个攀爬支撑模块，分别为前攀爬支撑模块(4)以及后攀爬支撑模块(5)，用于实现所述机器人攀爬底盘装置阶梯攀爬的支撑；

所述自平衡车架模块(6)下方对称设置有四个相同的可变径复合轮(7)；其中，所述可变径复合轮的直径可调节。

可选地，所述前攀爬支撑模块(4)以及后攀爬支撑模块(5)的结构相同，且前后对称设置。

可选地，所述前攀爬支撑模块(4)包括：

前支撑轮(41)，所述前支撑轮(41)由左右两个平行的前攀爬支撑架(42)夹持；

所述前攀爬支撑架(42)通过第一角码连接件(43)与U型支架(44)相固定；

所述U型支架(44)通过法兰联轴器(45)与双轴电机(46)的轴固定；

所述双轴电机(46)通过电机支座(47)固定在底板(1)上。

可选地，所述自平衡车架模块(6)包括：前后、左右对称且结构相同的四个平行四连杆机构，分别为前左平行四连杆机构(61)，前右平行四连杆机构(62)，后左平行四连杆机构(63)以及后右平行四连杆机构(64)。

可选地，所述前左平行四连杆机构(61)包括：

第一竖支撑杆(611)，所述第一竖支撑杆(611)与短横向连接杆(612)铰接；

所述短横向连接杆(612)与第二竖支撑杆(613)的下端铰接，所述第二竖支撑杆(613)的上端通过第二角码连接件(614)与底板(1)固定；所述短横向连接杆(612)的中部与第二角码连接件(614)的上端铰接；所述第二角码连接件(614)的下端与前后横向连接杆(616)铰接；所述前后横向连接杆(616)的前端与第一竖支撑杆(611)的中部铰接；所述前后横向连接杆(616)的后端对称地铰接在后左平行四连杆机构(63)中。

可选地，所述前左平行四连杆机构(61)与前右平行四连杆机构(62)通过左右横向连接杆(65)铰接；所述左右横向连接杆(65)的中部装有轴承(66)，所述轴承(66)通过三通紧固件(67)与电动伸缩杆(68)固定，所述电动伸缩杆(68)通过吊耳(69)与底板(1)固定。

可选地，所述底板(1)上还设置有控制器(2)以及三轴加速度计陀螺仪模块(3)；其中，所述控制器(2)根据所述三轴加速度计陀螺仪模块(3)采集的数据，控制所述电动伸缩杆(68)运动，以调整所述机器人攀爬底盘装置的重心。

可选地，所述可变径复合轮(7)包括：定径轮(71)和变径轮(72)；所述变径轮(72)由六个对称安装的攀爬爪(721)组成。

可选地，所述定径轮(71)包括：太阳齿轮(711)，所述太阳齿轮(711)的四周均匀地啮合有六个大行星齿轮(712)，以及一个小行星齿轮(713)；

所述太阳齿轮(711)、六个所述大行星齿轮(712)以及所述小行星齿轮(713)的中心轴两端通过小轴承支撑在内侧板(73)和外侧板(74)之间。

可选地，六个所述大行星齿轮(712)的一端分别与六个攀爬爪(721)固定；

所述内侧板(73)和所述外侧板(74)还同时固定在所述定径轮(71)的轮毂(75)边缘上；

所述外侧板(74)上固定着第一步进电机(76)，所述第一步进电机(76)的轴与小行星齿轮(713)固定；

所述第二步进电机(77)固定在第一竖支撑杆(611)上并与固定在所述外侧板(74)上的法兰盘(78)相固定。

本发明技术方案，具有如下优点：

1.本发明提供的机器人攀爬底盘装置，通过在底板上对称设置前攀爬支撑模块和后攀爬支撑模块，用于该机器人攀爬底盘装置在阶梯攀爬时，通过攀爬支撑模块与地面的有效支撑，来实现机器人攀爬底盘装置有效的阶梯攀爬；此外，通过自平衡车架模块，实现攀爬过程中的重心调整，能够避免出现倾倒。

2.本发明提供的机器人攀爬底盘装置，通过在底板上设置控制器以及三轴加速度计陀螺仪模块，用于实现当机器人在进行阶梯攀爬时，可以通过控制器对三轴加速度计陀螺仪模块输出的旋转角速度信号积分，对加速度计信号进行反正切计算，最后利用卡尔曼滤波来获得机器人攀爬底盘装置由于攀爬而造成的倾角，进而控制电动伸缩杆来实现机机器人攀爬底盘装置的重心平衡。

3.本发明提供的机器人攀爬底盘装置，通过设置直径可调节的可变径复合轮，用于实现当机该机器人攀爬底盘装置在平坦地面移动时，变径轮处于收拢状态，固定在第一竖支撑杆上的所述第二步进电机可以通过法兰盘带动可变径复合轮实现平面滚动；当机器人攀爬底盘装置遇到阶梯障碍时，第一步进电机带动小行星齿轮，小行星齿轮再带动太阳齿轮转动，太阳齿轮再带动与其啮合的六个大行星齿轮，进而带动六个攀爬爪，实现变径轮的展开，从而帮助机器人攀爬底盘装置实现阶梯的攀爬。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例中机器人攀爬底盘装置的一个具体示意的结构示意图；

图2为本发明实施例中前攀爬支撑模块的一个具体示意的结构示意图；

图3为本发明实施例中自平衡车架模块的一个具体示意的结构示意图；

图4为本发明实施例中前左右轮横向连接支撑模块的一个具体示意的结构示意图；

图5为本发明实施例中收拢状态的可变径复合轮的一个具体示意的结构示意图；

图6为本发明实施例中张开状态的可变径复合轮的一个具体示意的结构示意图；

图7为本发明实施例中可变径复合轮的一个具体示意的组合结构图；

附图标记：

1-底板；

2-控制器；

3-三轴加速度计陀螺仪模块；

4-前攀爬支撑模块；41-前支撑轮；42-前攀爬支撑架；43-第一角码连接件；44-U型支架；45-法兰联轴器；46-双轴电机；47-电机支座；

5-后攀爬支撑模块；

6-自平衡车架模块；61-前左平行四连杆机构；611-第一竖支撑杆；612-短横向连接杆；613-第二竖支撑杆；614-第二角码连接件；615-第三竖支撑杆；616-前后横向连接杆；62-前右平行四连杆机构；63-后左平行四连杆机构；64-后右平行四连杆机构；65-左右横向连接杆；66-轴承；67-三通紧固件；68-电动伸缩杆；69-吊耳；

7-可变径复合轮；71-定径轮；711-太阳齿轮；712-大行星齿轮；713-小行星齿轮；72-变径轮；721-攀爬爪；73-内侧板；74-外侧板；75-轮毂76-第一步进电机；77-第二步进电机；78-法兰盘。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

本发明中所述的“前、后”的含义指的是阅读者正对附图时，阅读者的左边即为前，阅读者的右边即为后，而非对本发明的底盘装置的特定限定。

本发明中所述的“左、右”的含义指的是阅读者正对附图时，离阅读者近的即为左，离阅读者远的即为右，而非对本发明的底盘装置的特定限定。

本发明中所述的“内、外”的含义指的是相对于可变径复合轮本身而言，指向复合轮内部的方向为内，反之为外，而非对本发明的可变径复合轮的特定限定。

本发明中所述的“连接”的含义可以是部件之间的直接连接也可以是部件间通过其它部件的间接连接。

此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

本发明实施例提供了一种机器人攀爬底盘装置，如图1所示，包括底板1，该底板1的下方与自平衡车架模块6连接；其中，自平衡车架模块6，用于实现机器人攀爬底盘装置攀爬时的平衡。底板1的上方设置对称设置有两个攀爬支撑模块，分别为前攀爬支撑模块4以及后攀爬支撑模块5，用于实现机器人攀爬底盘装置阶梯攀爬的支撑。自平衡车架模块6的下方对称设置有四个相同的可变径复合轮7；其中，该可变径复合轮7的直径可调节。

本发明提供的机器人攀爬底盘装置，通过在底板1上对称设置前攀爬支撑模块4和后攀爬支撑模块5，用于该机器人攀爬底盘装置在阶梯攀爬时，通过攀爬支撑模块与地面的有效支撑，来实现机器人攀爬底盘装置有效的阶梯攀爬；此外，通过自平衡车架模块6，实现攀爬过程中的重心调整，能够避免出现倾倒。

如图1所示，前攀爬支撑模块4和后攀爬支撑模块5结构相同，且前后对称安装。如图2所示，前攀爬支撑模块4包括前支撑轮41，前支撑轮41由左右两个平行的前攀爬支撑架42夹持；其中，前攀爬支撑架42通过第一角码连接件43与U型支架44相固定；U型支架44通过法兰联轴器45与双轴电机46的轴固定；双轴电机46通过电机支座47固定在底板1上。

本实施例中前攀爬支撑模块4和后攀爬支撑模块5设计的优点在于：可以帮助机器人攀爬底盘装置在阶梯攀爬时通过地面有效支撑来实现机器人攀爬底盘装置的有效提升及避免出现倾倒。

如图3所示，自平衡车架模块6由前后、左右对称且结构相同的四个平行四连杆机构组成，即前左平行四连杆机构61，前右平行四连杆机构62，后左平行四连杆机构63，后右平行四连杆机构64。

具体以前左平行四连杆机构61为例进行详细描述，如图3所示，前左平行四连杆机构61包括第一竖支撑杆611，第一竖支撑杆611与短横向连接杆612铰接；短横向连接杆612与第二竖支撑杆613的下端铰接；第二竖支撑杆613的上端通过第二角码连接件614与底板1固定；短横向连接杆612的中部与第三竖支撑杆615的上端铰接；第三竖支撑杆615的下端与前后横向连接杆616铰接；前后横向连接杆616的前端与第一竖支撑杆611的中部铰接；前后横向连接杆616的后端对称地铰接在后左平行四连杆机构63中。

此外，前左平行四连杆机构61与前右平行四连杆机构62通过左右横向连接杆65铰接；左右横向连接杆65的中部装有轴承66，该轴承66通过三通紧固件67与电动伸缩杆68固定；电动伸缩杆68通过吊耳69与底板1固定。

同时，请参照图1，在底板1上装有控制器2以及三轴加速度计陀螺仪模块3。具体工作时，控制器(2)根据三轴加速度计陀螺仪模块(3)采集的数据，控制电动伸缩杆(68)运动，以调整该机器人攀爬底盘装置的重心。

本实施例中，自平衡车架模块6设计的优点在于：当机器人攀爬底盘装置在进行阶梯攀爬时，可以通过所述控制器2对所述三轴加速度计陀螺仪模块3输出的旋转角速度信号积分，对加速度计信号进行反正切计算，最后利用卡尔曼滤波来获得该机器人攀爬底盘装置由于攀爬而造成的倾角，进而控制电动伸缩杆来实现机器人攀爬底盘装置的重心平衡。

如图5所示，可变径复合轮7包括定径轮71和变径轮72。如图6所示，变径轮72包括六个对称安装的攀爬爪721。其中，定径轮71用于高速平面运动，变径轮72用于阶梯攀爬。本实施例中提供的机器人攀爬底盘装置不仅能实现机器人攀爬底盘装置的高速平面移动，还能够实现阶梯障碍的攀爬，扩大了机器人攀爬底盘装置的服务区域，提高了机器人攀爬底盘装置的服务能力。

如图7所示，定径轮71包括太阳齿轮711，该太阳齿轮711的四周均匀地啮合有六个大行星齿轮712，以及一个小行星齿轮713。其中，太阳齿轮711、六个大行星齿轮712以及小行星齿轮713的中心轴两端通过小轴承支撑在内侧板73和外侧板74之间。六个大行星齿轮712的一端还分别与六个攀爬爪721固定。内侧板73和外侧板74还同时固定在定径轮71的轮毂75边缘上。外侧板74上固定着第一步进电机76，第一步进电机76的轴与小行星齿轮713固定。第二步进电机77固定在第一竖支撑杆611上并与固定在外侧板74上的法兰盘78相固定。

本实施例中，可变径复合轮7设计的优点在于：当机器人攀爬底盘装置在平坦地面移动时，变径轮72处于收拢状态，固定在第一竖支撑杆611上的第二步进电机77可以通过法兰盘78带动可变径复合轮7实现平面滚动。当机器人攀爬底盘装置遇到阶梯障碍时，第一步进电机76带动小行星齿轮713，小行星齿轮713再带动太阳齿轮711转动，太阳齿轮711再带动与其啮合的六个大行星齿轮712，进而带动六个攀爬爪721，实现变径轮72的展开，从而帮助机器人攀爬底盘装置实现阶梯的攀爬。

本发明提供的机器人攀爬底盘装置的有益效果在于，通过前后攀爬支撑模块实现阶梯攀爬的支撑以及借力；通过自平衡车架模块，实现机器人攀爬底盘装置攀爬时的平衡而不倾倒；通过可变径复合轮实现对平坦路面运动和阶梯攀爬时的不同应付，提高了该机器人攀爬底盘装置的应用范围。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (5)

1.一种机器人攀爬底盘装置，其特征在于，包括：

底板(1)，所述底板(1)的下方与自平衡车架模块(6)连接；其中，所述自平衡车架模块(6)，用于实现机器人攀爬底盘装置攀爬时的平衡；

所述底板(1)的上方对称设置有两个攀爬支撑模块，分别为前攀爬支撑模块(4)以及后攀爬支撑模块(5)，用于实现所述机器人攀爬底盘装置阶梯攀爬的支撑；

所述自平衡车架模块(6)下方对称设置有四个相同的可变径复合轮(7)；其中，所述可变径复合轮的直径可调节；

所述可变径复合轮(7)包括：定径轮(71)和变径轮(72)；所述变径轮(72)由六个对称安装的攀爬爪(721)组成；

所述定径轮(71)包括：太阳齿轮(711)，所述太阳齿轮(711)的四周均匀地啮合有六个大行星齿轮(712)，以及一个小行星齿轮(713)；所述太阳齿轮(711)、六个所述大行星齿轮(712)以及所述小行星齿轮(713)的中心轴两端通过小轴承支撑在内侧板(73)和外侧板(74)之间；

六个所述大行星齿轮(712)的一端分别与六个攀爬爪(721)固定；

所述内侧板(73)和所述外侧板(74)还同时固定在所述定径轮(71)的轮毂(75)边缘上；

所述外侧板(74)上固定着第一步进电机(76)，所述第一步进电机(76)的轴与小行星齿轮(713)固定；

第二步进电机(77)固定在第一竖支撑杆(611)上并与固定在所述外侧板(74)上的法兰盘(78)相固定；

所述自平衡车架模块(6)包括：前后、左右对称且结构相同的四个平行四连杆机构，分别为前左平行四连杆机构(61)，前右平行四连杆机构(62)，后左平行四连杆机构(63)以及后右平行四连杆机构(64)；

所述前左平行四连杆机构(61)包括：

第一竖支撑杆(611)，所述第一竖支撑杆(611)与短横向连接杆(612)铰接；

所述短横向连接杆(612)与第二竖支撑杆(613)的下端铰接，所述第二竖支撑杆(613)的上端通过第二角码连接件(614)与底板(1)固定；所述短横向连接杆(612)的中部与第三竖支撑杆(615)的上端铰接；所述第三竖支撑杆(615)的下端与前后横向连接杆(616)铰接；所述前后横向连接杆(616)的前端与第一竖支撑杆(611)的中部铰接；所述前后横向连接杆(616)的后端对称地铰接在后左平行四连杆机构(63)中。

2.根据权利要求1所述的机器人攀爬底盘装置，其特征在于，所述前攀爬支撑模块(4)以及后攀爬支撑模块(5)的结构相同，且前后对称设置。

3.根据权利要求2所述的机器人攀爬底盘装置，其特征在于，所述前攀爬支撑模块(4)包括：

前支撑轮(41)，所述前支撑轮(41)由左右两个平行的前攀爬支撑架(42)夹持；

所述前攀爬支撑架(42)通过第一角码连接件(43)与U型支架(44)相固定；

所述U型支架(44)通过法兰联轴器(45)与双轴电机(46)的轴固定；

所述双轴电机(46)通过电机支座(47)固定在底板(1)上。

4.根据权利要求1所述的机器人攀爬底盘装置，其特征在于，所述前左平行四连杆机构(61)与前右平行四连杆机构(62)通过左右横向连接杆(65)铰接；所述左右横向连接杆(65)的中部装有轴承(66)，所述轴承(66)通过三通紧固件(67)与电动伸缩杆(68)固定，所述电动伸缩杆(68)通过吊耳(69)与底板(1)固定。

5.根据权利要求4所述的机器人攀爬底盘装置，其特征在于，所述底板(1)上还设置有控制器(2)以及三轴加速度计陀螺仪模块(3)；其中，所述控制器(2)根据所述三轴加速度计陀螺仪模块(3)采集的数据，控制所述电动伸缩杆(68)运动，以调整所述机器人攀爬底盘装置的重心。

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