全方位移動機器人的可調節移動機構的製作方法

2023-07-10 11:12:21

專利名稱：全方位移動機器人的可調節移動機構的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種全方位移動機器人的可調節移動機構，通過改變全方位輪的位置與姿態，可以改變機器人運動速度的變化範圍、最大速度以及運動效率，從而提高機器人的運動性能。屬機器人技術領域。
背景技術：
輪式移動機器人由於控制簡單、移動靈活，已經被廣泛應用於人類的生產、生活實踐中，比如雙輪差速移動機器人，是其中應用最廣泛的一種移動方式；而全方位移動機器人作為完整約束系統，採用全方位輪這種特殊的機構，在2維平面上具有3個自由度，可以沿任意方向同時作平動與轉動，在保持姿態不變的情況下，可以完成任意方向的移動，它非常適合工作在空間狹窄有限、對機器人的機動性要求高的場合中，正是由於全方位移動機器人擁有比雙輪差速更靈活的運動性能，已經被應用於許多領域，如全方位移動輪椅、RoboCup比賽(機器人足球世界盃賽)等。
移動機器人由移動機構、傳感器和控制器等組成.其中移動機構是移動機器人運動的基礎，而作為實現全方位移動機器人特殊運動性能的移動機構——全方位輪的布置方式是全方位移動機器人研究的一個關鍵技術。移動機構直接影響機器人的控制以及最終的運動效果。
全方位移動機器人作為一個重要的研究課題，國內已經進行了很多這方面的研究，但都局限於對具有固定的移動機構的機器人進行相應的研究，即全方位輪布置方式在機器人設計完成後，並不能改變。但由於全方位輪特殊的機構特性，使得當輪子安裝方式改變時，可以得到不同的運動性能，因此為了更好的利用全方位輪的這種特殊性能，有必要開發一種可變移動機構，在運動時，根據不同的控制需要改變輪子的布置方式，適應不同的運動場合，從而使得全方位移動機器人能夠充分發揮其優勢。
經查找，中國發明專利(申請號200310117170.X)公開了一種變結構腿輪式探測機器人。該發明提出了一種可以變形的行駛機構，採用平行六邊形的車身，通過電機驅動可使車身變寬或變窄，並且採用了腿輪變換的結構，從而使得車身的變形、車身高低的變化以及腿和輪的轉化結合起來，可具有多種變形方式。但該變結構機器人在機構變形時，只是利用平行六邊形結構使得車身變寬或變窄，並沒有提及改變機器人運動時速度的變化範圍，也沒有提出根據機構變形使得機器人運動效率得到改變，同時並未提及適用於全方位移動機器人。

發明內容
本發明的目的在於針對現有技術的不足，開發提供一種全方位移動機器人的可調節移動機構，使得全方位移動機器人在運動過程中可以隨意調節全方位輪的位置和姿態，從而獲得可變的速度範圍以及運動效率，改善全方位移動機器人的運動效果。
為實現這一目的，本發明所提出的可調節移動機構是針對四輪小車所設計的，由兩個用於車輪位置改變的連杆系及兩個用於車輪姿態改變的連杆系組成。小車四輪的位置及姿態分別獨立受控。車輪姿態改變連杆系由平行四連杆機構及對心曲柄滑塊機構所組成，由連杆及絲槓滑塊組成的對心曲柄滑塊機構中，搖杆可由絲槓滑塊驅動。而當絲槓滑塊改變位置時，可以通過改變平行四連杆機構形狀，引起車輪固定架轉動，進而可以控制車輪的姿態。車輪位置改變連杆系由一個對心曲柄滑塊機構所組成，通過驅動滑塊使得搖杆轉動，從而可使車輪固定架繞中心轉動而其姿態不變，達到單獨控制車輪位置的目的。
本發明可調節移動機構的具體結構組成為在車身上交錯布置兩組相同結構的車輪姿態改變連杆系及兩組相同結構的車輪位置改變連杆系，每組車輪姿態改變連杆系由車輪固定架、主支撐杆、直杆、以及一個由絲槓滑塊、連杆、搖杆構成的對心曲柄滑塊機構組成，主支撐杆的中心鉸接在車身上，主支撐杆的兩端分別連接一個車輪固定架，每個車輪固定架上安裝一個全方位車輪及其驅動裝置，搖杆的一端鉸接在主支撐杆的中心作為曲柄滑塊機構的迴轉中心，搖杆的另一端連接直杆的中部，並與連杆的一端相連，連杆的另一端與絲槓滑塊相連。主支撐杆兩端的車輪固定架、主支撐杆、直杆及搖杆組成一個平行四連杆機構。每組車輪位置改變連杆系由主支撐杆、連杆、絲槓滑塊構成一個對心曲柄滑塊機構，其中連杆的一端連接主支撐杆，另一端連接絲槓滑塊，主支撐杆充當搖杆，主支撐杆的中心為曲柄滑塊機構的迴轉中心。車身上安裝兩個驅動鋼槓，分別與兩組連杆系中的絲槓滑塊相連。
當驅動車輪姿態改變連杆系中的絲槓滑塊運動時，搖杆在連杆的帶動下繞曲柄滑塊機構的迴轉中心轉動，從而帶動直杆，使得平行四連杆機構變形，最終引起車輪固定架轉動，而全方位輪安裝在車輪固定架上，從而可以達到控制車輪姿態的目的。
當驅動車輪位置改變連杆系中的絲槓滑塊運動時，主支撐杆繞曲柄滑塊機構的迴轉中心轉動，由於車輪固定架安裝於主支撐杆上，因此可以達到控制車輪位置的目的。同時由於主支撐杆轉動時，車輪姿態改變連杆系中搖杆的姿態不變，因此車輪位置改變時，車輪姿態可以保持不變，從而可以達到車輪姿態與位置的獨立控制。
本發明的可調節移動機構有如下優點由兩組平行連杆構成結構特徵，實現簡單；車輪姿態及位置的改變相對完全獨立，互不影響；可以根據不同的運動方式快速、靈活地改變各車輪的位置及姿態，實現不同形態的分布從而改變小車的運動特性，使小車的靈活性大大提高。用兩個直線驅動便可驅動四個輪子的姿態及位置共十二個自由度。


圖1為本發明的可調節移動機構的結構示意圖，圖中所示為對角二輪的結構俯視圖。
圖1中，1為全方位車輪，2為車輪固定架，3為主支撐杆，4為直杆，5為第一絲槓滑塊，6為第一連杆，7為搖杆，8為第二絲槓滑塊，9為第二連杆，10為車身。
圖2為採用本發明移動機構的車輪位置變化及姿態變化示意圖。
具體實施例方式
以下結合附圖對本發明的技術方案作進一步描述。
本發明可調節移動機構包括在車身上交錯布置兩組相同結構的車輪姿態改變連杆系及兩組相同結構的車輪位置改變連杆系。圖1所示的是其中一組的結構，描述了對角兩個全方位車輪1的安裝控制方式，另外一組對角兩輪與圖示的完全相同。主支撐杆3的中心鉸接在車身10上，主支撐杆3的兩端分別連接一個車輪固定架2，每個車輪固定架2上安裝一個全方位車輪1及其驅動裝置(圖中沒標出)。
構成本發明結構特徵的主要為兩組連杆，分別為車輪姿態改變連杆系及車輪位置改變連杆系。以下分別論述。
車輪姿態改變連杆系該連杆系由車輪固定架2，主支撐杆3，直杆4及一個對心曲柄滑塊機構組成，其中對心曲柄滑塊機構由第一絲槓滑塊5和第一連杆6及搖杆7構成。搖杆7的一端鉸接在主支撐杆3的中心作為曲柄滑塊機構的迴轉中心，搖杆7的另一端連接直杆4的中部，並與第一連杆6的一端相連，第一連杆6的另一端與第一絲槓滑塊5相連，第一絲槓滑塊5與安裝在車身10上的一個驅動鋼槓相連。
主支撐杆3兩端的車輪固定架2、主支撐杆3、直杆4及搖杆7組成一個平行四連杆機構。當驅動第一絲槓滑塊5運動時，搖杆7在第一連杆6的帶動下繞曲柄滑塊機構的迴轉中心轉動，從而帶動直杆4，使得平行四連杆機構變形，最終引起車輪固定架2轉動。由於全方位車輪1固定在車輪固定架2上，因此可以達到控制車輪姿態的目的。
車輪位置改變連杆系該連杆系由主支撐杆3，第二連杆9，第二絲槓滑塊8組成，同時它們也構成了一個對心曲柄滑塊機構，其中第二連杆9的一端連接主支撐杆3，另一端連接第二絲槓滑塊8，主支撐杆3充當搖杆，主支撐杆3的中心為曲柄滑塊機構的迴轉中心。第二絲槓滑塊8與安裝在車身10上的另一個驅動鋼槓相連。
當驅動第二絲槓滑塊8運動時，主支撐杆3繞曲柄滑塊機構的迴轉中心轉動，由於車輪固定架2安裝於主支撐杆3上，因此可以達到控制車輪位置的目的。而且因為主支撐杆3轉動時，車輪姿態改變連杆系中搖杆7的姿態不變，因此車輪位置改變時，車輪姿態可以保持不變，從而可以達到車輪姿態與位置的獨立控制。
另外兩個對角輪子的姿態、位置驅動與上述雷同。
由上所述，只要分別控制第一絲槓滑塊5和第二絲槓滑塊8，就可以分別驅動和改變四個車輪的姿態及位置，而且姿態及位置的變化不會互相影響，完全獨立。圖1中的運動一驅動四個車輪的位置，運動二驅動四個車輪的姿態。因此安裝有本發明可調節動機構的全方位移動機器人在運動時，可以通過控制絲槓滑動塊5、8的位置，獲得可變的運動速度範圍和運動效率，從而最終達到提高全方位移動機器人運動性能的目的。
圖2為採用本發明移動機構的車輪位置變化及姿態變化示意圖。如圖2所示，車輪位置變化時，姿態可以保持不變；車輪姿態變化時，位置可以保持不變。
權利要求
1.一種全方位移動機器人的可調節移動機構，其特徵在於在車身(10)上交錯布置兩組相同結構的車輪姿態改變連杆系及兩組相同結構的車輪位置改變連杆系，每組車輪姿態改變連杆系由車輪固定架(2)、主支撐杆(3)、直杆(4)、以及一個由第一絲槓滑塊(5)、第一連杆(6)、搖杆(7)構成的對心曲柄滑塊機構組成，主支撐杆(3)的中心鉸接在車身(10)上，主支撐杆(3)的兩端分別連接一個車輪固定架(2)，每個車輪固定架(2)上安裝一個全方位車輪(1)及其驅動裝置，搖杆(7)的一端鉸接在主支撐杆(3)的中心作為曲柄滑塊機構的迴轉中心，搖杆(7)的另一端連接直杆(4)的中部，並與第一連杆(6)的一端相連，第一連杆(6)的另一端與第一絲槓滑塊(5)相連，第一絲槓滑塊(5)與安裝在車身(10)上的一個驅動鋼槓相連；主支撐杆(3)兩端的車輪固定架(2)、主支撐杆(3)、直杆(4)及搖杆(7)組成一個平行四連杆機構；每組車輪位置改變連杆系由主支撐杆(3)、第二連杆(9)、第二絲槓滑塊(8)構成一個對心曲柄滑塊機構，其中第二連杆(9)的一端連接主支撐杆(3)，另一端連接第二絲槓滑塊(8)，主支撐杆(3)充當搖杆，主支撐杆(3)的中心為曲柄滑塊機構的迴轉中心，第二絲槓滑塊(8)與安裝在車身(10)上的另一個驅動鋼槓相連。
全文摘要
本發明涉及一種全方位移動機器人的可調節移動機構，由兩個用於車輪位置改變的連杆系及兩個用於車輪姿態改變的連杆系組成，車輪姿態改變連杆系由平行四連杆機構及對心曲柄滑塊機構所組成，由連杆及絲槓滑塊組成的對心曲柄滑塊機構中，搖杆可由絲槓滑塊驅動。而當絲槓滑塊改變位置時，可以通過改變平行四連杆機構形狀，引起車輪固定架轉動，進而可以控制車輪的姿態。車輪位置改變連杆系由一個對心曲柄滑塊機構所組成，通過驅動滑塊使得搖杆轉動，從而可使車輪固定架繞中心轉動而其姿態不變，達到單獨控制車輪位置的目的。本發明實現簡單，可以根據不同的運動方式改變各車輪的位置及姿態，從而快速靈活地改變小車的運動特性。
文檔編號B25J11/00GK1817577SQ200610024279
公開日2006年8月16日 申請日期2006年3月2日 優先權日2006年3月2日
發明者冷春濤, 曹其新, 劉偉豪 申請人:上海交通大學