內置有用於克服地形的輔助輪的小型移動機器人的製作方法

2023-05-05 02:22:16 3

專利名稱：內置有用於克服地形的輔助輪的小型移動機器人的製作方法
技術領域：
本發明涉及與目前為止的工業機器人不同的，可向人類提供高層次的各種服務的 小型移動機器人，尤其涉及內置有用於克服地形的輔助輪的小型移動機器人，其可用於無 所不在的傳感器網絡(USN，Ubiquitous Sensor Network)或無所不在的機器人伴侶(URC， Ubiquitous Robotic Companion)用最下部裝置，且其輔助輪平時隱藏於主體內部，但當遇 到存在高度差異的地形時，輔助輪下降以接觸地面，起到支撐杆的作用，而且，輔助輪只沿 前進方向旋轉，而不能反向旋轉，從而有利於其通過存在高度差異的地形。
背景技術：
最近，在全世界範圍內，受機器人產業的快速發展和研究支援政策的鼓舞，對智能 型服務機器人、工業用智能型機器人及用於特殊目的的智能型機器人的開發相當活躍，而 且，為了提供高級功能的各種服務，重點開展對機器人功能和機器人移動的研究。尤其是， 用於勘探、觀測、警戒等目的的機器人，為使其在所需位置執行目標功能，需構建檢測系統 並添加通信技術、網絡技術、各種移動功能、克服障礙物及極限地形的功能，以製造出具備 獲取可靠信息，擴大活動領域等高級功能的機器人。通常，兩輪移動機器人，較之兩腳機器人及特殊形態的移動機器人，具有其移動機 理簡單，速度及經濟性高等特點，但在特殊地形中的移動方面收到限制，因此，在進行容易 移動的兩腳機器人、多輪機器人及附著有特殊形態的驅動裝置的機器人的研究。另外，兩輪 移動機器人或兩輪服務機器人，較之現有技術的人形機器人及各種移動型機器人，具有其 製作成本低廉，機理簡單，但移動性好的特點。上述兩輪移動機器人1的一例如圖1所示。上述兩輪移動機器人1與一般現有技 術的USN傳感器節點不同，是可在移動中進行通信，且可在所需位置實時傳遞各種信息的 可移動的兩輪小型智能型機器人。上述兩輪小型智能型機器人1在主體10的兩側具備兩 個輪子20a、20b，通過利用藍牙的個人數字助理(PDA) 30和機器人之間的無線通信方式，在 PDA 30畫面的控制窗口確認並控制機器人的移動(前進、後退、旋轉等)/停止、攝像頭影像 信息監控等，而且，通過對直流(DC)電機的速度調節，可控制機器人的移動速度並檢測各 種傳感器的信息。另外，也可添加利用遙控器40的控制功能，使用時，因有與機器人的移動 相關的按鈕(前進、後退、旋轉等)/停止，而且還有速度調節按鈕，從而可容易地在狹小空 間移動並繞開阻礙移動的障礙物。在一般USN系統中，為了在較寬的區域獲取準確穩定的環境信息，需要多個傳感 器節點系統。但是像上述兩輪小型移動機器人1，可相互進行通信，而且可移動，因此具有可 擴大檢測環境區域的優點，而且可最大限度地到達所需位置，從而可準確檢測所要檢測的 目標值。為了系統的順利移動和動作控制，上述兩輪小型移動機器人1利用陀螺儀傳感 器、加速度傳感器及編碼器，檢測傾斜和慣性所產生的扭曲，並通過構建反饋補償電路，保 持姿勢及平衡。另外，內置有用於檢測障礙物及物體的傳感器，從而可實時檢測前後方狀
3況，為迴避提供信息。另外，為達到系統的小型化目的，內置有用於影像及通信的整合模塊，而這用於機 器人之間的通信及與伺服器之間的通信，而且，可在機器人的移動過程中交換位置信息。但 是，上述具備優秀功能的兩輪小型智能型機器人1，在移動至檢測目的地時，若遇到特殊地 形中的門檻等存在高度差異的地形時，則不能通過高度差異，出現兩輪向後倒退的現象。因 此，在存在高度差異的地形中，存在不能克服障礙物而倒退，從而不能前進至目的地的問 題。

發明內容
本發明用於克服所述現有技術的不足，其目的在於構築現有智能型機器人研究的 基礎技術並提供用於反向工程的，用於高層次個人服務的，高級功能的工業服務，提供一種 通過容易地克服存在高度差異的地形，可用於現有智能型機器人技術的提高和USN及URC 產業的高級功能的內置有用於克服地形的輔助輪的小型移動機器人。本發明的另一目的在於，提供一種的內置有用於克服地形的輔助輪的小型移動機 器人，其輔助輪平時隱藏，而當遇到存在高度差異的地形時，則輔助輪下降以克服地形，從 而可容易地在小型狹窄地形中移動，而且，具備新的高級功能。為了達到上述目的，本發明提供一種內置有用於克服地形的輔助輪的小型移動機 器人，在可在移動中進行通信，且可在所需位置實時傳遞各種信息的可移動的兩輪小型智 能型機器人中，其特徵在於，包括主體，兩個主輪設置在其兩側；伺服電機，搭載於所述主體且其旋轉軸可正向/逆向旋轉；輔助輪，通過連接部連接於所述伺服電機的旋轉軸；及單向旋轉部件，附著於上述輔助輪並只可沿輔助輪的行進方向旋轉，而防止逆向 旋轉；其中，所述輔助輪平時內置於主體內部，但當遇到存在高度差異的地形時，輔助輪 下降以接觸地面，逆向起到支撐杆的作用，正向起到旋轉輔助輪的作用，從而所述小型移動 機器人可通過存在高度差的地形。另外，較佳地，本發明所述連接部，包括第一連杆，其一側端部連接於所述伺服電 機的旋轉軸；第二連杆，其一側可旋轉地連接於所述第一連杆的另一側端部，而另一側端部 上可旋轉地設置有所述輔助輪；而且，所述第二連杆可旋轉地連接在具備於所述主體的鉸 鏈軸。另外，較佳地，本發明所述第二連杆，在其中間形成長孔以連接於鉸鏈軸，而所述 鉸鏈軸可沿所述長孔移動。另外，較佳地，本發明所述連接部，在伺服電機沿第一方向旋轉時，將輔助輪向上 旋轉至主體的上部側空間，以內置於主體內部；而在伺服電機沿與所述第一方向相反的第 二方向旋轉時，將輔助輪從主體的上部側空間向下旋轉，以使其接觸地面。另外，較佳地，本發明所述輔助輪具備可旋轉地設置於連接部末端的輪子，而且， 在該輪子的一側面設置單向旋轉部件。另外，較佳地，本發明所述輔助輪具備可旋轉地設置於連接部末端的多個輪子，而且，在其一側面設置單向旋轉部件。另外，較佳地，本發明所述單向旋轉部件，包括鋸齒部件，固定於輪子的一側面； 制動杆，其端部掛接於所述鋸齒部件；其中，所述制動杆的掛接於鋸齒部件的其末端位置位 於所述輪子的中心軸前方，從而允許輔助輪的正向旋轉，防止逆向旋轉。另外，較佳地，所述單向旋轉部件，向連接部的末端上部一側形成突出部以可旋轉 地設置制動杆，而且所述突出部向輪子的外側突出。另外，較佳地，所述輪子的外周面形成有鋸齒形糙面。本發明具有如下效果首先，現有技術的移動機器人，為克服高度差異及地形需要複雜的結構設計或輔 助裝置，但本發明的小型移動機器人，其輔助輪平時隱藏於主體內部，而當遇到存在高度差 異的地形時，下降以容易克服高度差異，從而可通過小的結構改變在存在高度差異的地形 中順利移動，因而可通過簡單的結構，獲得高的經濟效益。另外，因可附著各種形態的輔助輪可根據地形選擇適合的輔助輪，從而可移動至 各種移動區域。不僅如此，通過附著輔助輪以在存在高度差異的地形或特殊地形中順利通過，而 且，在移動至目標位置的過程中，提供通過通信的環境信息及障礙物信息，從而可以各種方 式應用於移動機器人領域。因此，根據本發明可彌補現有技術的兩輪智能型移動機器人的不足，容易克服存 在高度差異的地形，可揭示新的高級功能的內置有輔助輪的小型移動機器人。


圖1為現有技術的兩輪小型移動機器人的整體結構示意圖；圖2為本發明內置有用於克服地形的輔助輪的小型移動機器人示意圖；圖3為本發明內置有用於克服地形的輔助輪的小型移動機器人詳細示意圖，其 中，圖a)為主體和輔助輪分解示意圖；圖b)為表示連接部動作的詳細示意圖；圖4為本發明內置有用於克服地形的輔助輪的小型移動機器人側面圖，其中，圖 a)為後方側面圖；圖b)為右側面圖；圖5為在本發明內置有用於克服地形的輔助輪的小型移動機器人中，安裝鋸齒結 構輪子的結構示意圖；圖6為本發明內置有用於克服地形的輔助輪的小型移動機器人通過存在高度差 異的地形的過程示意圖。附圖標記說明1現有技術的兩輪移動機器 10、110主體20a、20b、112a、112b 輪子 30PDA40遙控器100本發明內置有用於克服地形的輔助輪的小型移動機器人120輔助輪122伺服電機12 旋轉軸130連接部132第一連杆1；35第二連杆
140鉸鏈軸151、151'輪子
142長孔 160單向旋轉部件 164制動杆
K存在高度差異的地形162鋸齒部件170突出部
具體實施例方式下面，結合附圖對本發明較佳實施例進行詳細說明。如圖2所示，本發明內置有用於克服地形的輔助輪的小型移動機器人100，具備輔 助輪120以容易克服存在高度差異的地形。首先，說明本發明內置有用於克服地形的輔助 輪的小型移動機器人100的運行機理。本發明內置有用於克服地形的輔助輪的小型移動機器人100，是在將各種傳感器 和影像裝置搭載於機器人平臺的狀態下移動，並檢測所需位置的環境信息並將其通過無線 通信傳送的系統。基本而言，為移動而在主體110上具備兩個主輪llh、112b，尤其是，在其 後方具備輔助輪120，以克服存在高度差異的地形。上述輔助輪120連接於設置在主體110後方的伺服電機122的旋轉軸122a，從而 在遇到存在高度差異的地形時，使輔助輪120下降以接觸地面，從而起到支撐杆的作用。上 述輔助輪120隻沿前進方向旋轉，而逆向旋轉受限。上述輔助輪120設置於主體110的後 面，而且，通過搭載於上述主體110的伺服電機122運行。所述伺服電機122的旋轉軸12 可正向/逆向旋轉，而且，輔助輪120通過連接部130連接於旋轉軸12加。如圖3a、!3b所示，所述連接部130，包括第一連杆132，其一側端部連接於所述伺 服電機122的旋轉軸12 ；第二連杆135，其一側可旋轉地連接於所述第一連杆132的另一 側端部，而另一側端部上可旋轉地設置有所述輔助輪120。另外，如圖所示，所述第二連杆 135的長度大於第一連杆132，且可旋轉地連接在具備於所述主體110的鉸鏈軸140，而通過 這樣的結構，所述連接部130在伺服電機122的旋轉軸12 沿第一方向旋轉時，例如正向 旋轉時，使第一連杆132旋轉，以通過第二連杆135將輔助輪120向上旋轉至主體110的上 部側空間，如圖2的虛線顯示，內置於主體110內部。與此不同，在沿與所述第一方向相反的第二方向旋轉時，例如逆向旋轉時，使第一 連杆132反向旋轉，以通過第二連杆135將輔助輪120從主體110的上部側空間向下旋轉， 如圖2的虛線顯示，使其接觸地面。另外，所述第二連杆135在其中間形成長孔142以連接於鉸鏈軸140，而在上述長 孔142中，可沿所述長孔142移動地連接有所述鉸鏈軸140。上述結構示於圖北中，而通過 上述結構，即使伺服電機122的旋轉軸12 和所述鉸鏈軸140偏離同軸狀態，也能通過伺 服電機122的運行使第二連杆135旋轉。即，在伺服電機122將輔助輪120下降至地面的 如圖2的實線和圖北的實線位置上，鉸鏈軸140在長孔142中位於與輔助輪120較近的一 側，而在伺服電機122將輔助輪120內置於主體110內部的如圖2及圖北的虛線位置上， 鉸鏈軸140在長孔142中位於與輔助輪120較遠的位置。另外，在本發明內置有用於克服地形的輔助輪的小型移動機器人1中，所述輔助 輪120具備可旋轉地設置於連接部130末端的輪子151，而且，在該輪子151的一側面設置 單向旋轉部件160。此時，所述輪子151可具備圓盤結構，而且，如圖2及圖4a、4b所示，也可具備多個輪子151。上述輔助輪120具備單向旋轉部件160，以只沿行進方向，即主體110的前進方向 旋轉，而防止沿逆向，即主體110的後退方向旋轉，而通過上述單向旋轉部件160，當輔助輪 120下降以與地面接觸之後，逆向起到支撐杆的作用，而正向起到旋轉輔助輪的作用。如 圖4b所示，所述單向旋轉部件160，包括鋸齒部件162，固定於輪子151的一側面；制動杆 164，其端部掛接於所述鋸齒部件162。另外，所述制動杆164的掛接於鋸齒部件162的其末端位置位於所述輪子151的 中心軸前方，從而允許輔助輪120的正向旋轉，而防止逆向旋轉。另外，如圖5所示，所述單向旋轉部件160向連接部130的末端上部一側形成突出 部170以可旋轉地設置制動杆164，而在上述結構中，所述突出部170向輪子15Γ的外側 突出。尤其是，在上述結構中，在構成所述輔助輪120的輪子151 』的直徑小，且在其外周面 形成鋸齒形糙面。若形成如上所述的鋸齒形糙面，則較之上述圓形輪151，具有可在表面不 平的地形或一般地形中增加摩擦面，更減少倒退現象的優點。如上所述，在本發明中，伺服電機122以可遠程控制的形式連接於微控制器(未圖 示)，以可在外部控制，而且，在必要的狀況，即只在遇到存在高度差異的地形時，通過遠程 控制下降至地面，而平時內置於主體內。如圖6所示，上述結構的本發明內置有用於克服地形的輔助輪120的小型移動機 器人100，利用具備於主體110的兩個主輪112a、112b移動至目的地。此時，與現有技術中 一樣，用戶通過利用藍牙的PDA與機器人之間的無線通信方式，在PDA畫面的控制窗口確認 並控制機器人的移動(前進、後退、旋轉等)/停止、攝像頭影像信息監控等，而且，通過對DC 電機的速度調節，控制機器人的移動速度並檢測各種傳感器的信息。與此同時，在使用遙控器時，利用與機器人的移動相關的按鈕(前進、後退、旋轉 等)/停止及速度調節按鈕，容易在狹小空間移動並繞開阻礙移動的障礙物。 如圖6所示，在上述移動過程中，若遇到存在高度差異的地形K，則使輔助輪120下 降以與地面接觸，逆向起到支撐杆的作用，正向起到旋轉輔助輪的作用，從而克服存在高度 差異的地形。此時，用戶可通過內置於主體110的攝像頭(未圖示)，在遠程PDA上容易確認存 在高度差異的地形。即，若用戶通過攝像頭影像預先檢測到行進方向一側的存在高度差異 的地形K，則將使輔助輪120下降，而在機器人將輔助輪120內置於主體110內的狀態下 後退時，因以整體上稍向前傾斜的狀態移動，攝像頭的方向指向稍向下的方向，從而操作者 更容易檢測存在高度差異的地形K，並根據上述信息通過PDA或遙控器遠程啟動伺服電機 122，使輔助輪120下降。另外，操作者可利用控制器等隨意使輔助輪下降至地面。較佳地，在利用所述攝像頭檢測存在高度差異的地形K時，啟動伺服電機122預先 使內置於主體110後端部的輔助輪120下降至後面地面之後，在輔助輪120下降的狀態下， 接近存在高度差異的地形。此時，通過單向旋轉部件160隻沿前進方向旋轉的輔助輪120， 在因垂直存在高度差異的地形K，兩個主輪11加、112b後退時，起到支撐杆的作用。即，在兩 個主輪112a、112b最大限度地接近垂直存在高度差異的面時，輔助輪120最終起到支撐兩 個主輪112a、112b後退的反作用力的支撐杆的作用，而通過上述力兩個主輪112a、112b爬 上存在高度差異的垂直面。
在上述情況下，單向旋轉部件160在兩個主輪112a、112b接觸存在高度差異的地 形而倒退時，通過使制動杆164掛接於鋸齒部件162防止輔助輪120的逆向旋轉。因此，主 體110不向後方倒退而緊貼於存在高度差異的地形，且通過主輪112a、112b的旋轉通過存 在高度差異的地形。此時，因兩個主輪112a、112b的沿前進方向的力，向相反方向產生反作用力，從而 通過該反作用力成分，在輔助輪120和地面的接觸點部分形成力學關係。即，通過輔助輪 120向地面作用的力的成分，向相反方向形成反作用力成分，而上述力作用於使主體110前 進的方向，從而產生推力。因此，輔助輪120在小型移動機器人的後面起到推動機器人的作 用，輔助產生克服存在高度差異的地形的力。如上所述，現有技術的移動機器人，為克服高度差異及地形需要複雜的結構設計 或輔助裝置，但本發明小型移動機器人，其輔助輪120平時隱藏於主體110內部，而當遇到 存在高度差異的地形K，輔助輪120下降以容易克服高度差異。因此，本發明以附著輔助輪 120的小的改變可在存在高度差異的地形K中順利移動，從而可通過簡單的結構，獲得高的 經濟效益。另外，本發明因可附著鋸齒形等各種形式的輔助輪120，從而可根據地形選擇適合 的輔助輪120，移動至各種移動區域。不僅如此，本發明不僅在存在高度差異的地形或特殊地形中順利通過，而且，在向 移動至目標位置的過程中，通過通信提供環境信息及障礙物信息，從而可以各種方式應用 於移動機器人領域。另外，本發明彌補現有技術的兩輪智能型移動機器人的不足，容易克服 存在高度差異的地形K，提供新的高級功能的內置有輔助輪120的小型移動機器人。上述實施例僅用以說明本發明而非限制，本領域的普通技術人員應當理解，可以 對本發明進行修改、變形或者等同替換。例如，在輔助輪的輪子上附著用於防止滑動的摩擦 係數高的襯層，或形成滾紋(knurling)等糙面，或具備多個輪子等。而在不脫離本發明的 精神和範圍，其均應涵蓋在本發明的權利要求範圍當中。
權利要求
1.一種內置有用於克服地形的輔助輪的小型移動機器人，在可在移動中進行通信， 且可在所需位置實時傳遞各種信息的可移動的兩輪小型智能型機器人中，其特徵在於，包 括主體，兩個主輪設置在其兩側；伺服電機，搭載於所述主體且其旋轉軸可正向/逆向旋轉；輔助輪，通過連接部連接於所述伺服電機的旋轉軸；及單向旋轉部件，附著於所述輔助輪並只可沿輔助輪的行進方向旋轉，而防止逆向旋轉；其中，所述輔助輪平時內置於主體內部，但當遇到存在高度差異的地形時，輔助輪下降 以接觸地面，逆向起到支撐杆的作用，正向起到旋轉輔助輪的作用，從而所述小型移動機器 人可通過存在高度差的地形。
2.根據權利要求1所述的內置有用於克服地形的輔助輪的小型移動機器人，其特徵在 於所述連接部，包括第一連杆，其一側端部連接於所述伺服電機的旋轉軸；第二連杆，其 一側可旋轉地連接於所述第一連杆的另一側端部，而另一側端部上可旋轉地設置有所述輔 助輪；而且，所述第二連杆可旋轉地連接在具備於所述主體的鉸鏈軸。
3.根據權利要求2所述的內置有用於克服地形的輔助輪的小型移動機器人，其特徵在 於所述第二連杆，在其中間形成長孔以連接於鉸鏈軸，而所述鉸鏈軸可沿所述長孔移動。
4.根據權利要求2所述的內置有用於克服地形的輔助輪的小型移動機器人，其特徵在 於所述連接部，在伺服電機沿第一方向旋轉時，將輔助輪向上旋轉至主體的上部側空間， 以內置於主體內部，而在伺服電機沿與所述第一方向相反的第二方向旋轉時，將輔助輪從 主體的上部側空間向下旋轉，以使其接觸地面。
5.根據權利要求1所述的內置有用於克服地形的輔助輪的小型移動機器人，其特徵在 於所述輔助輪具備可旋轉地設置於連接部末端的輪子，而且，在該輪子的一側面設置單向 旋轉部件。
6.根據權利要求1所述的內置有用於克服地形的輔助輪的小型移動機器人，其特徵在 於所述輔助輪具備可旋轉地設置於連接部末端的多個輪子，而且，在其一側面設置單向旋 轉部件。
7.根據權利要求5或6所述的內置有用於克服地形的輔助輪的小型移動機器人，其特 徵在於所述單向旋轉部件，包括鋸齒部件，固定於輪子的一側面；制動杆，其端部掛接於 所述鋸齒部件；其中，所述制動杆的掛接於鋸齒部件的其末端位置位於所述輪子的中心軸 前方，從而允許輔助輪的正向旋轉，防止逆向旋轉。
8.根據權利要求8所述的內置有用於克服地形的輔助輪的小型移動機器人，其特徵在 於所述輪子的外周面形成有鋸齒形糙面。
全文摘要
本發明涉及用兩個輪子保持姿勢，可前後左右移動的小型移動機器人，尤其涉及在其內部內置輔助輪以克服地形高度差異的小型移動機器人。具備於本發明小型移動機器人的輔助輪，以附著於伺服電機的形式，通過遠程控制驅動伺服電機；以使輪子移動至所需位置的形式，在平時行駛時，隱藏於機器人內部，但當遇到存在高度差異的地形時，下降以接觸地面，當主輪爬上高的地形時，在後面起到支撐杆的作用。另外，本發明小型移動機器人具備用於檢測障礙物的傳感器和控制模塊，從而在移動至目的地時可繞過障礙物移動，而且，還具備在移動中通過機器人之間的無線通信掌握位置的功能，及通過攝像頭傳遞環境信息的功能。本發明小型移動機器人以附著輔助輪的形式，通過小的改變可在存在高度差異的地形中順利移動，從而可通過簡單的結構，獲得高的經濟效益。
文檔編號B25J5/00GK102099157SQ200980128253
公開日2011年6月15日 申請日期2009年7月29日 優先權日2008年8月1日
發明者康晶浩, 李素永, 金敏奎 申請人:豪雅機器人有限公司