一種輪腿複合式移動機器人平臺的製作方法

2023-05-11 23:18:46

專利名稱：一種輪腿複合式移動機器人平臺的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及機器人技術，具體為一種改進的輪腿複合式移動機器人平臺。
背景技術：
輪式移動機器人平臺的優點是高速高效，缺點是地形適應能力差。為了適應複雜的地形環境，現在很多機器人都不單單採用輪式移動機構，更多的是採用輪履式、輪腿式或是輪履腿式等複合移動機構。複合移動機器人平臺在不同環境下採用不同的行進策略，極大地提高了機器人的前進速度和地形適應能力，成為當今室外機器人發展的一個主要方向。移動機器人平臺是一個基礎平臺，其上可搭載控制系統、檢測系統和機械手等，可以實現許多普通機器人難以實現的功能。機器人平臺是一個獨立的模塊，和其他平臺之間相互獨立，便於二次開發和改裝，應用範圍很廣。機器人移動平臺系統要解決的實質問題是，通過對機器人的工作環境、要實現的具體功能等技術指標進行綜合性能分析，設計出一套最優機械結構，使機器人能夠實現規定的動作和相應的控制。移動平臺系統設計的首要問題是確定其行進方式，單一的行進方式主要有輪式、腿式和履帶式。單一的行進方式各有其特點和缺點，由於不能滿足複雜地形的要求，因而現在大都採用兩種以上的複合行進方式，這樣的機器人平臺對複雜地形具有更強的適應能力。例如，新型探測車複合式移動系統結構設計及運動分析(尚偉燕等，機械科學與技術，第觀卷第7期2009年7月)、輪履複合式軍用地面探測車運動學建模及分析 (尚偉燕等，航空動力學報，第M卷第10期2009年10月)採用的是輪履複合式移動平臺； 還例如，腿履複合機器人自主越障分析與動作規劃(王偉東等，哈爾濱工業大學學報，第41 卷第5期2009年5月)採用的是腿履複合式移動平臺；再例如，翻滾型輪腿式移動機器人 (劉方湖等，上海交通大學學報，第32卷第5期2001年10月)、輪腿式機器人傾覆穩定性分析與控制(田海波等，機器人學報，第31卷第2期2009年3月)採用的是輪腿複合式移動平臺。現有的輪腿機器人主要有以下幾種1，以美國Mars Rover火星探測車為代表的六輪腿移動機器人，這類機器人可跨越高於其輪徑的障礙，但受其結構的限制，車輪較小， 車身距離地面距離太小，在複雜地形環境下必須頻繁抬腿越障，行進效率不高，能耗較大。 2，以上海交通大學三角叉式輪腿機器人為代表，這類機器越障能力較強，控制簡單，但其在平整地形採用和複雜地形採用相同的行進方式，效率低下，並且底盤振動劇烈，機器人平臺壽命不長。3，以清華大學設計的輪腿可變結構移動機器人為代表，這類機器人可實現輪、 腿、輪腿複合式運動，雖然其越障能力也較強，但需要八個電機和四個萬向輪，功耗較大，並且因為其體積較小，負載能力和續航能力較差。

實用新型內容針對現有技術的不足，本實用新型擬解決的技術問題是，提供一種輪腿複合式移動機器人平臺，該平臺能滿足在野外複雜環境下工作的多種要求，能夠實現爬坡，跨越壕溝，在非平整地形下實現平穩前進等。在實現所述功能要求的前提下，本實用新型機器人平臺具有結構簡單，控制容易，耗能較低等特點。本實用新型解決所述技術問題的技術方案是，設計一種輪腿複合式移動機器人平臺，該機器人平臺包括車身、前車體和後車體、前輪腿系統和後輪腿系統，其特徵在於所述前輪腿系統包括轉向系統和前擺腿系統兩個子系統，轉向系統包括轉向電機、轉向機構和轉向車輪；前擺腿系統包括前擺腿電機、前輪腿支架和前擺腿車輪，兩個子系統都安裝在前車體上；前車體利用從其前箱體後部伸出的前短軸與車身連接；所述轉向機構是一平面四桿機構，安裝在前箱體的下部，通過前箱體下部的通孔伸出車體的下壁，連杆的兩端通過銷釘分別與兩側轉向車輪的轉角銷軸連接，實現轉向車輪的同向轉向，轉向車輪通過固定在前箱體側壁的前輪腿支架與前箱體連接；所述前輪腿支架通過前箱體兩側的通孔伸出，外部左右兩端分別安裝一個前擺腿車輪，前擺腿車輪可以相對於前箱體做一定範圍內的旋轉運動；轉向電機和前擺腿電機分別安裝在前箱體內的適當位置，並通過齒輪連接將運動傳遞給轉向機構和前輪腿支架，實現轉向和擺腿；所述後輪腿系統包括後擺腿系統和驅動系統兩個子系統；兩個子系統都安裝在後車體上；後車體利用從其後箱體前部伸出的後短軸與車身連接；所述驅動系統包括驅動電機、差速器、帶輪及驅動車輪，差速器安裝在後車體內，差速器輸出軸由後車體兩側的通孔伸出，伸出的兩個軸端分別安裝有驅動車輪，並用齒輪帶動驅動車輪運動；後擺腿系統包括後擺腿電機、套筒、後擺腿支架及後擺腿車輪，套筒安裝在差速器輸出軸的一側，與差速器及後車體之間都有相對運動，後擺腿電機的扭矩通過固定在套筒上的齒輪傳遞給後擺腿支架，實現一定角度範圍內的擺腿，後擺腿車輪安裝在後擺腿支架外部兩端，通過固定在驅動車輪和後擺腿車輪上的帶輪，由帶傳動將動力傳遞給後擺腿車輪；所述車身部分主要包括轉角電機；轉角電機安裝在車身內，與車身之間無相對運動；轉角電機扭矩輸出端連接一個齒輪，與之嚙合的另一個齒輪與所述的後短軸剛性連接， 由轉角電機的旋轉實現車身的左右調傾。與現有技術相比，本實用新型機器人平臺採用輪腿複合式結構，只採用五個驅動電機，結構簡單，控制容易，在平整地面上採用輪式方法行進，能耗大幅降低；在複雜地形下採用輪腿複合式方法行進，效率大為提高。本實用新型由於特殊的結構設計，可跨越高於底盤高度的障礙，跨越一定長度的凹坑，並且可以調整機器人的橫滾角，地形適應能力很強。

圖1為本實用新型輪腿複合式移動機器人平臺一種實施例的整體三維結構示意圖。圖2為本實用新型輪腿複合式移動機器人平臺一種實施例的主視結構示意圖。圖3為本實用新型輪腿複合式移動機器人平臺一種實施例的俯視結構示意圖。圖4為本實用新型輪腿複合式移動機器人平臺一種實施例的前輪腿系統結構示意圖。其中，圖4(1)為前擺腿系統結構示意圖；圖4 )為轉向系統結構示意圖。圖5為本實用新型輪腿複合式移動機器人平臺一種實施例的後輪腿系統結構示意圖。圖6為本實用新型輪腿複合式移動機器人平臺一種實施例的車身結構示意圖。
具體實施方式
下面結合實施例及其附圖詳細敘述本實用新型。實施例是以本實用新型所述技術方案為前提進行的具體實施，給出了詳細的實施方式和過程。但本實用新型申請的權利要求保護範圍不限於所述實施例的描述範圍。本實用新型設計的輪腿複合式移動機器人平臺(以下簡稱機器人或平臺，參見圖 1-6)遵循機器人模塊化設計思想，採用模塊化設計。具體結構特徵是本實用新型平臺從整體來看可分為三部分，即位於中間部分的車身1、位於車身1 前部的前車體2和位於車身1後部的後車體3 ；前輪腿系統安裝在前車體2上，後輪腿系統安裝在後車體3上；前輪腿系統主要包含轉向系統和前擺腿系統兩個子系統；後輪腿系統主要包含後擺腿系統和驅動系統兩個子系統；整體機器人平臺共有四腿八輪前車體2 二腿四輪，後車體3 二腿四輪和五臺電機前車體2兩臺，車身1 一臺，後車體3兩臺。本實用新型機器人所述前輪腿系統主要包括前擺腿系統和轉向系統及前箱體 413(參見圖4(1)、4(2))，所述轉向系統或模塊主要採用了平面四桿結構，包括轉向電機 48、曲柄414、連杆47、轉向短軸46、前車軸45、左、右對稱的兩個支架44，44，、轉向車輪410 及傳動齒輪49。所述前箱體413為長方體結構，為了美觀實施例將其前面設計成圓柱面， 兩邊側壁及下面各加工一個通孔，其後部的有一伸出的前短軸415，用來實現與車身1的連接。所述轉向電機48安裝在前箱體413內，通過傳動齒輪49及前箱體413下面的通孔將運動傳遞給前箱體413外的曲柄414，曲柄414與連杆47通過銷釘連接，曲柄414在一定角度內的擺動轉換為連杆47相對於前箱體413的往復移動，連杆47的兩端分別與轉向短軸 46銷釘連接，轉向短軸46與其對應的前車軸45剛性連接，轉向短軸46的擺動帶動前車軸 45繞其對應的支架44擺動，前車軸45的兩端分別安裝有轉向車輪410，從而實現了兩個轉向車輪410的同步轉向。所述前擺腿系統包括前擺腿電機411、前擺腿支架43、左右對稱的兩個前擺腿車輪41，41』、短軸42，42』以及前傳動齒輪412。所述前擺腿電機411安裝在前箱體413內， 並通過前傳動齒輪412與前擺腿支架43連接；前擺腿支架43通過前箱體413兩側的通孔伸出前箱體413，前擺腿支架43的兩端分別通過短軸42與對應的前擺腿車輪41連接。初始狀態下，前擺腿支架43相對於水平面的角度(初始角)為60°。前擺腿支架43的長度和前擺腿車輪41的半徑將決定機器人的最大越障高度和跨越壕溝的寬度。當需要越障時， 前擺腿電機411帶動前擺腿支架43向下擺動；前擺腿車輪41接觸到障礙物時，將轉向車輪 410及前箱體413架空；當轉向車輪410高度達到障礙物高度時，前擺腿支架43向上擺動， 返回到初始狀態。本實用新型機器人所述後輪腿系統(參見圖5)包括後擺腿系統和驅動系統及後箱體31 (參見圖3)。所述後箱體31為長方體結構，與前箱體413相對應，實施例的後箱體 31的後面設計成圓柱面，兩側加工有通孔，前面有用來實現與車身1連接的後短軸32 (參見圖3)。所述驅動系統或模塊32主要採用了齒輪-帶傳動複合結構(參見圖5)，主要包括驅動電機510、差速器58、帶輪52、傳動帶53、後車軸512、左右對稱的兩個驅動車輪54，54』 及驅動齒輪55，55』。驅動電機510安裝在後箱體33內，通過差速器58將驅動電機510的扭矩輸出，差速器58的輸出軸通過後箱體33兩側的通孔伸到後箱體33的外部，差速器58 輸出軸的兩端分別安裝有驅動齒輪55，通過驅動齒輪55將扭矩傳遞給後車軸512，從而驅動安裝在後車軸512上的驅動車輪M及帶輪52運動，實現整體機器人的驅動。所述後擺腿系統或模塊主要包括後擺腿電機57、活套511、後擺腿支架59、左右對稱的兩個後擺腿車輪51，51』及後傳動齒輪56。活套511安裝在差速器58的一側，相對於差速器軸有相對運動，通過安裝在活套511兩端的後傳動齒輪56將後擺腿電機57的轉矩傳遞給後擺腿支架59，進而帶動後擺腿支架59上下擺動，實現擺腿功能。後擺腿車輪51通過安裝在差速器軸上的傳動帶53獲得動力，本身也具有驅動能力，這樣設計可避免機器人平臺在越障過程中失去動力。後擺腿車輪51在不越障時處於抬起狀態，初始角為45°。本實用新型所述車身1為長方體結構(參見圖6)，主要包括箱體61、轉角電機62 和一對嚙合齒輪63、63』。機器人的控制系統主要安裝在車身1內部，要求車身1的內部結構儘量簡單，實施例僅有一個轉角電機62和一對嚙合齒輪63。為了避免車身1在傾斜過程中與地面接觸，實施例的長方體車身1的下部設計成較大的圓弧過渡。所述箱體61的前、後各加工一通孔，用來實現與前、後車體2、3的連接，其中與前車體2之間僅為單純連接。轉角電機62安裝在車身1內部，位置靠後，與車身1之間無相對運動，轉角電機62與主動嚙合齒輪63連接；被動的嚙合齒輪63』與後車體3前面伸出的後短軸32剛性連接，當轉角電機62旋轉時，車身61就會形成以後車體3伸出的後短軸32為軸的左右擺動，從而達到調傾目的。機器人平臺在非平整地面上行進時，為了避免頻繁擺腿越障，本實用新型實施例初步設計的轉向車輪與驅動車輪的直徑均為200mm，前、後擺腿支架的支架長度均為 MOmm(為了便於安裝和批量生產，所有車輪直徑相同)。平臺長度(即轉向車輪輪軸與驅動車輪輪軸之間的距離)為600mm，寬度(即兩個轉向車輪之間的距離)為MOmm。車身1 底部距離地面的距離為車輪的半徑。車在跨越低於IOOmm即小於車輪直徑1/2的障礙時， 車輪可以直接越過，並不需要擺腿越障。車體需要跨越壕溝時，當壕溝寬度小於車輪半徑時，機器人平臺可直接通過，壕溝寬度大於車輪半徑時，通過指令控制前、後兩臺擺腿電機轉動，根據初始角度不同，分別轉動60°和45°，使前後擺腿車輪與地面接觸，根據擺腿支架的長度計算，平臺可通過最大寬度為400mmQ40+100+100 = 440mm，240mm為擺腿支架的支架長度，IOOmm為車輪半徑，取400mm)的壕溝。本實用新型機器人平臺前部的四個車輪全是從動輪，由後部的四個車輪來驅動機器人前進。驅動系統本身為現有技術，仿照汽車上使用的差速減速器。當機器人平臺在崎嶇不平的路面上行進時，如果發生車體左右傾斜，機器人平臺可以通過調整轉角電機62使車體保持平衡，避免翻覆。機器人可以安裝傾角傳感器對控制系統進行反饋，實現實時調整。另外，相比於其他結構的輪腿複合機器人，本實用新型機器人平臺不論在什麼路面上行進時均可實現轉向車輪、驅動車輪與地面平穩接觸(無車輪懸空現象)，提高了機器人平臺在運動過程中的穩定性。本實用新型設計的機器人平臺具有較強的跨越障礙能力。當機器人遇到無法直接越過的障礙時，通過前、後輪腿系統的配合，可以越過最大1. 2倍車輪直徑的垂直障礙。根據機器人的越障原理，實施例機器人平臺所能跨越的最高障礙高度為240-100+10(^240為後腿長，100為車輪半徑)，取200mm，即當車體上的測距傳感器檢測到障礙物的高度大於200mm時，機器人平臺採取轉向策略；當障礙物的高度低於200mm時，採取越障策略。實施例的機器人總重為70kg、安全係數設計為1. 6， 該機器人平臺越障時，所述5個電機總消耗的最大功率為100W，最大扭矩為1500Ν·πι，其負載可達20kg，續航可達8小時，性能優良，應用範圍非常廣泛。之前設計的七輪七腿複合移動機器人，除了越障輪外的六個輪子在初始狀態下都是與地面接觸的，因此機器人在由水平面往斜坡移動或者在斜坡上轉向時，六個輪子無法同時與地面接觸，使其穩定性和通過性變差。本實用新型機器人平臺共有四腿八輪，在同樣的上述路況中，能使轉向車輪與驅動車輪與地面完全接觸，從而提高了其穩定性；另外在結構上比現有機器人更簡單，功耗更低。需要補充說明的是，本實用新型所述的「前、後；左、右；上、下」等方位詞是為了描述清楚，只具有相對意義。一般情況下，以機器人向前行進的方向為前，並作為其他方位詞的基準。本實用新型未述及之處適用於現有技術。
權利要求1.一種輪腿複合式移動機器人平臺，該機器人平臺包括車身、前車體和後車體、前輪腿系統和後輪腿系統，其特徵在於所述前輪腿系統包括轉向系統和前擺腿系統兩個子系統，轉向系統包括轉向電機、轉向機構和轉向車輪；前擺腿系統包括前擺腿電機、前輪腿支架和前擺腿車輪，兩個子系統都安裝在前車體上；前車體利用從其前箱體後部伸出的前短軸與車身連接；所述轉向機構是一平面四桿機構，安裝在前箱體的下部，通過前箱體下部的通孔伸出車體的下壁，連杆的兩端通過銷釘分別與兩側轉向車輪的轉角銷軸連接，實現轉向車輪的同向轉向，轉向車輪通過固定在前箱體側壁的前輪腿支架與前箱體連接；所述前輪腿支架通過前箱體兩側的通孔伸出，外部左右兩端分別安裝一個前擺腿車輪，前擺腿車輪可以相對於前箱體做一定範圍內的旋轉運動；轉向電機和前擺腿電機分別安裝在前箱體內的適當位置，並通過齒輪連接將運動傳遞給轉向機構和前輪腿支架，實現轉向和擺腿；所述後輪腿系統包括後擺腿系統和驅動系統兩個子系統；兩個子系統都安裝在後車體上；後車體利用從其後箱體前部伸出的後短軸與車身連接；所述驅動系統包括驅動電機、 差速器、帶輪及驅動車輪，差速器安裝在後車體內，差速器輸出軸由後車體兩側的通孔伸出，伸出的兩個軸端分別安裝有驅動車輪，並用齒輪帶動驅動車輪運動；後擺腿系統包括後擺腿電機、套筒、後擺腿支架及後擺腿車輪，套筒安裝在差速器輸出軸的一側，與差速器及後車體之間都有相對運動，後擺腿電機的扭矩通過固定在套筒上的齒輪傳遞給後擺腿支架，實現一定角度範圍內的擺腿，後擺腿車輪安裝在後擺腿支架外部兩端，通過固定在驅動車輪和後擺腿車輪上的帶輪，由帶傳動將動力傳遞給後擺腿車輪；所述車身部分主要包括轉角電機；轉角電機安裝在車身內，與車身之間無相對運動； 轉角電機扭矩輸出端連接一個齒輪，與之嚙合的另一個齒輪與所述的後短軸剛性連接，由轉角電機的旋轉實現車身的左右調傾。
2.根據權利要求1所述的輪腿複合式移動機器人平臺，其特徵在於所述的轉向車輪與驅動車輪的直徑均為200mm，轉向車輪輪軸與驅動車輪輪軸之間的距離為600mm，兩個轉向車輪之間的距離為MOmm，前、後擺腿支架的支架長度均為MOmm，車身底部距離地面的距離為車輪的半徑。
專利摘要本實用新型公開一種輪腿複合式移動機器人平臺，該機器人平臺包括車身、前、後車體和前、後輪腿系統，其特徵在於前輪腿系統包括轉向系統和前擺腿系統，轉向系統包括轉向電機、轉向機構和轉向車輪；前擺腿系統包括前擺腿電機、前輪腿支架和前擺腿車輪，兩個子系統都安裝在前箱體內，前箱體利用其後部伸出的前短軸與車身連接；後輪腿系統由車體及後擺腿系統和驅動系統組成，兩個子系統都安裝在後車體上；後車體利用其前部伸出的後短軸與車身連接；車身部分主要包括轉角電機，轉角電機安裝在車身內部，與車身之間無相對運動，扭矩輸出端連接一個齒輪，與之嚙合的另一個齒輪與所述的後短軸剛性連接，由轉角電機實現車身的左右調傾。
文檔編號B62D57/02GK202098476SQ20112020868
公開日2012年1月4日 申請日期2011年6月20日 優先權日2011年6月20日
發明者孫凌宇, 張小俊, 張建華, 張明路 申請人:河北工業大學