一種被動自適應履帶可變形搖杆差動移動機器人平臺的製作方法
2023-05-22 23:32:21
一種被動自適應履帶可變形搖杆差動移動機器人平臺的製作方法
【專利摘要】本發明公開一種被動自適應履帶可變形搖杆差動移動機器人平臺，其特徵在於該機器人平臺採用模塊化設計，包括車體模塊、位於車身兩側的左、右被動自適應變形履帶模塊和左、右旋轉支撐模塊以及位於車體後部的差動連杆模塊；所述左、右被動自適應變形履帶模塊分別通過左、右旋轉支撐模塊和車體模塊相連接，被動自適應變形履帶模塊可以繞車體轉動；所述差動連杆模塊安裝在車體後板上，其兩端與左、右被動自適應變形履帶模塊相連接；整體機器人平臺共有兩條履帶和兩臺驅動電機：左、右被動自適應變形履帶模塊上分別安裝有一條履帶，左、右被動自適應變形履帶模塊上的履帶分別由一臺驅動電機來驅動，可跨越高於自身高度的障礙，被動適應地形能力很強。
【專利說明】一種被動自適應履帶可變形搖杆差動移動機器人平臺
【技術領域】
[0001]本發明涉及機器人技術，具體為一種被動自適應履帶可變形搖杆差動移動機器人
T D ο
【背景技術】
[0002]目前，大多數的履帶移動機器人平臺採用主動自適應驅動機構。這些機器人關節較多，具有較多的自由度，每個自由度均由一個專門的電機驅動。當機器人在複雜的路面運動時，它們需要通過傳感設備不斷地將所檢測的環境信息傳給控制系統，然後做出判斷。每個控制電機驅動相應的自由度，使移動機構改變運動模式，以適應複雜的路面環境。因此，主動自適應驅動機構存在以下問題:1、運動姿態或運動模式的變化在很大程度上依賴於傳感器所反饋的信號，對傳感器的精度要求較高；2、要求電機和傳感器的數量較多，控制算法較為複雜，具有一定程度的控制滯後性。
[0003]基於主動自適應履帶移動機器人平臺的諸多缺點，本發明提出了被動自適應履帶可變形搖杆差動移動機器人平臺，該概念已經存在，但首次應用於履帶式機器人上，並且技術路線不同。它有以下三個特點:1、移動機構為欠驅動機構，即機構的原動件數目小於機構的自由度的數目；2、將環境約束力作為對機器人移動機構的一種有效輸入作用力；3、機器人移動機構在驅動電動機驅動力和環境約束力的共同作用下，可實現機器人移動機構對複雜路面的被動自適應性。被動自適應履帶可變形搖杆差動移動機器人平臺能夠減小運動過程中對控制系統的依賴，簡化控制算法，提高電機的使用率。提高機器人地形適應能力，是當今室外機器人發展的一個主要方向。被動自適應履帶可變形搖杆差動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。被動自適應履帶可變形搖杆差動移動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。
[0004]被動自適應履帶可變形搖杆差動移動機器人平臺要解決的實質問題是，通過對機器人的工作環境和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，使機器人能夠實現被動地自主改變履帶結構和兩側履帶模塊相對車身的轉角，以適應環境的變化，增強機器人的越障能力。現有的被動自適應搖杆差動移動機器人平臺主要是中國礦業大學研製的搖杆式履帶礦井救災移動機器人，但其存在履帶不可變形，被動自適應能力較差的問題。
【發明內容】
[0005]針對現有技術的不足，本發明擬解決的技術問題是:提供一種被動自適應履帶可變形搖杆差動移動機器人平臺，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，本發明機器人移動平臺具有結構簡單，容易控制，耗能較低等特點。
[0006]本發明解決所述技術問題的技術方案是:設計一種被動自適應履帶可變形搖杆差動移動機器人平臺。該機器人平臺採用模塊化設計，從整體來看可分為四部分，即車體模塊、位於車身兩側的被動自適應變形履帶模塊(左、右兩側被動自適應變形履帶模塊結構相同)、支撐被動自適應變形履帶模塊繞車體旋轉的旋轉支撐模塊(左、右兩側旋轉支撐模塊結構相同)和位於車體後部的差動連杆模塊。左、右兩側被動自適應變形履帶模塊分別通過左、右兩側旋轉支撐模塊和車體模塊相連接，即被動自適應變形履帶模塊可以繞車體模塊轉動；差動連杆模塊安裝在車體後板上，兩端和左、右兩側被動自適應變形履帶模塊相連。整體機器人平臺共有兩條履帶和兩臺驅動電機:左、右被動自適應變形履帶模塊上分別安裝有一條履帶，左、右被動自適應變形履帶模塊上的履帶分別由一臺驅動電機來驅動。
[0007]本發明機器人平臺所述車體模塊包括車體左板、車體上蓋、車體右板、車體底板、車體前板、車體後板，全部零件通過螺釘相互連接共同組成車體模塊。
[0008]所述被動自適應變形履帶模塊主要包括變形履帶系統、復位系統和驅動系統。所述變形履帶系統主要包括履帶驅動輪、履帶支撐輪、履帶和作為支撐的平面六桿機構；所述平面六桿機構為欠驅動杆機構，包括地面連杆、前部連杆、驅動帶輪支撐連杆、上連杆、後部連杆和機架，每個變形履帶系統有兩組這樣的六桿機構，履帶驅動輪和履帶支撐輪裝在這兩組六桿機構上，履帶驅動輪和履帶支撐輪支撐起履帶。機器人在行進的過程中地面對機器人的約束力作為一種外力向六桿機構進行作用。復位系統主要由復位彈簧構成，其兩端分別固定在上連杆和機架上。當變形履帶系統發生變形時，復位彈簧隨之產生形變從而產生復位拉力。驅動系統主要由同步帶輪、履帶旋轉驅動軸、履帶同步輪、電機法蘭、電機、同步帶構成。電機通過電機法蘭固定在車體模塊上，電機的旋轉運動通過同步帶傳遞給固定在履帶旋轉驅動軸上的同步帶輪，從而使履帶旋轉驅動軸產生轉動，履帶旋轉驅動軸帶動固連在其上的履帶同步輪旋轉，履帶同步輪通過同步帶驅動變形履帶系統中的履帶驅動輪轉動，從而驅動履帶產生旋轉運動。地面對機器人的約束力、機器人履帶的旋轉給機器人的驅動力和復位系統彈簧的拉力共同作用使機器人能被動自適應非結構環境下地形的變化。
[0009]所述旋轉支撐模塊由空心軸、圓螺母、深溝球軸承、滾針推力軸承組成。空心軸一端通過深溝球軸承和圓螺母裝在車體模塊的車體右板上，空心軸另一端通過深溝球軸承和圓螺母裝在被動自適應變形履帶模塊的機架上。因車體模塊和被動自適應變形履帶模塊之間有相對的轉動，所以在車體右板和機架之間裝有滾針推力軸承，這樣就能保證被動自適應變形履帶模塊可以繞車體模塊自由旋轉。
[0010]所述差動連杆模塊主要包括擺杆支座、支座支撐軸、擺杆、上球副、下球副組成。支座支撐軸通過螺釘固定在車體模塊的車體後板上，擺杆支座通過一個深溝球軸承固定在支座支撐軸上，這樣擺杆支座就可以繞車體模塊轉動。擺杆和擺杆支座固定連接，上球副固定在擺杆上，下球副和被動自適應變形履帶模塊的機架相固定，上球副和下球副通過連杆相連。差動連杆模塊這種機構保證了左、右被動自適應變形履帶模塊可以以相同的旋轉角度但不同的旋轉方向繞著車體模塊旋轉。
[0011]本機器人左、右兩個旋轉支撐模塊分別安裝在機器人車體模塊的左、右兩側；左、右兩側的被動自適應變形履帶模塊通過軸承支撐分別安裝在左、右兩側的旋轉支撐模塊上，並且被動自適應變形履帶模塊以旋轉支撐模塊的空心軸為軸實現自由的轉動；差動連接模塊的擺杆通過軸承支撐安裝在支座支撐軸上，並且以支座支承軸為軸可以實現自由轉動，擺杆的左、右兩端通過上球副分別和左、右連杆相連，左、右連杆通過下球副分別和左、右被動自適應變形履帶模塊連接；假定當左被動自適應變形履帶模塊相對車體模塊順時針旋轉時，其順時針旋轉的運動通過左連杆傳遞使差動連接模塊的擺杆的左端向下運動，因擺杆的中心通過軸承安裝在車體模塊上，所以擺杆的右端向上運動，擺杆右端的向上的運動通過右連杆傳遞給右被動自適應變形履帶模塊，即轉化成其相對車體模塊逆時針旋轉相同的角度；以此保持機器人車體模塊的相對平衡，有效的減小地形變化對車體模塊的影響。
[0012]與現有技術相比，本發明機器人平臺結構簡單，控制容易，使控制算法大為簡化。由於特殊的結構設計，本發明機器人平臺可跨越高於自身高度的障礙，在非結構環境下被動適應地形能力很強。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0013]圖1為本發明被動自適應履帶可變形搖杆差動移動機器人平臺一種實施例的整體立體結構示意圖。
[0014]圖2為本發明被動自適應履帶可變形搖杆差動移動機器人平臺一種實施例的整體俯視結構示意圖。
[0015]圖3為本發明被動自適應履帶可變形搖杆差動移動機器人平臺一種實施例的整體主視結構示意圖。
[0016]圖4為本發明被動自適應履帶可變形搖杆差動移動機器人平臺一種實施例的A-A剖面結構示意圖。
[0017]圖5為本發明被動自適應履帶可變形搖杆差動移動機器人平臺一種實施例的A-A剖面局部I結構放大示意圖。
[0018]圖6為本發明被動自適應履帶可變形搖杆差動移動機器人平臺一種實施例的整體右視結構示意圖。
【具體實施方式】
[0019]下面結合實施例及其附圖詳細敘述本發明。實施例是以本發明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。但本發明申請的權利要求保護範圍不限於所述實施例的描述範圍。
[0020]本發明設計的被動自適應履帶可變形搖杆差動移動機器人平臺(以下簡稱機器人平臺，參見圖1-6)遵循機器人模塊化設計思想，採用模塊化設計。本發明平臺從整體來看可分為四部分，即車體模塊1、位於車身兩側的被動自適應變形履帶模塊2 (左、右兩側被動自適應變形履帶模塊結構相同)、支撐被動自適應變形履帶模塊2繞車體模塊I旋轉的旋轉支撐模塊3 (左右兩側旋轉支撐模塊結構相同)和位於車身後部的差動連杆模塊4。左、右兩側被動自適應變形履帶模塊2分別通過左、右兩側旋轉支撐模塊3和車體模塊I相連接，被動自適應變形履帶模塊2可以繞車體模塊I轉動；差動連杆模塊4安裝在車體模塊I上，兩端和左、右兩側被動自適應變形履帶模塊2相連。整體機器人平臺共有兩條履帶和兩臺驅動電機:左、右被動自適應變形履帶模塊上分別安裝有一條履帶，左、右被動自適應變形履帶模塊上的履帶分別由一臺驅動電機來驅動。
[0021]本發明機器人所述車體模塊I包括車體左板11、車體上蓋12、車體右板13、車體底板14、車體前板15和車體後板16，全部零件通過螺釘相互連接，共同組成車體模塊I (參見圖2和圖4)。
[0022]所述被動自適應變形履帶模塊2主要包括變形履帶系統21、復位系統22、驅動系統23。所述變形履帶系統21主要包括履帶驅動輪215、履帶支撐輪218、履帶219和作為支撐的平面六桿機構；所述平面六桿機構為欠驅動杆機構，還包括地面連杆211、前部連杆212、驅動帶輪支撐連杆213、上連杆214、後部連杆216和機架217 (參見圖3);每個變形履帶系統21有兩組這樣的六桿機構，履帶驅動輪215和履帶支撐輪218裝在這兩組六桿機構上，履帶驅動輪215和履帶支撐輪218支撐起履帶219 ;機器人在行進的過程中地面對機器人的約束力作為一種外力向六桿機構進行作用。復位系統22主要由復位彈簧221構成(參見圖3)，其兩端分別固定在上連杆214和機架217上；當變形履帶系統21發生變形時彈簧221隨之產生形變從而產生復位拉力。驅動系統23主要由同步帶輪231、履帶旋轉驅動軸232、履帶同步輪233、電機法蘭234、電機235、同步帶236構成(參見圖2、圖4和圖5)。電機235通過電機法蘭234固定在車體模塊I上，電機235的旋轉運動通過同步帶236傳遞給固定在履帶旋轉驅動軸232上的同步帶輪231，從而使履帶旋轉驅動軸232產生轉動，履帶旋轉驅動軸232帶動固連在其上的履帶同步輪233旋轉,履帶同步輪233通過同步帶驅動變形履帶系統21中的履帶驅動輪215轉動，從而驅動履帶219產生旋轉運動。地面對機器人的約束力、機器人履帶的旋轉給機器人的驅動力和復位系統彈簧的拉力共同作用使機器人能被動自適應非結構環境下地形的變化。
[0023]所述旋轉支撐模塊3由空心軸31、車體右板圓螺母32、車體右板深溝球軸承33、滾針推力軸承34、機架深溝球軸承35、機架圓螺母36組成(參見圖5)。空心軸31 —端通過車體板深溝球軸承33和車體板圓螺母32裝在車體模塊I的車體右板13上，另一端通過機架深溝球軸承35和機架圓螺母36裝在被動自適應變形履帶模塊2的機架217上；因車體模塊I和被動自適應變形履帶模塊2之間有相對的轉動，所以在車體右板13和機架217之間裝有滾針推力軸承34，這樣就能保證被動自適應變形履帶模塊2可以繞車體模塊I自由旋轉。
[0024]所述差動連杆模塊4主要包括擺杆支座41、支座支撐軸42、擺杆43、上球副44、連杆45和下球副46組成(參見圖6)。支座支撐軸42通過螺釘固定在車體模塊I的車體後板16上，擺杆支座41通過一個深溝球軸承固定在支座支撐軸42上，這樣擺杆支座41就可以繞車體模塊I轉動；擺杆43和擺杆支座41固定連接，上球副44固定在擺杆43上，下球副46和被動自適應變形履帶模塊2的機架217相固定，上球副44和下球副46通過連杆45相連。差動連杆模塊4這種機構保證了左、右被動自適應變形履帶模塊2可以以相同的旋轉角度但不同的旋轉方向繞著車體模塊I旋轉。
[0025]本發明機器人左、右兩個旋轉支撐模塊3分別安裝在機器人車體模塊I的左、右兩側；左、右兩側的被動自適應變形履帶模塊2通過軸承支撐分別安裝在左、右兩側的旋轉支撐模塊3上，並且被動自適應變形履帶模塊以旋轉支撐模塊的空心軸31為軸實現自由的轉動；差動連接模塊的擺杆43通過軸承支撐安裝在支座支撐軸42上，並且以支座支撐軸42為軸可以實現自由轉動，擺杆43的左、右兩端通過上球副44分別和左、右連杆45相連，左、右連杆45通過下球副46分別和左、右被動自適應變形履帶模塊2連接；假定當左被動自適應變形履帶模塊2相對車體模塊順時針旋轉時，其順時針旋轉的運動通過左連杆46傳遞使差動連接模塊4的擺杆43的左端向下運動，因擺杆43的中心通過軸承安裝在車體模塊I上，所以擺杆43的右端向上運動，擺杆43右端的向上的運動通過右連杆45傳遞給右被動自適應變形履帶模塊2，即轉化成其相對車體模塊I逆時針旋轉相同的角度(參見圖6)。如此就可以保持機器人車體模塊的相對平衡，有效的減小地形變化對車體模塊的影響。因此搖杆機器人具有很強的地形被動自適應能力、運行的平穩性、抗顛覆能力和越障能力。
[0026]本發明機器人平臺的工作原理和過程是:當機器人行駛過程中，右側履帶遇到較高障礙物時，障礙物對機器人的阻力作為一種外力對被動自適應變形履帶模塊2的變形履帶系統21的平面六桿機構進行作用；所述平面六桿機構為欠驅動杆機構，當受到障礙物的阻力時，地面連杆211、前部連杆212、驅動帶輪支撐連杆213、上連杆214和後部連杆216相對於機架217的位置發生變化，使履帶驅動輪215的輪心相對地面的位置升高；遇到障礙物的右側被動自適應變形履帶模塊2為克服障礙物必定旋轉一定角度，此時差動連杆模塊4開始起作用，使左側被動自適應變形履帶模塊2以相反的方向旋轉相同的角度，從而使機器人的底盤升高，與履帶驅動輪215的輪心相對地面的位置升高共同作用，使機器人能夠越過高於自身高度的障礙物。復位彈簧221其兩端分別固定在上連杆214和機架217上，當變形履帶系統21發生變形時，復位彈簧221隨之產生變形，從而產生復位拉力；障礙物對機器人的阻力、由履帶219的旋轉而使地面產生給機器人平臺的驅動力和復位彈簧22的拉力共同作用，使機器人平臺能夠減小運動過程中對控制系統的依賴，簡化控制算法，並提高了驅動電機的使用率。
[0027]本發明實施例的機器人平臺總重小於35kg、安全係數設計為1.6，該機器人平臺越障時，所述2個電機總消耗的最大功率為400W，最大扭矩為14N.m，最大速度1.5m/s，其負載可達10kg，續航可達3小時,性能優良,應用範圍非常廣泛。
[0028]本發明機器人平臺具有被動自適應履帶變形結構，在同樣的非結構環境下，其越障能力更強，功耗更低。通過差動連杆模塊，如果左側被動自適應變形履帶模塊上升，右側被動自適應變形履帶模塊下降相同的角度，被動自適應能力強，車體的波動小。
[0029]本發明未述及之處適用於現有技術。
【權利要求】
1.一種被動自適應履帶可變形搖杆差動移動機器人平臺，其特徵在於該機器人平臺採用模塊化設計，包括車體模塊、位於車身兩側的左、右被動自適應變形履帶模塊和左、右旋轉支撐模塊以及位於車體後部的差動連杆模塊；所述左、右被動自適應變形履帶模塊分別通過左、右旋轉支撐模塊和車體模塊相連接，被動自適應變形履帶模塊可以繞車體轉動；所述差動連杆模塊安裝在車體後板上，其兩端與左、右被動自適應變形履帶模塊相連接；整體機器人平臺共有兩條履帶和兩臺驅動電機:左、右被動自適應變形履帶模塊上分別安裝有一條履帶，左、右被動自適應變形履帶模塊上的履帶分別由一臺驅動電機來驅動； 所述車體模塊包括車體左板、車體上蓋、車體右板、車體底板、車體前板、車體後板，車體全部零件通過螺釘連接，共同組成車體模塊； 所述左、右被動自適應變形履帶模塊結構相同，主要包括變形履帶系統、復位系統和驅動系統;所述變形履帶系統主要包括履帶驅動輪、履帶支撐輪、履帶和作為支撐的平面六桿機構；所述平面六桿機構為欠驅動杆機構，包括地面連杆、前部連杆、驅動帶輪支撐連杆、上連杆、後部連杆和機架，每個變形履帶系統有兩組所述的平面六桿機構，履帶驅動輪和履帶支撐輪安裝在這兩組平面六桿機構上，履帶驅動輪和履帶支撐輪支撐起履帶;機器人在行進的過程中地面對機器人的約束力作為一種外力向六桿機構進行作用；所述復位系統主要由復位彈簧構成，其兩端分別固定在上連杆和機架上；當變形履帶系統發生變形時，復位彈簧隨之產生形變從而產生復位拉力；所述驅動系統主要由同步帶輪、履帶旋轉驅動軸、履帶同步輪、電機法蘭、電機和同步帶構成；電機通過電機法蘭固定在車體模塊上，電機的旋轉運動通過同步帶傳遞給固定在履帶旋轉驅動軸上的同步帶輪，從而使履帶旋轉驅動軸產生轉動，履帶旋轉驅動軸帶動固連在其上的履帶同步輪旋轉，履帶同步輪通過同步帶驅動變形履帶系統中的履帶驅動輪轉動，從而驅動履帶產生旋轉運動;地面對機器人的約束力、機器人履帶的旋轉給機器人的驅動力和復位系統彈簧的拉力共同作用使機器人能被動自適應非結構環境下地形的變化; 所述左、右旋轉支撐模塊結構相同，主要由空心軸、圓螺母、深溝球軸承和滾針推力軸承組成；空心軸一端通過深溝球軸承和圓螺母安裝在車體模塊的車體右板上，空心軸另一端通過深溝球軸承和圓螺母安裝在被動自適應變形履帶模塊的機架上；滾針推力軸承安裝在車體右板和機架之間； 所述差動連杆模塊主要包括擺杆支座、支座支撐軸、擺杆、上球副和下球副；支座支撐軸通過螺釘固定在車體模塊的車體後板上，擺杆支座通過一個深溝球軸承固定在支座支撐軸上，擺杆支座可以繞車體模塊轉動；擺杆和擺杆支座固定連接，上球副固定在擺杆上，下球副和被動自適應變形履帶模塊的機架相固定；差動連杆模塊這種機構保證了左、右被動自適應變形履帶模塊可以以相同的旋轉角度但不同的旋轉方向繞著車體模塊旋轉； 機器人平臺左、右都採用搖杆移動系統，通過差動機構連接左、右被動自適應變形履帶模塊與機器人主車體；差動連接機構是搖杆式移動機器人的重要組成部分，它把機器人左、右搖杆的擺角進行線性平均，轉化為機器人主車體擺角輸出，以此保持機器人主車體的相對平衡，有效的減小地形變化對主車體的影響；還可以使得機器人較為均勻地向各個車輪分配車體重量，使各車輪能隨著地面的起伏被動自由調整位置。
2.根據權利要求1所述的被動自適應履帶可變形搖杆差動移動機器人平臺，其特徵在於該機器人平臺總重小於35kg、其負載可達10kg，續航可達3小時，安全係數設計為1.6 ；所述電機總消耗的最大功率為400W,最大扭矩為14N.m,最大速度1.5m/s。
【文檔編號】B62D55/08GK103879467SQ201410086216
【公開日】2014年6月25日 申請日期:2014年3月11日 優先權日:2014年3月11日
【發明者】張小俊, 張建華, 孫凌宇, 張明路, 邢孟哲, 顧鵬 申請人:河北工業大學