一種適用於複雜環境的換向系統及機器人及應用及方法與流程
2023-04-27 04:04:06 4
本發明屬於先進位造與自動化技術領域，具體說是一種適用於複雜環境的換向系統及機器人及應用及方法。
背景技術：
目前，萬向輪的應用頗為廣泛，可以360度自由轉動，在正常地面(即平穩路面)上行走時可以很方便的轉向，但其在遇到障礙如臺階等則無法行駛，只能靠人工搬抬，不僅不容易操作，還耗費大量人力，大大限制了萬向輪轉向系統的應用。如何提高萬向輪轉向系統在有各種障礙的複雜環境中的行駛成為亟待解決的問題。
隨著越來越多的機器人投入到野外複雜環境的工作中，如何提高其對複雜環境的適應能力，成為衡量機器人性能的重要指標。目前市面上的機器人大多採用輪式驅動、萬向輪轉向的移動方式，但是這種輪式移動方式在戶外運行時面臨很多的障礙，如水管、溝道、臺階等，驅動輪可以行駛過障礙，但是萬向輪往往被水管擋住，或者陷入到溝道中，所以如何使此種輪式機器人行駛過這些障礙是目前面臨的一個難題。
技術實現要素：
本發明的目的是為克服上述現有技術的不足，提供一種適用於複雜環境的換向系統，此系統通過設置電磁離合式萬向輪轉向控制系統，可以在複雜環境中輕鬆越過障礙，提高萬向輪的應用環境，為使用萬向輪的機構越過障礙提供可能。
為實現上述目的，本發明採用下述技術方案：
一種適用於複雜環境的換向系統，包括底盤，所述底盤一側設置驅動輪，底盤另一側設置萬向輪；所述萬向輪上部與電磁離合器連接，所述電磁離合器的定子和轉子之間設置定位轉動裝置，定位轉動裝置在電磁離合器通電時使轉子自動轉動至設定位置。萬向輪與電磁離合器配合，在正常路面行駛時，電磁離合器斷電，萬向輪自由轉動；當遇到障礙時，電磁離合器通電，轉子和定子吸合，同時定位轉動裝置使轉子自動轉動至設定位置，萬向輪隨之轉向，不會被障礙擋住，使底盤可以順利通過障礙。
所述定位轉動裝置包括設置於定子下端部的至少一個定向滑道，所述轉子上端部設有與定向滑道配合的至少一個定位滾珠，所述定向滑道在至少一個設定位置設有限位槽，定位滾珠在定子和轉子吸合時自動轉動至限位槽完成定位。通過設置定向滑道和定位滾珠，在電磁離合器通電時定位滾珠可沿定向滑道轉動至限位槽內，輕鬆完成萬向輪的定位，使萬向輪不能再發生轉動，只能定向行駛。
所述定向滑道沿定子下端面以圓弧形設置，圓弧形定向滑道的圓心與定子圓心同心；方便定位滾珠沿其滑動，萬向輪可以轉動至設定位置，將其圓心與定子圓心同心設置，保證轉子轉動過程不會發生偏差。
優選的，所述定向滑道傾斜設置，定向滑道於限位槽處位置最高；定向滑道傾斜設置，在定子和轉子的吸合力下，定位滾珠可沿其輕鬆的滑入限位槽。
優選的，所述底盤設置驅動輪的一側還安裝有障礙物識別裝置，所述障礙物識別裝置與控制器連接，控制器與電磁離合器連接；可以採用但不限於超聲識別、雙目識別等。設置障礙物識別裝置，可以提前識別換向系統前方的障礙物，輔助電磁離合器提前做好跨越障礙的準備，可自動控制萬向輪快速方便的越過障礙。
所述萬向輪通過連接件與轉子固定連接，所述驅動輪與動力裝置連接；萬向輪與轉子固定，電磁離合器通電轉子轉動時會帶動萬向輪轉動至設定位置；由動力裝置帶動驅動輪行走。
所述定子上部與彈簧片固定連接，所述定子內部設置磁性線圈；設置磁性線圈和彈簧片結構，實現電磁離合器轉子和定子的離合。
本發明還提供一種機器人，包括上文所述的換向系統。該換向系統具有在複雜環境下使機器人底盤順利通過障礙的功能，在保證機器人結構緊湊的前提下，提高了其應對複雜環境的能力。
本發明還提供一種適用於複雜環境的換向系統在推車或輪椅上的應用。
本發明還提供一種適用於複雜環境的機器人換向系統的工作方法，包括以下步驟：
當底盤在正常路面行駛時，電磁離合器斷電，萬向輪自由轉動，驅動輪帶動底盤行走並利用差速進行轉向；
當底盤行駛遇到障礙時，電磁離合器通電，定位轉動裝置使轉子自動轉動至設定位置，並保持在該設定位置，萬向輪與驅動輪相平行，從而底盤順利通過障礙。
本發明的有益效果為：
本發明換向系統的定位轉動裝置結構簡單、構思巧妙，性能牢固可靠，可以在遇到障礙時調整萬向輪的行駛方向，保證該系統可以順利通過障礙。
本發明採用的萬向輪可以採用市面上標準的萬向輪產品，互換性好，可應用範圍廣。
本發明換向系統在正常路面行駛時靠驅動輪帶動行走，電磁離合器斷電，萬向輪自由轉動，行駛過程不會受到過多限制，通行更加順暢。
本發明的換向系統控制方法簡單，在電磁離合器通電時定位轉動裝置使轉子自動轉動至設定位置，無需增加轉向電機等結構，避免了增加轉向電機後一系列的判斷方向的問題，實用性強。
附圖說明
圖1為本發明換向系統結構示意圖；
圖2為萬向輪與電磁離合器的組合結構示意圖；
圖3為定位轉動裝置導向原理示意圖；
圖4為定位滾珠受力分析及移動原理圖；
圖5為定位滾珠進入限位槽後的示意圖；
圖中，1萬向輪，2平鍵，3轉子安裝座，4軸承，5轉子，6定子，7彈簧片，8彈簧片安裝座，9限位槽，10定位滾珠，11定向滑道，12左驅動輪，13右驅動輪，14底盤，15左萬向輪，16右萬向輪，17電磁離合器，18障礙物識別裝置。
具體實施方式
下面結合附圖和實施例對本發明進一步說明。
實施例1：
如圖1所示，適用於複雜環境的換向系統，主要包括底盤14、左驅動輪12、右驅動輪13、電磁離合器17、左萬向輪15及右萬向輪16、障礙物識別裝置18等部分。左驅動輪12、右驅動輪13由驅動電機控制，安裝在底盤14上；左萬向輪15及右萬向輪16分別與一個電磁離合器17組合在一起，然後安裝在底盤14上。底盤14前方設置障礙物識別裝置18，可以採用但不限於超聲識別、雙目識別等，具體可以採用紅外傳感器，或者超聲波傳感器，或者雷射傳感器等。
如圖2所示，電磁離合器包括轉子安裝座3、軸承4、轉子5、定子6、彈簧片7、彈簧片安裝座8。
萬向輪1(該圖中萬向輪1即圖1中的左萬向輪15或右萬向輪16)通過平鍵2與轉子5連接，軸承4套合在轉子安裝座3內，轉子5套合在軸承4內，如此，萬向輪1可以與轉子5一起在軸承4的配合下，在轉子安裝座3內轉動。
彈簧片7內圈通過螺釘與定子6固定在一起，彈簧片7外圈通過螺釘與彈簧片安裝座8固定在一起。定子6內部設置磁性線圈；設置磁性線圈和彈簧片結構，實現電磁離合器轉子和定子的離合。
電磁離合器的定子6和轉子5之間設置定位轉動裝置，定位轉動裝置在電磁離合器通電時使轉子自動轉動至設定位置。
如圖3所示，定位轉動裝置包括設置於定子6下端部的2條定向滑道11，轉子5上端部設有與定向滑道11配合的2個定位滾珠10，定向滑道11在設定位置設有限位槽9，定位滾珠10在定子6和轉子5吸合時自動轉動至限位槽9完成定位。通過設置定向滑道11和定位滾珠10，在電磁離合器通電時定位滾珠10可沿定向滑道11轉動至限位槽9內，輕鬆完成萬向輪的定位，使萬向輪不能再發生轉動，只能定向行駛。
定子6上的定向滑道11也可以設置1條或3條等，相應的轉子上的定位滾珠10設置1個或3個，限位槽9也設置1個或3個，定位滑道11、定位滾珠10、限位槽9的數量是相對應的，每一個定位滾珠10對應一個定向滑道11、一個限位槽9，定位滾珠10沿定向滑道11滑動至限位槽9處即完成萬向輪的定位。
定向滑道11沿定子6下端面以圓弧形設置，圓弧形定向滑道11的圓心與定子6圓心同心；方便定位滾珠沿其滑動，萬向輪可以轉動至設定位置，將其圓心與定子圓心同心設置，保證轉子轉動過程不會發生偏差。
定向滑道11傾斜設置，定向滑道11於限位槽9處位置最高；定向滑道11傾斜設置，在定子6和轉子5的吸合力下，定位滾珠10可沿其輕鬆的滑入限位槽9。
如圖4-圖5所示，當電磁離合器不通電時，定子6在彈簧片7的支撐下，與轉子5保持一定距離，此時定位滾珠10不與定向滑道11接觸，轉子5可以保持任意角度的轉動；
當電磁離合器通電時，定子6在磁力的作用下，將向下移動，定位滾珠10開始接觸定向滑道11，並在磁力的作用下，沿定向滑道11從高向低移動到限位槽9中，在進入到限位槽9中後，在限位槽9的作用下，定位滾珠10將無法移動，則轉子5將無法轉動，萬向輪只能沿當前方向行駛，直至電磁離合器斷電，彈簧片7將定子6拔起來為止。
本發明主要部件都由硬鋁製作，在保證結構強度的前提下，極大的降低了整體重量，提高了續航能力。
實施例2：
一種機器人，包括實施例1的換向系統。該換向系統具有在複雜環境下使機器人底盤順利通過障礙的功能，在保證機器人結構緊湊的前提下，提高了其應對複雜環境的能力。本發明的換向系統實用性高，可廣泛應用在戶外機器人移動底盤上。
實施例3：
實施例1的適用於複雜環境的換向系統在推車或輪椅上的應用。
實施例4：
實施例1的適用於複雜環境的機器人換向系統的工作方法，包括以下步驟：
當底盤14行駛在正常路面時，電磁離合器斷電，萬向輪可以自由轉動，系統靠左右驅動輪驅動行駛且通過左右驅動輪的差速來轉向；
當底盤14遇到障礙時，如水管、溝道及臺階、路沿時，電磁離合器通電，電磁離合器的轉子5在定向滑道11的導向下，使轉子5轉回初始0°的位置，轉子5的定向滾珠10卡入到定子6的限位槽9中，使萬向輪保持在0°方向的位置上(0°的位置即為萬向輪與驅動輪平行，該實施例中為了越過障礙，所以將其轉回位置設定為萬向輪與驅動輪平行的位置，為實現其他目的，需要將萬向輪轉動至其他方向時，可將限位槽9的位置設定在任意方向)。萬向輪固定後，左右驅動輪在跨過水管、溝道、臺階等障礙時，萬向輪就不會被這些障礙擋住，從而使機器人底盤順利通過障礙，不會發生萬向輪因隨意轉動而被障礙擋住的情況。
上述雖然結合附圖對本發明的具體實施方式進行了描述，但並非對本發明保護範圍的限制，所屬領域技術人員應該明白，在本發明的技術方案的基礎上，本領域技術人員不需要付出創造性勞動即可做出的各種修改或變形仍在本發明的保護範圍以內。