一種輪腿結合移動機器人的製作方法
2023-05-25 00:03:31
專利名稱：一種輪腿結合移動機器人的製作方法
技術領域：
本發明涉及機器人技術領域，具體為一種輪腿結合移動機器人。
背景技術：
移動機器人是一種具有移動功能的機器人，比一般機器人具有更大的機動性、靈活性。在代替人從事危險、惡劣和人所不及的環境作業方面，具有很大的優勢。傳統的移動機器人一般採用輪式、履帶式、腿式等單一移動機構。與傳統意義上的移動機器人相比，輪腿結合移動機器人具有更強的非結構化地形適應性，不僅可以在平坦的地面上行進，而且可以穿越野外崎嶇地形。輪腿結合移動機器人在航天科考、救災排險、軍事偵察、防暴反恐等領域具有廣泛的應用前景。
發明內容
本發明的目的是公開一種輪腿結合移動機器人，它可以適應非結構化環境。在平坦路面上採用輪式結構實現高速行駛；當遇到複雜路面時，通過輪式升降結構實現輪式運動模式與腿式運動模式之間的切換，通過或避開障礙物。本發明所提出的輪腿結合移動機器人組成和原理如下它由車體框架系統、主動輪單元、從動輪單元、腿式結構單元、輪式升降結構、電源、控制系統等組成；車體框架系統採用了角鋁與方形鋁管支撐結構，車體底部布置有底板，採用底板與電源罩相結合的方式保護電源與控制電路板；兩個前輪運動單元、兩個後輪運動單元布置於車體左右兩側，四個腿式結構運動單元分別布置於車體的前後兩端；前輪單元採用直流伺服電機驅動，為主動輪；後輪單元為從動輪；輪式升降結構由直流伺服電機、彈性聯軸器、直齒輪、轉軸、防護罩以及必要的電機支架組成；電源由兩個蓄電池組成， 為前輪單元、腿式結構單元、控制系統供電；控制系統採用上下兩級控制方案，上位機採用 DSP，下位機採用單片機。本發明還有其它一些特徵1.所述的輪腿結合移動機器人的前輪單元，其特徵是採用直流伺服電機驅動，由十字聯軸器、錐齒輪軸將運動傳遞至前車輪，車輪採用普通輪胎，整個前輪單元由兩個電機支架、一個軸承座支架、兩個輪支架支撐；在直流伺服電機中安裝有編碼器，通過控制系統構成半閉環系統。2.所述的輪腿結合移動機器人的後輪單元，其特徵是由輪支架、套筒、車輪軸、車輪、軸端擋圈等組成，無動力源。後輪運動單元為從動輪，車輪採用普通輪胎。3.所述的輪腿結合移動機器人的腿式結構運動單元，其特徵是由髖關節、髖部、大腿關節、大腿、小腿關節、小腿組成。4.所述的腿式結構運動單元，其特徵是在髖關節中採用舵機驅動，由舵機支架、舵機、舵盤組成；5.所述的腿式結構運動單元，其特徵是髖部採用U形鋁板支撐，與大腿關節採用軸連接形式。6.所述的腿式結構運動單元，其特徵是在腿關節和大腿處由大腿板、蝸輪蝸杆機構、軸承座、滾動軸承、蝸輪軸、套筒、鍵等組成，由直流伺服電機驅動，在其中安裝有與直流伺服電機配套的編碼器測速，通過控制系統構成半閉環系統。7.所述的腿式結構運動單元，其特徵是小腿關節和小腿處由小腿板、小腿底、蝸輪蝸杆機構、軸承座、滾動軸承、蝸輪軸、套筒、鍵等組成，由直流伺服電機驅動，在其中安裝有與直流伺服電機配套的編碼器測速，通過控制系統構成半閉環系統。8.所述的腿式結構運動單元，其特徵是小腿底採用弧形結構，與小腿板構成密閉式結構，保護小腿關節處的直流伺服電機。9.所述的輪腿結合移動機器人，其特徵是可以採用遙控操作模式或自主運行模式運行。操作者採用遙控操作模式時，機器人轉彎、加速、減速、制動、輪腿運動單元切換等指令均來自遙控器遙控信號。採用自主運行模式時，機器人機載控制器根據傳感器(檢測現場環境)發送回的信號進行分析計算，向機器人執行機構發送轉彎、加速、減速、制動、輪腿運動單元切換等指令10.所述的輪腿結合移動機器人，其特徵是在使用車輪單元運動時，通過對兩個前輪運動單元中的直流伺服電機的運動控制實現轉向、加速、減速、制動等功能。11.所述的輪腿結合移動機器人，其特徵是在路況較好時，採用輪式運動時，其特徵是腿式結構收放於機器人頂部。在路況不好時採用腿式結構行走，將腿式結構放下，支撐機器人，通過輪式升降結構中轉軸的旋轉運動，驅動輪式結構運動單元的支架，從而使四個車輪離開地面。12.所述的輪腿結合移動機器人，其特徵是採用腿式結構行走時，通過每個腿式結構的直流伺服電機、舵機的控制實現機器人轉向、加速、減速等功能。13.所述的輪腿結合移動機器人。其特徵是在機器人前端與底部安裝有障礙檢測傳感器，機器人重心位置安裝平衡傳感器，機器人腿部運動單元底部安裝壓力傳感器等。
圖1是本發明輪腿結合移動機器人的正視圖。圖2是本發明輪腿結合移動機器人的俯視圖。圖3是本發明輪腿結合移動機器人的左視圖。圖4是本發明輪腿結合移動機器人前輪運動單元正視圖。圖5是本發明輪腿結合移動機器人前輪運動單元左視圖。圖6是本發明輪腿結合移動機器人後輪運動單元正視圖。圖7是本發明輪腿結合移動機器人後輪運動單元左視圖。圖8是本發明輪腿結合移動機器人腿式結構單元正視圖。圖9是本發明輪腿結合移動機器人腿式結構單元左視圖。圖10是本發明輪腿結合移動機器人腿式結構單元俯視圖。
具體實施方式
結合附圖1-10，對本發明的具體實施方式
作進一步描述(實施方式中出現的零件標號以總裝配中的零件標號為準)如圖1-10所示本發明實例由車體框架系統、主動輪單元、從動輪單元、腿式結構單元、輪式升降結構、電源、控制系統等組成。車體框架系統是整個機器人的框架和基礎，其它機構都安裝於其上。如附圖1所示，它由角鋁(500) 1、角鋁000)48、正方形支撐鋁管6構成。兩個前輪運動單元和兩個後輪運動單元分別安裝在車體的左右兩側，前、後論運動單元成對稱梯形布置；四個腿式結構運動單元分別安裝在車體的前後兩端，成矩形布置。兩個直流伺服電機96分別通過彈性聯軸器、直齒輪(52、99)驅動前輪轉軸58和後輪轉軸84，通過前、後輪轉軸的旋轉帶動前、後輪運動單元的支架相對於轉軸中心軸線旋轉，改變四輪與地面的高度，從而完成輪式結構和腿式結構的切換。前輪運動單元為主動輪，後輪運動單元為從動輪，主動輪差速實現轉向。 前輪直流伺服電機62在控制系統作用下可以實現實現速度控制、制動、轉彎等功能。輪式升降機構分為前輪升降機構、後輪升降機構。分別由直流伺服電機96、彈性聯軸器(50、55、56)、軸承座3、直齒輪(52、99)、轉軸(前輪轉軸58、後輪轉軸84)、防護罩以及必要的電機支架(電機支架(3)49、電機支撐0)86)組成。為保證結構的強度，採用雙重支架，包括支架(3)95、支架(由方形管57、方形管連接76構成)。在電機96驅動下，帶動轉軸58、84正反向旋轉，實現輪式結構單元的升降，完成輪足運動模式的切換。當遇到小型障礙物或者涉淺水時，通過升降結構抬高機器人底部與地面的距離通過障礙物， 也可在轉彎、爬坡的時候通過升降結構降低機器人的重心，提高機器人行駛的穩定性，防止縱向傾覆、側向傾覆的發生。前輪運動單元由前輪直流電機62、前輪電機支架0)63、前輪電機支架(1)65、前輪電機軸套66、十字連軸器67、大圓錐齒輪軸68、前輪軸承套支座69、前輪支架(1) 2、前輪支架O) 70、小錐齒軸套套筒(5) 71、錐齒輪軸套72、小圓錐齒輪軸73、前車輪22及必要的軸承與緊固零件組成，結構圖如附圖4、附圖5所示。前輪直流電機62在給定速度下運轉， 經過減速器、十字聯軸器67、大圓錐齒輪軸68、小圓錐齒輪軸73將動力傳送至前車輪22。 通過對兩個前輪運動單元的直流伺服電機控制實現機器人加速、減速、轉彎等動作。若採用輪式結構行駛，則應首先在直流伺服電機96的驅動下，將前、後輪運動單元放下，前後車輪與地面接觸。直流伺服電機96安裝有增量式旋轉編碼器。後輪運動單元由後輪軸80、套筒(3)83、後輪支架18、後車輪20、後輪軸承蓋19、後輪橫架88及必要的軸承與緊固零件等構成。後輪為從動輪，不提供動力源。腿式結構單元由髖關節、髖部、大腿關節、大腿、小腿關節、小腿組成。髖關節由舵機39、舵盤41、舵機支架(1)94、髖部U形鋁板10構成，舵機支架(1)94與機器人框架採用螺釘連接。為保證舵機的支撐強度，採用附圖1所示對稱支撐方式，分別由角接觸球軸承支座(1)40、角接觸球軸承43、角接觸球軸承支座O)44、舵機支承軸45構成，在舵機驅動髖部運動時，保證支撐力由上下支座承擔，舵機不會承受很大的彎矩，保證了強度。髖關節處具有一個橫向擺動的自由度。大腿關節和大腿部分由大腿板36、蝸輪軸( 100、蝸輪89、 蝸杆13、腿部軸承座14、蝸杆軸套31、腿部十字聯軸器30、腿部十字聯軸器電機軸套四、腿用直流電機77、大腿部電機支架(1)34、大腿部電機支架0)33以及必要的滾動軸承、套筒、 鍵及連接緊固零件構成。大腿關節由腿部直流電機77驅動，經過減速器、十字聯軸器組件、蝸輪蝸杆機構驅動大腿板繞蝸輪軸蝸輪軸( 100旋轉，此處具有一個縱向擺動的自由度。 小腿關節和小腿部分由小腿板16、蝸輪軸0)32、蝸輪89、蝸杆13、腿部軸承座14、蝸杆軸套31、腿部十字聯軸器30、腿部十字聯軸器電機軸套31、腿用直流電機77、小腿部電機支架 (1)28、小腿部電機支架0)27、小腿底沈以及必要的滾動軸承、套筒、鍵及連接緊固零件構成。小腿關節由腿部直流電機77驅動，經過減速器、十字聯軸器組件、蝸輪蝸杆機構驅動兩個小腿板繞蝸輪軸蝸輪軸( 32旋轉，小腿關節處具有一個縱向擺動的自由度。當採用腿式結構行走時，每個腿部運動單元由兩個腿用直流電機77、及舵機39驅動，四足配合，實現轉彎、加速、減速等功能。當機器人發生側翻或者縱翻等事故時，可由機器人自身調整復位一、當機器人採用輪式結構行駛時，若發生事故，則由放置於機器人頂部的四個腿部運動單元反向伸直，幫助機器人復位；二，當機器人採用腿式結構行走發生事故時，則由直流伺服電機96驅動升降結構的前輪轉軸58、後輪轉軸84旋轉，改變輪式運動單元支架與地面的角度，協助四足結構完成機器人的復位。操作者採用遙控方式操作時，機器人轉彎、加速、減速、制動、輪腿運動單元切換等指令均來自遙控器遙控信號。在採用自主運行模式時，機器人機載控制器根據傳感器發送回的信號進行分析計算，向機器人執行機構發送轉彎、加速、減速、制動、輪腿運動單元切換等指令。2個蓄電池布置在機器人中部，為整個系統提供電源由底板101、電源外罩4保護蓄電池的密封性。機器人攜帶高性能攝像頭，將拍攝到的圖像畫面信息傳遞給控制室，通過遙控操作裝置向機器人發送下一步的指令。在車載控制器方面，利用DSP作為控制系統的上位機，接收來自機器人各傳感器發送回的信息(或接收來自遙控器的指令)，經過計算分析後向下位機(採用單片機)發送指令，驅動機器人的執行機構執行預期的動作，控制機器人完成期望的任務要求。
權利要求
1.一種輪腿結合移動機器人，其特徵是由車體框架系統、主動輪單元、從動輪單元、 腿式結構單元、輪式升降結構、電源、控制系統等組成；車體框架系統採用了角鋁與方形鋁管支撐結構，車體底部布置有底板，採用底板與電源罩相結合的方式保護電源與控制電路板；前、後輪運動單元布置於車體左右兩側，四個腿式結構運動單元分別布置於車體的前後兩端；前輪單元採用直流伺服電機驅動，為主動輪；後輪單元為從動輪；輪式升降結構由直流伺服電機、彈性聯軸器、直齒輪、轉軸、防護罩以及必要的電機支架組成；電源由兩個蓄電池組成；控制系統採用兩級控制方案，上位機採用DSP，下位機採用單片機。
2.如權利要求1所述的輪腿結合移動機器人，其特徵是前輪單元採用直流伺服電機驅動，由十字聯軸器、錐齒輪軸將運動傳遞至前車輪，整個前輪單元由兩個電機支架、一個軸承座支架、兩個輪支架支撐；在直流伺服電機中安裝有編碼器，通過控制系統構成半閉環系統；後輪單元由輪支架、套筒、車輪軸、車輪、軸端擋圈等組成，無動力源，為從動輪。
3.如權利要求1所述的輪腿結合移動移動機器人的腿式結構運動單元，其特徵是由髖關節、髖部、大腿關節、大腿、小腿關節、小腿組成；在髖關節中採用舵機驅動，由舵機支架、 舵機、舵盤組成。
4.如權利要求3所述的腿式結構運動單元，其特徵是在腿關節和大腿處由大腿板、蝸輪蝸杆機構、軸承座、滾動軸承、蝸輪軸、套筒、鍵等組成，由直流伺服電機驅動，在其中安裝編碼器，通過控制系統構成半閉環系統。
5.如權利要求3所述的腿式結構運動單元，其特徵是小腿關節和小腿處由小腿板、小腿底、蝸輪蝸杆機構、軸承座、滾動軸承、蝸輪軸、套筒、鍵等組成，由直流伺服電機驅動，在其中安裝編碼器，通過控制系統構成半閉環系統。
6.如權利要求3所述的腿式結構運動單元，其特徵是小腿底採用弧形結構，與小腿板構成密閉式結構，保護小腿關節處的直流伺服電機。
7.如權利要求1所述的輪腿結合移動機器人，其特徵是可以採用遙控操作方式或自主運行模式運行遙控操作模式時，機器人轉彎、加速、減速、制動、輪腿運動單元切換等指令均來自遙控器遙控信號；採用自主運行模式時，機器人機載控制器根據傳感器發送回的信號進行分析計算，向機器人執行機構發送轉彎、加速、減速、制動、輪腿運動單元切換等指令。
8.如權利要求1所述的輪腿結合移動機器人，其特徵是在路況較好時，採用輪式運動， 腿式結構收放於機器人頂部，通過對兩個前輪運動單元中的直流伺服電機的運動控制實現轉向、加速、減速、制動等功能。
9.如權利要求1所述的輪腿結合移動機器人，其特徵是在路況不好時採用腿式結構行走，將腿式結構放下，支撐機器人，通過輪式升降結構中轉軸的旋轉運動，驅動輪式結構運動單元的支架，從而使四個車輪離開地面。
10.如權利要求1所述的輪腿結合移動機器人，其特徵是採用腿式結構行走時，通過每個腿式結構的直流伺服電機、舵機的控制實現機器人轉向、加速、減速等功能。
全文摘要
本發明提出了一種輪腿結合移動機器人，涉及機器人技術領域。它由車體框架系統、主動輪單元、從動輪單元、腿式結構單元、輪式升降結構、電源、控制系統等組成。車體框架系統採用了角鋁與方形鋁管支撐結構，採用底板與電源罩相結合的方式保護電源與控制電路。前、後輪運動單元布置於車體左右兩側，四個腿式結構運動單元分別布置於車體的前後兩端。前輪單元採用直流伺服電機驅動，為主動輪，後輪單元為從動輪。輪式升降結構由直流伺服電機、彈性聯軸器、直齒輪、轉軸、防護罩以及必要的電機支架組成。電源由兩個蓄電池組成。控制系統採用DSP和單片機的兩級控制方案。本發明可以在平坦及複雜的路面上行駛，對非結構化環境具有良好的適應性。
文檔編號B62D57/028GK102407893SQ20111025803
公開日2012年4月11日 申請日期2011年9月2日 優先權日2011年9月2日
發明者李瓊硯, 王磊, 田野, 路敦民, 錢樺, 高道祥 申請人:北京林業大學