專利名稱：自主越障機器人的復(fù)合移動機構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種自主越障機器人。
技術(shù)背景機器人在許多行業(yè)或環(huán)境中可以代替人們的工作，以減少人類所承擔(dān)的繁重勞動或直接面對危險的機會，因此機器人技術(shù)已得到了大力發(fā)展。近年來，隨著研究工作的深入，機器人技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域也不斷拓展，例如星球探測、爆炸物排查、救援工作等，使得越障機器人的研究越來越得到重視。研究越障機器人的一個重要目標(biāo)就是提高機器人的越障能力和智能化程度，使其能夠自主地在充滿障礙物的非結(jié)構(gòu)化環(huán)境中攀越移動。目前文獻中已有報道的越障機器人要么常采用單一越障方式，受地形環(huán)境的影響較大，局限較多；要么雖采用了不同的運動方式但結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜，或行駛時轉(zhuǎn)換不便。例如專利號為93228507.4的專利中所描述的機器人，雖然可以采用輪式、履帶式相結(jié)合的運動方式以適應(yīng)復(fù)雜地形行駛的需要，但其行輪與主帶輪的輪徑不一致，且履帶的上下擺動角度有限，造成實際運動時的效果并不理想。

發(fā)明內(nèi)容
本實用新型的目的在于提供一種可以實現(xiàn)多種移動方式相結(jié)合的自主越障機器人復(fù)合移動機構(gòu)，在不同環(huán)境下，綜合利用多種移動方式的特點，從而增強機器人的機動能力，適應(yīng)復(fù)雜的野外環(huán)境。
本實用新型是這樣實現(xiàn)的自主越障機器人的復(fù)合移動機構(gòu)包括驅(qū)動電機、減速傳動裝置和運動部件及其智能控制系統(tǒng)；其特征在于運動部件為一對以上對稱布置于車體兩側(cè)的履帶輪，每一履帶輪由行走輪、輔助輪、旋轉(zhuǎn)臂、履帶、履帶支撐機構(gòu)組成，行走輪輪徑大于輔助輪輪徑，行走輪和輔助輪分別安裝在旋轉(zhuǎn)臂的兩端，履帶包覆在行走輪和輔助輪外，履帶支撐機構(gòu)位于行走輪和輔助輪之間、固定在旋轉(zhuǎn)臂上；每一對左、右履帶輪的旋轉(zhuǎn)臂由一個旋轉(zhuǎn)臂驅(qū)動電機驅(qū)動，每一側(cè)前、后履帶輪的行走輪由一個行走輪驅(qū)動電機驅(qū)動。
所述履帶輪的傳動軸分為內(nèi)軸和外軸、兩者同心，內(nèi)軸為旋轉(zhuǎn)臂傳動軸、外軸為行走輪傳動軸，內(nèi)軸和外軸分別聯(lián)接旋轉(zhuǎn)臂和行走輪，并通過相應(yīng)的傳動副分別與行走輪和旋轉(zhuǎn)臂各自的驅(qū)動電機相連；行走輪、旋轉(zhuǎn)臂分別固定在其傳動軸上、隨軸作360°旋轉(zhuǎn)。
所述履帶輪的每一對左、右旋轉(zhuǎn)臂分別聯(lián)接在同一傳動軸的兩端，由一個旋轉(zhuǎn)臂驅(qū)動電機同時驅(qū)動左、右履帶輪的旋轉(zhuǎn)臂運動；所述履帶輪的每一側(cè)前、后行走輪分別聯(lián)接在前、后行走輪傳動軸的同一側(cè)，并通過帶式傳動副聯(lián)接前、后傳動軸，由一個行走輪驅(qū)動電機同時驅(qū)動前、后履帶輪的行走輪運動。
所述履帶輪中的履帶采用雙面同步齒形帶；前、后行走輪傳動軸之間的帶式傳動副采用單面同步齒形帶。
由于本實用新型直接由行走輪和輔助輪構(gòu)成履帶輪，而且履帶輪旋轉(zhuǎn)臂可以在豎直面內(nèi)進行360°旋轉(zhuǎn)，使得本實用新型可采用輪式、腿式、履帶式等多種移動方式在各種復(fù)雜路面上行駛，并且各種移動方式之間可以直接轉(zhuǎn)換，因此運動更加靈活，結(jié)構(gòu)更加簡單，大大提高了機器人的機動能力，前傾或后傾后還具有自恢復(fù)功能；本實用新型采用同步齒形帶作為履帶或傳動副，也使得機構(gòu)更加簡單可靠，運動更加靈活。
附


圖1為本實用新型的整體結(jié)構(gòu)示意圖。
附圖2為本實用新型的復(fù)合移動機構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖。
附圖3為本實用新型采用輪式移動方式在水平地面上行駛時的示意圖。
附圖4為本實用新型采用履帶式移動方式在坑洼路面及小坡度傾斜路面上行駛時的示意圖。其中圖(a)為坑洼路面，圖(b)為小坡度傾斜路面。
附圖5為本實用新型采用腿式移動方式在大坡度傾斜路面上行駛時的示意圖。
附圖6為本實用新型采用履帶式和腿式相結(jié)合的移動方式在跨越大臺階障礙時的示意圖。其中圖(a)為履帶式，圖(b)為腿式。
附圖7為本實用新型傾倒后自恢復(fù)過程示意圖。其中圖(a)為傾倒?fàn)顟B(tài)，圖(b)為恢復(fù)過程。
以下結(jié)合附圖及實施例對本實用新型的結(jié)構(gòu)作詳細說明。
復(fù)合移動機構(gòu)安裝在車體5上，車體還可用于固定和安裝其它部件。車體內(nèi)有密封圈、油槽等組件，車體外有形狀合適的殼體，對于安裝在其內(nèi)的復(fù)合移動機構(gòu)等起到密封、防塵、潤滑等作用，保證機器人可以在沙地等惡劣的環(huán)境下無故障運動。
復(fù)合移動機構(gòu)主要由履帶輪及其驅(qū)動電機和減速傳動裝置組成。其中履帶輪由行走輪12、輔助輪16、旋轉(zhuǎn)臂15、履帶13、履帶支撐機構(gòu)14組成。在每個旋轉(zhuǎn)臂的一端安裝有一個行走輪，另一端安裝有一個比行走輪稍小的輔助輪(主要起支撐履帶和輔助越障的作用)；包覆輔助輪與行走輪的履帶采用雙面同步齒形帶，雙面同步齒形帶的內(nèi)側(cè)皮帶齒起到傳動作用，雙面同步齒形帶的外側(cè)皮帶齒起到履帶的作用。在特殊的環(huán)境下，例如在沙地、濕地等松軟的地面，或者在有連續(xù)的寬度深度較小的溝壑、坑洼路面上時，可以利用履帶行駛和輔助越障。在旋轉(zhuǎn)臂上裝有履帶的支撐機構(gòu)(例如同步齒形帶的壓緊機構(gòu))，可以控制履帶的張緊程度，并且在機器人用履帶行駛和越障的情況下也起到支撐作用，兩者相結(jié)合，可以防止履帶在外力作用下產(chǎn)生嚴(yán)重變形。驅(qū)動電機通過蝸桿蝸輪減速后帶動驅(qū)動履帶輪運動，其中兩個旋轉(zhuǎn)臂驅(qū)動電機7分別控制機器人前、后兩對旋轉(zhuǎn)臂的運動，兩個行走輪驅(qū)動電機3分別控制機器人左、右兩側(cè)的行走輪運動，并利用同步齒形帶8傳動以保證同一側(cè)的前方行走輪與后方行走輪速度一致。與齒輪傳動比較，同步齒形帶具有體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡單的優(yōu)勢。在傳動裝置上還可以裝有同步齒形帶壓緊機構(gòu)，調(diào)節(jié)同步齒形帶的張緊程度使車輪運動輕便靈活，保證傳動裝置的精確性、可靠性并增加同步齒形帶的使用壽命。機器人利用左右兩側(cè)車輪的速度差來實現(xiàn)轉(zhuǎn)向運動，利用測速編碼器(即碼盤)或其他速度傳感器作為反饋元件來進行速度的反饋調(diào)節(jié)，可以很方便地在地面上實現(xiàn)各種運動。
履帶輪的傳動軸采用雙層軸的方式，即傳動軸分為內(nèi)軸10和外軸11、兩者同心，內(nèi)軸為旋轉(zhuǎn)臂傳動軸、外軸為行走輪傳動軸，兩者嵌套在一起，既不影響相互運動又使得結(jié)構(gòu)非常緊湊，從外觀上看似乎為一根軸，但卻能分別驅(qū)動左右行走輪和前后旋轉(zhuǎn)臂。內(nèi)軸和外軸分別聯(lián)接旋轉(zhuǎn)臂和行走輪，并通過相應(yīng)的傳動副分別與行走輪和旋轉(zhuǎn)臂各自的驅(qū)動電機相連。
履帶輪中的旋轉(zhuǎn)臂15可以在傳動軸的直接驅(qū)動下在豎直平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)360°；其主要功能是五條一是在遇到障礙時可以把旋轉(zhuǎn)臂翻到障礙物上邊，逐漸將車身抬起越障；二是車身后方的旋轉(zhuǎn)臂在越障時可以將臂旋到與地面傾斜位置，將支撐點后移，避免在跨越較高障礙時車身向后翻轉(zhuǎn)；三是在沙地或松軟地面行進時，可將前后旋轉(zhuǎn)臂一起放到履帶與地面接觸位置，增加車體與地面的摩擦力，避免打滑；四是在堅硬平坦的地面，可將前后旋轉(zhuǎn)臂翻轉(zhuǎn)到與地面相垂直的位置，將車身適當(dāng)抬起，實現(xiàn)輪式移動。五是當(dāng)車身后翻或前翻后，通過旋轉(zhuǎn)臂的擺動將車身恢復(fù)到原來狀態(tài)。驅(qū)動電機分別通過蝸桿蝸輪減速裝置進行減速后控制前方旋轉(zhuǎn)臂和后方旋轉(zhuǎn)臂的旋轉(zhuǎn)。傳統(tǒng)的采用碼盤作為反饋元件利用積分電路計算旋轉(zhuǎn)角度的方法不僅需要其他定位裝置來確定零位，而且因為傳動機構(gòu)的間隙問題、系統(tǒng)運動不平穩(wěn)產(chǎn)生振蕩等原因不得不采取其他方法作為補償手段，例如用回復(fù)彈簧機構(gòu)來消除傳動間隙或者利用正交碼盤來補償振蕩產(chǎn)生的誤差。這樣的代價就是造成整個系統(tǒng)的復(fù)雜性增加。本機器人采用旋轉(zhuǎn)位置傳感器9作為反饋元件來進行履帶旋轉(zhuǎn)臂的旋轉(zhuǎn)角度調(diào)節(jié)，通過設(shè)定初始零位得到旋轉(zhuǎn)臂的旋轉(zhuǎn)角度值。在跨越障礙時或者遇到特殊的情況下，通過控制系統(tǒng)對驅(qū)動電機的控制、進而控制旋轉(zhuǎn)臂的旋轉(zhuǎn)角度使車體處于不同的運動狀態(tài)，從而使機器人實現(xiàn)輪式、腿式、履帶式不同的移動方式，提高了機器人的機動能力。
機器人通過環(huán)境感知系統(tǒng)來獲取外界環(huán)境及自身姿態(tài)狀況的信息。例如，環(huán)境感知系統(tǒng)主要由CMOS攝像頭4、紅外測距傳感器1、傾角測量傳感器2等多種傳感器組成。多種傳感器獲取的冗余信息使信息的可靠性、精確性增加，從而能對機器人進行有效的控制，使其適應(yīng)各種復(fù)雜的地形環(huán)境。
智能控制系統(tǒng)通過對環(huán)境感知系統(tǒng)獲取的信息進行處理，從而形成正確的控制指令、對各驅(qū)動電機的動作進行控制。例如，智能控制系統(tǒng)由PC機和DSP等組成，置于控制系統(tǒng)安裝板6上。各種傳感器信號由DSP進行濾波等預(yù)處理后，不但可以通過無線傳輸傳遞給計算機，利用人機界面實現(xiàn)機器人的遠程控制，而且可以提供給機器人上的PC機進行決策，建立目標(biāo)函數(shù)，然后從由一系列控制指令共同組合而成的控制決策模塊化數(shù)據(jù)庫中調(diào)用相應(yīng)的控制函數(shù)，實現(xiàn)機器人的全自主運動。
當(dāng)本實用新型在平坦路面上行駛時，機器人的前后履帶輪的旋轉(zhuǎn)臂抬起，相當(dāng)于四輪行駛狀態(tài)。具有行駛速度快，效率高，轉(zhuǎn)彎靈活機動性好等特點。
當(dāng)本實用新型在特殊路面如沙地濕地等松軟地面、連續(xù)的寬度深度較小的溝壑坑洼地面以及小坡度傾斜路面上行駛時，為了保證機器人的行駛能力，采用履帶移動方式。將履帶輪的旋轉(zhuǎn)臂放下使履帶接觸地面，一方面降低重心，另一方面利用履帶良好的抓地性能，提高機器人適應(yīng)環(huán)境的能力。
當(dāng)本實用新型在大坡度傾斜路面上行駛時，為防止機器人發(fā)生傾覆現(xiàn)象，可以旋轉(zhuǎn)前后方履帶輪的旋轉(zhuǎn)臂至合適的角度、使履帶輪成為腿式運動，改變車體姿態(tài)，防止發(fā)生傾覆現(xiàn)象，從而提高跨越坡度的能力。
當(dāng)本實用新型在跨越大臺階障礙時，控制前方履帶輪的旋轉(zhuǎn)臂，將其前端搭在障礙物上，然后旋轉(zhuǎn)后方履帶輪的旋轉(zhuǎn)臂將車體撐起爬越臺階。
當(dāng)本實用新型向前或向后傾倒時，通過旋轉(zhuǎn)臂的擺動可使車體恢復(fù)到正常狀態(tài)。
本實用新型的具體實例為機器人的尺寸為153mm×156mm×120mm。行走輪的直徑R為24mm，輔助輪的直徑r為16mm。履帶輪旋轉(zhuǎn)臂長h(行走輪中心與輔助輪中心距離)為60mm。履帶為梯形齒雙面工業(yè)用齒形帶，型號106XL，寬度e為11mm。前后行走輪之間的傳動帶為單面齒形帶，型號64MXL。行走輪驅(qū)動電機是Faulhaber生產(chǎn)的型號為2342CR電機，旋轉(zhuǎn)臂驅(qū)動電機是日本生產(chǎn)的HS-GM43-DSD電機。前方行走輪與后方行走輪的中心距離a為105mm。車體底部與水平地面距離b為9mm。機器人車體、車輪等大部分構(gòu)件均由強度高、質(zhì)量輕的硬鋁合金LY12制成，少數(shù)轉(zhuǎn)動構(gòu)件如旋轉(zhuǎn)軸及軸套采用40Cr制成。機器人在水平地面上的最大行駛速度可達1.5米/秒，可以爬越40°的斜坡，可攀登80mm高的垂直臺階，是車輪直徑的3.3倍，而普通輪式移動機器人只能越過輪徑的一半。
權(quán)利要求1.一種自主越障機器人的復(fù)合移動機構(gòu)，包括驅(qū)動電機、減速傳動裝置和運動部件及其智能控制系統(tǒng)；其特征在于運動部件為一對以上對稱布置于車體兩側(cè)的履帶輪，每一履帶輪由行走輪、輔助輪、旋轉(zhuǎn)臂、履帶、履帶支撐機構(gòu)組成，行走輪輪徑大于輔助輪輪徑，行走輪和輔助輪分別安裝在旋轉(zhuǎn)臂的兩端，履帶包覆在行走輪和輔助輪外，履帶支撐機構(gòu)位于行走輪和輔助輪之間、固定在旋轉(zhuǎn)臂上；每一對左、右履帶輪的旋轉(zhuǎn)臂由一個旋轉(zhuǎn)臂驅(qū)動電機驅(qū)動，每一側(cè)前、后履帶輪的行走輪由一個行走輪驅(qū)動電機驅(qū)動。
2.如權(quán)利要求1所述機器人，其特征在于履帶輪的傳動軸分為內(nèi)軸和外軸、兩者同心，內(nèi)軸為旋轉(zhuǎn)臂傳動軸、外軸為行走輪傳動軸，內(nèi)軸和外軸分別聯(lián)接旋轉(zhuǎn)臂和行走輪，并通過相應(yīng)的傳動副分別與行走輪和旋轉(zhuǎn)臂各自的驅(qū)動電機相連；行走輪、旋轉(zhuǎn)臂分別固定在其傳動軸上、隨軸作360°旋轉(zhuǎn)。
3.如權(quán)利要求1所述機器人，其特征在于所述履帶輪的每一對左、右旋轉(zhuǎn)臂分別聯(lián)接在同一傳動軸的兩端，由一個旋轉(zhuǎn)臂驅(qū)動電機同時驅(qū)動左、右履帶輪的旋轉(zhuǎn)臂運動；所述履帶輪的每一側(cè)前、后行走輪分別聯(lián)接在前、后行走輪傳動軸的同一側(cè)，并通過帶式傳動副聯(lián)接前、后傳動軸，由一個行走輪驅(qū)動電機同時驅(qū)動前、后履帶輪的行走輪運動。
4.如權(quán)利要求1所述機器人，其特征在于所述履帶輪中的履帶采用雙面同步齒形帶；前、后行走輪傳動軸之間的帶式傳動副采用單面同步齒形帶。
專利摘要本實用新型涉及一種自主越障機器人的復(fù)合移動機構(gòu)。它包括驅(qū)動電機、減速傳動裝置和運動部件及其智能控制系統(tǒng)；其中的運動部件為對稱布置于車體兩側(cè)的履帶輪，每一履帶輪由行走輪、輔助輪、旋轉(zhuǎn)臂、履帶、履帶支撐機構(gòu)組成，行走輪和輔助輪分別安裝在旋轉(zhuǎn)臂的兩端，履帶包覆在行走輪和輔助輪外；每一對左、右履帶輪的旋轉(zhuǎn)臂由一個旋轉(zhuǎn)臂驅(qū)動電機驅(qū)動，每一側(cè)前、后履帶輪的行走輪由一個行走輪驅(qū)動電機驅(qū)動；行走輪、旋轉(zhuǎn)臂分別固定在其傳動軸上、可以隨軸作360°旋轉(zhuǎn)。本實用新型可采用輪式、腿式、履帶式等多種移動方式在各種復(fù)雜路面上行駛，并且各種移動方式之間可以直接轉(zhuǎn)換，前傾或后傾后還具有自恢復(fù)功能。
文檔編號B25J5/00GK2841272SQ20052007535
公開日2006年11月29日 申請日期2005年9月12日 優(yōu)先權(quán)日2005年9月12日
發(fā)明者李永新, 楊杰, 許旻, 杜華生, 王德新, 陳世榮, 董二寶, 皮驕陽, 宋軼群, 王付銳, 陳盛 申請人:中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)