本發(fā)明涉及機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種應(yīng)用于機(jī)器人的中心位置可變的車輪及中心位置調(diào)節(jié)方法。

背景技術(shù)：

隨著科技進(jìn)步，機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)已經(jīng)開始應(yīng)用，但是現(xiàn)有的機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)由于結(jié)構(gòu)所限，路面適應(yīng)性差，遇到路面障礙時(shí)無法跨越，遇到臺(tái)階無法攀爬，導(dǎo)致其使用環(huán)境受很大限制，無法全面推廣。隨著機(jī)器人研究的深入，目前機(jī)器人的車輪，也有采用彈性懸架進(jìn)行支撐，然而，這種車輪的路面崎嶇吸收能力差，仍不能改善機(jī)器人在復(fù)雜環(huán)境的行走適應(yīng)能力。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，而提供一種應(yīng)用于機(jī)器人的中心位置可變的車輪，該應(yīng)用于機(jī)器人的中心位置可變的車輪能對(duì)車輪中驅(qū)動(dòng)軸的中心位置實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)控制，能夠大幅提高機(jī)器人復(fù)雜環(huán)境的行走適應(yīng)能力。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：

一種應(yīng)用于機(jī)器人的中心位置可變的車輪，包括外輪圈、萬向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和調(diào)心機(jī)構(gòu)。

萬向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)包括連接盤、連接軸、萬向節(jié)和驅(qū)動(dòng)軸。

連接盤同軸固定套裝在連接軸的外周，且連接盤與外輪圈固定連接。

連接軸通過萬向節(jié)與驅(qū)動(dòng)軸活動(dòng)連接。

調(diào)心機(jī)構(gòu)包括內(nèi)輪圈和若干個(gè)線性伸縮裝置。

內(nèi)輪圈同軸可旋轉(zhuǎn)套裝在驅(qū)動(dòng)軸上，且內(nèi)輪圈能與機(jī)架相鉸接。

若干個(gè)線性伸縮裝置以內(nèi)輪圈為中心，呈輻射狀布置在外輪圈與內(nèi)輪圈之間的環(huán)形空腔中；每個(gè)線性伸縮裝置的長(zhǎng)度均能夠伸縮，每個(gè)線性伸縮裝置的一端均與外輪圈相鉸接，每個(gè)線性伸縮裝置的另一端均與內(nèi)輪圈相鉸接。

每個(gè)線性伸縮裝置均為伺服電動(dòng)缸。

每個(gè)線性伸縮裝置均為氣缸。

每個(gè)線性伸縮裝置均為彈性阻尼元件。

萬向節(jié)包括長(zhǎng)度能夠伸縮的傳動(dòng)桿，傳動(dòng)桿包括相互滑動(dòng)連接的傳動(dòng)軸和傳動(dòng)套，傳動(dòng)軸的另一端與連接軸活動(dòng)連接，傳動(dòng)套的另一端與驅(qū)動(dòng)軸活動(dòng)連接。

傳動(dòng)軸和傳動(dòng)套均為方軸。

傳動(dòng)桿的一端通過十字關(guān)節(jié)與連接軸活動(dòng)連接，傳動(dòng)桿的另一端也通過十字關(guān)節(jié)與驅(qū)動(dòng)軸活動(dòng)連接。

本發(fā)明還提供一種中心位置可變車輪的中心位置調(diào)節(jié)方法，該中心位置可變車輪的中心位置調(diào)節(jié)方法能對(duì)車輪中驅(qū)動(dòng)軸的中心位置實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)控制，能夠大幅提高機(jī)器人復(fù)雜環(huán)境的行走適應(yīng)能力。

一種中心位置可變車輪的中心位置調(diào)節(jié)方法，根據(jù)機(jī)器人行駛的路面環(huán)境狀況，對(duì)車輪的中心位置進(jìn)行調(diào)節(jié)，具體調(diào)節(jié)方式如下：

1）當(dāng)機(jī)器人在水平地面上行駛時(shí)，通過控制各個(gè)線性伸縮裝置的長(zhǎng)度伸縮，使車輪的驅(qū)動(dòng)軸軸心與車輪圓心的連線始終呈水平狀態(tài)，且驅(qū)動(dòng)軸軸心與車輪圓心之間的直線距離值保持恒定；此時(shí)，車輪能在無驅(qū)動(dòng)扭矩的情況下實(shí)現(xiàn)滾動(dòng)。

2）當(dāng)機(jī)器人在崎嶇不平路面行駛時(shí)，通過對(duì)前后車輪中線性伸縮裝置的長(zhǎng)度伸縮控制，根據(jù)路面狀況，使前后車輪的驅(qū)動(dòng)軸軸心在豎直直線上上下移動(dòng)，從而使前車輪的驅(qū)動(dòng)軸軸心和后車輪的驅(qū)動(dòng)軸軸心連線保持水平狀態(tài)，也即使與內(nèi)輪圈固定連接的機(jī)架處于水平狀態(tài)。

3）當(dāng)機(jī)器人行駛過程中車輪遇到路面上的障礙物時(shí)，通過控制各個(gè)線性伸縮裝置的長(zhǎng)度伸縮，使車輪的驅(qū)動(dòng)軸軸心移動(dòng)到障礙物支撐點(diǎn)前方水平距離為el的位置，則車輪能在無外力驅(qū)動(dòng)的作用下，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)跨越障礙物。

機(jī)器人具有多輪行走機(jī)構(gòu)時(shí)，當(dāng)機(jī)器人行駛過程中遇到路面上的障礙物時(shí)，使即將與障礙物接觸的車輪逐個(gè)抬起，實(shí)現(xiàn)避障；車輪抬起的方法為：通過控制各個(gè)線性伸縮裝置的長(zhǎng)度伸縮。

本發(fā)明采用上述結(jié)構(gòu)與方法后，能對(duì)車輪中驅(qū)動(dòng)軸的中心位置實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)控制，能夠大幅提高機(jī)器人復(fù)雜環(huán)境的行走適應(yīng)能力。

附圖說明

圖1顯示了本發(fā)明一種應(yīng)用于機(jī)器人的中心位置可變的車輪的立體結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2顯示了本發(fā)明一種應(yīng)用于機(jī)器人的中心位置可變的車輪的立體剖視圖。

圖3顯示了萬向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的立體結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4顯示了十字關(guān)節(jié)的立體結(jié)構(gòu)示意圖。

圖5顯示了調(diào)心結(jié)構(gòu)的原理結(jié)構(gòu)示意圖。

圖6顯示了調(diào)心結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)軸軸心位置時(shí)的原理結(jié)構(gòu)示意圖。

圖7顯示了機(jī)器人在水平地面上行駛時(shí)，調(diào)心結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)軸軸心位置時(shí)的示意圖。

圖8顯示了機(jī)器人在崎嶇不平路面行駛時(shí)，調(diào)心結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)軸軸心位置時(shí)的示意圖。

圖9顯示了機(jī)器人跨越障礙時(shí)，調(diào)心結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)軸軸心位置時(shí)的示意圖。

圖10顯示了機(jī)器人具有多輪行走機(jī)構(gòu)且跨越障礙時(shí)，調(diào)心結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)軸軸心位置時(shí)的示意圖。

圖11顯示了線性伸縮裝置為彈性阻尼元件時(shí)的示意圖。

其中有：

1.外輪圈；

2.萬向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)；

21.連接盤；22.連接軸；221.限位塊；222.u型接頭；23.傳動(dòng)軸；24.傳動(dòng)套；25.驅(qū)動(dòng)軸；251.驅(qū)動(dòng)軸軸心；26.十字關(guān)節(jié)；

3.調(diào)心機(jī)構(gòu)；31.內(nèi)輪圈；32.線性伸縮裝置；

4.車輪圓心；5.機(jī)架。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體較佳實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說明。

如圖1和圖2所示，一種應(yīng)用于機(jī)器人的中心位置可變的車輪，包括外輪圈1、萬向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)2和調(diào)心機(jī)構(gòu)3。

如圖3所示，萬向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)2包括連接盤21、連接軸22、萬向節(jié)和驅(qū)動(dòng)軸25。

連接盤同軸固定套裝在連接軸的外周，且連接盤與外輪圈固定連接。

連接軸的兩端均伸出連接盤，其中一個(gè)伸出端優(yōu)選設(shè)置有限位塊221，防止連接軸與連接盤脫落。連接盤的另一個(gè)伸出端優(yōu)選設(shè)置有u型接頭222。

連接軸通過萬向節(jié)與驅(qū)動(dòng)軸活動(dòng)連接。

萬向節(jié)優(yōu)選包括傳動(dòng)桿和兩個(gè)十字關(guān)節(jié)26，傳動(dòng)桿的兩端均優(yōu)選設(shè)置有u型接頭，其中一端優(yōu)選通過如圖4所示的十字關(guān)節(jié)26與連接軸活動(dòng)連接，傳動(dòng)桿的另一端優(yōu)選通過十字關(guān)節(jié)與驅(qū)動(dòng)軸活動(dòng)連接。

傳動(dòng)桿的長(zhǎng)度能夠伸縮，傳動(dòng)桿包括相互滑動(dòng)連接的傳動(dòng)軸23和傳動(dòng)套24，傳動(dòng)軸的另一端與連接軸活動(dòng)連接，傳動(dòng)套的另一端與驅(qū)動(dòng)軸活動(dòng)連接。傳動(dòng)軸與傳動(dòng)套通過滑動(dòng)副連接，二者可以相對(duì)伸縮，但是不能旋轉(zhuǎn)，用于傳遞扭矩

進(jìn)一步，傳動(dòng)軸和傳動(dòng)套均優(yōu)選為方軸。

作為替換，傳動(dòng)桿的長(zhǎng)度伸縮可采用現(xiàn)有技術(shù)中的其他方式，也在本申請(qǐng)的保護(hù)范圍之內(nèi)。

通過上述萬向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，能夠保證車輪的轉(zhuǎn)動(dòng)速度不受輪子中心位置（內(nèi)輪圈相對(duì)于外輪圈的位置，也即驅(qū)動(dòng)軸軸心相對(duì)外輪圈的位置）的影響。驅(qū)動(dòng)軸旋轉(zhuǎn)，可以將該輪子作為主動(dòng)輪，實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)。

如圖5所示，調(diào)心機(jī)構(gòu)包括內(nèi)輪圈31和若干個(gè)線性伸縮裝置32。

內(nèi)輪圈同軸可旋轉(zhuǎn)套裝在驅(qū)動(dòng)軸上，且內(nèi)輪圈能與機(jī)架相鉸接。

若干個(gè)線性伸縮裝置以內(nèi)輪圈為中心，呈輻射狀布置在外輪圈與內(nèi)輪圈之間的環(huán)形空腔中；每個(gè)線性伸縮裝置的長(zhǎng)度均能夠伸縮，每個(gè)線性伸縮裝置的一端均與外輪圈相鉸接，每個(gè)線性伸縮裝置的另一端均與內(nèi)輪圈相鉸接。

每個(gè)上述線性伸縮裝置有如下三種優(yōu)選實(shí)施方式。

實(shí)施方式一：每個(gè)線性伸縮裝置均優(yōu)選為伺服電動(dòng)缸。

實(shí)施方式二：每個(gè)線性伸縮裝置均優(yōu)選為氣缸。

實(shí)施方式三：每個(gè)線性伸縮裝置均優(yōu)選為彈性阻尼元件。

作為替換，調(diào)心機(jī)構(gòu)中的若干個(gè)線性伸縮裝置也可以為伺服電動(dòng)缸和氣缸的組合等。

如圖6所示，工作原理為：通過控制各個(gè)線性伸縮裝置的長(zhǎng)度伸縮，實(shí)現(xiàn)中心位置的調(diào)整，使中心距為ex、ey，從而能夠?qū)χ行奈恢脤?shí)施動(dòng)態(tài)控制。

一種中心位置可變車輪的中心位置調(diào)節(jié)方法，根據(jù)機(jī)器人行駛的路面環(huán)境狀況，對(duì)車輪的中心位置進(jìn)行調(diào)節(jié)，具體調(diào)節(jié)方式如下。

1）如圖7所示，當(dāng)機(jī)器人在水平地面上行駛時(shí)，通過控制各個(gè)線性伸縮裝置的長(zhǎng)度伸縮，使車輪的驅(qū)動(dòng)軸軸心與車輪圓心的連線始終呈水平狀態(tài)，且驅(qū)動(dòng)軸軸心與車輪圓心之間的直線距離值保持恒定，假設(shè)中心向前移動(dòng)ex的距離；此時(shí)，相當(dāng)于向前的驅(qū)動(dòng)（滾動(dòng)）扭矩為m=g×ex，其中，m表示驅(qū)動(dòng)扭矩，g為重力，圖7中n表示水平地面對(duì)車輪的支撐力；從而使車輪能在無驅(qū)動(dòng)扭矩的情況下實(shí)現(xiàn)滾動(dòng)。

當(dāng)線性伸縮裝置采用伺服電動(dòng)缸時(shí)，上述無驅(qū)動(dòng)扭矩下滾動(dòng)控制更為精確。由于伺服電動(dòng)缸具有快速實(shí)時(shí)的響應(yīng)速度，則各個(gè)伺服電動(dòng)缸可以實(shí)時(shí)快速地動(dòng)作，始終將中心保持在距離地面接觸到距離為ex的位置，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)輪子的驅(qū)動(dòng)，同時(shí)節(jié)能效果明顯。

2）如圖8所示，當(dāng)機(jī)器人在崎嶇不平路面行駛時(shí)，通過對(duì)前后車輪中線性伸縮裝置的長(zhǎng)度伸縮控制，根據(jù)路面狀況，使前后車輪的驅(qū)動(dòng)軸軸心在豎直直線上上下移動(dòng)，從而使前車輪的驅(qū)動(dòng)軸軸心和后車輪的驅(qū)動(dòng)軸軸心連線保持水平狀態(tài)，也即使與內(nèi)輪圈固定連接的機(jī)架處于水平狀態(tài)。

因此，當(dāng)?shù)孛娉霈F(xiàn)崎嶇不平時(shí)，可以更好適應(yīng)地面環(huán)境的變化。并且使用保持機(jī)架處于水平狀態(tài)。這是現(xiàn)有技術(shù)無法實(shí)現(xiàn)的。現(xiàn)有技術(shù)大多采用彈性支撐，彈性支撐當(dāng)遇見崎嶇不平的地面環(huán)境時(shí)，會(huì)出現(xiàn)晃動(dòng)。如果機(jī)器人上裝載有精密測(cè)試儀器時(shí)，這種晃動(dòng)會(huì)對(duì)儀器的測(cè)量精度產(chǎn)生巨大影響。而本發(fā)明，可以保證機(jī)器人在復(fù)雜環(huán)境中，平穩(wěn)移動(dòng)，且不會(huì)產(chǎn)生晃動(dòng)。

另外，圖8中，ey表示當(dāng)以車輪圓心為原點(diǎn)時(shí)，驅(qū)動(dòng)軸軸心的豎向坐標(biāo)值。

3）如圖9所示，當(dāng)機(jī)器人行駛過程中車輪遇到路面上的障礙物時(shí)，通過控制各個(gè)線性伸縮裝置的長(zhǎng)度伸縮，使車輪的驅(qū)動(dòng)軸軸心移動(dòng)到障礙物支撐點(diǎn)前方水平距離為el的位置，則車輪能在無外力驅(qū)動(dòng)的作用下，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)跨越障礙物。

如圖10所示，機(jī)器人具有多輪行走機(jī)構(gòu)時(shí)，當(dāng)機(jī)器人行駛過程中遇到路面上的障礙物時(shí)，使即將與障礙物接觸的車輪逐個(gè)抬起，實(shí)現(xiàn)避障；車輪抬起的方法為：通過控制各個(gè)線性伸縮裝置的長(zhǎng)度伸縮。

如圖11所示，車輪中每個(gè)線性伸縮裝置均采用彈性阻尼元件時(shí)，則該輪子相當(dāng)于自身帶有減震緩沖功能，可以對(duì)路面?zhèn)鬟f的振動(dòng)進(jìn)行和衰減。其作用相當(dāng)于汽車的懸掛系統(tǒng)，而且本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，占用空間更小，尤其適用于新能源汽車的驅(qū)動(dòng)懸掛。當(dāng)然，當(dāng)線性伸縮裝置也可采用彈性阻尼元件和伺服電動(dòng)缸同時(shí)使用，在每個(gè)彈性阻尼元件上設(shè)置彈性變形量檢測(cè)傳感器，這樣當(dāng)僅需要減震緩沖功能時(shí)，則伺服電動(dòng)缸不工作。當(dāng)需要實(shí)現(xiàn)上述無扭矩滾動(dòng)、崎嶇不平路面或跨越障礙時(shí)，則使伺服電動(dòng)缸和彈性變形量檢測(cè)傳感器同時(shí)工作。

以上詳細(xì)描述了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，但是，本發(fā)明并不限于上述實(shí)施方式中的具體細(xì)節(jié)，在本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思范圍內(nèi)，可以對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行多種等同變換，這些等同變換均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。