專利名稱：一種輪腿結(jié)合移動機器人的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及機器人技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種輪腿結(jié)合移動機器人。
背景技術(shù)：
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(huán)境作業(yè)方面，具有很大的優(yōu)勢。傳統(tǒng)的移動機器人一般采用輪式、履帶式、腿式等單一移動機構(gòu)。與傳統(tǒng)意義上的移動機器人相比，輪腿結(jié)合移動機器人具有更強的非結(jié)構(gòu)化地形適應(yīng)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(jié)合移動機器人在航天科考、救災(zāi)排險、軍事偵察、防暴反恐等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是公開一種輪腿結(jié)合移動機器人，它可以適應(yīng)非結(jié)構(gòu)化環(huán)境。在平坦路面上采用輪式結(jié)構(gòu)實現(xiàn)高速行駛；當(dāng)遇到復(fù)雜路面時，通過輪式升降結(jié)構(gòu)實現(xiàn)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(fā)明所提出的輪腿結(jié)合移動機器人組成和原理如下它由車體框架系統(tǒng)、主動輪單元、從動輪單元、腿式結(jié)構(gòu)單元、輪式升降結(jié)構(gòu)、電源、控制系統(tǒng)等組成；車體框架系統(tǒng)采用了角鋁與方形鋁管支撐結(jié)構(gòu)，車體底部布置有底板，采用底板與電源罩相結(jié)合的方式保護電源與控制電路板；兩個前輪運動單元、兩個后輪運動單元布置于車體左右兩側(cè)，四個腿式結(jié)構(gòu)運動單元分別布置于車體的前后兩端；前輪單元采用直流伺服電機驅(qū)動，為主動輪；后輪單元為從動輪；輪式升降結(jié)構(gòu)由直流伺服電機、彈性聯(lián)軸器、直齒輪、轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)單元、控制系統(tǒng)供電；控制系統(tǒng)采用上下兩級控制方案，上位機采用 DSP，下位機采用單片機。本發(fā)明還有其它一些特征1.所述的輪腿結(jié)合移動機器人的前輪單元，其特征是采用直流伺服電機驅(qū)動，由十字聯(lián)軸器、錐齒輪軸將運動傳遞至前車輪，車輪采用普通輪胎，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(tǒng)構(gòu)成半閉環(huán)系統(tǒng)。2.所述的輪腿結(jié)合移動機器人的后輪單元，其特征是由輪支架、套筒、車輪軸、車輪、軸端擋圈等組成，無動力源。后輪運動單元為從動輪，車輪采用普通輪胎。3.所述的輪腿結(jié)合移動機器人的腿式結(jié)構(gòu)運動單元，其特征是由髖關(guān)節(jié)、髖部、大腿關(guān)節(jié)、大腿、小腿關(guān)節(jié)、小腿組成。4.所述的腿式結(jié)構(gòu)運動單元，其特征是在髖關(guān)節(jié)中采用舵機驅(qū)動，由舵機支架、舵機、舵盤組成；5.所述的腿式結(jié)構(gòu)運動單元，其特征是髖部采用U形鋁板支撐，與大腿關(guān)節(jié)采用軸連接形式。6.所述的腿式結(jié)構(gòu)運動單元，其特征是在腿關(guān)節(jié)和大腿處由大腿板、蝸輪蝸桿機構(gòu)、軸承座、滾動軸承、蝸輪軸、套筒、鍵等組成，由直流伺服電機驅(qū)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(tǒng)構(gòu)成半閉環(huán)系統(tǒng)。7.所述的腿式結(jié)構(gòu)運動單元，其特征是小腿關(guān)節(jié)和小腿處由小腿板、小腿底、蝸輪蝸桿機構(gòu)、軸承座、滾動軸承、蝸輪軸、套筒、鍵等組成，由直流伺服電機驅(qū)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(tǒng)構(gòu)成半閉環(huán)系統(tǒng)。8.所述的腿式結(jié)構(gòu)運動單元，其特征是小腿底采用弧形結(jié)構(gòu)，與小腿板構(gòu)成密閉式結(jié)構(gòu)，保護小腿關(guān)節(jié)處的直流伺服電機。9.所述的輪腿結(jié)合移動機器人，其特征是可以采用遙控操作模式或自主運行模式運行。操作者采用遙控操作模式時，機器人轉(zhuǎn)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。采用自主運行模式時，機器人機載控制器根據(jù)傳感器(檢測現(xiàn)場環(huán)境)發(fā)送回的信號進行分析計算，向機器人執(zhí)行機構(gòu)發(fā)送轉(zhuǎn)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(jié)合移動機器人，其特征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(xiàn)轉(zhuǎn)向、加速、減速、制動等功能。11.所述的輪腿結(jié)合移動機器人，其特征是在路況較好時，采用輪式運動時，其特征是腿式結(jié)構(gòu)收放于機器人頂部。在路況不好時采用腿式結(jié)構(gòu)行走，將腿式結(jié)構(gòu)放下，支撐機器人，通過輪式升降結(jié)構(gòu)中轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)運動，驅(qū)動輪式結(jié)構(gòu)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(jié)合移動機器人，其特征是采用腿式結(jié)構(gòu)行走時，通過每個腿式結(jié)構(gòu)的直流伺服電機、舵機的控制實現(xiàn)機器人轉(zhuǎn)向、加速、減速等功能。13.所述的輪腿結(jié)合移動機器人。其特征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(fā)明輪腿結(jié)合移動機器人的正視圖。圖2是本發(fā)明輪腿結(jié)合移動機器人的俯視圖。圖3是本發(fā)明輪腿結(jié)合移動機器人的左視圖。圖4是本發(fā)明輪腿結(jié)合移動機器人前輪運動單元正視圖。圖5是本發(fā)明輪腿結(jié)合移動機器人前輪運動單元左視圖。圖6是本發(fā)明輪腿結(jié)合移動機器人后輪運動單元正視圖。圖7是本發(fā)明輪腿結(jié)合移動機器人后輪運動單元左視圖。圖8是本發(fā)明輪腿結(jié)合移動機器人腿式結(jié)構(gòu)單元正視圖。圖9是本發(fā)明輪腿結(jié)合移動機器人腿式結(jié)構(gòu)單元左視圖。圖10是本發(fā)明輪腿結(jié)合移動機器人腿式結(jié)構(gòu)單元俯視圖。
具體實施方式
結(jié)合附圖1-10，對本發(fā)明的具體實施方式
作進一步描述(實施方式中出現(xiàn)的零件標(biāo)號以總裝配中的零件標(biāo)號為準(zhǔn))如圖1-10所示本發(fā)明實例由車體框架系統(tǒng)、主動輪單元、從動輪單元、腿式結(jié)構(gòu)單元、輪式升降結(jié)構(gòu)、電源、控制系統(tǒng)等組成。車體框架系統(tǒng)是整個機器人的框架和基礎(chǔ)，其它機構(gòu)都安裝于其上。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(gòu)成。兩個前輪運動單元和兩個后輪運動單元分別安裝在車體的左右兩側(cè)，前、后論運動單元成對稱梯形布置；四個腿式結(jié)構(gòu)運動單元分別安裝在車體的前后兩端，成矩形布置。兩個直流伺服電機96分別通過彈性聯(lián)軸器、直齒輪(52、99)驅(qū)動前輪轉(zhuǎn)軸58和后輪轉(zhuǎn)軸84，通過前、后輪轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)帶動前、后輪運動單元的支架相對于轉(zhuǎn)軸中心軸線旋轉(zhuǎn)，改變四輪與地面的高度，從而完成輪式結(jié)構(gòu)和腿式結(jié)構(gòu)的切換。前輪運動單元為主動輪，后輪運動單元為從動輪，主動輪差速實現(xiàn)轉(zhuǎn)向。 前輪直流伺服電機62在控制系統(tǒng)作用下可以實現(xiàn)實現(xiàn)速度控制、制動、轉(zhuǎn)彎等功能。輪式升降機構(gòu)分為前輪升降機構(gòu)、后輪升降機構(gòu)。分別由直流伺服電機96、彈性聯(lián)軸器(50、55、56)、軸承座3、直齒輪(52、99)、轉(zhuǎn)軸(前輪轉(zhuǎn)軸58、后輪轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)的強度，采用雙重支架，包括支架(3)95、支架(由方形管57、方形管連接76構(gòu)成)。在電機96驅(qū)動下，帶動轉(zhuǎn)軸58、84正反向旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)輪式結(jié)構(gòu)單元的升降，完成輪足運動模式的切換。當(dāng)遇到小型障礙物或者涉淺水時，通過升降結(jié)構(gòu)抬高機器人底部與地面的距離通過障礙物， 也可在轉(zhuǎn)彎、爬坡的時候通過升降結(jié)構(gòu)降低機器人的重心，提高機器人行駛的穩(wěn)定性，防止縱向傾覆、側(cè)向傾覆的發(fā)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(jié)構(gòu)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(zhuǎn)， 經(jīng)過減速器、十字聯(lián)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(xiàn)機器人加速、減速、轉(zhuǎn)彎等動作。若采用輪式結(jié)構(gòu)行駛，則應(yīng)首先在直流伺服電機96的驅(qū)動下，將前、后輪運動單元放下，前后車輪與地面接觸。直流伺服電機96安裝有增量式旋轉(zhuǎn)編碼器。后輪運動單元由后輪軸80、套筒(3)83、后輪支架18、后車輪20、后輪軸承蓋19、后輪橫架88及必要的軸承與緊固零件等構(gòu)成。后輪為從動輪，不提供動力源。腿式結(jié)構(gòu)單元由髖關(guān)節(jié)、髖部、大腿關(guān)節(jié)、大腿、小腿關(guān)節(jié)、小腿組成。髖關(guān)節(jié)由舵機39、舵盤41、舵機支架(1)94、髖部U形鋁板10構(gòu)成，舵機支架(1)94與機器人框架采用螺釘連接。為保證舵機的支撐強度，采用附圖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(gòu)成，在舵機驅(qū)動髖部運動時，保證支撐力由上下支座承擔(dān)，舵機不會承受很大的彎矩，保證了強度。髖關(guān)節(jié)處具有一個橫向擺動的自由度。大腿關(guān)節(jié)和大腿部分由大腿板36、蝸輪軸( 100、蝸輪89、 蝸桿13、腿部軸承座14、蝸桿軸套31、腿部十字聯(lián)軸器30、腿部十字聯(lián)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(gòu)成。大腿關(guān)節(jié)由腿部直流電機77驅(qū)動，經(jīng)過減速器、十字聯(lián)軸器組件、蝸輪蝸桿機構(gòu)驅(qū)動大腿板繞蝸輪軸蝸輪軸( 100旋轉(zhuǎn)，此處具有一個縱向擺動的自由度。 小腿關(guān)節(jié)和小腿部分由小腿板16、蝸輪軸0)32、蝸輪89、蝸桿13、腿部軸承座14、蝸桿軸套31、腿部十字聯(lián)軸器30、腿部十字聯(lián)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(gòu)成。小腿關(guān)節(jié)由腿部直流電機77驅(qū)動，經(jīng)過減速器、十字聯(lián)軸器組件、蝸輪蝸桿機構(gòu)驅(qū)動兩個小腿板繞蝸輪軸蝸輪軸( 32旋轉(zhuǎn)，小腿關(guān)節(jié)處具有一個縱向擺動的自由度。當(dāng)采用腿式結(jié)構(gòu)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(qū)動，四足配合，實現(xiàn)轉(zhuǎn)彎、加速、減速等功能。當(dāng)機器人發(fā)生側(cè)翻或者縱翻等事故時，可由機器人自身調(diào)整復(fù)位一、當(dāng)機器人采用輪式結(jié)構(gòu)行駛時，若發(fā)生事故，則由放置于機器人頂部的四個腿部運動單元反向伸直，幫助機器人復(fù)位；二，當(dāng)機器人采用腿式結(jié)構(gòu)行走發(fā)生事故時，則由直流伺服電機96驅(qū)動升降結(jié)構(gòu)的前輪轉(zhuǎn)軸58、后輪轉(zhuǎn)軸84旋轉(zhuǎn)，改變輪式運動單元支架與地面的角度，協(xié)助四足結(jié)構(gòu)完成機器人的復(fù)位。操作者采用遙控方式操作時，機器人轉(zhuǎn)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。在采用自主運行模式時，機器人機載控制器根據(jù)傳感器發(fā)送回的信號進行分析計算，向機器人執(zhí)行機構(gòu)發(fā)送轉(zhuǎn)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(tǒng)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(fā)送下一步的指令。在車載控制器方面，利用DSP作為控制系統(tǒng)的上位機，接收來自機器人各傳感器發(fā)送回的信息(或接收來自遙控器的指令)，經(jīng)過計算分析后向下位機(采用單片機)發(fā)送指令，驅(qū)動機器人的執(zhí)行機構(gòu)執(zhí)行預(yù)期的動作，控制機器人完成期望的任務(wù)要求。
權(quán)利要求
1.一種輪腿結(jié)合移動機器人，其特征是由車體框架系統(tǒng)、主動輪單元、從動輪單元、 腿式結(jié)構(gòu)單元、輪式升降結(jié)構(gòu)、電源、控制系統(tǒng)等組成；車體框架系統(tǒng)采用了角鋁與方形鋁管支撐結(jié)構(gòu)，車體底部布置有底板，采用底板與電源罩相結(jié)合的方式保護電源與控制電路板；前、后輪運動單元布置于車體左右兩側(cè)，四個腿式結(jié)構(gòu)運動單元分別布置于車體的前后兩端；前輪單元采用直流伺服電機驅(qū)動，為主動輪；后輪單元為從動輪；輪式升降結(jié)構(gòu)由直流伺服電機、彈性聯(lián)軸器、直齒輪、轉(zhuǎn)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(tǒng)采用兩級控制方案，上位機采用DSP，下位機采用單片機。
2.如權(quán)利要求1所述的輪腿結(jié)合移動機器人，其特征是前輪單元采用直流伺服電機驅(qū)動，由十字聯(lián)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(tǒng)構(gòu)成半閉環(huán)系統(tǒng)；后輪單元由輪支架、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(quán)利要求1所述的輪腿結(jié)合移動移動機器人的腿式結(jié)構(gòu)運動單元，其特征是由髖關(guān)節(jié)、髖部、大腿關(guān)節(jié)、大腿、小腿關(guān)節(jié)、小腿組成；在髖關(guān)節(jié)中采用舵機驅(qū)動，由舵機支架、 舵機、舵盤組成。
4.如權(quán)利要求3所述的腿式結(jié)構(gòu)運動單元，其特征是在腿關(guān)節(jié)和大腿處由大腿板、蝸輪蝸桿機構(gòu)、軸承座、滾動軸承、蝸輪軸、套筒、鍵等組成，由直流伺服電機驅(qū)動，在其中安裝編碼器，通過控制系統(tǒng)構(gòu)成半閉環(huán)系統(tǒng)。
5.如權(quán)利要求3所述的腿式結(jié)構(gòu)運動單元，其特征是小腿關(guān)節(jié)和小腿處由小腿板、小腿底、蝸輪蝸桿機構(gòu)、軸承座、滾動軸承、蝸輪軸、套筒、鍵等組成，由直流伺服電機驅(qū)動，在其中安裝編碼器，通過控制系統(tǒng)構(gòu)成半閉環(huán)系統(tǒng)。
6.如權(quán)利要求3所述的腿式結(jié)構(gòu)運動單元，其特征是小腿底采用弧形結(jié)構(gòu)，與小腿板構(gòu)成密閉式結(jié)構(gòu)，保護小腿關(guān)節(jié)處的直流伺服電機。
7.如權(quán)利要求1所述的輪腿結(jié)合移動機器人，其特征是可以采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(zhuǎn)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；采用自主運行模式時，機器人機載控制器根據(jù)傳感器發(fā)送回的信號進行分析計算，向機器人執(zhí)行機構(gòu)發(fā)送轉(zhuǎn)彎、加速、減速、制動、輪腿運動單元切換等指令。
8.如權(quán)利要求1所述的輪腿結(jié)合移動機器人，其特征是在路況較好時，采用輪式運動， 腿式結(jié)構(gòu)收放于機器人頂部，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(xiàn)轉(zhuǎn)向、加速、減速、制動等功能。
9.如權(quán)利要求1所述的輪腿結(jié)合移動機器人，其特征是在路況不好時采用腿式結(jié)構(gòu)行走，將腿式結(jié)構(gòu)放下，支撐機器人，通過輪式升降結(jié)構(gòu)中轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)運動，驅(qū)動輪式結(jié)構(gòu)運動單元的支架，從而使四個車輪離開地面。
10.如權(quán)利要求1所述的輪腿結(jié)合移動機器人，其特征是采用腿式結(jié)構(gòu)行走時，通過每個腿式結(jié)構(gòu)的直流伺服電機、舵機的控制實現(xiàn)機器人轉(zhuǎn)向、加速、減速等功能。
全文摘要
本發(fā)明提出了一種輪腿結(jié)合移動機器人，涉及機器人技術(shù)領(lǐng)域。它由車體框架系統(tǒng)、主動輪單元、從動輪單元、腿式結(jié)構(gòu)單元、輪式升降結(jié)構(gòu)、電源、控制系統(tǒng)等組成。車體框架系統(tǒng)采用了角鋁與方形鋁管支撐結(jié)構(gòu)，采用底板與電源罩相結(jié)合的方式保護電源與控制電路。前、后輪運動單元布置于車體左右兩側(cè)，四個腿式結(jié)構(gòu)運動單元分別布置于車體的前后兩端。前輪單元采用直流伺服電機驅(qū)動，為主動輪，后輪單元為從動輪。輪式升降結(jié)構(gòu)由直流伺服電機、彈性聯(lián)軸器、直齒輪、轉(zhuǎn)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?？刂葡到y(tǒng)采用DSP和單片機的兩級控制方案。本發(fā)明可以在平坦及復(fù)雜的路面上行駛，對非結(jié)構(gòu)化環(huán)境具有良好的適應(yīng)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(yōu)先權(quán)日2011年9月2日
發(fā)明者李瓊硯, 王磊, 田野, 路敦民, 錢樺, 高道祥 申請人:北京林業(yè)大學(xué)