一種全輪同相位驅(qū)動(dòng)小車(chē)及其轉(zhuǎn)彎控制方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種全輪同相位驅(qū)動(dòng)小車(chē)及其轉(zhuǎn)彎控制方法，包括小車(chē)本體及若干個(gè)設(shè)置在小車(chē)本體上的圓輪，所述圓輪為偶數(shù)個(gè)且至少為四個(gè)，所述圓輪兩兩通過(guò)驅(qū)動(dòng)部件對(duì)稱(chēng)設(shè)置在小車(chē)本體兩側(cè)；各所述圓輪上均勻分布有若干段大摩擦力圓弧段，相互對(duì)稱(chēng)設(shè)置的兩個(gè)圓輪上的大摩擦力圓弧段互補(bǔ)并可形成一個(gè)整圓，位于小車(chē)本體同一側(cè)圓輪上的大摩擦力圓弧段相位相同；利用小車(chē)本體兩側(cè)圓輪所產(chǎn)生的摩擦力不同以及小車(chē)本體在變速時(shí)車(chē)身會(huì)有偏斜現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)小車(chē)轉(zhuǎn)向。該驅(qū)動(dòng)小車(chē)整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔可靠，具有效率高、地表適應(yīng)性好、越障能力強(qiáng)的特點(diǎn)，可供移動(dòng)機(jī)器人、越障車(chē)等需要在非平整地面和平整地面行走的移動(dòng)設(shè)備使用。
【專(zhuān)利說(shuō)明】
一種全輪同相位驅(qū)動(dòng)小車(chē)及其轉(zhuǎn)彎控制方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于機(jī)器人領(lǐng)域，具體涉及一種全輪同相位驅(qū)動(dòng)小車(chē)及其轉(zhuǎn)彎控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著我國(guó)先進(jìn)技術(shù)的發(fā)展，智能輪式機(jī)器人的研究變得越來(lái)越熱門(mén)，其應(yīng)用也越來(lái)越廣泛，價(jià)值亦愈加顯著。近年來(lái)出現(xiàn)的萬(wàn)用拖輪(三角輪)、各種越障輪以及圓輪與其它形式混合的行走機(jī)構(gòu)使得圓輪開(kāi)始脫離硬質(zhì)平坦地面而走進(jìn)復(fù)雜地形。因此，研究一種能夠在復(fù)雜地形中行走自如、功能強(qiáng)大、輕便簡(jiǎn)潔的輪式移動(dòng)機(jī)器人成為其應(yīng)用推廣需要克服首要難關(guān)。
[0003]現(xiàn)有資料表明，圓輪同相位有利于攀爬越障，特別適合在復(fù)雜環(huán)境中行走。對(duì)于輪式移動(dòng)機(jī)器人，如果其所有圓輪都同相位(即全輪同相)，其攀爬越障能力將會(huì)大大增強(qiáng)。因?yàn)槿喭嘁苿?dòng)機(jī)器人在任一圓輪有抓地力的時(shí)候，可獲得全部扭矩，有利于跨越障礙。然而全輪同相會(huì)帶來(lái)轉(zhuǎn)彎困難的問(wèn)題，如果引入像汽車(chē)轉(zhuǎn)向架一類(lèi)的高級(jí)轉(zhuǎn)彎方式，必將降低機(jī)器人的強(qiáng)度，增加結(jié)構(gòu)復(fù)雜度，也會(huì)增加能量功耗的負(fù)擔(dān)，違背了輕便簡(jiǎn)潔的宗旨。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提供一種全輪同相位驅(qū)動(dòng)小車(chē)及其轉(zhuǎn)彎控制方法，在不引入轉(zhuǎn)向架等復(fù)雜轉(zhuǎn)彎方式的情況下解決了全輪同相下轉(zhuǎn)彎復(fù)雜困難的問(wèn)題。
[0005]為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案:一種全輪同相位驅(qū)動(dòng)小車(chē)，包括小車(chē)本體及若干個(gè)設(shè)置在小車(chē)本體上的圓輪，所述圓輪為偶數(shù)個(gè)且至少為四個(gè)，所述圓輪兩兩通過(guò)驅(qū)動(dòng)部件對(duì)稱(chēng)設(shè)置在小車(chē)本體兩側(cè)；各所述圓輪上均勻分布有若干段大摩擦力圓弧段，相互對(duì)稱(chēng)設(shè)置的兩個(gè)圓輪上的大摩擦力圓弧段互補(bǔ)并可形成一個(gè)整圓，位于小車(chē)本體同一側(cè)圓輪上的大摩擦力圓弧段相位相同。
[0006]進(jìn)一步，相鄰驅(qū)動(dòng)部件間通過(guò)傳動(dòng)裝置相連接。
[0007]進(jìn)一步，所述驅(qū)動(dòng)部件主要由轉(zhuǎn)動(dòng)軸及驅(qū)動(dòng)源組成，兩兩對(duì)稱(chēng)的圓輪通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)軸連接并由驅(qū)動(dòng)源驅(qū)動(dòng)。
[0008]進(jìn)一步，所述傳動(dòng)裝置為傳送帶，所述傳送帶兩端對(duì)應(yīng)套裝在兩組相鄰驅(qū)動(dòng)部件的驅(qū)動(dòng)源上。
[0009]本發(fā)明還提供一種上述全輪同相位驅(qū)動(dòng)小車(chē)的轉(zhuǎn)彎控制方法:
[0010]包括以下步驟:
[0011](I)保證小車(chē)本體上對(duì)稱(chēng)設(shè)置的兩個(gè)圓輪相位互補(bǔ)且各圓輪間的相對(duì)相位固定不變；
[0012](2)控制小車(chē)加速或減速，使小車(chē)本體兩側(cè)產(chǎn)生相對(duì)滑移。
[0013]進(jìn)一步，包括左轉(zhuǎn)向控制:小車(chē)本體加速時(shí)，右側(cè)圓輪上的大摩擦力圓弧段與地面接觸，左側(cè)圓輪與右側(cè)圓輪相位互補(bǔ);小車(chē)本體減速時(shí)，左側(cè)圓輪上的大摩擦力圓弧段與地面接觸，右側(cè)圓輪與左側(cè)圓輪相位互補(bǔ)。
[0014]進(jìn)一步，包括右轉(zhuǎn)向控制:小車(chē)本體加速時(shí)，左側(cè)圓輪上的大摩擦力圓弧段與地面接觸，右側(cè)圓輪與左側(cè)圓輪相位互補(bǔ);小車(chē)本體減速時(shí)，右側(cè)圓輪上的大摩擦力圓弧段與地面接觸，左側(cè)圓輪與右側(cè)圓輪相位互補(bǔ)。
[0015]本發(fā)明的有益效果在于:
[0016](I)本發(fā)明將相位控制及電機(jī)驅(qū)動(dòng)(加減速)進(jìn)行合理配合，既保留了全輪同相越障能力強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，又攻克了全輪同相轉(zhuǎn)彎困難的問(wèn)題，可以在各行動(dòng)輪完全同相位的情況下，實(shí)現(xiàn)正常的前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)及右轉(zhuǎn)，具有很強(qiáng)的實(shí)用性。
[0017](2)結(jié)構(gòu)整體簡(jiǎn)潔可靠，具有效率高、地表適應(yīng)性好、越障能力強(qiáng)的特點(diǎn)，可供移動(dòng)機(jī)器人、越障車(chē)等需要在非平整地面和平整地面行走的移動(dòng)設(shè)備使用。
[0018](3)當(dāng)小車(chē)本體以勻速率或者較為平緩地在平坦地面上加減速行走時(shí)，車(chē)體宏觀上直線行走;在需要轉(zhuǎn)彎時(shí)，根據(jù)圓輪的相位狀態(tài)進(jìn)行急加速或者急減速，即可達(dá)成轉(zhuǎn)向效果。在非平坦地面行走時(shí)，由于圓輪同相，可以將輪式車(chē)輛的越障性能發(fā)揮到極致。
【附圖說(shuō)明】
[0019]為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果更加清楚，本發(fā)明提供如下附圖進(jìn)行說(shuō)明:
[0020]圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖(六輪結(jié)構(gòu))；
[0021]圖2為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖(四輪結(jié)構(gòu))；
[0022]圖3為加速左轉(zhuǎn)狀態(tài)示意圖；
[0023]圖4為減速左轉(zhuǎn)狀態(tài)示意圖；
[0024]圖5為加速右轉(zhuǎn)狀態(tài)示意圖；
[0025]圖6為減速右轉(zhuǎn)狀態(tài)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0026]下面將結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)的描述。
[0027]如圖1所示，本發(fā)明中的全輪同相位驅(qū)動(dòng)小車(chē)，包括小車(chē)本體I及六個(gè)設(shè)置在小車(chē)本體I上的圓輪2-1、2-2、2-3、2-4、2-5與2-6，所述圓輪兩兩通過(guò)驅(qū)動(dòng)部件3對(duì)稱(chēng)設(shè)置在小車(chē)本體I兩側(cè)，即一側(cè)安裝有圓輪2-1、2-2及2-3，另一側(cè)安裝有圓輪2-4、2-5及2-6。各所述圓輪上均勻分布有若干段大摩擦力圓弧段21，相互對(duì)稱(chēng)設(shè)置的兩個(gè)圓輪上的大摩擦力圓弧段21互補(bǔ)并可形成一個(gè)整圓，位于小車(chē)本體I同一側(cè)圓輪上的大摩擦力圓弧段21相位相同。即圓輪2-1、2-2及2-3上的大摩擦力圓弧段21相位相同，圓輪2-4、2-5及2-6上的大摩擦力圓弧段21相位相同，圓輪2-1、2-2、2-3對(duì)應(yīng)與圓輪2-4、2-5及2-6上的大摩擦力圓弧段21互補(bǔ)。
[0028]具體的，未設(shè)有大摩擦力的圓弧段對(duì)應(yīng)為小摩擦力圓弧段22(圖中小摩擦力圓弧段22為圓輪上的淺色區(qū)，大摩擦力圓弧段21為圓輪上的深色區(qū))。由于圓輪上不同相位區(qū)間的摩擦力不同，而同側(cè)的圓輪相位相同，兩側(cè)圓輪相位相互補(bǔ)，因此，在同一時(shí)間，小車(chē)本體I兩側(cè)圓輪所產(chǎn)生的摩擦力不同；而小車(chē)本體I在變速時(shí)車(chē)身會(huì)有偏斜現(xiàn)象，在偏斜的車(chē)身與兩側(cè)不同摩擦力共同作用下，即可完成小車(chē)轉(zhuǎn)向。
[0029]本發(fā)明中相鄰驅(qū)動(dòng)部件3間通過(guò)傳動(dòng)裝置4相連接，即圓輪(2-1、2_4)的驅(qū)動(dòng)部件3與圓輪(2-2、2-5)的驅(qū)動(dòng)部件通過(guò)傳動(dòng)裝置4相連接，圓輪(2-2、2-5)的驅(qū)動(dòng)部件還與圓輪(2-3、2-6)的驅(qū)動(dòng)部件相連接。驅(qū)動(dòng)部件3通過(guò)傳動(dòng)裝置4將所有圓輪連接，嚴(yán)格保證了相對(duì)相位的固定不變。
[0030]本發(fā)明中的驅(qū)動(dòng)部件3主要由轉(zhuǎn)動(dòng)軸31及驅(qū)動(dòng)源32組成，兩兩對(duì)稱(chēng)的圓輪通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)軸31連接并由驅(qū)動(dòng)源32驅(qū)動(dòng)。其中，驅(qū)動(dòng)源可為電機(jī)。
[0031]本發(fā)明中的傳動(dòng)裝置4為傳送帶，所述傳送帶兩端對(duì)應(yīng)套裝在兩組相鄰驅(qū)動(dòng)部件的驅(qū)動(dòng)源32上。
[0032]控制該全輪同相位驅(qū)動(dòng)小車(chē)的進(jìn)行轉(zhuǎn)彎的方法，包括以下步驟:
[0033](I)保證小車(chē)本體I上對(duì)稱(chēng)設(shè)置的兩個(gè)圓輪相位互補(bǔ)且各圓輪間的相對(duì)相位固定不變；
[0034](2)控制小車(chē)加速或減速，使小車(chē)本體I兩側(cè)產(chǎn)生相對(duì)滑移。
[0035]以圓輪順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，右前進(jìn)狀態(tài)為基礎(chǔ)進(jìn)行說(shuō)明。
[0036]具體的，左轉(zhuǎn)向控制:小車(chē)本體I加速時(shí)，右側(cè)圓輪上的大摩擦力圓弧段與地面接觸，左側(cè)圓輪與右側(cè)圓輪相位互補(bǔ);小車(chē)本體I減速時(shí)，左側(cè)圓輪上的大摩擦力圓弧段與地面接觸，右側(cè)圓輪與左側(cè)圓輪相位互補(bǔ)。
[0037]右轉(zhuǎn)向控制:小車(chē)本體I加速時(shí)，左側(cè)圓輪上的大摩擦力圓弧段與地面接觸，右側(cè)圓輪與左側(cè)圓輪相位互補(bǔ);小車(chē)本體I減速時(shí)，右側(cè)圓輪上的大摩擦力圓弧段與地面接觸，左側(cè)圓輪與右側(cè)圓輪相位互補(bǔ)。
[0038]如圖2所示，以某一四輪小車(chē)為例，該小車(chē)本體I上設(shè)有四個(gè)圓輪2-1、2-2、2_3與2-4，各圓輪上均有半周大摩擦力圓弧段21，另外半周為小摩擦力圓弧段22;其中，圓輪2-1與圓輪2-4同軸連接且相位互補(bǔ)，圓輪2-2與圓輪2-3同軸連接且相位互補(bǔ)。當(dāng)圓輪2-1的大摩擦力圓弧段21處于高半周而小摩擦力圓弧段22處于低半周時(shí)，圓輪2-4的大摩擦力圓弧段21處于低半周而小摩擦力圓弧段22處于高半周，由于圓輪2-1、2-2的相位完全相同，且前、后輪上的轉(zhuǎn)動(dòng)軸31通過(guò)傳送帶相連，進(jìn)一步保證了四個(gè)圓輪相對(duì)相位的固定。因此，小車(chē)可在不同模式下實(shí)現(xiàn)車(chē)體偏轉(zhuǎn)。
[0039]以下的原理說(shuō)明均以圓輪順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，即前進(jìn)狀態(tài)為基礎(chǔ)，如圖3、4、5、6所示。
[0040]正常行駛時(shí)，由于加速度的絕對(duì)值較低，兩側(cè)圓輪都沒(méi)有突破靜摩擦力的極限，因此所產(chǎn)生的靜摩擦力相同，兩側(cè)均無(wú)滑移，車(chē)體保持直線行駛。
[0041]當(dāng)加速度的絕對(duì)值足夠大，小車(chē)本體I兩側(cè)或者一側(cè)的的圓輪突破靜摩擦力極限時(shí)，圓輪發(fā)生滑移。其中，小摩擦力圓弧段22處于低半周的一側(cè)，其與地面間的摩擦力較小而首先突破靜摩擦力的極限，同時(shí)，另一側(cè)的大摩擦力圓弧段21處于低半周的一側(cè)，其受到摩擦力較大。當(dāng)小摩擦力一側(cè)發(fā)生滑移、大摩擦力一側(cè)不發(fā)生滑移時(shí)，車(chē)體會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)向。同理，兩側(cè)都發(fā)生滑移時(shí)，因兩側(cè)所受到的摩擦力不同，車(chē)體同樣會(huì)產(chǎn)生轉(zhuǎn)向。
[0042]向左轉(zhuǎn)時(shí):
[0043](I)加速模式下，當(dāng)左側(cè)圓輪的小摩擦力圓弧段22處于低半周，由于相位互補(bǔ)，右側(cè)圓輪的大摩擦力圓弧段21處于低半周，此時(shí)急劇加速，一側(cè)(必為小摩擦低半周側(cè))或者兩側(cè)都突破靜摩擦極限時(shí)，圓輪與地面間發(fā)生滑移，使得車(chē)體左轉(zhuǎn)。如圖3所示。
[0044](2)減速模式下，當(dāng)左側(cè)圓輪的大摩擦力圓弧段21處于低半周，由于相位互補(bǔ)，右側(cè)圓輪的小摩擦力圓弧段22處于低半周，此時(shí)急劇減速，一側(cè)或者雙側(cè)會(huì)突破靜摩擦極限，圓輪與地面間發(fā)生滑移，使得車(chē)體左轉(zhuǎn)。如圖4所示。
[0045]向右轉(zhuǎn)時(shí):
[0046](I)加速模式下，當(dāng)左側(cè)圓輪的大摩擦力圓弧段21處于低半周，由于相位互補(bǔ)，右側(cè)圓輪的小摩擦力圓弧段22處于低半周，此時(shí)急劇加速，一側(cè)(必為小摩擦低半周側(cè))或者兩側(cè)都突破靜摩擦極限時(shí)，圓輪與地面間發(fā)生滑移，使得車(chē)體右轉(zhuǎn)。如圖5所示。
[0047](2)減速模式下，當(dāng)左側(cè)圓輪的小摩擦力圓弧段22處于低半周，由于相位互補(bǔ)，右側(cè)圓輪的大摩擦力圓弧段21處于低半周，此時(shí)急劇減速，一側(cè)或者雙側(cè)會(huì)突破靜摩擦極限，圓輪與地面間發(fā)生滑移，使得車(chē)體右轉(zhuǎn)。如圖6所示。
[0048]該小車(chē)機(jī)構(gòu)，既不失平坦地面行走的效率，又兼顧了越障性能。當(dāng)小車(chē)本體I以勻速率或者較為平緩地在平坦地面上加減速行走時(shí)，車(chē)體宏觀上直線行走;在需要轉(zhuǎn)彎時(shí)，根據(jù)圓輪的相位狀態(tài)進(jìn)行急加速或者急減速，即可達(dá)成轉(zhuǎn)向效果。在非平坦地面行走時(shí)，由于圓輪同相，可以將輪式車(chē)輛的越障性能發(fā)揮到極致。
[0049]最后說(shuō)明的是，以上優(yōu)選實(shí)施例僅用以說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，盡管通過(guò)上述優(yōu)選實(shí)施例已經(jīng)對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的描述，但本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以在形式上和細(xì)節(jié)上對(duì)其作出各種各樣的改變，而不偏離本發(fā)明權(quán)利要求書(shū)所限定的范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種全輪同相位驅(qū)動(dòng)小車(chē)，其特征在于:包括小車(chē)本體及若干個(gè)設(shè)置在小車(chē)本體上的圓輪，所述圓輪為偶數(shù)個(gè)且至少為四個(gè)，所述圓輪兩兩通過(guò)驅(qū)動(dòng)部件對(duì)稱(chēng)設(shè)置在小車(chē)本體兩側(cè);各所述圓輪上均勻分布有若干段大摩擦力圓弧段，相互對(duì)稱(chēng)設(shè)置的兩個(gè)圓輪上的大摩擦力圓弧段互補(bǔ)并可形成一個(gè)整圓，位于小車(chē)本體同一側(cè)圓輪上的大摩擦力圓弧段相位相同。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的全輪同相位驅(qū)動(dòng)小車(chē)，其特征在于:相鄰驅(qū)動(dòng)部件間通過(guò)傳動(dòng)裝置相連接。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的全輪同相位驅(qū)動(dòng)小車(chē)，其特征在于:所述驅(qū)動(dòng)部件主要由轉(zhuǎn)動(dòng)軸及驅(qū)動(dòng)源組成，兩兩對(duì)稱(chēng)的圓輪通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)軸連接并由驅(qū)動(dòng)源驅(qū)動(dòng)。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的全輪同相位驅(qū)動(dòng)小車(chē)，其特征在于:所述傳動(dòng)裝置為傳送帶，所述傳送帶兩端對(duì)應(yīng)套裝在兩組相鄰驅(qū)動(dòng)部件的驅(qū)動(dòng)源上。5.—種控制權(quán)利要求1?4任一項(xiàng)所述全輪同相位驅(qū)動(dòng)小車(chē)轉(zhuǎn)彎的方法，其特征在于包括以下步驟: (1)保證小車(chē)本體上對(duì)稱(chēng)設(shè)置的兩個(gè)圓輪相位互補(bǔ)且各圓輪間的相對(duì)相位固定不變； (2)控制小車(chē)加速或減速，使小車(chē)本體兩側(cè)產(chǎn)生相對(duì)滑移。6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的全輪同相位驅(qū)動(dòng)小車(chē)轉(zhuǎn)彎控制方法，其特征在于包括左轉(zhuǎn)向控制:小車(chē)本體加速時(shí)，右側(cè)圓輪上的大摩擦力圓弧段與地面接觸，左側(cè)圓輪與右側(cè)圓輪相位互補(bǔ);小車(chē)本體減速時(shí)，左側(cè)圓輪上的大摩擦力圓弧段與地面接觸，右側(cè)圓輪與左側(cè)圓輪相位互補(bǔ)。7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的全輪同相位驅(qū)動(dòng)小車(chē)轉(zhuǎn)彎控制方法，其特征在于包括右轉(zhuǎn)向控制:小車(chē)本體加速時(shí)，左側(cè)圓輪上的大摩擦力圓弧段與地面接觸，右側(cè)圓輪與左側(cè)圓輪相位互補(bǔ);小車(chē)本體減速時(shí)，右側(cè)圓輪上的大摩擦力圓弧段與地面接觸，左側(cè)圓輪與右側(cè)圓輪相位互補(bǔ)。
【文檔編號(hào)】B62D61/10GK105966492SQ201610368782
【公開(kāi)日】2016年9月28日
【申請(qǐng)日】2016年5月27日
【發(fā)明人】王宇俊, 方燦, 李慧華, 付祥, 殷朋飛, 黃結(jié), 全瑞坤, 申晨陽(yáng), 曾潔, 張?zhí)礻?yáng), 周俊航, 劉津卓
【申請(qǐng)人】西南大學(xué)