CN102935787B - 多叶轮越障机构 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种多叶轮越障机构，包括机身框架和行走轮；机身框架为扁平长方体型，行走轮通过轮轴对称安装在机身框架左右两边；其特征在于：所述行走轮为多叶轮，所述多叶轮是在一个轮子的整圆圆周边上等弧长间隔挖去一段圆弧后形成的，所述多叶轮以六轮为一组，一边三个，两两对称，安装到位后，相对称的两个多叶轮的叶片圆弧段正好互补，形成一个整圆，而机身框架任一一边的第一和第三轮与另一边的第二轮采用同样的安装状态，即安装后，对应叶片的方向相同。该越障机构地表适应性强，越障能力强，能轻松跨越略低于轮子直径的障碍物，相对于一般的六轮机器人本体的单一机身机构来说表现出一定的优势。
Description
技术领域
本发明属于轮式移动机器人、越障控制方式等领域，具体涉及一种可自适应障碍物的越障行走机构的结构和运动方式。
背景技术
很多国家和公司都在研究能在野外复杂环境地形中移动行走和越过障碍的机器人或者移动设备。特别是犹如发生泥石流、煤矿坍塌、煤气泄漏、地震灾害等之后短时期内人类不能轻易靠近的情况，研究人员迫切希望可以研究出高速度和控制简单并且能越过一定障碍的移动机器人。
现有移动设备的行走机构大致可分为：轮式、履带式、多足式、混合式和特殊形式(如蛇形滑动式)。其中多足式和特殊形式大多属于仿生类行走机构，具有很强的越障能力与地形适应性，但这两类行走机构的机械结构复杂、控制难度极大、机动性相对较差，目前正处于研究与开发应用的初级阶段。履带经过一百多年的发展已经被证明是一种能适应复杂地形与恶劣环境的行走机构，不过它的缺点也很明显：笨重、需要大功率驱动器，因此，对于便携式或对功率有严格限制的移动设备来说履带并不合适。轮式移动机器人具有轻便简洁、高速度、高效率和控制简单等一些固有的优势，但在野外环境和复杂地形时便显得笨拙和无能为力。
虽然轮式行走机构简单并且效率高，但是它的越障能力却受到了其简单的结构所限制。因此，对普通轮式行走机构加以创新和改进，使其能适合于平坦路面的快速行驶和野外环境与复杂地形，是一个发展方向。
发明内容
本发明的目的是要提供一种机构简单、地表适应性好、越障能力强的多叶轮移动机器人。
一种多叶轮越障机构，包括机身框架、行走轮、动力***（包括电机）、能量源***（包括电源）、控制电路、遥控和接收模块；机身框架为扁平长方体型，行走轮通过轮轴对称安装在机身框架左右两边；其特征在于：所述行走轮为多叶轮，所述多叶轮是在一个轮子的整圆圆周边上等弧长间隔挖去一段圆弧后形成的，所述多叶轮以六轮为一组，一边三个，两两对称，安装到位后，相对称的两个多叶轮的叶片圆弧段正好互补，形成一个整圆，而机身框架的任一一边的第一和第三轮与另一边的第二轮采用同样的安装状态，即安装后，对应叶片的方向相同。所述叶片数量为二、三、四或五。
本发明采用多叶轮代替普通轮子，可以让轮子的重量变轻，同时保证行走的平稳。
所述每个叶片的弧与弧之间以及叶片的弧与被挖去的空白部分的弧等长，即若叶片数量为n，n为大于或等于2的整数，则每个叶片的弧等于1/2n，这样是兼顾重量和平稳的较优选择。
当然也可以选择每个叶片的弧长大于1/2n，这样牺牲一点重量的优势，但可以达到行走时更加平稳。
本发明应用到整个机器人***中，通过相适应的控制部分，通过对各个轮子的行走状态控制，可以实现平稳前行和越障前行的两种方式的切换。
其中第一种行走方式是在平路的环境下，以一组轮子为例，六个轮子的相对位置的初始化类似于三角步态的六足机器人，即某一侧的中间轮与另一侧的前后两轮保持相同的状态。而相对称的两个轮子的圆弧段互补，形成一个整体上轮子的运动状态与整圆轮子等效。这样避免了在平路状态下速度慢的缺点，其效果从整体上看相当于六个圆轮的旋转，没有波动或者震荡。除此之外，对于一些非连续的阻碍度低的障碍物，这种行走方式也可以很容易的通过。
另一种行走方式是在遇到连续障碍物的情况下，通过切换成六个轮子同属于一种状态进行越障，通过多叶轮的缺口，可以比较容易地挂在在障碍物上，提高越障能力。而且对于三叶轮，由于其缺口是按120°等分，其越障高度远远大于普通轮子的半径高度。所以相对于普通六轮机器人，本发明的这种行走方式显示出了一定的优势。
可见，本发明的多叶轮越障机构结合了轮式的行走效率和叶轮式的越障能力，使得该机构兼具结构简单、行走速度快、越障能力强等优点。
附图说明
图1是该越障机构所用到的三叶轮原型示意图；
图2是该越障机构平路运动初始状态示意图；
图3是该越障机构平路前行30°的状态示意图；
图4是该越障机构平路前行60°的状态示意图；
图5是该越障机构在越障方式下运动初始状态示意图；
图6是该越障机构的简化示意图；
图7是该越障机构平路运动初始状态侧面看的整圆效果图。
具体实施方式
本发明应用到不同的应用环境中，所需要的具体的机器人结构和控制部分以及电路部分不同。为了让更多的人能够从本发明中得到启发以及对于本发明的改进和运用，本发明只对于根本性的问题和关键部分加以申请权利保护以及原理的阐述。
作为本发明的一种形式，本文只以三叶轮作为例子来描述和解释本发明的实现原理和运动方式，其它叶轮数与三叶轮具有同样的原理。
参见图2、图3、图4、图5、图6和图7，本发明提出的一种六轮越障机构的结构和运动方式，包括机身框架2、行走轮1、动力***（包括电机）、能量源***（包括电源）、控制电路、遥控和接收模块，本文中，并没有对动力***（包括电机）、能量源***（包括电源）、控制电路、遥控和接收模块等机体的具体结构作详细的限制，可以采用现有技术实现，不是本专利的技术改进点，因此图中省去。以下从具体结构设定和运动方式两个方面来阐述。
参见图1，本发明所使用的行走轮是三叶轮1，其圆心位置固定于驱动***装置的动力旋转轴上。该三叶轮特点是在一个整圆的圆周边上找出六等分圆周长的六个点，以间隔相邻的两点为一组，分出三组。在每组相邻两点连线的中点为圆心割去圆弧部分。小圆的圆心可以尽可能地靠近叶轮轴心。这样可以使得叶轮的重量变轻并且容易卡住障碍物。在图5、图6和图7的轮子叶片上还开有圆孔，这样设计是在不影响轮子的坚固质量的同时使得轮子的重量尽量小，从而给机身的重量降低一部分。对于给出的7幅图中是否开有圆孔不是技术的关键，图1到图4只是为了说明本发明的运动方式和原理。
本发明所述的在平路上平稳状态下运动前行参见图2、图3、图4。
在图2中，是平稳。的前后两个轮子L1和L3与右侧一排轮子中间的轮子R2保持一种状态。余下的L2和R1、R3属于另一种互补的状态。此时机器人车体与地面的接触点为轮子R2、L1和L3的叶轮边中点A、B、C。几何学中三个不在同一直线上的点确定一个平面，所以此时切点A、B、C支撑起机器人车体。
假设六轮越障机构初始状态下与地面接触点的那条半径为参考，前行角度为0度，当六个轮子前行的角度在30°以内时，支撑车体的切点都是在R2、L1和L3三个轮子的一个叶片边上。这个过程都属于平稳的状态。
当六个轮子前行的角度正好是30°时，参见图3，此时是一个状态临界点。图中R2、L1和L3与地面的接触点为各个叶片的边缘点A、B、C。与此同时，R1、R3和L2与地面的接触点为B1、C1和A1。由于R2、L1和L3相对于L2、R1和R3在一个整圆内互补，此时仍然是一个平稳的状态。
当六个轮子前行的角度大于30°并且小于90°时，可以假设某一状态为60度，参见图4，此时与地面的接触点为L2、R1和R3的轮子叶片上的中点A1、B1和C1。同样是三点确定一个平面，支撑着车体。图4、图6和图7是图2关于一个整圆车轮的一个互补状态。对于临界点前后的两个状态，可以看作是：R2、L1和L3这一组轮子与L2、R1和R3这一组轮子的交替切换，从整体上看，这两组轮子是连续平滑的整圆效果。
同理，当车轮前行角度为90度、150度、210度、270度和330度时与前行30度角一样属于状态临界点。这些时刻有六个接触地面的点。其他的任意角度下都有不在同一直线上的三个触地点平稳地支撑着车体。所以按照这种运动方式前行就可以在平地上像整圆的车轮那样前行。从而在速度上达到最佳状态。
在平稳状态前行方式下，因为同一时刻除了临界点状态只有三个着地点，加上轮子有空缺部分，所以此时的相对越障能力较整圆轮的情况要强一些，但是这样可能会出现左右摇晃震荡的问题，为了达到更好的越障效果和稳定性。提出了下面的越障方式状态下的运动方式。
参见图5，当遇到障碍物时把运动方式切换成如图5的状态，此时左侧和右侧的六个轮子处在同一个状态。切换方法是保持其中的一组三个轮子不动，控制另外一组的三个轮子转动六十度角。此时为了避免震荡可以放慢前行速度。这种方式的越障性能要比之前的状态强很多。
Claims (4)
1.一种多叶轮越障机构，包括机身框架和行走轮；机身框架为扁平长方体型，行走轮通过轮轴对称安装在机身框架左右两边；其特征在于：所述行走轮为多叶轮，所述多叶轮是在一个轮子的整圆圆周边上等弧长间隔挖去一段圆弧后形成的，所述多叶轮以六轮为一组，一边三个，两两对称，安装到位后，相对称的两个多叶轮的叶片圆弧段正好互补，形成一个整圆，而机身框架任一一边的第一和第三轮与另一边的第二轮采用同样的安装状态，即安装后，对应叶片的方向相同;
通过对各个轮子的行走状态控制，实现平稳前行和越障前行的两种行走方式的切换:
第一种行走方式是在平路的环境下，六个轮子的相对位置的初始化类似于三角步态的六足机器人，即某一侧的中间轮与另一侧的前后两轮保持相同的状态，而相对称的两个轮子的圆弧段互补，形成一个整体上轮子的运动状态与整圆轮子等效；
另一种行走方式是在遇到连续障碍物的情况下，通过切换成六个轮子同属于一种状态进行越障，通过多叶轮的缺口挂在在障碍物上，提高越障能力。
2.根据权利要求1所述的多叶轮越障机构，其特征在于：所述每个叶片的弧与弧之间以及叶片的弧与被挖去的空白部分的弧等长，即若所述叶片数量为n，n为大于或等于2的整数，则每个叶片的弧等于1/2n。
3.根据权利要求1所述的多叶轮越障机构，其特征在于：若所述叶片数量为n，则每个叶片的弧长大于1/2n。
4.根据权利要求1所述的多叶轮越障机构，其特征在于：所述叶片数量为二、三、四或五。
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