CN104828164A - 一种四段式轮履结合智能越障机器人 - Google Patents

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方海峰
魏久焱
李昱
伍丰
蔡李花
范纪华
吴群彪
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Abstract

本发明公开了一种四段式轮履结合智能越障机器人，包括主体装置，主体装置包括底板、设置在底板上的步进电机PLC控制板、主控模块、电池、电压控制模块、并行口连接端、以及上罩壳，主体装置上设有可前后转动的轮式前肢、以及驱动轮式前肢转动的前步进电机，主体装置上还设有两个可前后转动的后摆臂，主体装置上设有驱动后摆臂转动的后伺服电机，后摆臂下端外侧设有转动座、以及驱动转动座转动的下伺服电机，转动座上设有履带模块。本机器人越障性能好，跨沟能力强，行走平稳，重心可调性高，适应于更加复杂的地形，可以方便的通过障碍，提高了机器人移动机构对不同地形的适应性。

Description

一种四段式轮履结合智能越障机器人
技术领域
本发明涉及一种智能越障机器人，具体来说涉及一种四段式轮履结合智能越障机器人。
背景技术
目前移动机器人移动机构主要有轮式、腿式、履带式以及由以上单一移动机构形式派生成的各种复合移动机构类型。单一的移动机构形式各有优缺点，复合移动机构在各方面取长补短实现了移动机器人的多元化。众所周知，机器人的移动范围决定了其适用功能，由此可见机器人移动方式的重要性。虽然机器人移动方式很多，但在越障性能和对不同地形的适应性以及移动效率上都有各自的局限性。就目前在多节式机器人的研究中，已有的此类机器人越障方式较为单一，机器人的越障性仍有较大的发展空间。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种四段式轮履结合智能越障机器人，此种机器人越障性能好，跨沟能力强，行走平稳，重心可调性高，适应于更加复杂的地形，可以方便的通过障碍，提高了机器人移动机构对不同地形的适应性。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案为：一种四段式轮履结合智能越障机器人，包括主体装置，所述主体装置包括底板、设置在底板上的主控模块、电池、电压控制模块、并行口连接端、以及上罩壳，主体装置上设有可前后转动的轮式前肢、以及驱动轮式前肢转动的前步进电机和步进电机PLC控制板，主体装置上还设有两个可前后转动的后摆臂，主体装置上设有驱动后摆臂转动的后伺服电机，后摆臂下端外侧设有转动座、以及驱动转动座转动的下伺服电机，转动座上设有履带模块；
轮式前肢包括铰接在主体装置上的前肢支撑壳体，前肢支撑壳体下部转动穿设有输出轴，输出轴穿出前肢支撑壳体的两端分别设有一个前轮，前肢支撑壳体上设有前伺服电机，前肢支撑壳体内设有与前伺服电机连接以驱动输出轴转动的前肢传动组件；
履带模块包括相对设置的内安装板和外安装板，内安装板连接在转动座上，内安装板和外安装板之间转动设有主动轮、从动轮，内安装板和外安装板之间还设有减震机构，减震机构上设有至少两组负载轮组件，主动轮、从动轮以及负载轮组件外周套设有履带，外安装板上设有驱动主动轮转动的履带电机及减速器。
作为一种优选的方案，履带模块的内安装板和外安装板之间设有陀螺仪。
作为一种优选的方案，所述减震机构包括设置在内安装板和外安装板之间的减震架，减震架上铰接有数量与所述负载轮组件数量一致的摇杆，摇杆端部穿设有安装轴，所述负载轮组件设置在安装轴上，减震架上设有将向上翻转后的摇杆复位的复位拉簧。
作为一种优选的方案，所述前伺服电机设置在前肢支撑壳体的前表面上，前肢传动组件包括与前伺服电机输出轴相连接的主动锥齿轮，主动锥齿轮与设置在前肢支撑壳体内的被动锥齿轮相啮合，被动锥齿轮的安装轴上还套设有第一过渡齿轮，前肢支撑壳体内设有与第一过渡齿轮相啮合的第二过渡齿轮，第二过渡齿轮的安装轴上还套设有主动同步带轮，主动同步带轮通过同步带与固定设置在输出轴上的从动同步带轮相连接。
作为一种优选的方案，主体装置上设有两个摄像头，主体装置上在摄像头下方设有至少两个红外对管，摄像头及红外对管用于分析前方或后方障碍物距离和高度，并与主控模块电连接。
作为一种优选的方案，主体装置上在每个后摆臂处设有两个同步驱动后摆臂转动的后伺服电机。
本发明的有益效果是：由于本机器人采用了四段式轮履结合的结构，可通过控制后摆臂与履带、主体装置与后摆臂、主体装置与前肢的角度来控制行走，可以适应各种不同地形。
由于设置了陀螺仪，如遇较大的地面波动，可通过陀螺仪的提前预判，从而控制履带模块小幅度的转动，以避免机器人受到瞬时冲击，
由于机器人后摆臂分别由两个伺服电机并联带动，提高了其输出扭矩。
由于前肢使用伺服电机通过两个齿轮组及同步带传动，可以精准的控制前轮的转动角度，在过载或者前轮卡死时能通过带传动打滑防止损伤电机和电池。
由于履带模块的减震机构中的拉簧使负载轮常态处于向外张紧状态，为履带提供了适当的张紧力，提高了其使用寿命。
附图说明
图1是本发明的立体结构示意图。
图2是本发明的主体装置(除去上罩壳)及相关部分结构示意图。
图3是本发明的前式轮肢(除去前肢支撑壳体)结构示意图。
图4是本发明的后摆臂及相关部分的结构示意图。
图5是本发明的履带模块内部的结构示意图。
图6是本机器人正向越障示意图。
图7是本机器人反向越障示意图。
图8是本机器人行走在一边高一边低的不平坦地面的示意图。
图1至图5中：1、主体装置，11.底板，12.步进电机PLC控制板，13.主控模块，14.电池、15.并行口连接端，16.上罩壳；2.摄像头，3.轮式前肢，301.前肢支撑壳体，302.输出轴，303.前轮，304.前伺服电机，305.主动锥齿轮，306.被动锥齿轮，307.第一过渡齿轮，308.第二过渡齿轮，309.主动同步带轮，310.同步带，311.从动同步带轮；
4.前步进电机，5.后摆臂，6.后伺服电机，7.转动座、8.下伺服电机，9.履带模块，901.内安装板，902.外安装板，903.主动轮，904.从动轮，905.负载轮组件，906.履带，907.履带电机，908.减速器，909.陀螺仪，910.减震架，911.摇杆，912.安装轴，913.复位拉簧，10.红外对管。
具体实施方式
下面结合附图，详细描述本发明的具体实施方案。
如图1-5所示，一种四段式轮履结合智能越障机器人，包括主体装置1，主体装置1包括底板11、设置在底板11上的步进电机PLC控制板12、主控模块13、电池14、电压控制模块、并行口连接端15以及上罩壳16。主体装置1上设有两个摄像头2，主体装置1前部在摄像头2下方设有两个红外对管10，主体装置1后部在摄像头2下方设有一个红外对管10。摄像头2及红外对管10用于分析前方或后方障碍物距离和高度，并与主控模块13电连接。主体装置1上通过前连接组件设有可前后转动的轮式前肢3、以及驱动轮式前肢3转动的前步进电机4。主体装置1上还通过后连接组件设有两个可前后转动的后摆臂5，主体装置1上在每个后摆臂5处设有两个同步驱动后摆臂5转动的后伺服电机6。后摆臂5下端外侧设有转动座7、以及驱动转动座7转动的下伺服电机8，转动座7上设有履带模块9；
轮式前肢3包括铰接在主体装置1上的前肢支撑壳体301，前肢支撑壳体301下部转动穿设有输出轴302，输出轴302穿出前肢支撑壳体301的两端分别设有一个前轮303，前肢支撑壳体301的前表面上设有前伺服电机304，前肢支撑壳体301内设有与前伺服电机304连接以驱动输出轴302转动的前肢传动组件。
前肢传动组件包括与前伺服电机304输出轴相连接的主动锥齿轮305，主动锥齿轮305与设置在前肢支撑壳体301内的被动锥齿轮306相啮合，被动锥齿轮的安装轴912上还套设有第一过渡齿轮307，前肢支撑壳体301内设有与第一过渡齿轮307相啮合的第二过渡齿轮308，第二过渡齿轮308的安装轴912上还套设有主动同步带轮309，主动同步带轮309通过同步带310与固定设置在输出轴302上的从动同步带轮311相连接。
履带模块9包括相对设置的内安装板901和外安装板902，内安装板901连接在转动座7上，内安装板901和外安装板902之间转动设有主动轮903、从动轮904，内安装板901和外安装板902之间还设有减震机构，减震机构上设有四组负载轮组件905，主动轮903、从动轮904以及负载轮组件905外周套设有履带906，外安装板902上设有驱动主动轮903转动的履带电机907及减速器908。内安装板901和外安装板902之间设有陀螺仪909。
所述减震机构包括设置在内安装板901和外安装板902之间的减震架910，减震架910上铰接有数量与所述负载轮组件905数量一致的摇杆911，摇杆911端部穿设有安装轴912，所述负载轮组件905设置在安装轴912上，减震架910上设有将向上翻转后的摇杆911复位的复位拉簧913。
本四段式轮履结合智能越障机器人可通过控制后摆臂5与履带906、主体装置1与后摆臂5、主体装置1与轮式前肢3的角度来控制行走，提高对不同地形的适应性：
a.通过小波动的地面时，相应的负载轮组件905受力上移、减震架910上的复位拉簧913伸长，从而实现缓冲。
b.如遇较大的地面波动，可通过陀螺仪909的提前预判，从而控制履带模块9小幅度的转动，以避免机器人受到瞬时冲击，从而提高其自我稳定性能。
c.当机器人在遇到倾角过大的斜坡时，通过转动轮式前肢3和后摆臂5降低整体的质心，增强其爬坡性能，从而实现平稳爬坡、防止倾翻。
d.对比摄像头2摄取画面与控制***设定参数判断出前进方向出现较高的障碍物时，可控制机器人继续前进一段距离，然后通过对比红外对管10获取的障碍物高度参数与控制***设定参数来判断障碍物高度，障碍物高度低于设定值时选用正向越障(如图6所示)；障碍物高度高于设定值时，分别对两条履带906进行差速驱动以实现转弯，然后反向越障(如图7所示)，从而提高其越障性能。
e.如图8所示，当机器人行走在一边高一边低的不平坦地面时，可通过转动一侧的后摆臂5，使该边的履带模块9下移以支撑机体。
f.在遇到沟渠时，可通过舒展其各关节加长机身整体的长度来完成跨渠运动。
上述的实施例仅例示性说明本发明创造的原理及其功效，以及部分运用的实施例，而非用于限制本发明；应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种四段式轮履结合智能越障机器人，包括主体装置，其特征在于：所述主体装置包括底板、设置在底板上的主控模块、电池、电压控制模块、并行口连接端、以及上罩壳，主体装置上设有可前后转动的轮式前肢、以及驱动轮式前肢转动的前步进电机和步进电机PLC控制板，主体装置上还设有两个可前后转动的后摆臂，主体装置上设有驱动后摆臂转动的后伺服电机，后摆臂下端外侧设有转动座、以及驱动转动座转动的下伺服电机，转动座上设有履带模块；
轮式前肢包括铰接在主体装置上的前肢支撑壳体，前肢支撑壳体下部转动设有输出轴，输出轴穿出前肢支撑壳体的两端分别设有一个前轮，前肢支撑壳体上设有前伺服电机，前肢支撑壳体内设有与前伺服电机连接以驱动输出轴转动的前肢传动组件；
履带模块包括相对设置的内安装板和外安装板，内安装板连接在转动座上，内安装板和外安装板之间转动设有主动轮、从动轮，内安装板和外安装板之间还设有减震机构，减震机构上设有至少两组负载轮组件，主动轮、从动轮以及负载轮组件外周套设有履带，外安装板上设有驱动主动轮转动的履带电机及减速器。
2.如权利要求1所述的一种四段式轮履结合智能越障机器人，其特征在于：履带模块的内安装板和外安装板之间设有陀螺仪。
3.如权利要求1或2所述的一种四段式轮履结合智能越障机器人，其特征在于：所述减震机构包括设置在内安装板和外安装板之间的减震架，减震架上铰接有数量与所述负载轮组件数量一致的摇杆，摇杆端部穿设有安装轴，所述负载轮组件设置在安装轴上，减震架上设有将向上翻转后的摇杆复位的复位拉簧。
4.如权利要求3所述的一种四段式轮履结合智能越障机器人，其特征在于：所述前伺服电机设置在前肢支撑壳体的前表面上，前肢传动组件包括与前伺服电机输出轴相连接的主动锥齿轮，主动锥齿轮与设置在前肢支撑壳体内的被动锥齿轮相啮合，被动锥齿轮的安装轴上还套设有第一过渡齿轮，前肢支撑壳体内设有与第一过渡齿轮相啮合的第二过渡齿轮，第二过渡齿轮的安装轴上还套设有主动同步带轮，主动同步带轮通过同步带与固定设置在输出轴上的从动同步带轮相连接。
5.如权利要求4所述的一种四段式轮履结合智能越障机器人，其特征在于：主体装置上设有两个摄像头，主体装置上在摄像头下方设有至少两个红外对管，摄像头及红外对管用于分析前方或后方障碍物距离和高度，并与主控模块电连接。
6.如权利要求5所述的一种四段式轮履结合智能越障机器人，其特征在于：主体装置上在每个后摆臂处设有两个同步驱动后摆臂转动的后伺服电机。
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