CN108340985A - 一种多适应性轮足切换移动平台 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种多适应性轮足切换移动平台，属于复合式移动机构。机架主体和减震装置铰接连接，大腿腿部结构和减震装置通过转轴相连，小腿腿部结构和大腿腿部结构通过轴连接，轮式传动机构通过放置在大腿腿片孔中的主轴与大腿腿部结构相连。本发明具有以下优点：移动平台承载能力强，具有多种行进步态，整体结构设计创新点多；移动平台的足式结构地面适应能力强，越障能力强；移动平台的轮式结构灵活性好，速度快，效率高，可实现地面避障；两种运动状态相互独立，互不影响，可根据地形环境进行轮足切换，运动平稳。
Description
技术领域
本发明涉及一种复合式移动机构，具体来说是一种足式与轮式相结合，并且能够实现两者之间自如切换的移动平台。
背景技术
采用单一运动模式的移动机器人应用普遍，但轮式结构的避障能力、非平整路面的运动性能不好；足式结构的运动速度较低，工作效率不高，运行不平稳。面对复杂的地形环境，这两种腿部结构都有明显的缺点，无法满足人类生产生活的需求。因此由两种及两种以上的机构形式组合派生而成的复合式移动机构应运而生，加拿大Sherbrooke大学研制的The hybrid leg-wheel-track Azimuth robot、加州理工学院设计的六轮腿式移动机器人ATHLETE、西北工业大学研制的轮-腿混合机器人、国防科技大学研制的四连杆变形履带机器人等都体现了复合式移动机构的优点，但仍存在运动相互干涉，速度低，轮足切换方式复杂、缓慢等问题。综上，承载力小，运动平稳性差，轮式结构运动速度低，足式结构地形适应力、越障、跨沟能力较弱等问题严重影响了轮腿复合式移动机构的实用化程度，因此，如何满足复杂地形环境对移动平台生存能力的多重要求是近年来移动机器人研究的热点问题。
发明内容
本发明提供一种多适应性轮足切换移动平台，以解决移动平台的轮式结构越障能力不足，足式结构速度慢、行走特性不好，两种运动相互干涉，承载力、平稳性差的问题。
本发明采取的技术方案是：机架主体和减震装置铰接连接，大腿腿部结构和减震装置通过转轴相连，小腿腿部结构和大腿腿部结构通过轴连接，轮式传动机构通过放置在大腿腿片孔中的主轴与大腿腿部结构相连。
所述机架主体包括机架底板、固定支架、梯形强化结构，其中固定支架通过螺钉固定在机架底板上，梯形强化结构焊接在机架底板下方。
所述减震装置包括减震板、弹簧减震器，弹簧减震器与减震板和机架底板相连。
所述大腿腿部结构包括连接块、直流电动推杆一、大腿腿片、转动拨盘、齿轮、传动轴、直流电动推杆二，其中大腿腿片与连接块两侧固定连接，直流电动推杆一一端与连接块铰接、另一端与转动拨盘相连，直流电动推杆伸缩带动转动拨盘旋转，转动拨盘与传动轴固定连接，齿轮与传动轴固定连接，直流电动推杆二一端与连接块铰接。
所述轮式传动机构包括滚动轴承三、紧定圆螺母、套筒、滚动轴承一、链轮一、行走轮、卸荷构件、主轴、滚动轴承二、链条、链轮二、直流减速电机；其中直流齿轮减速电机固定大腿支撑片外侧，直流齿轮减速电机的输出轴与链轮二固定连接，卸荷构件与大腿支撑片内侧固定连接，滚动轴承一与卸荷构件一端固定连接，滚动轴承二与大腿支撑片固定连接，主轴两端分别与滚动轴承一和滚动轴承二转动连接，链轮一与主轴固定连接，链条与链轮二、链轮一绕接，套筒套在卸荷构件上、且右端面和大腿支撑片外侧紧密接触，套筒的左端面与滚动轴承三顶接，紧定圆螺母与卸荷构件螺纹连接、且右端与滚动轴承三顶接，行走轮通过过盈配合和主轴末端相连。
所述小腿腿部结构包括转轴、齿轮、小腿支撑片、防滑减震块，连接片，其中两个小腿支撑片与两个连接片相连，齿轮固定在转轴上，转轴与小腿支撑片过盈配合。
本发明主机架1距地面的高度x为：
其中：l1是大腿腿部结构有效长度，l2是小腿腿部结构有效长度，δ1为大腿腿部结构与竖直方向的夹角，δ2为大腿腿部结构与小腿腿部结构的夹角。
本发明大腿腿部结构和竖直方向的夹角δ1的运动范围、工作范围均为0°≤δ1≤60°；大腿腿部结构和小腿腿部结构之间的夹角δ2运动范围是60°≤δ2≤126°，工作范围是95°≤δ2≤126°。
本发明基于仿生学原理，采用了四足爬行和轮式移动相结合的工作方式。具有在平整、倾斜路面爬行的功能，且承载力、平稳性也满足复杂地形环境下的多重要求，本发明可在多个领域应用，具有非常广泛的发展前景。
本发明具有以下优点：移动平台承载能力强，具有多种行进步态，整体结构设计创新点多；移动平台的足式结构地面适应能力强，越障能力强；移动平台的轮式结构灵活性好，速度快，效率高，可实现地面避障；两种运动状态相互独立，互不影响，可根据地形环境进行轮足切换，运动平稳。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明机架和减震装置结构示意图；
图3是本发明大腿腿部结构的结构示意图；
图4是本发明轮式传动机构的结构示意图；
图5是图4的I部放大部；
图6是本发明小腿腿部结构的的结构示意图；
图7是本发明足式运动过程示意图；
图8是本发明整体结构平稳性分析图；
图9是本发明整体结构平稳性分析MATLAB图。
具体实施方式
如图1所示，机架主体1和减震装置2铰接连接，大腿腿部结构3和减震装置2通过转轴相连，小腿腿部结构5和大腿腿部结构3通过轴501连接，轮式传动机构4通过放置在大腿腿片303孔中的主轴408与大腿腿部结构3相连；
如图2所示，所述机架主体1包括机架底板101、固定支架102、梯形强化结构103，其中固定支架102通过螺钉固定在机架底板101上，梯形强化结构103焊接在机架底板101下方。
如图2所示，所述减震装置2包括减震板201、弹簧减震器202，弹簧减震器202与减震板201和机架底板101相连，吸收移动平台行进时地面产生的冲击力，提高整体结构的稳定性。
如图3所示，所述大腿腿部结构3包括连接块301、直流电动推杆一302、大腿腿片303、转动拨盘304、齿轮305、传动轴306、直流电动推杆二307，其中大腿腿片303与连接块301两侧固定连接，直流电动推杆一302一端与连接块301铰接、另一端与转动拨盘304相连，直流电动推杆302伸缩带动转动拨盘304旋转，转动拨盘304与传动轴306固定连接，齿轮305与传动轴306固定连接，其上的齿轮305与齿轮502啮合传动，将直流电动推杆一302的伸缩运动转变为小腿结构5的摆动。直流电动推杆二307一端与连接块301铰接，另一端与固定支架102铰接，直流电动推杆二307伸缩推动大腿腿部结构3前后摆动。
如图4、5所示，所述轮式传动机构4包括滚动轴承三401、紧定圆螺母402、套筒403、滚动轴承一404、链轮一405、行走轮406、卸荷构件407、主轴408、滚动轴承二409、链条410、链轮二411、直流减速电机412；其中直流齿轮减速电机412固定大腿支撑片303外侧，直流齿轮减速电机412的输出轴与链轮二411固定连接，卸荷构件407与大腿支撑片303内侧固定连接，滚动轴承一404与卸荷构件407一端固定连接，滚动轴承二409与大腿支撑片303固定连接，主轴408两端分别与滚动轴承一404和滚动轴承二409转动连接，链轮一405与主轴408固定连接，链条410与链轮二411、链轮一405绕接，套筒403套在卸荷构件407上、且右端面和大腿支撑片303外侧紧密接触，套筒403的左端面与滚动轴承三401顶接，紧定圆螺母402与卸荷构件407螺纹连接、且右端与滚动轴承三401顶接，行走轮406通过过盈配合和主轴408末端相连。在移动平台承载时，外力全部作用在卸荷构件407上，这种传动机构使主轴不承受弯矩只承受扭矩，提高了主轴408的疲劳强度极限，大大提高了移动平台的承载能力。
如图6所示，所述小腿腿部结构5包括转轴501、齿轮502、小腿支撑片503、防滑减震块504，连接片505，其中两个小腿支撑片503与两个连接片505相连，齿轮502固定在转轴501上，转轴501与小腿支撑片503过盈配合，不产生相对运动，齿轮305带动齿轮502旋转，进而使小腿绕着轴501转动，直流电动推杆一302伸缩，使小腿绕膝关节前后摆动，防滑减震块504固定在小腿末端，与地面接触，可增大摩擦力，适当减震。
本发明主机架1距地面的高度x为：
其中：l1是大腿腿部结构有效长度，l2是小腿腿部结构有效长度，δ1为大腿腿部结构3与竖直方向的夹角，δ2为大腿腿部结构3与小腿腿部结构5的夹角。
本发明大腿腿部结构3和竖直方向的夹角δ1的运动范围、工作范围均为0°≤δ1≤60°；大腿腿部结构3和小腿腿部结构5之间的夹角δ2运动范围是60°≤δ2≤126°，工作范围是95°≤δ2≤126°。
工作原理：
本发明具有足式行走和轮式行进两种运动方式。
(1)足式运动
如图7所示，图中(a)、(b)部分分别为电动推杆二307驱动大腿、电动推杆一302驱动小腿到达极限位置的状态，图中(a)，大腿腿部结构3由竖直位置运动一定角度，为保证移动平台稳定性，小腿腿部结构5应摆动适当角度，使平台底盘高度不变；图中(b)为小腿腿部结构5在触地的前提下，两个极限位置，图中(a)、(b)适用于平坦地面、跨越小障碍物等情况。图中(d)是小腿5收起，行走轮406触地，移动平台重心高度明显下降，运动平稳，效率高，适合平坦路面的腿式运动；图中(c)，大腿腿部结构3、小腿腿部结构5均在极限范围内运动，大腿腿部结构5由电动推杆二307控制绕固定支架102逆时针旋转，小腿腿部结构5绕膝关节主轴501转动，大腿部结构腿3、小腿腿部结构5协调配合，跨度大，对控制条件要求严格，适用于崎岖不平的复杂地形。
足式运动中，为保证移动平台的稳定性，对小腿腿部结构5的支地位置及平台重心位置要严格控制。若要确保一个平面的稳定，至少需要三个支点，且平面重心在三个支点所构成的三角形内，步态设计中防止平台在行进过程中发生侧翻，需四条腿联动，先将平台重心前移，使重心距两对角线交点合适距离，再使两条承力小的腿中一条腿前迈，依此原理规律性运动，即完成移动平台的行进。
(2)轮式运动
当移动平台在平坦路面行进时，整体结构由足式运动切换至轮式运动，电动推杆二307缩短，使大腿腿部结构3绕着固定支架102顺时针转动，电动推杆一302驱动小腿腿部结构5缩回，整体结构重心降低，行走轮406与地面接触；为避免小腿腿部结构5在轮式行走过程中产生运动干涉，使电动推杆一302缩短到极限位置，此时，直流齿轮减速电机412通过链传动与行走轮406连接，传动效率高，传动比准确，满足移动平台重载、高效的设计特点；且直流齿轮减速电机412驱动行走轮406转动，可通过调整电机412的转速控制移动平台的运动速度。
轮式结构的转向运动由直流齿轮减速电机412的差速实现，转弯角度由电机412的差速时间来决定。对于矩形波而言，输出电压等于峰值电压Umax×占空比，即调整占空比t/T，就可调整输出电压Ua，输出电压控制电机412转速，若负载一定，可通过调整占空比实现电机412的差速转向；在行进的过程中，超声波信号、红外信号共同作用，通过差速转向实现对障碍物的躲避与路线重新规划。
下边通过平稳性分析来进一步说明本发明的效果。
运动过程中，为使移动平台上承载的物资及其他设备不发生滑动，即物体实现自锁，要求摩擦系数μ<tanδ(δ为移动平台发生倾斜后与水平方向的夹角)，结合主机架材料，取极限值μ＝0.1，通过计算得最大倾角为5.71°。
如图8所示，若主机架距地面高度为x，已知大腿摆动的有效长度l1最大值为253mm，小腿摆动的有效长度l2最大值为205mm。要让整体机构在合理的倾斜角度内，且保证μ<tanδ，则移动平台的长度、宽度方向极限高度差分别为：
其中主机架长度L＝1000mm、宽度B＝630mm。
若大腿、小腿的摆动角度满足自锁条件，则：式中l1是大腿有效长度，l2是小腿有效长度，δ1是大腿和竖直方向的夹角，δ2是大腿和小腿的夹角。
移动平台长度方向分析：如图9所示，300mm≤x≤400mm时，δ1、δ2以任意角度自锁；x≥400mm时，δ1在0-30°之间，δ2在126°以上。这表明在前进过程中，为保证整体结构的平稳性，大腿和小腿之间的夹角不得超过126°，否则会引起前后的平板高度差过大，使移动平台上承载的物资及其他设备失稳而滑动，影响整体平稳性。足式运动中，在小腿触地的前提下，左右两个极限位置分别为δ2＝95°、δ2＝126°；若行走轮触地，即小腿缩回时，δ2的角度范围是60°≤δ2≤95°，即大腿和小腿之间的夹角δ2运动范围60°≤δ2≤126°，工作范围95°≤δ2≤126°。
移动平台宽度方向判定：如图9所示，曲线图中最密集的区域，即在x＝350mm处取值，上下极限31.5mm，若δ1在0-30°之间，δ2不得超过126°；若δ1在30-60°之间，曲线都包含在350±31.5mm范围内，δ2可在极限范围内任意取值，即δ1的工作范围为0°≤δ1≤60°。
Claims (8)
1.一种多适应性轮足切换移动平台，其特征在于：机架主体和减震装置铰接连接，大腿腿部结构和减震装置通过转轴相连，小腿腿部结构和大腿腿部结构通过轴连接，轮式传动机构通过放置在大腿腿片孔中的主轴与大腿腿部结构相连。
2.根据权利要求1所述一种多适应性轮足切换移动平台，其特征在于：所述机架主体包括机架底板、固定支架、梯形强化结构，其中固定支架通过螺钉固定在机架底板上，梯形强化结构焊接在机架底板下方。
3.根据权利要求2所述一种多适应性轮足切换移动平台，其特征在于：所述减震装置包括减震板、弹簧减震器，弹簧减震器与减震板和机架底板相连。
4.根据权利要求1所述一种多适应性轮足切换移动平台，其特征在于：所述大腿腿部结构包括连接块、直流电动推杆一、大腿腿片、转动拨盘、齿轮、传动轴、直流电动推杆二，其中大腿腿片与连接块两侧固定连接，直流电动推杆一一端与连接块铰接、另一端与转动拨盘相连，直流电动推杆伸缩带动转动拨盘旋转，转动拨盘与传动轴固定连接，齿轮与传动轴固定连接，直流电动推杆二一端与连接块铰接。
5.根据权利要求1所述一种多适应性轮足切换移动平台，其特征在于：所述轮式传动机构包括滚动轴承三、紧定圆螺母、套筒、滚动轴承一、链轮一、行走轮、卸荷构件、主轴、滚动轴承二、链条、链轮二、直流减速电机；其中直流齿轮减速电机固定大腿支撑片外侧，直流齿轮减速电机的输出轴与链轮二固定连接，卸荷构件与大腿支撑片内侧固定连接，滚动轴承一与卸荷构件一端固定连接，滚动轴承二与大腿支撑片固定连接，主轴两端分别与滚动轴承一和滚动轴承二转动连接，链轮一与主轴固定连接，链条与链轮二、链轮一绕接，套筒套在卸荷构件上、且右端面和大腿支撑片外侧紧密接触，套筒的左端面与滚动轴承三顶接，紧定圆螺母与卸荷构件螺纹连接、且右端与滚动轴承三顶接，行走轮通过过盈配合和主轴末端相连。
6.根据权利要求1所述一种多适应性轮足切换移动平台，其特征在于：所述小腿腿部结构包括转轴、齿轮、小腿支撑片、防滑减震块，连接片，其中两个小腿支撑片与两个连接片相连，齿轮固定在转轴上，转轴与小腿支撑片过盈配合。
7.根据权利要求1所述一种多适应性轮足切换移动平台，其特征在于：主机架距地面的高度x为：
其中：l1是大腿腿部结构有效长度，l2是小腿腿部结构有效长度，δ1为大腿腿部结构与竖直方向的夹角，δ2为大腿腿部结构与小腿腿部结构的夹角。
8.根据权利要求7所述一种多适应性轮足切换移动平台，其特征在于：大腿腿部结构和竖直方向的夹角δ1的运动范围、工作范围均为0°≤δ1≤60°；大腿腿部结构和小腿腿部结构之间的夹角δ2运动范围是60°≤δ2≤126°，工作范围是95°≤δ2≤126°。
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