CN109823427B - 一种车-蛇复合式变结构移动机器人 - Google Patents

Abstract

一种车‑蛇复合式变结构移动机器人，第一车体载物机构的一侧设置有上连接杆，第二车体载物机构对应第一车体载物机构的上连接杆设置有下连接杆，下连接杆上在远离第二车体载物机构的一端固定设置有舵机支撑槽，舵机支撑槽上安装有数字舵机，数字舵机的顶端通过舵机连接件连接在上连接杆的远离第一车体载物机构的一端上，用于驱动第一车体载物机构以数字舵机为轴旋转，第一车体载物机构或第二车体载物机构上设置有分别连接第一车体载物机构、第二车体载物机构和数字舵机的控制模块，控制模块无线连接无线控制手柄。本发明的机器人可以顺利地通过狭窄通道，显著提升了机器人的环境适应性。具有灵活性和很强的环境适应性，可应用于多种复杂的工业环境。

Description

一种车-蛇复合式变结构移动机器人

技术领域

本发明涉及一种移动机器人。特别是涉及一种兼具四轮车形快速全向移动的车-蛇复合式变结构移动机器人。

背景技术

随着国际工业水平的提高，工业环境也变得越来越复杂，例如石化、电力等行业中在狭小空间中管线和设备非常密集的场所普遍存在，这些场所也是重大事故和故障发生的高发区域，为了确保这些设备和管线的安全运行需要定期进行巡检或检修，目前这类工作主要由人工完成，但人工巡检和检修存在很大的安全隐患(有毒、易爆或有放射性等)，且很多狭小区域工作人员也无法进入，因此非常有必要研发一种运动操控灵活且具有很好的环境适应性的装置替代人力完成巡检或检修任务。显然，上述研究对于现代工业高效、安全生产具有重要的现实意义。

大量前期研究结果表明，变结构是设计具备很好的环境适应性装置理想的解决思路。已有一些研究人员基于变结构的思路设计了多种变形机器人。例如发明专利“面向危险灾害现场环境的履带可变形机器人移动平台”(专利号：CN108673469A)，该变形机器人形状大体为鼠状，其借助履带摩擦力提供动力，主要的变形机构是履带内的支撑轮毂形状变化，用于适应不同凹凸路面环境。该变形机器人自身骨架基本不发生改变，因此无法适应狭窄通道通行。

例如发明专利“变胞机器人”(专利号：CN201730164623)，该变形机器人有蜘蛛形和狗形两种变形结构，变形通过舵机实现，两种变形结构均使用四足移动方式，因此该变胞机器人存在移动速度慢、转向灵活性差等问题。此外，两种变形结构的机器人本体架构虽然有些变化，但变化不明显，无法通行狭窄通道，环境的适应性明显不足。

总的来说，目前已有的变形机器人变形后体形变化不大，且变换装置对机器人环境适应性提升不够明显，尚不能很好地完成大多数的复杂工业环境的巡检或检修工作。针对目前变形机器人存在的共性问题且综合考虑复杂工业环境的实际应用需求，本发明提出了一种车-蛇复合式变结构移动机器人。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种运动灵活性强、复杂环境适应性突出的车-蛇复合式变结构移动机器人。

本发明所采用的技术方案是：一种车-蛇复合式变结构移动机器人，包括有第一车体载物机构和第二车体载物机构，所述的第一车体载物机构的一侧设置有上连接杆，所述第二车体载物机构对应所述第一车体载物机构的上连接杆设置有下连接杆，所述下连接杆上在远离第二车体载物机构的一端固定设置有舵机支撑槽，所述舵机支撑槽上安装有数字舵机，所述数字舵机的顶端通过舵机连接件连接在所述上连接杆的远离第一车体载物机构的一端上，用于驱动所述第一车体载物机构以数字舵机为轴旋转，所述第一车体载物机构或第二车体载物机构上设置有分别连接所述第一车体载物机构、第二车体载物机构和数字舵机的控制模块，所述的控制模块无线连接无线控制手柄。

所述的第一车体载物机构和第二车体载物机构结构相同，均包括有：П形电机连接架，所述П形电机连接架的两个垂直侧架的内侧分别设置有一个电机，两个所述的电机的输出轴分别贯穿所述的垂直侧架对应连接位于П形电机连接架两侧的麦克纳姆轮，所述П形电机连接架的水平横架的上端面上固定连接有用于载物的载物平台，所述电机的驱动信号输入端连接所述的控制模块。

所述的麦克纳姆轮包括有分别位于第一车体载物机构两侧的第三麦克纳姆轮和第四麦克纳姆轮，以及分别位于第二车体载物机构两侧的第一麦克纳姆轮和第二麦克纳姆轮，在车形的状态下，所述的第一麦克纳姆轮和第四麦克纳姆轮位于车体同一侧，所述的第二麦克纳姆轮和第三麦克纳姆轮位于车体同一侧；在变形为一字蛇形的状态下，所述麦克纳姆轮、麦克纳姆轮、麦克纳姆轮和麦克纳姆轮为依次位于同一直线上。

所述的第一麦克纳姆轮和第三麦克纳姆轮外侧的辊子为正向安装，所述的第二麦克纳姆轮和第四麦克纳姆轮外侧的辊子为反向安装。

所述的上连接杆包括有一体形成的下水平连接杆、垂直连接杆和上水平连接杆，其中，所述下水平连接杆的一端固定连接在第一车体载物机构中的载物平台的一侧，所述下水平连接杆的另一端连接垂直连接杆的底端，所述垂直连接杆的顶端连接上水平连接杆一端的侧边，所述上水平连接杆的另一端通过舵机连接件连接所述数字舵机的顶端。

所述的下连接杆为L形结构，其中，所述L形结构的短边固定连接在第二车体载物机构中的载物平台的一侧，所述舵机支撑槽固定连接在所述L形结构的长边的端部。

所述的控制模块包括有由相连接的单片机和稳压电路构成的主控电路，所述单片机的信号接收端连接无线接收模块，并通过所述的无线接收模块接收无线控制手柄的信号，所述单片机的控制信号输出端分别连接用于驱动第一车体载物机构中两个电机的第一电机驱动电路、用于驱动第二车体载物机构中两个电机的第二电机驱动电路以及数字舵机，所述的稳压电路、第一电机驱动电路和第二电机驱动电路的电源输入端均连接锂电池。

本发明的一种车-蛇复合式变结构移动机器人，采用了特殊的麦克纳姆轮，巧妙地利用麦克纳姆轮径向与轴向分力的组合，可以使车-蛇复合式变结构移动机器人具备非凡的全向灵活移动能力。本发明的机器人使用了数字舵机实现车-蛇模式变换，使其可以顺利地通过狭窄通道，显著提升了该机器人的环境适应性。兼具灵活性和很强的环境适应性的新型变结构机器人未来将广泛应用于多种复杂的工业环境，具有很好的商业推广潜质。具有如下优点：

1、本发明的车-蛇复合式变结构移动机器人运动灵活性强。兼具车形和一字蛇形两种移动姿态，在车形姿态下机器人可以实现全方向极其灵活的平面移动，包括前后、左右平行移动以及原地旋转运动。在一字蛇形姿态下机器人可以实现蛇形的径向翻滚、原地旋转以及轴向移动，一字蛇形姿态多种移动方式赋予了机器人灵活地穿越狭窄通道环境的能力。

2、本发明的车-蛇复合式变结构移动机器人复杂环境适应性突出。本发明的变形连杆结构将车形和一字蛇形完美地结合，姿态切换舵机转轴布置在车体及麦克纳姆轮转动直径范围外，由舵机旋转180°便可快速将车形展开为一字蛇形，相比传统地面移动机器人，车-蛇复合式变结构移动机器人具有优越的狭窄通道穿越能力。相比传统的蛇形机器人，车-蛇复合式变结构移动机器人在开阔路面环境下，具有全向快速移动能力。

3、本发明的车-蛇复合式变结构移动机器人将在工业、救灾等众多领域有广泛的应用前景。比如令人生畏的核环境下，可利用该机器人完成放射性环境的作业任务，核电厂工况环境复杂且设备故障率高，考虑到核电厂技术人员的人身安全，该机器人的使用可以高效替代工人实现核环境下的信息采集与巡检工作。此外，在地震或恶性***事故造成的建筑物坍塌环境，本发明机器人可以很好地利用其运动灵活接变结构优势，快速地搜索被困人员，并提供重要的搜救环境信息和救助物质。

附图说明

图1是本发明一种车-蛇复合式变结构移动机器人的结构示意图；

图2是图1的右视图；

图3是图2展开为一字蛇形的结构示意图；

图4是本发明中控制模块的构成框图；

图5是本发明中无线控制手柄的功能示意图。

图中

1：上连接杆 1.1：下水平连接杆

1.2：垂直连接杆 1.3：上水平连接杆

2：下连接杆 2.1：短边

2.2：长边 3：舵机支撑槽

4：数字舵机 5：舵机连接件

6：控制模块 6.1：主控电路

6.11：单片机 6.12：稳压电路

6.2：无线接收模块 6.3：锂电池

6.4：第一电机驱动电路 6.5：第二电机驱动电路

7：П形电机连接架 8：电机

9：麦克纳姆轮 9.1：第一麦克纳姆轮

9.2：第二麦克纳姆轮 9.3：第三麦克纳姆轮

9.4：第四麦克纳姆轮 10：载物平台

11：舵机信号线接口 12：第一按键

13：第二按键 14：第三按键

15：第四按键 16：第五按键

17：无线发送模块 18：第六按键

19：第七按键 20：第八按键

21：第九按键 22：第十按键

23：手柄开关

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明的一种车-蛇复合式变结构移动机器人做出详细说明。

本发明的一种车-蛇复合式变结构移动机器人，以舵机旋转轴为中心，做中心对称变形后将其变为一字蛇形机器人，使机器人兼顾了轮式机器人地面移动能力和狭窄通道的穿越能力。

如图1、图2所示，本发明的一种车-蛇复合式变结构移动机器人，包括有第一车体载物机构A和第二车体载物机构B，所述的第一车体载物机构A的一侧设置有上连接杆1，所述第二车体载物机构B对应所述第一车体载物机构A的上连接杆1设置有下连接杆2，所述下连接杆2上在远离第二车体载物机构B的一端固定设置有舵机支撑槽3，所述舵机支撑槽3上安装有数字舵机4，所述数字舵机4的顶端通过舵机连接件5连接在所述上连接杆1的远离第一车体载物机构A的一端上，用于驱动所述第一车体载物机构A以数字舵机4为轴旋转，所述第一车体载物机构A或第二车体载物机构B上设置有分别连接所述第一车体载物机构A、第二车体载物机构B和数字舵机4的控制模块6，所述的控制模块6无线连接无线控制手柄。

所述的第一车体载物机构A和第二车体载物机构B结构相同，均包括有：П形电机连接架7，所述П形电机连接架7的两个垂直侧架的内侧分别设置有一个电机8，两个所述的电机8的输出轴分别贯穿所述的垂直侧架对应连接位于П形电机连接架7两侧的麦克纳姆轮9，所述П形电机连接架7的水平横架的上端面上固定连接有用于载物的载物平台10，所述电机的驱动信号输入端连接所述的控制模块6。

所述的麦克纳姆轮9包括有分别位于第一车体载物机构A两侧的第三麦克纳姆轮9.3和第四麦克纳姆轮9.4，以及分别位于第二车体载物机构B两侧的第一麦克纳姆轮9.1和第二麦克纳姆轮9.2，所述的第一麦克纳姆轮9.1和第四麦克纳姆轮9.4位于同一侧，所述的第二麦克纳姆轮9.2和第三麦克纳姆轮9.3位于同一侧。

麦克纳姆轮结构特殊，轮的外侧安装有辊子，辊子在轮外侧的安装方式为：所述的第一麦克纳姆轮9.1和第三麦克纳姆轮9.3外侧的辊子为正向安装，所述的第二麦克纳姆轮9.2和第四麦克纳姆轮9.4外侧的辊子为反向安装。

如图1、图2所示，所述的上连接杆1包括有一体形成的下水平连接杆1.1、垂直连接杆1.2和上水平连接杆1.3，其中，所述下水平连接杆1.1的一端固定连接在第一车体载物机构A中的载物平台的一侧，所述下水平连接杆1.1的另一端连接垂直连接杆1.2的底端，所述垂直连接杆1.2的顶端连接上水平连接杆1.3一端的侧边，所述上水平连接杆1.3的另一端通过舵机连接件5连接所述数字舵机4的顶端。

如图1、图2所示，所述的下连接杆2为L形结构，其中，所述L形结构的短边2.1固定连接在第二车体载物机构B中的载物平台的一侧，所述舵机支撑槽3固定连接在所述L形结构的长边2.2的端部。

如图4所示，所述的控制模块6包括有由相连接的单片机6.11和稳压电路6.12构成的主控电路6.1，所述单片机6.11的信号接收端连接无线接收模块6.2，并通过所述的无线接收模块6.2接收无线控制手柄的信号，所述单片机6.11的控制信号输出端分别连接用于驱动第一车体载物机构A中两个电机的第一电机驱动电路6.4、用于驱动第二车体载物机构B中两个电机的第二电机驱动电路6.5以及数字舵机4，所述的稳压电路6.12、第一电机驱动电路6.4和第二电机驱动电路6.5的电源输入端均连接锂电池6.3。

本发明实施例中，单片机选择STM32F1X系列单片机均可，无线接收模块选择2.4G无线通信模块，稳压电路选择具有3.3v稳压功能的电源管理模块，电池选择1300mah7.4v锂电池，第一电机驱动电路和第二电机驱动电路选择TB6612FNG模块，其输入信号包括PWM信号以及方向信号，可实现车-蛇复合式变结构移动机器人四轮独立驱动。电机选择额定电压为12v额定转速333rpm的直流电机，驱动轮选择直径3英寸的麦克纳姆轮，数字舵机选择额定电压7.4v最大扭矩15kg*cm的数字舵机。

本发明的本发明的一种车-蛇复合式变结构移动机器人，变形机构设计在车体中部的一侧，由上下两根连接杆构成，连杆与舵机连接，使用舵机驱动车体连杆实现车形与一字蛇形姿态的切换。本发明中的变形结构不同于现有机器人变形连杆，本发明的变形结构连杆采用单连杆上下叠放式结构，相比双连杆机构，本发明的变形结构连杆重量减轻一倍，便于机器人一字蛇形运动时保持平衡。

本发明所述车形全向移动功能，通过特殊的麦克纳姆轮全向移动功能实现。使用车形四轮独立驱动方式并搭配多种转动方向组合，实现车体前后、左右平行移动以及原地左右转向功能。

本发明所述一字蛇形运动功能，利用麦克纳姆轮轴向分力实现，如图3所示，本发明的机器人一字蛇形姿态将四个麦克纳姆轮排成一列，依照相隔麦克纳姆轮提供同向驱动力，相邻麦克纳姆轮提供正切向驱动力的方式，为一字蛇形状态下车-蛇复合式变结构移动机器人提供前进动力。通过对一字蛇形两端麦克纳姆轮和中部两个麦克纳姆轮转速的调节，实现机器人直线和转弯运动。

本发明的一种车-蛇复合式变结构移动机器人，配有无线控制手柄，满足控制者远程无线控制机器人的需要。控制原理是由车体载物平台上搭载的无线通信模块接收来自手柄的无线通信信号，通过手柄按键即可发射机器人动作组命令实现控制。如图5和表1所示。

表1

手柄按键号码	无线接收信息	功能定义
			第一按键12	四号数组值：0XFE	车形变形
第二按键13	三号数组值：0XEF	车形前进
			第三按键14	三号数组值：0X7F	车形左移
第四按键15	三号数组值：0XDF	车形右移
			第五按键16	三号数组值：0XBF	车形后退
第六按键18	四号数组值：OXFB	一字蛇形变形
			第七按键19	四号数组值：0XEF	车形左转、一字蛇形前进
第八按键20	四号数组值：0XF7	一字蛇形右转
			第九按键21	四号数组值：0XFD	一字蛇形左转
第十按键22	四号数组值：0XBF	车形右转、一字蛇形后退

本发明的一种车-蛇复合式变结构移动机器人工作原理：

1、首先根据麦克纳姆轮全向移动的特点，如图3所示，自左侧起第一麦克纳姆轮9.1和第三麦克纳姆轮9.3选择辊子在轮外侧为正向安装的麦克纳姆轮，自左侧起第二麦克纳姆轮9.2和第四麦克纳姆轮9.4选择辊子在轮外侧为反向安装的麦克纳姆轮，定义图3自左向右看麦克纳姆轮逆时针旋转方向为正方向，保持第一麦克纳姆轮9.1和第三麦克纳姆轮9.3同步转动，第二麦克纳姆轮9.2和第四麦克纳姆轮9.4同步转动，且两组同步轮转动方向相反，便可使机器人保持图3水平方向的一字蛇形运动。由于相邻麦克纳姆轮转动方向相异，若使四个麦克纳姆轮保持相同转速运转，则机器人会产生垂直于纸面向内或向外的扭力，为使机器人能够直线运动，第一种解决方式可通过调节麦轮旋转速度比实现一字蛇形运动，第二种解决方式可同时缩短上连接杆5和下连接杆11的长度。

2、根据两种姿态下麦克纳姆轮转动方向和受力分析，应使得上连接杆1一侧的全部机体结构，以数字舵机4的转轴为中心，做中心对称变换，便可实现车-蛇复合式变结构移动机器人由车形姿态到一字蛇形姿态的变换。本发明的变换方法选择以某一合理固定位置做中心对称形式变换，不仅节省变换过程所需时间，而且该机器人变形连杆结构呈现了一种十分简便的变形装置，并且单连杆变换结构较双连杆变换结构，其减轻了车-蛇复合式变结构移动机器人一字蛇形运动过程中来自连接杆的重量，提升了一字蛇形直线运动的精准度。

3、本发明可以使用2.4G无线通信的方式用单片机对电机及数字舵机进行控制，由无线控制手柄或电脑发送机器人运动指令，无线控制手柄按键后发送无线信号，无线接收模块接收到信号后将信号送至单片机进行信号解码，单片机根据解码后的功能指令执行对应的任务，若功能指令为移动功能，则单片机向电机驱动模块发送PWM波控制麦克纳姆轮转速。若功能指令为变形功能，则单片机向数字舵机发送转动指令，实现机器人变形功能。运动指令即机器人功能具体包括：车形状态下前进、后退、左平移、右平移、左转以及右转，一字蛇形状态下前进、后退、左平移、右平移、左转以及右转，车形与一字蛇形的变形切换。无线控制手柄功能定义如图5所示。以上运动功能要求四个麦克纳姆轮可独立旋转。在一字蛇形运动过程中，为避免因相邻轮子相对旋转产生的扭力，图3中第二麦克纳姆轮9.2和第三麦克纳姆轮9.3转速与第一麦克纳姆轮9.1和第四麦克纳姆轮9.4轮转速比值约为10比7。当转速比保持为10比7机器人可实现一字蛇形直线运动，当转速大于或小于该比值时，机器人将实现左转或右转的运动，具体阈值需根据实际材料及尺寸确定。

4、本发明由车形变形至一字蛇形过程中，通过无线通信接受信号，数字舵机分为两步将机体结构旋转180°，在数字舵机运动过程中，麦克纳姆轮将会配合数字舵机一同转动，起到辅助机器人变形功能，减少连接杆的负载力，提高连接杆的使用寿命，辅助变形过程。图3中，第一麦克纳姆轮9.1和第四麦克纳姆轮9.4与第二麦克纳姆轮9.2和第三麦克纳姆轮9.3转速比由各麦克纳姆轮距离舵机转轴中心的半径比确定。

通过上述实施方案，可以搭建一种兼具四轮车形快速全向移动和一字蛇形穿越狭窄通道能力的复合式变结构移动机器人。在开阔路面或狭窄通道中两种姿态自如切换，兼具灵活性和自适应性，能很好地完成复杂环境的作业任务。

Claims (5)

1.一种车-蛇复合式变结构移动机器人，其特征在于，包括有第一车体载物机构（A）和第二车体载物机构（B），所述的第一车体载物机构（A）的一侧设置有上连接杆（1），所述第二车体载物机构（B）对应所述第一车体载物机构（A）的上连接杆（1）设置有下连接杆（2），所述下连接杆（2）上在远离第二车体载物机构（B）的一端固定设置有舵机支撑槽（3），所述舵机支撑槽（3）上安装有数字舵机（4），所述数字舵机（4）的顶端通过舵机连接件（5）连接在所述上连接杆（1）的远离第一车体载物机构（A）的一端上，用于驱动所述第一车体载物机构（A）以数字舵机（4）为轴旋转，实现车-蛇模式变换，所述第一车体载物机构（A）或第二车体载物机构（B）上设置有分别连接所述第一车体载物机构（A）、第二车体载物机构（B）和数字舵机（4）的控制模块（6），所述的控制模块（6）无线连接无线控制手柄；

所述的上连接杆（1）包括有一体形成的下水平连接杆（1.1）、垂直连接杆（1.2）和上水平连接杆（1.3），其中，所述下水平连接杆（1.1）的一端固定连接在第一车体载物机构（A）中的载物平台的一侧，所述下水平连接杆（1.1）的另一端连接垂直连接杆（1.2）的底端，所述垂直连接杆（1.2）的顶端连接上水平连接杆（1.3）一端的侧边，所述上水平连接杆（1.3）的另一端通过舵机连接件（5）连接所述数字舵机（4）的顶端；

所述的下连接杆（2）为L形结构，其中，所述L形结构的短边（2.1）固定连接在第二车体载物机构（B）中的载物平台的一侧，所述舵机支撑槽（3）固定连接在所述L形结构的长边（2.2）的端部。

2.根据权利要求1所述的一种车-蛇复合式变结构移动机器人，其特征在于，所述的第一车体载物机构（A）和第二车体载物机构（B）结构相同，均包括有：П形电机连接架（7），所述П形电机连接架（7）的两个垂直侧架的内侧分别设置有一个电机（8），两个所述的电机（8）的输出轴分别贯穿所述的垂直侧架对应连接位于П形电机连接架（7）两侧的麦克纳姆轮（9），所述П形电机连接架（7）的水平横架的上端面上固定连接有用于载物的载物平台（10），所述电机的驱动信号输入端连接所述的控制模块（6）。

3.根据权利要求2所述的一种车-蛇复合式变结构移动机器人，其特征在于，所述的麦克纳姆轮（9）包括有分别位于第一车体载物机构（A）两侧的第三麦克纳姆轮（9.3）和第四麦克纳姆轮（9.4），以及分别位于第二车体载物机构（B）两侧的第一麦克纳姆轮（9.1）和第二麦克纳姆轮（9.2），在车形的状态下，所述的第一麦克纳姆轮（9.1）和第四麦克纳姆轮（9.4）位于车体同一侧，所述的第二麦克纳姆轮（9.2）和第三麦克纳姆轮（9.3）位于车体同一侧；在变形为一字蛇形的状态下，所述第一麦克纳姆轮（9.1）、第二麦克纳姆轮（9.2）、第三麦克纳姆轮（9.3）和第四麦克纳姆轮（9.4）为依次位于同一直线上。

4.根据权利要求3所述的一种车-蛇复合式变结构移动机器人，其特征在于，所述的第一麦克纳姆轮（9.1）和第三麦克纳姆轮（9.3）外侧的辊子为正向安装，所述的第二麦克纳姆轮（9.2）和第四麦克纳姆轮（9.4）外侧的辊子为反向安装。

5.根据权利要求1所述的一种车-蛇复合式变结构移动机器人，其特征在于，所述的控制模块（6）包括有由相连接的单片机（6.11）和稳压电路（6.12）构成的主控电路（6.1），所述单片机（6.11）的信号接收端连接无线接收模块（6.2），并通过所述的无线接收模块（6.2）接收无线控制手柄的信号，所述单片机（6.11）的控制信号输出端分别连接用于驱动第一车体载物机构（A）中两个电机的第一电机驱动电路（6.4）、用于驱动第二车体载物机构（B）中两个电机的第二电机驱动电路（6.5）以及数字舵机（4），所述的稳压电路（6.12）、第一电机驱动电路（6.4）和第二电机驱动电路（6.5）的电源输入端均连接锂电池（6.3）。

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