CN201077477Y - 一种可变运动方式的全方位自主移动机器人行走机构 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种可变运动方式的全方位自主移动机器人行走机构，由四轮车体、两套机构相同的丝杠滑块机构、三组传动齿轮组和四组结构相同的车轮转向连杆系组成。车轮转向连杆系由曲柄摇杆机构组成，两前轮和两后轮的转向连杆系各共用一个曲柄，两个曲柄回转中心分别位于丝杠滑块机构的前后两个滑块中心轴上。通过齿轮啮合的切换，可以使转向系曲柄转动或曲柄中心随滑块的移动，从而改变移动机器人的运动方式；通过不同的组合可以完成三种运动方式，正常行走且后车轮导向方式、平动方式和零半径转动方式，具备了全方位移动的能力，减少了电机的使用数量；通过切换机构来实现运动方式的变化可以满足农田作业的运动要求，也保证具有可靠的运动特性。

Description

一种可变运动方式的全方位自主移动机器人行走机构

技术领域

本实用新型涉及机器人技术领域，具体涉及一种可变运动方式的全方位自主移动机器人行走机构。

背景技术

轮式移动机器人相对于腿式机器人控制简单、移动灵活，已经被广泛应用于工业、农林业、矿物勘探、环保及家庭服务、军事侦察和航天航空等众多领域中。行走机构和驱动形式决定了轮式移动机器人的运动方式，目前广泛采用后轮驱动差速转向移动。但这种运动方式在零转向半径和平动方面存在缺陷，由此提出的采用特殊全方位轮的全方位移动机器人，在二维平面上具有三个自由度，可以完成沿任意方向同时作平动和转动，在保持姿态不变的情况下，可以完成任意方向的移动，它非常适合工作在空间狭窄有限、对机器人机动性要求高的场合中，正是由于全方位移动机器人拥有比双轮差速式更灵活的运动性能，已经被应用于全方位移动椅和机器人足球赛等特殊领域。

全方位移动机器人作为一个重要的研究课题，但很多的研究局限于使用全方位轮来实现机器人的全方位运动。由于全方位轮的特殊的机构，使其成本较高；而且由于全方位轮的形状及分布，不能在泥地或沙石地里行走，以免被卷入后卡住使轮子不能正常转动，其应用领域具有局限性。

农田作业移动机器人的运动是沿作物行的移动，经常需要调整移动平台与植株行的距离，即横向距离的调整，而不改变车身方向，这就要求移动平台具有绝对平动的能力。当移动平台位于植株行末尾，需要调整车身方向，由于植株行的限制，没有足够的转向半径，这时需要移动平台的转向半径尽可能小，即理想状态的零半径绝对转动。采用全方位轮无法在农田行走，因此有必要根据具体情况和应用要求，采用普通车轮，通过具体的运动切换机构来实现移动机器人的全方位运动，即具备平动和零半径转动的运动能力。

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种可变运动方式的全方位自主移动机器人行走机构，使用四轮移动车体，设计出运动切换机构，可以根据需要改变移动机器人的运动方式，使其具备平动和零半径转动的移动能力，实现全方位运动。

为了达到上述目的，本实用新型采用的技术方案是：包括四轮车体、前后两套结构相同的滚珠丝杠滑块机构、三组传动齿轮组和四组结构相同的车轮转向连杆系；其中

1)所述的四轮车体：包括两个前车轮、两个后车轮和内装有控制部分的箱体，两个前轮分别装有驱动部件，四个车轮的转轴均伸出箱体上端面外；

2)所述的前后两套结构相同的滚珠丝杠滑块机构：包括丝杠轴、滚珠丝杠滑块及滚珠丝杠导轨，箱体的上端面前、后车轮转轴间分别安装有第一端板，前、后两电磁铁箱分别与前、后第一端板制成一体，前、后两块电磁铁分别安装在电磁铁箱内，且在前、后两电磁铁箱内还安装有移动轴的位置检测装置，在第一端板的内侧分别安装有第二端板，两根滚珠丝杠导轨的两端安装在第一端板上，位于两根滚珠丝杠导轨间的丝杠轴的两端安装在第二端板上，前、后端的滚珠丝杠滑块安装在两根滚珠丝杠导轨和丝杠轴中，分别在前、后两滚珠丝杠滑块靠近第二端板的一侧上安装两套锁紧继电器；

3)所述的三组传动齿轮组：第一组：移动轴后车轮部分装有第一圆柱齿轮和第二圆柱齿轮，中间轴后车轮部分装有第三圆柱齿轮和第一圆锥齿轮，后轮滚珠丝杠滑块的转轴装有第二圆锥齿轮；第二组：移动轴前轮部分装有第一圆柱齿轮，中间轴前轮部分装第三圆柱齿轮和第一圆锥齿轮，前轮滚珠丝杠滑块的转轴装有第二圆锥齿轮；第三组：移动轴上中间部分装有第四圆柱齿轮和宽蜗轮、中间轴上中间部分装有第五圆柱齿轮及丝杠轴中间部分装有第六圆柱齿轮；转向电机轴上的蜗杆与宽蜗轮的啮合；

4)所述的四组结构相同的车轮转向连杆系：包括曲柄摇杆四杆机构，两前车轮与两后车轮的连杆和车轮转杆分别共用前、后两个曲柄转动杆，且两个两个曲柄转动杆的回转中心分别位于滚珠丝杠滑块机构中前、后两个滚珠丝杠滑块的中心轴上，四根车轮转杆的一端分别接车轮转轴；

所述的两个前轮的驱动部件由编码器、伺服电机、行星齿轮减速箱和同步带传动装置组成的标准部件。

本实用新型具有的有益效果是：根据农田作业移动机器人的具体情况和设计要求，使用三台电机即可完成双前轮差速式驱动及三种运动方式的切换，使用普通四轮移动车体实现移动机器人的全方位移动的目的。不仅减少了电机的使用数量，通过具体的机构来实现运动方式的变化，减少对软件编程的要求；而且在满足了设计要求的同时，也保证具有可靠的运动特性。

附图说明

图1是全方位移动机器人行走机构整体三维设计图。

图2是图1中A的局部放大图。

图3是图1的B的局部放大图。

图4是图3中A-A锁紧继电器28的局部剖视图。

图5是正常行走且后轮导向运动方式下的齿轮啮合关系及相关部件的位置关系图。

图6是零半径转动运动方式下的齿轮啮合关系及相关部件的位置关系图。

图7是平动运动方式下的齿轮啮合关系及相关部件的位置关系图。

图8是正常行走且后轮导向运动方式示意图。

图9是零半径转动运动方式示意图。

图10是平动运动方式示意图。

图11是采用本实用新型的全方位移动机器人运动方式变化示意图。

注：图5、图6、图7以正视图a、俯视图b、立体图c三种形式反映了在不同运动情况下齿轮间位置及啮合关系的。

图中：1、圆柱齿轮，2、圆柱齿轮，3、圆柱齿轮，4、圆锥齿轮，5、圆锥齿轮，6、丝杠轴，7、中间轴，8、移动轴，9、圆柱齿轮，10、圆柱齿轮，11、圆柱齿轮，12、宽蜗轮，13、蜗杆，14、曲柄转动杆，15、转向电机，16、滑块，17转轴，18、滚珠丝杠导轨，19、连杆，20、车轮转杆，21、编码器，22、驱动电机，23、行星齿轮减速箱，24、同步带传动装置，25、车轮，26、电磁铁，27、电磁铁，28、锁紧继电器，29、端板，30、端板。

具体实施方式

以下结合附图和实施对本实用新型作进一步的描述。

如图1、2、3、4所示，本实用新型包括四轮车体、前后两套结构相同的滚珠丝杠滑块机构、三组传动齿轮组和四组结构相同的车轮转向连杆系；其中：

1)所述的四轮车体：包括两个前车轮25、两个后车轮25和内装有控制部分的箱体，两个前轮分别装有驱动部件，四个车轮的转轴均伸出箱体上端面外；

2)所述的前后两套结构相同的滚珠丝杠滑块机构：包括丝杠轴6、滚珠丝杠滑块16及滚珠丝杠导轨18，箱体的上端面前、后车轮转轴间分别安装有第一端板30，前、后两电磁铁箱分别与前、后第一端板30制成一体，前、后两块电磁铁27、26分别安装在电磁铁箱内，且在前、后两电磁铁箱内还安装有移动轴8的位置检测装置，在第一端板30的内侧分别安装有第二端板29，两根滚珠丝杠导轨18的两端安装在第一端板30上，位于两根滚珠丝杠导轨18间的丝杠轴6的两端安装在第二端板29上，前、后端的滚珠丝杠滑16安装在两根滚珠丝杠导轨18和丝杠轴6中，分别在前、后两滚珠丝杠滑块16靠近第二端板的一侧上安装两套锁紧继电器28；

3)所述的三组传动齿轮组：第一组：移动轴8后车轮部分装有第一圆柱齿轮1和第二圆柱齿轮2，中间轴7后车轮部分装有第三圆柱齿轮3和第一圆锥齿轮4，后轮滚珠丝杠滑块16的转轴17装有第二圆锥齿轮5；第二组：移动轴8前轮部分装有第一圆柱齿轮1，中间轴7前轮部分装第三圆柱齿轮3和第一圆锥齿轮4，前轮滚珠丝杠滑块16的转轴17装有第二圆锥齿轮5；第三组：移动轴8上中间部分装有第四圆柱齿轮11和宽蜗轮12、中间轴7上中间部分装有第五圆柱齿轮9及丝杠轴6中间部分装有第六圆柱齿轮10；转向电机15轴上的蜗杆13与宽蜗轮12的啮合；

4)所述的四组结构相同的车轮转向连杆系：包括曲柄摇杆四杆机构，两前车轮与两后车轮的连杆19和车轮转杆20分别共用前、后两个曲柄转动杆14，且两个两个曲柄转动杆14的回转中心分别位于滚珠丝杠滑块16机构中前、后两个滚珠丝杠滑块16的中心轴上，四根车轮转杆20的一端分别接车轮转轴；

所述的两个前轮的驱动部件由编码器21、伺服电机22、行星齿轮减速箱23和同步带传动装置24组成的标准部件。

移动机器人三种运动方式切换的具体实现形式描述如下：

a)正常行走且后轮导向方式：

此运动方式下的齿轮啮合关系及相关部件的位置关系见附图5所示。此时，移动轴8在前、后车轮部分的电磁铁27、26同时断电时处于中间位置上，此时移动轴8上的圆柱齿轮2与安装在中间轴7上的齿轮组中的圆柱齿轮3相啮合，由于齿轮组是空套在中间轴7上的，所以，通过齿轮组中的圆锥齿轮4与安装在转轴17上的圆锥齿轮5相啮合，在滚珠丝杠滑块16与滚珠丝杠导轨18上无相对运动的情况下，使曲柄转动杆14随转轴17一起转动，通过曲柄转动杆14的转动实现两后车轮25的偏转，即从而实现后轮导向的目的。注意，在此运动方式下，两个驱动电机22可以不必停转。此运动方式如图8所示。

b)零半径转动方式：

此运动方式下的齿轮啮合关系及相关部件的位置关系见附图6所示。

此时，后车轮部分的电磁铁26通电、前车轮部分的电磁铁27断电，使移动轴8向左边移动，并且移动轴8上的位置检测装置检测到了来自限位开关的信

号，说明确认是零半径运动方式，将此检测信号转换成控制信号，用于控制滑块16上安装的两套锁紧继电器28的吸合，(由于是蜗杆13与宽蜗轮12相啮合，从而保证了，不论是左移还是右移，都能使转向电机15上的动力在不间断的条件下顺利传至移动轴8上)，此时，移动轴8的圆柱齿轮11与中间传动轴7上空套的圆柱齿轮9相啮合，而圆柱齿轮9再与丝杠轴6上的圆柱齿轮10相互啮合，动力传至丝杠轴6上，将丝杠轴6的转动转化成后部的滑块16在后半段的丝杠轴6上的直线运动，因为曲柄转动杆14在滚珠丝杠滑块16上两套锁紧继电器28的锁紧下，使其一同与滚珠丝杠滑块16在丝杠轴6上作直线运动时始终保持其水平位置(不因外界的任何扰动而使零半径转动不确定或无法使回转中心与车体的形心处于同一平面的同一垂线上)，带动与它相连的平行四杆机构作相应的、且预先设计的轨迹来运动，从而可以实现四个车轮按设计的要求转动一定角度后，使车体做零半径回转的运动。注意，在此运动方式下，前轮两个驱动电机22一定是停转的，然后启动转向电机15工作，当滚珠丝杠滑块16在丝杠轴6达到设计要求的位置时，即每个车轮已转过了预先设计好的角度后，此时，转向电机15停转，同时启动两个驱动电机22工作，使车体转到希望的位置，再次使两驱动电机22停转，同时启动转向电机15反转，首先使滚珠丝杠滑块16恢复到原先位置，车轮回到正常行走时的姿态，在停转转向电机15，启动驱动电机22，这样整个车体就实现了一次零半径的转动。此运动方式如图9所示。

c)平动方式：

此运动方式下的齿轮啮合关系及相关部件的位置关系见附图7所示。

此时，前车轮部分的电磁铁27通电、左后车轮部分的电磁铁26断电，在平动时(前提是要求初始姿态是正常行走时，即移动轴8在中间位)，使移动轴8向右移动，移动轴8上的前、后两个圆柱齿轮1分别与前、后的齿轮组中的圆柱齿轮3相互啮合，因为齿轮组是空套在轴上的，所以中间传动轴7并不随齿轮组的转动而发生转动，此时的动力是通过前、后齿轮组的圆锥齿轮4传至转轴17的圆锥齿轮5上，前、后2个滚珠丝杠滑块16上安装的曲柄转动杆14的转向一致，使其带动后续的平行四杆机构，实现了四个车轮的偏转方向一致，即实现了车体的平动。在此运动方式下，要求驱动电机22是停转的，只有当完成了平动的运动完成后，停转转向电机15、再次启动驱动电机22，即实现一次平动。此运动方式如图10所示。

图11为采用本实用新型的全方位移动机器人车轮位姿的变化示意图。如图中很清楚的看出运动方式的变化顺序。

Claims (2)

1.一种可变运动方式的全方位自主移动机器人行走机构，其特征在于包括四轮车体、前后两套结构相同的滚珠丝杠滑块机构、三组传动齿轮组和四组结构相同的车轮转向连杆系；其中

1)所述的四轮车体：包括两个前车轮(25)、两个后车轮(25)和内装有控制部分的箱体，两个前轮分别装有驱动部件，四个车轮的转轴均伸出箱体上端面外；

2)所述的前后两套结构相同的滚珠丝杠滑块机构：包括丝杠轴(6)、滚珠丝杠滑块(16)及滚珠丝杠导轨(18)，箱体的上端面前、后车轮转轴间分别安装有第一端板(30)，前、后两电磁铁箱分别与前、后第一端板(30)制成一体，前、后两块电磁铁(27、26)分别安装在电磁铁箱内，且在前、后两电磁铁箱内还安装有移动轴(8)的位置检测装置，在第一端板(30)的内侧分别安装有第二端板(29)，两根滚珠丝杠导轨(18)的两端安装在第一端板(30)上，位于两根滚珠丝杠导轨(18)间的丝杠轴(6)的两端安装在第二端板(29)上，前、后端的滚珠丝杠滑块(16)安装在两根滚珠丝杠导轨(18)和丝杠轴(6)中，分别在前、后两滚珠丝杠滑块(16)靠近第二端板的一侧上安装两套锁紧继电器(28)；

3)所述的三组传动齿轮组：第一组：移动轴(8)后车轮部分装有第一圆柱齿轮(1)和第二圆柱齿轮(2)，中间轴(7)后车轮部分装有第三圆柱齿轮(3)和第一圆锥齿轮(4)，后轮滚珠丝杠滑块(16)的转轴(17)装有第二圆锥齿轮(5)；第二组：移动轴(8)前轮部分装有第一圆柱齿轮(1)，中间轴(7)前轮部分装第三圆柱齿轮(3)和第一圆锥齿轮(4)，前轮滚珠丝杠滑块(16)的转轴(17)装有第二圆锥齿轮(5)；第三组：移动轴(8)上中间部分装有第四圆柱齿轮(11)和宽蜗轮(12)、中间轴(7)上中间部分装有第五圆柱齿轮(9)及丝杠轴(6)中间部分装有第六圆柱齿轮(10)；转向电机(15)轴上的蜗杆(13)与宽蜗轮(12)的啮合；

4)所述的四组结构相同的车轮转向连杆系：包括曲柄摇杆四杆机构，两前车轮与两后车轮的连杆(19)和车轮转杆(20)分别共用前、后两个曲柄转动杆(14)，且两个两个曲柄转动杆(14)的回转中心分别位于滚珠丝杠滑块(16)机构中前、后两个滚珠丝杠滑块(16)的中心轴上，四根车轮转杆(20)的一端分别接车轮转轴；

2.根据权利要求1所述的一种可变运动方式的全方位自主移动机器人行走机构，其特征在于：所述的两个前轮的驱动部件由编码器(21)、伺服电机(22)、行星齿轮减速箱(23)和同步带传动装置(24)组成的标准部件。

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