CN2673581Y - 被动式双曲柄越障机构 - Google Patents

Abstract

本实用新型是一种被动式双曲柄越障机构，它涉及变形机器人(包括多足机器人和轮式、履带式机器人等)使用的运动构件。该机构用于将机器人的本体与运动轮连接，是高性能越障机器人的重要组成部分之一。整个机构由曲柄组件和弹簧组件组成，曲柄组件包括连杆、上下曲柄和支撑架，弹簧组件可以仅是螺旋弹簧，或是由弹簧固定架、弹簧调节架、弹簧伸缩轴和螺旋弹簧组成，曲柄组件构成不规则四边形、弹簧组件位于四边形中。在机器人越障过程中，曲柄组件可以给运动轮提供垂直方向上较大的运动范围，同时弹簧组件具有保持驱动力和蓄能减震的作用。该机构结构简单，设计巧妙，极大程度上提高了机器人的越障性能和稳定性。

Description

被动式双曲柄越障机构

技术领域

本实用新型涉及用于机器人等类似结构中的越障机构，尤其是变形机器人(包括多足机器人和轮式、履带式机器人等)结构中使用的运动构件。

背景技术

由于机器人在许多行业或环境中可以代替人们的工作，以减少人类所承担的繁重劳动或直接面对危险的机会，因此机器人技术已得到了大力发展。近年来，随着研究工作的深入，机器人技术的应用领域也不断拓展，例如星球探测、***物排查、矿山开采等，使得越障机器人的研究越来越得到重视。研究越障机器人的一个重要目标就是提高机器人的变形能力，使其能够在充满障碍物的非结构化环境中攀越移动。目前文献中已有报道的越障机器人(参见CN1338357A、CN1397409A、CN1410230A)要么越障能力不强，要么结构过于复杂，缺乏一种结构简单并且具备较强越障能力的机构。

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种被动式双曲柄越障机构，利用简单的机构来达到提高机器人越障性能的目的，从而增强机器人适应野外环境的能力。

本实用新型是这样实现的：整个机构由曲柄组件和弹簧组件组成，曲柄组件包括连杆、曲柄和支撑架，弹簧组件为弹簧固定架、弹簧调节架、弹簧伸缩轴和螺旋弹簧；所述支撑架固接在机器人本体上，随机器人本体一同运动；所述曲柄包括上曲柄、下曲柄，曲柄一端通过连接件分别与支撑架两端连接、另一端通过连接件分别与连杆上端及其杆中接点相连接；所述连杆下端通过连接件与运动轮轮轴相连接；所述弹簧的两端通过连接件分别与上、下曲柄的杆中接点相连接。

在上述结构中，各部件的长度满足以下关系：上、下曲柄长度均大于支撑架两连接点间长度的2倍，下曲柄长度大于上曲柄长度，连杆上段长度大于支撑架两连接点间长度，连杆的杆中接点到轮轴的距离大于连杆上段长度，并且大于运动轮直径；弹簧与上曲柄连接点至上曲柄与支撑架连接点之间的长度大于上曲柄长度的1/2，而弹簧与下曲柄连接点至下曲柄与支撑架连接点之间的长度大于下曲柄长度的3/5。

在上述结构中，所述弹簧组件由弹簧固定架、弹簧调节架、弹簧伸缩轴和螺旋弹簧组成，其中弹簧调节架采用螺旋结构安装在弹簧伸缩轴的一端、弹簧固定架采用滑动结构安装在弹簧伸缩轴的另一端，螺旋弹簧套装在弹簧伸缩轴外、其两端分别安装在弹簧调节架及弹簧固定架上，弹簧固定架连接在一曲柄的杆中接点上，弹簧调节架所在的弹簧伸缩轴的端部连接在另一曲柄的杆中接点上。

在上述结构中，所述连杆下端通过转向组件及连接件与运动轮轮轴相连接。

本实用新型结构简单，设计巧妙，在机器人被动越障过程中，曲柄组件可以给运动轮提供垂直方向上较大的运动范围，同时弹簧组件具有保持驱动力和蓄能减震的作用。极大程度上提高了机器人的越障性能和稳定性，从而使机器人能够更好地适应各种复杂的地面环境。本结构在垂直方向上的越障高度至少可以达到运动轮直径的1.5倍。

附图说明

附图1为双曲柄越障机构的整体结构示意图；

附图2为双曲柄越障机构运动过程中某一瞬时回转中心的示意图；

附图3为双曲柄越障机构的各部件关系图(左图)以及力学模型示意图(右图)；

附图4为双曲柄越障机构的越障效果示意图；(a)为初始状态，(b)为越障最高点，(c)为越障最低点；

附图5为双曲柄越障机构中可调预紧力的弹簧组件的结构示意图。

具体实施方式

以下结合实例对本实用新型作详细描述：

参考附图1，本实用新型是由连杆1、上曲柄4、下曲柄2、支撑架5和弹簧组件3构成。上曲柄4和下曲柄2的两端分别通过连接件与连杆1和支撑架5相连接，弹簧组件3的两端分别通过连接件与上曲柄4和下曲柄2相连接。当运动轮处于水平运动的初始位置时，支撑架处于垂直位置。连杆、曲柄和支撑架之间的连接应为铰接方式，所述铰接是指连杆、曲柄和支撑架均可沿着铰接点转动，使曲柄组件在其所构成的竖直方向的四边形平面上转动，从而带动运动轮使其在该平面上位移自如。这将大大有利于提高机器人的越障能力。弹簧与上下曲柄之间的连接也为铰接方式。

如附图2、3所示，将本机构与运动轮作为一个整体进行分析，发现在攀越障碍过程中，***的瞬时回转中心始终位于轮轴线下方，当遇到障碍时，障碍对运动轮所产生的外力使运动轮自动产生向上的运动分力Npy，从而形成有效的被动越障功能(即运动轮的越障动作不需要人为地进行主动控制，而是在遇到障碍时自动形成)。

由图3可知，曲柄组件是不规则的四边形机构，因此组成四边形的各部件的长度决定了四边形机构的变形程度，由几何分析可得以下参数：

$\mathrm{\α}\left(A\right)=\frac{\mathrm{\π}}{2}-A+\mathrm{\φ}$

                α(A)²＝b²+c²-2×b×c×cosα

$\mathrm{\δ}\left(A\right)=\arccos \frac{a^2+d^2-e^2}{2\×a\×d}$

$\mathrm{\β}\left(A\right)=\arccos \frac{c^2+a^2-b^2}{2\×c\×a}$

                ψ(A)＝δ+β

                ξ(A)＝ψ-A

其中，b为支撑架5上连接上曲柄4和下曲柄2的两连接点之间的长度，c为下曲柄2的长度、即下曲柄2上两连接点之间的距离，e为上曲柄4的长度、即上曲柄4上两连接点之间的距离，d为连杆1上连接上曲柄4和下曲柄2的两连接点之间的距离、即连杆1上端接点至杆中接点的长度、亦即连杆1的上段长度，h为连杆1上连接下曲柄2和运动轮轮轴的两连接点之间的距离、即连杆1下端接点至杆中接点的长度、亦即连杆1的下段长度。

运动轮轮轴中心(即图3中P点)相对地面的运动轨迹为：

$H\left(A\right)=\left[\begin{array}{c}c\×\cos \left(A\right)+h\×\cos \left[\mathrm{\ζ}\left(A\right)\right]\\ H_0+c\×\sin \left(A\right)-h\×\sin \left[\mathrm{\ζ}\left(A\right)\right]\end{array}\right]$

其中，H₀为双曲柄机构安装在机器人本体上的高度(即图中下曲柄2与支撑架5的连接点的离地高度)。该高度应大于所需要达到的最大越障高度。A为下曲柄与水平线的夹角(即图3中的A角)。

由上式可知，越障过程中运动轮轮轴中心垂直方向所能够达到的最大值H(A)_max应大于机器人的最大越障高度。当双曲柄机构中各部件的长度(即图3中的b，c，d，e，h)发生变化时，H(A)_max会发生相应的改变。在优化设计过程中得知，当各部件的长度满足以下关系：c＞2b，e＞2b，c＞e，d＞b，h＞d并且h大于运动轮直径时，便可得到比较理想的最大越障高度。图4显示了双曲柄机构的越障效果，在垂直方向上的越障高度至少可以达到运动轮直径的1.5倍。

连杆下端可直接与运动轮轮轴相连接，还可以在连杆下端设置可沿水平面转动的转向组件10，例如图1、2中所示，转向组件的平杆与连杆固接、转向组件的直杆与轮轴固接、并且平杆与直杆之间相铰接，使运动轮可以在地面上任意转向。当设置转向组件时，应保证运动轮的轮轴至连杆与下曲柄连接点之间的长度仍然为h，轮轴可位于连杆的延长线上，也可位于连杆延长线的垂线上(垂足至连杆与下曲柄连接点之间的长度为h)。

在双曲柄机构中安装弹簧，可以在不规则四边形的运动过程中使弹簧处于压缩状态(上、下曲柄之间随着四边形的上下位移而出现相对运动)，这样机器人在越障过程中，由于弹簧的作用，连杆下端就会产生向下的分力，使运动轮紧紧贴在接触面上，从而增大摩擦，保持驱动力，有利于提高机器人的越障性能。此外，当机器人从高处摔落的时候，由于弹簧***的蓄能减震作用，可以使机器人免受损害，从一定程度上提高了机器人的稳定性和可靠性。弹簧的安装位置应当使弹簧在运动过程中尽量保持较大的垂直分力，以使运动轮对工作表面(即运动时所接触的地面)的压力足够大。在优化设计过程中得知，当选取弹簧与上曲柄连接点至上曲柄与支撑架连接点之间的长度Te大于上曲柄长度e的1/2，而弹簧与下曲柄连接点至下曲柄与支撑架连接点之间的长度Tc大于下曲柄长度c的3/5时，效果较好。

参考附图5，当弹簧组件由弹簧固定架9、弹簧调节架6、弹簧伸缩轴7和螺旋弹簧8组成时，可以调节弹簧的预紧力，便于提供更加良好的驱动力。螺旋弹簧套在弹簧伸缩轴外，弹簧一端安装在弹簧调节架上、另一端安装在弹簧固定架上，弹簧固定架与一曲柄(上曲柄或下曲柄)相连接，弹簧伸缩轴插在弹簧固定架中可自由滑动，弹簧伸缩轴的另一端与另一曲柄相连接，弹簧调节架则以螺纹方式旋在弹簧伸缩轴上。当上、下曲柄之间出现相对运动时，弹簧可随着弹簧伸缩轴的滑动而伸缩。通过旋转弹簧调节架，可以对弹簧的预紧力进行调节，使弹簧在双曲柄机构的所有运动位置均处于压缩状态，并可根据接触面的表面粗糙度选择合适的压缩量，这样机器人在越障过程中，由于弹簧的作用，运动轮就会紧紧贴在接触面上，从而增大摩擦，有利于提高机器人的越障性能。

具体实施例为：所述双曲柄机构由强度高、质量轻的硬铝12制成。运动轮轮径取110mm，各部件的参数为：b＝50mm，c＝120mm，d＝70mm，e＝110mm，h＝180mm，H0＝170mm，Tc＝85mm，Te＝65mm。弹簧丝径为1mm，簧径为15mm，弹簧自由长度为45mm，有效圈数为7。连杆、曲柄和支撑架之间的连接件为40Cr加铜套转动铰链。运动轮的实际越障高度至少可以达到170mm(大于运动轮轮径的1.5倍)。

Claims (4)

1、一种被动式双曲柄越障机构，其特征在于：整个机构由曲柄组件和弹簧组件组成，曲柄组件包括连杆、曲柄和支撑架，弹簧组件为弹簧固定架、弹簧调节架、弹簧伸缩轴和螺旋弹簧；所述支撑架固接在机器人本体上，随机器人本体一同运动；所述曲柄包括上曲柄、下曲柄，曲柄一端通过连接件分别与支撑架两端连接、另一端通过连接件分别与连杆上端及其杆中接点相连接；所述连杆下端通过连接件与运动轮轮轴相连接；所述弹簧的两端通过连接件分别与上、下曲柄的杆中接点相连接。

2、如权利要求1所述的被动式双曲柄越障机构，其特征在于：所述各部件的长度满足以下关系：上、下曲柄长度均大于支撑架两连接点间长度的2倍，下曲柄长度大于上曲柄长度，连杆上段长度大于支撑架两连接点间的长度，连杆的杆中接点到轮轴的距离大于连杆上段长度，并且大于运动轮直径；弹簧与上曲柄连接点至上曲柄与支撑架连接点之间的长度大于上曲柄长度的1/2，而弹簧与下曲柄连接点至下曲柄与支撑架连接点之间的长度大于下曲柄长度的3/5。

3、如权利要求1或2所述的被动式双曲柄越障机构，其特征在于：所述弹簧组件由弹簧固定架、弹簧调节架、弹簧伸缩轴和螺旋弹簧组成，其中弹簧调节架采用螺旋结构安装在弹簧伸缩轴的一端、弹簧固定架采用滑动结构安装在弹簧伸缩轴的另一端，螺旋弹簧套装在弹簧伸缩轴外、其两端分别安装在弹簧调节架及弹簧固定架上，弹簧固定架连接在一曲柄的杆中接点上，弹簧调节架所在的弹簧伸缩轴的端部连接在另一曲柄的杆中接点上。

4、如权利要求1或2所述的被动式双曲柄越障机构，其特征在于：所述连杆下端通过转向组件及连接件与运动轮轮轴相连接。

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