CN2673583Y - 高机动被动式越障机器人 - Google Patents

Abstract

本实用新型是一种高机动被动式越障机器人。机器人前部采用双曲柄越障机构带动前导向轮作为前部导向机构，机器人的两侧采用平行四边形高架连杆越障机构带动前后侧驱动轮作为侧部驱动机构，机器人的后部采用支撑杆带动后支撑轮作为后部支撑机构。车身前部双曲柄机构可以给前导向轮提供垂直方向上更为广阔的运动范围，并具有蓄能和减震的作用。车身侧面高架连杆平行四边形机构可以保证侧面前后两车轮与地面始终保持良好接触，机器人在攀越小型障碍时，各轮可以分别攀越，从而保证了整个机构平稳越障。此时机器人的车身倾斜度仅为普通车型的一半。本实用新型大大提高了机器人综合越障性能，在垂直方向上的越障高度至少可以达到车轮直径的1.5倍。

Description

高机动被动式越障机器人

技术领域

本实用新型涉及机器人等类似结构，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)。

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高机动被动式越障机器人，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：

机器人整体由车身、前部导向机构、侧部驱动机构以及后部支撑机构组成。其中：前部导向机构包括双曲柄越障机构、转向机构及前导向轮；双曲柄越障机构由曲柄组件和弹簧组件组成，曲柄组件包括前连杆、上下曲柄和支撑架，弹簧组件为螺旋弹簧；支撑架固接在机器人车身前部；上下曲柄的一端分别与支撑架两端连接、另一端分别与前连杆上端及其杆中接点相连接；前连杆下端通过转向机构与前驱动轮相连接；弹簧的两端分别与上、下曲柄的杆中接点相连接。侧部驱动机构包括平行四边形高架连杆越障机构及前后侧驱动轮；平行四边形高架连杆越障机构由前后摆杆和上下连杆组成，两摆杆、两连杆分别平行，前后摆杆的上端分别与上连杆两端相连接，摆杆的杆中接点分别与下连杆两端相连接，摆杆的下端分别与前后侧驱动轮的轮轴相连接；上下连杆的中点分别与机器人车身侧部相连接。后部支撑机构包括支撑杆、转向机构及后支撑轮，支撑杆上端固接在机器人车身后部，下端通过转向机构与后支撑轮相连接。

在上述结构中，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，前连杆上段长度大于支撑架两连接点间的长度，前连杆的杆中接点到轮轴的距离大于前连杆上段长度、并且大于前导向轮直径；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；前后摆杆的下段长度大于侧驱动轮直径的1/2，前后摆杆的上段长度大于侧驱动轮直径的1/4，上下连杆的长度大于侧驱动轮直径并且大于等于下连杆的离地高度；支撑杆的长度大于后支撑轮直径。

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。

所述前导向轮、侧驱动轮、后支撑轮均采用内嵌式驱动装置，无刷电机及其减速机构直接安装于车轮内部的轮轴上。

本实用新型结构简单，设计巧妙。在机器人被动越障过程中，双曲柄越障机构中的曲柄组件可以给前导向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前轮驱动力和蓄能减震的作用；平行四边形高架连杆越障机构可以使前后侧驱动轮分别单独攀越障碍并与地面始终保持良好的接触，而且，车身重心的上升高度较小；后支撑轮则给车身提供支撑、尽量使车身保持平衡。本结构在垂直方向上的越障高度至少可以达到车轮直径的1.5倍，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。

附图说明

附图1为本实用新型整体结构示意图。

附图2为本实用新型在凹圆或凸圆不同情况下各车轮与工作面保持有效接触的示意图。

附图3为本实用新型前部导向机构的结构示意图。

附图4为本实用新型侧部驱动机构的结构示意图。

附图5为本实用新型后部支撑机构的结构示意图。

附图6为本实用新型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7为本实用新型前部导向机构中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8为本实用新型前部导向机构的弹簧(可调预紧力)示意图。

附图9为本实用新型的车轮内嵌式驱动装置的结构示意图。

附图10为本实用新型攀越台阶类障碍的过程示意图。

具体实施方式

以下结合实例对本实用新型作详细描述：

本实用新型的整体结构如附图1所示，为六轮越障车，车身前后各有一个车轮，两侧各有两个车轮。设计思想要求在凹圆和凸圆的不同情况下，六个车轮都能与工作面保证有效接触(参见附图2)。本实用新型在机器人的前部采用双曲柄越障机构、转向机构及前导向轮作为前部导向机构，在机器人的两侧采用平行四边形高架连杆越障机构和前后侧驱动轮作为侧部驱动机构，在机器人的后部采用支撑杆、转向机构及后支撑轮作为后部支撑机构。

由附图3、4、5可知，双曲柄越障机构是由前连杆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的两端分别与前连杆1和支撑架5相连构成不规则四边形，弹簧组件3的两端分别与上曲柄4和下曲柄2相连接，支撑架5的两端固接在机器人车身前部的中轴线位置处、使车身左右平衡，支撑架随机器人车身一同运动，前连杆1的下端安装转向机构6和前导向轮7。当车轮处于水平运动的初始位置时，支撑架处于垂直位置。平行四边形高架连杆越障机构是由前摆杆9、后摆杆14和上连杆12、下连杆13组成，上下连杆的两端分别与前后摆杆相连构成平行四边形，下连杆的中点10和上连杆的中点11处与机器人车身相连接，前侧驱动轮8和后侧驱动轮15分别安装在前后摆杆的下端。当前后侧驱动轮处于水平运动状态的初始位置时，上下连杆为水平方向、前后摆杆为竖直方向。后部支撑机构中的支撑杆的上端固接在机器人车身后部、也应位于中轴线位置处，支撑杆的下端安装转向机构和后支撑轮。

所述的前连杆、上下曲柄、支撑架以及上下连杆、前后摆杆之间的连接应为铰接方式，所述铰接是指通过铰链、销轴等连接件将所需部件相互连接后，各部件均可沿着铰接点转动，使双曲柄机构的不规则四边形、高架连杆机构的平行四边形均可在其本身所构成的竖直方向的四边形平面上转动，从而带动车轮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。弹簧固定架和弹簧调节架与上下曲柄之间的连接也为铰接方式。

如附图6所示，将双曲柄越障机构与车轮作为一个整体进行分析，发现在攀越障碍过程中，双曲柄越障机构的瞬时回转中心始终位于轮轴线下方，当遇到障碍时，障碍对车轮所产生的外力使车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)。

由附图7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为前连杆1上连接上曲柄4和下曲柄2的两连接点之间的距离、即前连杆1的上端接点至杆中接点的长度、亦即前连杆1的上段长度，h为前连杆1上连接下曲柄2和车轮轮轴的两连接点之间的距离、即前连杆1的下端接点至杆中接点的长度、亦即前连杆1的下段长度。

车轮轮轴中心(即图7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车身上的高度(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7中的A角)。

由上式可知，越障过程中车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7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。

对于平行四边形高架连杆越障机构，在具体设计时，下连杆的离地高度(即摆杆的杆中接点至地面的距离)应选择机器人车身所需跨越尖锐障碍及台阶类障碍的最大高度，至少应大于车轮直径；此时摆杆下段的长度(即摆杆的杆中接点至下端接点的距离)至少应大于车轮半径。上连杆的离地高度应与车身的高度相适应，通常为车身的最大高度，不过，上下连杆之间的距离(即摆杆的杆中接点至上端接点的距离、亦即摆杆上段的长度)至少应大于车轮轮径的1/4，以免影响平行四边形的运动。上下连杆的长度应保证前后两轮之间的运动不相互干扰，并且当平行四边形变形时，在不受其它条件干涉影响的情况下，两轮之间的高度差大于所需要的越障高度(参见图10-c)；所以，连杆的长度应大于车轮轮径并且大于等于下连杆的离地高度，否则越障高度会受到两者中较小值的限制。

对于后部支撑机构而言，支撑杆的长度应大于后支撑轮半径，以不影响后支撑轮的运动，后支撑轮与车身之间的距离应利于保持车身前后平衡、不易倾覆。

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，前连杆下端就会产生向下的分力，使车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，以使车轮对工作表面(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8，当弹簧组件由弹簧固定架19、弹簧调节架16、弹簧伸缩轴17和螺旋弹簧18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，车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。

前连杆、前后摆杆、支撑杆的下端通过驱动装置与车轮轮轴相连接。在前连杆下端设置可沿水平面转动的转向机构6(如图3中所示)，转向机构的平杆与前连杆固接、转向机构的直杆与驱动装置固接、并且平杆与直杆之间相铰接，使前导向轮可以在地面上任意转向，起到导向的作用。当设置转向机构时，应保证车轮的轮轴至前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)。同样，支撑杆下端与后支撑轮之间也设置转向机构，使后支撑轮可以在地面上任意转向。

如附图9，各车轮的驱动宜采用内嵌式驱动装置，即驱动装置放置在车轮的内部、直接安装在轮轴上，既节省了空间，又避免驱动装置对攀爬障碍造成影响。普通的直流电机通常体积较大，即使安放在车轮内部，因电机轴较长，会伸出车轮外部形成阻碍，当车轮跨越障碍时容易发生干涉，影响越障效果。为此，本实用新型采用了无刷电机。无刷电机体积小，电机本身及其减速装置可同时置于车轮内部，不需要额外的传动装置，大大减小了对设计空间的需求。

附图10显示了本实用新型实际越障过程中(例如攀爬台阶类障碍时)各部分的变形状况。各轮在攀爬的过程中受到支持力和摩擦力的作用，支持力垂直接触面并指向车轮，摩擦力的方向为车轮与地面接触点速度的反方向。

由于前部双曲柄越障机构的瞬时回转中心设计在前轮的轴线下面，当到达台阶边缘时，前导向轮受到台阶侧壁的阻力时自动产生向上的运动分力，双曲柄四边形机构转动变形，前连杆将向上抬起，前导向轮逐渐沿着台阶侧壁上升，其余五轮作为驱动轮依然驱动机器人向前运动(参见附图10-a、b)。直到前导向轮搭上台阶上表面以后，前导向轮下缘与台阶面接触，则前导向轮转化为驱动轮，此时车体在六轮驱动下前进。

当侧部平行四边形机构的前侧驱动轮与台阶侧壁接触时，在本身驱动力的牵引下，同样产生向上的摩擦力、逐渐沿着台阶侧壁上升，形成有效的被动越障作用；在此过程中，平行四边形机构整体变形，保证后轮依然与地面有良好接触。除前侧驱动轮外，其他各驱动轮继续推动机器人整体向前运动。由于与机器人车身的连接点位于上下连杆的中间，所以连接点的上升高度仅为前侧驱动轮上升高度的一半，亦即车身整体重心的上升高度仅为采用固定连杆机构时的一半，有效保证机器人本体的平稳性。

当平行四边形机构的前侧驱动轮搭上台阶上沿后，即转化为驱动轮，带动其后侧驱动轮逐渐靠近台阶侧壁，同样沿着台阶侧壁攀上台阶(参见附图10-c、d)。平行四边形随着工作面的变化而变形，保证了平行四边形机构的前后侧轮与工作面的有效接触，从而保证足够的驱动力。

当平行四边形机构整个攀登上台阶以后，平行四边形机构连接的双轮与地面的压力较大，平行四边形机构的变形保证了压力在平行四边形机构的双轮和车体前导向轮之间合理的分布，保证了各轮与地面的良好接触，带动车体后支撑轮攀登上台阶(参见附图10-d)。

本实用新型具体实施例为：设计目标为能攀越1.5倍轮高的台阶类障碍。机器人的车身、越障机构、车轮等均由强度高、质量轻的硬铝12制成。各车轮轮径取110mm。双曲柄机构中的参数为：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。高架连杆机构中下连杆高度为170mm，上连杆高度为210mm，即摆杆下段的长度为115mm、摆杆上段的长度为40mm，连杆的长度为180mm。各部件之间的连接件为耐磨材质(例如40Cr加铜套)的转动铰链。无刷电机的型号为MAXON200188，减速装置的减速比为1∶62.5。机器人整体的实际越障高度至少可以达到170mm(大于车轮轮径的1.5倍)。

Claims (4)

1、一种高机动被动式越障机器人，其特征在于：机器人整体由车身、前部导向机构、侧部驱动机构以及后部支撑机构组成；其中：

前部导向机构包括双曲柄越障机构、转向机构及前导向轮；双曲柄越障机构由曲柄组件和弹簧组件组成，曲柄组件包括前连杆、上下曲柄和支撑架，弹簧组件为螺旋弹簧；支撑架固接在机器人车身前部；上下曲柄的一端分别与支撑架两端连接、另一端分别与前连杆上端及其杆中接点相连接；前连杆下端通过转向机构与前驱动轮轮轴相连接；弹簧的两端分别与上、下曲柄的杆中接点相连接；

侧部驱动机构包括平行四边形高架连杆越障机构及前后侧驱动轮；平行四边形高架连杆越障机构由前后摆杆和上下连杆组成，两摆杆、两连杆分别平行，前后摆杆的上端分别与上连杆两端相连接，摆杆的杆中接点分别与下连杆两端相连接，摆杆的下端分别与前后侧驱动轮的轮轴相连接；上下连杆的中点分别与机器人车身侧部相连接；

后部支撑机构包括支撑杆、转向机构及后支撑轮，支撑杆上端固接在机器人车身后部，下端通过转向机构与后支撑轮轮轴相连接。

2、如权利要求1所述的高机动被动式越障机器人，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，前连杆上段长度大于支撑架两连接点间的长度，前连杆的杆中接点到轮轴的距离大于前连杆上段长度、并且大于前导向轮直径；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；前后摆杆的下段长度大于侧驱动轮直径的1/2，前后摆杆的上段长度大于侧驱动轮直径的1/4，上下连杆的长度大于侧驱动轮直径并且大于等于下连杆的离地高度；支撑杆的长度大于后支撑轮直径。

3、如权利要求1或2所述的高机动被动式越障机器人，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所述的高机动被动式越障机器人，其特征在于：所述前导向轮、侧驱动轮、后支撑轮均采用内嵌式驱动装置，无刷电机及其减速机构直接安装于车轮内部的轮轴上。

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