一种带行走系统的轮式机器人.pdf

本发明是一种带行走系统的轮式机器人，其行走系统由足式行走装置结合驱动装置构成，且与固定架(7)相连；足式行走装置由从动齿轮(1)、腿式支架和装有车轮(16)的悬挂机构(15)组成，腿式支架的一个连接点与从动齿轮(1)的一个偏心点相铰接，腿式支架的另一个连接点与悬挂机构的连接点相铰接；该足式行走装置至少有两个，而且至少两个足式行走装置的悬挂机构(15)上装有驱动车轮(16)运转的电机(19)；驱动装置设有主电机和与之相连的主动轴(6)，主动轴装有主动齿轮(4)，该齿轮与从动齿轮(1)相啮合。本发明轮式机器人运动速度块，控制简单，转向灵活的特点，同时还具有步态行走的功能，使其对地面的适应能力更强。

权利要求书
1.  一种带行走系统的轮式机器人，包括固定架(7)和与该固定架相连的足式行走装置及驱动装置，其特征是由足式行走装置和驱动装置相结合构成行走系统，其中：
足式行走装置：由从动齿轮(1)、腿式支架和装有车轮(16)的悬挂机构(15)组成，腿式支架的一个连接点与从动齿轮(1)的一个偏心点相铰接，腿式支架的另一个连接点与悬挂机构(15)的连接点相铰接；该足式行走装置至少有两个，而且至少两个足式行走装置的悬挂机构(15)上装有驱动车轮(16)运转的电机(19)；
驱动装置：设有主电机和与之相连的主动轴(6)，主动轴(6)装有主动齿轮(4)，该齿轮与从动齿轮(1)相啮合。

2.  根据权利要求1所述的轮式机器人，其特征是：驱动装置还设有两根从动轴(3)，它们由主动轴(6)通过锥齿轮系(5)带动；每根从动轴(3)装有传动齿轮，该传动齿轮由过桥齿轮(2)与从动齿轮(1)相啮合。

3.  根据权利要求1所述的轮式机器人，其特征是腿式支架由上三角架、下三脚架、大连杆(10)、小连杆组成(13)，它们之间均为铰接，其中：上三角架的一个角点通过大连杆(10)与从动齿轮(1)的一个偏心点相铰接，下三角架的一个角点通过大连杆(10)与从动齿轮(1)的同一个偏心点相铰接，上三角架的另外两个角点与下三脚架的两个角点通过小连杆(13)相铰接，下三脚架的另一个角点与悬挂机构(15)相铰接。

4.  根据权利要求1所述的轮式机器人，其特征是：足式行走装置有四个。

5.  根据权利要求1所述的轮式机器人，其特征是：足式行走装置有六个，其中四个在外侧，两个居中；位于中间的两个足式行走装置，它们的车轮的位置较位于外侧的四个足式行走装置的车轮突前。

6.  根据权利要求5所述的轮式机器人，其特征是：六个足式行走装置的车轮以周期性步态方式行走，并且车轮能够自由转向。

说明书一种带行走系统的轮式机器人
技术领域
本发明涉及机器人，特别是涉及一种带行走系统的轮式机器人。
背景技术
移动机器人按移动方式来分：轮式移动机器人、步行(足式)移动机器人、蛇形机器人、履带式移动机器人、爬行机器人等。按控制体系结构来分：功能式(水平式)结构机器人、行为式(垂直式)结构机器人和混合式机器人。按功能和用途来分：医疗机器人、军用机器人、助残机器人、清洁机器人等。按作业空间来分：陆地移动机器人、水下机器人、无人飞机和空间机器人等。
轮式移动机器人根据机器人移动机构的特点，可分为关节轮式移动机器人、行星轮式移动机器人、普通轮式移动机器人。而根据车轮数目，轮式移动机器人又有单轮、四轮、五轮、六轮和八轮等结构。
众所周知，履带式移动机器人以其强大的地形适应性而倍受青睐，但是转弯时，履带的磨损、履带开模难度大等都成为其应用的瓶颈。轮式移动机器人克服了履带式的这些缺点，在满足一定地形适应性的前提下，可以充分发挥移动机器人移动灵活、控制简单等优点，但是它对地形的适应性远不如履带式机器人，一般来说，轮式移动机器人对地形的适应性大小与轮子的数量成正比，但是随着轮子数量的增加，又带来了机器人体积庞大、重量重等缺点。怎样使轮子的数量越少而同时又有能够满足使用要求的地形适应性，这对及机器人设计具有重要意义。
现今的移动机器人研究主要是轮式或腿式结构，腿式结构具有越野能力强的特点，但结构复杂且运行速度慢；而传统的轮式结构虽然运行速度快，但越野性能不太强。通过设计各种车轮底盘，现在的轮式机器人已不同于传统的轮式结构，也具有腿式的部分功能，越野能力大大增强，能更好地适应各种复杂地形，因此如今人们研究机器人结构的重点转移到轮腿结合式结构上来。现今轮腿结合式移动机器人研究主要应用在星球漫游车领域，如月球漫游车、火星漫游车等。
世界各国开发轮腿式机器人系统已经有多年历史，特别是美国在这方面已有成熟的经验。现今国外得到业内认同的轮腿式移动机器人主要是火星/月球漫游车，有的在研究，有的已经成功使用。
(1)前苏联Lunokhod月球探测车
Lunokhod是历史上第一辆月球探测车，车体结构分为两部分，上部分是仪器舱，装有各种仪器，下部分是自动行走底盘，装有8个车轮。车子按照地面指令运动，有两个速度档，可登上30度的斜坡，越过40cm高的障碍物和60cm宽的沟壑，在一定意义上具有轮腿式的结构特点。
(2)美国JPL的Sojourner火星探测车
Sojourner是一辆微型自主式机器人车辆，且可从地面对它进行遥控，该机器人采用六轮摇臂悬吊式结构，即有6个独立悬挂的驱动轮，传动比为2000∶1，因而能在各种复杂的地形中行驶，特别是软沙地。此外该机器人的四个角轮具有独立驱动和控制能力。该机器人是真正意义上的六轮腿式移动机器人。
(3)美国C-MU大学的Moda(流浪者)自主移动机器人
美国CMU大学研制的Nomda机器人，其于1997年通过了类似于月球和火星表面环境的智利阿特卡马沙漠的测试，测试行程220公里，其中既有自主控制又有几千里外的人工遥操作。该机器人采用四轮机构，四轮具有独立驱动和导向功能，行驶机构由可变形底盘、均化悬挂机构和自包含轮组成。可变形底盘可使机器人能根据工作状态改变机构的覆盖面积。均化悬挂机构可以平滑机器人本体相对于轮子的运动，这种结构可保证在各种地形情况下四轮都能同时着地。
(4)美国火星探测车MsRor(漫游者)
美国火星探测车MsRor，该机器人上安装了迄今为止最先进的仪器，同时拥有最先进的机动性，其六轮腿式结构是目前最先进的，具有强大的越障能力、原地360”的转弯能力及伸缩性。除了其先进的机动性能，探路者上安装了包括Paneam(立体摄像头)、Mini-TES(红外分光仪)、显微镜、Mossbauer(分光仪，用来测定岩石成分)、APXS(ALPHA射线)系统、RAT(RoekAbrasionTool)系统等各种先进的仪器来探测环境、观察并分析岩石和土壤。
当今我国对探测开发太空投入了极大的关注，而轮腿式结构是现今最流行的行星探测车结构，虽然与国外的水平还有不小的差距，但国家在这方面也加大了投入力量，现在一些高等院校和科研机构相继开展了有关轮腿式机器人方面的研究工作，也取得了一定的成果。如清华大学在行星表面环境及探测机器人几何建模方面做了大量的工作，并对相关的电机驱动技术进行了深入探讨。与此同时，国防科大的研究小组以我们刚提到的Sojuonrer为蓝本，研制出了KDR一1试验样车，并对其自主导航及路径规划技术进行了研究。此外中国科技大学和哈尔滨工业大学都在轮腿式行星移动机器人方面进行了一系列研究工作，并取得了初步的成果。
上海交通大学的刘方湖、陈建平等提出了一种5轮月球机器人，并从结构上研究了其越障性能、静态稳定性和附着性能。该车前三轮均能独立驱动和转向，后面两轮式从动轮。前轮有个电机驱动其俯仰运动。
上海大学研制了一种可越障轮式全方位移动机构-车轮组机构，该机构保证在姿态保持不变的前提下，沿壁面任意方向直线移动或在原地旋转任意角度，同时能跨越存在于机器人运行路径中的障碍。上海大学的张海洪、龚振邦等队其越障性能作了简单的机理分析和全方位移动机构的运动学分析。
中国科技大学的程刚，竺长安等提出了一种复合结构移动越障机器人，并对该机器人进行了运动学建模与仿真。该机器人是将轮式、腿关节式、履带式三种结构结合起来设计而成，它采用后轮驱动，每个轮子分别由一台直流伺服电机带动，跟履带车一样通过差速来实现转向功能。车前部有平行四边形的摆杆通过键与车体的前轮轴固连，车体前方有两台直流伺服电机分别控制两边平行四边形摆杆的运动，在遇到突变障碍时，摆杆下压，产生撑地的动作，从而实现越障。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种带行走系统的轮式机器人，该机器人可以通过车轮运动，实现任意半径的旋转，并且通过附加一个电机使其能够实现步态行走，同时在行走过程中能够保持车身平稳，增强其对地面的适应能力。
本发明解决其技术问题所采用以下的技术方案：包括固定架和与该固定架相连的足式行走装置及驱动装置，足式行走装置和驱动装置相结合构成行走系统，其中：
足式行走装置：由从动齿轮、腿式支架和装有车轮的悬挂机构组成，腿式支架的一个连接点与从动齿轮的一个偏心点相铰接，腿式支架的另一个连接点与悬挂机构的连接点相铰接；该足式行走装置至少有两个，而且至少两个足式行走装置的悬挂机构上装有驱动车轮运转的电机。
驱动装置：设有主电机和与之相连的主动轴，主动轴装有主动齿轮，该齿轮与从动齿轮相啮合。
本发明与现有技术相比具有以下的主要优点：
1.所有足式行走装置仅由一个电机驱动，一次性完成整个行走动作，无需附加控制系统对其进行调节。
2.足式行走装置由一整套机构组成，整体结构为静定结构，所有杆件均为二力杆，只受轴向力作用，能最大限度的发挥各部件的承载能力。
3.六个足式行走装置在运动过程中，始终能保证至少有不在同一直线上的三个车轮着地，可以较好的保证运动过程中整体的稳定性。并且悬挂装置具有减震作用，可以减小地面对车轮的冲击作用。
4.足式行走装置的最高落足点超过车轮直径，对于一定高度的台阶式障碍可以直接越过，对于一些较为复杂的路面也可以很好的适应。
5.车轮驱动装置和足式行走装置相互独立，在路面状况较好的情况下可以和一般轮式机器人一样进行控制作业，当遇到一定的障碍时可以通过足式行走装置进行越障，有特殊需要的时候，还可以实现足式和轮式协调共同工作，完成特殊的动作。
总之，本发明将足式行走机构和轮式驱动机构相结合，使机器人不仅具有一般轮式机器人速度快、机动灵活性好、控制简单的特点，还可以实现六个车轮步态行走的功能，大大提高了机器人对地面的适应能力。
附图说明
图1为本发明整体结构的示意图。
图2为图1的俯视图。
图3为图1中中间位置的车轮组机构示意图。
图4为图1中外侧位置的车轮组机构示意图。
图5为图1中内侧足式机构示意图。
图6为图1中外侧足式机构示意图。
图7为整体外观示意图。
图中：1.从动齿轮；2.过桥齿轮；3.从动轴；4.主动齿轮；5.锥齿轮系；6.主动轴；7.固定架；8.外侧足式机构；9.内侧足式机构；10.大连杆；11.内侧上三角架；12.销轴；13.小连杆；14.内侧下三脚架；15.悬挂机构；16.车轮；17.外侧上三角架；18.外侧下三脚架；19.电机；20.外壳。
具体实施方式
本发明提供的带行走系统的轮式机器人，既可以实现轮式驱动，又可以实现步态行走。其结构如图1和图2所示：包括固定架7和与该固定架相连的足式行走装置及驱动装置，足式行走装置和驱动装置相结合构成行走系统。其中：
足式行走装置：由从动齿轮1、腿式支架和装有车轮16的悬挂机构15组成，腿式支架的一个连接点与从动齿轮1的一个偏心点相铰接，腿式支架的另一个连接点与悬挂机构15的连接点相铰接；该足式行走装置至少有两个，而且至少两个足式行走装置的悬挂机构15上装有驱动车轮16运转的电机19。
驱动装置：设有主电机和与之相连的主动轴6，主动轴6装有主动齿轮4，该主动齿轮与从动齿轮1相啮合。驱动装置还设有两根从动轴3，它们由主动轴6通过锥齿轮系5带动。每根从动轴3上装有传动齿轮，传动齿轮的作用同主动齿轮4，该传动齿轮由过桥齿轮2与从动齿轮1相啮合。
所述的腿式支架可由上三角架、下三脚架、大连杆10和小连杆13组成，它们之间均为铰接，其中：上三角架的一个角点通过大连杆10与从动齿轮1的一个偏心点相铰接，下三角架的一个角点通过大连杆10与从动齿轮1的同一个偏心点相铰接，上三角架的另外两个角点与下三脚架的两个角点通过小连杆13相铰接，下三脚架的另一个角点与悬挂机构15相铰接。
本发明整个行走系统布置于一外壳20内部，外壳形状如图7所示。外壳上表面为一U形平面，可以承载或者搭建各种仪器设备平台。
本发明提供的带行走系统的轮式机器人，其足式行走装置可以有四个，或六个。
六个足式行走装置，其中四个在外侧，两个居中；位于中间的两个足式行走装置，它们的车轮的位置较位于外侧的四个足式行走装置的车轮突前(见图2)。六个足式行走装置的车轮可以实现周期性步态行走，并且车轮可以自由转向。
下面结合实施例对具有六个足式行走装置的轮式机器人进行说明，但不限定本发明。
六个足式行走装置均为连杆结构，各个连杆之间均为铰接。主动轴通过锥齿轮系带动两从动轴，使得三个主动齿轮同时运动，再通过各齿轮传动，从而使各个连杆结构的一个铰点绕各自的回转中心旋转，从而带动六个足式行走装置做周期性的运动，由于各个连杆的运动特性，会使六个车轮做协调的周期性步态运动。在运动过程中，始终能保证至少有三个车轮着地，因此本发明轮式机器人步态行走运动时的稳定性较好。
本发明的整体结构如图1、图2所示，模型基本尺寸为：1200mmX800mmX600mm，车轮直径为200mm，可上台阶高度为250mm。整体结构包括固定架7、外侧位置的车轮组、中间位置的车轮组、主动轴6、从动轴3、锥齿轮系5、电机19以及多个用于连接的销轴12和外壳20。其中两个外侧位置的车轮组分别位于一个中间位置的车轮组的两侧。整个机构的齿轮传动链如图2所示。主动轴6带动中间位置的车轮组的主动齿轮4旋转，同时通过锥齿轮系5，带动两侧的从动轴3反向旋转，从而驱动两外侧位置的车轮组的主动齿轮4旋转，以至驱动整个机构运动。
中间位置的车轮组：如图3所示，主要包括主动齿轮4和两套对称布置的内侧足式机构9。如图5所示，内侧足式机构9包括从一个从动齿轮1、四根大连杆10、四根小连杆13、一个内侧上三角架11、一个内侧下三角架14、一套悬挂机构15和车轮16。其中两根大连杆连接从动齿轮上的一偏心点和内侧上三角架的一个角点，连接方式均为销轴连接，可以实现彼此绕连接点的相对转动。另外两根大连杆连接上述从动齿轮上的偏心点和内侧下三角架的一个角点。初始状态下，从动齿轮的偏心点位于齿轮中心正下方。四根小连杆两两分别连接内侧上三角架和内侧下三角架的另外两个角点，连接方式均为销轴连接。悬挂机构安装在内侧下三角架的下部，可绕其中心点做相对旋转运动，实现每个车轮的自由转向。悬挂机构和车轮采用经典的三角连接形式，稳定性好，同时具有减震作用，可以用来减少步态行走运动时，地面对车轮的冲击作用。主动齿轮通过主动轴，从动齿轮以及内侧上三角架的一个角点均通过销轴固定在固定架上，并可以饶各自的固定点做单自由度的转动。从图3中可以看出，当主动齿轮绕其固定中心转动时，两从动齿轮分别绕各自的固定中心旋转，从而带动大连杆的一个端点电分别绕两从动齿轮的中心旋转。由于内侧上三角架的一个角点固定在车架上，在大连杆的带动下、以及小连杆的传动作用，内侧下三角架将做周期性的往复运动，悬挂机构及车轮也将随之做周期性的运动。
外侧位置的车轮组：如图4所示，主要包括主动齿轮4、两个过桥齿轮2和两套对称布置的外侧足式机构8。如图6所示，外侧足式机构包括从一个从动齿轮1、四根大连杆10、四根小连杆13、一个外侧上三角架17、一个外侧下三角架18、一套悬挂机构15和车轮16。其连接方式与内侧足式机构一致。初始状态下，从动齿轮的偏心点位于齿轮中心正上方。从图6中可以看出，当主动齿轮绕其固定中心转动时，通过两过桥齿轮的传动作用，两从动齿轮分别绕各自的固定中心旋转，其工作原理同中间位置的车轮组相同，最终悬挂机构及车轮将做周期性的运动。
本发明车轮16的布置如图2所示，中间位置的车轮较两外侧的车轮突前。外侧位置的四个车轮上装有驱动电机。六个车轮均可以自由旋转。本发明轮式机器人可以实现任意半径的转向和任意方向的平移。悬挂机构可采用现有技术，其包括减震装置和转向装置(含转向电机)，现在已经被广泛使用在各种车辆及机器人上面。
下面简述本发明具有六个足式行走装置的轮式机器人(简称轮式机器人)的工作过程。
步态行走过程：初始状态下，六个车轮位于同一水平面，当主动轴顺时针转过1/4个周期时，中间位置的车轮组的主动齿轮也顺时针转过1/4个周期。通过锥齿轮系的传动作用，两从动轴逆时针转过1/4个周期，两外侧位置的车轮组的主动齿轮逆时针转过1/4个周期。由图2的齿轮机构图可以看出，通过齿轮传动，当主动轴顺时针转过1/4个周期时，六个被动齿轮均逆时针转过1/4个周期。根据上述足式机构的原理可知，此时左边两外侧车轮和右边一内侧车轮将抬起一定的高度，另外三个车轮相对于固定架水平右移一段距离(步态行走过程中车轮用刹车固定，不会发生转动)。假设车轮与地面无相对滑动，则固定架相对于地面左移一段距离。同理可知，当主动轴顺时针转过1/2个周期时，抬起的三个车轮(左边两外侧车轮和右边一内侧车轮)落地，另外三个车轮继续相对于固定架水平右移一段距离，固定架相对于地面继续左移一段距离。此时六个车轮重新位于同一水平面上，但外侧车轮的位置较内侧车轮突前。当主动轴顺时针转过3/4个周期时，与前1/4周期时相反，左边两外侧车轮和右边一内侧车轮相对于固定架水平右移一段距离，而另外三个车轮将抬起一定的高度，固定架相对于地面左移一段距离。当主动轴顺时针转过一个周期时，抬起的三个车轮(右边两外侧车轮和左边一内侧车轮)落地，另外三个车轮继续相对于固定架水平右移一段距离，固定架相对于地面继续左移一段距离。此时六个车轮第二次处于同一平面上，车轮的位置同初始位置相同。至此，本轮式机器人完成了一个周期的步态行走。
在上述步态行走过程中可以看出，本轮式机器人在任意时刻始终保持着三个车轮接地，并且接地的三个车轮始终保持成三角形分布(前1/2周期是右边两外侧车轮和左边一内侧车轮，后1/2周期是左边两外侧车轮和右边一内侧车轮)。因此，在行走的任意时刻均可以保证机器人整体的平稳性。即使行走速度变慢，本轮式机器人也不会倾覆。在行走过程中如果遇到一定高度(低于车体的可越障高度)的障碍物，由于机器人整体能够始终保持三点着地，因此，本轮式机器人可以平稳的跨过障碍物，或者登上障碍物(如台阶)。