專利名稱：機器人的輔助行走機構的制作方法
技術領域：
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本發明涉及一種機器人的輔助行走機構，主要用于機器人等機電類物體 的移動。
背景技術：
在能全方位移動的行走機構中，專利申請號為W02004080664 (國內專利 號為CN03112949.8)公開文件中無疑提出了一種最簡單的設計方案，不過由 于該行走機構在移動過程中有升降的過程，使得它帶動的機器人最好有防顛 裝置，雖然該申請方案中提出了用萬向輪及萬向滾珠支撐行走機構所驅動的 機器人的方案，但實際使用中，萬向輪走直線容易，轉換方向有些困難，而 萬向滾珠在承受重量后行走時的阻力較大，因為承重部位僅為一個點，在地 板上移動時可能劃出印子，翻越高度方面也受到限制。

發明內容
本發明的目的在于克服上述不足，提供一種改進的機器人的輔助行走機構。
本發明的目的是通過下述設計達到的用四個沒有與驅動機構連接的連 續切換輪(Omniwheel或稱Transwheel、 Alternate wheel)作為代替安裝 在機器人主體底部原本安裝萬向輪或萬向滾珠的地方，由于連續切換輪總體 的軸心與輪轂外緣的輥子的軸心互相垂直，且在縱向和橫向均能以輪子的方 式轉動——縱向是繞總體的輪子軸向轉動、而橫向是以固定在輪轂外緣的輥 子繞它自身的與輪轂端面平行的輥軸轉動的，且輥子的外廓線在位置上互補 并形成一個包絡性整圓作為車輪，能較好地滿足"四向移動"機構前后左右 四個方向的輪式移動和方向切換。事實上以四個連續切換輪驅動的全方位移動機構早已存在，但用于需要以固定步距移動的行走機構時，它需要以步進 電機驅動或者用普通電機加編碼盤方式驅動，成本很高且控制復雜，而本發 明與它的區別在于本行走機構是不用驅動的，它是一個被動執行機構，它 能被一個行走機構推著(或拉著)往前后左右四個方向移動。
該機構在全方位移動型機器人——比如吸塵機器人(自動吸塵器)上有 較好的應用前景。


圖1 圖6為本發明的連續切換輪的一些形狀。
圖7為一組輪軸傾斜安裝的連續切換輪。
圖8、圖9為帶彈簧減震的連續切換輪。
圖10 圖13為輔助行走機構和行走機構配合安裝的一些示意圖。
圖14 圖19為本發明的一些連續切換輪在機器人的輔助行走機構上的 安裝位置圖。
圖20 圖22為發明的一個使用實例——全自動吸塵器的俯視圖、側剖 視圖和底部透視圖。
具體實施方案-
一種機器人的輔助行走機構，它包括一個機架(或者稱機器人的底盤) 和四個沒有與驅動機構連接的連續切換輪，連續切換輪通過輪軸設置在機架 上，其中兩個橫向設置，另兩個縱向設置，橫向設置的兩個輪子相對于機器 人的重心位置呈中心對稱分布，縱向設置的兩個輪子也相對于機器人的重心 位置呈中心對稱分布，橫向設置的輪子與縱向設置的互相間隔。
連續切換輪可分布于機器人的重心的相對于它的移動方向的中軸線上， 其中橫向設置的輪子設置于機器人的縱向中軸線上，縱向設置的輪子設置于 機器人的橫向中軸線上。當然也可將連續切換輪設置在機器人的中軸線附近 的位置(如圖16、圖17)。
連續切換輪也可設置于機器人重心的45'、 135'、 225'、 315'方向上或者 其附近(如圖14、圖15、圖18)。
上述"附近"可理解為位置左右，以機器人重心位置為基準最大偏差士
45'。
常用的連續切換輪(Omniwheel或稱Transwheel)有如圖1 4的幾種， 可參考http:〃www. omniwheel. com; http:〃www. team229. org/photo/39/
圖1中連續切換輪外圍的輥子有6個， 一般3個以上即可，圖2中的連 續切換輪由兩個獨立的連續切換輪以一定的角度(180°/n， n表示輥子的數 量)組合在一起，單個連續切換輪的輥子數最少為2個如圖5，常用的有三 個或四個；圖3中連續切換輪的輥子均勻分布于輪轂的兩側，類似于圖2中 的連續切換輪，但輪轂只有一個。上述連續切換輪的輥子通過輥軸設置于輪 轂上，輥軸可與輥子固定在一起，固定方式為一體澆注式或通過在軸上搓網 紋或通過軸肩或軸刺過盈配合，輥子與輥軸一起在輪轂上轉動，如果輥軸與 輪轂是同種材料制成，如果輥軸與輪轂之間摩擦力較大，可考慮在它們的連 接處設置軸承；也可將輥軸與輪轂固定在一起，固定方式可以通過螺釘、螺 母方式或通過軸肩(擋肩)、擋環、軸環、過盈墊圈等間隙配合方式，輥子 可繞輥軸轉動，輥子與輥軸之間如果摩擦力較大也可設置軸承；也可將輪轂 設置成兩瓣(或三瓣)，兩瓣(或三瓣)合起時固定住輥軸，兩瓣(或三瓣) 輪轂之間可通過螺釘或卡扣或套箍固定。而輪轂與輪軸的設置方式類似于輥 子與輥軸的設置方式，原則上與通用的輪子與輪軸(比如玩具上的輪子與輪 軸)之間的配合方式類似，要求輪轂(輥子)能通過輪軸(輥軸)靈活地轉 動，且抖動(滑動)小、耐磨、工藝簡單，常用的輪子(或輪轂通過軸承) 在輪軸上定位固定方式有l)軸環與軸肩；2)套筒(緊圈)；3)螺母；4) 彈性擋圈；5)軸端擋圈；6)圓錐形軸伸；7)緊定螺釘等等，如果連續切 換輪如圖2中的設置方式，那么要求兩個連續切換輪輥子之間的角度恒定，又能一體轉動，這兩個連續切換輪可以是同樣的兩個輪組合在一起，連接處 的輪轂有突起，相當于離合器端面上的牙互相嵌合，牙的形狀可為矩形、梯
形、三角形、鋸齒形和螺旋形等形狀，如圖2中的牙為單個半圓環形。如果 輪軸帶著輪子轉動，固定輪轂處的輪軸為非圓形，如方形、橢圓形等而被固 定在底盤(或機架)處的輪軸則為圓形，并且為方便安裝，輪軸一般中間粗 兩端細，比如如果輪子被固定在輪軸中間，則輪軸為方軸，并在兩端有圓的 軸肩；如果輪子被固定在輪軸兩側，則輪軸為圓軸，并在兩端有方的軸肩。 如果輪軸被固定在底盤(或機架)上，安裝輪轂處的輪軸為圓形，而其余部 分的輪軸則為任意形狀，輪軸也是中間粗兩端細或者為一樣粗細的圓軸。如 果連續切換輪如圖3中的設置方式，那么可將此輪等同于圖1中的連續切換 輪，作為一個單獨的連續切換輪，像普通的輪子安裝在輪軸上的方式設置。 此外還有一種連續切換輪稱為Alternate wheel,如圖4，它的輥子有 兩種， 一種小輥子小一點、長一點，繞固定它的輪軸轉動，另一種大輥子大 一點、短一點，繞小輥子的邊緣與整個連續切換輪的輪轂的一部分組合成的 輪軸轉動，小輥子與大輥子互相間隔環繞在連續切換輪的外圍，其外緣近似 于一個完整的圓(只有小輥子與大輥子交界處有很小的缺口，參考 http:〃robotics. korea. ac. kr/index. php p二res&id二robotsys&sub—id=omnirobot)。
它在輪軸上的固定方式等同于圖i中的連續切換輪的固定方式。
一般的連續切換輪為單層輪或雙層輪，當然也可以是三層輪或多層輪， 三層輪外側的兩個輪子輥子安裝位置一致，內側的輪子的輥子與外側輪交叉
并互補(如圖6),這樣設置的好處是能夠保證輪子的受力方向維持在輪子 的中央，從而保證機器人移動的平穩性。
如果連續切換輪的輪子轉動時阻力較大，可在固定的輪軸與轉動的輪子 或者固定輪軸的機架和轉動的輪軸(輪子固定在輪軸上)之間設置軸承。
輥子上可根據使用場合的要求設置增加摩擦力的橡膠套子，橡膠套子上 還可以設置各種紋路以增強其跨越能力。
連續切換輪的輪軸或輪軸支架與機器人的底盤或機器人之間可存在彈
簧。便于每個輪子均能在不平整的地面上較好地與地面保持接觸。如圖8中， 連續切換輪的支撐軸(輪軸支架)位于兩側的兩個輪子的中間，輪軸與兩側 的輪子固定在一起， 一體可繞支撐軸與輪軸之間的軸承或緊圈轉動，支撐軸 與軸承或緊圈之間可通過套箍用螺釘固定；或者省略軸承或緊圈，讓輪軸直 接繞支撐軸下部的圓孔轉動，這種情況下要求輪軸或支撐軸的圓孔之一有自 潤性并且耐磨，或用不同的材料加工。支撐軸的中部可為圓柱形，外套一彈 簧，上部為比中部略細的非圓形(比如方形)柱體，頭部設置一卡口或按扣， 裝配時可根據輪子的方向直接將支撐軸上部的卡口或按扣壓進機器人的機 架(底盤)上的非圓形孔中，而彈簧則被固定于機架(底盤)下，上述支撐 軸的頭部還可用擋圈、軸銷、螺釘(直接朝下選入軸上的螺孔中或者垂直于 軸的螺孔中——相當于軸銷)、螺母(支撐軸頭部有螺紋)卡于機架(底盤) 上。如果是其他方式的連續切換輪，可在輪軸兩端固定兩根類似于上述的支 撐軸，支撐軸設置在機架(底盤)上的方式也類似上述方式，只是支撐軸與 輪軸的固定方式除了上述方式外，還可以直接旋在軸端或直接用螺母等常用 的方式固定住輪軸(輪軸不轉)、讓輪子繞輪軸轉動；如圖9也可在輪軸及 輪子上方設置一擋板，擋板與輪軸支撐接觸的地方配合輪軸的形狀設置有向 下的弧形的凹槽，擋板上部與機器人的機架(底盤)之間設置有彈簧，輪子 與擋板沒有接觸，固定連續切換輪的輪軸處的機架(底盤)上設置有向上的 凹槽，凹槽底部可有配合輪軸的形狀的弧形。
如果連續切換輪不需要避震彈簧，上述結構還可簡化，除了去掉彈簧外， 支撐軸的中部與上部可以形狀一致，只是肩部有粗細而已。對于不用支撐軸 的方式，可去掉擋板與彈簧，在機架(底盤)上設置固定的孔槽，將輪軸壓入孔槽內即可，或通過螺釘旋入輪軸的螺孔內、或一端用螺釘，另一端用螺 母將空心的輪軸固定在機架上、或用輪軸固定塊或固定擋板或固定支架固定 住輪軸即可。
為了便于連續切換輪的轉動，還可將輪軸均設置成正外傾角方式如圖7，
即橫向設置的一對輪子的輪軸相對于機器人的重心可呈"八"字形分布(不 一定要求輪軸在同一個平面上)，縱向設置的一對輪子的輪軸相對于機器人 的重心也可呈"八"字形分布(也不一定要求輪軸在同一個平面上)。如果
輥子是左右分布的(如圖2、圖3、圖5、圖6)可將安裝在內側的輥子及輪 轂尺寸略微放大。輪軸傾斜著設置在機架(底盤)上。如果輪子上還設置有 避震，則最好固定輪軸的機架上有傾斜的導軌，即機架(底盤)上固定輪軸 的凹槽斜著向上并與輪軸方向垂直；如果連續切換輪是如圖8中的方式設置 的，則除了兩側的輪子及輥子有大小外，還可將機架(底盤)的非圓形孔的 方向略微傾斜設置。
上述的機器人的輔助行走機構本身是不帶驅動、沒有動力的，它可被一 個類似與專利申請號為W02004080664的專利說明書中描述的全方位移動機
構所推動(或帶動)，即在機器人的底部中央存在一機器人的行走機構，該 機構沒有與機器人直接連在一起(可通過電纜連接電源、控制信號線等)， 但它可以推著或帶著機器人通過輔助行走機構移動。常用的行走機構與輔助 行走機構設置方式如圖10 圖13所示，其中圖10中機器人的行走機構1 設置在機器人的內側中央，輔助行走機構2設置在其外圍，圖ll中的輔助 行走機構2設置在機器人的內側中間，行走機構1設置在外側，圖12、圖 13機器人的主體及輔助行走機構2設置在行走機構1的外側和中間部位，行 走機構l設置在機器人的中間的環狀空間內，機器人的形狀可以是方形、長 方形、圓形等，如圖14 圖19 (其中圖19的連續切換輪類似于圖8，不過 輪軸更長，可被固定在底盤上側，輪軸的兩側安裝輪子的部位可為方形，被輪軸支架固定的部位的輪軸為圓形，并且輪軸支架不限定只有一個，可看作
是圖8的延伸)。而行走機構一般為方形或長方形，當然也可為其它形狀。 本發明所用的機器人的輔助行走機構并不局限于W02004080664中所描述的 行走機構配套使用，與其配套的行走機構還可以是其它形式的全方位行走機 構，比如是http:〃robot. sia.cn/qikan/manage/wenzhang/03503.pdf中描述的球 輪(球輪的承載能力差，可用本發明的輔助行走機構支撐的物體作為機器人 的載體，而球輪作為行走機構存在，在這種方式下，行走機構的切面為圓形)、 正交輪等等(此類機構中用到本發明的輔助行走機構的好處還包括驅動機構 可以用相對而言較小的動力驅動行走機構本身， 一般來說對于需精確移動的 用步進電機驅動的行走機構來說，可以降低電機的成本——大功率的步進電 機更加昂貴)。
本發明主要描述了被動移動的連續切換輪的布置方式，連續切換輪基本 上是一種已知的機構，對于采用何種具體的輪子本發明不作限定。
圖20 22為本發明的典型實施例——吸塵機器人(全自動吸塵器)的示 意圖。該吸塵器整體上為一四棱臺體，其中標識說明3為回風管;4為轉盤 座;5為轉盤;7為葉輪;ll為吸塵通道(除塵時為排塵通道);12為吸塵電機；13
為吸塵電機支架；15為轉盤轉換電機；16為轉盤轉換電機支架；18為透氣 型過濾網(可為HEPA); 70為排氣管；71為排氣口； 72為整流罩；73蝸殼 結構的導流架；74為蝸殼隔離板；75為吹塵時進氣口； 76為電磁鐵；77為 擋片(防止機器人被拎起時行走機構掉落)；78為直流電機;79為減速轉換 帶齒輪;80為連續切換輪;81為輪軸("L"形)；82為正六邊形輪行走輪(輪 子角上可進行倒角處理,外包橡膠或膠帶)；83為非圓形輪或圓形偏心輪(起糾 偏或換向作用，如可為略小于行走輪的正六邊形輪)；84為同步帶；85為輪架; 86為固定輪架85的螺釘；87為電池組(數量不限)；88為光電位移傳感器 (如光電鼠標的傳感器)；89如申請號為200410014461.0的中國發明專利申請
說明書所描述的接觸型傳感器；90為套于89上的外套；91為接觸型落差傳 感器；92為固定落差傳感器91的螺釘或按扣；93為充電、大電流輸入(用 于吹塵及電磁鐵吸合時用)、大電流輸出(電池放電用)或信號交換接觸簧片 (數量不限)；94為超聲波傳感器；95為固定超聲波傳感器94的支架；96 為倒金字塔形反射體(94， 96的數量可為一個或兩個，如果為兩個，可相對 于機器人的中心位置呈對稱分布，兩個超聲波傳感器可一個為發射器、 一個 為接收器)；97為便于超聲波通過的凹槽；98為機器人的啟動或設置開關 及指示LED (位置不固定，數量不限制)；99為液晶顯示屏(可選)。
權利要求
1、一種機器人的輔助行走機構，其特征在于它包括一個機架和四個沒有與驅動機構連接的連續切換輪，連續切換輪通過輪軸設置在機架上，其中兩個橫向設置，另兩個縱向設置，橫向設置的兩個輪子相對于機器人的重心位置呈中心對稱分布，縱向設置的兩個輪子也相對于機器人的重心位置呈中心對稱分布。
2、 根據權利要求1所述的一種機器人的輔助行走機構，其特征在于所 述的連續切換輪分布于機器人的重心相對于它的移動方向的中軸線上或者 其附近，其中橫向設置的輪子設置于機器人的縱向中軸線上或者其附近，縱 向設置的輪子設置于機器人的橫向中軸線上或者其附近。
3、 根據權利要求1所述的一種機器人的輔助行走機構，其特征在于所 述的連續切換輪設置于機器人重心相對于它的移動方向的45'、 135'、 225'、 315'方向上或者其附近。
4、 一種機器人，其特征在于所述的機器人包括主體和全方位行走機構兩 部分，機器人主體被權利要求l所述的四個連續切換輪所支撐，全方位行走 機構沒有與機器人直接連接，它可以存在于機器人主體的底部。
5、 根據權利要求4所述的一種機器人，其特征在于所述的全方位行走機構存在于機器人主體的底部中央。
6、 根據權利要求4所述的一種機器人，其特征在于所述的全方位行走機構存在于機器人主體的底部外側。
7、 根據權利要求4所述的一種機器人，其特征在于所述的全方位行走機 構存在于機器人主體的底部外側的一個環狀區域內。
全文摘要
本發明涉及一種機器人的輔助行走機構，它包括一個機架和四個沒有與驅動機構連接的連續切換輪，連續切換輪通過輪軸設置在機架上，其中兩個橫向設置，另兩個縱向設置，橫向設置的兩個輪子相對于機器人的重心位置呈中心對稱分布，縱向設置的兩個輪子也相對于機器人的重心位置呈中心對稱分布，橫向設置的輪子與縱向設置的互相間隔。該輔助行走機構可與一全方位行走機構配套使用。
文檔編號B62D57/024GK101172493SQ20061009747
公開日2008年5月7日 申請日期2006年11月2日 優先權日2006年11月2日
發明者張周新 申請人:張周新