專利名稱：一種帶行走系統的輪式機器人的制作方法
技術領域：
本發明涉及機器人，特別是涉及一種帶行走系統的輪式機器人。
技術背景移動機器人按移動方式來分輪式移動機器人、步行(足式)移動機器人、蛇形機器人、 履帶式移動機器人、爬行機器人等。按控制體系結構來分功能式(水平式)結構機器人、 行為式(垂直式)結構機器人和混合式機器人。按功能和用途來分醫療機器人、軍用機器 人、助殘機器人、清潔機器人等。按作業空間來分陸地移動機器人、水下機器人、無人 飛機和空間機器人等。輪式移動機器人根據機器人移動機構的特點，可分為關節輪式移動機器人、行星輪式 移動機器人、普通輪式移動機器人。而根據車輪數目，輪式移動機器人又有單輪、四輪、 五輪、六輪和八輪等結構。眾所周知，履帶式移動機器人以其強大的地形適應性而倍受青睞，但是轉彎時，履帶 的磨損、履帶開模難度大等都成為其應用的瓶頸。輪式移動機器人克服了履帶式的這些缺 點，在滿足一定地形適應性的前提下，可以充分發揮移動機器人移動靈活、控制簡單等優 點，但是它對地形的適應性遠不如履帶式機器人， 一般來說，輪式移動機器人對地形的適 應性大小與輪子的數量成正比，但是隨著輪子數量的增加，又帶來了機器人體積龐大、重 量重等缺點。怎樣使輪子的數量越少而同時又有能夠滿足使用要求的地形適應性，這對及 機器人設計具有重要意義。現今的移動機器人研究主要是輪式或腿式結構，腿式結構具有越野能力強的特點，但 結構復雜且運行速度慢；而傳統的輪式結構雖然運行速度快，但越野性能不太強。通過設 計各種車輪底盤，現在的輪式機器人已不同于傳統的輪式結構，也具有腿式的部分功能， 越野能力大大增強，能更好地適應各種復雜地形，因此如今人們研究機器人結構的重點轉 移到輪腿結合式結構上來。現今輪腿結合式移動機器人研究主要應用在星球漫游車領域， 如月球漫游車、火星漫游車等。世界各國開發輪腿式機器人系統己經有多年歷史，特別是美國在這方面己有成熟的經 驗。現今國外得到業內認同的輪腿式移動機器人主要是火星/月球漫游車，有的在研究， 有的己經成功使用。(1) 前蘇聯Lunokhod月球探測車Lunokhod是歷史上第一輛月球探測車，車體結構分為兩部分，上部分是儀器艙，裝有 各種儀器，下部分是自動行走底盤，裝有8個車輪。車子按照地面指令運動，有兩個速度 檔，可登上30度的斜坡，越過40cm高的障礙物和60cm寬的溝壑，在一定意義上具有輪 腿式的結構特點。(2) 美國JPL的Sojourner火星探測車Sojourner是一輛微型自主式機器人車輛，且可從地面對它進行遙控，該機器人采用 六輪搖臂懸吊式結構，即有6個獨立懸掛的驅動輪，傳動比為2000:1，因而能在各種復 雜的地形中行駛，特別是軟沙地。此外該機器人的四個角輪具有獨立驅動和控制能力。該 機器人是真正意義上的六輪腿式移動機器人。(3)美國C-MU大學的Moda(流浪者)自主移動機器人美國CMU大學研制的Nomda機器人，其于1997年通過了類似于月球和火星表面環境 的智利阿特卡馬沙漠的測試，測試行程220公里，其中既有自主控制又有幾千里外的人工 遙操作。該機器人采用四輪機構，四輪具有獨立驅動和導向功能，行駛機構由可變形底盤、 均化懸掛機構和自包含輪組成。可變形底盤可使機器人能根據工作狀態改變機構的覆蓋面 積。均化懸掛機構可以平滑機器人本體相對于輪子的運動，這種結構可保證在各種地形情 況下四輪都能同時著地。(4)美國火星探測車MsRor(漫游者)美國火星探測車MsRor，該機器人上安裝了迄今為止最先進的儀器，同時擁有最先進 的機動性，其六輪腿式結構是目前最先進的，具有強大的越障能力、原地360"的轉彎能 力及伸縮性。除了其先進的機動性能，探路者上安裝了包括Paneam(立體攝像頭)、Mini 一TES(紅外分光儀)、顯微鏡、Mossbauer(分光儀，用來測定巖石成分)、APXS (ALPHA射 線)系統、RAT(RoekAb.rasionTool)系統等各種先進的儀器來探測環境、觀察并分析巖石和 土壤。當今我國對探測開發太空投入了極大的關注，而輪腿式結構是現今最流行的行星探測 車結構，雖然與國外的水平還有不小的差距，但國家在這方面也加大了投入力量，現在一 些高等院校和科研機構相繼開展了有關輪腿式機器人方面的研究工作，也取得了一定的成 果。如清華大學在行星表面環境及探測機器人幾何建模方面做了大量的工作，并對相關的 電機驅動技術進行了深入探討。與此同時，國防科大的研究小組以我們剛提到的Sojucmrer 為藍本，研制出了 KDR—1試驗樣車，并對其自主導航及路徑規劃技術進行了研究。此外 中國科技大學和哈爾濱工業大學都在輪腿式行星移動機器人方面進行了一系列研究工作， 并取得了初步的成果。上海交通大學的劉方湖、陳建平等提出了一種5輪月球機器人，并從結構上研究了其 越障性能、靜態穩定性和附著性能。該車前三輪均能獨立驅動和轉向，后面兩輪式從動輪。 前輪有個電機驅動其俯仰運動。上海大學研制了一種可越障輪式全方位移動機構一車輪組機構，該機構保證在姿態保 持不變的前提下，沿壁面任意方向直線移動或在原地旋轉任意角度，同時能跨越存在于機 器人運行路徑中的障礙。上海大學的張海洪、龔振邦等隊其越障性能作了簡單的機理分析 和全方位移動機構的運動學分析。中國科技大學的程剛，竺長安等提出了一種復合結構移動越障機器人，并對該機器人 進行了運動學建模與仿真。該機器人是將輪式、腿關節式、履帶式三種結構結合起來設計 而成，它采用后輪驅動，每個輪子分別由一臺直流伺服電機帶動，跟履帶車一樣通過差速來實現轉向功能。車前部有平行四邊形的擺桿通過鍵與車體的前輪軸固連，車體前方有兩 臺直流伺服電機分別控制兩邊平行四邊形擺桿的運動，在遇到突變障礙時，擺桿下壓，產 生撐地的動作，從而實現越障。 發明內容本發明所要解決的技術問題是提供一種帶行走系統的輪式機器人，該機器人可以通 過車輪運動，實現任意半徑的旋轉，并且通過附加一個電機使其能夠實現步態行走，同吋 在行走過程中能夠保持車身平穩，增強其對地面的適應能力。本發明解決其技術問題所采用以下的技術方案包括固定架和與該固定架相連的足式 行走裝置及驅動裝置，足式行走裝置和驅動裝置相結合構成行走系統，其中足式行走裝置由從動齒輪、腿式支架和裝有車輪的懸掛機構組成，腿式支架的一個 連接點與從動齒輪的一個偏心點相鉸接，腿式支架的另一個連接點與懸掛機構的連接點相 鉸接；該足式行走裝置至少有兩個，而且至少兩個足式行走裝置的懸掛機構上裝有驅動車 輪運轉的電機。驅動裝置設有主電機和與之相連的主動軸，主動軸裝有主動齒輪，該齒輪與從動齒 輪相嚙合。本發明與現有技術相比具有以下的主要優點1. 所有足式行走裝置僅由一個電機驅動， 一次性完成整個行走動作，無需附加控制系 統對其進行調節。2. 足式行走裝置由一整套機構組成，整體結構為靜定結構，所有桿件均為—力桿，只 受軸向力作用，能最大限度的發揮各部件的承載能力。3. 六個足式行走裝置在運動過程中，始終能保證至少有不在同一直線上的三個車輪著 地，可以較好的保證運動過程中整體的穩定性。并且懸掛裝置具有減震作用，可以減小地 面對車輪的沖擊作用。4. 足式行走裝置的最高落足點超過車輪直徑，對于一定高度的臺階式障礙可以直接越 過，對于一些較為復雜的路面也可以很好的適應。5. 車輪驅動裝置和足式行走裝置相互獨立，在路面狀況較好的情況下可以和一般輪式 機器人一樣進行控制作業，當遇到一定的障礙時可以通過足式行走裝置進行越障，有特殊 需要的時候，還可以實現足式和輪式協調共同工作，完成特殊的動作。總之，本發明將足式行走機構和輪式驅動機構相結合，使機器人不僅具有一般輪式機 器人速度快、機動靈活性好、控制簡單的特點，還可以實現六個車輪步態行走的功能，大 大提高了機器人對地面的適應能力。


圖1為本發明整體結構的示意圖。圖2為圖1的俯視圖。圖3為圖1中中間位置的車輪組機構示意圖。 圖4為圖1中外側位置的車輪組機構示意圖。圖5為圖1中內側足式機構示意圖。 圖6為圖1中外側足式機構示意圖。 圖7為整體外觀示意圖。圖中l.從動齒輪；2.過橋齒輪；3.從動軸；4.主動齒輪；5.錐齒輪系；6.主 動軸；7.固定架；8.外側足式機構；9.內側足式機構；10.大連桿；1 L內側上三角架； 12.銷軸；13.小連桿；14.內側下三腳架；15.懸掛機構；16.車輪；17.外側上三角架； 18.外側下二腳架；19.電機；20.外殼。
具體實施方式
本發明提供的帶行走系統的輪式機器人，既可以實現輪式驅動，又可以實現步態行走。 其結構如圖1和圖2所示包括固定架7和與該固定架相連的足式行走裝置及驅動裝置， 足式行走裝置和驅動裝置相結合構成行走系統。其中足式行走裝置由從動齒輪l、腿式支架和裝有車輪16的懸掛機構15組成，腿式支 架的一個連接點與從動齒輪1的一個偏心點相鉸接，腿式支架的另一個連接點與懸掛機構 15的連接點相鉸接該足式行走裝置至少有兩個，而且至少兩個足式行走裝置的懸掛機 構15上裝有驅動車輪16運轉的電機19。驅動裝置設有主電機和與之相連的主動軸6,主動軸6裝有主動齒輪4，該主動齒 輪與從動齒輪1相嚙合。驅動裝置還設有兩根從動軸3，它們由主動軸6通過錐齒輪系5 帶動。每根從動軸3上裝有傳動齒輪，傳動齒輪的作用同主動齒輪4，該傳動齒輪由過橋 齒輪2與從動齒輪1相嚙合。所述的腿式支架可由t三角架、下三腳架、大連桿IO和小連桿13組成，它們之間均 為鉸接，其中上三角架的一個角點通過大連桿10與從動齒輪1的一個偏心點相鉸接， 下三角架的一個角點通過大連桿10與從動齒輪1的同一個偏心點相鉸接，上三角架的另 外兩個角點與下三腳架的兩個角點通過小連桿13相鉸接，下三腳架的另一個角點與懸掛 機構15相鉸接。本發明整個行走系統布置于一外殼20內部，外殼形狀如圖7所示。外殼上表面為一U形平面，可以承載或者搭建各種儀器設備平臺。本發明提供的帶行走系統的輪式機器人，其足式行走裝置可以有四個，或六個。 六個足式行走裝置，其中四個在外側，兩個居中；位于中間的兩個足式行走裝置，它們的車輪的位置較位于外側的四個足式行走裝置的車輪突前(見圖2)。六個足式行走裝置的車輪可以實現周期性步態行走，并且車輪可以自由轉向。下面結合實施例對具有六個足式行走裝置的輪式機器人進行說明，但不限定本發明。 六個足式行走裝置均為連桿結構，各個連桿之間均為鉸接。主動軸通過錐齒輪系帶動兩從動軸，使得三個主動齒輪同時運動，再通過各齒輪傳動，從而使各個連桿結構的一個鉸點繞各自的回轉中心旋轉，從而帶動六個足式行走裝置做周期性的運動，由于各個連桿的運動特性，會使六個車輪做協調的周期性步態運動。在運動過程中，始終能保證至少有 三個車輪著地，因此本發明輪式機器人步態行走運動時的穩定性較好。本發明的整體結構如圖l、圖2所示，模型基本尺寸為1200mmX800咖X600mm，車輪 直徑為200ram，可上臺階高度為250mm。整體結構包括固定架7、外側位置的車輪組、中 間位置的車輪組、主動軸6、從動軸3、錐齒輪系5、電機19以及多個用于連接的銷軸12 和外殼20。其屮兩個外側位置的車輪組分別位于一個中間位置的車輪組的兩側。整個機 構的齒輪傳動鏈如圖2所示。主動軸6帶動中間位置的車輪組的主動齒輪4旋轉，同時通 過錐齒輪系5，帶動兩側的從動軸3反向旋轉，從而驅動兩外側位置的車輪組的主動齒輪 4旋轉，以至驅動整個機構運動。中間位置的車輪組如圖3所示，主要包括主動齒輪4和兩套對稱布置的內側足式機 構9。如圖5所示，內側足式機構9包括從一個從動齒輪1、四根大連桿10、四根小連桿 13、 一個內側上三角架11、 一個內側下三角架14、 一套懸掛機構15和車輪16。其中兩 根大連桿連接從動齒輪上的一偏心點和內側上三角架的一個角點，連接方式均為銷軸連 接，可以實現彼此繞連接點的相對轉動。另外兩根大連桿連接上述從動齒輪上的偏心點和 內側下三角架的一個角點。初始狀態下，從動齒輪的偏心點位于齒輪中心正下方。四根小 連桿兩兩分別連接內側上三角架和內側下三角架的另外兩個角點，連接方式均為銷軸連 接。懸掛機構安裝在內側下三角架的下部，可繞其中心點做相對旋轉運動，實現每個車輪 的自由轉向。懸掛機構和車輪采用經典的三角連接形式，穩定性好，同時具有減震作用， 可以用來減少步態行走運動時，地面對車輪的沖擊作用。主動齒輪通過主動軸，從動齒輪 以及內側上三角架的一個角點均通過銷軸固定在固定架上，并可以饒各自的固定點做單自 由度的轉動。從圖3中可以看出，當主動齒輪繞其固定中心轉動時，兩從動齒輪分別繞各 自的固定中心旋轉，從而帶動大連桿的一個端點也分別繞兩從動齒輪的中心旋轉。由于內 側上三角架的一個角點固定在車架上，在大連桿的帶動下、以及小連桿的傳動作用，內側 下三角架將做周期性的往復運動，懸掛機構及車輪也將隨之做周期性的運動。外側位置的車輪組如圖4所示，主要包括主動齒輪4、兩個過橋齒輪2和兩套對稱 布置的外側足式機構8。如圖6所示，外側足式機構包括從一個從動齒輪1、四根大連桿 10、四根小連桿13、 一個外側上三角架17、 一個外側卜_三角架18、 一套懸掛機構15和 車輪16。其連接方式與內側足式機構-致。初始狀態下，從動齒輪的偏心點位于齒輪中 心正上方。從圖6中可以看出，當主動齒輪繞其固定中心轉動時，通過兩過橋齒輪的傳動 作用，兩從動齒輪分別繞各自的固定中心旋轉，其工作原理同中間位置的車輪組相同，最 終懸掛機構及車輪將做周期性的運動。本發明車輪16的布置如圖2所示，中間位置的車輪較兩外側的車輪突前。外側位置 的四個車輪上裝有驅動電機。六個車輪均可以自由旋轉。本發明輪式機器人可以實現任意 半徑的轉向和任意方向的平移。懸掛機構可采用現有技術，其包括減震裝置和轉向裝置(含 轉向電機)，現在已經被廣泛使用在各種車輛及機器人上面。下面簡述本發明具有六個足式行走裝置的輪式機器人(簡稱輪式機器人)的工作過程。步態行走過程初始狀態下，六個車輪位于同一水平面，當主動軸順時針轉過l/4個 周期時，中間位置的車輪組的主動齒輪也順時針轉過1/4個周期。通過錐齒輪系的傳動作用，兩從動軸逆時針轉過1/4個周期，兩外側位置的車輪組的主動齒輪逆時針轉過1/4個 周期。由圖2的齒輪機構圖可以看出，通過齒輪傳動，當主動軸順時針轉過1/4個周期時， 六個被動齒輪均逆時針轉過1/4個周期。根據上述足式機構的原理可知，此時左邊兩外側 車輪和右邊一內側車輪將抬起一定的高度，另外三個車輪相對于固定架水平右移一段距離 (步態行走過程中車輪用剎車固定，不會發生轉動)。假設車輪與地面無相對滑動，則固 定架相對于地面左移一段距離。同理可知，當主動軸順時針轉過l/2個周期時，抬起的三 個車輪(左邊兩外側車輪和右邊一內側車輪)落地，另外三個車輪繼續相對于固定架水平 右移一段距離，固定架相對于地面繼續左移一段距離。此時六個車輪重新位于同一水平面 上，但外側車輪的位置較內側車輪突前。當主動軸順時針轉過3/4個周期時，與前l/4周 期時相反，左邊兩外側車輪和右邊一內側車輪相對于固定架水平右移一段距離，而另外三 個車輪將抬起一定的高度，固定架相對于地面左移一段距離。當主動軸順時針轉過一個周 期時，抬起的三個車輪(右邊兩外側車輪和左邊一內側車輪)落地，另外三個車輪繼續相 對于固定架水平右移一段距離，固定架相對于地面繼續左移一段距離。此時六個車輪第二 次處于同一平面上，車輪的位置同初始位置相同。至此，本輪式機器人完成了一個周期的 步態行走。在上述步態行走過程中可以看出，本輪式機器人在任意時刻始終保持著三個車輪接 地，并且接地的三個車輪始終保持成三角形分布(前1/2周期是右邊兩外側車輪和左邊一 內側車輪，后1/2周期是左邊兩外側車輪和右邊一內側車輪)。因此，在行走的任意時刻 均可以保證機器人整休的平穩性。即使行走速度變慢，本輪式機器人也不會傾覆。在行走 過程中如果遇到一定高度(低于車體的可越障高度)的障礙物，由于機器人整體能夠始終 保持三點著地，因此，本輪式機器人可以平穩的跨過障礙物，或者登上障礙物(如臺階)。
權利要求
1. 一種帶行走系統的輪式機器人，包括固定架(7)和與該固定架相連的足式行走裝置及驅動裝置，其特征是由足式行走裝置和驅動裝置相結合構成行走系統，其中足式行走裝置由從動齒輪(1)、腿式支架和裝有車輪(16)的懸掛機構(15)組成，腿式支架的一個連接點與從動齒輪(1)的一個偏心點相鉸接，腿式支架的另一個連接點與懸掛機構(15)的連接點相鉸接；該足式行走裝置至少有兩個，而且至少兩個足式行走裝置的懸掛機構(15)上裝有驅動車輪(16)運轉的電機(19)；驅動裝置設有主電機和與之相連的主動軸(6)，主動軸(6)裝有主動齒輪(4)，該齒輪與從動齒輪(1)相嚙合。
2. 根據權利要求1所述的輪式機器人，其特征是驅動裝置還設有兩根從動軸(3)，它們由主動軸(6)通過錐齒輪系(5)帶動；每根從動軸(3)裝有傳動齒輪，該傳動齒 輪由過橋齒輪(2)與從動齒輪(1)相嚙合。
3. 根據權利要求1所述的輪式機器人，其特征是腿式支架由上三角架、下三腳架、大連桿(10)、小連桿組成(13)，它們之間均為鉸接，其中上三角架的一個角點通過大連桿(10)與從動齒輪(1)的一個偏心點相鉸接，下三角架的一個角點通過大連桿(10)與從動齒輪(1)的同一個偏心點相鉸接，上三角架的另外兩個角點與下三腳架的兩個角點通過小連桿(13)相鉸接，下三腳架的另一個角點與懸掛機構(15)相鉸接。
4. 根據權利要求1所述的輪式機器人，其特征是足式行走裝置有四個。
5. 根據權利要求1所述的輪式機器人，其特征是足式行走裝置有六個，其中四個 在外側，兩個居中；位于中間的兩個足式行走裝置，它們的車輪的位置較位于外側的四個足式行走裝置的車輪突前。
6. 根據權利要求5所述的輪式機器人，其特征是六個足式行走裝置的車輪以周期性步態方式行走，并且車輪能夠自由轉向。
全文摘要
本發明是一種帶行走系統的輪式機器人，其行走系統由足式行走裝置結合驅動裝置構成，且與固定架(7)相連；足式行走裝置由從動齒輪(1)、腿式支架和裝有車輪(16)的懸掛機構(15)組成，腿式支架的一個連接點與從動齒輪(1)的一個偏心點相鉸接，腿式支架的另一個連接點與懸掛機構的連接點相鉸接；該足式行走裝置至少有兩個，而且至少兩個足式行走裝置的懸掛機構(15)上裝有驅動車輪(16)運轉的電機(19)；驅動裝置設有主電機和與之相連的主動軸(6)，主動軸裝有主動齒輪(4)，該齒輪與從動齒輪(1)相嚙合。本發明輪式機器人運動速度塊，控制簡單，轉向靈活的特點，同時還具有步態行走的功能，使其對地面的適應能力更強。
文檔編號B62D61/00GK101269678SQ20081004772
公開日2008年9月24日 申請日期2008年5月16日 優先權日2008年5月16日
發明者斌 李, 李文鋒, 龍 金 申請人:武漢理工大學