專(zhuān)利名稱(chēng)：高機(jī)動(dòng)被動(dòng)式越障機(jī)器人的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及機(jī)器人等類(lèi)似結(jié)構(gòu)，尤其是變形機(jī)器人(包括多足機(jī)器人和輪式、履帶式機(jī)器人等)。
背景技術(shù)：
由于機(jī)器人在許多行業(yè)或環(huán)境中可以代替人們的工作，以減少人類(lèi)所承擔(dān)的繁重勞動(dòng)或直接面對(duì)危險(xiǎn)的機(jī)會(huì)，因此機(jī)器人技術(shù)已得到了大力發(fā)展。近年來(lái)，隨著研究工作的深入，機(jī)器人技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域也不斷拓展，例如星球探測(cè)、爆炸物排查、礦山開(kāi)采等，使得越障機(jī)器人的研究越來(lái)越得到重視。研究越障機(jī)器人的一個(gè)重要目標(biāo)就是提高機(jī)器人的變形能力，使其能夠在充滿(mǎn)障礙物的非結(jié)構(gòu)化環(huán)境中攀越移動(dòng)。目前文獻(xiàn)中已有報(bào)道的越障機(jī)器人(參見(jiàn)CN1338357A、CN1397409A、CN1410230A)要么越障能力不強(qiáng)，要么結(jié)構(gòu)過(guò)于復(fù)雜，缺乏一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單并且具備較強(qiáng)越障能力的機(jī)構(gòu)。

發(fā)明內(nèi)容
本實(shí)用新型的目的在于提供一種高機(jī)動(dòng)被動(dòng)式越障機(jī)器人，利用簡(jiǎn)單的機(jī)構(gòu)來(lái)達(dá)到提高機(jī)器人越障性能的目的，從而增強(qiáng)機(jī)器人適應(yīng)野外環(huán)境的能力。
本實(shí)用新型是這樣實(shí)現(xiàn)的機(jī)器人整體由車(chē)身、前部導(dǎo)向機(jī)構(gòu)、側(cè)部驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)以及后部支撐機(jī)構(gòu)組成。其中前部導(dǎo)向機(jī)構(gòu)包括雙曲柄越障機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)及前導(dǎo)向輪；雙曲柄越障機(jī)構(gòu)由曲柄組件和彈簧組件組成，曲柄組件包括前連桿、上下曲柄和支撐架，彈簧組件為螺旋彈簧；支撐架固接在機(jī)器人車(chē)身前部；上下曲柄的一端分別與支撐架兩端連接、另一端分別與前連桿上端及其桿中接點(diǎn)相連接；前連桿下端通過(guò)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)與前驅(qū)動(dòng)輪相連接；彈簧的兩端分別與上、下曲柄的桿中接點(diǎn)相連接。側(cè)部驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括平行四邊形高架連桿越障機(jī)構(gòu)及前后側(cè)驅(qū)動(dòng)輪；平行四邊形高架連桿越障機(jī)構(gòu)由前后擺桿和上下連桿組成，兩擺桿、兩連桿分別平行，前后擺桿的上端分別與上連桿兩端相連接，擺桿的桿中接點(diǎn)分別與下連桿兩端相連接，擺桿的下端分別與前后側(cè)驅(qū)動(dòng)輪的輪軸相連接；上下連桿的中點(diǎn)分別與機(jī)器人車(chē)身側(cè)部相連接。后部支撐機(jī)構(gòu)包括支撐桿、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)及后支撐輪，支撐桿上端固接在機(jī)器人車(chē)身后部，下端通過(guò)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)與后支撐輪相連接。
在上述結(jié)構(gòu)中，所述各部件的長(zhǎng)度滿(mǎn)足以下關(guān)系上、下曲柄長(zhǎng)度均大于支撐架兩連接點(diǎn)間長(zhǎng)度的2倍，下曲柄長(zhǎng)度大于上曲柄長(zhǎng)度，前連桿上段長(zhǎng)度大于支撐架兩連接點(diǎn)間的長(zhǎng)度，前連桿的桿中接點(diǎn)到輪軸的距離大于前連桿上段長(zhǎng)度、并且大于前導(dǎo)向輪直徑；彈簧與上曲柄連接點(diǎn)至上曲柄與支撐架連接點(diǎn)之間的長(zhǎng)度大于上曲柄長(zhǎng)度的1/2，而彈簧與下曲柄連接點(diǎn)至下曲柄與支撐架連接點(diǎn)之間的長(zhǎng)度大于下曲柄長(zhǎng)度的3/5；前后擺桿的下段長(zhǎng)度大于側(cè)驅(qū)動(dòng)輪直徑的1/2，前后擺桿的上段長(zhǎng)度大于側(cè)驅(qū)動(dòng)輪直徑的1/4，上下連桿的長(zhǎng)度大于側(cè)驅(qū)動(dòng)輪直徑并且大于等于下連桿的離地高度；支撐桿的長(zhǎng)度大于后支撐輪直徑。
所述彈簧組件由彈簧固定架、彈簧調(diào)節(jié)架、彈簧伸縮軸和螺旋彈簧組成，其中彈簧調(diào)節(jié)架采用螺旋結(jié)構(gòu)安裝在彈簧伸縮軸的一端、彈簧固定架采用滑動(dòng)結(jié)構(gòu)安裝在彈簧伸縮軸的另一端，螺旋彈簧套裝在彈簧伸縮軸外、其兩端分別安裝在彈簧調(diào)節(jié)架及彈簧固定架上，彈簧固定架連接在一曲柄的桿中接點(diǎn)上，彈簧調(diào)節(jié)架所在的彈簧伸縮軸的端部連接在另一曲柄的桿中接點(diǎn)上。
所述前導(dǎo)向輪、側(cè)驅(qū)動(dòng)輪、后支撐輪均采用內(nèi)嵌式驅(qū)動(dòng)裝置，無(wú)刷電機(jī)及其減速機(jī)構(gòu)直接安裝于車(chē)輪內(nèi)部的輪軸上。
本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)巧妙。在機(jī)器人被動(dòng)越障過(guò)程中，雙曲柄越障機(jī)構(gòu)中的曲柄組件可以給前導(dǎo)向輪提供垂直方向上較大的運(yùn)動(dòng)范圍，同時(shí)彈簧組件具有保持前輪驅(qū)動(dòng)力和蓄能減震的作用；平行四邊形高架連桿越障機(jī)構(gòu)可以使前后側(cè)驅(qū)動(dòng)輪分別單獨(dú)攀越障礙并與地面始終保持良好的接觸，而且，車(chē)身重心的上升高度較小；后支撐輪則給車(chē)身提供支撐、盡量使車(chē)身保持平衡。本結(jié)構(gòu)在垂直方向上的越障高度至少可以達(dá)到車(chē)輪直徑的1.5倍，極大程度上提高了機(jī)器人的越障性能和穩(wěn)定性，從而使機(jī)器人能夠更好地適應(yīng)各種復(fù)雜的地面環(huán)境。


附圖1為本實(shí)用新型整體結(jié)構(gòu)示意圖。
附圖2為本實(shí)用新型在凹圓或凸圓不同情況下各車(chē)輪與工作面保持有效接觸的示意圖。
附圖3為本實(shí)用新型前部導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖。
附圖4為本實(shí)用新型側(cè)部驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖。
附圖5為本實(shí)用新型后部支撐機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖。
附圖6為本實(shí)用新型雙曲柄越障機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中某一瞬時(shí)回轉(zhuǎn)中心的示意圖。
附圖7為本實(shí)用新型前部導(dǎo)向機(jī)構(gòu)中雙曲柄越障機(jī)構(gòu)的各部件關(guān)系圖(左圖)以及力學(xué)模型示意圖(右圖)。
附圖8為本實(shí)用新型前部導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的彈簧(可調(diào)預(yù)緊力)示意圖。
附圖9為本實(shí)用新型的車(chē)輪內(nèi)嵌式驅(qū)動(dòng)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
附圖10為本實(shí)用新型攀越臺(tái)階類(lèi)障礙的過(guò)程示意圖。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合實(shí)例對(duì)本實(shí)用新型作詳細(xì)描述本實(shí)用新型的整體結(jié)構(gòu)如附圖1所示，為六輪越障車(chē)，車(chē)身前后各有一個(gè)車(chē)輪，兩側(cè)各有兩個(gè)車(chē)輪。設(shè)計(jì)思想要求在凹圓和凸圓的不同情況下，六個(gè)車(chē)輪都能與工作面保證有效接觸(參見(jiàn)附圖2)。本實(shí)用新型在機(jī)器人的前部采用雙曲柄越障機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)及前導(dǎo)向輪作為前部導(dǎo)向機(jī)構(gòu)，在機(jī)器人的兩側(cè)采用平行四邊形高架連桿越障機(jī)構(gòu)和前后側(cè)驅(qū)動(dòng)輪作為側(cè)部驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，在機(jī)器人的后部采用支撐桿、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)及后支撐輪作為后部支撐機(jī)構(gòu)。
由附圖3、4、5可知，雙曲柄越障機(jī)構(gòu)是由前連桿1、上曲柄4、下曲柄2、支撐架5和彈簧組件3構(gòu)成。上曲柄4和下曲柄2的兩端分別與前連桿1和支撐架5相連構(gòu)成不規(guī)則四邊形，彈簧組件3的兩端分別與上曲柄4和下曲柄2相連接，支撐架5的兩端固接在機(jī)器人車(chē)身前部的中軸線(xiàn)位置處、使車(chē)身左右平衡，支撐架隨機(jī)器人車(chē)身一同運(yùn)動(dòng)，前連桿1的下端安裝轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)6和前導(dǎo)向輪7。當(dāng)車(chē)輪處于水平運(yùn)動(dòng)的初始位置時(shí)，支撐架處于垂直位置。平行四邊形高架連桿越障機(jī)構(gòu)是由前擺桿9、后擺桿14和上連桿12、下連桿13組成，上下連桿的兩端分別與前后擺桿相連構(gòu)成平行四邊形，下連桿的中點(diǎn)10和上連桿的中點(diǎn)11處與機(jī)器人車(chē)身相連接，前側(cè)驅(qū)動(dòng)輪8和后側(cè)驅(qū)動(dòng)輪15分別安裝在前后擺桿的下端。當(dāng)前后側(cè)驅(qū)動(dòng)輪處于水平運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的初始位置時(shí)，上下連桿為水平方向、前后擺桿為豎直方向。后部支撐機(jī)構(gòu)中的支撐桿的上端固接在機(jī)器人車(chē)身后部、也應(yīng)位于中軸線(xiàn)位置處，支撐桿的下端安裝轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)和后支撐輪。
所述的前連桿、上下曲柄、支撐架以及上下連桿、前后擺桿之間的連接應(yīng)為鉸接方式，所述鉸接是指通過(guò)鉸鏈、銷(xiāo)軸等連接件將所需部件相互連接后，各部件均可沿著鉸接點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)，使雙曲柄機(jī)構(gòu)的不規(guī)則四邊形、高架連桿機(jī)構(gòu)的平行四邊形均可在其本身所構(gòu)成的豎直方向的四邊形平面上轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)車(chē)輪在該平面上位移自如。這將大大有利于提高機(jī)器人的越障能力。彈簧固定架和彈簧調(diào)節(jié)架與上下曲柄之間的連接也為鉸接方式。
如附圖6所示，將雙曲柄越障機(jī)構(gòu)與車(chē)輪作為一個(gè)整體進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)在攀越障礙過(guò)程中，雙曲柄越障機(jī)構(gòu)的瞬時(shí)回轉(zhuǎn)中心始終位于輪軸線(xiàn)下方，當(dāng)遇到障礙時(shí)，障礙對(duì)車(chē)輪所產(chǎn)生的外力使車(chē)輪自動(dòng)產(chǎn)生向上的運(yùn)動(dòng)分力Npy，從而形成有效的被動(dòng)越障功能(即運(yùn)動(dòng)輪的越障動(dòng)作不需要人為地進(jìn)行主動(dòng)控制，而是在遇到障礙時(shí)自動(dòng)形成)。
由附圖7可知，曲柄組件是不規(guī)則的四邊形機(jī)構(gòu)，因此組成四邊形的各部件的長(zhǎng)度決定了四邊形機(jī)構(gòu)的變形程度，由幾何分析可得以下參數(shù)α(A)=π2-A+φ]]>α(A)2＝b2+c2-2×b×c×cosαδ(A)=arccosa2+d2-e22×a×d]]>β(A)=arccosc2+a2-b22×c×a]]>ψ(A)＝δ+βξ(A)＝ψ-A其中，b為支撐架5上連接上曲柄4和下曲柄2的兩連接點(diǎn)之間的長(zhǎng)度，c為下曲柄2的長(zhǎng)度、即下曲柄2上兩連接點(diǎn)之間的距離，e為上曲柄4的長(zhǎng)度、即上曲柄4上兩連接點(diǎn)之間的距離，d為前連桿1上連接上曲柄4和下曲柄2的兩連接點(diǎn)之間的距離、即前連桿1的上端接點(diǎn)至桿中接點(diǎn)的長(zhǎng)度、亦即前連桿1的上段長(zhǎng)度，h為前連桿1上連接下曲柄2和車(chē)輪輪軸的兩連接點(diǎn)之間的距離、即前連桿1的下端接點(diǎn)至桿中接點(diǎn)的長(zhǎng)度、亦即前連桿1的下段長(zhǎng)度。
車(chē)輪輪軸中心(即圖7中P點(diǎn))相對(duì)地面的運(yùn)動(dòng)軌跡為H(A)=c×cos(A)+h×cos[ζ(A)]H0+c×sin(A)-h×sin[ζ(A)]]]>其中，H0為雙曲柄機(jī)構(gòu)安裝在機(jī)器人車(chē)身上的高度(即圖中下曲柄2與支撐架5的連接點(diǎn)的離地高度)。該高度應(yīng)大于所需要達(dá)到的最大越障高度。A為下曲柄與水平線(xiàn)的夾角(即圖7中的A角)。
由上式可知，越障過(guò)程中車(chē)輪輪軸中心垂直方向所能夠達(dá)到的最大值H(A)max應(yīng)大于機(jī)器人的最大越障高度。當(dāng)雙曲柄機(jī)構(gòu)中各部件的長(zhǎng)度(即圖7中的b，c，d，e，h)發(fā)生變化時(shí)，H(A)max會(huì)發(fā)生相應(yīng)的改變。在優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程中得知，當(dāng)各部件的長(zhǎng)度滿(mǎn)足以下關(guān)系c＞2b，e＞2b，c＞e，d＞b，h＞d并且h大于運(yùn)動(dòng)輪直徑時(shí)，便可得到比較理想的最大越障高度。
對(duì)于平行四邊形高架連桿越障機(jī)構(gòu)，在具體設(shè)計(jì)時(shí)，下連桿的離地高度(即擺桿的桿中接點(diǎn)至地面的距離)應(yīng)選擇機(jī)器人車(chē)身所需跨越尖銳障礙及臺(tái)階類(lèi)障礙的最大高度，至少應(yīng)大于車(chē)輪直徑；此時(shí)擺桿下段的長(zhǎng)度(即擺桿的桿中接點(diǎn)至下端接點(diǎn)的距離)至少應(yīng)大于車(chē)輪半徑。上連桿的離地高度應(yīng)與車(chē)身的高度相適應(yīng)，通常為車(chē)身的最大高度，不過(guò)，上下連桿之間的距離(即擺桿的桿中接點(diǎn)至上端接點(diǎn)的距離、亦即擺桿上段的長(zhǎng)度)至少應(yīng)大于車(chē)輪輪徑的1/4，以免影響平行四邊形的運(yùn)動(dòng)。上下連桿的長(zhǎng)度應(yīng)保證前后兩輪之間的運(yùn)動(dòng)不相互干擾，并且當(dāng)平行四邊形變形時(shí)，在不受其它條件干涉影響的情況下，兩輪之間的高度差大于所需要的越障高度(參見(jiàn)圖10-c)；所以，連桿的長(zhǎng)度應(yīng)大于車(chē)輪輪徑并且大于等于下連桿的離地高度，否則越障高度會(huì)受到兩者中較小值的限制。
對(duì)于后部支撐機(jī)構(gòu)而言，支撐桿的長(zhǎng)度應(yīng)大于后支撐輪半徑，以不影響后支撐輪的運(yùn)動(dòng)，后支撐輪與車(chē)身之間的距離應(yīng)利于保持車(chē)身前后平衡、不易傾覆。
在雙曲柄機(jī)構(gòu)中安裝彈簧，可以在不規(guī)則四邊形的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中使彈簧處于壓縮狀態(tài)(上、下曲柄之間隨著四邊形的上下位移而出現(xiàn)相對(duì)運(yùn)動(dòng))，這樣機(jī)器人在越障過(guò)程中，由于彈簧的作用，前連桿下端就會(huì)產(chǎn)生向下的分力，使車(chē)輪緊緊貼在接觸面上，從而增大摩擦，保持驅(qū)動(dòng)力，有利于提高機(jī)器人的越障性能。此外，當(dāng)機(jī)器人從高處摔落的時(shí)候，由于彈簧系統(tǒng)的蓄能減震作用，可以使機(jī)器人免受損害，從一定程度上提高了機(jī)器人的穩(wěn)定性和可靠性。彈簧的安裝位置應(yīng)當(dāng)使彈簧在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中盡量保持較大的垂直分力，以使車(chē)輪對(duì)工作表面(即運(yùn)動(dòng)時(shí)所接觸的地面)的壓力足夠大。在優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程中得知，當(dāng)選取彈簧與上曲柄連接點(diǎn)至上曲柄與支撐架連接點(diǎn)之間的長(zhǎng)度Te大于上曲柄長(zhǎng)度e的1/2，而彈簧與下曲柄連接點(diǎn)至下曲柄與支撐架連接點(diǎn)之間的長(zhǎng)度Tc大于下曲柄長(zhǎng)度c的3/5時(shí)，效果較好。
參考附圖8，當(dāng)彈簧組件由彈簧固定架19、彈簧調(diào)節(jié)架16、彈簧伸縮軸17和螺旋彈簧18組成時(shí)，可以調(diào)節(jié)彈簧的預(yù)緊力，便于提供更加良好的驅(qū)動(dòng)力。螺旋彈簧套在彈簧伸縮軸外，彈簧一端安裝在彈簧調(diào)節(jié)架上、另一端安裝在彈簧固定架上，彈簧固定架與一曲柄(上曲柄或下曲柄)相連接，彈簧伸縮軸插在彈簧固定架中可自由滑動(dòng)，彈簧伸縮軸的另一端與另一曲柄相連接，彈簧調(diào)節(jié)架則以螺紋方式旋在彈簧伸縮軸上。當(dāng)上、下曲柄之間出現(xiàn)相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，彈簧可隨著彈簧伸縮軸的滑動(dòng)而伸縮。通過(guò)旋轉(zhuǎn)彈簧調(diào)節(jié)架，可以對(duì)彈簧的預(yù)緊力進(jìn)行調(diào)節(jié)，使彈簧在雙曲柄機(jī)構(gòu)的所有運(yùn)動(dòng)位置均處于壓縮狀態(tài)，并可根據(jù)接觸面的表面粗糙度選擇合適的壓縮量，這樣機(jī)器人在越障過(guò)程中，由于彈簧的作用，車(chē)輪就會(huì)緊緊貼在接觸面上，從而增大摩擦，有利于提高機(jī)器人的越障性能。
前連桿、前后擺桿、支撐桿的下端通過(guò)驅(qū)動(dòng)裝置與車(chē)輪輪軸相連接。在前連桿下端設(shè)置可沿水平面轉(zhuǎn)動(dòng)的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)6(如圖3中所示)，轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的平桿與前連桿固接、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的直桿與驅(qū)動(dòng)裝置固接、并且平桿與直桿之間相鉸接，使前導(dǎo)向輪可以在地面上任意轉(zhuǎn)向，起到導(dǎo)向的作用。當(dāng)設(shè)置轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)時(shí)，應(yīng)保證車(chē)輪的輪軸至前連桿與下曲柄連接點(diǎn)之間的長(zhǎng)度仍然為h，輪軸可位于連桿的延長(zhǎng)線(xiàn)上，也可位于連桿延長(zhǎng)線(xiàn)的垂線(xiàn)上(垂足至連桿與下曲柄連接點(diǎn)之間的長(zhǎng)度為h)。同樣，支撐桿下端與后支撐輪之間也設(shè)置轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，使后支撐輪可以在地面上任意轉(zhuǎn)向。
如附圖9，各車(chē)輪的驅(qū)動(dòng)宜采用內(nèi)嵌式驅(qū)動(dòng)裝置，即驅(qū)動(dòng)裝置放置在車(chē)輪的內(nèi)部、直接安裝在輪軸上，既節(jié)省了空間，又避免驅(qū)動(dòng)裝置對(duì)攀爬障礙造成影響。普通的直流電機(jī)通常體積較大，即使安放在車(chē)輪內(nèi)部，因電機(jī)軸較長(zhǎng)，會(huì)伸出車(chē)輪外部形成阻礙，當(dāng)車(chē)輪跨越障礙時(shí)容易發(fā)生干涉，影響越障效果。為此，本實(shí)用新型采用了無(wú)刷電機(jī)。無(wú)刷電機(jī)體積小，電機(jī)本身及其減速裝置可同時(shí)置于車(chē)輪內(nèi)部，不需要額外的傳動(dòng)裝置，大大減小了對(duì)設(shè)計(jì)空間的需求。
附圖10顯示了本實(shí)用新型實(shí)際越障過(guò)程中(例如攀爬臺(tái)階類(lèi)障礙時(shí))各部分的變形狀況。各輪在攀爬的過(guò)程中受到支持力和摩擦力的作用，支持力垂直接觸面并指向車(chē)輪，摩擦力的方向?yàn)檐?chē)輪與地面接觸點(diǎn)速度的反方向。
由于前部雙曲柄越障機(jī)構(gòu)的瞬時(shí)回轉(zhuǎn)中心設(shè)計(jì)在前輪的軸線(xiàn)下面，當(dāng)?shù)竭_(dá)臺(tái)階邊緣時(shí)，前導(dǎo)向輪受到臺(tái)階側(cè)壁的阻力時(shí)自動(dòng)產(chǎn)生向上的運(yùn)動(dòng)分力，雙曲柄四邊形機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)變形，前連桿將向上抬起，前導(dǎo)向輪逐漸沿著臺(tái)階側(cè)壁上升，其余五輪作為驅(qū)動(dòng)輪依然驅(qū)動(dòng)機(jī)器人向前運(yùn)動(dòng)(參見(jiàn)附圖10-a、b)。直到前導(dǎo)向輪搭上臺(tái)階上表面以后，前導(dǎo)向輪下緣與臺(tái)階面接觸，則前導(dǎo)向輪轉(zhuǎn)化為驅(qū)動(dòng)輪，此時(shí)車(chē)體在六輪驅(qū)動(dòng)下前進(jìn)。
當(dāng)側(cè)部平行四邊形機(jī)構(gòu)的前側(cè)驅(qū)動(dòng)輪與臺(tái)階側(cè)壁接觸時(shí)，在本身驅(qū)動(dòng)力的牽引下，同樣產(chǎn)生向上的摩擦力、逐漸沿著臺(tái)階側(cè)壁上升，形成有效的被動(dòng)越障作用；在此過(guò)程中，平行四邊形機(jī)構(gòu)整體變形，保證后輪依然與地面有良好接觸。除前側(cè)驅(qū)動(dòng)輪外，其他各驅(qū)動(dòng)輪繼續(xù)推動(dòng)機(jī)器人整體向前運(yùn)動(dòng)。由于與機(jī)器人車(chē)身的連接點(diǎn)位于上下連桿的中間，所以連接點(diǎn)的上升高度僅為前側(cè)驅(qū)動(dòng)輪上升高度的一半，亦即車(chē)身整體重心的上升高度僅為采用固定連桿機(jī)構(gòu)時(shí)的一半，有效保證機(jī)器人本體的平穩(wěn)性。
當(dāng)平行四邊形機(jī)構(gòu)的前側(cè)驅(qū)動(dòng)輪搭上臺(tái)階上沿后，即轉(zhuǎn)化為驅(qū)動(dòng)輪，帶動(dòng)其后側(cè)驅(qū)動(dòng)輪逐漸靠近臺(tái)階側(cè)壁，同樣沿著臺(tái)階側(cè)壁攀上臺(tái)階(參見(jiàn)附圖10-c、d)。平行四邊形隨著工作面的變化而變形，保證了平行四邊形機(jī)構(gòu)的前后側(cè)輪與工作面的有效接觸，從而保證足夠的驅(qū)動(dòng)力。
當(dāng)平行四邊形機(jī)構(gòu)整個(gè)攀登上臺(tái)階以后，平行四邊形機(jī)構(gòu)連接的雙輪與地面的壓力較大，平行四邊形機(jī)構(gòu)的變形保證了壓力在平行四邊形機(jī)構(gòu)的雙輪和車(chē)體前導(dǎo)向輪之間合理的分布，保證了各輪與地面的良好接觸，帶動(dòng)車(chē)體后支撐輪攀登上臺(tái)階(參見(jiàn)附圖10-d)。
本實(shí)用新型具體實(shí)施例為設(shè)計(jì)目標(biāo)為能攀越1.5倍輪高的臺(tái)階類(lèi)障礙。機(jī)器人的車(chē)身、越障機(jī)構(gòu)、車(chē)輪等均由強(qiáng)度高、質(zhì)量輕的硬鋁12制成。各車(chē)輪輪徑取110mm。雙曲柄機(jī)構(gòu)中的參數(shù)為b＝50mm，c＝120mm，d＝70mm，e＝110mm，h＝180mm，H0＝170mm，Tc＝85mm，Te＝65mm。彈簧絲徑為1mm，簧徑為15mm，彈簧自由長(zhǎng)度為45mm，有效圈數(shù)為7。高架連桿機(jī)構(gòu)中下連桿高度為170mm，上連桿高度為210mm，即擺桿下段的長(zhǎng)度為115mm、擺桿上段的長(zhǎng)度為40mm，連桿的長(zhǎng)度為180mm。各部件之間的連接件為耐磨材質(zhì)(例如40Cr加銅套)的轉(zhuǎn)動(dòng)鉸鏈。無(wú)刷電機(jī)的型號(hào)為MAXON200188，減速裝置的減速比為1∶62.5。機(jī)器人整體的實(shí)際越障高度至少可以達(dá)到170mm(大于車(chē)輪輪徑的1.5倍)。
權(quán)利要求1.一種高機(jī)動(dòng)被動(dòng)式越障機(jī)器人，其特征在于機(jī)器人整體由車(chē)身、前部導(dǎo)向機(jī)構(gòu)、側(cè)部驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)以及后部支撐機(jī)構(gòu)組成；其中前部導(dǎo)向機(jī)構(gòu)包括雙曲柄越障機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)及前導(dǎo)向輪；雙曲柄越障機(jī)構(gòu)由曲柄組件和彈簧組件組成，曲柄組件包括前連桿、上下曲柄和支撐架，彈簧組件為螺旋彈簧；支撐架固接在機(jī)器人車(chē)身前部；上下曲柄的一端分別與支撐架兩端連接、另一端分別與前連桿上端及其桿中接點(diǎn)相連接；前連桿下端通過(guò)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)與前驅(qū)動(dòng)輪輪軸相連接；彈簧的兩端分別與上、下曲柄的桿中接點(diǎn)相連接；側(cè)部驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括平行四邊形高架連桿越障機(jī)構(gòu)及前后側(cè)驅(qū)動(dòng)輪；平行四邊形高架連桿越障機(jī)構(gòu)由前后擺桿和上下連桿組成，兩擺桿、兩連桿分別平行，前后擺桿的上端分別與上連桿兩端相連接，擺桿的桿中接點(diǎn)分別與下連桿兩端相連接，擺桿的下端分別與前后側(cè)驅(qū)動(dòng)輪的輪軸相連接；上下連桿的中點(diǎn)分別與機(jī)器人車(chē)身側(cè)部相連接；后部支撐機(jī)構(gòu)包括支撐桿、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)及后支撐輪，支撐桿上端固接在機(jī)器人車(chē)身后部，下端通過(guò)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)與后支撐輪輪軸相連接。
2.如權(quán)利要求1所述的高機(jī)動(dòng)被動(dòng)式越障機(jī)器人，其特征在于所述各部件的長(zhǎng)度滿(mǎn)足以下關(guān)系上、下曲柄長(zhǎng)度均大于支撐架兩連接點(diǎn)間長(zhǎng)度的2倍，下曲柄長(zhǎng)度大于上曲柄長(zhǎng)度，前連桿上段長(zhǎng)度大于支撐架兩連接點(diǎn)間的長(zhǎng)度，前連桿的桿中接點(diǎn)到輪軸的距離大于前連桿上段長(zhǎng)度、并且大于前導(dǎo)向輪直徑；彈簧與上曲柄連接點(diǎn)至上曲柄與支撐架連接點(diǎn)之間的長(zhǎng)度大于上曲柄長(zhǎng)度的1/2，而彈簧與下曲柄連接點(diǎn)至下曲柄與支撐架連接點(diǎn)之間的長(zhǎng)度大于下曲柄長(zhǎng)度的3/5；前后擺桿的下段長(zhǎng)度大于側(cè)驅(qū)動(dòng)輪直徑的1/2，前后擺桿的上段長(zhǎng)度大于側(cè)驅(qū)動(dòng)輪直徑的1/4，上下連桿的長(zhǎng)度大于側(cè)驅(qū)動(dòng)輪直徑并且大于等于下連桿的離地高度；支撐桿的長(zhǎng)度大于后支撐輪直徑。
3.如權(quán)利要求1或2所述的高機(jī)動(dòng)被動(dòng)式越障機(jī)器人，其特征在于所述彈簧組件由彈簧固定架、彈簧調(diào)節(jié)架、彈簧伸縮軸和螺旋彈簧組成，其中彈簧調(diào)節(jié)架采用螺旋結(jié)構(gòu)安裝在彈簧伸縮軸的一端、彈簧固定架采用滑動(dòng)結(jié)構(gòu)安裝在彈簧伸縮軸的另一端，螺旋彈簧套裝在彈簧伸縮軸外、其兩端分別安裝在彈簧調(diào)節(jié)架及彈簧固定架上，彈簧固定架連接在一曲柄的桿中接點(diǎn)上，彈簧調(diào)節(jié)架所在的彈簧伸縮軸的端部連接在另一曲柄的桿中接點(diǎn)上。
4.如權(quán)利要求1或2所述的高機(jī)動(dòng)被動(dòng)式越障機(jī)器人，其特征在于所述前導(dǎo)向輪、側(cè)驅(qū)動(dòng)輪、后支撐輪均采用內(nèi)嵌式驅(qū)動(dòng)裝置，無(wú)刷電機(jī)及其減速機(jī)構(gòu)直接安裝于車(chē)輪內(nèi)部的輪軸上。
專(zhuān)利摘要本實(shí)用新型是一種高機(jī)動(dòng)被動(dòng)式越障機(jī)器人。機(jī)器人前部采用雙曲柄越障機(jī)構(gòu)帶動(dòng)前導(dǎo)向輪作為前部導(dǎo)向機(jī)構(gòu)，機(jī)器人的兩側(cè)采用平行四邊形高架連桿越障機(jī)構(gòu)帶動(dòng)前后側(cè)驅(qū)動(dòng)輪作為側(cè)部驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，機(jī)器人的后部采用支撐桿帶動(dòng)后支撐輪作為后部支撐機(jī)構(gòu)。車(chē)身前部雙曲柄機(jī)構(gòu)可以給前導(dǎo)向輪提供垂直方向上更為廣闊的運(yùn)動(dòng)范圍，并具有蓄能和減震的作用。車(chē)身側(cè)面高架連桿平行四邊形機(jī)構(gòu)可以保證側(cè)面前后兩車(chē)輪與地面始終保持良好接觸，機(jī)器人在攀越小型障礙時(shí)，各輪可以分別攀越，從而保證了整個(gè)機(jī)構(gòu)平穩(wěn)越障。此時(shí)機(jī)器人的車(chē)身傾斜度僅為普通車(chē)型的一半。本實(shí)用新型大大提高了機(jī)器人綜合越障性能，在垂直方向上的越障高度至少可以達(dá)到車(chē)輪直徑的1.5倍。
文檔編號(hào)B25J5/02GK2673583SQ20042002471
公開(kāi)日2005年1月26日 申請(qǐng)日期2004年2月16日 優(yōu)先權(quán)日2004年2月16日
發(fā)明者楊杰, 汪增福, 杜華生, 許旻, 吳月華, 馮志華, 李永新, 王建平, 楊棟, 盧永奎, 鄭志剛 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)