专利名称：一种可对接的履带式移动机器人的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种履带式机器人，更特别地说，是指一种小型化可对接的履带式移动机器人。本发明机器人结构能够实现将多个所述机器人进行自动对接组合构成一个体系机器人完成不同环境条件的任务，同时也能够将一个体系机器人进行自动分离开，执行多个相同指令条件下的任务。
背景技术：
小型移动机器人因结构紧凑、重量轻、易于携带、功耗小等优点，在军事、探险、宇航等领域得到了越来越多的应用。当小型移动机器人工作于野外环境中，要面对比室内机器人更为复杂的地形地貌，运行时的冲击振动更为明显，获得的人工干预更少，因此，小型野外机器人的结构应当具有适应小型化和复杂地形的特点，以及更高的整体可靠性。
目前，已有的小型野外移动机器人通常采用可变形的机体结构来提高机器人对复杂地形的适应能力。如美国Remotec公司的小型机器人Andros、美国卡内基·梅隆大学(CMU)机器人研究所研制的Urbie、美国喷气推进实验室(JPL)研制的GO-FOR机器人、“火星漫游者”、上海大学研制的自位机器人SRR-II等。但是，现有小型野外移动机器人通常没有在结构中设计独立的悬挂装置，以减小行走时冲击振动的影响，因此，通常不能快速移动。同时，由于机器人采用不可拆分的一体化结构，出现故障后，不具备自修复的能力，相对室内移动机器人而言，不具备更高的可靠性。
发明内容
本发明的目的是提供一种可对接的履带式移动机器人，该机器人通过等效球铰机构和对接卡紧机构的配合使用能够实现多体自主对接、分离，具备自修复能力，并对对接后的体系机器人能够完成相一致的姿态调整，具备适应复杂地形和翻倒后自复位功能的小型野外移动机器人。
本发明是一种可对接的履带式移动机器人，由等效球铰机构、前连接件、后连接件、右支撑履带机构、左支撑履带机构和对接卡紧机构组成，右支撑履带机构结构与左支撑履带机构结构对称相同，前连接件的左底板与左支撑履带机构的前连接板固定，前连接件的右底板与右支撑履带机构的前连接板固定，前连接件的上顶板与等效球铰机构的球铰底座固定；后连接件的左底板与左支撑履带机构的后连接板固定，后连接件的右底板与右支撑履带机构的后连接板固定，后连接件的上顶板与对接卡紧机构的支撑座背部通过后面板固定。
本发明可对接的履带式移动机器人在执行作业任务时，机器人可根据任务需求使车体(由三个以上本发明的可对接的履带式移动机器人对接组合而成)之间分离或对接，即能实现多车体分体独立运行，又能抛弃损坏车体，对接新的完好车体，实现自修复；在多车体对接完成后，可通过对车体间姿态调整电机(翻滚电机、俯仰电机和偏航电机)的控制，变换机器人的姿态，以适应不同的环境，实现翻倒后的自复位。
本发明可对接的履带式移动机器人的优点在于(1)采用弹性支撑履带机构作为机器人的减震装置，有效地减轻了在颠簸地面上机器人运行时的振动；(2)对接卡紧机构的独立设计，实现了车体之间的对接和分离，使机器人能够自动抛弃损坏车体，具备自修复能力；(3)等效球铰机构的独立设计，在多车体对接后能实现车体之间的姿态调整，以适应不同任务对机器人构型的需求，同时也增强了对野外环境的适应性；(4)四个驱动组件实现了小型野外移动机器人的弹性缓冲结构；以相同配置的模块化机器人车体为基础，实现了多车体的自主对接和分离，使机器人具备更高的结构冗余性，提高了灵活性和可靠性。
图1是本发明机器人的整体结构图。
图2是前连接件的结构图。
图2A是后连接件的结构图。
图3是等效球铰机构结构图。
图3A是等效球铰机构的连接构件简图。
图3B是对接头组件结构图。
图4是对接卡紧机构结构图。
图4A是支撑座结构图。
图4B是图4A的后视图。
图5是右支撑履带机构结构图。
图5A是图5的后视图。
图5B是四个驱动组件与后支撑板的装配图。
图5C是驱动组件爆炸视图。
图6是三个机器人对接后完成180度自复位动作的动作序列图。
图中 1.等效球铰机构 101.球铰底座 102.翻滚座 121.左面板122.底面板 123.后面板 103.U形座104.第一弧形杆 105.第二弧形杆106.对接头组件 161.锥形接头 162.锥座 163.圆柱164.纵向铰链165.横向铰链107.通孔 108.前通孔 109.后通孔 110.偏航电机111.翻滚电机112.俯仰电机 113.铰链 2.前连接件 201.右底板202.左底板 203.上顶板 3.右支撑履带机构 301.前支撑板302.履带303.后支撑板 304.前连接板 305.后连接板306.驱动组件A307.驱动组件B 308.驱动组件C381.驱动轮 382.轮毂电机383.摆动臂384.左挡圈 385.右挡圈 386.通孔 387.电机轴 309.驱动组件D310.摆动轴 311.扭力弹簧 312.挡柱 4.后连接件 401.右底板402.左底板 403.上顶板 5.对接卡紧机构 501.电机齿轮502.丝杠503.丝杠齿轮504.左定位块 505.右定位块 506.卡紧电机507.支撑座571.T形后梁 572.凹槽 573.T形前梁 574.锥形孔 575.后面板576.前面板 508.右十字滑块509.左十字滑块6.左支撑履带机构 7.前车体 8.中间车体 9.后车体具体实施方式
下面将结合附图对本发明作进一步的详细说明。
参见图1所示，本发明是一种可对接的履带式移动机器人，是由等效球铰机构1、前连接件2、后连接件4、右支撑履带机构3、左支撑履带机构6和对接卡紧机构5组成，右支撑履带机构3结构与左支撑履带机构6结构对称相同，(参见图2所示)前连接件2的左底板202与左支撑履带机构6的前连接板固定，前连接件2的右底板201与右支撑履带机构3的前连接板304固定，前连接件2的上顶板203与等效球铰机构1的球铰底座101固定；(参见图2A所示)后连接件4的左底板402与左支撑履带机构6的后连接板固定，后连接件4的右底板401与右支撑履带机构3的后连接板305固定，后连接件4的上顶板403与对接卡紧机构5的支撑座507背部通过后面板575固定。本发明可对接的履带式移动机器人等效球铰机构1的翻滚回转中心线与对接卡紧机构5的中心线，以及机器人本体的中心线重合。
一、等效球铰机构1(参见图3、图3A、图3B所示)本发明等效球铰机构1是具有三个转动自由度的主动球铰。等效球铰机构1由三个电机、一个对接头组件106和相关连接构件组成，三个电机是指偏航电机110、翻滚电机111和俯仰电机112。翻滚电机111安装在球铰底座101上，翻滚电机111的输出轴与翻滚座102的左面板121固定；俯仰电机112安装在翻滚座102的后面板123上，俯仰电机112的输出轴穿过后面板123上的一通孔与第二弧形杆105的一端连接，第二弧形杆105的另一端通过铰链113与第一弧形杆104一端连接；偏航电机110安装在翻滚座102的底面板122上，偏航电机110的输出轴穿过底面板122上的一通孔107与U形座103连接；对接头组件106通过圆柱163上的纵向铰链164与第一弧形杆104另一端连接(纵向铰链164回转中心线与偏航电机110轴线重合)，对接头组件106通过圆柱163上的横向铰链165与U形座103的前通孔108和后通孔109连接。对接头组件106为一体成型件，其一端为圆柱163，圆柱163的端部开设有纵向和横向通孔，圆柱163的另一端是锥座162，锥座162端部为锥形接头161。将多个本发明机器人进行组合对接时，前一个机器人的锥形接头将插入后一个机器人的对接卡紧机构的锥形孔中，通过左十字滑块与左定位块，右十字滑块与右定位块的配合使用(参见图4所示)，在卡紧电机经齿轮带动丝杠运动的条件下，从而带动左十字滑块、右十字滑块相对运动来卡紧锥形接头。
装配完成的等效球铰机构1，其上的翻滚电机111、俯仰电机112和偏航电机110的轴线两两相互垂直，且交于空间一点。通过控制上述三个电机的转动，即可实现对接头组件106绕空间坐标系三轴的旋转。
二、右支撑履带机构3(参见图5、图5A、图5B、图5C所示)本发明左支撑履带机构6与右支撑履带机构3结构对称相同，右支撑履带机构3由四个驱动组件、履带302、前支撑板301、后支撑板303和四个摆动轴组成，这四个驱动组件每两个一组，放置位置相互平行，用于支撑起围绕在其外侧的履带302，其安装位置使得履带302上端长，下端短，保证了机器人机体具有一定接近角和离去角，有效地提高了越障能力。四个驱动组件是指驱动组件A 306、驱动组件B 307、驱动组件C 308和驱动组件D 309，这四个驱动组件的结构相同，分别通过各自的摆动轴安装在前支撑板和后支撑板之间，摆动轴的一端套接有扭力弹簧。下面以驱动组件C 308(参见图5B所示)的安装关系进行说明摆动轴310的一端穿过驱动组件C 308的通孔386后套接一扭力弹簧311后固定在后支撑板303上，扭力弹簧311的一端与挡柱312固定；摆动轴310的另一端固定在前支撑板301上。扭力弹簧311产生的扭力使摆动轴310向外侧展开，以缓冲来自驱动轮381的冲击载荷。
右支撑履带机构3的后支撑板303的外侧面板上设有前连接板304、后连接板305(前连接板304和后连接板305分别固定在前连接件2和后连接件4上，实现右支撑履带机构3与前连接件2和后连接件4的连接关系)。在本发明中，前支撑板301和后支撑板303为梯形结构；前支撑板301和后支撑板303上分别开设有供摆动轴固定的安装孔，通过在前支撑板301和后支撑板303上设定所述安装孔就确定了四个驱动组件的安装位置关系。
在本发明中，涉及的四个摆动轴与扭力弹簧的连接关系，摆动轴上套接有一个驱动组件，通过驱动轮与履带302的柔性连接带动履带302运动，从而使右支撑履带机构3向前或向后运动。
参见图5C所示，驱动组件C 308的驱动轮381固定在轮毂电机382的轮毂上，电机轴387的两端分别套接有左挡圈384和右挡圈385，左挡圈384和右挡圈385同摆动臂383一端连接，摆动臂383另一端的通孔386内套接有摆动轴310。
三、对接卡紧机构5(参见图4、图4A、图4B所示)本发明对接卡紧机构5当卡紧电机506轴旋转时，即可通过丝杠502驱动左十字滑块509、右十字滑块508张开或卡紧，以放开或锁紧另一机器人上的等效球铰机构的对接头组件的锥形接头。支撑座507上设有的锥形孔574，其锥度和深度与锥形接头161的锥度和高度相等；当实行对接时，可通过左定位块504、右定位滑块505的斜面和支撑座507的锥形孔574，导引锥形接头161进入锁紧位置。
对接卡紧机构5的支撑座507为一体成型件，是对接卡紧机构5的基座，其中心位置开设有锥形孔574，其上端设有T形后梁571、T形前梁573，T形后梁571与T形前梁573之间开有凹槽572(供丝杠502运动)；T形后梁571与T形前梁573的左端卡合有左十字滑块509，左十字滑块509一侧面与三角形左定位块504的底边固定连接，左定位块504的底边位于前面板576的左侧且底边边线与锥形孔574的孔边重合；T形后梁571与T形前梁573的右端卡合有右十字滑块508，右十字滑块508一侧面与三角形右定位块505的底边固定连接，右定位块505的底边位于前面板576的右侧且底边边线与锥形孔574的孔边重合；卡紧电机506固定在支撑座507的后面板575上，卡紧电机506的输出轴上连接有电机齿轮501；丝杠502一端通过螺纹连接在右十字滑块508上，丝杠502另一端穿过左十字滑块509后固定在丝杠齿轮503上，且左十字滑块509与丝杠502螺纹连接，电机齿轮501与丝杠齿轮503啮合。左十字滑块509与左定位块504的连接和右十字滑块508与右定位块505的连接，实现了当卡紧电机506带动丝杠502左右旋转时，与其螺纹连接的左十字滑块509、右十字滑块508会相对运动使左定位块504、右定位块505收紧和放开，达到将另一个机器人的对接头组件卡紧或松开。
参见图6所示，将三个本发明机器人结构进行组合对接后，利用多机体结构的可扩充性和姿态的多样性，本发明涉及的可对接履带式机器人能够实现一些高度灵活的动作。下面以三个机器人组合对接的机体结构翻倒后的自复位动作、翻越高台阶动作和爬楼梯动作为例进行说明。
(A)中间车体8和后车体9的俯仰电机动作，将前车体7和后车体9抬起45度；(B)后车体9的翻滚电机动作，将后车体9绕自身轴线旋转180度；(C)中间车体8的三个姿态调整电机(翻滚电机、俯仰电机、偏航电机)协调动作，将前车体7绕自身轴线旋转180度；(D)中间车体8和后车体9的俯仰电机动作，将前车体7和后车体9放平；(E)中间车体8和后车体9的俯仰电机动作，将中间车体抬起40度；(F)中间车体8的翻滚电机动作，后车体9的三个姿态调整电机做跟随转动，将中间车体8绕自身轴线旋转180度；(G)中间车体8和后车体0的俯仰电机动作，将中间车体8放平，完成180度自复位过程。
如果上述的三个机器人车体的翻倒角度为90度，其自复位动作过程同上类似。另外，其中一个机器人在运行过程中出现翻倒，其它两个机器人可以与其对接，然后协助翻倒其车体完成自复位动作。
利用本发明机器人结构，通过对多个机器人组合对接后构成一个能够完成翻越高台阶动作(可以翻越远大于自身越障高度的障碍，同样，也可完成攀爬连续台阶的动作)、通过狭窄通道动作(能够协调动作，利用单车体高度小于宽度的特点，穿过狭窄通道)的机器人系统或者是机器人车体群。
权利要求
1.一种可对接的履带式移动机器人，其特征在于由等效球铰机构(1)、前连接件(2)、后连接件(4)、右支撑履带机构(3)、左支撑履带机构(6)和对接卡紧机构(5)组成，右支撑履带机构(3)结构与左支撑履带机构(6)结构对称相同，前连接件(2)的左底板(202)与左支撑履带机构(6)的前连接板固定，前连接件(2)的右底板(201)与右支撑履带机构(3)的前连接板(304)固定，前连接件(2)的上顶板(203)与等效球铰机构(1)的球铰底座(101)固定；后连接件(4)的左底板(402)与左支撑履带机构(6)的后连接板固定，后连接件(4)的右底板(401)与右支撑履带机构(3)的后连接板(305)固定，后连接件(4)的上顶板(403)与对接卡紧机构(5)的支撑座(507)背部通过后面板(575)固定；所述等效球铰机构(1)的翻滚电机(111)安装在球铰底座(101)上，翻滚电机(111)的输出轴与翻滚座(102)的左面板(121)固定；俯仰电机(112)安装在翻滚座(102)的后面板(123)上，俯仰电机(112)的输出轴穿过后面板(123)上的一通孔与第二弧形杆(105)的一端连接，第二弧形杆(105)的另一端通过铰链(113)与第一弧形杆(104)一端连接；偏航电机(110)安装在翻滚座(102)的底面板(122)上，偏航电机(110)的输出轴穿过底面板(122)上的一通孔(107)与U形座(103)连接；对接头组件(106)通过圆柱(163)上的纵向铰链(164)与第一弧形杆(104)另一端连接，对接头组件(106)通过圆柱(163)上的横向铰链(165)与U形座(103)的前通孔(108)和后通孔(109)连接；对接头组件(106)为一体成型件，其一端为圆柱(163)，圆柱(163)的端部开设有纵向和横向通孔，圆柱(163)的另一端是锥座(162)，锥座(162)端部为锥形接头(161)；所述右支撑履带机构(3)由驱动组件A(306)、驱动组件B(307)、驱动组件C(308)、驱动组件D(309)、履带(302)、前支撑板(301)、后支撑板(303)和四个摆动轴组成，驱动组件A(306)和驱动组件B(307)放置在下方，驱动组件C(308)和驱动组件D(309)放置在上方，且这四个驱动组件相互平行，这四个驱动组件分别通过四个摆动轴安装在前支撑板(301)与后支撑板(303)上，且摆动轴的一端磁接一扭力弹簧；前支撑板(301)和后支撑板(303)为梯形结构，其面板上开设有供摆动轴固定的安装孔，后支撑板(303)的外侧面板上设有前连接板(304)、后连接板(305)；驱动组件C(308)的驱动轮(381)固定在轮毂电机(382)的轮毂上，电机轴(387)的两端分别套接有左挡圈(384)和右挡圈(385)，左挡圈(384)和右挡圈(385)同摆动臂(383)一端连接，摆动臂(383)另一端的通孔(386)内套接有摆动轴(310)；所述对接卡紧机构(5)的支撑座(507)为一体成型件，是对接卡紧机构(5)的基座，其中心位置开设有锥形孔(574)，其上端设有T形后梁(571)、T形前梁(573)，T形后梁(571)与T形前梁(573)之间开设有凹槽(572)；T形后梁(571)与T形前梁(573)的左端卡合有左十字滑块(509)，左十字滑块(509)一侧面与三角形左定位块(504)的底边固定连接，左定位块(504)的底边位于前面板(576)的左侧且底边边线与锥形孔(574)的孔边重合；T形后梁(571)与T形前梁(573)的右端卡合有右十字滑块(508)，右十字滑块(508)一侧面与三角形右定位块(505)的底边固定连接，右定位块(505)的底边位于前面板(576)的右侧且底边边线与锥形孔(574)的孔边重合；卡紧电机(506)固定在支撑座(507)的后面板(575)上，卡紧电机(506)的输出轴上连接有电机齿轮(501)；丝杠(502)一端通过螺纹连接在右十字滑块(508)上，丝杠(502)另一端穿过左十字滑块(509)后固定在丝杠齿轮(503)上，且左十字滑块(509)与丝杠(502)螺纹连接，电机齿轮(501)与丝杠齿轮(503)啮合。
2.根据权利要求1所述的可对接的履带式移动机器人，其特征在于纵向铰链(164)回转中心线与偏航电机(110)轴线重合。
3.根据权利要求1所述的可对接的履带式移动机器人，其特征在于对接卡紧机构(5)的卡紧电机(506)是直流电机。
4.根据权利要求1所述的可对接的履带式移动机器人，其特征在于等效球铰机构(1)的翻滚电机(111)、俯仰电机(112)和偏航电机(110)是直流电机。
5.根据权利要求1所述的可对接的履带式移动机器人，其特征在于通过对接卡紧机构(5)与另一个履带式移动机器人的等效球铰机构(1)的对接能够将多个履带式移动机器人组合成一个机器人车体群。
全文摘要
本发明公开了一种可对接的履带式移动机器人，由等效球铰机构、前连接件、后连接件、右支撑履带机构、左支撑履带机构和对接卡紧机构组成，右支撑履带机构结构与左支撑履带机构结构对称相同，前连接件的左底板与左支撑履带机构的前连接板固定，前连接件的右底板与右支撑履带机构的前连接板固定，前连接件的上顶板与等效球铰机构的球铰底座固定；后连接件的左底板与左支撑履带机构的后连接板固定，后连接件的右底板与右支撑履带机构的后连接板固定，后连接件的上顶板与对接卡紧机构的支撑座背部通过后面板固定。单个本发明机器人机构既能独立运行，又能通过对接卡紧机构与另一个机器人的等效球铰机构连接，组成一个多车体的机器人车体群。其功能表现为，在平坦路面下，机器人能以单车体进行独立运动；在复杂路面下，或需要完成高难度动作时，机器人能利用对接卡紧机构组合成多车体机器人结构，利用等效球铰机构实现翻越高障碍或楼梯、穿过狭窄通道、越过大宽度沟堑等动作，并能完成机器人翻倒后的自复位。
文档编号B25J11/00GK1861332SQ20061008931
公开日2006年11月15日 申请日期2006年6月19日 优先权日2006年6月19日
发明者王巍, 宗光华, 邓志诚 申请人:北京航空航天大学