机器人脚轮及行走机器人的制作方法

文档序号:14398544

本实用新型属于智能机器人技术领域,具体涉及一种机器人脚轮及行走机器人。



背景技术:

全方位轮式移动机器人在二维平面内具有三个自由度,可在平面内沿任意方向同时作平动和转动,具备在不改变车体姿态的情况下实现向任意方向移动的能力,非常适合应用于空间狭窄或者对机器人机动性要求高的场合,如工业中搬运小车机器人、全方位移动轮椅、物流递送智能车等。为了有效缓冲因地面不平整性对机器人车身造成的震动冲击,提高机器人运行的平稳性,目前大部分的移动机器人是在车身与全方位轮之间增加弹性减震装置,如:弹簧,或基于弹簧的减震装置。

专利号为CN106240673A的发明提出了一种移动搬运机器人及其控制方法,该专利中的移动搬运机器人包括车身、气动控制系统、全方位驱动轮模块和多个载重万向轮,气动控制系统和全方位驱动轮模块分别安装于车身,通过多个载重万向轮、全方位驱动轮模块以及气动控制系统相互配合完成移动搬运机器人的行走和转向过程。

虽然该专利申请能够很好的完成移动搬运机器人的行走和转向过程,但仍存在以下缺点:

1、只能够完成平面内的移动和转动,无法实现竖直方向的运动;

2、需要多个载重万向轮和全方位驱动轮模块共同配合完成移动和转向,结构复杂。



技术实现要素:

本实用新型的目的是为了解决上述存在的至少一个问题,该目的是通过以下技术方案实现的。

本实用新型提出了一种机器人脚轮,其中包括气动单元、连接座、转向单元、轮毂支架和轮毂电机,所述气动单元用于调整所述机器人脚轮的高度并设于所述连接座的顶部,所述转向单元、所述轮毂支架和所述轮毂电机依次设于所述连接座的底部,所述轮毂支架的上端穿过所述转向单元并以能够转动的方式连接于所述连接座的内部,所述轮毂支架的下端与所述轮毂电机的输出轴相连,通过致动所述轮毂电机能够带动所述机器人脚轮进行移动,通过致动所述转向单元能够调整所述机器人脚轮的转向。

进一步地,所述气动单元为气缸。

进一步地,所述转向单元包括转向电机及与所述转向电机配合的蜗轮蜗杆减速机或涡轮减速机。

本实用新型还提出了一种行走机器人,包括上述所述的机器人脚轮,还包括底盘,所述底盘上均布有多个所述机器人脚轮,所述气动单元固定设于所述底盘的上方,所述气动单元的伸出端穿过所述底盘并与设于所述底盘下方的所述连接座相连接。

进一步地,所述行走机器人还包括储气罐和用于向所述气动单元供气的气泵,其中,所述气动单元为气缸,所述储气罐的储气量是所述气缸的气量的4-8倍。

进一步地,所述气泵采用直流无刷电机进行驱动。

进一步地,所述行走机器人还包括导向装置,所述导向装置包括导向杆和导向座,所述导向座固定设于所述底盘的上方,所述导向杆的一端穿过所述导向座和所述底盘并通过导向杆连接件与所述气缸的伸出端固定连接,所述气缸通过所述导向杆连接件与所述连接座相连接。

进一步地,所述行走机器人还包括导向杆固定座和气缸固定座,所述导向杆固定座设于所述导向杆的顶部,所述气缸固定座设于所述气缸的顶部。

进一步地,所述行走机器人还包括拖链和穿线筒,所述穿线筒的下端与所述导向杆连接件相连,所述穿线筒的上端与所述导向杆固定座相连,所述拖链的一端与所述穿线筒相连,所述拖链的另一端与所述气缸固定座相连

通过使用本实用新型所述的机器人脚轮及行走机器人,采用气动单元控制机器人脚轮的高度,能够为机身整体提供良好的减震效果,且气动单元反应迅速,行程长,能够及时准确的调节机身的高度,提高行走机器人的整体稳定性和适应性。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述,各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的,而并不认为是对本实用新型的限制。而且在整个附图中,用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中:

图1为本实用新型实施例行走机器人的整体结构示意图;

图2为图1中机器人脚轮的整体结构示意图;

图3为图2中机器人脚轮的分解结构示意图;

图4为图2中机器人脚轮的剖面结构示意图。

附图中各标记表示如下:

10:气动单元、20:连接座、30:转向单元、40:轮毂支架、50:轮毂电机、60:底盘、71:导向杆、72:导向座、73:导向杆连接件、81导向杆固定座、82:气缸固定座、91:拖链、92:穿线筒、101:第一脚轮、102:第二脚轮、103:第三脚轮、104:第四脚轮。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施方式。虽然附图中显示了本公开的示例性实施方式,然而应当理解,可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反,提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本公开,并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

图1为本实用新型实施例行走机器人的整体结构示意图。图2为图1中机器人脚轮的整体结构示意图。图3为图2中机器人脚轮的分解结构示意图。图4为图2中机器人脚轮的剖面结构示意图。如图2、图3、图4所示,该机器人脚轮包括气动单元10、连接座20、转向单元30、轮毂支架40和轮毂电机50,气动单元10用于调整机器人脚轮的高度并设于连接座20的顶部,转向单元30、轮毂支架40和轮毂电机50依次设于连接座20的底部,轮毂支架40的上端穿过转向单元30并以能够转动的方式连接于连接座20的内部,轮毂支架40的下端与轮毂电机50的输出轴相连,通过致动轮毂电机50能够带动机器人脚轮进行移动,通过致动转向单元30能够调整机器人脚轮的转向。

其中,气动单元10为气缸。转向单元30包括转向电机及与转向电机配合的蜗轮蜗杆减速机或涡轮减速机。

本实施例中,采用气缸控制脚轮的高度可以为机器人脚轮提供良好的减震效果,同时,气缸的行程长,反应迅速,对于行走机器人的整体姿态的调整会非常的及时。比如爬陡坡时,通过设于机身上的传感器检测路面状况,从而对不同的机器人脚轮输入不同的气量,使车身整体保持水平。在坑洼路面时,整体提升机身,使得通过性很好;在平整路面时,整体降低机身,使得稳定性很好。通过采用蜗轮蜗杆减速电机将电机或马达的转数减速到所需要的转数,同时得到较大转矩,并带动轮毂支架40和轮毂电机50实现转向。

进一步地,本实施例中的连接座20内部还设有电位器,电位器用于精确的测量轮毂支架40的转向并反馈给电控系统。该电位器具备耐久、精确、感知方向性等特点,在转向电机进行工作时,该电位器进行转动角度的精确测量并反馈给电控系统,由电控系统进一步控制转向电机以确保让每个机器人脚轮的转动达到精确。在颠簸路面时,如果机器人脚轮在外力的作用发生朝向的变化,电位器也可以及时的将转动的情况告知电控系统,由电控系统向转向电机发出矫正指令,并进一步由电位器感知矫正的结果,以保持单个机器人脚轮的朝向的准确控制。

在轮毂电机50中,系统预留有霍尔器件,并通过霍尔电路对轮毂电机50的转动或静止、转动的方向、转速进行反馈,并通过反馈的信号进一步优化电控系统对轮毂电机50的控制。

如图1所示,该行走机器人包括上述所述的机器人脚轮和底盘60,底盘60上均布有多个机器人脚轮,气动单元10固定设于底盘60的上方,气动单元10的伸出端穿过底盘60并与设于底盘60下方的连接座20相连接。

进一步地,行走机器人还包括储气罐和用于向气缸供气的气泵,其中,储气罐的储气量是气缸的气量的4-8倍,具体储气量数值还可以根据具体情况进行调整。气泵采用直流无刷电机进行驱动,以此来保证静音和足够的气体压力。由于气泵采用直流电机进行驱动,因此需要对启动电流进行保护。本实施例中采用了压力阀、泄压阀与泄压管、单向阀的组合来降低直流电机的启动负荷。同时,直流无刷电机通过控制器来进行控制,增加了自动化控制的可能。

本实施例中采用三位五通的电磁阀控制气缸的高度,通过程序来控制对气缸的上端或下端进行充气,从而改变气缸的伸出长度,实现机器人脚轮的高度变化。当需要增加气缸的伸出长度时,对气缸的上端进行充气,当需要减少气缸的伸出长度时,对气缸的下端进行充气,当需要稳定气缸的伸出长度不变时,停止充气。

同时,在气压系统中增加气压计作为承载的衡量,增加测距计作为姿态平衡的调整依据。

气缸的行程完全可以定制,因此可以完成快速、有力的直线动作,对比采用直线电机驱动机器人脚轮更加有力,更加迅速,也更易维护。

当然,也可以采用电缸代替气缸完成对机器人脚轮的驱动,不过电缸的减震作用不如气缸,在使用电缸时需增加相应的减震单元,如弹簧等配件。

通过在机身上设置超声传感器或光电传感器对气缸伸出量进行测量,从而控制气缸的伸出的长度,从而控制行走机器人的机身高度。通过压力传感器对机身压在每个脚轮上的压力进行测量,从而确保在平地时,通过调整车身的姿态,保持每个机器人脚轮的负重均匀化(也就是说行驶中为了迎合配重,机身整体可能处于倾斜状态)。多个机器人脚轮的三个维度的控制与反馈均通过模型化算法进行控制,让各个机器人脚轮在速度、负重、方向等方面协同一致。

进一步地,为保证气缸的伸出端在伸缩过程中不会带动轮毂支架40发生转动,本实施例中的行走机器人还包括导向装置,导向装置用于保证气缸的伸出端的运行方向,导向装置包括导向杆71和导向座72,导向座72固定设于底盘60的上方,导向杆71的一端穿过导向座72和底盘60并通过导向杆连接件73与气缸的伸出固定连接,气缸通过导向杆连接件73与连接座20相连接。

导向座72固定于底盘60上,其内部设有导向杆71的运行通道,保证了导向杆71的直线运动。导向杆71的下端和气缸的伸出端均固定在导向杆连接件73上,有效的防止了在气缸在伸缩运动过程中带动轮毂支架40发生转动,从而保证轮毂支架40的转动只能发生在转向单元30的驱动力下,确保了转向的可靠性。

进一步地,本实施例中还包括拖链91和穿线筒92,穿线筒92用于对电缆进行保护和导向,拖链91用于对穿线筒92内的电缆起到牵引和保护作用。导向杆71的上端设有导向杆固定座81,穿线筒92的下端固定在导向杆连接件73上,穿线筒92的上端固定在导向杆固定座81上,通过导向杆固定座81进一步加强导向杆71和穿线筒92的固定强度。气缸的顶部还设有气缸固定座82,拖链91的一端固定在穿线筒92上,拖链91的另一端与气缸顶部的气缸固定座82固定连接,从而保证拖链91可以随气缸的伸缩运动而共同运动。

在实际应用中,行走机器人可以采用本实施例中的1-2个机器人脚轮,其余的脚轮可由万象轮代替,即气动部分仍然保留,轮毂电机为可选,也可以采用无动力轮,转向单元改为万向装置,从而简化了本实施例中的方案,减少产品的成本。

本方案采用了Arduino Due进行执行控制,Due拥有54路IO,其中单个轮子使用转速调节1个、正反转1个、速度检测3个;轮子转向使用转向速度控制1个、正反转1个、使能控制1个;气动系统使用提升控制1个、下降控制1个;距离传感器2个。因此,单套轮子使用12路IO,如果车子使用四个轮子,则通过Due的48路IO就可以进行控制。

在对机身具体的控制逻辑中,用于控制机器人脚轮的Arduino Due从上层控制中心(本方案中使用树莓派进行控制以及与云端进行数据交换,以实现定位、导航、驱动、避障等动作)收取动作指令(比如前进、转圈、横动等),Due再同时向各个轮子下发协动指令。

以利用本实施例中的行走机器人进行转圈为例,Due收到上层控制中心向左转向90度的指令,整车车身会做如下动作:先停车,保持四个轮毂电机50处于静止,确定四个轮毂电机50的当前方向为正前向;分别控制四个轮毂支架40的各自转向,使得四个轮毂电机50的朝向形成一个“圆圈”(具体每个轮子的旋转角度和方向由轮子构成的形状确定);驱动轮毂电机50转动,使轮毂电机50行进“圆圈”的四分之一周长,使得机身完成与初始位置90度的转向;停止轮毂电机50的运转,并摆正轮毂支架40,使轮毂电机50到正前向位置,完成行走机器人转圈90度的指令。

当行走机器人准备翻越或准备爬坡时,首先,机身的智能系统会通过地图POI信息或车身视觉系统发现减速带或上下坡;然后,根据POI的数据,系统将车身设定为前倾或后仰一定的角度,前倾有利于爬坡的抓地以及爬坡时车身呈现的水平状态,后仰则是应对下坡,保持车身的水平状态。Arduino Due负责执行这一动作,通过向机身前部的机器人脚轮的气缸的上部或下部充气达成脚轮的伸出或收缩,从而调整车身姿态,具体调整的量由传感器负责反馈,由Due负责开发进气开关的时间(毫秒数)实现充气;在车身翻越完成或爬坡完成后将车身恢复原始状态。

对于实现爬马路牙子或爬台阶的方案,本方案中单个轮子可以提升250mm,因此可以爬大约200mm的垂直阶梯,具体方式如下:将行走机器人以一定角度、例如45°角靠近台阶,其中,将第一脚轮101与台阶的立面相贴合。

提升第一脚轮101,同时向第二脚轮102、第三脚轮103和第四脚轮104提供朝向台阶的方向移动的驱动力,当第一脚轮101的底部超过台阶的台阶面高度时,第二脚轮102、第三脚轮103和第四脚轮104在驱动力的作用下朝向台阶的方向移动,此时,第一脚轮101处于台阶的台阶面上,通过气缸将第一脚轮101固定于台阶面上。

将行走机器人旋转一定角度,如30°角,使第二脚轮102与台阶的立面相贴合。

提升第二脚轮102,同时向第一脚轮101、第三脚轮103和第四脚轮104提供朝向台阶的方向移动的驱动力,当第二脚轮102的底部超过台阶的台阶面高度时,第一脚轮101、第三脚轮103和第四脚轮104在驱动力的作用下朝向台阶的方向移动,此时,第一脚轮101和第二脚轮102均处于台阶的台阶面上,通过气缸将第一脚轮101和第二脚轮102固定于台阶面上。

将行走机器人再次旋转一定角度,如30°角,使第三脚轮103与台阶的立面相贴合。

提升第三脚轮103,同时向第一脚轮101、第二脚轮102和第四脚轮104提供朝向台阶的方向移动的驱动力,当第三脚轮103的底部超过台阶的台阶面高度时,第一脚轮101、第二脚轮102和第四脚轮104在驱动力的作用下朝向台阶的方向移动,此时,第一脚轮101、第二脚轮102和第三脚轮103均处于台阶的台阶面上,通过气缸将第一脚轮101、第二脚轮102和第三脚轮103固定于台阶面上。

将行走机器人再次旋转一定角度,如30°,使第四脚轮104与台阶的立面相贴合。

提升第四脚轮104,同时向第一脚轮101、第二脚轮102和第三脚轮103提供朝向台阶的方向移动的驱动力,当第四脚轮104的底部超过台阶的台阶面高度时,第一脚轮101、第二脚轮102和第三脚轮103在驱动力的作用下朝向台阶的方向移动,此时,第一脚轮101、第二脚轮102、第三脚轮103和第四脚轮104均处于台阶的台阶面上,通过气缸将第一脚轮101、第二脚轮102、第三脚轮103和第四脚轮104固定于台阶面上。

通过使用本实用新型所述的机器人脚轮及行走机器人,采用气动单元控制机器人脚轮的高度,能够为机身整体提供良好的减震效果,且气动单元反应迅速,行程长,能够及时准确的调节机身的高度,提高行走机器人的整体稳定性和适应性。

以上所述,仅为本实用新型较佳的具体实施方式,但本实用新型的保护范围并不局限于此,任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内,可轻易想到的变化或替换,都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此,本实用新型的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

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