专利名称：一种轮腿结合移动机器人的制作方法
技术领域：
本发明涉及机器人技术领域，具体为一种轮腿结合移动机器人。
背景技术：
移动机器人是一种具有移动功能的机器人，比一般机器人具有更大的机动性、灵活性。在代替人从事危险、恶劣和人所不及的环境作业方面，具有很大的优势。传统的移动机器人一般采用轮式、履带式、腿式等单一移动机构。与传统意义上的移动机器人相比，轮腿结合移动机器人具有更强的非结构化地形适应性，不仅可以在平坦的地面上行进，而且可以穿越野外崎岖地形。轮腿结合移动机器人在航天科考、救灾排险、军事侦察、防暴反恐等领域具有广泛的应用前景。
发明内容
本发明的目的是公开一种轮腿结合移动机器人，它可以适应非结构化环境。在平坦路面上采用轮式结构实现高速行驶；当遇到复杂路面时，通过轮式升降结构实现轮式运动模式与腿式运动模式之间的切换，通过或避开障碍物。本发明所提出的轮腿结合移动机器人组成和原理如下它由车体框架系统、主动轮单元、从动轮单元、腿式结构单元、轮式升降结构、电源、控制系统等组成；车体框架系统采用了角铝与方形铝管支撑结构，车体底部布置有底板，采用底板与电源罩相结合的方式保护电源与控制电路板；两个前轮运动单元、两个后轮运动单元布置于车体左右两侧，四个腿式结构运动单元分别布置于车体的前后两端；前轮单元采用直流伺服电机驱动，为主动轮；后轮单元为从动轮；轮式升降结构由直流伺服电机、弹性联轴器、直齿轮、转轴、防护罩以及必要的电机支架组成；电源由两个蓄电池组成， 为前轮单元、腿式结构单元、控制系统供电；控制系统采用上下两级控制方案，上位机采用 DSP，下位机采用单片机。本发明还有其它一些特征1.所述的轮腿结合移动机器人的前轮单元，其特征是采用直流伺服电机驱动，由十字联轴器、锥齿轮轴将运动传递至前车轮，车轮采用普通轮胎，整个前轮单元由两个电机支架、一个轴承座支架、两个轮支架支撑；在直流伺服电机中安装有编码器，通过控制系统构成半闭环系统。2.所述的轮腿结合移动机器人的后轮单元，其特征是由轮支架、套筒、车轮轴、车轮、轴端挡圈等组成，无动力源。后轮运动单元为从动轮，车轮采用普通轮胎。3.所述的轮腿结合移动机器人的腿式结构运动单元，其特征是由髋关节、髋部、大腿关节、大腿、小腿关节、小腿组成。4.所述的腿式结构运动单元，其特征是在髋关节中采用舵机驱动，由舵机支架、舵机、舵盘组成；5.所述的腿式结构运动单元，其特征是髋部采用U形铝板支撑，与大腿关节采用轴连接形式。6.所述的腿式结构运动单元，其特征是在腿关节和大腿处由大腿板、蜗轮蜗杆机构、轴承座、滚动轴承、蜗轮轴、套筒、键等组成，由直流伺服电机驱动，在其中安装有与直流伺服电机配套的编码器测速，通过控制系统构成半闭环系统。7.所述的腿式结构运动单元，其特征是小腿关节和小腿处由小腿板、小腿底、蜗轮蜗杆机构、轴承座、滚动轴承、蜗轮轴、套筒、键等组成，由直流伺服电机驱动，在其中安装有与直流伺服电机配套的编码器测速，通过控制系统构成半闭环系统。8.所述的腿式结构运动单元，其特征是小腿底采用弧形结构，与小腿板构成密闭式结构，保护小腿关节处的直流伺服电机。9.所述的轮腿结合移动机器人，其特征是可以采用遥控操作模式或自主运行模式运行。操作者采用遥控操作模式时，机器人转弯、加速、减速、制动、轮腿运动单元切换等指令均来自遥控器遥控信号。采用自主运行模式时，机器人机载控制器根据传感器(检测现场环境)发送回的信号进行分析计算，向机器人执行机构发送转弯、加速、减速、制动、轮腿运动单元切换等指令10.所述的轮腿结合移动机器人，其特征是在使用车轮单元运动时，通过对两个前轮运动单元中的直流伺服电机的运动控制实现转向、加速、减速、制动等功能。11.所述的轮腿结合移动机器人，其特征是在路况较好时，采用轮式运动时，其特征是腿式结构收放于机器人顶部。在路况不好时采用腿式结构行走，将腿式结构放下，支撑机器人，通过轮式升降结构中转轴的旋转运动，驱动轮式结构运动单元的支架，从而使四个车轮离开地面。12.所述的轮腿结合移动机器人，其特征是采用腿式结构行走时，通过每个腿式结构的直流伺服电机、舵机的控制实现机器人转向、加速、减速等功能。13.所述的轮腿结合移动机器人。其特征是在机器人前端与底部安装有障碍检测传感器，机器人重心位置安装平衡传感器，机器人腿部运动单元底部安装压力传感器等。
图1是本发明轮腿结合移动机器人的正视图。图2是本发明轮腿结合移动机器人的俯视图。图3是本发明轮腿结合移动机器人的左视图。图4是本发明轮腿结合移动机器人前轮运动单元正视图。图5是本发明轮腿结合移动机器人前轮运动单元左视图。图6是本发明轮腿结合移动机器人后轮运动单元正视图。图7是本发明轮腿结合移动机器人后轮运动单元左视图。图8是本发明轮腿结合移动机器人腿式结构单元正视图。图9是本发明轮腿结合移动机器人腿式结构单元左视图。图10是本发明轮腿结合移动机器人腿式结构单元俯视图。
具体实施方式
结合附图1-10，对本发明的具体实施方式
作进一步描述(实施方式中出现的零件标号以总装配中的零件标号为准)如图1-10所示本发明实例由车体框架系统、主动轮单元、从动轮单元、腿式结构单元、轮式升降结构、电源、控制系统等组成。车体框架系统是整个机器人的框架和基础，其它机构都安装于其上。如附图1所示，它由角铝(500) 1、角铝000)48、正方形支撑铝管6构成。两个前轮运动单元和两个后轮运动单元分别安装在车体的左右两侧，前、后论运动单元成对称梯形布置；四个腿式结构运动单元分别安装在车体的前后两端，成矩形布置。两个直流伺服电机96分别通过弹性联轴器、直齿轮(52、99)驱动前轮转轴58和后轮转轴84，通过前、后轮转轴的旋转带动前、后轮运动单元的支架相对于转轴中心轴线旋转，改变四轮与地面的高度，从而完成轮式结构和腿式结构的切换。前轮运动单元为主动轮，后轮运动单元为从动轮，主动轮差速实现转向。 前轮直流伺服电机62在控制系统作用下可以实现实现速度控制、制动、转弯等功能。轮式升降机构分为前轮升降机构、后轮升降机构。分别由直流伺服电机96、弹性联轴器(50、55、56)、轴承座3、直齿轮(52、99)、转轴(前轮转轴58、后轮转轴84)、防护罩以及必要的电机支架(电机支架(3)49、电机支撑0)86)组成。为保证结构的强度，采用双重支架，包括支架(3)95、支架(由方形管57、方形管连接76构成)。在电机96驱动下，带动转轴58、84正反向旋转，实现轮式结构单元的升降，完成轮足运动模式的切换。当遇到小型障碍物或者涉浅水时，通过升降结构抬高机器人底部与地面的距离通过障碍物， 也可在转弯、爬坡的时候通过升降结构降低机器人的重心，提高机器人行驶的稳定性，防止纵向倾覆、侧向倾覆的发生。前轮运动单元由前轮直流电机62、前轮电机支架0)63、前轮电机支架(1)65、前轮电机轴套66、十字连轴器67、大圆锥齿轮轴68、前轮轴承套支座69、前轮支架(1) 2、前轮支架O) 70、小锥齿轴套套筒(5) 71、锥齿轮轴套72、小圆锥齿轮轴73、前车轮22及必要的轴承与紧固零件组成，结构图如附图4、附图5所示。前轮直流电机62在给定速度下运转， 经过减速器、十字联轴器67、大圆锥齿轮轴68、小圆锥齿轮轴73将动力传送至前车轮22。 通过对两个前轮运动单元的直流伺服电机控制实现机器人加速、减速、转弯等动作。若采用轮式结构行驶，则应首先在直流伺服电机96的驱动下，将前、后轮运动单元放下，前后车轮与地面接触。直流伺服电机96安装有增量式旋转编码器。后轮运动单元由后轮轴80、套筒(3)83、后轮支架18、后车轮20、后轮轴承盖19、后轮横架88及必要的轴承与紧固零件等构成。后轮为从动轮，不提供动力源。腿式结构单元由髋关节、髋部、大腿关节、大腿、小腿关节、小腿组成。髋关节由舵机39、舵盘41、舵机支架(1)94、髋部U形铝板10构成，舵机支架(1)94与机器人框架采用螺钉连接。为保证舵机的支撑强度，采用附图1所示对称支撑方式，分别由角接触球轴承支座(1)40、角接触球轴承43、角接触球轴承支座O)44、舵机支承轴45构成，在舵机驱动髋部运动时，保证支撑力由上下支座承担，舵机不会承受很大的弯矩，保证了强度。髋关节处具有一个横向摆动的自由度。大腿关节和大腿部分由大腿板36、蜗轮轴( 100、蜗轮89、 蜗杆13、腿部轴承座14、蜗杆轴套31、腿部十字联轴器30、腿部十字联轴器电机轴套四、腿用直流电机77、大腿部电机支架(1)34、大腿部电机支架0)33以及必要的滚动轴承、套筒、 键及连接紧固零件构成。大腿关节由腿部直流电机77驱动，经过减速器、十字联轴器组件、蜗轮蜗杆机构驱动大腿板绕蜗轮轴蜗轮轴( 100旋转，此处具有一个纵向摆动的自由度。 小腿关节和小腿部分由小腿板16、蜗轮轴0)32、蜗轮89、蜗杆13、腿部轴承座14、蜗杆轴套31、腿部十字联轴器30、腿部十字联轴器电机轴套31、腿用直流电机77、小腿部电机支架 (1)28、小腿部电机支架0)27、小腿底沈以及必要的滚动轴承、套筒、键及连接紧固零件构成。小腿关节由腿部直流电机77驱动，经过减速器、十字联轴器组件、蜗轮蜗杆机构驱动两个小腿板绕蜗轮轴蜗轮轴( 32旋转，小腿关节处具有一个纵向摆动的自由度。当采用腿式结构行走时，每个腿部运动单元由两个腿用直流电机77、及舵机39驱动，四足配合，实现转弯、加速、减速等功能。当机器人发生侧翻或者纵翻等事故时，可由机器人自身调整复位一、当机器人采用轮式结构行驶时，若发生事故，则由放置于机器人顶部的四个腿部运动单元反向伸直，帮助机器人复位；二，当机器人采用腿式结构行走发生事故时，则由直流伺服电机96驱动升降结构的前轮转轴58、后轮转轴84旋转，改变轮式运动单元支架与地面的角度，协助四足结构完成机器人的复位。操作者采用遥控方式操作时，机器人转弯、加速、减速、制动、轮腿运动单元切换等指令均来自遥控器遥控信号。在采用自主运行模式时，机器人机载控制器根据传感器发送回的信号进行分析计算，向机器人执行机构发送转弯、加速、减速、制动、轮腿运动单元切换等指令。2个蓄电池布置在机器人中部，为整个系统提供电源由底板101、电源外罩4保护蓄电池的密封性。机器人携带高性能摄像头，将拍摄到的图像画面信息传递给控制室，通过遥控操作装置向机器人发送下一步的指令。在车载控制器方面，利用DSP作为控制系统的上位机，接收来自机器人各传感器发送回的信息(或接收来自遥控器的指令)，经过计算分析后向下位机(采用单片机)发送指令，驱动机器人的执行机构执行预期的动作，控制机器人完成期望的任务要求。
权利要求
1.一种轮腿结合移动机器人，其特征是由车体框架系统、主动轮单元、从动轮单元、 腿式结构单元、轮式升降结构、电源、控制系统等组成；车体框架系统采用了角铝与方形铝管支撑结构，车体底部布置有底板，采用底板与电源罩相结合的方式保护电源与控制电路板；前、后轮运动单元布置于车体左右两侧，四个腿式结构运动单元分别布置于车体的前后两端；前轮单元采用直流伺服电机驱动，为主动轮；后轮单元为从动轮；轮式升降结构由直流伺服电机、弹性联轴器、直齿轮、转轴、防护罩以及必要的电机支架组成；电源由两个蓄电池组成；控制系统采用两级控制方案，上位机采用DSP，下位机采用单片机。
2.如权利要求1所述的轮腿结合移动机器人，其特征是前轮单元采用直流伺服电机驱动，由十字联轴器、锥齿轮轴将运动传递至前车轮，整个前轮单元由两个电机支架、一个轴承座支架、两个轮支架支撑；在直流伺服电机中安装有编码器，通过控制系统构成半闭环系统；后轮单元由轮支架、套筒、车轮轴、车轮、轴端挡圈等组成，无动力源，为从动轮。
3.如权利要求1所述的轮腿结合移动移动机器人的腿式结构运动单元，其特征是由髋关节、髋部、大腿关节、大腿、小腿关节、小腿组成；在髋关节中采用舵机驱动，由舵机支架、 舵机、舵盘组成。
4.如权利要求3所述的腿式结构运动单元，其特征是在腿关节和大腿处由大腿板、蜗轮蜗杆机构、轴承座、滚动轴承、蜗轮轴、套筒、键等组成，由直流伺服电机驱动，在其中安装编码器，通过控制系统构成半闭环系统。
5.如权利要求3所述的腿式结构运动单元，其特征是小腿关节和小腿处由小腿板、小腿底、蜗轮蜗杆机构、轴承座、滚动轴承、蜗轮轴、套筒、键等组成，由直流伺服电机驱动，在其中安装编码器，通过控制系统构成半闭环系统。
6.如权利要求3所述的腿式结构运动单元，其特征是小腿底采用弧形结构，与小腿板构成密闭式结构，保护小腿关节处的直流伺服电机。
7.如权利要求1所述的轮腿结合移动机器人，其特征是可以采用遥控操作方式或自主运行模式运行遥控操作模式时，机器人转弯、加速、减速、制动、轮腿运动单元切换等指令均来自遥控器遥控信号；采用自主运行模式时，机器人机载控制器根据传感器发送回的信号进行分析计算，向机器人执行机构发送转弯、加速、减速、制动、轮腿运动单元切换等指令。
8.如权利要求1所述的轮腿结合移动机器人，其特征是在路况较好时，采用轮式运动， 腿式结构收放于机器人顶部，通过对两个前轮运动单元中的直流伺服电机的运动控制实现转向、加速、减速、制动等功能。
9.如权利要求1所述的轮腿结合移动机器人，其特征是在路况不好时采用腿式结构行走，将腿式结构放下，支撑机器人，通过轮式升降结构中转轴的旋转运动，驱动轮式结构运动单元的支架，从而使四个车轮离开地面。
10.如权利要求1所述的轮腿结合移动机器人，其特征是采用腿式结构行走时，通过每个腿式结构的直流伺服电机、舵机的控制实现机器人转向、加速、减速等功能。
全文摘要
本发明提出了一种轮腿结合移动机器人，涉及机器人技术领域。它由车体框架系统、主动轮单元、从动轮单元、腿式结构单元、轮式升降结构、电源、控制系统等组成。车体框架系统采用了角铝与方形铝管支撑结构，采用底板与电源罩相结合的方式保护电源与控制电路。前、后轮运动单元布置于车体左右两侧，四个腿式结构运动单元分别布置于车体的前后两端。前轮单元采用直流伺服电机驱动，为主动轮，后轮单元为从动轮。轮式升降结构由直流伺服电机、弹性联轴器、直齿轮、转轴、防护罩以及必要的电机支架组成。电源由两个蓄电池组成。控制系统采用DSP和单片机的两级控制方案。本发明可以在平坦及复杂的路面上行驶，对非结构化环境具有良好的适应性。
文档编号B62D57/028GK102407893SQ20111025803
公开日2012年4月11日 申请日期2011年9月2日 优先权日2011年9月2日
发明者李琼砚, 王磊, 田野, 路敦民, 钱桦, 高道祥 申请人:北京林业大学