专利名称：全方位移动机器人的可调节移动机构的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种全方位移动机器人的可调节移动机构，通过改变全方位轮的位置与姿态，可以改变机器人运动速度的变化范围、最大速度以及运动效率，从而提高机器人的运动性能。属机器人技术领域。
背景技术：
轮式移动机器人由于控制简单、移动灵活，已经被广泛应用于人类的生产、生活实践中，比如双轮差速移动机器人，是其中应用最广泛的一种移动方式；而全方位移动机器人作为完整约束系统，采用全方位轮这种特殊的机构，在2维平面上具有3个自由度，可以沿任意方向同时作平动与转动，在保持姿态不变的情况下，可以完成任意方向的移动，它非常适合工作在空间狭窄有限、对机器人的机动性要求高的场合中，正是由于全方位移动机器人拥有比双轮差速更灵活的运动性能，已经被应用于许多领域，如全方位移动轮椅、RoboCup比赛(机器人足球世界杯赛)等。
移动机器人由移动机构、传感器和控制器等组成.其中移动机构是移动机器人运动的基础，而作为实现全方位移动机器人特殊运动性能的移动机构——全方位轮的布置方式是全方位移动机器人研究的一个关键技术。移动机构直接影响机器人的控制以及最终的运动效果。
全方位移动机器人作为一个重要的研究课题，国内已经进行了很多这方面的研究，但都局限于对具有固定的移动机构的机器人进行相应的研究，即全方位轮布置方式在机器人设计完成后，并不能改变。但由于全方位轮特殊的机构特性，使得当轮子安装方式改变时，可以得到不同的运动性能，因此为了更好的利用全方位轮的这种特殊性能，有必要开发一种可变移动机构，在运动时，根据不同的控制需要改变轮子的布置方式，适应不同的运动场合，从而使得全方位移动机器人能够充分发挥其优势。
经查找，中国发明专利(申请号200310117170.X)公开了一种变结构腿轮式探测机器人。该发明提出了一种可以变形的行驶机构，采用平行六边形的车身，通过电机驱动可使车身变宽或变窄，并且采用了腿轮变换的结构，从而使得车身的变形、车身高低的变化以及腿和轮的转化结合起来，可具有多种变形方式。但该变结构机器人在机构变形时，只是利用平行六边形结构使得车身变宽或变窄，并没有提及改变机器人运动时速度的变化范围，也没有提出根据机构变形使得机器人运动效率得到改变，同时并未提及适用于全方位移动机器人。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，开发提供一种全方位移动机器人的可调节移动机构，使得全方位移动机器人在运动过程中可以随意调节全方位轮的位置和姿态，从而获得可变的速度范围以及运动效率，改善全方位移动机器人的运动效果。
为实现这一目的，本发明所提出的可调节移动机构是针对四轮小车所设计的，由两个用于车轮位置改变的连杆系及两个用于车轮姿态改变的连杆系组成。小车四轮的位置及姿态分别独立受控。车轮姿态改变连杆系由平行四连杆机构及对心曲柄滑块机构所组成，由连杆及丝杠滑块组成的对心曲柄滑块机构中，摇杆可由丝杠滑块驱动。而当丝杠滑块改变位置时，可以通过改变平行四连杆机构形状，引起车轮固定架转动，进而可以控制车轮的姿态。车轮位置改变连杆系由一个对心曲柄滑块机构所组成，通过驱动滑块使得摇杆转动，从而可使车轮固定架绕中心转动而其姿态不变，达到单独控制车轮位置的目的。
本发明可调节移动机构的具体结构组成为在车身上交错布置两组相同结构的车轮姿态改变连杆系及两组相同结构的车轮位置改变连杆系，每组车轮姿态改变连杆系由车轮固定架、主支撑杆、直杆、以及一个由丝杠滑块、连杆、摇杆构成的对心曲柄滑块机构组成，主支撑杆的中心铰接在车身上，主支撑杆的两端分别连接一个车轮固定架，每个车轮固定架上安装一个全方位车轮及其驱动装置，摇杆的一端铰接在主支撑杆的中心作为曲柄滑块机构的回转中心，摇杆的另一端连接直杆的中部，并与连杆的一端相连，连杆的另一端与丝杠滑块相连。主支撑杆两端的车轮固定架、主支撑杆、直杆及摇杆组成一个平行四连杆机构。每组车轮位置改变连杆系由主支撑杆、连杆、丝杠滑块构成一个对心曲柄滑块机构，其中连杆的一端连接主支撑杆，另一端连接丝杠滑块，主支撑杆充当摇杆，主支撑杆的中心为曲柄滑块机构的回转中心。车身上安装两个驱动钢杠，分别与两组连杆系中的丝杠滑块相连。
当驱动车轮姿态改变连杆系中的丝杠滑块运动时，摇杆在连杆的带动下绕曲柄滑块机构的回转中心转动，从而带动直杆，使得平行四连杆机构变形，最终引起车轮固定架转动，而全方位轮安装在车轮固定架上，从而可以达到控制车轮姿态的目的。
当驱动车轮位置改变连杆系中的丝杠滑块运动时，主支撑杆绕曲柄滑块机构的回转中心转动，由于车轮固定架安装于主支撑杆上，因此可以达到控制车轮位置的目的。同时由于主支撑杆转动时，车轮姿态改变连杆系中摇杆的姿态不变，因此车轮位置改变时，车轮姿态可以保持不变，从而可以达到车轮姿态与位置的独立控制。
本发明的可调节移动机构有如下优点由两组平行连杆构成结构特征，实现简单；车轮姿态及位置的改变相对完全独立，互不影响；可以根据不同的运动方式快速、灵活地改变各车轮的位置及姿态，实现不同形态的分布从而改变小车的运动特性，使小车的灵活性大大提高。用两个直线驱动便可驱动四个轮子的姿态及位置共十二个自由度。
图1为本发明的可调节移动机构的结构示意图，图中所示为对角二轮的结构俯视图。
图1中，1为全方位车轮，2为车轮固定架，3为主支撑杆，4为直杆，5为第一丝杠滑块，6为第一连杆，7为摇杆，8为第二丝杠滑块，9为第二连杆，10为车身。
图2为采用本发明移动机构的车轮位置变化及姿态变化示意图。
具体实施例方式
以下结合附图对本发明的技术方案作进一步描述。
本发明可调节移动机构包括在车身上交错布置两组相同结构的车轮姿态改变连杆系及两组相同结构的车轮位置改变连杆系。图1所示的是其中一组的结构，描述了对角两个全方位车轮1的安装控制方式，另外一组对角两轮与图示的完全相同。主支撑杆3的中心铰接在车身10上，主支撑杆3的两端分别连接一个车轮固定架2，每个车轮固定架2上安装一个全方位车轮1及其驱动装置(图中没标出)。
构成本发明结构特征的主要为两组连杆，分别为车轮姿态改变连杆系及车轮位置改变连杆系。以下分别论述。
车轮姿态改变连杆系该连杆系由车轮固定架2，主支撑杆3，直杆4及一个对心曲柄滑块机构组成，其中对心曲柄滑块机构由第一丝杠滑块5和第一连杆6及摇杆7构成。摇杆7的一端铰接在主支撑杆3的中心作为曲柄滑块机构的回转中心，摇杆7的另一端连接直杆4的中部，并与第一连杆6的一端相连，第一连杆6的另一端与第一丝杠滑块5相连，第一丝杠滑块5与安装在车身10上的一个驱动钢杠相连。
主支撑杆3两端的车轮固定架2、主支撑杆3、直杆4及摇杆7组成一个平行四连杆机构。当驱动第一丝杠滑块5运动时，摇杆7在第一连杆6的带动下绕曲柄滑块机构的回转中心转动，从而带动直杆4，使得平行四连杆机构变形，最终引起车轮固定架2转动。由于全方位车轮1固定在车轮固定架2上，因此可以达到控制车轮姿态的目的。
车轮位置改变连杆系该连杆系由主支撑杆3，第二连杆9，第二丝杠滑块8组成，同时它们也构成了一个对心曲柄滑块机构，其中第二连杆9的一端连接主支撑杆3，另一端连接第二丝杠滑块8，主支撑杆3充当摇杆，主支撑杆3的中心为曲柄滑块机构的回转中心。第二丝杠滑块8与安装在车身10上的另一个驱动钢杠相连。
当驱动第二丝杠滑块8运动时，主支撑杆3绕曲柄滑块机构的回转中心转动，由于车轮固定架2安装于主支撑杆3上，因此可以达到控制车轮位置的目的。而且因为主支撑杆3转动时，车轮姿态改变连杆系中摇杆7的姿态不变，因此车轮位置改变时，车轮姿态可以保持不变，从而可以达到车轮姿态与位置的独立控制。
另外两个对角轮子的姿态、位置驱动与上述雷同。
由上所述，只要分别控制第一丝杠滑块5和第二丝杠滑块8，就可以分别驱动和改变四个车轮的姿态及位置，而且姿态及位置的变化不会互相影响，完全独立。图1中的运动一驱动四个车轮的位置，运动二驱动四个车轮的姿态。因此安装有本发明可调节动机构的全方位移动机器人在运动时，可以通过控制丝杠滑动块5、8的位置，获得可变的运动速度范围和运动效率，从而最终达到提高全方位移动机器人运动性能的目的。
图2为采用本发明移动机构的车轮位置变化及姿态变化示意图。如图2所示，车轮位置变化时，姿态可以保持不变；车轮姿态变化时，位置可以保持不变。
权利要求
1.一种全方位移动机器人的可调节移动机构，其特征在于在车身(10)上交错布置两组相同结构的车轮姿态改变连杆系及两组相同结构的车轮位置改变连杆系，每组车轮姿态改变连杆系由车轮固定架(2)、主支撑杆(3)、直杆(4)、以及一个由第一丝杠滑块(5)、第一连杆(6)、摇杆(7)构成的对心曲柄滑块机构组成，主支撑杆(3)的中心铰接在车身(10)上，主支撑杆(3)的两端分别连接一个车轮固定架(2)，每个车轮固定架(2)上安装一个全方位车轮(1)及其驱动装置，摇杆(7)的一端铰接在主支撑杆(3)的中心作为曲柄滑块机构的回转中心，摇杆(7)的另一端连接直杆(4)的中部，并与第一连杆(6)的一端相连，第一连杆(6)的另一端与第一丝杠滑块(5)相连，第一丝杠滑块(5)与安装在车身(10)上的一个驱动钢杠相连；主支撑杆(3)两端的车轮固定架(2)、主支撑杆(3)、直杆(4)及摇杆(7)组成一个平行四连杆机构；每组车轮位置改变连杆系由主支撑杆(3)、第二连杆(9)、第二丝杠滑块(8)构成一个对心曲柄滑块机构，其中第二连杆(9)的一端连接主支撑杆(3)，另一端连接第二丝杠滑块(8)，主支撑杆(3)充当摇杆，主支撑杆(3)的中心为曲柄滑块机构的回转中心，第二丝杠滑块(8)与安装在车身(10)上的另一个驱动钢杠相连。
全文摘要
本发明涉及一种全方位移动机器人的可调节移动机构，由两个用于车轮位置改变的连杆系及两个用于车轮姿态改变的连杆系组成，车轮姿态改变连杆系由平行四连杆机构及对心曲柄滑块机构所组成，由连杆及丝杠滑块组成的对心曲柄滑块机构中，摇杆可由丝杠滑块驱动。而当丝杠滑块改变位置时，可以通过改变平行四连杆机构形状，引起车轮固定架转动，进而可以控制车轮的姿态。车轮位置改变连杆系由一个对心曲柄滑块机构所组成，通过驱动滑块使得摇杆转动，从而可使车轮固定架绕中心转动而其姿态不变，达到单独控制车轮位置的目的。本发明实现简单，可以根据不同的运动方式改变各车轮的位置及姿态，从而快速灵活地改变小车的运动特性。
文档编号B25J11/00GK1817577SQ200610024279
公开日2006年8月16日 申请日期2006年3月2日 优先权日2006年3月2日
发明者冷春涛, 曹其新, 刘伟豪 申请人:上海交通大学