辅助轮升降机构及轮式机器人的制作方法

本发明属于机器人技术领域，涉及一种辅助轮升降机构及轮式机器人。

背景技术：

轮式机器人的原理是利用电机、伺服控制装置与姿态传感器共同协调控制车体的平衡。机器人内部设计有陀螺仪和加速度传感器，检测机器人姿态的变化，通过改变机器人的重心位置，便可实现机器人的启动、加速、减速、停止等动作。通常，轮式机器人在通电工作时，重力感应实时监测机器人的重心变化，并通过伺服控制保持机器人的平衡。但是，当机器人断电时，其因重心失去监测而无法继续保持平衡，机器人失去直立状态，不便于停放收纳，也影响体验。此外，当仅需要机器人平衡静止时，由于地面的不绝对水平，机器人会频繁的加速前进、后退，一直处于找平衡的状态中，此时会大量地耗费电能。

为此，中国专利公开了一种轮式自平衡装置[授权公告号为cn206456475u]，包括框架、支撑装置、车轮以及用于驱动车轮转动的动力装置，动力装置、车轮以及支撑装置设置在框架上，支撑装置包括支撑杆和用于驱动支撑杆的驱动装置；在非运行状态时，支撑杆与地面接触，支撑杆和车轮一起形成至少三点支撑以使轮式自平衡装置保持平衡；在运行状态时，支撑杆离开地面。

上述轮式自平衡装置虽然可使机器人保持平衡，但依然存在以下问题：由于支撑杆的摆动方向与运动方向垂直，根据杠杆原理，当倾倒后不易使机器人平稳起身；支撑杆仅起支撑作用，当支撑杆伸出或摆动至竖直状态时，对机器人的行走造成了阻挠。

技术实现要素：

本发明的目的是针对现有的技术存在上述问题，提出了一种辅助轮升降机构，在落下时能对机器人进行良好支撑，在升起时又不影响机器人的外观效果。

还提出了一种装有上述辅助轮升降机构的轮式机器人。

本发明的目的可通过下列技术方案来实现：

辅助轮升降机构，包括支撑轴和用于驱动支撑轴绕自身中轴线转动的动力组件，所述支撑轴上固连有第一连杆，所述第一连杆远离支撑轴的一端铰接有支撑连杆，所述支撑连杆绕其与第一连杆的铰接处旋转的旋转中线与支撑轴的轴线平行，所述支撑连杆的一端设有可绕自身中轴线转动的辅助轮，所述辅助轮的中轴线与支撑轴的轴线平行，所述支撑连杆的另一端与用于对支撑连杆的另一端进行导向的导向结构连接。

当动力组件驱动支撑轴绕自身中轴线转动时，带动第一连杆绕支撑轴的中轴线摆动，配合导向结构使支撑连杆的倾斜角度发生改变，从而实现辅助轮的升降。导向结构可对支撑连杆的另一端进行导向，同时为支撑连杆的运动提供了让位空间，使得升起辅助轮的升降机构具有更小的体积，从而当将它安装到机器人上时不影响机器人的外观效果。导向结构还可对支撑连杆的另一端进行限位，确保支撑连杆不发生晃动，提高了升降机构的稳定性。

在上述辅助轮升降机构中，所述导向结构包括固定座、开设于固定座上的直线滑槽以及可转动地安装在支撑连杆另一端的滚轮/滑块，所述滚轮/滑块与直线滑槽滚动/滑动配合，且所述滚轮/滑块绕其与支撑连杆的连接处旋转的旋转中线与支撑轴的轴线平行，所述直线滑槽的延伸方向与支撑轴的轴线垂直。

通过上述结构的设置，当支撑轴绕自身中轴线转动时，通过第一连杆带动支撑连杆绕滚轮/滑块转动，以此实现支撑连杆倾角的改变。同时，滚轮/滑块在直线滑槽内滚动/滑动，使支撑连杆的另一端与固定座的相对位置发生改变，从而使支撑连杆与固定座的相对位置发生改变，从而降低整个升降机构的体积。

在上述辅助轮升降机构中，所述导向结构包括固定座、设于固定座上的导轨以及可转动地安装在支撑连杆另一端的滑块，所述滑块与导轨滑动配合，且所述滑块绕其与支撑连杆的连接处旋转的旋转中线与支撑轴的轴线平行，所述导轨的延伸方向与支撑轴的轴线垂直。

在上述辅助轮升降机构中，所述导向结构包括固定座、可转动地安装在固定座上且可绕自身中轴线转动的丝杆以及可转动地安装在支撑连杆另一端的螺母，所述螺母与丝杆螺纹配合，所述螺母绕其与支撑连杆的连接处旋转的旋转中线与支撑轴的轴线平行，所述丝杆的延伸方向与支撑轴的轴线垂直。

通过上述结构的设置，当支撑轴绕自身中轴线转动时，通过第一连杆带动支撑连杆绕螺母转动，以此实现支撑连杆倾角的改变。由于丝杆可绕自身中轴线转动，且螺母与丝杆螺纹配合，当螺母沿着丝杆直线运动时丝杆绕自身中轴线转动，以使支撑连杆与固定座的相对位置发生改变，从而降低整个升降机构的体积。

在上述辅助轮升降机构中，所述支撑连杆为两个且相互平行设置，所述辅助轮可转动地安装在两支撑连杆的一端之间，所述滚轮/滑块可转动地安装在两支撑连杆的另一端之间。

通过上述结构的设置，有利于辅助轮、滚轮/滑块的安装，同时提高了辅助轮、滚轮/滑块的稳定性，增强支撑连杆的结构强度。

在上述辅助轮升降机构中，所述第一连杆为两个且相互平行设置，其中一个第一连杆远离支撑轴的一端与其中一个支撑连杆铰接，另一第一连杆远离支撑轴的一端与另一支撑连杆铰接。通过两个第一连杆的设置，可使两个支撑连杆受力均衡，同时又增强了结构强度，提高了使用寿命。

在上述辅助轮升降机构中，所述动力组件包括固连在支撑轴上的第二连杆和作用在第二连杆远离支撑轴一端的动力单元，所述动力单元作用在第二连杆上力的方向与支撑轴的轴线垂直。

在上述辅助轮升降机构中，所述动力单元为电动推杆/气缸/液压缸，所述电动推杆/气缸/液压缸靠近第二连杆的一端与第二连杆铰接，所述电动推杆/气缸/液压缸绕其与第二连杆的铰接处旋转的旋转中线与支撑轴的轴线平行。

在上述辅助轮升降机构中，所述第二连杆为两个且相互平行设置，所述电动推杆/气缸/液压缸靠近第二连杆的一端位于两第二连杆之间。

轮式机器人，包括底座、设于底座左侧的左车轮以及设于底座右侧的右车轮，所述左车轮与右车轮同轴且相对设置，所述底座的前部和/或后部设有上述辅助轮升降机构，所述支撑轴的延伸方向与左车轮的轴线平行，当所述动力组件工作时在导向结构的作用下使所述支撑连杆的另一端沿底座的前后方向运动。

在上述轮式机器人中，还包括用于控制动力组件动作的控制器和用于检测辅助轮是否与地面接触的传感器，所述传感器的信号输出端与控制器的接触信号输入端连接。当传感器检测到辅助轮与地面接触时，将信号传递给控制器，控制器控制动力组件停止工作，从而使辅助轮保持在当前位置。由于设有传感器，可使辅助轮与地面充分接触，进而使机器人保持平衡，防止倾倒。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

由于设有导向结构，可对支撑连杆的另一端进行导向，同时为支撑连杆的运动提供了让位空间，使得升起辅助轮的升降机构具有更小的体积，从而当将它安装到机器人上时不影响机器人的外观效果；导向结构还可对支撑连杆的另一端进行限位，确保支撑连杆不发生晃动，提高了升降机构的稳定性；其合理的结构设置使辅助轮与地面上障碍物发生碰撞后带来的冲击效果都作用在辅助轮和各铰接处，有效避免动力单元受到冲击。

附图说明

图1是辅助轮升降机构处于下降状态时的结构示意图。

图2是辅助轮升降机构处于上升状态时的结构示意图。

图3是本发明提供的辅助轮升降机构的安装结构示意图。

图4是本发明提供的辅助轮升降机构的又一安装结构示意图。

图5是本发明提供的轮式机器人的部分结构示意图。

图6是本发明提供的轮式机器人的结构示意图。

图中，1、支撑轴；2、第一连杆；3、支撑连杆；4、辅助轮；5、固定座；6、直线滑槽；7、滚轮；8、第二连杆；9、电动推杆；10、底座；11、左车轮；12、右车轮。

具体实施方式

以下是本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。

如图1和图2所示的辅助轮升降机构，包括水平延伸的支撑轴1、以及用于驱动支撑轴1绕自身中轴线转动的动力组件，支撑轴1呈套管状，可转动地套设在一水平延伸的第一销轴上，第一销轴的位置固定，支撑轴1可绕第一销轴转动。

如图1所示，在支撑轴1上固连有第一连杆2，第一连杆2远离支撑轴1的一端铰接有支撑连杆3。其中，第一连杆2远离支撑轴1的一端与支撑连杆3的中部或靠近中部的位置通过第二销轴铰接，第二销轴的中轴线即为支撑连杆3绕第一连杆2旋转的旋转中线，该旋转中线与支撑轴1的轴线平行但不共线。如图1和图2所示，支撑连杆3的一端设有可绕自身中轴线转动的辅助轮4，辅助轮4的中轴线与支撑轴1的轴线平行，当支撑连杆3设有辅助轮4的一端下降后，辅助轮4能与地面充分接触。

本实施例中，如图1和图2所示，动力组件包括固连在支撑轴1上的第二连杆8和作用在第二连杆8远离支撑轴1一端的动力单元，动力单元作用在第二连杆8上力的方向与支撑轴1的轴线垂直。本实施例中，动力单元为电动推杆9。电动推杆9的一端通过第三销轴与第二连杆8远离支撑轴1的一端铰接，第三销轴的轴线与支撑轴1的轴线平行。电动推杆9的另一端通过第四销轴铰接在用于安装本辅助轮升降机构的装置上，第四销轴的轴线与支撑轴1的轴线平行。

在一些其他实施例中，动力单元还可以是气缸或液压缸等其他直线驱动构件。

如图1和图2所示，支撑连杆3的另一端与用于对支撑连杆3的另一端进行导向的导向结构连接。具体的，如图1所示，导向结构包括固定座5、开设于固定座5上的直线滑槽6以及可转动地安装在支撑连杆3另一端的滚轮7，直线滑槽6水平延伸，且直线滑槽6的延伸方向与支撑轴1的延伸方向垂直，滚轮7与直线滑槽6滚动配合，滚轮7可绕自身中轴线转动，其旋转中心与支撑轴1的轴线平行。

当支撑轴1绕自身中轴线转动时，通过第一连杆2带动支撑连杆3绕滚轮7转动，以此实现支撑连杆3倾角的改变。同时，滚轮7在直线滑槽6内滚动，使支撑连杆3的另一端与固定座5的相对位置发生改变，从而使支撑连杆3与固定座5的相对位置发生改变，从而降低整个升降机构的体积。

在另一实施例中，可将滚轮7替换为滑块，此时滑块与直线滑槽6滑动配合，滑块通过第五销轴铰接在支撑连杆3上，第五销轴的轴线与支撑轴1的轴线平行。

在另一实施例中，导向结构包括固定座5、设于固定座5上的导轨以及可转动地安装在支撑连杆3另一端的滑块，导轨水平延伸，导轨的延伸方向与支撑轴1的轴线垂直，滑块与导轨滑动配合，且滑块绕其与支撑连杆3的连接处旋转的旋转中线与支撑轴1的轴线平行。

在另一实施例中，导向结构包括固定座5、可转动地安装在固定座5上且可绕自身中轴线转动的丝杆以及可转动地安装在支撑连杆3另一端的螺母，丝杆水平延伸，丝杆的延伸方向与支撑轴1的轴线垂直，螺母与丝杆螺纹配合，螺母绕其与支撑连杆3的连接处旋转的旋转中线与支撑轴1的轴线平行。当支撑轴1绕自身中轴线转动时，通过第一连杆2带动支撑连杆3绕螺母转动，以此实现支撑连杆3倾角的改变。由于丝杆可绕自身中轴线转动，且螺母与丝杆螺纹配合，当螺母沿着丝杆直线运动时丝杆绕自身中轴线转动，以使支撑连杆3与固定座5的相对位置发生改变，从而降低整个升降机构的体积。

如图1和图2所示，第一连杆2呈c型，第一连杆2的数量为两个且相互平行设置。支撑连杆3的数量为两个且相互平行，其中一个第一连杆2远离支撑轴1的一端与其中一个支撑连杆3铰接，另一第一连杆2远离支撑轴1的一端与另一支撑连杆3铰接。辅助轮4可转动地安装在两支撑连杆3的一端之间，滚轮7可转动地安装在两支撑连杆3的另一端之间。

如图1所示，第二连杆8为两个且相互平行设置，电动推杆9靠近第二连杆8的一端位于两第二连杆8之间。

如图2所示，当辅助轮升降机构处于升起状态时，电动推杆9处于伸出状态，通过第二连杆8使支撑轴1顺时针转动至最大位置，此时第一连杆2绕支撑轴1顺时针转动至最大位置，位于直线滑槽6内的滚轮7至支撑轴1的距离达到最大，支撑连杆3大致呈水平状态，即辅助轮4处于升起状态。如图1所示，当辅助轮升降机构需要落下时，电动推杆9收缩，带动第二连杆8逆时针摆动，使第一连杆2也逆时针摆动，在摆动过程中，第一连杆2远离支撑轴1的一端拉动支撑连杆3，使其由大致水平的位置运动至倾斜状态，即辅助轮4处于落下状态。

为了检测辅助轮4是否与地面充分接触，在辅助轮4上设置用于检测辅助轮4是否与地面接触的传感器，传感器的信号输出端与用于控制电动推杆9动作的控制器的接触信号输入端连接。

本实施例中，传感器为压力传感器。辅助轮4下落时，与地面接触产生压力，压力传感器反馈压力，当压力大到一定数值时通过控制器控制电动推杆9停止动作。可在不平的路面上也能保证辅助轮4可与地面充分接触。由于滚轮7可绕自身中轴线转动，将压力传感器设置在滚轮7与支撑滚轮7的转轴之间。

在一些其他实施例中，传感器还可以是距离传感器、接触传感器等。当为距离传感器时，将其设置在支撑滚轮7的转轴上；当为接触传感器时，将其设置在滚轮7的外周上。

本实施例还涉及一种轮式机器人，包括底座10、设于底座10左侧的左车轮11以及设于底座10右侧的右车轮12，左车轮11与右车轮12同轴且相对设置，底座10呈板状，在底座10的前后位置均设置一个辅助轮升降机构，两个辅助轮升降机构对称分布。

以下就位于前部的辅助轮升降机构的安装方式具体说明，位于后部的辅助轮升降机构的安装方式与位于前部的辅助轮升降机构的安装方式相同。具体的，如图3-6所示，在底座10上固定有两个前部支架，将第一销轴水平穿设在两个前部支架之间，在底座10上还固定有两个后部支架，将第四销轴穿设在两个后部支架之间。

电动推杆9位于底座10的上方，固定座5固定在底座10的下部，第一连杆2绕过底座10的前部边缘后延伸至底座10的下方，支撑连杆3位于位于底座10的下方。其中，第一连杆2和第二连杆8错开设置，即第一连杆2和第二连杆8连接在支撑轴1上的不同位置。支撑轴1沿底座10的左右方向水平延伸，固定座5内的直线滑槽6沿底座10的前后方向水平延伸。

本实施例中，轮式机器人还包括用于控制动力组件动作的控制器和用于检测辅助轮4是否与地面接触的传感器，传感器的信号输出端与控制器的接触信号输入端连接。当传感器检测到辅助轮4与地面接触时，将信号传递给控制器，控制器控制动力组件停止工作，从而使辅助轮4保持在当前位置。由于设有传感器，可使辅助轮4与地面充分接触，进而使机器人保持平衡，防止倾倒。

本实施例中，传感器为压力传感器。

为了实现减震，在左车轮11与底座10之间设置减震器，在右车轮12与底座10之间也设置减震器。

在一些其他实施例中，也可仅在底座10上设置一个辅助轮升降机构，该辅助轮升降机构可位于底座10的前部，也可位于底座10的后部。

本实施例中的电动推杆9、第二连杆8、第一连杆2和支撑连杆3构成四连杆机构，配合固定座5上的直线滑槽6，让滚轮7实现直线运动，从而带动支撑连杆3以实现辅助轮4的升降功能。升起时辅助轮4能够回收到机器人的机身内，不影响机器人外观整体效果；落下时辅助轮4向外移动，保证距左车轮11/右车轮12具有足够的距离，使机器人更加稳定。

轮式机器人发生倾倒后，电动推杆9收缩，使辅助轮4落下与地面发生充分接触，使机身起来，达到能够正常行走后，辅助轮4收起。当轮式机器人失去平衡，电动推杆9收缩，使前后辅助轮4同时落下，防止轮式机器人倾倒，待机身恢复平衡，达到能够正常行走后，辅助轮4收起。轮式机器人在行走过程中，通过辅助轮4上的压力传感器来控制电动推杆9的动作，保证辅助轮4与任何路面充分接触，在两轮行走与四轮行走之间进行无缝转换，保证机器人平稳的驻停和自动充电。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。