专利名称：移动机器人自动复位机构的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种新型的机器人移动装置，特别是一种具有独特功能的能自动恢复正常姿态的地面推进机构。
移动式机器人是一类具有广泛应用背景的机器人，其典型的行走机构形式有车轮式、履带式和腿足式等。它们分别有各自的特点，适应于相应的工作场合。
对于未知星球表面探索、水底行走、火山口附近考察等极限环境中移动作业的机器人系统，有时面临由于机器人和环境的相互作用(地面崎岖、风载荷、水下暗流、缆绳摇曳等)超出机器人保持平衡的极限范围，从而导致移动机器人发生倾覆。传统的移动机器人是在一个机架上安装某一种形式的行走机构，一旦发生倾覆便会丧失工作能力，给作业任务带来巨大损失。因此，很有必要研究移动机器人发生倾覆后的自动复位(简称自位)的机构实现问题。
与本发明较接近的现有技术是美国喷气推进实验室1992年报道的拟用于火星表面行走的小型车轮式漫游机器人“Go-For”(见B.H.Wilcox.Robotic vehiclefor planetary exploration，Jounal of Applied Intelligence，No.2 1992181-193)，它的四个车轮分别被装在相对于机器人本体可以转动的四根叉杆上。当机器人发生倾覆后，利用叉杆的适当转动可以在机器人本体倾覆状态下使车轮返回到地面。这项现有技术存在技术上的不足，即倾覆后移动机器人虽然可以使车轮重新转到着地状态，继续有行走能力，但车体的姿态没有得到恢复，因此原先在车体上安装的操作或观察装置无法正常工作。
本发明的目的是提供一种新的结构形式，克服传统移动机器人技术和现有自动复位机器人技术的不足，实现移动机器人真正意义上的自动复位功能，即不仅能使机器人的行走机构(车轮、履带或腿足等)恢复到正常状态，而且还能恢复机器人本体的姿态。
本发明是在由三个车体组成的移动机器人行走系统中，在三个车体间设置七个由电机驱动的旋转关节(称为自位关节)。当机器人发生倾覆后，利用自位关节的动作对各车体依次进行复位。这种自位关节的应用不受移动机器人行走机构形式的限制，可分别应用与车轮式、履带式、腿足式等移动机器人中，形成车轮式自动复位机器人、履带式自动复位机器人、腿足式自动复位机器人和其他形式的自动复位机器人。
具有自动复位功能的移动机器人有三个车体(前车A、中车B、后车C)组成、各车体间共用七个自位关节相连。其中两个自位关节(第二、第三自位关节)设置在移动机器人的前车A和中车B之间，另两个自位关节(第五、第六自位关节)设置在移动机器人的中车B和后车C之间，还有三个自位关节(第一、第四和第七自位关节)分别设置在前车A、中车B、后车C上(参见图3)。正常行走状态时自位关节仅起连接各车架的作用。
第一自位关节由驱动电机11、减速元件12和13、关节转轴14和叉架15组成。驱动电机11和支承减速元件12的轴承(图中未示出)固定在叉架15上。关节转轴14与叉架15可相对转动，叉架15与前车体底板16固定连接。
第二自位关节由驱动电机21、减速元件22和23、关节转轴24和支承架25和叉架26组成。驱动电机21和支承减速元件22的轴承(未示出)固定在支承架25上。叉架26与关节转轴24固定连接可以相对于支承架25转动，同时叉架26还与第一自位关节的关节转轴14固定连接。
第三自位关节由驱动电机31、减速元件32和33、关节转轴34、支承架35和叉架36组成。驱动电机31和支承减速元件32的轴承(未示出)固定在支承架35上。叉架36与关节转轴34固定连接可以相对于支承架35转动，同时叉架36还与第四自位关节的关节转轴44固定连接。支承架35与第二自位关节的支承架25固定连接。
第四自位关节由驱动电机41、减速元件42和43、关节转轴44和叉架45组成。驱动电机41和支承减速元件42的轴承(未示出)固定在叉架45上。叉架45与关节转轴44可相对转动，叉架45与中车体底板46固定连接。
第五自位关节由驱动电机51、减速元件52和53、关节转轴54、支承架55和叉架56组成。驱动电机51和支承减速元件52的轴承(未示出)固定在支承架55上。叉架56与关节转轴54固定连接可以相对于支承架55转动，同时叉架56还与第四自位关节的关节转轴44固定连接。
第六自位关节由驱动电机61、减速元件62和63、关节转轴64和支承架65和叉架66组成。驱动电机61和支承减速元件62的轴承(未示出)固定在支承架65上。叉架66与关节转轴64固定连接可以相对于支承架65转动，同时叉架66还与第七自位关节的关节转轴74固定连接。支承架65与第五自位关节的支承架55固定连接。
第七自位关节由驱动电机71、减速元件72和73、关节转轴74和叉架75组成。驱动电机71和支承减速元件72的轴承(图中未示出)固定在叉架75上。关节转轴74与叉架75可相对转动，叉架75与底板76固定连接。
上述移动机器人自动复位机构中，实现相邻两车体间相对运动的三个自位关节在零位(即正常直线行走状态，如图3所示)时其轴线呈正交布置，即第一、二、三自位关节的三条转动轴线中相邻两条相互垂直，因此通过电机11、21、31驱动这三个自位关节可以实现前车A相对于中车B的滚转、俯仰和偏摆运动。用于前车A的复位；第七、六、五自位关节的三条转动轴线中相邻两条相互垂直，因此通过电机71、61、51驱动这三个自位关节可以实现后车C相对于中车B的滚转、俯仰和偏摆运动。用于后车C的复位。
第四自位关节的转动轴线与第三、五自位关节转动轴线相垂直。通过电机驱动第四自位关节实现中车B的复位。
移动机器人自动复位机构的七个自位关节由前向后的顺序排列符合如下特定规律第一、第四、第七个自位关节为机器人纵轴线方向的滚转关节，第二、第三自位关节分别实现俯仰和偏摆动作(此两关节排列顺序允许互换)，第五、第六自位关节分别实现偏摆和俯仰动作(此两关节排列顺序允许互换)。
当机器人实施从仰翻状态到正常状态的复位后，自动复位前后自位关节中负责俯仰和偏摆动作的关节没有发生变化。而当机器人实施从侧翻状态到正常状态的复位后，自动复位前后自位关节中负责俯仰和偏摆动作的关节互换了位置，因此实际复位前需要判别倾覆状态下的机器人第二和第三(第五和第六)自位关节轴线哪个处于俯仰位置。
在上述结构中，驱动电机之后的减速元件可以是图3所示的蜗轮蜗杆减速装置，也可以用其他类型的减速装置。
在图3中第二和第三自位关节(或第五和第六自位关节)的转轴是不相交的机构。也可以采用轴线相交的关节机构，这时实现滚转、俯仰和偏摆的三个关节(第一、二、三关节，或第五、六、七关节)的轴线交于一点，如图2中的情况。
本发明的积极效果在于将地面推进类机器人的自动化程度又提高了一步，工作状态中的机器人一旦发生倾覆(仰翻或侧翻)时，应用本技术方案，用控制电机驱动自位关节能自动复位，将机器人调整到正常的工作状态，保证的正常工作的进行。
图1所示为车轮式自动复位机器人从仰翻状态恢复到正常状态的自动复位过程示意图。
图2所示为腿足式自动复位机器人分别从仰翻状态和侧翻状态实现自动复位的过程。(a)由仰翻态复位、(b)由侧翻态复位。
图3所示为应用本发明自动复位机构的车轮式移动机器人的传动和基本结构示意图。
下面结合实施例对图1和图3中的移动机器人从仰翻状态恢复正常状态的的自动复位动作过程作进一步详细描述(a)驱动电机21通过蜗杆22和蜗轮23带动轴24转动，从而驱动与轴24固联的叉架26连同前车A一起绕轴24转动，使仰翻状态的前车A抬离地面；(b)驱动电机11通过蜗杆12和蜗轮13，使前车A中的车板16、车轮17、叉架15、电机11和蜗杆12一起，绕蜗轮13的轴14回转180°复位；(c)驱动电机21转动使前车A绕轴24转动，到车轮17着地为止；(d)驱动电机61通过蜗杆62和蜗轮63带动轴64转动，从而驱动与轴64固联的叉架66连同后车C一起绕轴64转动，将仰翻状态的后车C抬离地面；(e)驱动电机71通过蜗杆72和蜗轮73，使后车C中的车板76、车轮77、叉架75、电机71和蜗杆72绕蜗轮73的轴74回转180°复位；(f)电机61转动使后车C上的车轮77着地；(g)电机21和电机61同时转动将仰翻状态的中车B抬离地面；(h)电机41通过蜗杆42和蜗轮43，使中车B中的车板46、车轮47、叉架45、电机41和蜗杆42一起，绕蜗轮43的轴44回转180°复位；(i)电机21和电机61同时转动使中车B上的车轮47接触地面；(j)完成自动复位过程。
对于从侧翻状态到正常状态的复位，需要利用电机31和电机51分别驱动第三和第五自位关节将前车A、后车C抬离地面(而第二、六自位关节无需运动)，整个复位过程与以上描述的过程类似。
权利要求
1.一种移动机器人自动复位机构，其特征是移动机器人有三个车体(前车A、中车B、后车C)组成、各车体间共有七个由电机通过减速装置驱动的旋转关节(简称自位关节)相连。其中两个自位关节(第二、第三自位关节)设置在移动机器人的前车A和中车B之间，另两个自位关节(第五、第六自位关节)设置在移动机器人的中车B和后车C之间，还有三个自位关节(第一、第四和第七自位关节)分别设置在前车A、中车B、后车C上。
2.按权利要求1所述的移动机器人自动复位机构，其特征在于它的七个自位关节由前向后的顺序排列应满足第一、第四和第七自位关节为机器人的滚转关节，第二、第三自位关节分别实现俯仰和偏摆动作(此两关节排列顺序允许互换)，第五、第六自位关节分别实现俯仰和偏摆动作(此两关节排列顺序允许互换)；
3.按权利要求1所述的移动机器人自动复位机构，其特征在于在零位(正常直线行走状态)时实现相邻两车体间相对运动的三个自位关节(第一、二、三关节或第五、六、七关节)的轴线呈正交布置；
4.按权利要求1所述的移动机器人自动复位机构，它的第一、二、三关节(或第五、六、七关节)可以是一个三轴线交于一点的三自由度关节。
全文摘要
本发明提供了一种移动机器人自动复位机构,突破了传统的移动机器人机构技术,利用在移动机器人三个车体间按正交方式设置七个由电机驱动的自位关节的方法,以实现移动机器人从倾覆状态(仰翻或侧翻)到正常行走状态的自动复位功能。基于这种自动复位机构的移动机器人(无论以车轮、履带或腿足作为行走机构)能够有效的应用于许多极限条件的场合(如未知星球表面探索、火山口附近考察、水底行走作业等),并保证正常工作。
文档编号B25J9/18GK1259420SQ9812285
公开日2000年7月12日 申请日期1998年12月18日 优先权日1998年12月18日
发明者苏建良, 钱晋武, 何永义, 程维明, 沈耀宗, 顾建峰 申请人:上海大学