一种小型地面移动机器人的底盘结构的制作方法
【专利摘要】本实用新型涉及一种小型地面移动机器人的底盘结构。该底盘结构可以根据功能模块分为行星轮系传动模块、前行走腿、中间行走腿、后行走腿、平行四边形连杆机构、车身共六个部分。本实用新型解决了以轮式底盘运行的小型地面移动机器人越障能力弱，路面适应能力差的缺陷，同时通过结合主动、被动两种越障形式，解决了基于连杆机构运行的机器人不能进行跨沟，会出现运行死点导致失效的问题，使得该小型地面移动机器人具有良好的路面适应力，针对城市街道、草地、山地、台阶、沟渠等路况都有良好的通过性。
【专利说明】一种小型地面移动机器人的底盘结构
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及一种小型地面移动机器人(SUGV)的底盘结构。
【背景技术】
[0002]随着机电一体化技术的发展，机器人在我们的生产，生活，军事等方面的应用越来越广泛，SUGV (Small Unmanned Ground Vehicle)应运而生。用于未知地域探测,军事侦察，火场探测等危险作业的小型地面移动机器人，以其生存能力强、体积小、成本低、运动灵活等特点成为地面移动机器人研究领域的一大热点。随着相关技术日益成熟，小型地面移动机器人在近些年越来越多地应用于军事、警备领域，并同时逐渐向科学探测，工业生产等多个领域发展。然而，地面移动机器人的小型化和越障能力之间的矛盾一直是它走向实用化的制约条件。
[0003]经过对现有技术的检索发现，目前诸多较为成熟的小型地面移动机器人(SUGV)可以分为轮式、履带式、腿式、复合式底盘运行结构。它们各自存在自己的缺陷:轮式越障能力差、路面适应能力弱；履带式耗能高、磨损大、越障过程有较大的起伏，不平稳；腿式控制复杂、速度慢；复合式结构可能会存在运行死点，导致机构失效，有些不能进行跨沟。
[0004]综上所述，现有公布的专利都没有较好地解决以下问题:确保高效、高速运行的同时、保证小型地面移动机器人具有良好的路面适应能力，优良的越障能能力；一套合理的结构，不会轻易出现死点、能够适应多种路面(台阶、凹凸路面、沟渠等)。
【发明内容】
[0005]发明目的:针对传统的小型地面移动机器人运载底盘存在的多种缺点，本发明将提供一种运行高效、平稳，路面适应能力好，可以进行爬坡、越野、上楼、跨沟等运动的新型小型地面移动机器人的运载底盘结构。
[0006]为了达到上述目的，本实用新型采取的技术方案是:一种小型地面移动机器人的底盘结构，包括机械本体结构和控制系统，其特征在于，所述机械本体机构有前行走腿、中间行走腿、后行走腿、平行四边形连杆机构和车身组成；所述前行走腿和所述中间行走腿均与所述平行四边形连杆结构连接，所述后行走腿和所述平行四边形连杆结构均与所述车身连接；所述前行走腿分为相同的两组，每组所述前行走腿由行星轮系传动模块、前行走腿支架、行走轮、行走轮支架和直流减速电机组成；其中，所述行走轮与所述行走轮支架连接，所述行走轮支架、所述行星轮系转动模块和所述直流电动机均与所述前行走腿支架连接，所述前行走腿支架与所述平行四边形连杆结构连接；所述中间行走腿分为相同的两组，每组所述中间行走腿由普通车轮、中间行走腿支架、行走轮、行走轮支架和直流减速电机组成；其中，所述行走轮与所述行走轮支架连接，所述直流电动机与所述普通车轮连接，所述普通车轮和所述行走轮支架均与所述中间行走腿支架连接，所述中间行走腿支架与所述平行四边形连杆结构连接；所述后行走腿分为相同的两组，每组所述后行走腿由行星轮系传动模块、后行走腿支架、行走轮、行走轮支架和直流减速电机组成；其中，所述行走轮与所述行走轮支架连接，所述行走轮支架、所述行星轮系转动模块和所述直流电动机均与所述后行走腿支架连接，所述后行走腿支架与所述车身连接；所述车身由车架、车厢、底盖和两台相同的蜗轮蜗杆减速电机组成，所述车厢与所述车架连接，所述底盖与所述车厢连接，所述蜗轮蜗杆减速电机固定在所述车架上，且所述蜗轮蜗杆减速电机分别通过所述后行走腿支架与所述后行走腿连接。所述平行四边形连杆结构由平行四边形机架、中间机架和四台相同的蜗轮蜗杆减速电机组成，四台所述蜗轮蜗杆减速电机固定在所述平行四边形机架上，且与所述前行走腿相对应的两台所述蜗轮蜗杆减速电机分别通过所述前行走腿支架与所述前行走腿连接，与所述中间行走腿相对应的两台所述蜗轮蜗杆减速电机分别通过所述中间行走腿支架与所述中间行走腿连接，所述平行四边形机架通过所述中间机架与所述车身连接；所述行星轮系传动模块由车轮、齿轮系和行星轮系支架组成，所述齿轮系通过所述行星轮系支架固定后与所述车轮连接，所述齿轮系与所述直流电动机连接.其中，所述行星轮系传动模块和所述普通车轮由所述直流减速电机控制，所述前行走腿、所述中间行走腿和所述后行走腿由所述蜗轮蜗杆减速电机控制。
[0007]进一步的，所述控制系统由主控模块、电机驱动模块和无线遥控模块组成；所述直流减速电机和所述蜗轮蜗杆减速电机与所述电机驱动模块相连接，所述电机驱动模块与所述主控模块相连接，所述主控模块与所述无线遥控模块相连接。
[0008]进一步的，所述行走轮是被动轮。
[0009]进一步的，所述电机驱动模块为L298N电机驱动器，所述电机驱动模块有6个，3个与所述直流减速电机连接，每个所述电机驱动模块可以驱动两台所述直流减速电机；3个与所述蜗轮蜗杆减速电机连接，每个所述电机驱动模块可以驱动两台所述蜗轮蜗杆减速电机。
[0010]进一步的，所述主控模块为单片机。
[0011]进一步的，所述主控模块、所述电机驱动模块与所述无线遥控模块置于所述车身上。
[0012]本实用新型的技术效果:该小型地面移动机器人的底盘结构结合多方优势，同时具备了以下优点(I)该地面移动机器人即保留了轮式底盘运行时高效、快速的特点，又具备腿式底盘运行时强大的越障能力，同时拥有履带式良好的路面时应性。垂直越障高度可以达到300mm (3倍轮高)或以上。(2)结合了“被动”和“主动”的越障形式，在运行过程中，不易出现死点，可以通过壕沟，台阶等典型障碍。(3)具有自动调整姿态的能力，路面贴合能力好，运行过程平稳，不易出现震荡等现象，适合搭载精密仪器等以拓展该地面移动机器人的功能。(4)控制原理简单，操作方便。(5)各个部分容易实现模块化，方便维修，实用性好。
【专利附图】
【附图说明】
[0013]图1:一种小型地面移动机器人的底盘结构的整体结构图；
[0014]图2: —种小型地面移动机器人的底盘结构的星轮系整体结构图；
[0015]图3:—种小型地面移动机器人的底盘结构的前行走腿整体结构图；
[0016]图4:一种小型地面移动机器人的底盘结构的中间行走腿整体结构图；
[0017]图5:—种小型地面移动机器人的底盘结构的后行走腿整体结构图；
[0018]图6: —种小型地面移动机器人的底盘结构的平行四边形连杆机构整体结构图；
[0019]图7:—种小型地面移动机器人的底盘结构的车体整体结构图；
[0020]图8:一种小型地面移动机器人的底盘结构的控制系统示意图；
[0021]图9:一种小型地面移动机器人的底盘结构的翻越垂直障碍分解图；
[0022]图10:—种小型地面移动机器人的底盘结构的运行过程流程图；
[0023]其中:1、行星轮系传动模块；2、前行走腿；3、中间行走腿；4、后行走腿；5、平行四边形连杆机构；6、车身；7、车轮；8、齿轮系；9、行星轮系支架；10、行走轮支架；11、行走轮；12、前行走腿支架；13、直流减速电机；14、普通车轮；15、中间行走腿支架；16、后行走腿支架；17、平行四边形机架；18、中间机架；19、蜗轮蜗杆减速电机；20、车架；21、车厢；22、底盖；
【具体实施方式】
[0024]下面结合附图，进一步阐述本实用新型。一种小型地面移动机器人的底盘结构，包括机械本体结构和控制系统，所述机械本体机构有前行走腿2、中间行走腿3、后行走腿4、平行四边形连杆机构5和车身6组成；所述前行走腿2和所述中间行走腿3均与所述平行四边形连杆结构5连接，所述后行走腿4和所述平行四边形连杆结构5均与所述车身6连接；所述前行走腿2分为相同的两组，每组所述前行走腿2由行星轮系传动模块1、前行走腿支架12、行走轮11、行走轮支架10和直流减速电机13组成；其中，所述行走轮11与所述行走轮支架10连接，所述行走轮支架10、所述行星轮系转动模块I和所述直流电动机13均与所述前行走腿支架12连接，所述前行走腿支架12与所述平行四边形连杆结构5连接；所述中间行走腿3分为相同的两组，每组所述中间行走腿3由普通车轮14、中间行走腿支架15、行走轮11、行走轮支架10和直流减速电机13组成；其中，所述行走轮11与所述行走轮支架10连接，所述直流电动机13与所述普通车轮14连接，所述普通车轮14和所述行走轮支架10均与所述中间行走腿支架15连接，所述中间行走腿支架15与所述平行四边形连杆结构5连接；所述后行走腿4分为相同的两组，每组所述后行走腿4由行星轮系传动模块1、后行走腿支架16、行走轮11、行走轮支架10和直流减速电机13组成；其中，所述行走轮11与所述行走轮支架10连接，所述行走轮支架10、所述行星轮系转动模块I和所述直流电动机13均与所述后行走腿支架16连接，所述后行走腿支架16与所述车身6连接；所述车身由车架20、车厢21、底盖22和两台相同的蜗轮蜗杆减速电机19组成，所述车厢21与所述车架20连接，所述底盖22与所述车厢21连接，所述蜗轮蜗杆减速电机19固定在所述车架20上，且所述蜗轮蜗杆减速电机19分别通过所述后行走腿支架16与所述后行走腿4连接。所述平行四边形连杆结构5由平行四边形机架17、中间机架18和四台相同的蜗轮蜗杆减速电机19组成，四台所述蜗轮蜗杆减速电机19固定在所述平行四边形机架17上，且与所述前行走腿2相对应的两台所述蜗轮蜗杆减速电机19分别通过所述前行走腿支架12与所述前行走腿2连接，与所述中间行走腿3相对应的两台所述蜗轮蜗杆减速电机19分别通过所述中间行走腿支架15与所述中间行走腿3连接，所述平行四边形机架5通过所述中间机架18与所述车身6连接；所述行星轮系传动模块I由车轮7、齿轮系8和行星轮系支架9组成，所述齿轮系8通过所述行星轮系支架9固定后与所述车轮7连接，所述齿轮系8与所述直流电动机13连接；所述控制系统由主控模块、电机驱动模块和无线遥控模块组成；所述直流减速电机13和所述蜗轮蜗杆减速电机19与所述电机驱动模块相连接，所述电机驱动模块与所述主控模块相连接，所述主控模块与所述无线遥控模块相连接。所述行走轮11是被动轮。所述电机驱动模块为L298N电机驱动器，所述电机驱动模块有6个，3个与所述直流减速电机13连接，每个所述电机驱动模块可以驱动两台所述直流减速电机13 ；3个与所述蜗轮蜗杆减速电机19连接，每个所述电机驱动模块可以驱动两台所述蜗轮蜗杆减速电机19。所述主控模块为单片机。所述主控模块、所述电机驱动模块与所述无线遥控模块置于所述车身6上。
[0025]本实用新型的控制系统操作原理如图8所示:为了确保平行四边形连杆结构5和行星轮系传动模块I能够相互配合实现该地面移动机器人的正常行走和越障以及行走腿位姿的调节来实现跨沟和避免连杆机构运行死点。该地面移动机器人的底盘结构有12个电机需要控制。其中有6个是控制行走腿的蜗轮蜗杆减速电机19，6个是直接输出动力给太阳轮(行星轮系传动模块)和车轮2的直流减速电机13。这里将采用半自动手动遥控的方式来对该小型地面移动机器人的底盘结构进行控制。主控模块的控制芯片使用的是单片机。电机驱动模块利用L298N芯片作为模块的核心，共有6个电机驱动模块，其中每个电机驱动模块可以驱动两台直流电动机13和两台蜗轮蜗杆减速电机19。利用无线遥控模块将控制信号手动传递给单片机，单片机经过处理输出相应的高低电平给电机驱动模块来驱动相应的电动机动作实现该小型地面移动机器人的底盘结构的运行。以该小型地面移动机器人的底盘结构为运载平台，能够开发出一系列的辅助功能，可以通过添加相应的扩展模块来丰富该小型地面移动机器人的底盘结构的功能，这里就不在赘述。
[0026]蜗轮蜗杆减速电机的操作过程是:蜗轮蜗杆减速电机19经电机驱动模块驱动后，蜗轮蜗杆减速电机19的输出轴通过六边形的联轴器和行走腿相连接，蜗轮蜗杆减速电机19的旋转带动行走腿旋转，从而调整位姿行走腿的位姿。当行走腿旋转到水平位置的时候，行走轮11就会触地，这样整个车体的高度就降低了。尤其，在进行跨沟运动时，行走腿会被放平，还要求沟的宽度大于行走腿的有效长度，从而行走腿不会因为重力的作用下掉进沟里，这样整个机构就失效了。
[0027]下面结合图9对本实用新型攀越垂直障碍过程进行说明，越障过程可分解为以下7个状态。
[0028]状态一:该状态机器人在水平路面上的行驶，直流减速电机13带动行星轮系传动模块I与普通车轮2旋转，在重力作用下，行星轮系支架9不会发生翻转，以定轴轮系的形式传动。
[0029]状态二:该状态为机器人前行走腿2的车轮7触碰到竖直障碍，车轮7发生堵转，行星轮系传动模块I从先前的定轴轮系传动形式向行星轮系传动形式转化，在直流减速电机13的作用下，整个行星轮系支架9准备向前翻转。
[0030]状态三:该状态下，前行走腿2的车轮7已经翻转完毕，前行走腿2的车轮7被中间行走腿3的普通车轮14和后行走腿4的车轮7产生的推力压紧在台阶上，依靠自身的动力脱离水平地面的支撑，准备向上攀爬。
[0031]状态四:该状态为攀越台阶时，平行四边形机架17的横杆达到最大仰角的姿态。此时由于平行四边形机架17的仰角约束，中间行走腿3的普通车轮14被提升抬高，脱离水平地面的约束。因此，它所产生的动力也就失效了。车体可以简化看做是由前行走腿2的车轮7和后行走腿4的车轮7组成的单节底盘，由后行走腿4的车轮7提供的水平推力将前轮压紧在台阶的竖直面上。前行走腿2的车轮7靠自身动力和后行走腿4的车轮7提供的推力在竖直方向上的分量向上爬升。
[0032]状态五:该状态为中间行走腿3的普通车轮14接触到台阶的竖直面，依靠车体前进提供的推力被压紧在接触面上，通过直流减速电机13的驱动，产生向上攀爬的动力，平行四边形机架17的横杆的仰角约束在此时开始失效。
[0033]状态六:该状态为后行走腿4的车轮7接触到台阶的竖直面，后行走腿4的车轮7发生堵转，行星轮系传动模块I从先前的定轴轮系传动形式向行星轮系传动形式转化，在直流减速电机的作用下，整个行星轮系支架9准备向前翻转。
[0034]状态七:该状态下，后行走腿4的车轮7已经翻转完毕，后行走腿4的车轮7在牵引力的作用下被压紧在台阶上，依靠自身的动力脱离水平地面的支撑，准备向上攀爬。
[0035]最后为该小型地面移动机器人成功越过障碍，运行方式再次回到状态一。
[0036]结合图10所示，该小型地面移动机器人的底盘结构运行过程是:
[0037](I)先要针对路面情况进行有效的分析；(2)当路面为一般连续路面(如城市街道、公园草地，山地，台阶等)时，如果在运行过程中没有出现死点导致机构失效的情况下，整个运行过程无需做出任何调整。在行星轮系传动模块I和平行四边形连杆机构5的共同作用下，该小型地面移动机器人的底盘结构能够很好的与路面进行贴合，运行平稳有效，控制简单方便，只要调整车体的方向即可(障碍物的竖直高度不大于300_) ； (3)当路面为一般连续路面(如城市街道、公园草地，山地，台阶等)时，如果在运行过程中出现死点，可以通过控制相应的蜗轮蜗杆减速电机19调整行走腿的位姿来越过死点，确保机构不再失效，从而达到继续运行的目的；(4)当遇到沟渠等不连续路面的路况时，需要通过控制相应的蜗轮蜗杆减速电机19调整行走腿的位姿，使得它放平降低车体高度，进行跨沟，沟的宽度要小于行走腿的有效长度。
【权利要求】
1.一种小型地面移动机器人的底盘结构，包括机械本体结构和控制系统，其特征在于，所述机械本体机构有前行走腿(2)、中间行走腿(3)、后行走腿(4)、平行四边形连杆机构(5)和车身(6)组成；所述前行走腿(2)和所述中间行走腿(3)均与所述平行四边形连杆结构(5)连接，所述后行走腿(4)和所述平行四边形连杆结构(5)均与所述车身(6)连接；所述前行走腿(2)分为相同的两组，每组所述前行走腿(2)由行星轮系传动模块(I)、前行走腿支架(12)、行走轮(11)、行走轮支架(10)和直流减速电机(13)组成；其中，所述行走轮(11)与所述行走轮支架(10 )连接，所述行走轮支架(10 )、所述行星轮系转动模块(I)和所述直流电动机(13)均与所述前行走腿支架(12)连接，所述前行走腿支架(12)与所述平行四边形连杆结构(5)连接；所述中间行走腿(3)分为相同的两组，每组所述中间行走腿(3 )由普通车轮(14 )、中间行走腿支架(15)、行走轮(11)、行走轮支架(10 )和直流减速电机(13)组成；其中，所述行走轮(11)与所述行走轮支架(10)连接，所述直流电动机(13)与所述普通车轮(14)连接，所述普通车轮(14)和所述行走轮支架(10)均与所述中间行走腿支架(15)连接，所述中间行走腿支架(15)与所述平行四边形连杆结构(5)连接；所述后行走腿(4)分为相同的两组，每组所述后行走腿(4)由行星轮系传动模块(I)、后行走腿支架(16)、行走轮(11)、行走轮支架(10)和直流减速电机(13)组成；其中，所述行走轮(11)与所述行走轮支架(10)连接，所述行走轮支架(10)、所述行星轮系转动模块(I)和所述直流电动机(13)均与所述后行走腿支架(16)连接，所述后行走腿支架(16)与所述车身(6)连接；所述车身由车架(20 )、车厢(21)、底盖(22 )和两台相同的蜗轮蜗杆减速电机(19 )组成，所述车厢(21)与所述车架(20 )连接，所述底盖(22 )与所述车厢(21)连接，所述蜗轮蜗杆减速电机(19)固定在所述车架(20)上，且所述蜗轮蜗杆减速电机(19)分别通过所述后行走腿支架(16)与所述后行走腿(4)连接；所述平行四边形连杆结构(5)由平行四边形机架(17)、中间机架(18)和四台相同的蜗轮蜗杆减速电机(19)组成，四台所述蜗轮蜗杆减速电机(19)固定在所述平行四边形机架(17)上，且与所述前行走腿(2)相对应的两台所述蜗轮蜗杆减速电机(19 )分别通过所述前行走腿支架(12)与所述前行走腿(2 )连接，与所述中间行走腿(3)相对应的两台所述蜗轮蜗杆减速电机(19)分别通过所述中间行走腿支架(15)与所述中间行走腿(3)连接，所述平行四边形机架(5)通过所述中间机架(18)与所述车身(6 )连接；所述行星轮系传动模块(I)由车轮(7 )、齿轮系(8 )和行星轮系支架(9 )组成，所述齿轮系(8 )通过所述行星轮系支架(9 )固定后与所述车轮(7 )连接，所述齿轮系(8 )与所述直流电动机(13)连接。
2.根据权利要求1所述的一种小型地面移动机器人的底盘结构，其特征在于，所述控制系统由主控模块、电机驱动模块和无线遥控模块组成；所述直流减速电机(13)和所述蜗轮蜗杆减速电机(19 )与所述电机驱动模块相连接，所述电机驱动模块与所述主控模块相连接，所述主控模块与所述无线遥控模块相连接。
3.根据权利要求1所述的一种小型地面移动机器人的底盘结构，其特征在于，所述行走轮(11)是被动轮。
4.根据权利要求2所述的一种小型地面移动机器人的底盘结构，其特征在于，所述电机驱动模块为L298N电机驱动器，所述电机驱动模块有6个，3个与所述直流减速电机(13)连接，每个所述电机驱动模块可以驱动两台所述直流减速电机(13 ); 3个与所述蜗轮蜗杆减速电机(19 )连接，每个所述电机驱动模块可以驱动两台所述蜗轮蜗杆减速电机(19 )。
5.根据权利要求2或4所述的一种小型地面移动机器人的底盘结构，其特征在于，所述主控模块为单片机。
6.根据权利要求4所述的一种小型地面移动机器人的底盘结构，其特征在于，所述主控模块、所述电机驱动模块与所述无线遥控模块置于所述车身(6)上。
【文档编号】B60K17/06GK204184489SQ201420432629
【公开日】2015年3月4日 申请日期:2014年8月4日 优先权日:2014年8月4日
【发明者】费蓝冰, 楼飞 申请人:江苏大学