一种适用于复杂环境的换向系统及机器人及应用及方法与流程

本发明属于先进制造与自动化技术领域，具体说是一种适用于复杂环境的换向系统及机器人及应用及方法。

背景技术：

目前，万向轮的应用颇为广泛，可以360度自由转动，在正常地面(即平稳路面)上行走时可以很方便的转向，但其在遇到障碍如台阶等则无法行驶，只能靠人工搬抬，不仅不容易操作，还耗费大量人力，大大限制了万向轮转向系统的应用。如何提高万向轮转向系统在有各种障碍的复杂环境中的行驶成为亟待解决的问题。

随着越来越多的机器人投入到野外复杂环境的工作中，如何提高其对复杂环境的适应能力，成为衡量机器人性能的重要指标。目前市面上的机器人大多采用轮式驱动、万向轮转向的移动方式，但是这种轮式移动方式在户外运行时面临很多的障碍，如水管、沟道、台阶等，驱动轮可以行驶过障碍，但是万向轮往往被水管挡住，或者陷入到沟道中，所以如何使此种轮式机器人行驶过这些障碍是目前面临的一个难题。

技术实现要素：

本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种适用于复杂环境的换向系统，此系统通过设置电磁离合式万向轮转向控制系统，可以在复杂环境中轻松越过障碍，提高万向轮的应用环境，为使用万向轮的机构越过障碍提供可能。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种适用于复杂环境的换向系统，包括底盘，所述底盘一侧设置驱动轮，底盘另一侧设置万向轮；所述万向轮上部与电磁离合器连接，所述电磁离合器的定子和转子之间设置定位转动装置，定位转动装置在电磁离合器通电时使转子自动转动至设定位置。万向轮与电磁离合器配合，在正常路面行驶时，电磁离合器断电，万向轮自由转动；当遇到障碍时，电磁离合器通电，转子和定子吸合，同时定位转动装置使转子自动转动至设定位置，万向轮随之转向，不会被障碍挡住，使底盘可以顺利通过障碍。

所述定位转动装置包括设置于定子下端部的至少一个定向滑道，所述转子上端部设有与定向滑道配合的至少一个定位滚珠，所述定向滑道在至少一个设定位置设有限位槽，定位滚珠在定子和转子吸合时自动转动至限位槽完成定位。通过设置定向滑道和定位滚珠，在电磁离合器通电时定位滚珠可沿定向滑道转动至限位槽内，轻松完成万向轮的定位，使万向轮不能再发生转动，只能定向行驶。

所述定向滑道沿定子下端面以圆弧形设置，圆弧形定向滑道的圆心与定子圆心同心；方便定位滚珠沿其滑动，万向轮可以转动至设定位置，将其圆心与定子圆心同心设置，保证转子转动过程不会发生偏差。

优选的，所述定向滑道倾斜设置，定向滑道于限位槽处位置最高；定向滑道倾斜设置，在定子和转子的吸合力下，定位滚珠可沿其轻松的滑入限位槽。

优选的，所述底盘设置驱动轮的一侧还安装有障碍物识别装置，所述障碍物识别装置与控制器连接，控制器与电磁离合器连接；可以采用但不限于超声识别、双目识别等。设置障碍物识别装置，可以提前识别换向系统前方的障碍物，辅助电磁离合器提前做好跨越障碍的准备，可自动控制万向轮快速方便的越过障碍。

所述万向轮通过连接件与转子固定连接，所述驱动轮与动力装置连接；万向轮与转子固定，电磁离合器通电转子转动时会带动万向轮转动至设定位置；由动力装置带动驱动轮行走。

所述定子上部与弹簧片固定连接，所述定子内部设置磁性线圈；设置磁性线圈和弹簧片结构，实现电磁离合器转子和定子的离合。

本发明还提供一种机器人，包括上文所述的换向系统。该换向系统具有在复杂环境下使机器人底盘顺利通过障碍的功能，在保证机器人结构紧凑的前提下，提高了其应对复杂环境的能力。

本发明还提供一种适用于复杂环境的换向系统在推车或轮椅上的应用。

本发明还提供一种适用于复杂环境的机器人换向系统的工作方法，包括以下步骤：

当底盘在正常路面行驶时，电磁离合器断电，万向轮自由转动，驱动轮带动底盘行走并利用差速进行转向；

当底盘行驶遇到障碍时，电磁离合器通电，定位转动装置使转子自动转动至设定位置，并保持在该设定位置，万向轮与驱动轮相平行，从而底盘顺利通过障碍。

本发明的有益效果为：

本发明换向系统的定位转动装置结构简单、构思巧妙，性能牢固可靠，可以在遇到障碍时调整万向轮的行驶方向，保证该系统可以顺利通过障碍。

本发明采用的万向轮可以采用市面上标准的万向轮产品，互换性好，可应用范围广。

本发明换向系统在正常路面行驶时靠驱动轮带动行走，电磁离合器断电，万向轮自由转动，行驶过程不会受到过多限制，通行更加顺畅。

本发明的换向系统控制方法简单，在电磁离合器通电时定位转动装置使转子自动转动至设定位置，无需增加转向电机等结构，避免了增加转向电机后一系列的判断方向的问题，实用性强。

附图说明

图1为本发明换向系统结构示意图；

图2为万向轮与电磁离合器的组合结构示意图；

图3为定位转动装置导向原理示意图；

图4为定位滚珠受力分析及移动原理图；

图5为定位滚珠进入限位槽后的示意图；

图中，1万向轮，2平键，3转子安装座，4轴承，5转子，6定子，7弹簧片，8弹簧片安装座，9限位槽，10定位滚珠，11定向滑道，12左驱动轮，13右驱动轮，14底盘，15左万向轮，16右万向轮，17电磁离合器，18障碍物识别装置。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

实施例1：

如图1所示，适用于复杂环境的换向系统，主要包括底盘14、左驱动轮12、右驱动轮13、电磁离合器17、左万向轮15及右万向轮16、障碍物识别装置18等部分。左驱动轮12、右驱动轮13由驱动电机控制，安装在底盘14上；左万向轮15及右万向轮16分别与一个电磁离合器17组合在一起，然后安装在底盘14上。底盘14前方设置障碍物识别装置18，可以采用但不限于超声识别、双目识别等，具体可以采用红外传感器，或者超声波传感器，或者激光传感器等。

如图2所示，电磁离合器包括转子安装座3、轴承4、转子5、定子6、弹簧片7、弹簧片安装座8。

万向轮1(该图中万向轮1即图1中的左万向轮15或右万向轮16)通过平键2与转子5连接，轴承4套合在转子安装座3内，转子5套合在轴承4内，如此，万向轮1可以与转子5一起在轴承4的配合下，在转子安装座3内转动。

弹簧片7内圈通过螺钉与定子6固定在一起，弹簧片7外圈通过螺钉与弹簧片安装座8固定在一起。定子6内部设置磁性线圈；设置磁性线圈和弹簧片结构，实现电磁离合器转子和定子的离合。

电磁离合器的定子6和转子5之间设置定位转动装置，定位转动装置在电磁离合器通电时使转子自动转动至设定位置。

如图3所示，定位转动装置包括设置于定子6下端部的2条定向滑道11，转子5上端部设有与定向滑道11配合的2个定位滚珠10，定向滑道11在设定位置设有限位槽9，定位滚珠10在定子6和转子5吸合时自动转动至限位槽9完成定位。通过设置定向滑道11和定位滚珠10，在电磁离合器通电时定位滚珠10可沿定向滑道11转动至限位槽9内，轻松完成万向轮的定位，使万向轮不能再发生转动，只能定向行驶。

定子6上的定向滑道11也可以设置1条或3条等，相应的转子上的定位滚珠10设置1个或3个，限位槽9也设置1个或3个，定位滑道11、定位滚珠10、限位槽9的数量是相对应的，每一个定位滚珠10对应一个定向滑道11、一个限位槽9，定位滚珠10沿定向滑道11滑动至限位槽9处即完成万向轮的定位。

定向滑道11沿定子6下端面以圆弧形设置，圆弧形定向滑道11的圆心与定子6圆心同心；方便定位滚珠沿其滑动，万向轮可以转动至设定位置，将其圆心与定子圆心同心设置，保证转子转动过程不会发生偏差。

定向滑道11倾斜设置，定向滑道11于限位槽9处位置最高；定向滑道11倾斜设置，在定子6和转子5的吸合力下，定位滚珠10可沿其轻松的滑入限位槽9。

如图4-图5所示，当电磁离合器不通电时，定子6在弹簧片7的支撑下，与转子5保持一定距离，此时定位滚珠10不与定向滑道11接触，转子5可以保持任意角度的转动；

当电磁离合器通电时，定子6在磁力的作用下，将向下移动，定位滚珠10开始接触定向滑道11，并在磁力的作用下，沿定向滑道11从高向低移动到限位槽9中，在进入到限位槽9中后，在限位槽9的作用下，定位滚珠10将无法移动，则转子5将无法转动，万向轮只能沿当前方向行驶，直至电磁离合器断电，弹簧片7将定子6拔起来为止。

本发明主要部件都由硬铝制作，在保证结构强度的前提下，极大的降低了整体重量，提高了续航能力。

实施例2：

一种机器人，包括实施例1的换向系统。该换向系统具有在复杂环境下使机器人底盘顺利通过障碍的功能，在保证机器人结构紧凑的前提下，提高了其应对复杂环境的能力。本发明的换向系统实用性高，可广泛应用在户外机器人移动底盘上。

实施例3：

实施例1的适用于复杂环境的换向系统在推车或轮椅上的应用。

实施例4：

实施例1的适用于复杂环境的机器人换向系统的工作方法，包括以下步骤：

当底盘14行驶在正常路面时，电磁离合器断电，万向轮可以自由转动，系统靠左右驱动轮驱动行驶且通过左右驱动轮的差速来转向；

当底盘14遇到障碍时，如水管、沟道及台阶、路沿时，电磁离合器通电，电磁离合器的转子5在定向滑道11的导向下，使转子5转回初始0°的位置，转子5的定向滚珠10卡入到定子6的限位槽9中，使万向轮保持在0°方向的位置上(0°的位置即为万向轮与驱动轮平行，该实施例中为了越过障碍，所以将其转回位置设定为万向轮与驱动轮平行的位置，为实现其他目的，需要将万向轮转动至其他方向时，可将限位槽9的位置设定在任意方向)。万向轮固定后，左右驱动轮在跨过水管、沟道、台阶等障碍时，万向轮就不会被这些障碍挡住，从而使机器人底盘顺利通过障碍，不会发生万向轮因随意转动而被障碍挡住的情况。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。