一种适用于多种地形的避障机器人的制作方法

本实用新型涉及一种避障机器人，尤其涉及一种适用于多种地形的避障机器人。

背景技术：

现行主流的机器人可以根据其行走的方式分成三大类：轮式机器人、腿式机器人和履带式机器人。它们分别有各自的优势和用处，同时它们也难免有一些缺陷。比如轮式机器人，其行走的速度及效率是腿式机器人所无法比拟的，然而它只适合在相对平坦的路面行走。轮式机器人一旦在凹凸不平、土质比较疏松或是路面湿滑的路面行走，就容易出现振动剧烈或者马力不足甚至是陷入沙泥里无法脱离的情况。相反，腿式机器人恰恰可以轻松解决这些复杂的路面情况。倘若路上有碎石和坑洼，倘若机器人在土质松软的环境，如沙地、泥地或苔藓，甚至面前就是一个比自身还要高的台阶，只要机器人利用“腿”运动，就可以简单地跨越障碍。当然，腿式机器人的“腿部”运动要比轮式运动复杂得多，且难以控制。

为了克服上述的缺陷，把二者结合起来机器人可以实现更为强大的功能，我们把这类的新型机器人称之为“轮腿式混合机器人”，例如申请公告号为CN105997447A的发明专利申请公开了“一种轮腿结构的导盲机器人及其使用方法”，所述导盲机器人具有轮腿结构，可根据不同的路况自由切换行动模式：当在平坦路段行进时，主控系统控制每条腿的两个舵机转动，每条腿的上部两个关节可以收缩折叠起来，由主控系统控制直流电机转动，机器人可以用轮子行走；当遇到凹凸不平路段或需要爬楼梯时，切换成另一个工作模式，主控系统控制每条腿的两个舵机反转，将腿全部展开，由舵机组驱动四条腿着地行走，可轻松跨越诸如楼梯的障碍物。

然而上述导盲机器人在遇到无法跨越的障碍物时，例如遇到一段凹凸不同的地面时，所述导盲机器人走在这种地面上就会上下颠簸，剧烈振动，这会对该导盲机器人的内部零件产生冲击，从而缩短所述导盲机器人的使用寿命。

技术实现要素：

本实用新型要解决的技术问题是提供一种适用于多种地形的避障机器人，该避障机器人能够适用于多种不同的地形，且在行走过程中的平稳性更好，使用寿命更长。

本实用新型解决上述技术问题的技术方案是：

一种适用于多种地形的避障机器人，包括车身、设置在车身上的行走机构、用于驱动所述行走机构工作的第一驱动机构、检测装置以及控制装置，其中，所述行走机构设置在所述车身的两侧，该行走机构包括轮毂、设置在轮毂上的行走组件以及用于驱动所述行走组件伸长或者缩短以改变所述行走机构的直径大小的第二驱动机构，其中，所述行走组件为多组且该行走组件穿插在所述轮毂上，所述轮毂在与所述行走组件接触的位置处设置有避让槽；所述检测装置用于检测地形以及障碍物，并将信息传送给控制装置；所述控制装置用于接收检测装置发送的地形以及障碍物信息，并控制第一驱动机构和第二驱动机构工作。

优选的，所述行走组件为齿条，所述第二驱动机构包括设置在所述轮毂内的与所述齿条啮合的齿轮以及设置在所述轮毂内部的用于驱动所述齿轮转动的舵机，其中，所述舵机与所述控制装置连接，该舵机的主轴通过传动轴与所述齿轮连接。

优选的，所述行走组件为三组，每组行走组件均通过一个第二驱动机构驱动。

优选的，所述第二驱动机构还包括用于限制所述齿条发生垂直于所述轮毂的轴线方向移动的限位机构，所述限位机构包括设置在所述齿条两侧的多组滚轮，所述滚轮转动连接在所述轮毂上且与所述齿条接触。

优选的，所述第一驱动机构包括驱动电机以及减速器，其中，所述驱动电机安装在车身上且通过联轴器与所述减速器的动力输入轴连接，所述减速器安装在车身上，且该减速器的动力输出轴通过联轴器与所述轮毂连接。

优选的，所述轮毂由五个圆板以及六根支撑杆组成，五个圆板的轴线方向相互重合，六根支撑杆分布在所述圆板的圆周方向上且沿着该圆板的轴线方向穿过五个圆板；其中，最靠近所述车身的圆板上设置有连接轴，所述连接轴与所述减速器的动力输出轴通过联轴器连接；所述五个圆板构成四个安装空间，所述三个行走组件分别安装在最外侧的三个安装空间中，所述舵机设置在最靠近车身的安装空间中且固定在所述圆板上。

优选的，所述行走机构为两个，每个行走机构均由一个第一驱动机构驱动。

优选的，还包括设置在所述车身中远离所述行走机构一侧的车尾，所述车尾呈曲线形，该车尾一端与所述车身连接，另一端与地面接触。

优选的，所述检测装置包括设置在所述齿条两端的压力传感器以及设置在车身上的红外传感器和激光传感器，其中，所述压力传感器、红外传感器以及激光传感器分别与所述控制装置连接；所述红外传感器和激光传感器用于探测障碍物的高度。

优选的，所述压力传感器的宽度大于相邻两个圆板的间距。

本实用新型的适用于多种地形的避障机器人的工作原理是：

工作时，第一驱动机构驱动所述轮毂转动，从而带动安装在所述轮毂上的行走组件转动，使得所述轮毂以及安装在轮毂上的行走组件构成所述避障机器人的车轮，从而使得所述避障机器人运动。

当避障机器人的检测装置检测到障碍物时，所述控制装置判断能否避开该障碍物，若是可以避开障碍物，所述控制装置控制所述避障机器人拐弯以绕过障碍物，具体过程为：所述控制装置控制第二驱动机构驱动安装在轮毂上的行走组件伸长或缩短，以改变所述避障机器人左侧或者右侧的行走机构的直径，从而改变所述避障机器人左侧或者右侧的行走机构的速度，进而实现转弯。例如，当避障机器人需要向右拐弯时，位于车身左侧的第二驱动机构带动其中一个或多个行走组件伸长，从而增大左侧轮毂的轴心与地面之间的高度，使得避障机器人的左侧的行走机构的直径大于右侧的行走机构的直径，由v＝ω×r可知，左侧行走机构的速度将会比右侧行走机构速度要大，从而实现转弯，这样就可以绕过障碍物，以达到避障的目的。而且，从公式可知，车轮的切线速度与轮毂的半径成线性关系，这样可以方便控制。

当障碍物无法避开时，所述检测装置检测所述障碍物的高度，并将该信息传递给控制装置，所述控制装置判断所述避障机器人能否直接越过障碍物，若是可以直接越过障碍物，所述控制装置通过第二驱动机构驱动所述行走组件伸长，使得所述行走组件在随轮毂转动的过程中直接越过障碍物(例如深坑、石块)。当障碍物无法越过时，所述控制装置通过第二驱动机构控制所述行走机构中的多个行走组件伸长或者缩短，使得所述轮毂的轴心与地面的高度始终保持一致，这样就可以避免本实用新型的避障机器人在不平整的地面上行走时出现上下颠簸，剧烈震动的情况；例如遇到深坑的时候，所述控制装置控制所述行走组件伸长，使得所述行走组件与坑底接触，从而始终保持所述轮毂的轴心与水平面的高度不变，这样就避免所述避障机器人剧烈震动，接着，所述第一驱动机构驱动轮毂继续转动，从而穿过深坑。当所述避障机器人遇到比自己高的障碍物时，例如是遇到台阶时，所述避障机器人可以通过伸长所述行走机构上的其中一个行走组件的方式先将自身抬起，抬到一定的高度后，第二驱动机构控制另一个行走组件伸长并架在所述台阶的台阶面上。这个行走组件就相当于机器人的“手”，该行走组件接触到台阶面后所述避障机器人通过第一驱动机构驱动所述轮毂转动且转动过程中所述控制装置通过第二驱动机构控制多个行走组件相互配合(伸长或缩短)，使得所述轮毂上的其他行走组件攀爬上台阶面，从而使得所述避障机器人的攀爬上台阶。

本实用新型与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

1、本实用新型的适用于多种地形的避障机器人在行走的过程中通过控制装置控制第二驱动机构驱动行走机构中的多组行走组件伸长或者缩短，从而改变行走机构的直径，使得所述避障机器人可以通过拐弯的方式绕过障碍物或者越过障碍物，从而实现避障。

2、当障碍物无法避让且无法越过时，例如遇到凹凸不平的地面时，所述控制装置通过第二驱动机构控制多组行走组件相互配合，从而使得所述轮毂的轴心的高度始终保持不变，这样，即使在凹凸不平的地面上，本实用新型的避障机器人也可以如履平地，使得避障机器人内部的零件受到的冲击更小，使用寿命更长。

3、当遇到比本实用新型的避障机器人还高的障碍物时，例如台阶，所述避障机器人可以通过伸长所述行走机构上的其中一个行走组件的方式先将自身抬起，抬到一定的高度后，第二驱动机构控制另一个行走组件伸长并架在所述台阶的台阶面上。这个行走组件就相当于机器人的“手”，该行走组件接触到台阶面后所述避障机器人通过驱动所述轮毂转动且转动过程中所述控制装置通过第二驱动机构控制多个行走组件相互配合，使得所述轮毂上的其他行走组件攀爬上台阶面，从而使得所述避障机器人攀爬上台阶，使得所述避障机器人实现避障。

4、本实用新型的适用于多种地形的避障机器人具有轮式机器人和腿式机器人的特点，可以适用于多种不同的地形，且适应能力强。

附图说明

图1-图3为本实用新型的适用于多种地形的避障机器人的具体实施方式的结构示意图，其中，图1为俯视图，图2为侧视图，图3为立体结构示意图。

图4为行走机构的立体结构示意图。

图5为图4中的行走组件的结构示意图(局部)。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本实用新型作进一步详细的描述，但本实用新型的实施方式不限于此。

参见图1-图5，本实用新型的适用于多种地形的避障机器人包括车身1，设置在车身1上的行走机构2、用于驱动所述行走机构2工作的第一驱动机构3、检测装置以及控制装置，其中，所述行走机构2设置在所述车身1的两侧，该行走机构2包括轮毂2-1、设置在轮毂2-1上的行走组件以及用于驱动所述行走组件伸长或者缩短以改变所述行走机构2的直径大小的第二驱动机构，其中，所述行走组件为多组且该行走组件穿插在所述轮毂2-1上，所述轮毂2-1在与所述行走组件接触的位置设置有避让槽；所述检测装置用于检测地形以及障碍物，并将信息传送给控制装置；所述控制装置用于接收检测装置发送的地形以及障碍物信息，并控制第一驱动机构3和第二驱动机构工作。

参见图1-图5，所述行走组件为齿条2-2，所述第二驱动机构包括设置在所述轮毂2-1内的与所述齿条2-2啮合的齿轮2-4以及设置在所述轮毂2-1内部的用于驱动所述齿轮2-4转动的舵机2-3，其中，所述舵机2-3与所述控制装置连接，该舵机2-3的主轴通过传动轴与所述齿轮2-4连接。其目的在于，通过控制装置控制所述舵机2-3转动一定角度，从而带动与该舵机2-3连接的齿轮2-4转动相同的角度，使得与该齿轮2-4啮合的齿条2-2向上或者向下运动一段距离(该距离等于所述齿轮2-4中转动角度所对应的弧长)，以此达到改变所述轮毂2-1的直径的目的。此外，上述结构可以通过控制所述舵机2-3的转动角度而精确地控制所述齿条2-2的伸长量。

参见图1-图5，所述行走组件的数量为三组，每组行走组件均通过一个第二驱动机构驱动。其目的在于保证所述避障机器人在实现其所有功能的前提下结构最简单，操纵更加方便。

参见图1-图5.所述第二驱动机构还包括用于限制所述齿条2-2发生垂直于所述轮毂2-1的轴线方向移动的限位机构，所述限位机构包括设置在所述齿条2-2两侧的多组滚轮2-5，所述滚轮2-5转动连接在所述轮毂2-1上且与所述齿条2-2接触。这样既可以保证所述齿条2-2始终与所述齿轮2-4啮合，又可以防止齿条2-2在运动过程中发生偏移，从而保证所述避障机器人的正常行走。其中，所述滚轮2-5为四组，且均匀设置在所述齿条2-2的两侧并与该齿条2-2接触。

参见图1-图5.所述轮毂2-1由五个圆板以及六根支撑杆组成，五个圆板的轴线方向相互重合，六根支撑杆分布在所述圆板的圆周方向上且沿着该圆板的轴线方向穿过五个圆板；其中，最靠近所述车身1的圆板上设置有连接轴，所述连接轴与所述减速器3-2的动力输出轴通过联轴器连接；所述五个圆板构成四个安装空间，所述三个行走组件分别安装在最外侧的三个安装空间中，所述舵机2-3设置在最靠近车身1的安装空间中且固定在所述圆板上。这样可以避免三个行走组件在伸长或者缩短的过程中相互干涉，使得所述避障机器人能够顺利行走在各种地形中。

参见图1-图5.所述第一驱动机构3包括驱动电机3-1以及减速器3-2，其中，所述驱动电机3-1安装在车身1上且通过联轴器与所述减速器3-2的动力输入轴连接，所述减速器3-2安装在车身1上，且该减速器3-2的动力输出轴通过联轴器与所述轮毂2-1连接。这样，通过驱动电机3-1带动所述减速器3-2的动力输入轴转动，从而带动所述减速器3-2的动力输出轴以及与该动力输出轴连接的轮毂2-1转动，从而驱动所述避障机器人行走。

参见图1-图5.所述行走机构2为两个，每个行走机构2均由一个第一驱动机构3驱动。

参见图1-图5.所述减速器3-2为单级蜗杆减速器。该单级蜗杆减速器包括减速器箱体、设置在所述减速器箱体内的涡轮蜗杆机构、动力输入轴以及动力输出轴；其中，所述涡轮蜗杆机构的蜗杆为渐开线蜗杆，所述蜗杆选用45钢调质，为了效率可以更高，耐磨性好些，蜗杆螺旋齿面要求淬火；所述涡轮蜗杆机构的蜗轮仅齿圈用青铜制造，而所述蜗轮的轮芯用灰铸铁HT100制造；所述的减速器箱体用灰铸铁铸造，具有良好的铸造性能和减振性能，箱体上设置有窥视孔、窥视孔盖、通气器、轴盖、定位销、启箱螺钉、游标、放油孔及放油螺塞、起吊装置等附件。窥视孔盖用螺钉将其固定在箱底上。所述单级蜗杆减速器的具体结构可参照市面上同类型的减速器。

参见图1-图5.所述避障机器人还包括设置在所述车身1中远离所述行走机构2一侧的车尾4，所述车尾4呈曲线形，该车尾4一端与所述车身1连接，另一端与地面接触。其目的在于，在避障机器人行走的过程中，所述车尾4有利于保持车身1的平稳性。在攀爬台阶的过程中，曲线形状的车尾4可以减少车身1与障碍物的接触角，使得车尾4较小的接触角可以减少所述行走组件将车尾4拉上台阶时所需要的拉力，使得所述避障机器人顺利攀爬上台阶。

参见图1-图5.所述检测装置包括设置在所述齿条2-2两端的压力传感器5以及设置在车身1上的红外传感器和激光传感器，其中，所述压力传感器5、红外传感器以及激光传感器分别与所述控制装置连接；所述红外传感器和激光传感器用于探测障碍物的高度。本实施例中的压力传感器5、红外传感器以及激光传感器均采用市面上已有的传感器。

参见图1-图5.所述压力传感器5的宽度大于相邻两个圆板的间距,从而避免所述齿条2-2在运动过程中从所述轮毂2-1中滑出。

参见图1-图5.本实用新型的适用于多种地形的避障机器人的工作原理是：

工作时，第一驱动机构3驱动所述轮毂2-1转动，从而带动安装在所述轮毂2-1上的行走组件转动，使得所述轮毂2-1以及安装在轮毂2-1上的行走组件构成所述避障机器人的车轮，从而使得所述避障机器人运动。

当避障机器人的检测装置检测到障碍物时，所述控制装置判断能否避开该障碍物，若是可以避开障碍物，所述控制装置控制所述避障机器人拐弯以绕过障碍物，具体过程为：所述控制装置控制第二驱动机构驱动安装在轮毂2-1上的行走组件伸长或缩短，以改变所述避障机器人左侧或者右侧的行走机构2的直径，从而改变所述避障机器人左侧或者右侧的行走机构2的速度，进而实现转弯。例如，当避障机器人需要向右拐弯时，位于车身1左侧的第二驱动机构带动其中一个或多个行走组件伸长，从而增大左侧轮毂2-1的轴心与地面之间的高度，使得避障机器人的左侧的行走机构2的直径大于右侧的行走机构2的直径，由v＝ω×r可知，左侧行走机构2的速度将会比右侧行走机构2速度要大，从而实现转弯，这样就可以绕过障碍物，以达到避障的目的。而且，从公式可知，车轮的切线速度与轮毂2-1的半径成线性关系，这样可以方便控制。

当障碍物无法避开时，所述检测装置检测所述障碍物的高度，并将该信息传递给控制装置，所述控制装置判断所述避障机器人能否直接越过障碍物，若是可以直接越过障碍物，所述控制装置通过第二驱动机构驱动所述行走组件伸长，使得所述行走组件在随轮毂2-1转动的过程中直接越过障碍物(例如深坑、石块)。当障碍物无法越过时，所述控制装置通过第二驱动机构控制所述行走机构2中的多个行走组件伸长或者缩短，使得所述轮毂2-1的轴心与地面的高度始终保持一致，这样就可以避免本实用新型的避障机器人在不平整的地面上行走时出现上下颠簸，剧烈震动的情况；例如遇到深坑的时候，所述控制装置控制所述行走组件伸长，使得所述行走组件与坑底接触，从而始终保持所述轮毂2-1的轴心与水平面的高度不变，这样就避免所述避障机器人剧烈震动，接着，所述第一驱动机构3驱动轮毂2-1继续转动，从而穿过深坑。当所述避障机器人遇到比自己高的障碍物时，例如是遇到台阶时，所述避障机器人可以通过伸长所述行走机构2上的其中一个行走组件的方式先将自身抬起，抬到一定的高度后，第二驱动机构控制另一个行走组件伸长并架在所述台阶的台阶面上。这个行走组件就相当于机器人的“手”，该行走组件接触到台阶面后所述避障机器人通过第一驱动机构3驱动所述轮毂2-1转动且转动过程中所述控制装置通过第二驱动机构控制多个行走组件相互配合(伸长或缩短)，使得所述轮毂2-1上的其他行走组件攀爬上台阶面，从而使得所述避障机器人的攀爬上台阶。

上述为本实用新型较佳的实施方式，但本实用新型的实施方式并不受上述内容的限制，其他的任何未背离本实用新型的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本实用新型的保护范围之内。