悬挂策略自动调整的全地形履带移动机器人的制作方法

本实用新型属于机器人领域，具体涉及一种悬挂策略自动调整的全地形履带移动机器人。

背景技术：

履带式移动底盘，具有动作灵活、与地面接触面积大、穿越障碍物能力强等优点，相对轮式移动底盘，履带式移动底盘由于设置有悬挂减震机构，当路面状况不佳或需要穿越障碍物时，例如当履带式底盘通过附着凸起物的路面时，履带会受到外界冲击，但是该震动会经过履带、承重轮、弹性元件等进行吸收，使得底盘上装的设备震动被减轻甚至消除，从而上装的设备可以稳定运行和可靠工作。

现有的履带式移动底盘一般都设置有多个悬挂装置进行减震，但是对于目前绝大多数的履带式移动底盘上的悬挂结构，在调试和出厂时悬挂部件安装的位置、结构以及悬挂结构的弹性元件的弹性系数已经固定，导致悬挂结构的震动频率和柔性指数固定。其中悬挂结构偏软的履带式移动底盘更适合粗糙、高低不平等环境，这样可以尽可能消除传导至履带式移动底盘上的震动噪声，保护附属的上装设备；而悬挂结构偏硬的履带式移动底盘则更适合平整路面，这样悬挂能够较好的保持运动姿态，提高履带式移动底盘的工作效率和载荷强度。

由于履带式移动底盘出厂调试后的悬挂特性决定了其工作适宜场所，对于在非结构室外环境实用的机器人来讲并不适用，即特定的履带式移动底盘的悬挂结构并不能适应所有场景，不利于上装设备减震和保护，有时甚至会损坏设备内部电气元件，导致设备失灵，甚至引发设备起火爆炸等事故，故现有常规的履带式移动底盘对各类复杂地面场景应用范围非常有限。因此履带式移动底盘以及配套的悬挂结构作为相关机械的行走机构，其发展方向始终围绕着安全可靠性、适用范围广、操作简便性、环保节能和成本低等方面发展，在这方面国内外一直在不断的努力改进中。

目前履带式移动底盘主要有两类方案：

(1)采用固定的多组悬挂结构的履带式移动底盘

该类移动底盘是目前主流方案，履带式移动底盘上的悬挂结构在调试和出厂时位置已经固定，悬挂结构的震动频率和柔性指数固定，悬挂结构偏软的履带式移动底盘更适合粗糙、高低不平等环境，这样可以尽可能消除传导至履带式移动底盘上的震动噪声，保护附属设备；而悬挂结构偏硬的履带式移动底盘则更适合平整路面，这样悬挂能够较好的保持运动姿态，提高履带式移动底盘的工作效率和载重强度。例如专利号为201610049480.X的发明专利公布了一种履带底盘，包括：底盘以及两个各设置于底盘一侧的履带轮；履带轮包括履带以及履带架、上导轮、下支架和弹性机构等，该结构可将履带上因碾压地面产生的震动通过弹性元件吸收或削弱。与此结构类似的还有专利号为201210043540.9的履带机器人通用底盘等。

(2)直接轮系直连而未设置弹性元件的履带式移动底盘

该结构中采用直接将履带套接在主动轮、从动轮以及导向轮等结构上，而在履带式底盘的机身上不设置任何弹性元件。这种结构主要适用于室内结构性的平整路面，而且由于不存在弹性元件，所以履带式移动底盘的载荷能力非常强，自身的运动噪声小且平稳度好；当然缺点也非常明显，由于不存在弹性元件，所以移动底盘的减震效果很差，不适合室外的非结构复杂地面环境。例如专利申请号为201621123868.1的具备超静音、高精度和高载荷能力的战术履带底盘机构等。

履带式移动底盘以及配套的悬挂结构作为相关机械的行走机构，其发展方向始终围绕着安全可靠性、适用范围广、操作简便性、环保节能和成本低等方面发展，在这方面国内外一直在不断的努力改进中。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种挂策略自动调整的全地形履带移动机器人，通过对悬挂机构中的减震摆臂板和弹性元件结构和位置进行重构，利用内部传感器实时检测履带式移动底盘的行走震动和悬挂机构形变情况，配合内部悬挂调节机构实现对悬挂机构柔性系数的调节，从而使履带式移动底盘的悬挂机构始终处于良性工作状态，降低机器人震动系数，提高履带式移动底盘工作效率，保障其上装附属装备的安全性和稳定性。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：悬挂策略自动调整的全地形履带移动机器人，包括移动底盘本体、悬挂组件、减震履带、悬挂调整组件、传感控制部件、驱动组件、能源组件，减震履带设置于移动底盘本体的两侧，悬挂组件、悬挂调整组件、传感控制部件、驱动组件、能源组件安装于移动底盘本体的内部。

所述悬挂组件包括主动轮、从动轮、悬挂摆臂板、弹性元件、限位组件、承重轮，悬挂摆臂板数量为多个，每个悬挂摆臂板为镰刀状，悬挂摆臂板的上端、中间弯折处和末端均设置有通孔，通孔内均安装有转轴，上端的转轴连接弹性元件末端，中间弯折处的转轴连接车体，末端的转轴连接承重轮，悬挂摆臂板的中间弯折处设置有棘轮，棘轮只有一个齿并且包含一段平滑曲面结构，棘轮与限位组件的棘爪结构配合使用，对悬挂摆臂板的转动角度进行限位。

所述悬挂调整组件数量为两套，分别以横向放置形式安装固定在移动底盘本体的两侧，每套悬挂调整组件包括悬挂调整伺服电机、行程丝杆、行程滑块、横向支撑台。

具体地，所述移动底盘本体包括车体、上端盖和下盖板，车体内部中空，外壁上设置有通孔，车体的上端设置有上端盖，车体的下端设置有下端盖，上端盖和下端盖均为能够拆卸的薄板结构。

具体地，所述主动轮为两套，分别安装在车体两侧后端位置，主动轮两侧安装有齿轮结构，用于与减震履带内侧齿轮啮合。

从动轮为两套，分别安装在车体的两侧前端位置，通过转轴与车体连接，从动轮的外缘与减震履带接触，通过减震履带转动带动从动轮转动。

弹性元件数量为多个，与悬挂摆臂板配合使用，包括减震弹簧和阻尼元件，弹性元件的首端连接行程滑块上的垂向平板结构，弹性元件的末端连接悬挂摆臂板。

限位组件为棘爪结构，一端设置有通孔且通过转轴固定在悬挂摆臂板上棘轮的前方，限位组件的数量与悬挂摆臂板数量一致。

承重轮为单臂双轮结构，与弹性元件形成以悬挂摆臂板为杠杆的杠杆机构，承重轮与减震履带啮合连接。

具体地，所述减震履带为高性能减震防滑履带，共两条，分别设置在由悬挂组件中主动轮、从动轮以及承重轮组成的轮系轮廓外缘处。

具体地，所述悬挂调整伺服电机通过固定支架安装在移动底盘本体上的两侧，横向安置，靠近主动轮并位于主动轮的前方，悬挂调整伺服电机的转轴与行程丝杆连接，通过悬挂调整伺服电机的转动带动行程丝杆转动，悬挂调整伺服电机在电气结构上与传感控制部件中的驱动器连接。

行程丝杆为滚动丝杆结构，行程丝杆首端连接悬挂调整伺服电机，末端通过轴承固定在横向支撑台上，行程丝杆在悬挂调整伺服电机的带动下仅相对横向支撑台转动，不会发生横向或纵向移动。

行程滑块为丝杆螺母结构，数量为多个，套接在行程丝杆上，行程滑块的下端还设置有垂向平板结构，垂向平板结构上设置有通孔，以连接弹性元件的首端。

横向支撑台为长条平板结构，数量与行程丝杆相同，横向支撑台的放置角度与行程丝杆一致，且位于行程丝杆的靠近车体内侧处，横向支撑台与悬挂调整伺服电机连接固定，行程滑块在行程丝杆的带动下沿着横向支撑台滑动。

具体地，所述传感控制部件包括陀螺仪、加速度计、控制器、驱动器，陀螺仪安装在车体内，陀螺仪数量为两套，在车体左右横向对称且水平设置；加速度计数量为两套，分别左右对称安装在移动底盘本体内的两侧；控制器安装在车体内，在电气上与陀螺仪、加速度计和驱动器连接，驱动器为伺服电机驱动器，分别对悬挂调整组件的悬挂调整伺服电机和驱动组件的车体伺服电机进行驱动。

具体地，所述驱动组件包括车体伺服电机、减速传动机构，车体伺服电机数量为两套，分别安装在车体内部的左右两侧偏后位置处，车体伺服电机的转轴连接减速传动机构，减速传动机构为轮轴结构，数量为两套，减速传动机构安装在车体伺服电机和主动轮之间，减速传动机构的转轴与主动轮连接，车体伺服电机将动力通过减速传动机构传至主动轮上，通过减速传动机构的转动带动减震履带转动。

具体地，所述能源组件包括蓄电池、充电接口，蓄电池安装在车体内部，在电气上与悬挂调整组件、传感控制部件以及驱动组件中的用电元件连接，充电接口安装在车体的后方，与蓄电池连接。

本实用新型具有以下有益效果：本发明通过悬挂调整组件配合机身内部的陀螺仪和加速度计等传感器，通过检测机身的震动和倾斜情况，从而自动调整悬挂组件的悬挂系数，使得履带移动机器人不管是平坦光滑路面还是崎岖坑洼路面，均能保证较高的运行效率、载荷强度以及运动平稳度；而且履带式移动机器人还具备应对两侧路面工况不同、两侧路面高低不一致的情况，通过实时进行悬挂调整，机器人运动平稳度和运动效率更高，从而保证机器人运动安全，更适合应用于山地、沙漠甚至楼梯爬升等障碍多、路况复杂的场合。

附图说明

图1是本实用新型全地形履带移动机器人的立体结构示意图。

图2是本实用新型全地形履带移动机器人的主视结构示意图。

图3是本实用新型全地形履带移动机器人的左视结构示意图。

图4是本实用新型全地形履带移动机器人的俯视结构示意图。

图5是本实用新型全地形履带移动机器人的仰视结构示意图。

图6是本实用新型全地形履带移动机器人的去除下盖板1-3后的仰视结构示意图。

图7是本实用新型全地形履带移动机器人的悬挂调整组件4的局部放大结构示意图。

图8是本实用新型全地形履带移动机器人的传感控制部件5的局部放大结构示意图。

具体实施方式

现在结合附图对本实用新型作进一步详细的说明。

如图1-8所示，悬挂策略自动调整的全地形履带移动机器人，包括移动底盘本体1、悬挂组件2、减震履带3、悬挂调整组件4、传感控制部件5、驱动组件6、能源组件7，减震履带 3设置于移动底盘本体1的两侧，悬挂组件2、悬挂调整组件4、传感控制部件5、驱动组件 6、能源组件7安装于移动底盘本体1的内部。

移动底盘本体1主要为履带式移动底盘及其附属的部件提供支撑、安装和保护等功能。移动底盘本体1包括车体1-1、上端盖1-2和下盖板1-3，车体1-1内部中空，外壁根据需要设置不同厚度，外壁上设置有通孔以方便车体1-1内部机构与外部组件连接和信息交互，车体1-1的上端设置有上端盖1-2，车体1-1的下端设置有下端盖1-3，上端盖1-2和下端盖 1-3均为能够拆卸的薄板结构，方便对车体1-1内部的传感控制组件5、驱动组件6、能源组件7等进行安装和维修。

悬挂组件2主要通过各结构实现减震效果，从而将履带与地面的接触震动等进行削弱甚至消除，使履带移动底盘的整体震动频率和振幅变弱，保证上装设备稳定性和安全性。悬挂组件2包括主动轮2-1、从动轮2-2、悬挂摆臂板2-3、弹性元件2-4、限位组件2-5、承重轮2-6。

主动轮2-1为两套，分别安装在车体1-1两侧后端位置，主动轮2-1两侧安装有齿轮结构，用于与减震履带3内侧齿轮啮合，主动轮2-1是实现减震履带3转动的动力来源部件。

从动轮2-2为两套，分别安装在车体1-1的两侧前端位置，通过转轴与车体1-1连接，从动轮2-2的外缘与减震履带3接触，通过减震履带3转动带动从动轮2-2转动，从动轮2-2主要为减震履带3提供支撑和滚动摩擦作用。

悬挂摆臂板2-3数量为多个，每个悬挂摆臂板2-3为镰刀状，悬挂摆臂板2-3的上端、中间弯折处和末端均设置有通孔，通孔内均安装有转轴，上端的转轴连接弹性元件2-4末端，中间弯折处的转轴连接车体1-1，末端的转轴连接承重轮2-6，悬挂摆臂板2-3主要实现力矩传递和力矩变向作用，将承重轮2-6上的力矩通过变向传递到弹性元件2-4的末端。悬挂摆臂板2-3的中间弯折处设置有棘轮2-3a，棘轮2-3a只有一个齿并且包含一段平滑曲面结构，棘轮2-3a与限位组件2-5的棘爪结构配合使用，对悬挂摆臂板2-3的转动角度进行限位。

弹性元件2-4数量为多个，与悬挂摆臂板2-3配合使用，包括减震弹簧和阻尼元件，主要通过其自身的形变实现泄力、震动减弱甚至消除等功能。弹性元件2-4的首端和末端均设置有通孔，通孔处可通过转轴等部件实现与其它部件的连接和固定作用。弹性元件2-4的首端连接行程滑块4-3上的垂向平板结构4-3a，弹性元件2-4的末端连接悬挂摆臂板2-3。

限位组件2-5为棘爪结构，一端设置有通孔且通过转轴固定在悬挂摆臂板2-3上棘轮2-3a 的前方，通过限位组件2-5上的棘爪结构和悬挂摆臂板2-3上棘轮2-3a结构的配合作用，从而实现对悬挂摆臂板2-3的角度转动限位功能。限位组件2-5的数量与悬挂摆臂板2-3数量一致。

承重轮2-6为单臂双轮结构，与弹性元件2-4形成以悬挂摆臂板2-3为杠杆的杠杆机构，承重轮2-6与减震履带3啮合连接，当遇到障碍物减震履带3向上抬起时，压缩中间的弹性元件2-4产生的作用力实现泄力作用，使与承重轮2-6所接触的减震履带3与地面完全贴合，保证移动底盘与地面的接触面积，提高底盘行驶的稳定性。

减震履带3为高性能减震防滑履带，共两条，分别设置在由悬挂组件2中主动轮2-1、从动轮2-2以及承重轮2-6组成的轮系轮廓外缘处。减震履带的功能主要是通过被主动轮2-1 带动实现转动，从而依靠从动轮2-2、承重轮2-6对减震履带3的支撑作用实现连续滚动铺设功能，带动移动底盘本体1运动。

悬挂调整组件4数量为两套，分别以横向放置形式安装固定在移动底盘本体1的两侧，每套悬挂调整组件4包括悬挂调整伺服电机4-1、行程丝杆4-2、行程滑块4-3、横向支撑台 4-4。

悬挂调整伺服电机4-1为大力矩低转速电机，通过固定支架安装在移动底盘本体1上的两侧，横向安置，靠近主动轮2-1并位于主动轮2-1的前方，悬挂调整伺服电机4-1的转轴与行程丝杆4-2连接，通过悬挂调整伺服电机4-1的转动带动行程丝杆4-2转动，悬挂调整伺服电机4-1在电气结构上与传感控制部件5中的驱动器5-4连接，用以实现对悬挂调整伺服电机 4-1的驱动功能。

行程丝杆4-2为滚动丝杆结构，行程丝杆4-2首端连接悬挂调整伺服电机4-1，末端通过轴承固定在横向支撑台4-4上，行程丝杆4-2在悬挂调整伺服电机4-1的带动下仅相对横向支撑台4-4转动，不会发生横向或纵向移动。

行程滑块4-3为丝杆螺母结构，数量为多个，套接在行程丝杆4-2上，行程滑块的横向的下端还设置有垂向平板结构4-3a，垂向平板结构4-3a上设置有通孔，以连接弹性元件2-4 的首端。

横向支撑台4-4为长条平板结构，数量与行程丝杆4-2相同，横向支撑台4-4的放置角度与行程丝杆4-2一致，且位于行程丝杆4-2的靠近车体内侧处，为悬挂调整伺服电机4-1、行程丝杆4-2、行程滑块4-3提供支撑平台作用。横向支撑台4-4与悬挂调整伺服电机4-1 连接固定，行程滑块4-3在行程丝杆4-2的带动下沿着横向支撑台4-4滑动。

悬挂调整组件4主要通过控制两侧的悬挂调整伺服电机4-1进行转动，带动行程丝杆4-2 转动，进而使得行程滑块4-3以及与其连接的弹性元件2-4发生角度和位置变换，从而改善弹性元件2-4与悬挂摆臂板2-3间的施力角度。由于弹性元件2-4的弹性系数已经固定，故通过弹性元件2-4与悬挂摆臂板2-3之间角度方位变换，实现对整套的悬挂组件2实现悬挂系数整定，从而改变悬挂软硬，适应不同复杂地面环境。

传感控制部件5是履带移动机器人的控制核心和信号采集中心。传感控制部件5包括陀螺仪5-1、加速度计5-2、控制器5-3、驱动器5-4，陀螺仪5-1安装在车体1-1内，实现对移动底盘本体1上的角度变化信号采集功能。陀螺仪5-1数量为两套，在车体1-1左右横向对称且水平设置，可分别实时检测移动底盘本体1上左右两侧角度变化情况。加速度计5-2 数量为两套，分别左右对称安装在移动底盘本体1内的两侧，实现对车体两侧加速度信号的采集功能，该加速度信号可直接反应车体震动情况。控制器5-3为机器人的控制核心组件，主要实现对传感器的信息采集、信息融合分析、控制车体运动和驱动悬挂系统调整等功能。控制器5-3安装在车体1-1内，在电气上与陀螺仪5-1、加速度计5-2和驱动器5-4连接，陀螺仪5-1、加速度计5-2和驱动器5-4将采集的信号实时送入控制器5-3进行分析和处理。驱动器5-4为伺服电机驱动器，分别对悬挂调整组件4的悬挂调整伺服电机4-1和驱动组件 6的车体伺服电机6-1进行驱动。

驱动组件6是机器人动力驱动来源和力矩传递媒介。驱动组件6包括车体伺服电机6-1、减速传动机构6-2，车体伺服电机6-1为伺服电机，是机器人运动的动力来源，车体伺服电机6-1数量为两套，分别安装在车体1-1内部的左右两侧偏后位置处，车体伺服电机6-1的转轴连接减速传动机构6-2，从而将动力通过减速传动机构6-2传至主动轮2-1上。减速传动机构6-2为轮轴结构，数量为两套，减速传动机构6-2安装在车体伺服电机6-1和主动轮 2-1之间，中间通过皮带和皮带轮等机构实现动力传递和减速效果，将车体伺服电机6-1的高速、低扭矩转换为低速、高扭矩动力，从而提高机器人动力强度和载荷能力。减速传动机构6-2的转轴与主动轮2-1连接，车体伺服电机6-1将动力通过减速传动机构6-2传至主动轮2-1上，通过减速传动机构6-2的转动带动减震履带3转动。

能源组件7主要为机器人提供能源并实现充电功能。能源组件7包括蓄电池7-1、充电接口7-2，蓄电池7-1为锂离子电池，安装在车体1-1内部，是机器人能量来源，在电气上与悬挂调整组件4、传感控制部件5以及驱动组件6中的用电元件连接并为其提供电能，充电接口安装在车体1-1的后方，内部电气上与蓄电池7-1连接，主要实现人工对蓄电池7-1充电功能。

履带移动机器人实现基本运动功能的步骤为：

1)机器人前进运动时，控制器5-3控制驱动器5-4实现对车体伺服电机6-1正转驱动，且两套的车体伺服电机6-1均为正转动作，车体伺服电机6-1通过减速传动机构6-2实现将动力传递至主动轮2-1上，主动轮2-1带动减震履带3转动，实现带动移动底盘本体1进行前进运动；

2)当机器人需要后退运动时，控制器5-3控制驱动器5-4实现对车体伺服电机6-1中的左右两个机构进行反转驱动，最终带动移动底盘本体1进行后退运动。

3)当机器人需要转弯运动时，只需通过控制器5-3控制驱动器5-4实现对车体伺服电机 6-1中的左右两个机构分别进行正转-反转或反转-正转驱动，即可实现对履带移动机器人的左转弯或右转弯运动。

履带移动机器人实现悬挂自动调整功能的步骤为：

1)当机器人行驶在较平坦光滑的路面时，此时需要将悬挂组件2的悬挂系数调大，使得悬挂组件2表现出悬挂较硬，以使得移动底盘本体1整体上下震动位移较小，提高悬挂组件 2的工作效率和载荷能力。在该过程中，控制器5-3通过控制加速度计5-2采集到机器人震动信号较小，则认为机器人行驶在平坦光滑路面上，控制器5-3控制驱动器5-4带动悬挂调整伺服电机4-1正转，带动行程滑块4-3后移，悬挂摆臂板2-3与路面水平夹角变大，弹性元件2-4损失力变小，弹性元件2-4形变更小，从而悬挂组件2整体形变变小，移动底盘本体1上下摆动幅值变小，移动底盘本体1运行更加平稳。

2)当机器人行驶在崎岖不平的路面时，此时需要将悬挂组件2的悬挂系数调小，使得悬挂组件2表现出悬挂较软，以使得移动底盘本体1整体上下震动位移较大以适应坑洼环境，提高悬挂组件2的工作效率并减低车提交震动、保护上装设备。在该过程中，控制器5-3通过控制加速度计5-2采集到机器人震动信号较大，则认为机器人行驶在崎岖不平路面上，控制器5-3控制驱动器5-4带动悬挂调整伺服电机4-1反转，带动行程滑块4-3前移，悬挂摆臂板2-3与路面水平夹角变小，弹性元件2-4损失力变大，弹性元件2-4形变变大，从而悬挂组件2整体形变变大，移动底盘本体1上下摆动幅值变大，移动底盘本体1的整体震动系数变小，尽管幅值变大但是这样会使车体运行更加平稳。

3)当机器人的左右两侧减震履带3行驶在不同的路面时，例如当左侧减震履带3以及对应的轮系结构工作在平坦路面，而右侧的减震履带3以及对应的轮系结构工作在崎岖路面时，则控制器5-3分别通过控制左右两侧的加速度计5-2采集机器人的震动信号，根据震动信号判别机器人行驶环境，从而进行悬挂软硬策略调整。

4)当机器人在行进过程中，左右两侧路面工况相同，但是高度不一致时，此时机身会发生倾斜偏差，在该过程中，控制器5-3通过控制陀螺仪5-1采集到机器人倾斜信号较大，则认为机器人行驶在左右高度差不同的路面上，然后控制器5-3控制驱动器5-4带动悬挂调整伺服电机4-1，带动行程滑块4-3移动，悬挂摆臂板2-3与路面水平夹角进行调整，最终使得移动底盘本体1的倾斜角度变小甚至被消除，提高机器人机身的水平平整度，从而提高机器人运动时的稳定性，防止侧翻。

本实用新型不局限于上述实施方式，任何人应得知在本实用新型的启示下作出的结构变化，凡是与本实用新型具有相同或相近的技术方案，均落入本实用新型的保护范围之内。

本实用新型未详细描述的技术、形状、构造部分均为公知技术。