便携式模块化移动机器人平台的制作方法

本发明涉及机器人技术领域，特别是一种可实现轮式、腿式和履带式行走装置的快拆快换以及通过卡扣式快拆和通信接口实现附加工作装置的快拆快换及数据传输的模块化移动机器人平台。

背景技术：

侦察机器人可代替人进入未知环境并完成具有危险性的任务，操控人员只需在现场外围，通过无线遥控操作机器人进入现场以获取机器人回传的现场视频和音频等数据，就可完成探查任务。这样不仅保证了相关人员的人身安全，还能提高侦察救援的工作效率。因此，研制一种便携的多功能、多移动方式、适合电池供电、微电机驱动的机动能力强、效率高、结构紧凑的小型地面移动侦察机器人系统，在现场监测、反恐防爆、灾后搜救等非结构化复杂环境具有重大的实际意义。

行进机构是侦察机器人的主体部分，是侦察机器人研究的基础和关键技术，其设计方案直接决定了侦察机器人的移动方式与机动性能。陆地侦察环境往往复杂多变，对机器人的机动性和通过性要求极高。便携式侦察机器人往往用于复杂环境下的特定区域执行侦察任务，这要求侦察机器人行进机构具有较强的多环境适应能力，并具有针对性的附加工作装置。目前多运动复合式行进机构和多附加工作装置侦察机器人往往结构复杂，空间体积较大，不便于操作人员携带。而且部分冗余结构和装置会影响机器人在特定环境下的作业能力。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的是，提供一种面向现场监测、反恐防爆、灾后搜救等非结构化复杂环境的模块化移动机器人平台，将轮式、腿式和履带式三种适应不同环境的行进机构进行改进和整合，采用模块化统一的快拆快装接口，使携带者能够根据当前运行环境自由快速更换机器人的行进机构，并进一步减小机器人的空间体积，提高机器人的通行性能。同时采用卡扣式快拆和rj45接口，便于附加工作装置的快拆快换和数据传输。研制一种适合便携的多功能、多移动方式、适合电池供电、微电机驱动的机动能力强、效率高、结构紧凑的小型地面移动侦察机器人系统。从根本上解决小型移动侦察机器人适应地形能力、机动能力、作业范围及小型化等问题。

本发明的便携式模块化移动机器人平台，包括：机体，其设有动力装置以及由所述动力装置驱动转动、并伸出机体外的行走装置快拆轴；行走装置，包括轮式行走装置、腿式行走装置或履带行走装置；行走装置快换接口，包括设置于所述行走装置快拆轴外端的配合端，设置于所述行走装置、并可外套于所述配合端的快拆中心套，以及用于使所述快拆中心套与配合端相对固定的锁定机构；所述配合端和快拆中心套的侧壁均布有一一对应的通孔；所述锁定机构包括可卡入所述通孔内实现配合端与快拆中心套锁定的锁定球，以及位于所述配合端内、用于控制锁定球卡入或退出通孔的楔形头和复位弹簧；

进一步，所述机体的外表面设有用于卡接外设装置的快拆固定条；所述快拆固定条为条形齿结构；

进一步，所述机体内设有信息处理及运动控制单元，机体外表面设有用于与所述信息处理及运动控制单元信号连接的通信接口；

进一步，所述动力装置和快拆轴成对设置，并分设在机体的两侧；每一对所述快拆轴均可同步转动或差速转动；

进一步，所述机体的外壳包括可拆卸式固定连接的上壳体和下壳体；所述上壳体内设有上电机安装座、上轴承座和电池仓；所述下壳体设有与上电机安装座和上轴承座分别对应配合的下电机安装座和下轴承座；

进一步，所述轮式行走装置的轮辐为基于应力分布最优化拓扑构型，其采用高弹性材料3d打印成型，所述快拆中心套通过紧固件固定于所述轮辐的中心；

进一步，所述腿式行走装置为弧型结构，所述快拆中心套通过紧固件固定于弧型腿的上端；

进一步，所述履带行走装置包括侧板，设置于侧板中部的快拆中心套，设置于侧板上侧边沿的驱动轮，设置于侧板下侧边沿的支撑轮以及配合于快拆中心套与驱动轮之间的同步带。

本发明的有益效果：

1、本发明的机器人平台将轮式、腿式和履带式三种适应不同环境的行进机构进行改进和整合，采用模块化统一的快拆快装接口，使用中，可根据需要快速更换行走装置。

2、本发明的机器人平台可以根据实际作业需求搭载红外摄像头、激光雷达等附加工作装置。附加工作装置可通过卡扣式快拆固定于机器人平台上，通过机载rj45接口进行通信和数据传输。

3、本发明的机器人平台采用上下对称式壳体结构设计，壳体上包含电机安装座、轴承安装座、电池仓等多种结构和孔位，以及相应的加强筋。电机通过电机固定架固定于下壳体上。通过上下壳体的扣合，直接固定轴承，并进一步固定电机。避免了复杂的固定件，更有利于整机零部件的快速更换。

4、通过四个电机的差速耦合，即可实现多种行走装置的运动控制。避免了复杂转向机构、空间体积较大等问题。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。

图1为本发明的机器人平台的机体的外形示意图；

图2为本发明的机器人平台的机体的内部示意图；

图3为本发明的机器人平台安装轮式行走装置的外形示意图；

图4为本发明的机器人平台的轮式行走装置的结构示意图；

图5为本发明的机器人平台安装腿式行走装置的外形示意图；

图6为本发明的机器人平台的腿式行走装置结构示意图；

图7为本发明的机器人平台安装履带行走装置的外形示意图；

图8为本发明的机器人平台的履带行走装置的结构示意图；

图9为本发明的履带行走装置中快换中心套的结构示意图；

图10为本发明的机器人平台的行走装置快换轴的结构示意图；

图11为本发明的机器人平台的卡扣式快拆结构示意图；

图12为本发明的机器人平台的机体的俯视图；

图13为本发明的机器人平台的机体的爆炸图；

图14为本发明的机器人平台的控制系统原理图。

具体实施方式

如图所示，本实施例的模块化机器人平台包括：机体，其设有动力装置15以及由所述动力装置驱动转动、并伸出机体外的行走装置快拆轴7；行走装置，包括轮式行走装置16、腿式行走装置17或履带行走装置18；行走装置快换接口，包括设置于所述行走装置快拆轴7外端的配合端，设置于所述行走装置、并可外套于所述配合端的快拆中心套，以及用于使所述配合端与快拆中心套相对固定的锁定机构；所述配合端和快拆中心套的侧壁均布有一一对应的通孔；所述锁定机构包括可卡入所述通孔内实现配合端与快拆中心套锁定的锁定球7-7，以及位于所述配合端内、用于控制锁定球卡入或退出通孔的楔形头7-3和复位弹簧7-2。如图10所示，配合端一体成型于快拆轴7-1的外端，其外圆面铣出四个平面，并分别钻取通孔，通孔的孔径应确保钢珠7-7刚好能够通过；配合端内还设有可滑动的，用于推动楔形头7-3滑动的压盘7-6，压盘7-6的外壁设有滑块，配合端的内壁相应设有与之滑动配合的滑槽；配合端的外端面通过螺钉7-5固定有固定圈7-4，其用于对压盘7-6实现限位功能，避免配合端内的零部件脱出；快拆轴7-1的固定端设有用于放置弹簧卡圈的卡槽，其用于快拆轴7-1与滚针轴承10之间的轴向定位；更换行走装置时，可按压快拆轴7配合端的压盘7-6，使楔形头7-3克服弹簧7-2的弹力后退，钢珠7-7退回配合端内，即可取下末端行走装置；换上不同行走装置后，释放压盘7-6，弹簧7-2将楔形头7-3顶出，进一步顶出四个钢珠7-7，钢珠7-7卡于末端行走装置的快拆中心套与配合端对应的孔位内，即实现末端行走装置的固定。

本实施例中，所述机体的外表面设有两条用于卡接外设工作装置的快拆固定条4-1，外设工作装置上设有与其配合的卡扣4-2，所述卡扣4-2上设有限位销4-3，如图11所示；所述快拆固定条4-1为条形齿结构，而快拆固定条4-1上的每一个齿均为卡勾状，可以拧紧限位销4-3卡入对应的齿槽固定卡扣，从而固定置于卡扣上的外设工作装置。本机器人平台在使用中，可以根据实际作业需求搭载红外摄像头、激光雷达等外设装置。

本实施例中，所述机体内设有信息处理及运动控制单元，机体外表面设有用于与所述信息处理及运动控制单元信号连接的通信接口；如图2所示，机体内设有stm32处理器12和树莓派微电脑11。如图14所示，stm32处理器作为底层控制器，用于电机控制和驱动各传感器模块；树莓派用于接收和发送控制指令，并进行图像信息的处理。通信接口统一采用rj45接口3，机身上预置4个rj45接口，可满足多种附加工作装置的通信和数据传输需求。

本实施例中，所述机体的外壳包括可拆卸式固定连接的上壳体2和下壳体1；所述上壳体2内设有上电机安装座、上轴承座和电池仓；所述下壳体1设有与上电机座和上轴承座分别对应配合的下电机座和下轴承座；壳体内还相应的设置加强筋，以提高其强度。电机15通过电机固定架9固定于下壳体1上；另外上壳体2顶面还设有开关6。通过上下壳体的扣合后，上下轴承相互对接，轴承座内设有滚针轴承10，从而对转轴进行支撑，同时进一步固定电机15。避免了复杂的固定件，更有利于整机零部件的快速更换。

本实施例中，所述轮式行走装置16的轮子16-1轮辐为基于应力分布最优化拓扑构型，其采用高弹性材料3d打印成型；如图3和4所示，轮式行走装置16轮圈内部的轮辐为蜂窝孔结构，其在满足工作性能要求的同时，使轮子更加轻量化，快拆中心套16-2通过螺钉16-3固定于轮子16-1的中心孔内。

本实施例中，所述腿式行走装置17为弧型结构，弧形腿17-1分布有减重孔，其上端通过螺钉17-3固定快拆中心套17-2。

本实施例中，所述履带行走装置18包括侧板18-6，设置于侧板18-6中部的快拆中心套18-71，设置于侧板18-6上侧边沿的驱动轮18-4，通过子母螺钉18-3设置于侧板18-6下侧边沿的支撑轮18-2以及传动配合于快拆中心套与驱动轮18-4之间的同步带18-5，如图8和9所示，每个快拆中心套18-71通过一对薄壁轴承18-72支承在侧板18-6的孔位内，快拆中心套18-71外壁设有与同步带18-5同步传动的齿槽；整个履带18-1包覆在两个驱动轮和三个支撑轮18-2外，电机15的动力通过中心套18-71带动同步带18-5，同步带18-5再驱动两驱动轮18-4转动，从而带动履带18-1运转。

本实施例中，所述动力装置和快拆轴7设置四套，并分设在机体的两侧；每一套所述快拆轴7均可同步转动或差速转动；此处动力装置采用电机15，并在机体内设置与电机15连接的电子调速器13以及用于线路布置的分线器14，确保精确的对每一个快拆轴7的转速和转向进行控制，通过四个电机15的差速耦合，即可实现搭载轮式、腿式或履带式不同行走装置时机器人的运动控制。如图12所示，对于轮式行走装置而言，四个电机同速正转或反转即实现机器人的前进和后退；左右两侧电机同速反向转动时，如m1、m3同速正向转动，m2、m4同速反向转动，即实现机器人的原地顺时针转动，反之则原地逆时针转动；左右两侧电机15同向异速时，如m1、m3同速正向高速转动，m2、m4同速正向低速转动即实现右转弯，反之则左转弯。2)对于腿式行走装置而言，直线行走采用对角步态，即对角线上的两条腿同速同向摆动一个周期，接着另一对角线上的两条腿同速同向摆动一个周期，即能实现机器人前进和后退；原地转弯采用自转步态，即对角线上的两条腿同速反向摆动一个周期，接着另一对角线上的两条腿同速反向摆动一个周期，同时保证同侧两条腿的转向一致，能实现机器人的顺时针或逆时针转动；转弯采用转弯步态，即对角线上的两条腿差速同向摆动一个周期，接着另一对角线上的两条腿差速同向摆动一个周期，同时保证同侧两条腿的转速一致，能实现机器人左右转弯。3)对于履带式行走装置而言，同侧两个电机15需时刻同速同向。m1、m2、m3、m4同速正转，机器人前进，反之则后退；m1、m3同速正转，m2、m4同速反转，机器人原地顺时针旋转，反之机器人原地逆时针旋转。m1、m3高速正转，m2、m4低速正转，机器人实现右转弯，反之机器人左转弯。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。