專利名稱：一種可對接的履帶式移動機器人的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種履帶式機器人，更特別地說，是指一種小型化可對接的履帶式移動機器人。本發(fā)明機器人結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)將多個所述機器人進行自動對接組合構(gòu)成一個體系機器人完成不同環(huán)境條件的任務，同時也能夠?qū)⒁粋€體系機器人進行自動分離開，執(zhí)行多個相同指令條件下的任務。
背景技術(shù)：
小型移動機器人因結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、易于攜帶、功耗小等優(yōu)點，在軍事、探險、宇航等領(lǐng)域得到了越來越多的應用。當小型移動機器人工作于野外環(huán)境中，要面對比室內(nèi)機器人更為復雜的地形地貌，運行時的沖擊振動更為明顯，獲得的人工干預更少，因此，小型野外機器人的結(jié)構(gòu)應當具有適應小型化和復雜地形的特點，以及更高的整體可靠性。
目前，已有的小型野外移動機器人通常采用可變形的機體結(jié)構(gòu)來提高機器人對復雜地形的適應能力。如美國Remotec公司的小型機器人Andros、美國卡內(nèi)基·梅隆大學(CMU)機器人研究所研制的Urbie、美國噴氣推進實驗室(JPL)研制的GO-FOR機器人、“火星漫游者”、上海大學研制的自位機器人SRR-II等。但是，現(xiàn)有小型野外移動機器人通常沒有在結(jié)構(gòu)中設計獨立的懸掛裝置，以減小行走時沖擊振動的影響，因此，通常不能快速移動。同時，由于機器人采用不可拆分的一體化結(jié)構(gòu)，出現(xiàn)故障后，不具備自修復的能力，相對室內(nèi)移動機器人而言，不具備更高的可靠性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種可對接的履帶式移動機器人，該機器人通過等效球鉸機構(gòu)和對接卡緊機構(gòu)的配合使用能夠?qū)崿F(xiàn)多體自主對接、分離，具備自修復能力，并對對接后的體系機器人能夠完成相一致的姿態(tài)調(diào)整，具備適應復雜地形和翻倒后自復位功能的小型野外移動機器人。
本發(fā)明是一種可對接的履帶式移動機器人，由等效球鉸機構(gòu)、前連接件、后連接件、右支撐履帶機構(gòu)、左支撐履帶機構(gòu)和對接卡緊機構(gòu)組成，右支撐履帶機構(gòu)結(jié)構(gòu)與左支撐履帶機構(gòu)結(jié)構(gòu)對稱相同，前連接件的左底板與左支撐履帶機構(gòu)的前連接板固定，前連接件的右底板與右支撐履帶機構(gòu)的前連接板固定，前連接件的上頂板與等效球鉸機構(gòu)的球鉸底座固定；后連接件的左底板與左支撐履帶機構(gòu)的后連接板固定，后連接件的右底板與右支撐履帶機構(gòu)的后連接板固定，后連接件的上頂板與對接卡緊機構(gòu)的支撐座背部通過后面板固定。
本發(fā)明可對接的履帶式移動機器人在執(zhí)行作業(yè)任務時，機器人可根據(jù)任務需求使車體(由三個以上本發(fā)明的可對接的履帶式移動機器人對接組合而成)之間分離或?qū)?，即能實現(xiàn)多車體分體獨立運行，又能拋棄損壞車體，對接新的完好車體，實現(xiàn)自修復；在多車體對接完成后，可通過對車體間姿態(tài)調(diào)整電機(翻滾電機、俯仰電機和偏航電機)的控制，變換機器人的姿態(tài)，以適應不同的環(huán)境，實現(xiàn)翻倒后的自復位。
本發(fā)明可對接的履帶式移動機器人的優(yōu)點在于(1)采用彈性支撐履帶機構(gòu)作為機器人的減震裝置，有效地減輕了在顛簸地面上機器人運行時的振動；(2)對接卡緊機構(gòu)的獨立設計，實現(xiàn)了車體之間的對接和分離，使機器人能夠自動拋棄損壞車體，具備自修復能力；(3)等效球鉸機構(gòu)的獨立設計，在多車體對接后能實現(xiàn)車體之間的姿態(tài)調(diào)整，以適應不同任務對機器人構(gòu)型的需求，同時也增強了對野外環(huán)境的適應性；(4)四個驅(qū)動組件實現(xiàn)了小型野外移動機器人的彈性緩沖結(jié)構(gòu)；以相同配置的模塊化機器人車體為基礎，實現(xiàn)了多車體的自主對接和分離，使機器人具備更高的結(jié)構(gòu)冗余性，提高了靈活性和可靠性。


圖1是本發(fā)明機器人的整體結(jié)構(gòu)圖。
圖2是前連接件的結(jié)構(gòu)圖。
圖2A是后連接件的結(jié)構(gòu)圖。
圖3是等效球鉸機構(gòu)結(jié)構(gòu)圖。
圖3A是等效球鉸機構(gòu)的連接構(gòu)件簡圖。
圖3B是對接頭組件結(jié)構(gòu)圖。
圖4是對接卡緊機構(gòu)結(jié)構(gòu)圖。
圖4A是支撐座結(jié)構(gòu)圖。
圖4B是圖4A的后視圖。
圖5是右支撐履帶機構(gòu)結(jié)構(gòu)圖。
圖5A是圖5的后視圖。
圖5B是四個驅(qū)動組件與后支撐板的裝配圖。
圖5C是驅(qū)動組件爆炸視圖。
圖6是三個機器人對接后完成180度自復位動作的動作序列圖。
圖中 1.等效球鉸機構(gòu) 101.球鉸底座 102.翻滾座 121.左面板122.底面板 123.后面板 103.U形座104.第一弧形桿 105.第二弧形桿106.對接頭組件 161.錐形接頭 162.錐座 163.圓柱164.縱向鉸鏈165.橫向鉸鏈107.通孔 108.前通孔 109.后通孔 110.偏航電機111.翻滾電機112.俯仰電機 113.鉸鏈 2.前連接件 201.右底板202.左底板 203.上頂板 3.右支撐履帶機構(gòu) 301.前支撐板302.履帶303.后支撐板 304.前連接板 305.后連接板306.驅(qū)動組件A307.驅(qū)動組件B 308.驅(qū)動組件C381.驅(qū)動輪 382.輪轂電機383.擺動臂384.左擋圈 385.右擋圈 386.通孔 387.電機軸 309.驅(qū)動組件D310.擺動軸 311.扭力彈簧 312.擋柱 4.后連接件 401.右底板402.左底板 403.上頂板 5.對接卡緊機構(gòu) 501.電機齒輪502.絲杠503.絲杠齒輪504.左定位塊 505.右定位塊 506.卡緊電機507.支撐座571.T形后梁 572.凹槽 573.T形前梁 574.錐形孔 575.后面板576.前面板 508.右十字滑塊509.左十字滑塊6.左支撐履帶機構(gòu) 7.前車體 8.中間車體 9.后車體具體實施方式
下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步的詳細說明。
參見圖1所示，本發(fā)明是一種可對接的履帶式移動機器人，是由等效球鉸機構(gòu)1、前連接件2、后連接件4、右支撐履帶機構(gòu)3、左支撐履帶機構(gòu)6和對接卡緊機構(gòu)5組成，右支撐履帶機構(gòu)3結(jié)構(gòu)與左支撐履帶機構(gòu)6結(jié)構(gòu)對稱相同，(參見圖2所示)前連接件2的左底板202與左支撐履帶機構(gòu)6的前連接板固定，前連接件2的右底板201與右支撐履帶機構(gòu)3的前連接板304固定，前連接件2的上頂板203與等效球鉸機構(gòu)1的球鉸底座101固定；(參見圖2A所示)后連接件4的左底板402與左支撐履帶機構(gòu)6的后連接板固定，后連接件4的右底板401與右支撐履帶機構(gòu)3的后連接板305固定，后連接件4的上頂板403與對接卡緊機構(gòu)5的支撐座507背部通過后面板575固定。本發(fā)明可對接的履帶式移動機器人等效球鉸機構(gòu)1的翻滾回轉(zhuǎn)中心線與對接卡緊機構(gòu)5的中心線，以及機器人本體的中心線重合。
一、等效球鉸機構(gòu)1(參見圖3、圖3A、圖3B所示)本發(fā)明等效球鉸機構(gòu)1是具有三個轉(zhuǎn)動自由度的主動球鉸。等效球鉸機構(gòu)1由三個電機、一個對接頭組件106和相關(guān)連接構(gòu)件組成，三個電機是指偏航電機110、翻滾電機111和俯仰電機112。翻滾電機111安裝在球鉸底座101上，翻滾電機111的輸出軸與翻滾座102的左面板121固定；俯仰電機112安裝在翻滾座102的后面板123上，俯仰電機112的輸出軸穿過后面板123上的一通孔與第二弧形桿105的一端連接，第二弧形桿105的另一端通過鉸鏈113與第一弧形桿104一端連接；偏航電機110安裝在翻滾座102的底面板122上，偏航電機110的輸出軸穿過底面板122上的一通孔107與U形座103連接；對接頭組件106通過圓柱163上的縱向鉸鏈164與第一弧形桿104另一端連接(縱向鉸鏈164回轉(zhuǎn)中心線與偏航電機110軸線重合)，對接頭組件106通過圓柱163上的橫向鉸鏈165與U形座103的前通孔108和后通孔109連接。對接頭組件106為一體成型件，其一端為圓柱163，圓柱163的端部開設有縱向和橫向通孔，圓柱163的另一端是錐座162，錐座162端部為錐形接頭161。將多個本發(fā)明機器人進行組合對接時，前一個機器人的錐形接頭將插入后一個機器人的對接卡緊機構(gòu)的錐形孔中，通過左十字滑塊與左定位塊，右十字滑塊與右定位塊的配合使用(參見圖4所示)，在卡緊電機經(jīng)齒輪帶動絲杠運動的條件下，從而帶動左十字滑塊、右十字滑塊相對運動來卡緊錐形接頭。
裝配完成的等效球鉸機構(gòu)1，其上的翻滾電機111、俯仰電機112和偏航電機110的軸線兩兩相互垂直，且交于空間一點。通過控制上述三個電機的轉(zhuǎn)動，即可實現(xiàn)對接頭組件106繞空間坐標系三軸的旋轉(zhuǎn)。
二、右支撐履帶機構(gòu)3(參見圖5、圖5A、圖5B、圖5C所示)本發(fā)明左支撐履帶機構(gòu)6與右支撐履帶機構(gòu)3結(jié)構(gòu)對稱相同，右支撐履帶機構(gòu)3由四個驅(qū)動組件、履帶302、前支撐板301、后支撐板303和四個擺動軸組成，這四個驅(qū)動組件每兩個一組，放置位置相互平行，用于支撐起圍繞在其外側(cè)的履帶302，其安裝位置使得履帶302上端長，下端短，保證了機器人機體具有一定接近角和離去角，有效地提高了越障能力。四個驅(qū)動組件是指驅(qū)動組件A 306、驅(qū)動組件B 307、驅(qū)動組件C 308和驅(qū)動組件D 309，這四個驅(qū)動組件的結(jié)構(gòu)相同，分別通過各自的擺動軸安裝在前支撐板和后支撐板之間，擺動軸的一端套接有扭力彈簧。下面以驅(qū)動組件C 308(參見圖5B所示)的安裝關(guān)系進行說明擺動軸310的一端穿過驅(qū)動組件C 308的通孔386后套接一扭力彈簧311后固定在后支撐板303上，扭力彈簧311的一端與擋柱312固定；擺動軸310的另一端固定在前支撐板301上。扭力彈簧311產(chǎn)生的扭力使擺動軸310向外側(cè)展開，以緩沖來自驅(qū)動輪381的沖擊載荷。
右支撐履帶機構(gòu)3的后支撐板303的外側(cè)面板上設有前連接板304、后連接板305(前連接板304和后連接板305分別固定在前連接件2和后連接件4上，實現(xiàn)右支撐履帶機構(gòu)3與前連接件2和后連接件4的連接關(guān)系)。在本發(fā)明中，前支撐板301和后支撐板303為梯形結(jié)構(gòu)；前支撐板301和后支撐板303上分別開設有供擺動軸固定的安裝孔，通過在前支撐板301和后支撐板303上設定所述安裝孔就確定了四個驅(qū)動組件的安裝位置關(guān)系。
在本發(fā)明中，涉及的四個擺動軸與扭力彈簧的連接關(guān)系，擺動軸上套接有一個驅(qū)動組件，通過驅(qū)動輪與履帶302的柔性連接帶動履帶302運動，從而使右支撐履帶機構(gòu)3向前或向后運動。
參見圖5C所示，驅(qū)動組件C 308的驅(qū)動輪381固定在輪轂電機382的輪轂上，電機軸387的兩端分別套接有左擋圈384和右擋圈385，左擋圈384和右擋圈385同擺動臂383一端連接，擺動臂383另一端的通孔386內(nèi)套接有擺動軸310。
三、對接卡緊機構(gòu)5(參見圖4、圖4A、圖4B所示)本發(fā)明對接卡緊機構(gòu)5當卡緊電機506軸旋轉(zhuǎn)時，即可通過絲杠502驅(qū)動左十字滑塊509、右十字滑塊508張開或卡緊，以放開或鎖緊另一機器人上的等效球鉸機構(gòu)的對接頭組件的錐形接頭。支撐座507上設有的錐形孔574，其錐度和深度與錐形接頭161的錐度和高度相等；當實行對接時，可通過左定位塊504、右定位滑塊505的斜面和支撐座507的錐形孔574，導引錐形接頭161進入鎖緊位置。
對接卡緊機構(gòu)5的支撐座507為一體成型件，是對接卡緊機構(gòu)5的基座，其中心位置開設有錐形孔574，其上端設有T形后梁571、T形前梁573，T形后梁571與T形前梁573之間開有凹槽572(供絲杠502運動)；T形后梁571與T形前梁573的左端卡合有左十字滑塊509，左十字滑塊509一側(cè)面與三角形左定位塊504的底邊固定連接，左定位塊504的底邊位于前面板576的左側(cè)且底邊邊線與錐形孔574的孔邊重合；T形后梁571與T形前梁573的右端卡合有右十字滑塊508，右十字滑塊508一側(cè)面與三角形右定位塊505的底邊固定連接，右定位塊505的底邊位于前面板576的右側(cè)且底邊邊線與錐形孔574的孔邊重合；卡緊電機506固定在支撐座507的后面板575上，卡緊電機506的輸出軸上連接有電機齒輪501；絲杠502一端通過螺紋連接在右十字滑塊508上，絲杠502另一端穿過左十字滑塊509后固定在絲杠齒輪503上，且左十字滑塊509與絲杠502螺紋連接，電機齒輪501與絲杠齒輪503嚙合。左十字滑塊509與左定位塊504的連接和右十字滑塊508與右定位塊505的連接，實現(xiàn)了當卡緊電機506帶動絲杠502左右旋轉(zhuǎn)時，與其螺紋連接的左十字滑塊509、右十字滑塊508會相對運動使左定位塊504、右定位塊505收緊和放開，達到將另一個機器人的對接頭組件卡緊或松開。
參見圖6所示，將三個本發(fā)明機器人結(jié)構(gòu)進行組合對接后，利用多機體結(jié)構(gòu)的可擴充性和姿態(tài)的多樣性，本發(fā)明涉及的可對接履帶式機器人能夠?qū)崿F(xiàn)一些高度靈活的動作。下面以三個機器人組合對接的機體結(jié)構(gòu)翻倒后的自復位動作、翻越高臺階動作和爬樓梯動作為例進行說明。
(A)中間車體8和后車體9的俯仰電機動作，將前車體7和后車體9抬起45度；(B)后車體9的翻滾電機動作，將后車體9繞自身軸線旋轉(zhuǎn)180度；(C)中間車體8的三個姿態(tài)調(diào)整電機(翻滾電機、俯仰電機、偏航電機)協(xié)調(diào)動作，將前車體7繞自身軸線旋轉(zhuǎn)180度；(D)中間車體8和后車體9的俯仰電機動作，將前車體7和后車體9放平；(E)中間車體8和后車體9的俯仰電機動作，將中間車體抬起40度；(F)中間車體8的翻滾電機動作，后車體9的三個姿態(tài)調(diào)整電機做跟隨轉(zhuǎn)動，將中間車體8繞自身軸線旋轉(zhuǎn)180度；(G)中間車體8和后車體0的俯仰電機動作，將中間車體8放平，完成180度自復位過程。
如果上述的三個機器人車體的翻倒角度為90度，其自復位動作過程同上類似。另外，其中一個機器人在運行過程中出現(xiàn)翻倒，其它兩個機器人可以與其對接，然后協(xié)助翻倒其車體完成自復位動作。
利用本發(fā)明機器人結(jié)構(gòu)，通過對多個機器人組合對接后構(gòu)成一個能夠完成翻越高臺階動作(可以翻越遠大于自身越障高度的障礙，同樣，也可完成攀爬連續(xù)臺階的動作)、通過狹窄通道動作(能夠協(xié)調(diào)動作，利用單車體高度小于寬度的特點，穿過狹窄通道)的機器人系統(tǒng)或者是機器人車體群。
權(quán)利要求
1.一種可對接的履帶式移動機器人，其特征在于由等效球鉸機構(gòu)(1)、前連接件(2)、后連接件(4)、右支撐履帶機構(gòu)(3)、左支撐履帶機構(gòu)(6)和對接卡緊機構(gòu)(5)組成，右支撐履帶機構(gòu)(3)結(jié)構(gòu)與左支撐履帶機構(gòu)(6)結(jié)構(gòu)對稱相同，前連接件(2)的左底板(202)與左支撐履帶機構(gòu)(6)的前連接板固定，前連接件(2)的右底板(201)與右支撐履帶機構(gòu)(3)的前連接板(304)固定，前連接件(2)的上頂板(203)與等效球鉸機構(gòu)(1)的球鉸底座(101)固定；后連接件(4)的左底板(402)與左支撐履帶機構(gòu)(6)的后連接板固定，后連接件(4)的右底板(401)與右支撐履帶機構(gòu)(3)的后連接板(305)固定，后連接件(4)的上頂板(403)與對接卡緊機構(gòu)(5)的支撐座(507)背部通過后面板(575)固定；所述等效球鉸機構(gòu)(1)的翻滾電機(111)安裝在球鉸底座(101)上，翻滾電機(111)的輸出軸與翻滾座(102)的左面板(121)固定；俯仰電機(112)安裝在翻滾座(102)的后面板(123)上，俯仰電機(112)的輸出軸穿過后面板(123)上的一通孔與第二弧形桿(105)的一端連接，第二弧形桿(105)的另一端通過鉸鏈(113)與第一弧形桿(104)一端連接；偏航電機(110)安裝在翻滾座(102)的底面板(122)上，偏航電機(110)的輸出軸穿過底面板(122)上的一通孔(107)與U形座(103)連接；對接頭組件(106)通過圓柱(163)上的縱向鉸鏈(164)與第一弧形桿(104)另一端連接，對接頭組件(106)通過圓柱(163)上的橫向鉸鏈(165)與U形座(103)的前通孔(108)和后通孔(109)連接；對接頭組件(106)為一體成型件，其一端為圓柱(163)，圓柱(163)的端部開設有縱向和橫向通孔，圓柱(163)的另一端是錐座(162)，錐座(162)端部為錐形接頭(161)；所述右支撐履帶機構(gòu)(3)由驅(qū)動組件A(306)、驅(qū)動組件B(307)、驅(qū)動組件C(308)、驅(qū)動組件D(309)、履帶(302)、前支撐板(301)、后支撐板(303)和四個擺動軸組成，驅(qū)動組件A(306)和驅(qū)動組件B(307)放置在下方，驅(qū)動組件C(308)和驅(qū)動組件D(309)放置在上方，且這四個驅(qū)動組件相互平行，這四個驅(qū)動組件分別通過四個擺動軸安裝在前支撐板(301)與后支撐板(303)上，且擺動軸的一端磁接一扭力彈簧；前支撐板(301)和后支撐板(303)為梯形結(jié)構(gòu)，其面板上開設有供擺動軸固定的安裝孔，后支撐板(303)的外側(cè)面板上設有前連接板(304)、后連接板(305)；驅(qū)動組件C(308)的驅(qū)動輪(381)固定在輪轂電機(382)的輪轂上，電機軸(387)的兩端分別套接有左擋圈(384)和右擋圈(385)，左擋圈(384)和右擋圈(385)同擺動臂(383)一端連接，擺動臂(383)另一端的通孔(386)內(nèi)套接有擺動軸(310)；所述對接卡緊機構(gòu)(5)的支撐座(507)為一體成型件，是對接卡緊機構(gòu)(5)的基座，其中心位置開設有錐形孔(574)，其上端設有T形后梁(571)、T形前梁(573)，T形后梁(571)與T形前梁(573)之間開設有凹槽(572)；T形后梁(571)與T形前梁(573)的左端卡合有左十字滑塊(509)，左十字滑塊(509)一側(cè)面與三角形左定位塊(504)的底邊固定連接，左定位塊(504)的底邊位于前面板(576)的左側(cè)且底邊邊線與錐形孔(574)的孔邊重合；T形后梁(571)與T形前梁(573)的右端卡合有右十字滑塊(508)，右十字滑塊(508)一側(cè)面與三角形右定位塊(505)的底邊固定連接，右定位塊(505)的底邊位于前面板(576)的右側(cè)且底邊邊線與錐形孔(574)的孔邊重合；卡緊電機(506)固定在支撐座(507)的后面板(575)上，卡緊電機(506)的輸出軸上連接有電機齒輪(501)；絲杠(502)一端通過螺紋連接在右十字滑塊(508)上，絲杠(502)另一端穿過左十字滑塊(509)后固定在絲杠齒輪(503)上，且左十字滑塊(509)與絲杠(502)螺紋連接，電機齒輪(501)與絲杠齒輪(503)嚙合。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可對接的履帶式移動機器人，其特征在于縱向鉸鏈(164)回轉(zhuǎn)中心線與偏航電機(110)軸線重合。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可對接的履帶式移動機器人，其特征在于對接卡緊機構(gòu)(5)的卡緊電機(506)是直流電機。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可對接的履帶式移動機器人，其特征在于等效球鉸機構(gòu)(1)的翻滾電機(111)、俯仰電機(112)和偏航電機(110)是直流電機。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可對接的履帶式移動機器人，其特征在于通過對接卡緊機構(gòu)(5)與另一個履帶式移動機器人的等效球鉸機構(gòu)(1)的對接能夠?qū)⒍鄠€履帶式移動機器人組合成一個機器人車體群。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種可對接的履帶式移動機器人，由等效球鉸機構(gòu)、前連接件、后連接件、右支撐履帶機構(gòu)、左支撐履帶機構(gòu)和對接卡緊機構(gòu)組成，右支撐履帶機構(gòu)結(jié)構(gòu)與左支撐履帶機構(gòu)結(jié)構(gòu)對稱相同，前連接件的左底板與左支撐履帶機構(gòu)的前連接板固定，前連接件的右底板與右支撐履帶機構(gòu)的前連接板固定，前連接件的上頂板與等效球鉸機構(gòu)的球鉸底座固定；后連接件的左底板與左支撐履帶機構(gòu)的后連接板固定，后連接件的右底板與右支撐履帶機構(gòu)的后連接板固定，后連接件的上頂板與對接卡緊機構(gòu)的支撐座背部通過后面板固定。單個本發(fā)明機器人機構(gòu)既能獨立運行，又能通過對接卡緊機構(gòu)與另一個機器人的等效球鉸機構(gòu)連接，組成一個多車體的機器人車體群。其功能表現(xiàn)為，在平坦路面下，機器人能以單車體進行獨立運動；在復雜路面下，或需要完成高難度動作時，機器人能利用對接卡緊機構(gòu)組合成多車體機器人結(jié)構(gòu)，利用等效球鉸機構(gòu)實現(xiàn)翻越高障礙或樓梯、穿過狹窄通道、越過大寬度溝塹等動作，并能完成機器人翻倒后的自復位。
文檔編號B25J11/00GK1861332SQ20061008931
公開日2006年11月15日 申請日期2006年6月19日 優(yōu)先權(quán)日2006年6月19日
發(fā)明者王巍, 宗光華, 鄧志誠 申請人:北京航空航天大學