專(zhuān)利名稱(chēng)：一種多葉輪越障機(jī)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于輪式移動(dòng)機(jī)器人、越障控制方式等領(lǐng)域，具體涉及ー種可自適應(yīng)障礙物的越障行走機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)方式。
背景技術(shù)：
很多國(guó)家和公司都在研究能在野外復(fù)雜環(huán)境地形中移動(dòng)行走和越過(guò)障礙的機(jī)器人或者移動(dòng)設(shè)備。特別是猶如發(fā)生泥石流、煤礦坍塌、煤氣泄漏、地震災(zāi)害等之后短時(shí)期內(nèi)人類(lèi)不能輕易靠近的情況，研究人員迫切希望可以研究出高速度和控制簡(jiǎn)單并且能越過(guò)ー定障礙的移動(dòng)機(jī)器人?，F(xiàn)有移動(dòng)設(shè)備的行走機(jī)構(gòu)大致可分為:輪式、履帶式、多足式、混合式和特殊形式(如蛇形滑動(dòng)式)。其中多足式和特殊形式大多屬于仿生類(lèi)行走機(jī)構(gòu)，具有很強(qiáng)的越障能力與地形適應(yīng)性，但這兩類(lèi)行走機(jī)構(gòu)的機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜、控制難度極大、機(jī)動(dòng)性相對(duì)較差，目前正處于研究與開(kāi)發(fā)應(yīng)用的初級(jí)階段。履帶經(jīng)過(guò)一百多年的發(fā)展已經(jīng)被證明是ー種能適應(yīng)復(fù)雜地形與惡劣環(huán)境的行走機(jī)構(gòu)，不過(guò)它的缺點(diǎn)也很明顯:笨重、需要大功率驅(qū)動(dòng)器，因此，對(duì)于便攜式或?qū)β视袊?yán)格限制的移動(dòng)設(shè)備來(lái)說(shuō)履帶并不合適。輪式移動(dòng)機(jī)器人具有輕便簡(jiǎn)潔、高速度、高效率和控制簡(jiǎn)單等ー些固有的優(yōu)勢(shì)，但在野外環(huán)境和復(fù)雜地形時(shí)便顯得笨拙和無(wú)能為力。雖然輪式行走機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單并且效率高，但是它的越障能力卻受到了其簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)所限制。因此，對(duì)普通輪式行走機(jī)構(gòu)加以創(chuàng)新和改進(jìn)，使其能適合于平坦路面的快速行駛和野外環(huán)境與復(fù)雜地形，是ー個(gè)發(fā)展方向。
發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型的目的是要提供ー種機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單、地表適應(yīng)性好、越障能力強(qiáng)的多葉輪移動(dòng)機(jī)器人。ー種多葉輪越障機(jī)構(gòu)，包括機(jī)身框架、行走輪、動(dòng)カ系統(tǒng)(包括電機(jī))、能量源系統(tǒng)(包括電源)、控制電路、遙控和接收模塊；機(jī)身框架為扁平長(zhǎng)方體型，行走輪通過(guò)輪軸對(duì)稱(chēng)安裝在機(jī)身框架左右兩邊；其特征在于:所述行走輪為多葉輪，所述多葉輪是在一個(gè)輪子的整圓圓周邊上等弧長(zhǎng)間隔挖去一段圓弧后形成的，所述多葉輪以六輪為ー組，ー邊三個(gè)，兩兩對(duì)稱(chēng)，安裝到位后，相対稱(chēng)的兩個(gè)多葉輪的葉片圓弧段正好互補(bǔ)，形成一個(gè)整圓，而機(jī)身框架的任一一邊的第一和第三輪與另ー邊的第二輪采用同樣的安裝狀態(tài)，即安裝后，對(duì)應(yīng)葉片的方向相同。所述葉片數(shù)量為ニ、三、四或五。本實(shí)用新型采用多葉輪代替普通輪子，可以讓輪子的重量變輕，同時(shí)保證行走的平穩(wěn)。所述每個(gè)葉片的弧與弧之間以及葉片的弧與空白部分的弧等長(zhǎng)，即若葉片數(shù)量為n, n為大于或等于2的整數(shù)，則每個(gè)葉片的弧等于l/2n，這樣是兼顧重量和平穩(wěn)的較優(yōu)選擇。[0009]當(dāng)然也可以選擇每個(gè)葉片的弧長(zhǎng)大于l/2n，這樣犧牲一點(diǎn)重量的優(yōu)勢(shì)，但可以達(dá)到行走時(shí)更加平穩(wěn)。本實(shí)用新型應(yīng)用到整個(gè)機(jī)器人系統(tǒng)中，通過(guò)相適應(yīng)的控制部分，通過(guò)對(duì)各個(gè)輪子的行走狀態(tài)控制，可以實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)前行和越障前行的兩種方式的切換。其中第一種行走方式是在平路的環(huán)境下，以ー組輪子為例，六個(gè)輪子的相對(duì)位置的初始化類(lèi)似于三角步態(tài)的六足機(jī)器人，即某ー側(cè)的中間輪與另ー側(cè)的前后兩輪保持相同的狀態(tài)。而相對(duì)稱(chēng)的兩個(gè)輪子的圓弧段互補(bǔ)，形成一個(gè)整體上輪子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)與整圓輪子等效。這樣避免了在平路狀態(tài)下速度慢的缺點(diǎn)，其效果從整體上看相當(dāng)于六個(gè)圓輪的旋轉(zhuǎn)，沒(méi)有波動(dòng)或者震蕩。除此之外，對(duì)于ー些非連續(xù)的阻礙度低的障礙物，這種行走方式也可以很容易的通過(guò)。另ー種行走方式是在遇到連續(xù)障礙物的情況下，通過(guò)切換成六個(gè)輪子同屬于ー種狀態(tài)進(jìn)行越障，通過(guò)多葉輪的缺ロ，可以比較容易地掛在在障礙物上，提高越障能力。而且對(duì)于三葉輪，由于其缺ロ是按120°等分，其越障高度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于普通輪子的半徑高度。所以相對(duì)于普通六輪機(jī)器人，本實(shí)用新型的這種行走方式顯示出了一定的優(yōu)勢(shì)?？梢?jiàn)，本實(shí)用新型的多葉輪越障機(jī)構(gòu)結(jié)合了輪式的行走效率和葉輪式的越障能力，使得該機(jī)構(gòu)兼具結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、行走速度快、越障能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

圖1是該越障機(jī)構(gòu)所用到的三葉輪原型示意圖圖2是該越障機(jī)構(gòu)平路運(yùn)動(dòng)初始狀態(tài)示意圖圖3是該越障機(jī)構(gòu)平路前行30度的狀態(tài)示意圖圖4是該越障機(jī)構(gòu)平路前行60度的狀態(tài)示意圖圖5是該越障機(jī)構(gòu)在越障方式下運(yùn)動(dòng)初始狀態(tài)示意圖圖6是該越障機(jī)構(gòu)的簡(jiǎn)化示意圖圖7是該越障機(jī)構(gòu)平路運(yùn)動(dòng)初始狀態(tài)側(cè)面看的整圓效果圖。
具體實(shí)施方式
本實(shí)用新型應(yīng)用到不同的應(yīng)用環(huán)境中，所需要的具體的機(jī)器人結(jié)構(gòu)和控制部分以及電路部分不同。為了讓更多的人能夠從本實(shí)用新型中得到啟發(fā)以及對(duì)于本實(shí)用新型的改進(jìn)和運(yùn)用，本實(shí)用新型只對(duì)于根本性的問(wèn)題和關(guān)鍵部分加以申請(qǐng)權(quán)利保護(hù)以及原理的闡述。作為本實(shí)用新型的ー種形式，本文只以三葉輪作為例子來(lái)描述和解釋本實(shí)用新型的實(shí)現(xiàn)原理和運(yùn)動(dòng)方式，其它葉輪數(shù)與三葉輪具有同樣的原理。參見(jiàn)圖2、圖3、圖4、圖5、圖6和圖7，本實(shí)用新型提出的一種六輪越障機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)方式，包括機(jī)身框架2、行走輪1、動(dòng)カ系統(tǒng)(包括電機(jī))、能量源系統(tǒng)(包括電源)、控制電路、遙控和接收模塊，本文中，并沒(méi)有對(duì)動(dòng)カ系統(tǒng)(包括電機(jī))、能量源系統(tǒng)(包括電源)、控制電路、遙控和接收模塊等機(jī)體的具體結(jié)構(gòu)作詳細(xì)的限制，可以采用現(xiàn)有技術(shù)實(shí)現(xiàn)，不是本專(zhuān)利的技術(shù)改進(jìn)點(diǎn)，因此圖中省去。以下從具體結(jié)構(gòu)設(shè)定和運(yùn)動(dòng)方式兩個(gè)方面來(lái)闡述。參見(jiàn)圖1，本實(shí)用新型所使用的行走輪是三葉輪1，其圓心位置固定于驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)裝置的動(dòng)カ旋轉(zhuǎn)軸上。該三葉輪特點(diǎn)是在ー個(gè)整圓的圓周邊上找出六等分圓周長(zhǎng)的六個(gè)點(diǎn)，以間隔相鄰的兩點(diǎn)為ー組，分出三組。在每組相鄰兩點(diǎn)連線的中點(diǎn)為圓心割去圓弧部分。小圓的圓心可以盡可能地靠近葉輪軸心。這樣可以使得葉輪的重量變輕并且容易卡住障礙物。在圖5、圖6和圖7的輪子葉片上還開(kāi)有圓孔，這樣設(shè)計(jì)是在不影響輪子的堅(jiān)固質(zhì)量的同時(shí)使得輪子的重量盡量小，從而給機(jī)身的重量降低一部分。對(duì)于給出的7幅圖中是否開(kāi)有圓孔不是技術(shù)的關(guān)鍵，圖1到圖4只是為了說(shuō)明本實(shí)用新型的運(yùn)動(dòng)方式和原理。本實(shí)用新型所述的在平路上平穩(wěn)狀態(tài)下運(yùn)動(dòng)前行參見(jiàn)圖2、圖3、圖4。在圖2中，是平穩(wěn)。的前后兩個(gè)輪子LI和L3與右側(cè)ー排輪子中間的輪子R2保持ー種狀態(tài)。余下的L2和Rl、R3屬于另一種互補(bǔ)的狀態(tài)。此時(shí)機(jī)器人車(chē)體與地面的接觸點(diǎn)為輪子R2、LI和L3的葉輪邊中點(diǎn)A、B、C。幾何學(xué)中三個(gè)不在同一直線上的點(diǎn)確定ー個(gè)平面，所以此時(shí)切點(diǎn)A、B、C支撐起機(jī)器人車(chē)體。假設(shè)六輪越障機(jī)構(gòu)初始狀態(tài)下與地面接觸點(diǎn)的那條半徑為參考，前行角度為0度，當(dāng)六個(gè)輪子前行的角度在30°以?xún)?nèi)時(shí)，支撐車(chē)體的切點(diǎn)都是在R2、L1和L3三個(gè)輪子的ー個(gè)葉片邊上。這個(gè)過(guò)程都屬于平穩(wěn)的狀態(tài)。當(dāng)六個(gè)輪子前行的角度正好是30°時(shí)，參見(jiàn)圖3，此時(shí)是ー個(gè)狀態(tài)臨界點(diǎn)。圖中R2、LI和L3與地面的接觸點(diǎn)為各個(gè)葉片的邊緣點(diǎn)A、B、C。與此同吋，RU R3和L2與地面的接觸點(diǎn)為B1、C1和Al。由于R2、L1和L3相對(duì)于L2、R1和R3在一個(gè)整圓內(nèi)互補(bǔ)，此時(shí)仍然是ー個(gè)平穩(wěn)的狀態(tài)。當(dāng)六個(gè)輪子前行的角度大于30°并且小于90°時(shí)，可以假設(shè)某一狀態(tài)為60度，參見(jiàn)圖4，此時(shí)與地面的接觸點(diǎn)為L(zhǎng)2、R1和R3的輪子葉片上的中點(diǎn)A1、B1和Cl。同樣是三點(diǎn)確定ー個(gè)平面，支撐著車(chē)體。圖4、圖6和圖7是圖2關(guān)于ー個(gè)整圓車(chē)輪的一個(gè)互補(bǔ)狀態(tài)。對(duì)于臨界點(diǎn)前后的兩個(gè)狀態(tài)，可以看作是:R2、L1和L3這ー組輪子與L2、R1和R3這ー組輪子的交替切換，從整體上看，這兩組輪子是連續(xù)平滑的整圓效果。同理，當(dāng)車(chē)輪前行角度為90度、150度、210度、270度和330度時(shí)與前行30度角一樣屬于狀態(tài)臨界點(diǎn)。這些時(shí)刻有六個(gè)接觸地面的點(diǎn)。其他的任意角度下都有不在同一直線上的三個(gè)觸地點(diǎn)平穩(wěn)地支撐著車(chē)體。所以按照這種運(yùn)動(dòng)方式前行就可以在平地上像整圓的車(chē)輪那樣前行。從而在速度上達(dá)到最佳狀態(tài)。在平穩(wěn)狀態(tài)前行方式下，因?yàn)橥粫r(shí)刻除了臨界點(diǎn)狀態(tài)只有三個(gè)著地點(diǎn)，加上輪子有空缺部分，所以此時(shí)的相對(duì)越障能力較整圓輪的情況要強(qiáng)ー些，但是這樣可能會(huì)出現(xiàn)左右搖晃震蕩的問(wèn)題，為了達(dá)到更好的越障效果和穩(wěn)定性。提出了下面的越障方式狀態(tài)下的運(yùn)動(dòng)方式。參見(jiàn)圖5，當(dāng)遇到障礙物時(shí)把運(yùn)動(dòng)方式切換成如圖5的狀態(tài)，此時(shí)左側(cè)和右側(cè)的六個(gè)輪子處在同一個(gè)狀態(tài)。切換方法是保持其中的ー組三個(gè)輪子不動(dòng)，控制另外ー組的三個(gè)輪子轉(zhuǎn)動(dòng)六十度角。此時(shí)為了避免震蕩可以放慢前行速度。這種方式的越障性能要比之前的狀態(tài)強(qiáng)很多。
權(quán)利要求1.ー種多葉輪越障機(jī)構(gòu)，包括機(jī)身框架和行走輪；機(jī)身框架為扁平長(zhǎng)方體型，行走輪通過(guò)輪軸對(duì)稱(chēng)安裝在機(jī)身框架左右兩邊；其特征在于:所述行走輪為多葉輪，所述多葉輪是在ー個(gè)輪子的整圓圓周邊上等弧長(zhǎng)間隔挖去一段圓弧后形成的，所述多葉輪以六輪為ー組，一邊三個(gè)，兩兩對(duì)稱(chēng)，安裝到位后，相対稱(chēng)的兩個(gè)多葉輪的葉片圓弧段正好互補(bǔ)，形成一個(gè)整圓，而機(jī)身框架任一一邊的第一和第三輪與另ー邊的第二輪采用同樣的安裝狀態(tài)，即安裝后，對(duì)應(yīng)葉片的方向相同。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多葉輪越障機(jī)構(gòu)，其特征在于:所述每個(gè)葉片的弧與弧之間以及葉片的弧與空白部分的弧等長(zhǎng)，即若所述葉片數(shù)量為n，n為大于或等于2的整數(shù)，則每個(gè)葉片的弧等于l/2n。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多葉輪越障機(jī)構(gòu)，其特征在于:若所述葉片數(shù)量為n，則每個(gè)葉片的弧長(zhǎng)大于l/2n。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多葉輪越障機(jī)構(gòu)，其特征在于:所述葉片數(shù)量為ニ、三、四或五。
專(zhuān)利摘要一種多葉輪越障機(jī)構(gòu)，包括機(jī)身框架和行走輪；機(jī)身框架為扁平長(zhǎng)方體型，行走輪通過(guò)輪軸對(duì)稱(chēng)安裝在機(jī)身框架左右兩邊；其特征在于所述行走輪為多葉輪，所述多葉輪是在一個(gè)輪子的整圓圓周邊上等弧長(zhǎng)間隔挖去一段圓弧后形成的，所述多葉輪以六輪為一組，一邊三個(gè)，兩兩對(duì)稱(chēng)，安裝到位后，相對(duì)稱(chēng)的兩個(gè)多葉輪的葉片圓弧段正好互補(bǔ)，形成一個(gè)整圓，而機(jī)身框架任一一邊的第一和第三輪與另一邊的第二輪采用同樣的安裝狀態(tài)，即安裝后，對(duì)應(yīng)葉片的方向相同。該越障機(jī)構(gòu)地表適應(yīng)性強(qiáng)，越障能力強(qiáng)，能輕松跨越略低于輪子直徑的障礙物，相對(duì)于一般的六輪機(jī)器人本體的單一機(jī)身機(jī)構(gòu)來(lái)說(shuō)表現(xiàn)出一定的優(yōu)勢(shì)。
文檔編號(hào)B60B37/00GK202944147SQ20122066678
公開(kāi)日2013年5月22日 申請(qǐng)日期2012年12月6日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月15日
發(fā)明者葛耿育, 李飛龍, 譚艷, 萬(wàn)能清, 胡翔, 韓強(qiáng), 孫亞芹, 李君科, 萬(wàn)婷, 王宇俊, 方燦 申請(qǐng)人:西南大學(xué)