一种移动机器人及其越障碍方法.pdf

本发明涉及机器人工程，具体地说是一种需要越障碍的移动机器人及其越障碍方法，机器人包括箱体及安装在箱体两侧、通过履带连接的前、后带轮，箱体内的一端设有带轮电机，分别与该端箱体两侧的带轮相连接，在箱体的另一端设有摆腿回转轴，其由箱体及该端的后带轮穿过，摆腿回转轴位于箱体外的两端均设有摆腿；在该端的箱体内安装有与摆腿回转轴连接的摆腿电机。方法：摆腿旋转至机器人主体围绕摆腿回转轴翻转；摆腿电机反转驱动摆腿逆向旋转至主体脱离地面；带轮电机工作，使机器人向障碍物移动，至履带搭靠在障碍物上沿；摆腿继续逆向旋转，同时移动机器人至其重心超过障碍物的上沿，完成越上障碍物。本发明具有结构简单、易于操作等特点。

1.  一种移动机器人，包括箱体及安装在箱体两侧、通过履带连接的前、后带轮，箱体内的一端设有带轮电机，分别与该端箱体两侧的带轮相连接，其特征在于：在箱体(2)的另一端设有摆腿回转轴(9)，其由箱体(2)及该端的后带轮(7)穿过，摆腿回转轴(9)位于箱体(2)外的两端均设有摆腿(8)；在该端的箱体(2)内安装有与摆腿回转轴(9)连接的摆腿电机(5)。

2.  按权利要求1所述的移动机器人，其特征在于：所述摆腿电机(5)的输出轴与摆腿回转轴(9)相垂直，摆腿电机(5)的输出轴及摆腿回转轴(9)上分别设有相互啮合传动的锥齿轮(10)；摆腿电机(5)通过锥齿轮(10)驱动摆腿(8)转动。

3.  按权利要求1所述的移动机器人，其特征在于：所述摆腿(8)的水平投影长度(L)大于摆腿回转轴(9)到机器人重心(G)的水平投影长度(L1)。

4.  按权利要求3所述的移动机器人，其特征在于：机器人主体由履带(4)及箱体(2)组成，机器人重心(G)在机器人主体上。

5.  按权利要求1所述的移动机器人，其特征在于：所述摆腿回转轴(9)与箱体(2)之间及摆腿回转轴(9)与后带轮(7)之间分别设有套在摆腿回转轴(9)上的轴承(6)。

6.  按权利要求1所述的移动机器人，其特征在于：所述带轮电机(1)为两个，分别通过输出轴与两侧的前带轮(3)相连接，驱动前带动(3)旋转。

7.  按权利要求1所述移动机器人的越障碍方法，其特征在于：摆腿电机(5)驱动摆腿(8)旋转至机器人主体围绕摆腿回转轴(9)翻转；当箱体(2)上端与地面接触后，摆腿电机(5)反转驱动摆腿(8)逆向旋转至主体脱离地面，摆腿电机(5)停转；带轮电机(1)驱动带轮及履带，使机器人向障碍物(11)方向移动，至履带(4)搭靠在障碍物(11)上沿；摆腿电机(5)再次工作，驱动摆腿(8)继续逆向旋转，同时移动机器人至机器人重心(G)超过障碍物(11)的上沿；摆腿电机(5)停转，带轮电机(1)驱动机器人移动，完成越上障碍物；收起摆腿(8)。

8.  按权利要求7所述的方法，其特征在于：在履带(4)搭靠在障碍物(11)上后至机器人重心(G)超过障碍物(11)上沿的过程中摆腿(8)与地面为滑动磨擦，利用摆腿将重心(G)所在的机器人主体送上障碍物(11)。

9.  按权利要求7所述的方法，其特征在于：所述摆腿(8)的水平投影长度(L)大于摆腿回转轴(9)到机器人重心(G)的水平投影长度(L1)，在摆腿电机(5)驱动摆腿(8)旋转的过程中，机器人主体能够被抬起，围绕摆腿回转轴(9)翻转。

10.  按权利要求7所述的方法，其特征在于：在下障碍物(11)时，可以先将摆腿(8)接近地面，带轮电机(1)工作、移动机器人并配合旋转摆腿(8)，使机器人平稳着陆。

一种移动机器人及其越障碍方法
技术领域
本发明涉及机器人工程，具体地说是一种需要越障碍的移动机器人及其越障碍方法。
背景技术
目前，现有使用较多的移动机器人有单节履带移动机器人和两节式履带移动机器人。
单节履带移动机器人通过电机带动箱体两侧的带轮与履带啮合传动，使机器人移动、爬楼或越障碍物。这种单节履带移动机器人在越障碍物时，只能越过较矮的障碍物(与机器人自身的体积重量相比较)，而且在上下楼梯时也不平稳，容易翻倒。
两节式履带移动机器人，前节履带作为摆腿，可以独立驱动。机器人由主驱动轮控制移动，由摆腿驱动电机控制摆腿翻转，实现机器人的前进、后退、爬坡、越障碍物等。但由于前节履带较短，很难使机器人翻身；即使可以使机器人翻身，也是用于机器人倾倒后的翻身自救。而且，当机器人在障碍物较多的复杂环境中应用时，就会存在着越障碍高度与机器人自身尺寸相比、机器人越障碍能力不足的问题。此外，还由于摆腿为履带式，履带及其支撑件势必会增加机器人的整体重量，进而导致驱动功率增加，内耗大，影响了机器人的移动速度、爬坡能力。如图1所示，履带及其支撑件的重量还使机器人整体重心G向前节履带、即摆腿端偏移，进而导致机器人翻身越障碍的障碍物11高度降低。如图2所示，当机器人翻身越障碍时，机器人的重心G端搭靠在障碍物11上，前节履带旋转把机器人重心端抬起；因为机器人摆腿为履带式，在机器人本体越障碍时，前节履带与地面接触的支撑端为滚动磨擦，磨擦系数小，在机器人自身重力的作用下，机器人容易下滑，增加了机器人操作控制的难度。若如图3所示，机器人不采用翻身越障碍，而是采用单节履带移动机器人越障碍方式，能越过障碍物11的最大高度远小于采用翻身越障碍方式能够越过的障碍物高度。单节履带移动机器人越障碍高度与其类似。再有，两节式履带移动机器人由于增加了前节履带，因履带制造费用高，所以成本较高。
发明内容
为了解决现有机器人越障碍能力不足的问题，本发明的目的在于提供一种提高越障碍高度、易于操作控制的移动机器人及其越障碍方法。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
本发明包括箱体及安装在箱体两侧、通过履带连接的前、后带轮，箱体内的一端设有带轮电机，分别与该端箱体两侧的带轮相连接，在箱体的另一端设有摆腿回转轴，其由箱体及该端的后带轮穿过，摆腿回转轴位于箱体外的两端均设有摆腿；在该端的箱体内安装有与摆腿回转轴连接的摆腿电机。
其中：摆腿电机的输出轴与摆腿回转轴相垂直，摆腿电机的输出轴及摆腿回转轴上分别设有相互啮合传动的锥齿轮；摆腿电机通过锥齿轮驱动摆腿转动；摆腿的水平投影长度大于摆腿回转轴到机器人重心的水平投影长度；机器人主体由履带及箱体组成，机器人重心在机器人主体上；摆腿回转轴与箱体之间及摆腿回转轴与后带轮之间分别设有套在摆腿回转轴上的轴承；带轮电机为两个，分别通过输出轴与两侧的前带轮相连接，驱动前带动旋转。
越障碍方法：
摆腿电机驱动摆腿旋转至机器人主体围绕摆腿回转轴翻转；当箱体上端与地面接触后，摆腿电机反转驱动摆腿逆向旋转至主体脱离地面，摆腿电机停转；带轮电机驱动带轮及履带，使机器人向障碍物方向移动，至履带搭靠在障碍物上沿；摆腿电机再次工作，驱动摆腿继续逆向旋转，同时移动机器人至机器人重心超过障碍物的上沿；摆腿电机停转，带轮电机驱动机器人移动，完成越上障碍物；收起摆腿。
在履带搭靠在障碍物上后至机器人重心超过障碍物上沿的过程中摆腿与地面为滑动磨擦，利用摆腿将重心所在的机器人主体送上障碍物；摆腿的水平投影长度大于摆腿回转轴到机器人重心的水平投影长度，在摆腿电机驱动摆腿旋转的过程中，机器人主体能够被抬起，围绕摆腿回转轴翻转；在下障碍物时，可以先将摆腿接近地面，带轮电机工作、移动机器人并配合旋转摆腿，使机器人平稳着陆。
本发明的优点与积极效果为：
1.本发明的机器人为摆腿式单节履带移动机器人，在机器人箱体的两端分别设置了带轮电机及摆腿电机，驱动带轮、履带及摆腿，结构简单、易于操作。
2.机器人摆腿长度大于摆腿回转轴中心到机器人重心在水平面投影的长度，使摆腿旋转到与地面接触时，能够将机器人主体抬起，机器人主体围绕摆腿回转轴旋转可以翻身。
3.摆腿与地面为滑动磨擦，磨擦系数大，在翻身越障碍时，机器人不易下滑，易于操作控制。
4.通过增加摆腿长度，可增加机器人越障碍高度。
5.本发明机器人越障碍方法能够提高机器人的越障碍能力。
附图说明
图1为现有两节式履带移动机器人翻身越障碍的原理图之一；
图2为现有两节式履带移动机器人翻身越障碍的原理图之二；
图3为现有两节式履带移动机器人不采用翻身越障碍的原理图；
图4为本发明移动机器人的结构示意图；
图5为图4中的A-A剖视图；
图6为本发明移动机器人越障碍的原理图之一；
图7为本发明移动机器人越障碍的原理图之二；
图8为本发明移动机器人越障碍的原理图之三；
其中：1为带轮电机，2为箱体，3为前带轮，4为履带，5为摆腿电机，6为轴承，7为后带轮，8为摆腿，9为摆腿回转轴，10为锥齿轮。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详述。
如图4、图5所示，本发明的移动机器人为摆杆式单节履带移动机器人，机器人重心在履带支撑的箱体上，摆杆也称为摆腿，具体包括箱体2及安装在箱体2两侧、通过履带4连接的前、后带轮3、7。箱体2内的前端设有两个带轮电机1，分别通过输出轴与该端箱体两侧的前带轮3相连接，驱动前带动3旋转。为了有助于前带轮3的旋转，在两个前带轮3与各自的带轮电机1输出轴之间安装有轴承，套在电机输出轴上。在箱体2的后端设有摆腿回转轴9，其由箱体2及该端的后带轮7穿过，摆腿回转轴9位于箱体2外的两端均设有摆腿8。在该端的箱体2内安装有摆腿电机5，摆腿电机5的输出轴与摆腿回转轴9相垂直，摆腿电机5的输出轴及摆腿回转轴9上分别设有相互啮合传动的锥齿轮10，摆腿电机5通过锥齿轮10驱动摆腿8转动。摆腿8的水平投影长度L大于摆腿回转轴9到机器人重心G的水平投影长度L1。机器人主体由履带4及箱体2组成，机器人重心G在机器人主体上。摆腿回转轴9与箱体2之间及摆腿回转轴9与后带轮7之间分别设有轴承6，套设在摆腿回转轴9上，有助于摆腿回转轴9的旋转。
本发明移动机器人越障碍的方法为：
机器人如图4所示的状态，摆腿8与机器人主体重叠，由左向右移动。当遇到较高障碍物11时，摆腿电机5驱动摆腿8按图中的顺时针方向旋转。当摆腿8着地时，摆腿电机5继续工作、驱动摆腿8。由于图4中摆腿8的水平投影长度L大于摆腿回转轴9到机器人重心G的水平投影长度L1，机器人主体被抬起，围绕摆腿回转轴9翻转到图6所示位置。当箱体2上端与地面接触后，摆腿电机5反向驱动，即摆腿8按图6中的逆时针方向旋转，使机器人主体脱离地面，抬起至图7所示位置，摆腿电机5停止工作。然后，带轮电机1驱动前带轮3并通过履带4与前、后带轮3、7啮合传动，使机器人向障碍物11方向移动，至履带4搭靠在障碍物11上沿。摆腿电机5再次工作，驱动摆腿8继续按图7中的逆时针方向旋转，同时移动机器人至机器人重心G超过障碍物11的上沿，达到图8所示位置。摆腿电机5停转，带轮电机1驱动机器人移动，完成越上障碍物。最后，收起摆腿8。在履带4搭靠在障碍物11上后至机器人重心G超过障碍物11上沿的过程中摆腿8与地面为滑动磨擦，磨擦系数远远大于滚动磨擦的磨擦系数，机器人不易下滑，便于操作控制。利用摆腿8将重心G所在的机器人主体送上障碍物11。机器人在下障碍物11时，可以先将摆腿8接近地面，带轮电机1工作、移动机器人并配合旋转摆腿8，使机器人平稳着陆。
本发明可适应在消防、侦察、危险作业等复杂环境下工作。