專利名稱：移動機器人的導(dǎo)臂式前輪關(guān)節(jié)機構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于地面移動機器人領(lǐng)域，具體涉及一種可在復(fù)雜路面行駛，具有較強越障能力的移動機器人的導(dǎo)臂式前輪關(guān)節(jié)機構(gòu)。
背景技術(shù)：
近年來，地面移動機器人已經(jīng)廣泛應(yīng)用于探測、軍事、排險、服務(wù)等各個領(lǐng)域，其中大部分移動機器人采用的移動平臺是步行機構(gòu)，輪式機構(gòu)、履帶機構(gòu)等幾種。步行機構(gòu)控制復(fù)雜，能耗高；履帶機構(gòu)可爬陡坡，路面適應(yīng)性好，但速度受到限制且能耗高。輪式機構(gòu)能耗低，移動速度快，但越障性能不足，只適合在平地行駛。本發(fā)明提出一種移動機器人的導(dǎo)臂式前輪關(guān)節(jié)機構(gòu)，在遇到障礙物時，可以利用導(dǎo)臂越過障礙物，在道路崎嶇或空間狹小無法繞行環(huán)境下尤為有利。其靈活的越障方式與良好的越障性能大大提高了移動機器人的工作范圍。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提出一種可在復(fù)雜路面行駛，具有較強越障能力的移動機器人的導(dǎo)臂式前輪關(guān)節(jié)機構(gòu)。僅通過使用一個電機，實現(xiàn)導(dǎo)臂前輪的旋轉(zhuǎn)，蝸輪蝸桿的傳動機構(gòu)實現(xiàn)導(dǎo)臂的自鎖。在保持了移動機器人低能耗、高速性同時，具有了越障性能。遇到障礙物時，可以利用導(dǎo)臂越過障礙物，在道路崎嶇或空間狹小無法繞行環(huán)境下，保證移動機器人正常工作。旋轉(zhuǎn)變壓器可以測出機器人導(dǎo)臂的絕對位置，結(jié)構(gòu)簡單，動作靈敏，且抗干擾能力強。力矩傳感器用于判斷機器人有無遇到障礙物。本發(fā)明采用如下技術(shù)方案
一種移動機器人的導(dǎo)臂式前輪關(guān)節(jié)機構(gòu)，包括第一電機，蝸輪，蝸桿，旋轉(zhuǎn)變壓器，力矩傳感器，導(dǎo)臂軸，第一導(dǎo)臂和第二導(dǎo)臂，第二電機，第一齒輪和第二齒輪，第一空心軸和第二空心軸，第一主動輪和第二主動輪，第三電機，第三齒輪與第四齒輪，第一隨動輪與第二隨動輪。旋轉(zhuǎn)變壓器裝在第一電機后端，第一電機輸出軸與蝸桿傳動連接，蝸輪與導(dǎo)臂軸傳動連接，力矩傳感器裝在導(dǎo)臂軸上，第一導(dǎo)臂固定在導(dǎo)臂軸的左端，第二導(dǎo)臂固定在導(dǎo)臂軸的右端，第一導(dǎo)臂頂端固定有第一隨動輪，第二導(dǎo)臂頂端固定有第二隨動輪；第二電機輸出軸與第一齒輪傳動連接，第一齒輪與第二齒輪嚙合，第一空心軸固定連接在第二齒輪上，第一空心軸左端裝有第一主動輪；第三電機輸出軸與第三齒輪傳動連接，第三齒輪與第四齒輪嚙合，第二空心軸固定連接在第四齒輪上，第二空心軸右端裝有第二主動輪；第一空心軸與第二空心軸均空套在導(dǎo)臂軸上，這就保證了導(dǎo)臂軸的獨立運動，不影響主動輪的運動。上述機構(gòu)均安裝于移動機器人車身前部，保證重心前移，有利于提高機器人的越障能力。第一電機通電后，將第一電機的高速旋轉(zhuǎn)運動傳遞到固定在第一電機輸出軸上的蝸桿上，通過蝸輪蝸桿組件傳動，經(jīng)過減速與變換后，蝸輪將動力傳遞到導(dǎo)臂軸上，分別固定在導(dǎo)臂軸左右兩端的第一導(dǎo)臂和第二導(dǎo)臂隨著導(dǎo)臂軸做旋轉(zhuǎn)運動。根據(jù)旋轉(zhuǎn)變壓器可以測出機器人導(dǎo)臂的絕對位置。力矩傳感器判斷機器人有無遇到障礙物。第二電機通電后，將第二電機的高速旋轉(zhuǎn)運動傳遞到與第二電機輸出軸固定的第一齒輪上，第一齒輪經(jīng)過與第二齒輪嚙合將動力傳遞到空套在導(dǎo)臂軸上的第一空心軸上， 第一空心軸左端裝有第一主動輪，第一主動輪隨第一空心軸運動。第三電機通電后，將第三電機的高速旋轉(zhuǎn)運動傳遞到與第三電機輸出軸固定的第三齒輪上，第三齒輪經(jīng)過與第四齒輪嚙合將動力傳遞到空套在導(dǎo)臂軸上的第二空心軸上， 第二空心軸右端裝有第二主動輪，第二主動輪隨第二空心軸運動。考慮到移動機器人的低能耗、高速性，主動輪驅(qū)動部分采用電機經(jīng)小齒輪與大齒輪嚙合后傳動，結(jié)構(gòu)簡單又有較高了能量利用效率。移動機器人的轉(zhuǎn)向方式為差動，通過設(shè)定第二電機與第三電機不同的速度控制量，可以實現(xiàn)任意方向的轉(zhuǎn)動。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明有很多有益效果。目前移動機器人導(dǎo)臂關(guān)節(jié)多用于履帶機器人上，其結(jié)構(gòu)主要有兩種，一種為直齒錐齒輪傳動，對裝配要求較高，而且兩根導(dǎo)臂需要兩個電機分別控制，增加了成本，同時兩個電機控制兩根導(dǎo)臂，極有可能導(dǎo)致兩根導(dǎo)臂不在同一空間水平位置上，這樣移動機器人在負(fù)重翻越障礙物時，導(dǎo)臂受力不均勻，車身重量某一時刻會完全壓在某一根導(dǎo)臂上，導(dǎo)致軸的斷裂和直齒錐齒輪的損壞；另一種結(jié)構(gòu)是導(dǎo)臂與履帶均由電機直接驅(qū)動，這四個電機分別控制，而且對電機要求較高，既要滿足一定的轉(zhuǎn)速，又要足夠的轉(zhuǎn)矩輸出，一般需要定制，成本仍然很大。本發(fā)明僅通過一個電機，控制兩根導(dǎo)臂的旋轉(zhuǎn)運動，既降低系統(tǒng)故障率，又節(jié)省了成本，還避免了導(dǎo)臂受力不均勻現(xiàn)象，同時利用蝸輪蝸桿組件的自鎖特性，可以在移動機器人翻越障礙物時，車身與障礙物角度固定，且此角度可控，具有更強的越障能力，更重要的是在移動機器人越障時發(fā)生突然掉電等系統(tǒng)故障時具有姿態(tài)保持功能，防止車身的摔落和與障礙物的碰撞，最大限度地保護了機器人。同時利用旋轉(zhuǎn)變壓器直接得到導(dǎo)臂運動的絕對位置，沒有誤差累計，且不用擔(dān)心斷電后找零位問題。在判斷障礙物距離問題上，一般技術(shù)手段主要有攝像頭、超聲、紅外、激光。通過攝像頭觀測沒有距離感，有時即使機器人已經(jīng)遇到障礙物，遠(yuǎn)端操作人員也無法進行準(zhǔn)確的判斷，這時如果仍繼續(xù)前進，會造成機器人與障礙物的碰撞，給機器人造成損壞；超聲存在盲區(qū)，想避免盲區(qū)得在機器人前端布上多個超聲傳感器，安裝及控制都極為不便。紅外精度低，方向性差；激光成本高且光學(xué)系統(tǒng)需要保持干凈，否則將影響測量。本發(fā)明利用力矩傳感器判斷機器人是否遇到障礙物問題，以決定是否需要導(dǎo)臂運動來越障。當(dāng)機器人抬起導(dǎo)臂前進時，如果遇到障礙物，導(dǎo)臂就會受到阻力，導(dǎo)臂軸就會存在這個阻力的力矩，通過裝在導(dǎo)臂軸上的力矩傳感器能得到該力矩的大小，繼而判斷機器人是否遇到障礙物，以決定是否需要導(dǎo)臂運動來越障。當(dāng)沒有遇到障礙物時，繼續(xù)前進，當(dāng)遇到障礙物時，停止前進，利用導(dǎo)臂越過障礙物后再繼續(xù)前進。


圖1是本發(fā)明總體結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是本發(fā)明中裝有力矩傳感器的導(dǎo)臂軸的半剖圖。附圖中，1 一車體，2—第一電機，3—旋轉(zhuǎn)變壓器，4一力矩傳感器，5—蝸桿，6—蝸輪，7—導(dǎo)臂軸，81—第一導(dǎo)臂，82—第二導(dǎo)臂，91一第一隨動輪，92—第二隨動輪，101—第二電機，102—第三電機，111一第一齒輪，112—第二齒輪，113—第三齒輪，114 一第四齒輪， 121—第一空心軸，122—第二空心軸，131—第一主動輪，132—第二主動輪，14 一固定座。
具體實施例方式一種移動機器人的導(dǎo)臂式前輪關(guān)節(jié)機構(gòu)，包括第一電機2，蝸輪6，蝸桿5，旋轉(zhuǎn)變壓器3，力矩傳感器4，導(dǎo)臂軸7，第一導(dǎo)臂81和第二導(dǎo)臂82，第二電機101，第一齒輪111 和第二齒輪112，第一空心軸121和第二空心軸122，第一主動輪131和第二主動輪132，第三電機102，第三齒輪113與第四齒輪114，第一隨動輪91與第二隨動輪92。旋轉(zhuǎn)變壓器3 裝在第一電機2后端，第一電機2輸出軸與蝸桿5傳動連接，蝸輪6與導(dǎo)臂軸7傳動連接， 力矩傳感器4裝在導(dǎo)臂軸7上，第一導(dǎo)臂81固定在導(dǎo)臂軸7的左端，第二導(dǎo)臂82固定在導(dǎo)臂軸7的右端，第一導(dǎo)臂81頂端固定有第一隨動輪91，第二導(dǎo)臂82頂端固定有第二隨動輪92 ；第二電機101輸出軸與第一齒輪111傳動連接，第一齒輪111與第二齒輪112嚙合， 第一空心軸121固定連接在第二齒輪112上，第一空心軸121左端裝有第一主動輪131 ；第三電機102輸出軸與第三齒輪113傳動連接，第三齒輪113與第四齒輪114嚙合，第二空心軸122固定連接在第四齒輪114上，第二空心軸122右端裝有第二主動輪132 ；第一空心軸 121與第二空心軸122均空套在導(dǎo)臂軸7上，這就保證了導(dǎo)臂軸的獨立運動，不影響主動輪的運動。下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的工作原理做進一步說明。一種移動機器人的導(dǎo)臂式前輪關(guān)節(jié)機構(gòu)，如圖1所示，第一電機2通電后，將第一電機2的高速旋轉(zhuǎn)運動傳遞到固定在第一電機2輸出軸上的蝸桿5上，通過蝸輪蝸桿組件傳動，經(jīng)過減速與變換后，蝸輪6將動力傳遞到導(dǎo)臂軸7上，固定在導(dǎo)臂軸7左端的第一導(dǎo)臂81和固定在導(dǎo)臂軸7右端的第二導(dǎo)臂 82隨著導(dǎo)臂軸7做旋轉(zhuǎn)運動。根據(jù)旋轉(zhuǎn)變壓器3可以測出機器人導(dǎo)臂的絕對位置。導(dǎo)臂軸 7上裝有力矩傳感器4，當(dāng)機器人抬起導(dǎo)臂前進時，如果遇到障礙物，導(dǎo)臂就會受到阻力，導(dǎo)臂軸就會存在這個阻力的力矩，通過裝在導(dǎo)臂軸7上的力矩傳感器4能得到該力矩的大小， 繼而判斷機器人是否遇到障礙物，以決定是否需要導(dǎo)臂運動來越障。當(dāng)沒有遇到障礙物時， 繼續(xù)前進，當(dāng)遇到障礙物時，停止前進，利用導(dǎo)臂越過障礙物后再繼續(xù)前進。第二電機101通電后，將第二電機101的高速旋轉(zhuǎn)運動傳遞到與第二電機101輸出軸固定的第一齒輪111上，第一齒輪111經(jīng)過與第二齒輪112嚙合將動力傳遞到空套在導(dǎo)臂軸7上的第一空心軸121上，第一空心軸121左端裝有第一主動輪131，第一主動輪131 隨第一空心軸121運動。第三電機102通電后，將第三電機102的高速旋轉(zhuǎn)運動傳遞到與第三電機102輸出軸固定的第三齒輪113上，第三齒輪113經(jīng)過與第四齒輪114嚙合將動力傳遞到空套在導(dǎo)臂軸7上的第二空心軸122上，第二空心軸122右端裝有第二主動輪132， 第二主動輪132隨第二空心軸122運動。圖2是裝有力矩傳感器的導(dǎo)臂軸的半剖圖，當(dāng)機器人抬起導(dǎo)臂前進時，如果遇到障礙物，導(dǎo)臂就會受到阻力，導(dǎo)臂軸就會存在這個阻力的力矩，通過裝在導(dǎo)臂軸上的力矩傳感器能得到該力矩的大小，繼而判斷機器人是否遇到障礙物，以決定是否需要導(dǎo)臂運動來越障。當(dāng)沒有遇到障礙物時，繼續(xù)前進，當(dāng)遇到障礙物時，停止前進，利用導(dǎo)臂越過障礙物后再繼續(xù)前進。避免了因傳統(tǒng)觀測上存在盲區(qū)而導(dǎo)致機器人遇到障礙物仍繼續(xù)前進造成機器人損壞的問題。
權(quán)利要求
1. 一種移動機器人的導(dǎo)臂式前輪關(guān)節(jié)機構(gòu)，其特征在于，包括第一電機(2)，蝸輪(6)， 蝸桿(5)，旋轉(zhuǎn)變壓器(3)，力矩傳感器(4)，導(dǎo)臂軸(7)，第一導(dǎo)臂(81)和第二導(dǎo)臂(82)，第二電機(101)，第一齒輪(111)和第二齒輪(112)，第一空心軸(121)和第二空心軸(122)，第一主動輪(131)和第二主動輪(132)，第三電機(102)，第三齒輪(113)與第四齒輪(114)， 第一隨動輪(91)與第二隨動輪(92)，旋轉(zhuǎn)變壓器(3)裝在第一電機(2)后端，第一電機(2) 輸出軸與蝸桿(5)傳動連接，蝸輪(6)與導(dǎo)臂軸(7)傳動連接，力矩傳感器(4)裝在導(dǎo)臂軸 (7)上，第一導(dǎo)臂(81)固定在導(dǎo)臂軸(7)的左端，第二導(dǎo)臂(82)固定在導(dǎo)臂軸(7)的右端， 第一導(dǎo)臂(81)頂端設(shè)有第一隨動輪(91)，第二導(dǎo)臂(82)頂端設(shè)有第二隨動輪(92);第二電機(101)輸出軸與第一齒輪(111)傳動連接，第一齒輪(111)與第二齒輪(112)嚙合，第一空心軸(121)固定連接在第二齒輪(112)上，第一空心軸(121)左側(cè)裝有第一主動輪(131); 第三電機(102)輸出軸與第三齒輪(113)傳動連接，第三齒輪(113)與第四齒輪(114)嚙合，第二空心軸(122)固定連接在第四齒輪(114)上，第二空心軸(122)右側(cè)裝有第二主動輪(132)；第一空心軸(121)與第二空心軸(122)均空套在導(dǎo)臂軸(7)上。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種可在復(fù)雜路面行駛，具有較強越障能力的移動機器人的導(dǎo)臂式前輪關(guān)節(jié)機構(gòu)，包括第一電機，蝸輪，蝸桿，旋轉(zhuǎn)變壓器，力矩傳感器，導(dǎo)臂軸，第一導(dǎo)臂和第二導(dǎo)臂，第二電機，第一齒輪和第二齒輪，第一空心軸和第二空心軸，第一主動輪和第二主動輪，第三電機，第三齒輪與第四齒輪，第一隨動輪與第二隨動輪。本發(fā)明僅通過使用一個電機，實現(xiàn)導(dǎo)臂前輪的旋轉(zhuǎn)。其自鎖性能可以在移動機器人翻越障礙物時，車身與障礙物角度固定，具有更強的越障能力。旋轉(zhuǎn)變壓器可以測出導(dǎo)臂運動的絕對位置，控制更為靈活。力距傳感器用于判斷目前機器人有無遇到障礙。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠，導(dǎo)臂式前輪大大提高了移動機器人的越障能力。
文檔編號B62D57/028GK102180204SQ201110106728
公開日2011年9月14日 申請日期2011年4月27日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月27日
發(fā)明者包加桐, 宋愛國, 熊鵬文, 章華濤, 郭晏, 錢夔, 韓益利, 高鳴 申請人:東南大學(xué)