本發(fā)明屬于移動機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種移動機(jī)器人的行走機(jī)構(gòu)，比較適用于在堅固且不粗糙的地面上行駛，進(jìn)行日常生活方面的作業(yè)。

背景技術(shù)：

進(jìn)入21世紀(jì)以來，伴隨著計算機(jī)科學(xué)、自動化控制、信息技術(shù)等行業(yè)的迅猛發(fā)展，涉及到這些專業(yè)的移動機(jī)器人技術(shù)也隨之發(fā)展壯大起來?！耙苿有浴笔且苿訖C(jī)器人進(jìn)入我們平時日常生活的必要條件之一。機(jī)動性和靈活性的不斷提高，是移動機(jī)器人技術(shù)發(fā)展的源泉。移動機(jī)器人主要是模仿動物、車輛和人類等各種形態(tài)。人類奔跑速度最高能達(dá)到36千米/小時，美洲獵豹奔跑速度最高能達(dá)到110千米/小時，而輪式車輛的最高速度能達(dá)到300‐400千米/小時。與人和動物的腿足式結(jié)構(gòu)比較，輪式結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性更好、結(jié)構(gòu)更加簡單，比較利于提升速度。智能輪式移動機(jī)器人可以實現(xiàn)穩(wěn)定可靠的運動，機(jī)構(gòu)和控制比較簡單，且能量的利用率比較高，因此被廣泛的應(yīng)用在軍事、科研、民用、工業(yè)領(lǐng)域等方面。

輪式移動機(jī)器人在堅固且不粗糙的地面環(huán)境上行駛時，傳統(tǒng)的差速轉(zhuǎn)向方式控制簡單，但機(jī)器人在轉(zhuǎn)彎時受底盤重量、地面摩擦力等影響，控制精度低；如果采用汽車的阿克曼(ackerman)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，由于轉(zhuǎn)彎半徑大，限制了機(jī)器人的機(jī)動性?，F(xiàn)有的月球、火星探測車通常使用具有多輪獨立驅(qū)動和轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的移動底盤。例如：“好奇號”火星車使用了六個車輪，每個車輪均有獨立的驅(qū)動電機(jī)，兩個前輪和兩個后輪還配有獨立的轉(zhuǎn)向電機(jī)；另外，采用搖桿式轉(zhuǎn)向懸掛系統(tǒng)，具有較好的越障、防傾覆等特點，但這種移動底盤結(jié)構(gòu)復(fù)雜。

2015年05月06日，合肥工業(yè)大學(xué)在中國發(fā)明專利申請公布號cn104590414a中，公開了一種具有相對位姿檢測功能的全方位輪式移動機(jī)器人，其底盤由四個主動輪和三個從動輪組成，每個主動輪能夠獨立驅(qū)動和轉(zhuǎn)向，通過協(xié)調(diào)控制，實現(xiàn)機(jī)器人的靈活運動；底盤移動時帶動三個從動輪轉(zhuǎn)動，通過三個全向輪的組合轉(zhuǎn)速測量，可以檢測機(jī)器人的相對位姿變化。該移動機(jī)器人在每個全向輪的轉(zhuǎn)軸上安裝編碼器，通過三個編碼器的測量數(shù)據(jù)組合，計算機(jī)器人的相對運動位姿增量，機(jī)械設(shè)計結(jié)構(gòu)依然尤顯復(fù)雜。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明針對上述獨立驅(qū)動和轉(zhuǎn)向車輪、全向輪的優(yōu)卻點，設(shè)計了一種移動機(jī)器人的行走機(jī)構(gòu)。該移動機(jī)器人的底盤由主動輪系和從動輪系共同組成：主動輪系的四個主動輪僅使用一臺電機(jī)直接連軸驅(qū)動輪，并且無需轉(zhuǎn)向功能；從動輪系的三個從動輪專門用于平衡和緩沖移動機(jī)器人的慣性運動姿位，并產(chǎn)生移動機(jī)器人水平360°的任意轉(zhuǎn)向功能。

本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)的：

一種移動機(jī)器人的行走機(jī)構(gòu)，包括底盤、行走系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和控制系統(tǒng)；所述行走系統(tǒng)包括四個主動輪、與主動輪相連接的前后主軸、連軸器、行走驅(qū)動電機(jī)；四個主動輪對稱安裝在底盤兩側(cè)只采用一臺行走驅(qū)動電機(jī)同步驅(qū)動；所述行走驅(qū)動電機(jī)經(jīng)過減速器減速、連軸器、前后主軸同步驅(qū)動四個主動輪，使機(jī)器人依靠四個主動輪只具有直行的運動功能；所述轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是在底盤中心設(shè)一向上內(nèi)凹的大圓柱坑，大圓柱坑內(nèi)安裝平衡轉(zhuǎn)向盤，三個從動輪分別安裝在平衡轉(zhuǎn)向盤底面遠(yuǎn)離圓中心的位置，且處于以平衡轉(zhuǎn)向盤底面中心對稱的正三角頂點位置；

所述平衡轉(zhuǎn)向盤的上部中心通過升降油缸與底盤活動連接；平衡轉(zhuǎn)向盤的側(cè)部為直齒面，底盤上安裝的轉(zhuǎn)向電機(jī)減速齒輪與平衡轉(zhuǎn)向盤側(cè)部的直齒保持相嚙合；在與平衡轉(zhuǎn)向盤上部盤面相對的底盤大圓柱坑坑底平面上，遠(yuǎn)離圓平面中心同心均勻地布設(shè)3-4個感應(yīng)平衡油缸；每個感應(yīng)平衡油缸的活塞頂桿通過滑輪與平衡轉(zhuǎn)向盤上部盤面相接觸；

所述的感應(yīng)平衡油缸是在油缸活塞頂桿上或油缸缸體與底盤的接觸處設(shè)壓力傳感元件；

所述前后主軸與底盤是通過滑動軸承連接的，且前后主軸可以相對底盤有一定的軸向竄動間隙余量；在前后主軸的中部均有一轉(zhuǎn)向緩沖輔助調(diào)整圓盤；每片轉(zhuǎn)向緩沖輔助調(diào)整圓盤翼緣，均安裝有由緩沖油缸控制的“u”形約束夾；

所述升降油缸、感應(yīng)平衡油缸和緩沖油缸的液壓變化量由控制系統(tǒng)根據(jù)移動機(jī)器人的作業(yè)任務(wù)或平衡糾偏量需求控制；所述壓力傳感元件檢測到平衡轉(zhuǎn)向盤不同部位接觸壓力的信號變化，傳輸給控制系統(tǒng)，經(jīng)比較計算轉(zhuǎn)變?yōu)椴煌挠蛪嚎刂屏浚垢袘?yīng)平衡油缸活塞頂桿的伸縮量作出相應(yīng)響應(yīng)，以保持機(jī)器人整體轉(zhuǎn)向的平衡。

所述三個從動輪為阻尼從動，即從動輪旋轉(zhuǎn)后，旋轉(zhuǎn)阻力從最小量開始，隨從動輪轉(zhuǎn)角的增大而增量式增大。

本發(fā)明的移動機(jī)器人的行走機(jī)構(gòu)，可以實現(xiàn)的機(jī)器人的運動模式主要包括：直行、低速行走轉(zhuǎn)彎、高速行走轉(zhuǎn)彎和原地360°任意角度的轉(zhuǎn)向；

a直行時，升降油缸將平衡轉(zhuǎn)向盤提升離開地面，四個主動輪支撐底盤并依據(jù)機(jī)器人的作業(yè)任務(wù)直接驅(qū)動直行；

b低速行走轉(zhuǎn)彎時，升降油缸控制平衡轉(zhuǎn)向盤下行，其三個從動輪接觸地面瞬間，被四個主動輪同步帶動，拖曳直線運行；升降油缸機(jī)型控制平衡轉(zhuǎn)向盤繼續(xù)下行將底盤升高懸空，四個主動輪離地失去驅(qū)動力，三個從動輪支撐了整個移動機(jī)器人的重量慣性前行；與此同時控制系統(tǒng)根據(jù)轉(zhuǎn)向作業(yè)任務(wù)計算目標(biāo)轉(zhuǎn)向角，轉(zhuǎn)向電機(jī)通過減速齒輪執(zhí)行轉(zhuǎn)向，使得底盤懸空自轉(zhuǎn)到所需要的角度；接著升降油缸機(jī)型控制平衡轉(zhuǎn)向盤上升將底盤降低，已經(jīng)改變行進(jìn)方向角度的四個主動輪接觸地瞬間，與三個慣性前行的從動輪行進(jìn)方向不一致，導(dǎo)致且前后主軸軸向竄動和四個主動輪側(cè)滑；隨著底盤的進(jìn)一步降低，整個移動機(jī)器人的重量又轉(zhuǎn)移到了四個主動輪承擔(dān)，變成三個不承重的從動輪側(cè)滑，直至完全離地；四個主動輪觸地獲得新方向角度的驅(qū)動力；此時，控制系統(tǒng)通過緩沖油缸控制的“u”形約束夾將軸向偏離主軸回位，輔助移動機(jī)器人進(jìn)一步改變行進(jìn)方向；當(dāng)移動機(jī)器人改變行進(jìn)方向后，由于慣性的作用，依然具有原運行方向趨勢，呈現(xiàn)為移動機(jī)器人整體趨向偏斜狀態(tài)；底盤大圓柱坑坑底平面上的各感應(yīng)平衡油缸活塞頂桿接觸平衡轉(zhuǎn)向盤的壓力差發(fā)生變化，通過壓力傳感元件檢測傳輸給控制系統(tǒng)，經(jīng)比較計算轉(zhuǎn)變?yōu)椴煌挠蛪嚎刂屏?，使感?yīng)平衡油缸活塞頂桿的伸縮量作出相應(yīng)響應(yīng)，以保持機(jī)器人整體轉(zhuǎn)向的運動姿位平衡；三個從動輪完全離地懸空后，轉(zhuǎn)向電機(jī)通過減速齒輪又控制平衡轉(zhuǎn)向盤的三個從動輪的行進(jìn)方向角度與四個主動輪一致，實現(xiàn)低速行走轉(zhuǎn)彎；

c高速行走轉(zhuǎn)彎時，控制系統(tǒng)根據(jù)轉(zhuǎn)向作業(yè)任務(wù)計算的目標(biāo)轉(zhuǎn)向角需要分多個較小的轉(zhuǎn)向角累積來實現(xiàn)；即用較小的轉(zhuǎn)向角多次小轉(zhuǎn)向累加，可以實現(xiàn)快速行走轉(zhuǎn)彎；先升降油缸控制平衡轉(zhuǎn)向盤下行，其三個從動輪接觸地面瞬間，被四個主動輪同步帶動，拖曳直線運行；升降油缸機(jī)型控制平衡轉(zhuǎn)向盤繼續(xù)下行將底盤升高懸空，四個主動輪離地失去驅(qū)動力，三個從動輪支撐了整個移動機(jī)器人的重量慣性前行，控制系統(tǒng)給出一個較小的轉(zhuǎn)向角，轉(zhuǎn)向電機(jī)通過減速齒輪執(zhí)行轉(zhuǎn)向，使得底盤懸空自轉(zhuǎn)到所需要的小角度；接著升降油缸機(jī)型控制平衡轉(zhuǎn)向盤上升將底盤降低，已經(jīng)改變行進(jìn)方向角度的四個主動輪接觸地瞬間，與三個從動輪行進(jìn)方向不一致，導(dǎo)致且前后主軸軸向竄動和四個主動輪側(cè)滑；隨著底盤的進(jìn)一步降低，整個移動機(jī)器人的重量又轉(zhuǎn)移到了四個主動輪承擔(dān)，變成三個不承重的從動輪側(cè)滑，直至完全離地；四個主動輪觸地獲得新方向角度的驅(qū)動力；此時，控制系統(tǒng)通過緩沖油缸控制的“u”形約束夾將軸向偏離主軸回位，輔助移動機(jī)器人進(jìn)一步改變行進(jìn)方向；移動機(jī)器人改變行進(jìn)方向后，由于慣性的作用，依然具有原運行方向趨勢，呈現(xiàn)為移動機(jī)器人整體趨向偏斜狀態(tài)；底盤大圓柱坑坑底平面上的各感應(yīng)平衡油缸活塞頂桿接觸平衡轉(zhuǎn)向盤的壓力差發(fā)生變化，通過壓力傳感元件檢測傳輸給控制系統(tǒng)，經(jīng)比較計算轉(zhuǎn)變?yōu)椴煌挠蛪嚎刂屏?，使感?yīng)平衡油缸活塞頂桿的伸縮量作出相應(yīng)響應(yīng)，以保持機(jī)器人整體轉(zhuǎn)向的運動姿平衡；三個從動輪完全離地懸空后，轉(zhuǎn)向電機(jī)通過減速齒輪又控制平衡轉(zhuǎn)向盤的三個從動輪的行進(jìn)方向角度與四個主動輪一致；

即重復(fù)上述控制過程，用較小的轉(zhuǎn)向角多次小轉(zhuǎn)向累加，可以實現(xiàn)快速行走轉(zhuǎn)彎；

d原地任意角度的轉(zhuǎn)向時，升降油缸控制平衡轉(zhuǎn)向盤下行，其三個從動輪接觸地面將底盤升高懸空，四個主動輪也離地懸空，三個從動輪支撐了整個移動機(jī)器人的重量，控制系統(tǒng)根據(jù)轉(zhuǎn)向作業(yè)任務(wù)計算目標(biāo)轉(zhuǎn)向角，轉(zhuǎn)向電機(jī)通過減速齒輪執(zhí)行轉(zhuǎn)向，使得底盤懸空自轉(zhuǎn)到所需要的角度；接著升降油缸機(jī)型控制平衡轉(zhuǎn)向盤上升將底盤降低，已經(jīng)改變行進(jìn)方向角度的四個主動輪接觸地，整個移動機(jī)器人的重量又轉(zhuǎn)移到了四個主動輪承擔(dān)，三個從動輪完全離地懸空后，轉(zhuǎn)向電機(jī)通過減速齒輪又控制平衡轉(zhuǎn)向盤的三個從動輪的行進(jìn)方向角度與四個主動輪一致。

本發(fā)明利用一臺行走驅(qū)動電機(jī)對四個主動輪直接直線驅(qū)動，四個主動輪無需獨立轉(zhuǎn)向功能；行走驅(qū)動電機(jī)的負(fù)載性質(zhì)比較好，過載能力和抗干擾能力強(qiáng)；無需差速機(jī)構(gòu)，轉(zhuǎn)矩比較大，響應(yīng)效果比較快，能適應(yīng)多變的速度，并可以克服傳動裝置的負(fù)載轉(zhuǎn)矩和摩擦轉(zhuǎn)矩，并且運行速度比較平穩(wěn)，且調(diào)速范圍比較寬；本發(fā)明創(chuàng)造性地設(shè)計了具有三個阻尼從動輪的平衡轉(zhuǎn)向盤、前后主軸可以相對底盤有一定的軸向竄動間隙余量和緩沖油缸控制的“u”形約束夾調(diào)整主軸回位，三者巧妙地有機(jī)結(jié)合實現(xiàn)了機(jī)器人的直行、低速行走轉(zhuǎn)彎、高速行走轉(zhuǎn)彎和原地360°任意角度的轉(zhuǎn)向的運動模式。本發(fā)明的轉(zhuǎn)向工作模式是，驅(qū)動輪總工作在能量利用率最高的直線行駛模式，從動輪總工作在懸空或半懸空轉(zhuǎn)向模式上，兩者根據(jù)路況和交替輪流工作，各司其職。經(jīng)過檢索，本發(fā)明的懸空轉(zhuǎn)向系一種新的轉(zhuǎn)向工作模式。國內(nèi)外尚無文獻(xiàn)報道。本發(fā)明具有履帶式的移動結(jié)構(gòu)的原地360°任意角度的轉(zhuǎn)向功能，但相比履帶式的移動結(jié)構(gòu)的原地360°任意角度的履帶拖移滑動轉(zhuǎn)向，本發(fā)明的懸空或半懸空轉(zhuǎn)向，大大減少摩擦。相比現(xiàn)有技術(shù)汽車的阿克曼(ackerman)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)彎半徑大大減小。相比火星探測車通常使用具有多輪獨立驅(qū)動和轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的移動底盤，結(jié)構(gòu)大為簡化；相比cn104590414a的每個主動輪獨立驅(qū)動和轉(zhuǎn)向機(jī)械設(shè)計結(jié)構(gòu)簡單的多。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的主視圖。

圖2為本發(fā)明直線行駛模式的側(cè)視圖。

圖3為本發(fā)明直線轉(zhuǎn)彎模式的側(cè)視圖。

圖4為本發(fā)明直線轉(zhuǎn)彎模式的狀態(tài)示意圖。

圖中標(biāo)記是：1底盤；2主動輪；3前主軸；4后主軸；5連軸器；6行走驅(qū)動電機(jī)；7大圓柱坑；8平衡轉(zhuǎn)向盤；9從動輪；10升降油缸；11平衡轉(zhuǎn)向盤的直齒面；12轉(zhuǎn)向電機(jī)；13感應(yīng)平衡油缸；14滑輪；15圓盤；16緩沖油缸；17“u”形約束夾17。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和實施方式對本發(fā)明做進(jìn)一步說明。

參見附圖1-4，一種移動機(jī)器人的行走機(jī)構(gòu)，包括底盤1、行走系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和控制系統(tǒng)；所述行走系統(tǒng)包括四個主動輪2、與主動輪2相連接的前主軸3、后主軸4、連軸器5、行走驅(qū)動電機(jī)6；四個主動輪2對稱安裝在底盤1兩側(cè)只采用一臺行走驅(qū)動電機(jī)6同步驅(qū)動；所述行走驅(qū)動電機(jī)6經(jīng)過減速器減速、連軸器5、前后主軸同步驅(qū)動四個主動輪2，使機(jī)器人依靠四個主動輪2只具有直行的運動功能；所述轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是在底盤中心設(shè)一向上內(nèi)凹的大圓柱坑7，大圓柱坑7內(nèi)安裝平衡轉(zhuǎn)向盤8，三個從動輪9分別安裝在平衡轉(zhuǎn)向盤8底面遠(yuǎn)離圓中心的位置，且處于以平衡轉(zhuǎn)向盤8底面中心對稱的正三角頂點位置；

所述平衡轉(zhuǎn)向盤8的上部中心通過升降油缸10與底盤1活動連接；平衡轉(zhuǎn)向盤8的側(cè)部為直齒面11，底盤上安裝的轉(zhuǎn)向電機(jī)12減速齒輪與平衡轉(zhuǎn)向盤8側(cè)部的直齒總是保持相嚙合；在與平衡轉(zhuǎn)向盤8上部盤面相對的底盤1大圓柱坑7坑底平面上，遠(yuǎn)離圓平面中心同心均勻地布設(shè)3-4個感應(yīng)平衡油缸13；每個感應(yīng)平衡油缸13的活塞頂桿通過滑輪14與平衡轉(zhuǎn)向盤8上部盤面相接觸；

所述的感應(yīng)平衡油缸13是在油缸活塞頂桿上或油缸缸體與底盤1的接觸處設(shè)壓力傳感元件；

所述前后主軸4與底盤1是通過滑動軸承連接的，且前后主軸4可以相對底盤1有一定的軸向竄動間隙余量；在前后主軸4的中部均有一轉(zhuǎn)向緩沖輔助調(diào)整圓盤15；每片轉(zhuǎn)向緩沖輔助調(diào)整圓盤15翼緣，均安裝有由緩沖油缸16控制的“u”形約束夾17；

所述的升降油缸10、感應(yīng)平衡油缸13和緩沖油缸16的液壓變化量由控制系統(tǒng)根據(jù)移動機(jī)器人的作業(yè)任務(wù)或平衡糾偏量需求控制；所述壓力傳感元件檢測到平衡轉(zhuǎn)向盤8不同部位接觸壓力的信號變化，傳輸給控制系統(tǒng)，經(jīng)比較計算轉(zhuǎn)變?yōu)椴煌挠蛪嚎刂屏?，使感?yīng)平衡油缸13活塞頂桿的伸縮量作出相應(yīng)響應(yīng)，以保持機(jī)器人整體轉(zhuǎn)向的平衡。

所述三個從動輪9為阻尼從動，即從動輪9旋轉(zhuǎn)后，旋轉(zhuǎn)阻力從最小量開始，隨從動輪9轉(zhuǎn)角的增大而增量式增大。

所述平衡轉(zhuǎn)向盤8側(cè)部直齒面11的寬度要大于轉(zhuǎn)向電機(jī)12減速齒輪齒條的寬度，當(dāng)升降油缸10控制平衡轉(zhuǎn)向盤8上下運動時，平衡轉(zhuǎn)向盤8側(cè)部的直齒面11總是能夠與底盤上的轉(zhuǎn)向電機(jī)12減速齒輪保持相嚙合。