应用于机器人的中心位置可变的车轮及中心位置调节方法

摘要

应用于机器人的中心位置可变的车轮及中心位置调节方法，包括外轮圈、万向传动机构和调心机构。万向传动机构包括连接盘、连接轴、传动杆和驱动轴；连接盘同轴固定套装在连接轴的外周，且与外轮圈固定连接；传动杆的长度能伸缩，传动杆一端与连接轴活动连接，另一端与驱动轴活动连接；调心机构包括内轮圈和若干个线性伸缩装置；内轮圈同轴固定套装在驱动轴上，且内轮圈能与机架固定连接；若干个线性伸缩装置以内轮圈为中心，呈辐射状布置在外轮圈与内轮圈之间；每个线性伸缩装置的一端均与外轮圈相铰接，每个线性伸缩装置的另一端均与内轮圈相铰接。本发明能对车轮中驱动轴的中心位置实现动态控制，能够大幅提高机器人复杂环境的行走适应能力。

权利要求

1.一种应用于机器人的中心位置可变的车轮，其特征在于：包括外轮圈、万向传动机构和调心机构；

万向传动机构包括连接盘、连接轴、万向节和驱动轴；

万向节包括长度能够伸缩的传动杆，传动杆包括相互滑动连接的传动轴和传动套，传动轴的另一端通过十字关节与连接轴活动连接，传动套的另一端也通过十字关节与驱动轴活动连接；

连接盘同轴固定套装在连接轴的外周，且连接盘与外轮圈固定连接；

连接轴通过万向节与驱动轴活动连接；

调心机构包括内轮圈和若干个线性伸缩装置；

内轮圈同轴可旋转套装在驱动轴上，且内轮圈能与机架相铰接；

若干个线性伸缩装置以内轮圈为中心，呈辐射状布置在外轮圈与内轮圈之间的环形空腔中；每个线性伸缩装置的长度均能够伸缩，每个线性伸缩装置的一端均与外轮圈相铰接，每个线性伸缩装置的另一端均与内轮圈相铰接；

通过万向传动机构，能够保证车轮的转动速度不受车轮中心位置的影响；当驱动轴旋转时，车轮将作为主动轮，实现驱动。

2.根据权利要求1所述的应用于机器人的中心位置可变的车轮，其特征在于：每个线性伸缩装置均为伺服电动缸。

3.根据权利要求1所述的应用于机器人的中心位置可变的车轮，其特征在于：每个线性伸缩装置均为气缸。

4.根据权利要求1所述的应用于机器人的中心位置可变的车轮，其特征在于：每个线性伸缩装置均为弹性阻尼元件。

5.根据权利要求1所述的应用于机器人的中心位置可变的车轮，其特征在于：传动轴和传动套均为方轴。

6.一种根据权利要求1所述应用于机器人的中心位置可变的车轮的中心位置调节方法，其特征在于：根据机器人行驶的路面环境状况，对车轮的中心位置进行调节，具体调节方式如下：

1）当机器人在水平地面上行驶时，通过控制各个线性伸缩装置的长度伸缩，使车轮的驱动轴轴心与车轮圆心的连线始终呈水平状态，且驱动轴轴心与车轮圆心之间的直线距离值保持恒定；此时，车轮能在无驱动扭矩的情况下实现滚动；

2）当机器人在崎岖不平路面行驶时，通过对前后车轮中线性伸缩装置的长度伸缩控制，根据路面状况，使前后车轮的驱动轴轴心在竖直直线上上下移动，从而使前车轮的驱动轴轴心和后车轮的驱动轴轴心连线保持水平状态，也即使与内轮圈固定连接的机架处于水平状态；

3）当机器人行驶过程中车轮遇到路面上的障碍物时，通过控制各个线性伸缩装置的长度伸缩，使车轮的驱动轴轴心移动到障碍物支撑点前方水平距离为el的位置，则车轮能在无外力驱动的作用下，实现自动跨越障碍物。

7.根据权利要求6所述应用于机器人的中心位置可变的车轮的中心位置调节方法，其特征在于：机器人具有多轮行走机构时，当机器人行驶过程中遇到路面上的障碍物时，使即将与障碍物接触的车轮逐个抬起，实现避障；车轮抬起的方法为：通过控制各个线性伸缩装置的长度伸缩。

说明书

应用于机器人的中心位置可变的车轮及中心位置调节方法

技术领域

[0001] 本发明涉及机器人技术领域，特别是一种应用于机器人的中心位置可变的车轮及中心位置调节方法。

背景技术

[0002] 随着科技进步，机器人行走机构已经开始应用，但是现有的机器人行走机构由于结构所 限，路面适应性差，遇到路面障碍时无法跨越，遇到台阶无法攀爬，导致其使用环境受很大限制，无法全面推广。随着机器人研究的深入，目前机器人的车轮，也有采用弹性悬架进行支撑，然而，这种车轮的路面崎岖吸收能力差，仍不能改善机器人在复杂环境的行走适应能力。

发明内容

[0003] 本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种应用于机器人的中心位置可变的车轮，该应用于机器人的中心位置可变的车轮能对车轮中驱动轴的中心位置实现动态控制，能够大幅提高机器人复杂环境的行走适应能力。

[0004] 为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

[0005] 一种应用于机器人的中心位置可变的车轮，包括外轮圈、万向传动机构和调心机构。

[0006] 万向传动机构包括连接盘、连接轴、万向节和驱动轴。

[0007] 连接盘同轴固定套装在连接轴的外周，且连接盘与外轮圈固定连接。

[0008] 连接轴通过万向节与驱动轴活动连接。

[0009] 调心机构包括内轮圈和若干个线性伸缩装置。

[0010] 内轮圈同轴可旋转套装在驱动轴上，且内轮圈能与机架相铰接。

[0011] 若干个线性伸缩装置以内轮圈为中心，呈辐射状布置在外轮圈与内轮圈之间的环形空腔中；每个线性伸缩装置的长度均能够伸缩，每个线性伸缩装置的一端均与外轮圈相铰接，每个线性伸缩装置的另一端均与内轮圈相铰接。

[0012] 每个线性伸缩装置均为伺服电动缸。

[0013] 每个线性伸缩装置均为气缸。

[0014] 每个线性伸缩装置均为弹性阻尼元件。

[0015] 万向节包括长度能够伸缩的传动杆，传动杆包括相互滑动连接的传动轴和传动套，传动轴的另一端与连接轴活动连接，传动套的另一端与驱动轴活动连接。

[0016] 传动轴和传动套均为方轴。

[0017] 传动杆的一端通过十字关节与连接轴活动连接，传动杆的另一端也通过十字关节与驱动轴活动连接。

[0018] 本发明还提供一种中心位置可变车轮的中心位置调节方法，该中心位置可变车轮的中心位置调节方法能对车轮中驱动轴的中心位置实现动态控制，能够大幅提高机器人复杂环境的行走适应能力。

[0019] 一种中心位置可变车轮的中心位置调节方法，根据机器人行驶的路面环境状况，对车轮的中心位置进行调节，具体调节方式如下：

[0020] 1）当机器人在水平地面上行驶时，通过控制各个线性伸缩装置的长度伸缩，使车轮的驱动轴轴心与车轮圆心的连线始终呈水平状态，且驱动轴轴心与车轮圆心之间的直线距离值保持恒定；此时，车轮能在无驱动扭矩的情况下实现滚动。

[0021] 2）当机器人在崎岖不平路面行驶时，通过对前后车轮中线性伸缩装置的长度伸缩控制，根据路面状况，使前后车轮的驱动轴轴心在竖直直线上上下移动，从而使前车轮的驱动轴轴心和后车轮的驱动轴轴心连线保持水平状态，也即使与内轮圈固定连接的机架处于水平状态。

[0022] 3）当机器人行驶过程中车轮遇到路面上的障碍物时，通过控制各个线性伸缩装置的长度伸缩，使车轮的驱动轴轴心移动到障碍物支撑点前方水平距离为el的位置，则车轮能在无外力驱动的作用下，实现自动跨越障碍物。

[0023] 机器人具有多轮行走机构时，当机器人行驶过程中遇到路面上的障碍物时，使即将与障碍物接触的车轮逐个抬起，实现避障；车轮抬起的方法为：通过控制各个线性伸缩装置的长度伸缩。

[0024] 本发明采用上述结构与方法后，能对车轮中驱动轴的中心位置实现动态控制，能够大幅提高机器人复杂环境的行走适应能力。

附图说明

[0025] 图1显示了本发明一种应用于机器人的中心位置可变的车轮的立体结构示意图。

[0026] 图2显示了本发明一种应用于机器人的中心位置可变的车轮的立体剖视图。

[0027] 图3显示了万向传动机构的立体结构示意图。

[0028] 图4显示了十字关节的立体结构示意图。

[0029] 图5显示了调心结构的原理结构示意图。

[0030] 图6显示了调心结构调节驱动轴轴心位置时的原理结构示意图。

[0031] 图7显示了机器人在水平地面上行驶时，调心结构调节驱动轴轴心位置时的示意图。

[0032] 图8显示了机器人在崎岖不平路面行驶时，调心结构调节驱动轴轴心位置时的示意图。

[0033] 图9显示了机器人跨越障碍时，调心结构调节驱动轴轴心位置时的示意图。

[0034] 图10显示了机器人具有多轮行走机构且跨越障碍时，调心结构调节驱动轴轴心位置时的示意图。

[0035] 图11显示了线性伸缩装置为弹性阻尼元件时的示意图。

[0036] 其中有：

[0037] 1.外轮圈；

[0038] 2.万向传动机构；

[0039] 21.连接盘；22.连接轴；221.限位块；222.U型接头；23.传动轴；24.传动套；25.驱动轴；251.驱动轴轴心；26.十字关节；

[0040] 3.调心机构；31.内轮圈；32.线性伸缩装置；

[0041] 4.车轮圆心；5.机架。

具体实施方式

[0042] 下面结合附图和具体较佳实施方式对本发明作进一步详细的说明。

[0043] 如图1和图2所示，一种应用于机器人的中心位置可变的车轮， 包括外轮圈1、万向传动机构2和调心机构3。

[0044] 如图3所示，万向传动机构2包括连接盘21、连接轴22、万向节和驱动轴25。

[0045] 连接盘同轴固定套装在连接轴的外周，且连接盘与外轮圈固定连接。

[0046] 连接轴的两端均伸出连接盘，其中一个伸出端优选设置有限位块221，防止连接轴与连接盘脱落。连接盘的另一个伸出端优选设置有U型接头222。

[0047] 连接轴通过万向节与驱动轴活动连接。

[0048] 万向节优选包括传动杆和两个十字关节26，传动杆的两端均优选设置有U型接头，其中一端优选通过如图4所示的十字关节26与连接轴活动连接，传动杆的另一端优选通过十字关节与驱动轴活动连接。

[0049] 传动杆的长度能够伸缩，传动杆包括相互滑动连接的传动轴23和传动套24，传动轴的另一端与连接轴活动连接，传动套的另一端与驱动轴活动连接。传动轴与传动套通过滑动副连接，二者可以相对伸缩，但是不能旋转，用于传递扭矩

[0050] 进一步，传动轴和传动套均优选为方轴。

[0051] 作为替换，传动杆的长度伸缩可采用现有技术中的其他方式，也在本申请的保护范围之内。

[0052] 通过上述万向传动机构，能够保证车轮的转动速度不受轮子中心位置（内轮圈相对于外轮圈的位置，也即驱动轴轴心相对外轮圈的位置）的影响。驱动轴旋转，可以将该轮子作为主动轮，实现驱动。

[0053] 如图5所示，调心机构包括内轮圈31和若干个线性伸缩装置32。

[0054] 内轮圈同轴可旋转套装在驱动轴上，且内轮圈能与机架相铰接。

[0055] 若干个线性伸缩装置以内轮圈为中心，呈辐射状布置在外轮圈与内轮圈之间的环形空腔中；每个线性伸缩装置的长度均能够伸缩，每个线性伸缩装置的一端均与外轮圈相铰接，每个线性伸缩装置的另一端均与内轮圈相铰接。

[0056] 每个上述线性伸缩装置有如下三种优选实施方式。

[0057] 实施方式一：每个线性伸缩装置均优选为伺服电动缸。

[0058] 实施方式二：每个线性伸缩装置均优选为气缸。

[0059] 实施方式三：每个线性伸缩装置均优选为弹性阻尼元件。

[0060] 作为替换，调心机构中的若干个线性伸缩装置也可以为伺服电动缸和气缸的组合等。

[0061] 如图6所示，工作原理为：通过控制各个线性伸缩装置的长度伸缩，实现中心位置的调整，使中心距为ex、ey，从而能够对中心位置实施动态控制。

[0062] 一种中心位置可变车轮的中心位置调节方法，根据机器人行驶的路面环境状况，对车轮的中心位置进行调节，具体调节方式如下。

[0063] 1）如图7所示，当机器人在水平地面上行驶时，通过控制各个线性伸缩装置的长度伸缩，使车轮的驱动轴轴心与车轮圆心的连线始终呈水平状态，且驱动轴轴心与车轮圆心之间的直线距离值保持恒定，假设中心向前移动ex的距离；此时，相当于向前的驱动（滚动）扭矩为M=G×ex，其中，M表示驱动扭矩，G为重力，图7中N表示水平地面对车轮的支撑力；从而使车轮能在无驱动扭矩的情况下实现滚动。

[0064] 当线性伸缩装置采用伺服电动缸时，上述无驱动扭矩下滚动控制更为精确。由于伺服电动缸具有快速实时的响应速度，则各个伺服电动缸可以实时快速地动作，始终将中心保持在距离地面接触到距离为ex的位置，进而实现对轮子的驱动，同时节能效果明显。

[0065] 2）如图8所示，当机器人在崎岖不平路面行驶时，通过对前后车轮中线性伸缩装置的长度伸缩控制，根据路面状况，使前后车轮的驱动轴轴心在竖直直线上上下移动，从而使前车轮的驱动轴轴心和后车轮的驱动轴轴心连线保持水平状态，也即使与内轮圈固定连接的机架处于水平状态。

[0066] 因此，当地面出现崎岖不平时，可以更好适应地面环境的变化。并且使用保持机架处于水平状态。这是现有技术无法实现的。现有技术大多采用弹性支撑，弹性支撑当遇见崎岖不平的地面环境时，会出现晃动。如果机器人上装载有精密测试仪器时，这种晃动会对仪器的测量精度产生巨大影响。而本发明，可以保证机器人在复杂环境中，平稳移动，且不会产生晃动。

[0067] 另外，图8中，ey表示当以车轮圆心为原点时，驱动轴轴心的竖向坐标值。

[0068] 3）如图9所示，当机器人行驶过程中车轮遇到路面上的障碍物时，通过控制各个线性伸缩装置的长度伸缩，使车轮的驱动轴轴心移动到障碍物支撑点前方水平距离为el的位置，则车轮能在无外力驱动的作用下，实现自动跨越障碍物。

[0069] 如图10所示，机器人具有多轮行走机构时，当机器人行驶过程中遇到路面上的障碍物时，使即将与障碍物接触的车轮逐个抬起，实现避障；车轮抬起的方法为：通过控制各个线性伸缩装置的长度伸缩。

[0070] 如图11所示，车轮中每个线性伸缩装置均采用弹性阻尼元件时，则该轮子相当于自身带有减震缓冲功能，可以对路面传递的振动进行和衰减。其作用相当于汽车的悬挂系统，而且本发明结构简单，占用空间更小，尤其适用于新能源汽车的驱动悬挂。当然，当线性伸缩装置也可采用弹性阻尼元件和伺服电动缸同时使用，在每个弹性阻尼元件上设置弹性变形量检测传感器，这样当仅需要减震缓冲功能时，则伺服电动缸不工作。当需要实现上述无扭矩滚动、崎岖不平路面或跨越障碍时，则使伺服电动缸和弹性变形量检测传感器同时工作。

[0071] 以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。