一种基于Schatz机构的全向移动机器人，其特征在于：由四个完全一致的驱动单元(A、B、C、D)以及载物平台(E)组成；以第一驱动单元为例。所述每个驱动单元都包括Schatz机构第一至第六连杆(A1、A3、A4、A9、A10、A11)，Oloid异形轮第一至第四模块(A5、A6、A7、A8)，电机(A2)，从动转动副(A12)。所述载物平台为有四个长边以及四个短边的八边形板材；所述四个长边分别位于载物平台四角方位，且每一长边的两侧分别具有一个通孔用以将第一连杆与载物平台固连；载物平台中央有一通孔(E1)用以通电机电源线路。在转速相同的情况下，机器人的前进方向与这四个驱动单元电机的转向搭配有关。
1.一种基于Schatz机构的全向移动机器人，其特征在于：由第一至第四驱动单元(A、B、C、D)以及载物平台(E)组成，所述这四个驱动单元完全一致；以第一驱动单元(A)为例，所述每个驱动单元都包括Schatz机构第一至第六连杆(A1、A3、A4、A9、A10、A11)、Oloid异形轮第一至第四模块(A5、A6、A7、A8)、电机(A2)、从动转动副(A12)；
所述第一连杆(A1)为方管，其前侧两端均布有供电机输出轴以及从动转轴通过的通孔(A1‑1、A1‑2)、电机及从动转轴的三个安装孔，后侧面开有空槽以便安装电机及从动转动副，使用螺栓将电机以及从动转动副与第一连杆链接，另在第一连杆上、下侧的两端各开设有一个通孔(A1‑3、A1‑4)，通过这些通孔，以螺栓螺母的形式将第一连杆与载物平台链接；
所述第二连杆(A3)与第六连杆(A11)完全相同，为方形块状结构，以第二连杆(A3)为例，在其下端面上开设有一个D形连接孔(A3‑1)与电机输出轴相连接，在其前端面下侧开设有一个通孔(A3‑2)，与电机及从动轴上的通孔相配合，通过该通孔使用螺栓螺母的方式将第二、第六连杆与电机或从动轴链接，在其前端面上侧开设有一个通孔(A3‑3)，并在通孔两端各开设有一圆形凹槽(A3‑4)，通过该通孔使用螺栓与轴承配合并以螺母紧固的方式，将第二、第六连杆(A3、A11)分别与第三、第五连杆(A4、A10)配合形成转动关节，所述圆形凹槽用以定位和安装轴承；
所述第三连杆(A4)与第五连杆(A10)完全相同，为方形块状结构，以第三连杆(A4)为例，在其前端面底部开设有一个较小的通孔(A4‑1)，前端面上部开设有一槽口，左端面上侧设有一较大的通孔(A4‑2)，下侧设有一个槽口，其中较大的通孔(A4‑2)与第二或第六连杆前端面上侧通孔配合形成转动副，另一端较小的通孔(A4‑1)两端面各开设有一个槽孔，通过该通孔使用螺栓与轴承配合并以螺母紧固进行轴向定位的方式，将第三、第五连杆(A4、A10)与第四连杆(A9)链接；
所述第四连杆(A9)为空心方管，其两端开设有相互垂直的通孔(A9‑1、A9‑2)，分别与第三、第五连杆链接；
所述Oloid异形轮由第一至第四模块(A5、A6、A7、A8)装配而成，这四个模块完全相同，以第一模块为例，第一模块左通孔(A5‑1)与第三模块的左通孔(A7‑1)对应，通过螺栓螺母将二者链接，第一模块右通孔(A5‑2)与第四模块的右通孔(A7‑2)对应，通过螺栓螺母链接，通过使用螺栓与轴承配合的方式形成转动副，并用螺母以及垫片进行轴向定位的方法，将第一、二模块(A5、A6)与第三、第四连杆(A4、A9)链接；
所述从动转动副(A12)为圆柱块结构，在圆形底座(A12‑1)上开设有一组连接孔用于与第一连杆(A1)通过螺栓固定链接，小圆柱轴(A12‑2)为从动转动轴，与第六连杆(A11)链接；
所述载物平台(E)为有四个长边以及四个短边的八边形板材，所述四个长边分别位于载物平台四角方位，且每一长边的两侧分别开设有一个通孔，用以将第一连杆(A1)与载物平台(E)固连，载物平台中央有一通孔(E1)用以通电机电源线路。
2.根据权利要求1所述的一种基于Schatz机构的全向移动机器人，其特征在于：在第一、二驱动单元的电机转速相同，转向相反；第三、四驱动单元的电机转速相同，转向相反；
第一、三驱动单元的电机的转向相同，第二、四驱动单元的电机的转向相同时，机器人向正前方或正后方直行，且移动速度与电机转速正相关；在第一至第四驱动单元的电机转速与转向相同时，机器人可实现左右两侧的横向移动，且移动速度与电机转速正相关；在第一至第四驱动单元电机转速相同，且第一、第三驱动单元的电机转向相同且与第二、第四驱动单元的电机转向相反时，机器人可实现斜向移动，且移动速度与电机转速正相关。
一种基于Schatz机构的全向移动机器人
技术领域
[0001] 本发明涉及移动机器人领域，具体涉及一种基于Schatz机构的具有全向移动和越障能力的移动机器人。
背景技术
[0002] 近年来，移动机器人技术取得了显著的发展，机器人在许多领域进入了人类的生活。传统的移动机器人由于其运动的不完全性，越来越难以满足运输、侦查、救援等任务的需求。全向移动机器人所具备的全向运动能力，使其具备更强的环境适应性。其能够在狭窄、复杂的空间中移动。基于不同的全向机构能够构造出不同类型的全向移动机器人，例如美国宇航局提出的6足轮腿复合式全向移动机器人—ATHLETE以及基于全向轮(麦克纳姆轮)或万向轮的全向移动机器人。对于足式全向移动机器人而言，其大多使用开放式链式机构，需要配备多个电机。这不仅增加了机器人自身的体积，还提高了控制系统的复杂性。而基于全向轮(麦克纳姆轮)或万向轮的全向移动机器人，受其越障能力以及磨损等问题的限制，主要应用于具有良好路面条件的室内环境。
[0003] Schatz机构作为空间单自由度闭链连杆机构，具有高刚度、少自由度的特点。利用该机构连杆的空间往复运动，姚燕安、姚舜等人提出了一系列基于Schatz机构的移动机器人，如中国专利申请CN202010070407.7公布的一种基于Schatz机构的多足变形机器人、中国专利申请CN202010230165.3公布的一种基于Schatz机构的异形轮式机器人。它们都是将Schatz机构作为一个驱动单元，并针对其不同的连杆进行轮廓曲线设计。简化了机器人的控制模型，并赋予机器人良好的地形适应能力。但上述机器人不具备全向移动能力。
[0004] Oloid曲面是个可展曲面。由德国科学家Paul Schatz提出。利用该曲面与Schatz机构一致的运动规律，将二者相结合组成的一个驱动单元具有构造全向移动机器人的潜力。
发明内容
[0005] 本发明要解决的技术问题：1.解决当前基于多模块Schatz机构的移动机器人无法实现全向移动的问题。2.对Oloid曲面外形进行改造形成一种异形轮，使之与Schatz机构相结合，发明一种具有全向移动和越障能力的机器人。
[0006] 本发明的技术方案：一种基于Schatz机构的全向移动机器人。其特征在于：机器人包括第一至第四由Schatz机构和Oloid异形轮组合而成的驱动单元以及一个载物平台。这四个驱动单元完全一致，分布在载物平台的四角上。每个驱动单元包含第一至第六连杆、Oloid异形轮第一至第四分块、一个电机以及一个从动转动副。
[0007] 所述第一连杆为方管，其前侧两端均布有供电机输出轴以及从动转轴通过的通孔、电机及从动转轴的三个安装孔。后侧面开有空槽以便安装电机及从动转动副。使用螺栓将电机以及从动转动副与第一连杆链接。另在第一连杆上、下侧的两端各设有一个通孔。通过该通孔，以螺栓螺母的形式将第一连杆与载物平台链接。
[0008] 所述第二连杆与第六连杆完全相同，为方形块状结构。在其下端面上设有一D形连接孔分别与电机输出轴以及从动转动副的转轴相连接。在其前端面下侧设有一通孔，与电机及从动轴上的通孔相配合。通过该通孔使用螺栓螺母的方式将第二、第六连杆与电机或从动轴链接。在其前端面上侧设有一通孔，并在通孔两端各设有一圆形凹槽。通过该通孔使用螺栓与轴承配合并以螺母紧固的方式，将第二、第六连杆分别与第三、第五连杆配合形成转动关节。所述圆形凹槽用以定位和安装轴承。
[0009] 所述第三连杆与第五连杆完全相同，为方形块状结构。在其前端面底部开设有一通孔，前端面上部开设有一槽口；左端面上侧开设有一通孔，下侧开设有一槽口。其中较大的通孔与第二或第六连杆前端面上侧通孔配合形成转动副。另一端通孔两端面各开设有一槽孔，通过该通孔使用螺栓与轴承配合并以螺母紧固进行轴向定位的方式，将第三、第五连杆与第四连杆链接。
[0010] 所述第四连杆为空心方管，两端设有相互垂直的通孔，分别与第三、第五连杆链接。
[0011] 所述Oloid异形轮由Oloid曲面改造而成。在构造Oloid曲面的两圆圆心位置设计两个通孔，通过使用螺栓与轴承配合的方式形成转动副，并用螺母进行轴向定位的方法。在这两通孔位置将Oloid异形轮与第三、四连杆，第四、五连杆连接。并将Oloid曲面对称地划分为四个完全一致的模块。所述四个模块分别命名为：第一模块、第二模块、第三模块、第四模块。相邻模块之间通过螺栓螺母连接。
[0012] 所述从动转动副为圆柱块结构，在圆形底座上设有一组连接孔，用于与第一连杆通过螺栓固定链接，小圆柱轴为从动转动轴，与第六连杆链接。
[0013] 所述载物平台为有四个长边以及四个短边的八边形板材。所述四个长边分别位于载物平台四角方位，且每一长边的两侧分别开设有一个通孔用以将第一连杆与载物平台固连。载物平台中央开设有一通孔用以通电机电源线路。
[0014] 一种基于Schatz机构的全向移动机器人，在第一、二驱动单元的电机转速相同，转向相反；第三、四驱动单元的电机转速相同，转向相反；第一、三驱动单元的电机的转向相同，第二、四驱动单元的电机的转向相同时。机器人向正前方或正后方直行，且移动速度与电机转速正相关。
[0015] 一种基于Schatz机构的全向移动机器人，在第一至第四驱动单元的电机转速与转向相同时。机器人可实现左右两侧的横向移动，且移动速度与电机转速正相关。
[0016] 一种基于Schatz机构的全向移动机器人，在第一至第四驱动单元电机转速相同，且第一、第三驱动单元的电机转向相同且与第二、第四驱动单元的电机转向相反时，机器人可实现斜向移动，且移动速度与电机转速正相关。
附图说明
[0017] 图1一种基于Schatz机构的全向移动机器人的整体三维图
[0018] 图2第一驱动单元的整体三维图
[0019] 图3第一连杆三维图
[0020] 图4第二连杆三维图
[0021] 图5第三连杆三维图
[0022] 图6第四连杆三维图
[0023] 图7Oloid异形轮整体三维图
[0024] 图8Oloid异形轮第一模块三维图
[0025] 图9异形轮第一、第二模块与第三、四连杆装配关系图
[0026] 图10从动转动副三维图
[0027] 图11载物平台三维图
具体实施方式
[0028] 下面结合附图对本发明做进一步详细说明。
[0029] 一种基于Schatz机构的全向机器人，如图1所示，由第一至第四，四个完全一致的驱动单元(A、B、C、D)以及载物平台(E)组成。
[0030] 本发明的实施方式：
[0031] 如图2所示，以第一驱动单元(A)例。所述每个驱动单元都包括Schatz机构第一至第六连杆(A1、A3、A4、A9、A10、A11)、Oloid异形轮第一至第四模块(A5、A6、A7、A8)、电机(A2)、从动转动副(A12)。
[0032] 所述第一连杆(A1)为方管，如图3所示。其前侧两端均布有供电机输出轴以及从动转轴通过的通孔(A1‑1、A1‑2)、电机及从动转轴的三个安装孔。后侧面开有空槽以便安装电机及从动转动副。使用螺栓将电机以及从动转动副与第一连杆链接。另在第一连杆上、下侧的两端各开设有一个通孔(A1‑3、A1‑4)。通过这些通孔，以螺栓螺母的形式将第一连杆与载物平台链接。
[0033] 所述第二连杆(A3)与第六连杆(A11)完全相同，为方形块状结构，如图4所示。以第二连杆(A3)为例，在其下端面上开设有一个D形连接孔(A3‑1)与电机输出轴相连接。在其前端面下侧开设有一个通孔(A3‑2)，与电机及从动轴上的通孔相配合。通过该通孔使用螺栓螺母的方式将第二、第六连杆与电机或从动轴链接。在其前端面上侧开设有一个通孔(A3‑3)，并在通孔两端各开设有一圆形凹槽(A3‑4)。通过该通孔使用螺栓与轴承配合并以螺母紧固的方式，将第二、第六连杆(A3、A11)分别与第三、第五连杆(A4、A10)配合形成转动关节。所述圆形凹槽用以定位和安装轴承。
[0034] 所述第三连杆(A4)与第五连杆(A10)完全相同，为方形块状结构，如图5所示。以第三连杆(A4)为例，在其前端面底部开设有一个较小的通孔(A4‑1)，前端面上部开设有一槽口；左端面上侧设有一较大的通孔(A4‑2)，下侧设有一个槽口。其中较大的通孔(A4‑2)与第二或第六连杆前端面上侧通孔配合形成转动副。另一端较小的通孔(A4‑1)两端面各开设有一个槽孔，通过该通孔使用螺栓与轴承配合并以螺母紧固进行轴向定位的方式，将第三、第五连杆(A4、A10)与第四连杆(A9)链接。
[0035] 所述第四连杆(A9)为空心方管，如图6所示。其两端开设有相互垂直的通孔(A9‑1、A9‑2)，分别与第三、第五连杆链接。
[0036] 所述Oloid异形轮如图7所示。由第一至第四模块(A5、A6、A7、A8)装配而成，这四个模块完全相同。以第一模块为例，其结构如图8所示。第一模块左通孔(A5‑1)与第三模块的左通孔(A7‑1)对应，通过螺栓螺母将二者链接。第一模块右通孔(A5‑2)与第四模块的右通孔(A7‑2)对应，通过螺栓螺母链接。如图9所示，通过使用螺栓与轴承配合的方式形成转动副，并用螺母以及垫片进行轴向定位的方法，将第一、二模块(A5、A6)与第三、第四连杆(A4、A9)链接。
[0037] 所述从动转动副(A12)为圆柱块结构，如图10所示。在圆形底座(A12‑1)上开设有一组连接孔用于与第一连杆(A1)通过螺栓固定链接，小圆柱轴(A12‑2)为从动转动轴，与第六连杆(A11)链接。
[0038] 所述载物平台(E)为有四个长边以及四个短边的八边形板材，如图11所示。所述四个长边分别位于载物平台四角方位，且每一长边的两侧分别开设有一个通孔，用以将第一连杆(A1)与载物平台(E)固连。载物平台中央有一通孔(E1)用以通电机电源线路。
