一種非對(duì)稱性三角步態(tài)行走移動(dòng)機(jī)器人的制作方法

本發(fā)明屬于機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域，具體是涉及移動(dòng)機(jī)器人的行走機(jī)構(gòu)。

背景技術(shù)：

隨著我國核能工業(yè)、探險(xiǎn)救援、軍事偵察、消防排爆、航天航空等眾多領(lǐng)域的快速發(fā)展，迫切需要一種既能在平坦地面自由行走，又能在野外環(huán)境和復(fù)雜地形（如地震廢墟、礦難現(xiàn)場(chǎng)）中自由行走和越障的移動(dòng)機(jī)器人?，F(xiàn)有移動(dòng)機(jī)器人的行走機(jī)構(gòu)大致可分為：輪式、履帶式、多足式、混合式（如輪腿混合式、輪履混合式）和特殊形式（如多邊形翻滾式、蛇形滑動(dòng)式）。其中，將輪腿式結(jié)構(gòu)和三角步態(tài)結(jié)合的行走方式具有很強(qiáng)的越障能力和地形適應(yīng)性，而現(xiàn)有的三角步態(tài)行走方式如下,以六足三角步態(tài)為例：一、六電機(jī)單獨(dú)控制六個(gè)輪，隨意切換六個(gè)輪的相位進(jìn)行不同的三角步態(tài)行走，這種機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜，控制難度大，但效率高，機(jī)動(dòng)性強(qiáng)；二、同側(cè)三角步態(tài)，單側(cè)前后輪相位相同，與中間輪相位相差180°，左側(cè)前后兩輪與右側(cè)中間輪組成三角步態(tài)，右側(cè)前后輪與左側(cè)中間輪組成三角步態(tài)，這種行走方式，機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制簡(jiǎn)單，轉(zhuǎn)向效果不佳；三、前后兩輪同軸，再通過同步裝置分別連接任意一個(gè)中間輪，組成三角步態(tài)，這種行走方式，控制簡(jiǎn)單，機(jī)械結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，依舊穩(wěn)點(diǎn)性不足；四、六輪同向三角步態(tài)，即在同側(cè)的基礎(chǔ)上同軸，機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和控制難度低，但機(jī)動(dòng)性太差，只能前進(jìn)后退，轉(zhuǎn)向不容易實(shí)現(xiàn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明為了克服現(xiàn)有技術(shù)的移動(dòng)機(jī)器人移動(dòng)不夠穩(wěn)定、轉(zhuǎn)向效果不夠明顯的不足，提供一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔可靠、效率高、地表適應(yīng)性好、穩(wěn)點(diǎn)性高、越障能力強(qiáng)的非對(duì)稱性三角步態(tài)行走移動(dòng)機(jī)器人。

本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

一種非對(duì)稱性三角步態(tài)行走移動(dòng)機(jī)器人，所述移動(dòng)機(jī)器人包括機(jī)身、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和被傳動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)的車輪，所述車輪安裝在機(jī)身兩側(cè)，一側(cè)三個(gè)，共六個(gè)。其中左側(cè)的前后車輪與右側(cè)的中間車輪構(gòu)成三角步態(tài)組i，保持同相同步轉(zhuǎn)動(dòng)，右側(cè)的前后車輪和左側(cè)的中間車輪構(gòu)成三角步態(tài)組ii，保持同相同步轉(zhuǎn)動(dòng)，且左右兩側(cè)的車輪前后水平錯(cuò)開，均不在同一軸上，形成非對(duì)稱布置；所述中間車輪受到的摩擦力小于前后車輪。

本移動(dòng)機(jī)器人的直線行走方式：一、控制兩組三角步態(tài)保持180°相位差同向同步轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)速相同，兩組車輪交替進(jìn)行有效運(yùn)動(dòng)，完成流暢穩(wěn)定的直線前進(jìn)后退行走。二、兩組三角步態(tài)同向分步進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，且兩組三角步態(tài)相位差在0°-180°內(nèi)，互不干涉運(yùn)動(dòng)，能夠有效穩(wěn)定地前進(jìn)后退。

轉(zhuǎn)向方式：一、兩組三角步態(tài)同步轉(zhuǎn)動(dòng)控制轉(zhuǎn)向，且三角步態(tài)組相位相差180°，當(dāng)需要左轉(zhuǎn)向時(shí)，三角步態(tài)組ⅰ反轉(zhuǎn)，三角步態(tài)組ⅱ正轉(zhuǎn)；當(dāng)需要右轉(zhuǎn)時(shí)，三角步態(tài)組ⅰ正轉(zhuǎn)，三角步態(tài)組ⅱ反轉(zhuǎn)。二、兩組三角步態(tài)分步轉(zhuǎn)動(dòng)控制轉(zhuǎn)向，且兩組三角步態(tài)相位差在0°-180°內(nèi)，互不干涉運(yùn)動(dòng)，即：當(dāng)需要左轉(zhuǎn)向時(shí)，三角步態(tài)組ⅰ無效反轉(zhuǎn)，三角步態(tài)組ⅱ有效正轉(zhuǎn)，或三角步態(tài)組ⅰ有效反轉(zhuǎn)，三角步態(tài)組ⅱ無效正轉(zhuǎn)；當(dāng)需要右轉(zhuǎn)時(shí)，三角步態(tài)ⅰ有效正轉(zhuǎn)，三角步態(tài)ⅱ無效反轉(zhuǎn)，或三角步態(tài)ⅰ無效正轉(zhuǎn)，三角步態(tài)組ⅱ有效反轉(zhuǎn)。

從以上結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可見，本發(fā)明將六個(gè)車輪分為兩組，左側(cè)前后兩車輪和右側(cè)中間車輪保持同相運(yùn)動(dòng)，而右側(cè)前后兩車輪和左側(cè)中間車輪保持同相運(yùn)動(dòng)，這樣兩組車輪交替運(yùn)動(dòng)時(shí)，始終保持三車輪接觸地面，由于三點(diǎn)成面，從而構(gòu)成一個(gè)穩(wěn)定的支撐平面，運(yùn)動(dòng)過程中保持平穩(wěn)狀態(tài)。由于兩組三角步態(tài)前后交錯(cuò)放置在同一水平面，對(duì)于移動(dòng)機(jī)器人由于電機(jī)一般選取長(zhǎng)圓柱電機(jī)，非對(duì)稱性放置，使得結(jié)構(gòu)更加緊湊、簡(jiǎn)潔，車軸可以貫穿機(jī)身布置，使得結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定；非對(duì)稱性結(jié)構(gòu)配合輪1、輪3、輪4、輪6摩擦力大于輪2、輪5摩擦力更有利于轉(zhuǎn)彎。

另外，本發(fā)明左右兩邊前后兩個(gè)車輪的所受摩擦力大于中間的車輪所受摩擦力，在兩組輪同相轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)直線前進(jìn)或者后退。在兩組輪反向旋轉(zhuǎn)時(shí)，由于單側(cè)的合力不為零且方向相反，可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎。與非對(duì)稱結(jié)構(gòu)配合，非對(duì)稱結(jié)構(gòu)使機(jī)身結(jié)構(gòu)更加緊湊穩(wěn)定，轉(zhuǎn)彎效果更明顯。

進(jìn)一步，本發(fā)明設(shè)計(jì)兩側(cè)的中間車輪分別分布同側(cè)前后車輪中間位置，即同側(cè)的三個(gè)車輪之間等距。這樣設(shè)計(jì)，可選取更多形式的車輪，防止輪與輪之間產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)干涉。

但是，進(jìn)一步將兩側(cè)的中間車輪設(shè)計(jì)為分別向相反方向更靠近兩端，即同側(cè)的三個(gè)車輪之間不等距，可以獲得更好轉(zhuǎn)向效果。

進(jìn)一步，本發(fā)明的車輪為c形腿式輪或偏心輪，由于三角步態(tài)三點(diǎn)定位可保持機(jī)身的穩(wěn)定性，選取輪腿式結(jié)構(gòu)的車輪兼顧穩(wěn)定性的優(yōu)點(diǎn)，極大地增加了機(jī)器人的攀爬越障能力。

進(jìn)一步，本發(fā)明的兩組三角步態(tài)的可同步轉(zhuǎn)動(dòng)控制運(yùn)動(dòng)，相位差保持在180°，也可以分步轉(zhuǎn)動(dòng)控制運(yùn)動(dòng)，相位差范圍保持在0°到180°內(nèi)。選取同步轉(zhuǎn)動(dòng)控制運(yùn)動(dòng)，控制方式更簡(jiǎn)潔，機(jī)身轉(zhuǎn)向更加流暢穩(wěn)定。

進(jìn)一步，本發(fā)明的動(dòng)力機(jī)構(gòu)包括電機(jī)和傳動(dòng)裝置，每組三角步態(tài)車輪通過傳動(dòng)裝置連接并由電機(jī)同步驅(qū)動(dòng)，這樣設(shè)計(jì)，便于有效地實(shí)現(xiàn)同步控制，并簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)。

優(yōu)選地，所述每組三角步態(tài)車輪的驅(qū)動(dòng)電機(jī)設(shè)置兩個(gè)，同時(shí)驅(qū)動(dòng)，從而增加驅(qū)動(dòng)力。

本發(fā)明設(shè)計(jì)的移動(dòng)機(jī)器人具有良好的移動(dòng)、轉(zhuǎn)向和越障性能，并且穩(wěn)點(diǎn)性高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)。

附圖說明

圖1是非對(duì)稱性三角步態(tài)行走移動(dòng)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是兩組三角步態(tài)車輪的布置和相位關(guān)系示意圖；

圖3是同側(cè)車軸等距分布示意圖；

圖4和圖5是移動(dòng)機(jī)器人直線行走時(shí)車輪狀態(tài)圖；

圖6、圖7和圖8是移動(dòng)機(jī)器人向左轉(zhuǎn)彎行走時(shí)車輪狀態(tài)圖；

圖9、圖10和圖11是移動(dòng)機(jī)器人向右轉(zhuǎn)彎行走時(shí)車輪狀態(tài)圖；

圖中：1、機(jī)身，2、電機(jī)，3、傳動(dòng)裝置，4、車輪；41、第一車輪，2、第二車輪，3、第三車輪，4、第四車輪，5、第五車輪，46、第六車輪。

具體實(shí)施方式

為了使發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖和實(shí)施例本發(fā)明的基本原理、結(jié)構(gòu)及行走方法做詳細(xì)說明，但本發(fā)明要求保護(hù)的范圍并不局限于以下所述。

本發(fā)明的基本原理：

1．本發(fā)明將六個(gè)輪分為兩組，左側(cè)前后兩車輪和右側(cè)中間車輪保持同相運(yùn)動(dòng)，而右側(cè)前后兩車輪和左側(cè)中間車輪保持同相運(yùn)動(dòng)。

．兩組車輪交替運(yùn)動(dòng)時(shí)，始終保持三車輪接觸地面，由于三點(diǎn)成面，從而構(gòu)成一個(gè)穩(wěn)定的支撐平面，運(yùn)動(dòng)過程中保持平穩(wěn)狀態(tài)

3．左右兩邊前后兩個(gè)車輪的所受摩擦力大于中間的車輪所受摩擦力，在兩組輪同相轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)直線前進(jìn)或者后退。在兩組輪反向旋轉(zhuǎn)時(shí)，由于單側(cè)的合力不為零且方向相反，可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎

4．非對(duì)稱結(jié)構(gòu)使機(jī)身結(jié)構(gòu)更加緊湊穩(wěn)定，轉(zhuǎn)彎效果更明顯。

參見圖1，本發(fā)明具有移動(dòng)機(jī)器人的基本結(jié)構(gòu)，這里簡(jiǎn)約顯示了機(jī)身1、動(dòng)力裝置和車輪4。動(dòng)力裝置包括電機(jī)2和傳動(dòng)裝置3。圖2顯示了兩組三角步態(tài)車輪的布置和相位關(guān)系，圖3顯示了同側(cè)車軸等距分布的狀態(tài)，從圖2開始，均是重點(diǎn)顯示車輪的布置和運(yùn)動(dòng)方式，因此圖中對(duì)車身內(nèi)部的電機(jī)2和傳動(dòng)裝置3沒有再顯示。

車輪4由六個(gè)大小相同車輪組成，在機(jī)身1的左右兩側(cè)各安裝3個(gè)。六個(gè)車輪組成兩組三角步態(tài)，第一車輪41、第四車輪44、第五車輪45保持同相同步轉(zhuǎn)動(dòng)，構(gòu)成三角步態(tài)組i，而第二車輪42、第三車輪43和第六車輪46保持同相同步轉(zhuǎn)動(dòng)，構(gòu)成三角步態(tài)組ii，并且左右兩側(cè)的車輪前后水平錯(cuò)開，均不在同一軸上，形成非對(duì)稱布置。第一、第五、第二、第六車輪41、45、42、46的受到的摩擦力大于第三和第四車輪43、44（改變摩擦的方式可以為：改變車輪摩擦系數(shù)、輪徑等）。兩組三角步態(tài)交替運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)行走的功能，行走過程一直保持三點(diǎn)觸地，而且左右車輪不在同一軸上，前后左右水平布置。車輪形式多樣，可以是如圖所示的c形腿，也可以是偏心輪等。

直線運(yùn)動(dòng)時(shí)，兩組三角步態(tài)保持180°相位差同步轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)速相同，兩組車輪交替進(jìn)行有效運(yùn)動(dòng)，能夠比較流暢穩(wěn)定的直線前進(jìn)后退。也可以控制兩組三角步態(tài)相位差在0°-180°范圍，分步轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)向相同，交替進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，完成流暢穩(wěn)定地直線前進(jìn)后退。

轉(zhuǎn)向時(shí)，兩組三角步態(tài)保持180°相位差同步轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)需要左轉(zhuǎn)向時(shí)，三角步態(tài)組i反轉(zhuǎn)，三角步態(tài)組ii正轉(zhuǎn)；當(dāng)需要右轉(zhuǎn)時(shí)，三角步態(tài)組i正轉(zhuǎn)，三角步態(tài)組ii反轉(zhuǎn)。也可以兩組三角步態(tài)在0°-180°相位差范圍內(nèi)分步轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)向原理與同步轉(zhuǎn)向方式相同。

實(shí)施例:

參見圖6，移動(dòng)機(jī)器人包括有機(jī)身1、六個(gè)c形車輪4，四個(gè)電機(jī)2和傳動(dòng)裝置3組成。第一車輪41、第四車輪44和第五車輪45的輪軸通過傳送裝置3如一根皮帶連接，使三個(gè)軸同相，從而相應(yīng)的三個(gè)車輪保持同相同步，構(gòu)成三角步態(tài)組i，該三角步態(tài)由兩個(gè)電機(jī)2同時(shí)驅(qū)動(dòng)，如圖所示，第一車輪41的輪軸上布置一個(gè)電機(jī)，第五車輪45的輪軸上布置一個(gè)電機(jī)，增強(qiáng)驅(qū)動(dòng)力。同理，將第二車輪42、第三車輪43和第六車輪46的輪軸通過另一傳送裝置4連接，使三根軸同相，從而與之相應(yīng)的車輪同相同步，構(gòu)成三角步態(tài)組ii。第一、第五、第二、第六車輪41、45、42、46受到的摩擦力（這里改變的是車輪1、5、2、6摩擦系數(shù)大于車輪3、4）大于第三和第四車輪43、44。

當(dāng)小車需要前進(jìn)時(shí)，兩組三角步態(tài)保持180°相位差同步正轉(zhuǎn)，如圖4和圖5是直線前進(jìn)時(shí)兩組三角步態(tài)的車輪位置狀態(tài)圖。同理，當(dāng)小車后退時(shí)，兩組三角步態(tài)保持一定的相位差同步反轉(zhuǎn)。

以起始狀態(tài)圖中中間箭頭所示方向?yàn)榍斑M(jìn)方向。

當(dāng)小車需要左轉(zhuǎn)時(shí)，兩組三角步態(tài)處于相同的起始狀態(tài)，如圖6，三角步態(tài)組i反轉(zhuǎn)，三角步態(tài)組ii正轉(zhuǎn)，當(dāng)轉(zhuǎn)到狀態(tài)c如圖7，此時(shí)三角步態(tài)組ii著地，三角步態(tài)組i離地。左側(cè)一個(gè)車輪，右側(cè)兩個(gè)車輪，并且兩個(gè)車輪摩擦力大于一個(gè)車輪，使得左轉(zhuǎn)向；當(dāng)轉(zhuǎn)到狀態(tài)d，如圖8，此時(shí)三角步態(tài)組i著地，三角步態(tài)組ii離地，左側(cè)兩個(gè)車輪，右側(cè)一個(gè)車輪，兩個(gè)車輪摩擦力比一個(gè)車輪摩擦力大，但三角步態(tài)組i反轉(zhuǎn)，使得小車仍然左轉(zhuǎn)。兩組三角步態(tài)車輪狀態(tài)c、d來回切換著地，使得小車一直向左轉(zhuǎn)向。

當(dāng)小車需要右轉(zhuǎn)時(shí)，兩組三角步態(tài)回到起始狀態(tài)，如圖9。三角步態(tài)組i正轉(zhuǎn)，三角步態(tài)組ii反轉(zhuǎn)，當(dāng)轉(zhuǎn)到狀態(tài)e如圖10，此時(shí)三角步態(tài)組i著地，三角步態(tài)組ii離地，左側(cè)兩個(gè)車輪著地，右側(cè)一個(gè)車輪著地，并且左側(cè)車輪摩擦力大于右側(cè)車輪摩擦力，使得小車右轉(zhuǎn)向，當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)f如圖11，此時(shí)三角步態(tài)組ii著地，三角步態(tài)組i離地，左側(cè)一個(gè)車輪，右側(cè)兩個(gè)車輪，右側(cè)車輪摩擦力大于左側(cè)車輪摩擦力，但三角步態(tài)組ii為反轉(zhuǎn)狀態(tài)，所以小車仍然向右轉(zhuǎn)向。狀態(tài)e、f來回切換，小車一直向右轉(zhuǎn)向。