一种基于麦克纳姆轮的机器人
技术领域
本发明属于机器人领域，尤其涉及一种基于麦克纳姆轮伸缩式机器人。
背景技术
随着机器人技术的不断发展，目前出现了很多种探测类机器人按照运动方式的不同可以分为轮式、腿式以及履带式三种。由于履带式、轮式和腿式单一行走方式具有局限性，复合式行走方式得到了很多研究者和研究机构广泛地关注和研究。
而现有的探测机器人大多是基于固定构件数目而研制出来的，具有固定的自由度，故在工作过程中其结构和功能不会发生变化，面对未知困难时此类探测机器人适应能力变差。在进行陌生区域探测时候，我们会遇到各种各样的环境问题，急需我们一步一步的去解决，假如我们遇到一个狭窄的过道，如果其尺寸小于我们的机器人本身的高度和宽度，以我们机器人的钢铁之躯，是根本无法通过该狭窄的过道；另外我们知道轮式机器人具有高效、灵活的特点，但是其在外界道路复杂的情况下，是无法越过障碍的，但是若我们采用腿式机器人，虽然其有较强的越障能力，但是其效率低下，也是无法满足我们的工作需求；现在有人将轮式机器人和腿式机器人简单结合起来，虽然其对复杂路面的通过性较高，但是其机器人的转弯能力，掉头能力都比较差，总的来说就是其灵敏性特别的差，工作效率还是没有达到我们探测的要求。
发明内容
本发明针对现在探测式机器人的技术的不足，提供了一种基于麦克纳姆轮伸缩式机器人，可以实现机器人在宽度方面自由伸展，机器人腿部单元具有人体的髋关节、膝盖等方向的自由度，并且在腿部单元的下部还安装了麦克纳姆轮，其可以使得该机器人在运动过程中可以横向移动，也可以360度旋转，快速的朝其任意方向移动，使得该机器人具有较强的转弯能力以及掉头能力，提高了其运动过程的灵敏性，从而达到我们探测的要求。
为实现上述目的，本发明的技术方案为：
一种基于麦克纳姆轮的机器人，包括：
横梁；
伸缩单元，固连于两个所述横梁的相对侧面，用于实现两个所述横梁在水平方向上的距离变化；
腿部单元，通过第一舵机连接与所述横梁的侧面，且对称间隔布置于所述横梁的两侧，所述腿部单元具有人体腿部的髋关节、腿部、膝关节，以实现多个方向的自由度；
第一驱动单元，固定在所述腿部单元的底端；
麦克纳姆轮，套设在所述第一驱动单元的输出轴，所述第一驱动单元用于驱动所述麦克纳姆轮移动；
控制单元，设置在所述横梁上，用于控制所述腿部单元的自由度、麦克纳姆轮移动和伸缩单元；
电源模块，固定在横梁上，所述电源模块与所述控制单元电连接。
进一步地，所述伸缩单元为剪叉式结构，所述剪叉式结构包括支架、至少四个支臂、多个销钉、第二驱动单元，所述支架分别固定在两个所述横梁的相对侧面，所述支架的内侧均设置具有导向作用的滑槽；
每两个所述支臂为一对，至少包括两对，两个所述支臂交叉设置，交叉点通过所述销钉连接，每个所述支臂的一端固定在滑槽的端部，另一端通过所述销钉设置在滑槽内，设置在所述支臂交叉点的销钉上固定第二驱动单元，所述第二驱动单元用于向销钉施加动力，以实现一对交叉设置的支臂角度增大或减小。
进一步地，所述第二驱动单元包括步进电机、丝杆和至少一个丝杆螺母，所述步进电机固定在所述第一销钉上，所述丝杆与所述步进电机的输出轴连接，所述丝杆螺母与所述丝杆螺纹连接，所述丝杆螺母固定在第二销钉上；
其中，第一销钉为所述两对支臂中任意一对支臂交叉点的销钉，第二销钉为另一对支臂交叉点的销钉。
进一步地，所述机器人包括四组腿部单元，每个所述横梁的端部侧面均通过第一舵机设置一组腿部单元，所述腿部单元包括：第一舵机、第二舵机、第三舵机、第一U型架、第二U型架、第三U型架、第四U型架、第一腿轴、第二腿轴，所述横梁的端部侧面固定第一U型架，第一舵机一端固定在第一U型架上，另一端固定第二U型架，第二U型架上固定第三U型架，第三U型架与第二U型架十字交叉连接，第三U型架上固定连接第二舵机，构成了腿部单元的髋关节；
所述第一腿轴的顶端固连所述第二舵机，底端固连所述第三舵机，所述第三舵机固连于第四U型架上，所述第四U型架固定于第二腿轴的顶端，所述第二腿轴的底端固定第二驱动单元。
进一步地，所述麦克纳姆轮包括轮毂轴和辊子，所述轮毂轴与所述第一驱动单元连接。
进一步地，所述第一驱动单元为减速电机。
进一步地，所述第一驱动单元、步进电机、第一舵机、第二舵机、第三舵机分别与第二控制单元电性连接。
本发明由于采用以上技术方案，使其与现有技术相比具有以下的优点和积极效果：
本发明采用伸缩单元可以实现机器人在宽度方面自由伸展，假如探测中遇到一个狭窄的过道，我们就可以根据过道的尺寸来调节我们的机器人本身的宽度，使得该机器人顺利通过该狭窄的过道；机器人对称设置至少两组腿部单元，并且在腿部单元的下部还安装了轮式结构，可以在腿式运动和轮式运动之间相互切换，既具有高效、灵活的特点，也可以外界道路复杂的情况下，越过各类障碍，提高其通过性；腿部单元具有人体的髋关节、膝盖等方向的自由度，可以模仿人体腿部在高度方向上的收缩伸展，轮式结构为麦克纳姆轮，其可以使得该机器人在运动过程中可以横向移动，也可以360度旋转，快速的朝其任意方向移动，使得该机器人具有较强的转弯能力以及掉头能力，提高了其运动过程的灵敏性，从而达到探测的要求。
附图说明
图1为本发明中基于麦克纳姆轮的机器人结构示意图；
图2为本发明中伸缩单元的结构示意图；
图3为本发明中腿部单元的结构示意图；
图4为本发明中麦克纳姆轮的结构示意图；
图5为本发明中基于麦克纳姆轮的机器人收缩形态结构图；
图6为本发明中基于麦克纳姆轮的机器人伸展形态结构图。
附图标记说明：1-伸缩单元；101-横梁；102-第一U型架；103支臂；104-步进电机；105-丝杆；106-丝杆螺母；107-支架；108-固定销钉；109-第一销钉；110-滑动销钉；111-第二销钉；2-腿部单元；201-第一舵机；202-第二U型架；203-第三U型架；204-第二舵机；205-第一腿轴；206-第三舵机；207-第四U型架；208-第二腿轴；209-减速电机；3-麦克纳姆轮；301-辊子；302-轮毂轴。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明提出的一种基于麦克纳姆轮的机器人作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。
参看图1-4，一种基于麦克纳姆轮的机器人，包括：横梁101；伸缩单元，固连于两个横梁101的相对侧面，用于实现两个横梁101在水平方向上的距离变化；腿部单元，通过第一舵机201连接与横梁101的侧面，且对称间隔布置于横梁101的两侧，腿部单元具有人体腿部的髋关节、腿部、膝盖，以实现多个方向的自由度；第一驱动单元，固定在腿部单元的底端；麦克纳姆轮3，套设在第一驱动单元的输出轴，第一驱动单元用于驱动麦克纳姆轮3移动；控制单元，设置在横梁101上，用于控制腿部单元的自由度、麦克纳姆轮3的移动和伸缩单元；电源模块，固定在横梁101上，电源模块与控制单元电连接。
进一步地，伸缩单元为剪叉式结构，剪叉式结构包括支架107、至少四个支臂103、多个销钉、第二驱动单元，支架107分别固定在两个横梁101的相对侧面，支架107的内侧均设置具有导向作用的滑槽；
每两个支臂103为一对，至少包括两对，在本实施例中包括有两对，一共四个支臂103，每两个支臂103交叉设置，交叉点通过销钉连接，其中一对的支臂103交叉点销钉为第一销钉109，另一对的支臂103交叉点销钉为第二销钉111，每个支臂103的一端通过固定销钉108固定在滑槽的端部，另一端通过滑动销钉110设置在滑槽内，第一销钉109上固定第二驱动单元，第二驱动单元用于向第一销钉109施加动力，以实现一对交叉设置的支臂103角度增大或减小。
进一步地，第二驱动单元包括步进电机104、丝杆105和至少一个丝杆螺母106，在本实施例中包括一个丝杆螺母106，步进电机104固定在第一销钉109上，丝杆105与步进电机104的输出轴连接，丝杆螺母106与丝杆105螺纹连接，丝杆螺母106固定在第二销钉111上。
步进电机104带动丝杆105旋转，从而带动丝杆螺母106在丝杆105上移动，从而第二销钉111发生移动，进而带动所有支臂103在滑槽内移动，从而达到机器人两侧的横梁101在水平方向的移动。
进一步地，机器人包括四组腿部单元，每个横梁101的端部侧面均通过第一舵机201设置一组腿部单元，每个腿部单元包括：第一舵机201、第二舵机204、第三舵机206、第一U型架102、第二U型架202、第三U型架203、第四U型架207、第一腿轴205、第二腿轴208，横梁101的端部侧面固定第一U型架102，第一舵机201一端固定在第一U型架102上，另一端固定第二U型架202，第二U型架202上固定第三U型架203，第三U型架203与第二U型架202十字交叉连接，第三U型架203上固定连接第二舵机204，构成了腿部单元的髋关节；
第一腿轴205的顶端固连第二舵机204，底端固连第三舵机206，第三舵机206固连于第四U型架207上，第四U型架207固定于第二腿轴208的顶端，第二腿轴208的底端固定第二驱动单元。
参看图5-图6，腿部单元的第二舵机204和第三舵机206顺时针转动，使得第一腿轴205和第二腿轴208之间的夹角减小，从而降低机器人的高度；第二舵机204和第三舵机206逆时针转动，使得第一腿轴205和第二腿轴208之间的夹角增大，从而增加机器人的高度；
进一步地，麦克纳姆轮3包括轮毂轴302和辊子301，轮毂轴302与第一驱动单元连接，第一驱动单元为减速电机209。
轮毂轴302是整个麦克纳姆轮3的主体支架107，辊子301则是安装在轮毂上的鼓状物。而本实施例所选用的麦克纳姆轮3的轮毂轴302与辊子301转轴呈45°角。麦克纳姆轮3一般是四个一组使用，两个左旋轮，两个右旋轮。左旋轮和右旋轮呈手性对称，采了O-长方形的安装形式。其中O表示的是与四个麦克纳姆轮3地面接触的辊子301所形成的图形；长方形指的是四个麦克纳姆轮3与地面接触点所围成的形状。麦克纳姆轮3有着互为镜像关系的AB轮，如果A轮可以向斜向左前方、右后方运动，那么B轮就会向斜向右前方以及左后方移动。速度是可以正交分解的，那么A轮可以分解成轴向向左,以及垂直轴向向前的速度分量；或者轴向向右，以及垂直轴向向后的速度分量。由此，B轮的速度分量和A轮便会成为镜像关系，这样就可以使得基于麦克纳姆轮3的可伸缩轮腿式机器人进行全方位移动。
进一步地，减速电机209、步进电机104、第一舵机201、第二舵机204、第三舵机206分别与控制单元电性连接。
参看图1-6，该机器人有两种不同的运行形态，第一种是在轮式机器人的运行状态下，首先机器人会依据实时情况调整位姿，根据实际情况所需的机器人的宽度要求，来调整机身顶部的剪叉式结构，固定在第一销钉109上的步进电机104顺时针旋转，带动丝杆105朝着相同的方向运行，此时丝杆105拉动第二销钉111固定的丝杆螺母106，使得所有的支臂103的滑动端通过销钉在滑槽中向中心进行移动，从而达到机器人两侧的横梁101向内侧进行收缩，实现机器人在宽度方面的变窄；当第一销钉109上的步进电机104逆时针旋转，带动丝杆105朝着相同的方向运行，此时丝杆105拉动第二销钉111固定的丝杆螺母106，使得所有的支臂103的滑动端通过销钉在滑槽中向两侧进行移动，从而达到机器人两侧的横梁101向外侧进行伸展，使机器人宽度增加。
在高度方面，腿部单元的第二舵机204和第三舵机206顺时针转动，使得第一腿轴205和第二腿轴208之间的夹角减小，从而降低机器人的高度；第二舵机204和第三舵机206逆时针转动，使得第一腿轴205和第二腿轴208之间的夹角增大，从而增加机器人的高度。
当调整好机器人的位姿以后，除了横梁101上的第一舵机201正常工作，来对方向进行调整外，第二舵机204和第三舵机206、步进电机104全部锁死，减速电机209工作，通过轮毂轴302和减速电机209相连的麦克纳姆轮3工作，由于麦克纳姆轮3的轮毂轴302与辊子301转轴呈45°角，四个麦克纳姆轮3采用O-长方形组合使用，当四个麦克纳姆轮3都向前方转动的时候，AB轮可以相互抵消掉轴向的速度，这样就只剩下向前的速度了，机器人就可以前进不会跑偏。后退也是同样的道理，如果当A轮正转,而B轮反转的时候，向前以及向后的速度便会抵消，只会剩下向左的速度，这样机器人便会向左平移；相反，如果A轮反转，B轮进行正转，那么机器人便会向右平移；机器人左侧的车轮正转，右侧的车轮反转，就可以实现机器人向右的旋转方式，反之，机器人就能够向左旋转。基于麦克纳姆轮3技术的全方位运动设备可以实现前行、横移、斜行、旋转及其组合等运动方式，从而使得基于麦克纳姆轮3的可伸缩轮腿式机器人可以全方位移动。
第二种是在不好的路况下或跨越障碍时，此时步进电机104和减速电机209锁死，四组腿部单元顶部的第一舵机201工作，从而使得腿部单元相对横梁101可以横向摆动，由于第二U型架202与第三U型架203十字交叉连接，并且第三U型架203上也安装了第二舵机204，因此该位置不仅能实现横向摆动也能实现纵向摆动，类似人体的髋关节。第二舵机204与第一腿轴205的顶端连接，构成机器人的大腿，此时机器人能够完成抬腿的动作。第一腿轴205的底端连接第三舵机206，类似人体的膝关节，从而可以实现第一腿轴205和第二腿轴208都可以进行纵向摆动，从而完成跨越的动作，使得麦克纳姆轮3着地完成跨越，通过障碍。
上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式。即使对本发明做出各种变化，倘若这些变化属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则仍落入在本发明的保护范围之中。
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