[發明專利]一種自適應越障的輪式救災機器人

有效

• 申請號: 202110265335.6
• 申請日: 2021-03-11
• 公開（公告）號: CN113022730B
• 公開（公告）日: 2021-11-19
• 發明（設計）人: 李特;阮文俊;劉海波;崔文博;李旭;王永青
• 申請（專利權）人: 大連理工大學
• 主分類號: B62D57/024
• 分類號: B62D57/024;B60B19/00
• 代理公司: 大連理工大學專利中心 21200
• 代理人: 溫福雪

1.一種自適應越障的輪式救災機器人，其特征在于，該自適應越障的輪式救災機器人主要由機器人動力系統(1)、電源(2)、中心控制系統(3)、“V”型車身(4)和磁流變液輪系(5)組成；

磁流變液輪系(5)主要由磁流變液輪(51)、連接鍵(52)、輪軸(53)和輪軸帶輪(54)組成；磁流變液輪(51)通過螺栓(517)和控制倉連接件(518)與輪軸固定；輪軸(53)與磁流變液輪(51)通過連接鍵(52)連接，以用于將輪軸(53)力矩傳輸到磁流變液輪(51)；輪軸(53)中部位置的輪軸帶輪(54)通過焊接將其一體化連接在輪軸(53)上；動力系統(1)通過輪軸帶輪(54)將力矩傳輸至輪軸(53)，輪軸(53)與車身輪孔配合；

磁流變液輪(51)主要由外擋板(511)、磁流變液缸連接螺栓(512)、磁流變液缸(513)、高分子彈性體(514)、擋板夾緊固定螺母(515)、磁流變液輪中心控制倉(516)、輪軸連接螺栓(517)、控制倉連接件(518)和內擋板(519)構成；磁流變液缸(513)的基座均有連接孔，磁流變液輪中心控制倉(516)的側邊矩形面(516B)存在四個螺紋連接孔(516A)，每個磁流變液缸(513)通過磁流變液缸連接螺栓(512)連接在矩形面(516B)上，在周向布置的磁流變液缸(513)中間區域存在扇形縫隙，為了增強磁流變液輪(51)的行進穩定性，在兩磁流變液缸(513)中間安裝高分子彈性體(514)，共12個，每個高分子彈性體(514)上打有兩個安裝孔(514A)，磁流變液輪的外擋板(511)周向一體化連接兩個連接柱(511A)，共12組，連接柱(511A)末端存在螺紋，連接柱(511A)分別穿過高分子彈性體(514)的安裝孔(514A)，將周向布置的高分子彈性體(514)固定位置，磁流變液輪的內擋板(519)存在與外擋板(511)上的連接柱(511A)一一對應的連接孔(519A)，連接柱(511A)穿過連接孔(519A)后通過擋板夾緊固定螺母(515)鎖緊；控制倉連接件(518)通過輪軸連接螺栓(517)將輪軸(53)連接在磁流變液輪(51)上；

磁流變液缸(513)主要由腔內分隔套件(5131)、活塞(5132)、磁流變液(5133)、線圈(5134)、密封圈(5135)、缸體(5136)、彈簧(5137)、力傳感器(5138)和輪頂件(5139)組成；輪頂件(5139)主要由支撐臺(5139A)、連接套(5139B)和加強筋(5139C)組成；支撐臺(5139A)外表面與高分子彈性體(514)外側面構成柱形面，支撐臺(5139A)下方使用對稱布置的加強筋(5139C)，兩加強筋連接處為連接套(5139B)，連接套(5139B)內有連接螺紋，活塞(5132)末端有連接螺紋，輪頂件(5139)通過螺紋與活塞(5132)連接；缸體外部的活塞(5132)套有彈簧(5137)，彈簧(5137)上方安裝力傳感器(5138)；缸體內部為鐵磁顆粒與膠體組成的磁流變液(5133)，同時添加有分散劑和防沉劑；缸體內嵌套管型腔內分隔套件(5131)，其直徑小于缸體內腔，二者之間存在環形空隙，空隙內側安裝線圈(5134)；活塞(5132)的頭部存在對稱缺口，便于磁流變液(5133)在腔體內任意流動，活塞(5132)的頭部沿活塞桿有直徑和形狀相同的兩個環形臺，與活塞桿一體，用于增強磁流變液的固定功能；缸體內側口安裝環形密封圈(5135)；

機器人動力系統(1)主要由電機安裝螺栓(11)、電機(12)、傳動帶(13)、電機帶輪(14)和電機帶輪連接鍵(15)組成；車體底板(41)上有一凸臺，凸臺上存在四個螺紋安裝孔，電機底座安裝孔與凸臺安裝孔一一對應，通過電機安裝螺栓(11)連接固定；電機軸存在鍵槽，利用電機帶輪連接鍵(15)將電機(12)與電機帶輪(14)連接；

“V”型車身(4)主要由車體底板(41)、底板連接螺栓(42)、“V”型底梁(43)、連接架(44)、電源托臺(45)、電源托臺螺栓(46)和連接螺母(47)組成；“V”型車身(4)兩側分別對稱安裝，兩個“V”型底梁(43)并排放置，在V型車身(4)的前半部，“V”型底梁(43)下方有螺紋孔組，在連接架(44)上有同樣布置的螺紋孔，連接架(44)通過螺栓與“V”型底梁(43)相連，保持車身整體穩定性；車體底板(41)存在螺紋孔組，“V”型底梁(43)存在對應的連接孔；車體底板(41)在兩側分別對稱安裝的螺栓，為了保持車體底板(41)的穩定性，將擁有同樣布置的安裝孔的連接架(44)安裝在車體底板(41)處，在“V”型底梁(43)的中心區有一焊接的一體化橫梁，橫梁上有螺紋孔組，電源托臺(45)上有對應位置的螺紋孔組，通過連接螺栓將電源托臺(45)連接在“V”型底梁(43)的橫梁上，用于安裝機器人的供能裝置；

使用方法如下：通過磁流變液輪(51)內部磁流變液缸(513)的通電斷電，實現車輪形狀的柔性變化，在增強與地面接觸能力的同時實現自適應越障功能；首先，通過磁流變液輪(51)的形狀變化實現機器人的自適應越障能力；磁流變液輪(51)在常態時，磁流變液缸(513)內線圈通電，缸體內腔磁流變液(5133)處于不可流動狀態，活塞(5132)被鎖死固定，磁流變液缸(513)所連接的輪頂件(5139)在彈簧(5137)的作用下達到極限位置，磁流變液輪(51)的形狀為圓形，此時，磁流變液輪(51)實現在平坦地形的正常行進；磁流變液輪中心控制倉(516)內部位姿芯片標定各個缸體的相對位置，當磁流變液輪(51)前方遇到高度、坡度均較大的階梯障礙地形時，障礙物觸碰到布置于障礙物前方的磁流變液缸(513)，障礙物對于缸體的力反饋到置于彈簧(5137)下的力傳感器(5138)，當力達到一定值時，磁流變液輪中心控制倉(516)內部芯片控制觸碰到障礙物的磁流變液缸線圈(5134)斷電，此時缸體內部磁流變液(5133)處于流動性狀態，缸體活塞(5132)自由移動，鎖定狀態解除，而輪接觸地面的磁流變液缸(513)通過位置標定依舊處于鎖定狀態；輪頂件(5139)在力的作用下下沉，布置于磁流變液缸(513)之間的高分子彈性體(514)變形；輪面與障礙物傾斜垂直面之間的接觸面急劇增大，增大了磁流變液輪(51)與障礙物之間的接觸面積，增強了磁流變液輪(51)與障礙物垂直面之間的摩擦力；當磁流變液缸(513)輪頂不觸碰階梯面豎直面時，輪頂件(5139)在磁流變液缸(513)上安裝的彈簧的作用下恢復極限位置，此時控制系統控制該磁流變液缸線圈(5134)通電，缸體活塞(5132)重新被鎖定，完成對平坦地形行進的支撐；此時機器人動力系統(1)正常工作，機器人前輪沿著階梯豎直面上升，在前輪轉動的過程中，后續接觸到豎直面的磁流變液缸線圈(5134)斷電，重復上述步驟，實現磁流變液缸(513)的實時變形；

當磁流變液輪(51)即將到達階梯面頂部時，下沉輪頂件(5139)后續磁流變液缸(513)無法觸碰到階梯豎直面，此時該缸體輪頂件(5139)處于極限位置，越過階梯的棱角處，搭在上一級階梯的平面上，此時磁流變液輪(51)在該缸體輪頂件(5139)的支撐下翻越階梯障礙棱角，實現機器人的階梯式障礙越障。