本發(fā)明屬于先進制造與自動化技術(shù)領(lǐng)域，具體說是一種適用于復(fù)雜環(huán)境的換向系統(tǒng)及機器人及應(yīng)用及方法。

背景技術(shù)：

目前，萬向輪的應(yīng)用頗為廣泛，可以360度自由轉(zhuǎn)動，在正常地面(即平穩(wěn)路面)上行走時可以很方便的轉(zhuǎn)向，但其在遇到障礙如臺階等則無法行駛，只能靠人工搬抬，不僅不容易操作，還耗費大量人力，大大限制了萬向輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的應(yīng)用。如何提高萬向輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在有各種障礙的復(fù)雜環(huán)境中的行駛成為亟待解決的問題。

隨著越來越多的機器人投入到野外復(fù)雜環(huán)境的工作中，如何提高其對復(fù)雜環(huán)境的適應(yīng)能力，成為衡量機器人性能的重要指標(biāo)。目前市面上的機器人大多采用輪式驅(qū)動、萬向輪轉(zhuǎn)向的移動方式，但是這種輪式移動方式在戶外運行時面臨很多的障礙，如水管、溝道、臺階等，驅(qū)動輪可以行駛過障礙，但是萬向輪往往被水管擋住，或者陷入到溝道中，所以如何使此種輪式機器人行駛過這些障礙是目前面臨的一個難題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種適用于復(fù)雜環(huán)境的換向系統(tǒng)，此系統(tǒng)通過設(shè)置電磁離合式萬向輪轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)，可以在復(fù)雜環(huán)境中輕松越過障礙，提高萬向輪的應(yīng)用環(huán)境，為使用萬向輪的機構(gòu)越過障礙提供可能。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案：

一種適用于復(fù)雜環(huán)境的換向系統(tǒng)，包括底盤，所述底盤一側(cè)設(shè)置驅(qū)動輪，底盤另一側(cè)設(shè)置萬向輪；所述萬向輪上部與電磁離合器連接，所述電磁離合器的定子和轉(zhuǎn)子之間設(shè)置定位轉(zhuǎn)動裝置，定位轉(zhuǎn)動裝置在電磁離合器通電時使轉(zhuǎn)子自動轉(zhuǎn)動至設(shè)定位置。萬向輪與電磁離合器配合，在正常路面行駛時，電磁離合器斷電，萬向輪自由轉(zhuǎn)動；當(dāng)遇到障礙時，電磁離合器通電，轉(zhuǎn)子和定子吸合，同時定位轉(zhuǎn)動裝置使轉(zhuǎn)子自動轉(zhuǎn)動至設(shè)定位置，萬向輪隨之轉(zhuǎn)向，不會被障礙擋住，使底盤可以順利通過障礙。

所述定位轉(zhuǎn)動裝置包括設(shè)置于定子下端部的至少一個定向滑道，所述轉(zhuǎn)子上端部設(shè)有與定向滑道配合的至少一個定位滾珠，所述定向滑道在至少一個設(shè)定位置設(shè)有限位槽，定位滾珠在定子和轉(zhuǎn)子吸合時自動轉(zhuǎn)動至限位槽完成定位。通過設(shè)置定向滑道和定位滾珠，在電磁離合器通電時定位滾珠可沿定向滑道轉(zhuǎn)動至限位槽內(nèi)，輕松完成萬向輪的定位，使萬向輪不能再發(fā)生轉(zhuǎn)動，只能定向行駛。

所述定向滑道沿定子下端面以圓弧形設(shè)置，圓弧形定向滑道的圓心與定子圓心同心；方便定位滾珠沿其滑動，萬向輪可以轉(zhuǎn)動至設(shè)定位置，將其圓心與定子圓心同心設(shè)置，保證轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動過程不會發(fā)生偏差。

優(yōu)選的，所述定向滑道傾斜設(shè)置，定向滑道于限位槽處位置最高；定向滑道傾斜設(shè)置，在定子和轉(zhuǎn)子的吸合力下，定位滾珠可沿其輕松的滑入限位槽。

優(yōu)選的，所述底盤設(shè)置驅(qū)動輪的一側(cè)還安裝有障礙物識別裝置，所述障礙物識別裝置與控制器連接，控制器與電磁離合器連接；可以采用但不限于超聲識別、雙目識別等。設(shè)置障礙物識別裝置，可以提前識別換向系統(tǒng)前方的障礙物，輔助電磁離合器提前做好跨越障礙的準(zhǔn)備，可自動控制萬向輪快速方便的越過障礙。

所述萬向輪通過連接件與轉(zhuǎn)子固定連接，所述驅(qū)動輪與動力裝置連接；萬向輪與轉(zhuǎn)子固定，電磁離合器通電轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時會帶動萬向輪轉(zhuǎn)動至設(shè)定位置；由動力裝置帶動驅(qū)動輪行走。

所述定子上部與彈簧片固定連接，所述定子內(nèi)部設(shè)置磁性線圈；設(shè)置磁性線圈和彈簧片結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)電磁離合器轉(zhuǎn)子和定子的離合。

本發(fā)明還提供一種機器人，包括上文所述的換向系統(tǒng)。該換向系統(tǒng)具有在復(fù)雜環(huán)境下使機器人底盤順利通過障礙的功能，在保證機器人結(jié)構(gòu)緊湊的前提下，提高了其應(yīng)對復(fù)雜環(huán)境的能力。

本發(fā)明還提供一種適用于復(fù)雜環(huán)境的換向系統(tǒng)在推車或輪椅上的應(yīng)用。

本發(fā)明還提供一種適用于復(fù)雜環(huán)境的機器人換向系統(tǒng)的工作方法，包括以下步驟：

當(dāng)?shù)妆P在正常路面行駛時，電磁離合器斷電，萬向輪自由轉(zhuǎn)動，驅(qū)動輪帶動底盤行走并利用差速進行轉(zhuǎn)向；

當(dāng)?shù)妆P行駛遇到障礙時，電磁離合器通電，定位轉(zhuǎn)動裝置使轉(zhuǎn)子自動轉(zhuǎn)動至設(shè)定位置，并保持在該設(shè)定位置，萬向輪與驅(qū)動輪相平行，從而底盤順利通過障礙。

本發(fā)明的有益效果為：

本發(fā)明換向系統(tǒng)的定位轉(zhuǎn)動裝置結(jié)構(gòu)簡單、構(gòu)思巧妙，性能牢固可靠，可以在遇到障礙時調(diào)整萬向輪的行駛方向，保證該系統(tǒng)可以順利通過障礙。

本發(fā)明采用的萬向輪可以采用市面上標(biāo)準(zhǔn)的萬向輪產(chǎn)品，互換性好，可應(yīng)用范圍廣。

本發(fā)明換向系統(tǒng)在正常路面行駛時靠驅(qū)動輪帶動行走，電磁離合器斷電，萬向輪自由轉(zhuǎn)動，行駛過程不會受到過多限制，通行更加順暢。

本發(fā)明的換向系統(tǒng)控制方法簡單，在電磁離合器通電時定位轉(zhuǎn)動裝置使轉(zhuǎn)子自動轉(zhuǎn)動至設(shè)定位置，無需增加轉(zhuǎn)向電機等結(jié)構(gòu)，避免了增加轉(zhuǎn)向電機后一系列的判斷方向的問題，實用性強。

附圖說明

圖1為本發(fā)明換向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為萬向輪與電磁離合器的組合結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為定位轉(zhuǎn)動裝置導(dǎo)向原理示意圖；

圖4為定位滾珠受力分析及移動原理圖；

圖5為定位滾珠進入限位槽后的示意圖；

圖中，1萬向輪，2平鍵，3轉(zhuǎn)子安裝座，4軸承，5轉(zhuǎn)子，6定子，7彈簧片，8彈簧片安裝座，9限位槽，10定位滾珠，11定向滑道，12左驅(qū)動輪，13右驅(qū)動輪，14底盤，15左萬向輪，16右萬向輪，17電磁離合器，18障礙物識別裝置。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進一步說明。

實施例1：

如圖1所示，適用于復(fù)雜環(huán)境的換向系統(tǒng)，主要包括底盤14、左驅(qū)動輪12、右驅(qū)動輪13、電磁離合器17、左萬向輪15及右萬向輪16、障礙物識別裝置18等部分。左驅(qū)動輪12、右驅(qū)動輪13由驅(qū)動電機控制，安裝在底盤14上；左萬向輪15及右萬向輪16分別與一個電磁離合器17組合在一起，然后安裝在底盤14上。底盤14前方設(shè)置障礙物識別裝置18，可以采用但不限于超聲識別、雙目識別等，具體可以采用紅外傳感器，或者超聲波傳感器，或者激光傳感器等。

如圖2所示，電磁離合器包括轉(zhuǎn)子安裝座3、軸承4、轉(zhuǎn)子5、定子6、彈簧片7、彈簧片安裝座8。

萬向輪1(該圖中萬向輪1即圖1中的左萬向輪15或右萬向輪16)通過平鍵2與轉(zhuǎn)子5連接，軸承4套合在轉(zhuǎn)子安裝座3內(nèi)，轉(zhuǎn)子5套合在軸承4內(nèi)，如此，萬向輪1可以與轉(zhuǎn)子5一起在軸承4的配合下，在轉(zhuǎn)子安裝座3內(nèi)轉(zhuǎn)動。

彈簧片7內(nèi)圈通過螺釘與定子6固定在一起，彈簧片7外圈通過螺釘與彈簧片安裝座8固定在一起。定子6內(nèi)部設(shè)置磁性線圈；設(shè)置磁性線圈和彈簧片結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)電磁離合器轉(zhuǎn)子和定子的離合。

電磁離合器的定子6和轉(zhuǎn)子5之間設(shè)置定位轉(zhuǎn)動裝置，定位轉(zhuǎn)動裝置在電磁離合器通電時使轉(zhuǎn)子自動轉(zhuǎn)動至設(shè)定位置。

如圖3所示，定位轉(zhuǎn)動裝置包括設(shè)置于定子6下端部的2條定向滑道11，轉(zhuǎn)子5上端部設(shè)有與定向滑道11配合的2個定位滾珠10，定向滑道11在設(shè)定位置設(shè)有限位槽9，定位滾珠10在定子6和轉(zhuǎn)子5吸合時自動轉(zhuǎn)動至限位槽9完成定位。通過設(shè)置定向滑道11和定位滾珠10，在電磁離合器通電時定位滾珠10可沿定向滑道11轉(zhuǎn)動至限位槽9內(nèi)，輕松完成萬向輪的定位，使萬向輪不能再發(fā)生轉(zhuǎn)動，只能定向行駛。

定子6上的定向滑道11也可以設(shè)置1條或3條等，相應(yīng)的轉(zhuǎn)子上的定位滾珠10設(shè)置1個或3個，限位槽9也設(shè)置1個或3個，定位滑道11、定位滾珠10、限位槽9的數(shù)量是相對應(yīng)的，每一個定位滾珠10對應(yīng)一個定向滑道11、一個限位槽9，定位滾珠10沿定向滑道11滑動至限位槽9處即完成萬向輪的定位。

定向滑道11沿定子6下端面以圓弧形設(shè)置，圓弧形定向滑道11的圓心與定子6圓心同心；方便定位滾珠沿其滑動，萬向輪可以轉(zhuǎn)動至設(shè)定位置，將其圓心與定子圓心同心設(shè)置，保證轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動過程不會發(fā)生偏差。

定向滑道11傾斜設(shè)置，定向滑道11于限位槽9處位置最高；定向滑道11傾斜設(shè)置，在定子6和轉(zhuǎn)子5的吸合力下，定位滾珠10可沿其輕松的滑入限位槽9。

如圖4-圖5所示，當(dāng)電磁離合器不通電時，定子6在彈簧片7的支撐下，與轉(zhuǎn)子5保持一定距離，此時定位滾珠10不與定向滑道11接觸，轉(zhuǎn)子5可以保持任意角度的轉(zhuǎn)動；

當(dāng)電磁離合器通電時，定子6在磁力的作用下，將向下移動，定位滾珠10開始接觸定向滑道11，并在磁力的作用下，沿定向滑道11從高向低移動到限位槽9中，在進入到限位槽9中后，在限位槽9的作用下，定位滾珠10將無法移動，則轉(zhuǎn)子5將無法轉(zhuǎn)動，萬向輪只能沿當(dāng)前方向行駛，直至電磁離合器斷電，彈簧片7將定子6拔起來為止。

本發(fā)明主要部件都由硬鋁制作，在保證結(jié)構(gòu)強度的前提下，極大的降低了整體重量，提高了續(xù)航能力。

實施例2：

一種機器人，包括實施例1的換向系統(tǒng)。該換向系統(tǒng)具有在復(fù)雜環(huán)境下使機器人底盤順利通過障礙的功能，在保證機器人結(jié)構(gòu)緊湊的前提下，提高了其應(yīng)對復(fù)雜環(huán)境的能力。本發(fā)明的換向系統(tǒng)實用性高，可廣泛應(yīng)用在戶外機器人移動底盤上。

實施例3：

實施例1的適用于復(fù)雜環(huán)境的換向系統(tǒng)在推車或輪椅上的應(yīng)用。

實施例4：

實施例1的適用于復(fù)雜環(huán)境的機器人換向系統(tǒng)的工作方法，包括以下步驟：

當(dāng)?shù)妆P14行駛在正常路面時，電磁離合器斷電，萬向輪可以自由轉(zhuǎn)動，系統(tǒng)靠左右驅(qū)動輪驅(qū)動行駛且通過左右驅(qū)動輪的差速來轉(zhuǎn)向；

當(dāng)?shù)妆P14遇到障礙時，如水管、溝道及臺階、路沿時，電磁離合器通電，電磁離合器的轉(zhuǎn)子5在定向滑道11的導(dǎo)向下，使轉(zhuǎn)子5轉(zhuǎn)回初始0°的位置，轉(zhuǎn)子5的定向滾珠10卡入到定子6的限位槽9中，使萬向輪保持在0°方向的位置上(0°的位置即為萬向輪與驅(qū)動輪平行，該實施例中為了越過障礙，所以將其轉(zhuǎn)回位置設(shè)定為萬向輪與驅(qū)動輪平行的位置，為實現(xiàn)其他目的，需要將萬向輪轉(zhuǎn)動至其他方向時，可將限位槽9的位置設(shè)定在任意方向)。萬向輪固定后，左右驅(qū)動輪在跨過水管、溝道、臺階等障礙時，萬向輪就不會被這些障礙擋住，從而使機器人底盤順利通過障礙，不會發(fā)生萬向輪因隨意轉(zhuǎn)動而被障礙擋住的情況。

上述雖然結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施方式進行了描述，但并非對本發(fā)明保護范圍的限制，所屬領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該明白，在本發(fā)明的技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，本領(lǐng)域技術(shù)人員不需要付出創(chuàng)造性勞動即可做出的各種修改或變形仍在本發(fā)明的保護范圍以內(nèi)。