一种行进装置的越障方法及应用该方法的行进装置与流程

1.本发明涉及行进装置技术领域，特别是一种行进装置的越障方法及应用该方法的行进装置。


背景技术：

2.为应对复杂的路面情况，如路面出现障碍物、台阶及沟壑等情况，现有电动轮椅、平衡车、小型无人车等移动装置一般采用三角式越障轮机构(见图1)或履带轮机构(见图2)进行越障。三角式越障轮机构能够辅助移动装置进行越障，但其结构特点导致越障过程较为颠簸，平稳性差，对移动装置的减震系统要求较高。与三角式越障轮机构相比，履带轮机构平稳性更好，但履带轮机构结构较为复杂，体积较大。且履带轮机动性较差，无法灵活转向。


技术实现要素：

3.本发明的发明目的在于：针对现有履带轮机构结构复杂、体积大且机动性差的问题，本发明提供一种行进装置的越障方法及应用该方法的行进装置，该越障方法在于遇到障碍时，行路机构进行翻转，载重机构通过沿待越障方向相对于行进装置移动预定的距离，来实现平缓越障。由于行进装置采用轮式驱动结构，因此机动性有所提高，整体体积缩小。针对现有三角式越障轮机构平稳性差的问题，本发明通过将载重机构的运动轨迹限制在直线导轨或环形导轨(椭圆形导轨及多边形导轨)内，载重机构移动至导轨端点或圆弧部附近时，行路机构进行翻转，载重机构沿直线导轨中部或环形导轨直线部移动时，将具有梯度的障碍路面转化为多段破路，提高运动的平稳性。
4.本发明采用的技术方案如下：
5.根据本发明公开的一种行进装置的越障方法，行进装置至少包括用于移动的行路机构和可相对于行进装置移动的载重机构；在行进方向上检测环境因素，当出现需要越障的环境因素时，行路机构进行翻转，载重机构通过沿待越障方向相对于行进装置移动预定的距离，来实现平缓越障。
6.本方案中主要通过行路机构翻越之后，通过载重机构相对于行路机构进行相对运动来实现越障，翻转功能可以是任意功能或组件来实现，在翻转之后，本方案将的主体移动机构，载重机构能够平稳的在行路机构上进行运动，实现平缓且高效越障，通过翻转，可以应对外界各类带越障的环境，如上阶梯、下阶梯、直接跨越障碍等情况。本方案中主体思路是依托行路机构的翻转来改变载重机构的行走路径，外界障碍的环境纷繁复杂，但是都能通过翻转来进行化解，而载重机构仅在行路机构上进行运动，可以抵御外界待越障环境的变化，实现在约到障碍时，通过行路机构进行“修路搭桥”和“变陡为缓”的作业，极大的降低了越障的难度，提升了越障时的平稳度。
7.进一步的，所述载重机构通过沿需要翻转的方向移动预定距离实现行进装置的重心偏移，行路机构在行进装置重心偏移的过程中以行路机构为支点沿待越障方向进行翻
转，行路机构与下一级接触面接触。
8.进一步的，所述载重机构支撑在行路机构上，行进装置通过行路机构支撑于地面上的驱动机构形成支撑面；行路机构至少具有两个端部；当需要翻转时，所述载重机构在两个端部之间循环移动。
9.进一步的，所述行路机构端部均设置有驱动轮，行路机构中设置有感应单元和控制单元；越障方法具体包括以下步骤：
10.a)感应单元检测行进方向上环境因素，当出现需要翻转的环境因素时；感应单元向控制单元发出翻转信号；
11.b)控制单元接收翻转信号；控制单元控制行路机构的驱动轮停止运动；
12.c)控制单元控制载重机构经行路机构的支撑端向越障端移动，在水平方向上载重机构的移动方向与行进方向一致；载重机构经由支撑端的倾覆－稳定边界点和重力平衡临界点向越障端的倾覆－稳定边界点移动，行路机构以支撑端为支点垂直翻转至下一级接触面，越障端在行进方向上翻转至支撑端前方，越障端支撑于地面上并转化为支撑端；载重机构沿待越障方向进行移动，完成越障；
13.d)重复步骤c；
14.e)感应单元检测行进方向上预定距离内的环境因素；当不出现需要翻转的环境因素时，则行进装置停止翻转。
15.进一步的，所述步骤d具体包括：
16.c1)控制单元控制载重机构向行路机构的支撑端移动，在水平方向上，载重机构的移动方向与行进方向一致；载重机构经由支撑端的倾覆－稳定边界点移动至支撑端的重力平衡临界点，行路机构以支撑端为支点垂向翻转，越障端悬空于地面；
17.c2)控制单元控制载重机构向越障端移动，在水平方向上，载重机构的移动方向与行进方向一致；载重机构由支撑端的平衡临界点向越障端的倾覆－稳定边界点移动，行路机构以支撑端为支点垂直翻转下一级接触面，支撑端和越障端均支撑于地面上，且支撑端在行进方向上位于越障端后方。
18.进一步的，所述步骤c1中，载重机构由支撑端的倾覆－稳定边界点移动至支撑端的平衡临界点，行进装置的重心投影点随载重机构移动而先超出后返回支撑面；在翻转时，行路机构具有在水平方向上沿行进方向翻转的惯性。
19.进一步的，所述步骤c2中，载重机构由支撑端的平衡临界点向越障端的倾覆－稳定边界点移动，使行进装置的重心偏移。
20.进一步的，在行进装置依靠行路机构相邻的两个端部支撑于地面上时，两个端部的所述倾覆－稳定边界点的垂直投影点均位于支撑面的边缘，两个端部的所述平衡临界点的垂直投影点位于支撑面之外；在行进装置依靠行路机构的一个端部支撑于地面上且保持平衡时，该端部的所述平衡临界点的垂直投影点位于支撑面内。
21.进一步的，所述行路机构上设置有导轨，所述载重机构沿导轨移动；所述行路机构具有两个端部，所述导轨为直线导轨或椭圆形导轨；所述行路机构的端部与直线导轨的端点或椭圆形导轨的圆弧部对应。
22.进一步的，所述行路机构上设置有导轨，所述载重机构沿导轨移动；所述行路机构具有三个或三个上的端部，所述导轨为正多边形导轨；所述行路机构的端部与正多边形导
轨的圆弧部对应，且端部与圆弧部数量相同。
23.本方案公开一种行进装置，包括载重机构、行路机构、感应单元和控制单元，载重机构、行路机构、感应单元分别与控制单元连接；所述载重机构支承在行路机构上；所述行路机构具有两个或两个以上的端部，所述端部均设置有驱动轮；所述行路机构上设置有导轨，所述载重机构支承在行路机构上，所述载重机构沿导轨在行路机构的端部之间移动，行路机构通过载重机构的移动以端部为支点沿待越障方向进行翻转。
24.进一步的，包括2组行路机构，两组行路机构之间通过连接件进行连接，行进装置通过每组行路机构翻转于垂直状态后改变载重机构在导轨之间的位置实现高度位置改变，从而实现提升载重机构高度以便越障。
25.进一步的，所述行路机构具有翻转平面，所述行路机构端部的驱动轮均在翻转平面内旋转；所述行路机构以端部为支点的在翻转平面内翻转。
26.进一步的，所述载重机构设置在行路机构内，或所述载重机构设置在两个行路机构之间；所述载重机构通过调节运动组件沿导轨移动。
27.进一步的，所述调节运动组件包括设置在载重机构内的调节驱动装置和驱动杆，所述调节驱动装置带动驱动杆旋转，所述驱动杆两端延伸出载重机构并设置有驱动齿轮，所述导轨上设置有齿条，所述驱动齿轮与齿条啮合。
28.进一步的，所述行路机构具有两个端部，所述行路机构的两个端部均设置有驱动轮，所述驱动轮通过轮毂电机驱动；所述导轨为直线导轨或椭圆形导轨，直线导轨的端点或椭圆形导轨的圆弧部与行路机构的端部对应，直线导轨端点之间的距离或椭圆形导轨的圆弧部之间的距离大于或等于驱动轮轴心之间的距离。
29.进一步的，所述行路机构具有三个或三个机上的端部，所述行路机构的端部均设置有驱动轮，所述驱动轮通过轮毂电机驱动；所述导轨为正多边形导轨，所述多边形导轨具有间隔排布的直线部和圆弧部，所述圆弧部与所述行路机构的端部对应，且圆弧部与端部数量相同；相邻两个圆弧部中点之间的距离大于相邻两个驱动轮轴心之间距离。
30.进一步的，所述载重机构上设置有倒立摆组件，通过控制算法保持行进装置在竖直方向平衡后，将载重机构沿导轨长度方向运动，实现高度位置改变，实现竖直使用。
31.综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
32.1、本方面通过在遇到障碍时，载重机构相对于行路机构沿待越障方向进行一定的距离实现高效越障。通过行径机构来的对外界环境进行翻越，载重机构始终平稳的跨越障碍。
33.2、本发明的行进装置的越障方法具体可以利用载重机构的移动使行进装置产生重心偏移，在行进装置的行进方向上，使行进装置的重心投影点位于其支撑面前方，产生重力力矩以使行路机构翻转。上述越障方法使得应用该方法的行进装置结构简单，体积较小，且可以实现越障的机械自动化。
34.4、本发明的行进装置的越障方法中，载重机构沿行路机构的直线导轨往复运动或沿环形导轨循环移动，通过行路机构翻转和载重机构爬坡的过程进行越障，尤其是在翻越台阶或楼梯时，行进装置将梯转化为坡，重心的移动较为平稳，从而使行进装置的整体运动平稳性提高。
附图说明
35.图1是三角式越障轮机构的示意图；
36.图2是履带轮机构的示意图；
37.图3是本发明实施例8中行进装置的剖视图；
38.图4是本发明实施例8中行进装置的俯视图；
39.图5－10是本发明实施例1的示意图；
40.图11是本发明实施例10中两组轮运动模式的结构示意图；
41.图12是本发明实施例10中两组轮站立模式的结构示意图；
42.图13是是本发明实施例12中行进装置平稳模式下的结构示意图；
43.图14是是本发明实施例12中行进装置普通模式下的结构示意图；
44.图15是是本发明实施例12中行进装置站立模式下的结构示意图
45.图中标记：1－载重机构；2－行路机构；3－调节运动组件；4－连接件；201－驱动轮；202－导轨；301－驱动轴；302－齿轮；303－齿条；a－支撑端；b－越障端；c－倾覆－稳定边界点；d－平衡临界点。
具体实施方式
46.下面结合附图，对本发明作详细的说明。
47.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
48.实施例1
49.本实施例以重心移动来实现翻转为例；也可以以其他方式来实现翻转，本方案不具体进行限定。
50.一种行进装置的越障方法，如图5所示，行进装置至少包括用于移动的行路机构2和用于承重和重心调节的载重机构1；行路机构2检测行进方向上的环境因素，当出现需要翻转的环境因素时，载重机构1通过沿需要翻转的方向移动预定距离实现行进装置的重心偏移，行路机构2在行进装置重心偏移的过程中以行路机构2为支点被动的垂向翻转，行路机构2与下一级接触面接触，使载重机构1行径路线成斜向坡面，最终使行进装置单次或连续翻转过障碍环境。
51.所述载重机构1支撑在行路机构2上，行进装置通过行路机构2支撑于地面上的驱动机构形成支撑面，行进装置的重心线始终穿过所述载重机构1；行路机构2至少具有两个端部；当需要翻转时，载重机构1在两端部之间循环移动，使行进装置的重心投影点反复超出并返回支撑面。
52.本方案中所述的环境因素为：前方是否有障碍物，或者前方是否有凹陷，或者前方是否有需要跨越的障碍，即能够实现上阶梯、下阶梯作和跨越作业。
53.本实施例中，行路机构2端部均设置有驱动轮201；越障方法具体包括以下步骤：
54.a)如图5所示，感应单元检测到行进方向上预定距离内出现障碍物；
55.b)感应单元向控制单元发出翻转信号，控制单元接收翻转信号；控制单元控制行路机构2的驱动轮201停止运动；
56.c)如图6－8所示，控制单元控制载重机构1经行路机构2的支撑端向越障端移动，在水平方向上载重机构1的移动方向与行进方向一致；载重机构1经由支撑端的倾覆－稳定边界点和重力平衡临界点向越障端的倾覆－稳定边界点移动，行路机构2以支撑端为支点被动的垂直翻转预定角度，越障端在行进方向上翻转至支撑端前方，越障端支撑于地面上并转化为支撑端；
57.d)如图9－10所示，重复步骤c；
58.e)感应单元检测行进方向上预定距离的环境因素；当不出现需要翻转的环境因素时，则行进装置停止翻转。
59.本实施例中，步骤d具体包括：
60.c1)控制单元控制载重机构1向行路机构2的支撑端移动，在水平方向上，载重机构1的移动方向与行进方向一致；载重机构1经由支撑端的倾覆－稳定边界点移动至支撑端的重力平衡临界点，行路机构2以支撑端a为支点被动的垂向翻转，越障端悬空于地面，见图7；
61.c2)控制单元控制载重机构1向越障端移动，在水平方向上，载重机构1的移动方向与行进方向一致；载重机构1由支撑端的平衡临界点向越障端的倾覆－稳定边界点移动，行路机构2以支撑端为支点被动的垂直翻转，支撑端和越障端均支撑于地面上，且支撑端在行进方向上位于越障端后方，见图8。
62.本实施例中，步骤c1中，载重机构1由支撑端的倾覆－稳定边界点移动至支撑端的平衡临界点，行进装置的重心投影点随载重机构1移动而先超出后返回支撑面；在翻转时，行路机构2具有在水平方向上沿行进方向翻转的惯性。
63.本实施例中，步骤c2中，载重机构1由支撑端a的平衡临界点d向越障端的倾覆－稳定边界点c移动，行进装置的重心投影点随载重机构1移动而先超出后返回支撑面。
64.本实施例中，在行进装置依靠行路机构2相邻的两个端部支撑于地面上时，两个端部的倾覆－稳定边界点的垂直投影点均位于支撑面的边缘，两个端部的平衡临界点的垂直投影点位于支撑面之外；在行进装置依靠行路机构2的一个端部支撑于地面上且保持平衡时，该端部的平衡临界点的垂直投影点位于支撑面内。
65.本实施例中，行路机构2上设置有导轨203，载重机构1沿导轨203移动；行路机构2具有两个端部，导轨203为直线导轨203或椭圆形导轨203；行路机构2的端部与直线导轨203的端点或椭圆形导轨203的圆弧部对应。
66.实施例2
67.实施例与实施例1基本相同，其区别在于：
68.越障方法具体包括以下步骤：
69.a)感应单元检测到行进方向上预定距离内出现凹陷；
70.b)感应单元向控制单元发出翻转信号，控制单元接收翻转信号；控制单元控制行路机构2的驱动轮201停止运动；
71.c)控制单元控制载重机构1经行路机构2的支撑端向越障端移动，在水平方向上载重机构1的移动方向与行进方向一致；载重机构1经由支撑端的倾覆－稳定边界点和重力平衡临界点向越障端的倾覆－稳定边界点移动，行路机构2以支撑端为支点被动的垂直翻转预定角度，越障端在行进方向上翻转至支撑端前方，越障端支撑于地面上并转化为支撑端；
72.d)重复步骤c；
73.e)感应单元检测行进方向上预定距离的环境因素；当不出现需要翻转的环境因素时，则行进装置停止翻转。
74.实施例3
75.实施例与实施例1基本相同，其区别在于：
76.越障方法具体包括以下步骤：
77.a)感应单元检测到行进方向上预定距离内出现待跨越的沟渠；
78.b)感应单元向控制单元发出翻转信号，控制单元接收翻转信号；控制单元控制行路机构2的驱动轮201停止运动；
79.c)控制单元控制载重机构1经行路机构2的支撑端向越障端移动，在水平方向上载重机构1的移动方向与行进方向一致；载重机构1经由支撑端的倾覆－稳定边界点和重力平衡临界点向越障端的倾覆－稳定边界点移动，行路机构2以支撑端为支点被动的垂直翻转预定角度，越障端在行进方向上翻转至支撑端前方，越障端支撑于地面上并转化为支撑端；
80.d)重复步骤c；
81.e)感应单元检测行进方向上预定距离的环境因素；当不出现需要翻转的环境因素时，则行进装置停止翻转。
82.实施例4
83.实施例4与实施例1或2或3基本相同，区别在于：
84.行路机构2具有三个或三个上的端部，导轨203为正多边形导轨203；行路机构2的端部与正多边形导轨203的圆弧部对应，且端部与圆弧部数量相同。
85.实施例5
86.一种行进装置，包括载重机构1、行路机构2、感应单元和控制单元，载重机构1、行路机构2、感应单元分别与控制单元连接；载重机构1支承在行路机构2上；行路机构2具有两个或两个以上的端部，端部均设置有驱动轮201；行路机构2上设置有导轨203，载重机构1支承在行路机构2上，载重机构1沿导轨203在行路机构2的端部之间移动，行进装置的重心线始终穿过载重机构1，行路机构2通过载重机构1的移动以端部为支点被动的垂向翻转。
87.本实施例中，行路机构2具有翻转平面，行路机构2端部的驱动轮201均在翻转平面内旋转；行路机构2以端部为支点被动的在翻转平面内翻转。
88.实施例6
89.在实施例5的基础上，进一步的，行进装置设置有一个行路机构2，载重机构1设置在行路机构2内；载重机构1通过调节运动组件3沿导轨203移动。
90.实施例7
91.在实施例5的基础上，进一步的，行进装置设置有两个行路机构2，载重机构1设置在两个行路机构2之间；载重机构1通过调节运动组件3沿导轨203移动。
92.实施例8
93.在实施例6或7的基础上，进一步的，调节运动组件3包括设置在载重机构1内的调节驱动装置和驱动杆，调节驱动装置带动驱动杆旋转，驱动杆两端延伸出载重机构1并设置有驱动齿轮302，导轨203上设置有齿条303，驱动齿轮302与齿条303啮合。
94.实施例9
95.在实施例6－7之一的基础上，进一步的，行路机构2具有两个端部，行路机构2的两
个端部均设置有驱动轮201，驱动轮201通过轮毂电机驱动；导轨203为直线导轨203，直线导轨203的端点与行路机构2的端部对应，直线导轨203端点之间的距离大于驱动轮201轴心之间的距离。
96.实施例10
97.在实施例5－6之一的基础上，进一步的，如图3－4所示，行路机构2具有两个端部，行路机构2的两个端部均设置有驱动轮201，驱动轮201通过轮毂电机驱动；导轨203为椭圆形导轨203，椭圆形导轨203的圆弧部与行路机构2的端部对应，椭圆形导轨203的圆弧部之间的距离大于驱动轮201轴心之间的距离。
98.实施例11
99.在实施例5－6之一的基础上，进一步的，行路机构2具有三个或三个机上的端部，行路机构2的端部均设置有驱动轮201，驱动轮201通过轮毂电机驱动；导轨203为正多边形导轨203，多边形导轨203具有间隔排布的直线部和圆弧部，圆弧部与行路机构2的端部对应，且圆弧部与端部数量相同；相邻两个圆弧部中点之间的距离大于相邻两个驱动轮201轴心之间距离。
100.实施例12
101.在实施例5的基础上，如图13～15所示，本行进装置可以包括2组行路机构，两组行路机构之间通过连接件4进行间接连接，具体的，2个载重机构通过连接件直接连接。行进装置通过每组行路机构翻转于垂直状态后改变载重机构在导轨之间的位置实现高度位置改变，从而实现越障；
102.即每组行路机构均包括两个或两个以上的端部，所述端部均设置有驱动轮；所述行路机构上设置有导轨；使之形成前后各4个驱动轮的行进装置，当前端部或后端部的行路机构遇到需要较小障碍时，可以通过改变行进装置的高度位置来实现，即前端行路机构和后端行路机构在需要升降越障时，行路机构中的其中一个驱动轮进行锁定，然后另一个驱动翻转到垂直状态，载重机构沿导轨在垂直方向进行移动，实现行进装置高度位置的改变，从而将障碍物在行进装置底部进行跨越，实现越障。
103.同时在2组行路机构的情况，本方案可实现3种状态的切换：
104.普通模式：在该模式下，每组行路机构的驱动轮中的其中一个驱动轮与地面接触，连接件在两载重机构之间连接，在路面进行运动，如图14所示；
105.平稳模式：在该模式下，每组行路机构的驱动轮中的每一个驱动轮与地面接触，连接件在两载重机构之间连接，在路面进行运动，如图13所示；
106.站立模式：在该模式下，每组行路机构的驱动轮中的其中一个驱动轮与地面接触，连接件在两载重机构之间连接，连接件可以沿每组驱动机构的竖直方向运动，使连接件的高度位置变化，实现越障如图15所示。
107.实施例13
108.在实施例5的基础上，所述载重机构中设置有倒立摆组件，通过倒立摆组件保持竖直方向平衡后，将载重机构沿导轨长度方向运动，实现高度位置改变，实现竖直使用，即行路机构包括两个或两个以上的端部，所述端部均设置有驱动轮；所述行路机构上设置有导轨；
109.在进行竖直使用时，行路机构翻转到垂直状态，通过倒立摆组件进行平衡控制，在
保持平衡的状态下，将载重机构沿导轨的长度方向运动，实现行进装置的垂直使用，使用于不同的使用环境。
110.本实施例中所述的倒立摆组件为二级倒立摆，二级倒立摆为现有技术中常见的部件，
111.倒立摆的具体控制方法为：倒立摆系统的输入为小车的位移(即位置)和摆杆的倾斜角度期望值，计算机在每一个采样周期中采集来自传感器的小车与摆杆的实际位置信号，与期望值进行比较后，通过控制算法得到控制量，再经数模转换驱动组件实现倒立摆的实时控制。驱动组件通过带动小车在固定的轨道上运动，摆杆的一端安装在小车上，能以此点为轴心使摆杆能在垂直的平面上自由地摆动。作用力f平行于铁轨的方向作用于小车，使杆绕小车上的轴在竖直平面内旋转，小车沿着水平铁轨运动。当没有作用力时，摆杆处于垂直的稳定的平衡位置(竖直向下)。为了使杆子摆动或者达到竖直向上的稳定，需要给小车一个控制力，使其在轨道上被往前或朝后拉动。
112.以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。