CN101117086A - 一种机器人车体悬挂系统 - Google Patents
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Abstract
本发明一种机器人车体悬挂系统，涉及移动机器人机构设计领域。机器人车体悬挂系统由驱动组件、车架底板组件、减震板组件组成，采用分层、二级减震机构；在第一层中安装有左电动机、右电动机、左驱动轮、右驱动轮；在第二层上安装有前后随动轮；第一层和第二层之间由压缩弹簧组弹性连接；前后随动轮可以整体绕前后旋转轴对做旋转运动，并通过一根拉伸弹簧进行连接；驱动组件中左驱动轮、右驱动轮分别采用单独电机驱动；车架底板组件中的弹簧下套筒螺栓组均分四组，每组4个螺栓；减震板组件中的弹簧上套筒螺栓组均分四组，每组4个螺栓。该机构具有良好的车体减震性能，延长了元器件的使用寿命。该发明机构简单、性能可靠。
Description
技术领域
本发明一种机器人车体悬挂系统，涉及移动机器人机构设计领域。
背景技术
采用两轮差速驱动机构的轮式移动机器人一般由两个驱动轮和一个随动轮组成，这种机构的缺点是对地面的适应能力较差，车体对称性差。如果采用左右驱动轮和前后随动轮的机构，就会使该性能得到显著改善，但是带来的问题就是四轮的高度定位问题，如果高度不一致，那么在水平面运行时就会有轮子悬空，造成车体不稳，如果高度一致，那么在不平的路面上运行也会有轮子悬空，造成操作失控，算法失效。汽车常采用悬挂系统，作用是将车轮所受的各种力和力矩传递给车架和车身，并能吸收、缓和路面传来的振动和冲击，减少车体噪声，保持良好的操作性和平稳性。另外，悬挂系统能配合车体的运动产生适当的反应，当汽车在不同路况作加速、制动、转向等运动时，能提供足够的安全性，保证操纵不失控。这种悬挂系统由于机构的复杂性很少在机器人上应用。
发明内容
本发明解决的技术问题：该发明一种机器人车体悬挂系统采用分层、二级减震机构，解决了轮胎与路面随时贴合问题，并使车轮保持适当的角度，从而使机器人的动力性能、转向性能以及稳定性能得以充分体现；同时该机构具有良好的车体减震性能，延长了元器件的使用寿命。
本发明采用的技术方案：机器人车体悬挂系统由驱动组件、车架底板组件、减震板组件组成，采用分层、二级减震机构；在第一层中安装有左电动机、右电动机、左驱动轮、右驱动轮；在第二层上安装有前后随动轮；第一层和第二层之间由压缩弹簧组弹性连接，该连接属于第一级减震；前后随动轮可以整体绕前后旋转轴对做旋转运动，并通过一根拉伸弹簧进行连接，该连接属于第二级减震，使前后随动轮的高度自适应调整空间很大。
驱动组件中左驱动轮、右驱动轮分别采用单独电机驱动；左轴承支架由左轴承支架螺栓组、左轴承支架螺母组固定在车架底板组件中的车架底板上，左轴承支架螺栓组共2个螺栓，左轴承支架螺母组共2个螺母；右轴承支架由右轴承支架螺栓组、右轴承支架螺母组固定在车架底板组件中的车架底板上，右轴承支架螺栓组共2个螺栓，右轴承支架螺母组共2个螺母；左电动机支架安装在车体左前方，由左电动机支架螺栓组、左电动机支架螺母组固定在车架底板组件中的车架底板上，左电动机支架螺栓组共有4个螺栓，左电动机支架螺母组共有4个螺母；右电动机支架安装在车体右后方，分别由右电动机支架螺栓组、右电动机支架螺母组固定在车架底板组件中的车架底板上，右电动机支架螺栓组共有4个螺栓，左电动机支架螺母组共有4个螺母；左电动机由左电动机螺栓组固定在左电动机支架上，左电动机螺栓组共4个螺栓；右电动机由右电动机螺栓组固定在右电动机支架上，右电动机螺栓组共4个螺栓；左电动机减速装置通过键槽方式连接左电动机输出轴和左车轮轴；右电动机减速装置也通过键槽方式连接右电动机输出轴和右车轮轴；左车轮轴两端分别与左车轮轴轴承对的2个轴承内圈配合；右车轮轴两端分别与右车轮轴轴承对的2个轴承内圈配合；左车轮轴轴承对的两个轴承分别镶嵌在左轴承支架和左电动机支架上；右车轮轴轴承对的两个轴承分别镶嵌在右轴承支架和右电动机支架上；左车轮轴与左驱动轮之间为过盈配合，车轮轴螺栓组有2个螺栓，分为车体左右，其中左边的螺栓对左驱动轮径向定位；右车轮轴与右驱动轮之间为过盈配合，车轮轴螺栓组中的右边的螺栓对右驱动轮径向定位，左驱动轮和右驱动轮左右对称分布；前随动轮用前随动轮螺母固定在减震板组件中的前随动轮支撑板上；后随动轮用后随动轮螺母固定在减震板组件中的后随动轮支撑板上；前随动轮和后随动轮前后对称分布；前吊环螺栓固定在前随动轮上；后吊环螺栓固定在后随动轮上；拉伸弹簧的两端分别连接前吊环螺栓和后吊环螺栓。
车架底板组件中的弹簧下套筒螺栓组均分四组，每组4个螺栓，弹簧下套筒螺母组也均分四组，每组4个螺母，分别把第一个弹簧下套筒、第二个弹簧下套筒、第三个弹簧下套筒、第四个弹簧下套筒固定在车架底板上；车架底板组件和减震板组件之间由压缩弹簧组弹性连接，压缩弹簧组共有4个压缩弹簧，分别放在第一个弹簧上套筒和第一个弹簧下套筒、第二个弹簧上套筒和第二个弹簧下套筒、第三个弹簧上套筒和第三个弹簧下套筒、第四个弹簧上套筒和第四个弹簧下套筒形成的四个圆柱形空间里；第一个弹簧上套筒和第一个弹簧下套筒、第二个弹簧上套筒和第二个弹簧下套筒、第三个弹簧上套筒和第三个弹簧下套筒、第四个弹簧上套筒和第四个弹簧下套筒之间间隙配合；限位螺栓组共有四个螺栓，与螺栓孔之间为间隙配合；限位螺母组共有4个螺母，能够调整限位高度，限位螺栓组、限位螺母组限制了车架底板与减震板的上下方向活动空间，使其在一定范围内活动。
减震板组件中的弹簧上套筒螺栓组均分四组，每组4个螺栓，弹簧上套筒螺母组也均分四组，每组4个螺母，分别把第一个弹簧上套筒、第二个弹簧上套筒、第三个弹簧上套筒、第四个弹簧上套筒固定在减震板上；前限位挡块用前限位挡块螺栓组固定在减震板上，前限位挡块螺栓组共两个螺栓；后限位挡块用后限位挡块螺栓组固定在减震板上，后限位挡块螺栓组共两个螺栓；前随动轮支撑板轴承对镶嵌在前随动轮支撑板的两边轴承孔里，后随动轮支撑板轴承对镶嵌在后随动轮支撑板的两边轴承孔里，之间都为过渡配合；前旋转轴对与前随动轮支撑板轴承对内圈过渡配合；后旋转轴对与后随动轮支撑板轴承对内圈过渡配合；前旋转轴对由前旋转轴对螺栓组、前旋转轴对螺母组固定在减震板上，前旋转轴对螺栓组共有4个螺栓，前旋转轴对螺母组共有4个螺母；后旋转轴对由后旋转轴对螺栓组、后旋转轴对螺母组固定在减震板上，后旋转轴对螺栓组共有4个螺栓，后旋转轴对螺母组共有4个螺母。
本发明的效果：该机构环境适应能力强，在不同环境中运动，都能保证机器人四轮与地面良好贴合；在前进运动、后退运动、左转运动、右转运动相互切换时，能够体现出很好的灵活性；该机构运动平稳性好，抗侧翻能力强；由于前后随动轮可整体做旋转运动，并通过一根拉伸弹簧进行连接，因此随动轮高度自适应调整空间很大；二级减震机构的减震性能好；该发明具有机构简单、性能可靠的特点。
附图说明
附图1机器人车体悬挂系统机构轴侧图，附图2是机器人车体悬挂系统机构爆炸图，附图3是机器人车体悬挂机构仰视图，附图4是车体重心受到垂直方向的力F时车体示意图，附图5是随动轮被抬高时的车体示意图，附图6是主动轮被抬高时的车体示意图。其中：i-驱动组件；ii-车架底板组件；iii-减震板组件；1-第一个弹簧上套筒；2-限位螺栓组；3-第二个弹簧上套筒；4-第三个弹簧上套筒；5-后旋转轴对螺栓组；6-后限位挡块螺栓组；7-后随动轮螺母；8-后随动轮支撑板；9-后随动轮支撑板轴承对；10-后旋转轴对；11-后限位挡块；12-后随动轮；13-后吊环螺栓；14-弹簧下套筒螺栓组；15-第二个弹簧下套筒；16-弹簧下套筒螺母组；17-拉伸弹簧；18-第三个弹簧下套筒；19-限位螺母组；20-车架底板；21-第一个弹簧下套筒；22-车轮轴螺栓组；23-第四个弹簧下套筒；24-压缩弹簧组；25-前吊环螺栓；26-前随动轮；27-前限位挡块；28-弹簧上套筒螺栓组；29-减震板；30-前旋转轴对；31-前随动轮支撑板轴承对；32-前随动轮支撑板；33-前随动轮螺母；34-前旋转轴对螺栓组；35-前限位挡块螺栓组；36-弹簧上套筒螺母组；37-第四个弹簧上套筒；38-右驱动轮；39-右车轮轴；40-右轴承支架；41-右电动机减速装置；42-右电动机螺栓组；43-右电动机支架螺母组；44-右电动机支架螺栓组；45-右电动机支架；46-右电动机；47-后旋转轴对螺母组；48-左轴承支架螺栓组；49-左轴承支架螺母组；50-左车轮轴轴承对；51-左驱动轮；52-左车轮轴；53-左轴承支架；54-左电动机减速装置；55-左电动机螺栓组；56-左电动机支架螺母组；57-左电动机支架螺栓组；58-左电动机支架；59-左电动机；60-前旋转轴对螺母组；61-右轴承支架螺母组；62-右轴承支架螺栓组；63-右车轮轴轴承对。
具体实施方式
下面结合附图说明本发明的具体实施。该结构转弯时采用左右两轮差速、前后两轮随动的驱动方式，左右驱动轮(51)、(38)分别由左右电动机(59)、(46)单独驱动；本发明采用分层、二级减震机构，固定在前后随动轮支撑板(32)、(8)的前后随动轮(26)、(12)整体能绕前后旋转轴对(30)、(10)做旋转运动，使随动轮高度有了很大的调整空间，由于两个随动轮支撑板(32)、(8)分别由与弹簧拉伸方向相反的前后限位挡块(27)、(11)进行限位，因此，有效防止前后随动轮(26)、(12)被拉到中央；前后限位挡块(27)、(11)的安装是有技术要求的，即前后随动轮(26)、(12)同时处于限位的极限位置时，机器人的四个轮子(26)、(12)、(51)、(38)在同一水平面上；车架底板组件(ii)和减震板组件(iii)之间由压缩弹簧组(24)弹性连接，压缩弹簧组(24)共有4个压缩弹簧，压缩弹簧放置在弹簧套筒内，第一个弹簧上套筒(1)和第一个弹簧下套筒(21)、第二个弹簧上套筒(3)和第二个弹簧下套筒(15)、第三个弹簧上套筒(4)和第三个弹簧下套筒(18)、第四个弹簧上套筒(37)和第四个弹簧下套筒(23)之间间隙配合，具有竖直方向导向作用；压缩弹簧组(24)具有支撑和减震作用，同时根据路况调整驱动轮的高度；限位螺栓组(2)与螺栓孔之间为间隙配合，限位螺母组(19)能够调整限位高度，限位螺栓组(2)、限位螺母组(19)的作用是限制车架底板(20)与减震板(29)的上下方向活动空间，使其在一定范围内活动；
在附图4中，当车体重心受到垂直方向的力F时，压缩弹簧组(24)压缩，使车架底板(20)、和减震板(29)间的间距减小，前后随动轮(26)、(12)绕前后旋转轴对(30)、(10)旋转，拉伸弹簧(17)的拉伸力使前后随动轮(26)、(12)与地面很好的贴合，保证四轮同时着地，同时对减震板组件(iii)有很好的减震作用。当机器人前进过程中前随动轮(26)遇到障碍物被抬高，则后随动轮(12)由于重力作用绕后旋转轴对(10)旋转，使四轮能够与地面很好的贴合，不会把左右驱动轮(51)、(38)架高，如图5所示。当左右驱动轮(51)、(38)遇到障碍物时，由于前后限位挡块(27)、(11)的限位作用，无法通过前后随动轮(26)、(12)的旋转运动进行补偿，这时，压缩弹簧组(24)压缩，使车架底板(20)、和减震板(29)间的间距减小，使四轮同时着地，使车体稳定性增强，如附图6所示。
拉伸弹簧(17)和压缩弹簧组(24)的弹簧弹性系数和预紧力根据车体负载和运行环境进行调整，使机构性能达到最优。
Claims (1)
1.一种机器人车体悬挂系统由驱动组件(i)、车架底板组件(ii)、减震板组件(iii)组成，其特征是，采用分层、二级减震机构；在第一层中安装有左电动机(59)、右电动机(46)、左驱动轮(51)、右驱动轮(38)；在第二层上安装有前后随动轮(26)、(12)；第一层和第二层之间由压缩弹簧组(24)弹性连接，该连接属于第一级减震；前后随动轮(26)、(12)可以整体绕前后旋转轴对(30)、(10)做旋转运动，并通过一根拉伸弹簧(17)进行连接，该连接属于第二级减震，使前后随动轮(26)、(12)的高度自适应调整空间很大；
驱动组件(i)中左驱动轮(51)、右驱动轮(38)分别采用单独电机驱动；左轴承支架(53)由左轴承支架螺栓组(48)、左轴承支架螺母组(49)固定在车架底板组件(ii)中的车架底板(20)上，左轴承支架螺栓组(48)共2个螺栓，左轴承支架螺母组(49)共2个螺母；右轴承支架(40)由右轴承支架螺栓组(62)、右轴承支架螺母组(61)固定在车架底板组件(ii)中的车架底板(20)上，右轴承支架螺栓组(62)共2个螺栓，右轴承支架螺母组(61)共2个螺母；左电动机支架(58)安装在车体左前方，由左电动机支架螺栓组(57)、左电动机支架螺母组(56)固定在车架底板组件(ii)中的车架底板(20)上，左电动机支架螺栓组(57)共有4个螺栓，左电动机支架螺母组(56)共有4个螺母；右电动机支架(45)安装在车体右后方，分别由右电动机支架螺栓组(44)、右电动机支架螺母组(43)固定在车架底板组件(ii)中的车架底板(20)上，右电动机支架螺栓组(44)共有4个螺栓，左电动机支架螺母组(43)共有4个螺母；左电动机(59)由左电动机螺栓组(55)固定在左电动机支架(58)上，左电动机螺栓组(55)共4个螺栓；右电动机(46)由右电动机螺栓组(42)固定在右电动机支架(45)上，右电动机螺栓组(42)共4个螺栓；左电动机减速装置(54)通过键槽方式连接左电动机(59)输出轴和左车轮轴(52)；右电动机减速装置(41)也通过键槽方式连接右电动机(46)输出轴和右车轮轴(39)；左车轮轴(52)两端分别与左车轮轴轴承对(50)的2个轴承内圈配合；右车轮轴(39)两端分别与右车轮轴轴承对(63)的2个轴承内圈配合；左车轮轴轴承对(50)的两个轴承分别镶嵌在左轴承支架(53)和左电动机支架(58)上；右车轮轴轴承对(63)的两个轴承分别镶嵌在右轴承支架(40)和右电动机支架(45)上；左车轮轴(52)与左驱动轮(51)之间为过盈配合，车轮轴螺栓组(22)有2个螺栓，分为车体左右，其中左边的螺栓对左驱动轮(51)径向定位；右车轮轴(39)与右驱动轮(38)之间为过盈配合，车轮轴螺栓组(22)中的右边的螺栓对右驱动轮(38)径向定位，左驱动轮(51)和右驱动轮(38)左右对称分布；前随动轮(26)用前随动轮螺母(33)固定在减震板组件(iii)中的前随动轮支撑板(32)上；后随动轮(12)用后随动轮螺母(7)固定在减震板组件(iii)中的后随动轮支撑板(8)上；前随动轮(26)和后随动轮(12)前后对称分布；前吊环螺栓(25)固定在前随动轮(26)上；后吊环螺栓(13)固定在后随动轮(12)上；拉伸弹簧(17)的两端分别连接前吊环螺栓(25)和后吊环螺栓(13)；
车架底板组件(ii)中的弹簧下套筒螺栓组(14)均分四组，每组4个螺栓，弹簧下套筒螺母组(16)也均分四组，每组4个螺母，分别把第一个弹簧下套筒(21)、第二个弹簧下套筒(15)、第三个弹簧下套筒(18)、第四个弹簧下套筒(23)固定在车架底板(20)上；车架底板组件(ii)和减震板组件(iii)之间由压缩弹簧组(24)弹性连接，压缩弹簧组(24)共有4个压缩弹簧，分别放在第一个弹簧上套筒(1)和第一个弹簧下套筒(21)、第二个弹簧上套筒(3)和第二个弹簧下套筒(15)、第三个弹簧上套筒(4)和第三个弹簧下套筒(18)、第四个弹簧上套筒(37)和第四个弹簧下套筒(23)形成的四个圆柱形空间里；第一个弹簧上套筒(1)和第一个弹簧下套筒(21)、第二个弹簧上套筒(3)和第二个弹簧下套筒(15)、第三个弹簧上套筒(4)和第三个弹簧下套筒(18)、第四个弹簧上套筒(37)和第四个弹簧下套筒(23)之间间隙配合；限位螺栓组(2)共有四个螺栓，与螺栓孔之间为间隙配合；限位螺母组(19)共有4个螺母，能够调整限位高度，限位螺栓组(2)、限位螺母组(19)限制了车架底板(20)与减震板(29)的上下方向活动空间，使其在一定范围内活动；
减震板组件(iii)中的弹簧上套筒螺栓组(28)均分四组，每组4个螺栓，弹簧上套筒螺母组(36)也均分四组，每组4个螺母，分别把第一个弹簧上套筒(1)、第二个弹簧上套筒(3)、第三个弹簧上套筒(4)、第四个弹簧上套筒(37)固定在减震板(29)上；前限位挡块(27)用前限位挡块螺栓组(35)固定在减震板(29)上，前限位挡块螺栓组(35)共两个螺栓；后限位挡块(11)用后限位挡块螺栓组(6)固定在减震板(29)上，后限位挡块螺栓组(6)共两个螺栓；前随动轮支撑板轴承对(31)镶嵌在前随动轮支撑板(32)的两边轴承孔里，后随动轮支撑板轴承对(9)镶嵌在后随动轮支撑板(8)的两边轴承孔里，之间都为过渡配合；前旋转轴对(30)与前随动轮支撑板轴承对(31)内圈过渡配合；后旋转轴对(10)与后随动轮支撑板轴承对(9)内圈过渡配合；前旋转轴对(30)由前旋转轴对螺栓组(34)、前旋转轴对螺母组(60)固定在减震板(29)上，前旋转轴对螺栓组(34)共有4个螺栓，前旋转轴对螺母组(60)共有4个螺母；后旋转轴对(10)由后旋转轴对螺栓组(5)、后旋转轴对螺母组(47)固定在减震板(29)上，后旋转轴对螺栓组(5)共有4个螺栓，后旋转轴对螺母组(47)共有4个螺母。
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