CN102038586B

CN102038586B - 一种用于电动轮椅的全向移动装置

Info

Publication number: CN102038586B
Application number: CN 201110023287
Authority: CN
Inventors: 陈殿生; 赵宸; 范庆麟; 王田苗
Original assignee: Beihang University
Current assignee: Beihang University
Priority date: 2011-01-20
Filing date: 2011-01-20
Publication date: 2012-05-23
Anticipated expiration: 2031-01-20
Also published as: CN102038586A

Abstract

本发明公开一种用于电动轮椅的全向移动装置，包括驱动底盘、回转机构、支撑底盘，支撑底盘上安装有主动轮，并起到支撑的作用；驱动底盘上安装有方向锁定脚轮，回转机构用来连接支撑底盘与驱动底盘，并且使驱动底盘可沿回转机构轴向运动。本发明通过方向锁定脚轮与主动轮共同实现直线运动、曲线运动以及侧移运动三种方式。本发明的优点在于：可实现全向灵活运动，具备无回转半径下实现全方向运动的功能；负载能力强、不易打滑、可控性强、无噪音、可靠性高，生产成本低。

Description

一种用于电动轮椅的全向移动装置

技术领域

本发明涉及服务机器人领域，具体来说，是一种用于电动轮椅的全向移动装置

背景技术

国际机器人联合会(IFR)对服务机器人初步定义：服务机器人是一种半自主或全自主工作的机器人，它能完成有益于人类健康的服务工作，但不包括从事生产的设备。

随着社会文明的发展进步，保障和提高老年人以及残障人士等弱势群体的生活质量，已经越来越受到社会各界人士的普遍关注。大量研究表明，有效增强老年人以及残障人士的行动能力，不仅使得他们的日常生活变得方便，而且对他们的心理健康、自我评价、精神状态也有着深远的影响。

对于自理能力较差的老年人及残障人士，电动轮椅作为服务机器人中的一种，已经普遍应用到了老年人及残障人士的日常生活中。传统意义上的电动轮椅回转半径大，不适于室内狭小的空间运行，而安装有三个或四个麦克纳姆轮(Mecanum wheel)的电动轮椅，与传统意义上的电动轮椅相比，具有室内运行打滑严重、可控性较差、有噪音的缺点，不适合老年人和残障人士使用。因此，研制一款用于的全向移动轮椅势在必行。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供一种用于电动轮椅的全向移动装置，包括驱动底盘、回转机构、支撑底盘，回转机构上、下两端分别连接与支撑底盘与驱动底盘。

所述驱动底盘包括驱动平台、驱动电机A、驱动电机B、驱动齿轮A、驱动齿轮B、传动齿轮A、传动齿轮B、驱动轴A、驱动轴B、主动轮A、主动轮B。其中，驱动平台上表面两相对侧边处分别装有驱动电机A和驱动电机B，驱动电机A与驱动电机B的输出轴分别与驱动齿轮A、驱动齿轮B相连，驱动齿轮A、驱动齿轮B分别与传动齿轮A、传动齿轮B啮合，驱动轴A、驱动轴B的一端分别与传动齿轮A、传动齿轮B相连，另一端分别与主动轮A、主动轮B相连。

所述支撑底盘包括支撑平台和脚轮换挡机构。其中，在支撑平台的下表面上均匀布置有脚轮换挡机构。所述脚轮换挡机构包括脚轮、脚轮支座、脚轮支撑杆、六角轴、驱动齿轮、传动齿轮、舵机。脚轮支座固定连接在支撑底盘的下表面上，脚轮支撑杆为空心圆柱结构，脚轮支撑杆一端与脚轮支座相连。脚轮上连接有圆柱形直杆，直杆一端穿入到脚轮支撑杆中，并通过减震弹簧与脚轮支座相连，使直杆与脚轮支撑杆间相互配合形成圆柱副。脚轮支座的侧面上安装有舵机，舵机的输出轴与驱动齿轮相连，驱动齿轮与传动齿轮啮合，传动齿轮通过六角轴与脚轮支撑杆相连；所述脚轮为方向锁定脚轮。

所述回转机构包括支撑机构与扭矩传递机构。支撑机构包括上支撑法兰、下支撑法兰、回转环轴承；上支撑法兰和下支撑法兰之间通过回转环轴承固连；扭矩传递机构位于支撑机构内部，包括回转轴支座、回转轴、轴承盖、止推轴承、牙嵌式电磁离合器、离合器安装盘；所述回转轴外侧由下至上依次套接有回转轴支座、止推轴承、牙嵌式电磁离合器、轴承盖；所述回转轴支座与回转轴键连接，止推轴承外侧与轴承盖配合；所述牙电磁离合器与离合器安装盘固连；其中，上支撑法兰、轴承盖均与支撑底盘下表面相连，位于支撑底盘下表面中心处；下支撑法兰、轴承盖均与驱动底盘上表面相连，且位于驱动底盘上表面中心处。

通过上述结构的全乡移动装置可以实现直线运动、曲线运动以及侧移运动。

本发明的优点在于：

(1)本发明全向移动装置，可实现全向运动，可在室内灵活移动，同时克服了麦克纳姆三轮或四轮方案造成的室内运行打滑严重、可控性较差、有噪音的缺点，是一种适合于老年人和残障人士使用的服务机器人；

(1)本发明全向移动装置通过在支撑底盘上安装四个具有全锁定和中心锁定功能的脚轮以及驱动底盘上安装两个主动轮，且驱动底盘中心安装回转轴，回转轴通过电磁离合器来控制其状态，从而使轮椅具备无回转半径下实现全方向运动的功能；

(2)本发明全向移动装置采用六轮结构，不仅增强了负载能力的稳定性，而且增强了全向移动装置的负载能力；

(3)本发明全向移动装置仅采用2个驱动电机，实现了全向运动，使用传统电动轮椅控制器即能实现本轮椅的控制，不需要加入复杂的协调控制算法，从而提高了产品的可靠性，降低生产成本。

附图说明

图1为本发明全向移动装置结构爆炸图；

图2为本发明全向移动装置中驱动底盘的结构示意图；

图3为本发明全向移动装置中支撑平台的结构示意图；

图4为脚轮换挡机构的结构示意图；

图5为脚轮与脚轮支撑杆间的连接关系示意图；

图6为本发明全向移动装置中回转机构的结构示意图；

图7为本发明全向移动装置中回转机构与驱动底盘以及支撑平台间的连接关系示意图；

图8为本发明全向移动装置在实现侧移运动功能时，驱动底盘绕回转机构转动示意图；

图9为本发明全向移动装置在进行侧移运动时，脚轮与驱动底盘位置状态示意图。

图中：

1-驱动底盘 2-回转机构 3-支撑底盘 101-驱动平台

102-驱动电机A 103-驱动电机B 104-驱动齿轮A 105-驱动齿轮B

106-传动齿轮A 107-传动齿轮B 108-驱动轴A 109-驱动轴B

110-主动轮A 111-主动轮B 201-支撑机构 202-扭矩传递机构

203-上支撑法兰 204-下支撑法兰 205-回转环轴承 206-回转轴支座

207-回转轴 208-轴承盖 209-止推轴承 210-牙嵌式电磁离合器

211-离合器安装盘 301-支撑平台 302-脚轮换挡机构 303-防撞轮

304-脚轮 305-脚轮支座 306-脚轮支撑杆 307-六角轴

308-驱动齿轮C 309-传动齿轮C 310-舵机 311-减震弹簧

312-直杆

具体实施方式

下面结合附图来对本发明作出进一步说明。

本发明全向移动装置包括驱动底盘1、回转机构2、支撑底盘3，如图1所示，回转机构2上、下两端分别连接支撑底盘3与驱动底盘1。

所述驱动底盘1包括驱动平台101、驱动电机A102、驱动电机B103、驱动齿轮A104、驱动齿轮B105、传动齿轮A106、传动齿轮B107、驱动轴A108、驱动轴B109、主动轮A110、主动轮B111，如图2所示。

其中，驱动平台101为桁架结构，由此可节省材料，减少制作成本。驱动平台101上表面两相对侧边处分别装有驱动电机A102和驱动电机B103，且驱动电机A102与驱动电机B103的输出轴反向设置，并且两个输出轴位于同一水平轴上。驱动电机A102与驱动电机B103的输出轴分别与驱动齿轮A104、驱动齿轮B105相连。所述的驱动轴A108、驱动轴B109设置在驱动平台101的下表面，并且轴线均与驱动电机A102与驱动电机B103的输出轴的轴线平行，所述驱动电机A102、驱动齿轮A104、传动齿轮A106、驱动轴A108、主动轮A110分别与驱动电机B103、驱动齿轮B105、传动齿轮B107、驱动轴B108、主动轮B111的结构相同，且关于桁架的中心轴线对称。工作过程为：驱动电机A102和驱动电机B103开始工作，同时电机输出轴分别带动驱动齿轮A104和驱动齿轮B105旋转，进而分别与之啮合的传动齿轮A106和传动齿轮B 107旋转，由于主动轮A110与传动齿轮A106同轴，主动轮B111与传动齿轮B 107同轴，所以主动轮A110与主动轮B111也会同步旋转，最后实现驱动。

如图3所示，所述支撑底盘3包括支撑平台301和脚轮换挡机构302。其中，支撑平台301为桁架结构，支撑平台301的每条侧边的周向上安装有防撞轮303，用来在轮椅运动过程中撞到外界物体时，起到缓冲作用。在支撑平台301的下表面上均匀布置有脚轮换挡机构302。本实施例中支撑平台301为“田”字形框架结构，在支撑平台301的每条侧边周向上均安装有两个防撞轮303，在支撑平台301下表面每两条侧边的夹角位置上安装有脚轮换挡机构302，由此使每个脚轮换挡机构302受力均匀。所述脚轮换挡机构302包括脚轮304、脚轮支座305、脚轮支撑杆306、六角轴307、驱动齿轮C308、传动齿轮C309、舵机310，如图4所示。脚轮支座305竖直固定连接在支撑底盘3的下表面上；脚轮支撑杆306为空心圆柱结构，脚轮支撑杆306一端与脚轮支座305相连。脚轮304上连接有圆柱形直杆312，直杆312一端穿入到脚轮支撑杆306中，并通过减震弹簧311与脚轮支座305相连，使直杆312与脚轮支撑杆306间相互配合形成圆柱副，如图5所示，由此可避免在本发明全向移动装置越过障碍物时，出现过激的震荡。当脚轮304遇到障碍物时，脚轮304被顶起，减震弹簧311处于压缩状态。当脚轮304越过障碍物后，脚轮304被减震弹簧311弹回，恢复原始状态，从而实现越障的功能。脚轮支座305的侧面上安装有舵机310，舵机310的输出轴与驱动齿轮C308相连，驱动齿轮C308与传动齿轮C309啮合传动连接，传动齿轮C309通过六角轴307与脚轮支撑杆306相连。所述脚轮304为方向锁定脚轮，具有直线运动自由度和脚轮转动自由度两个自由度，可实现中心锁定以及全向锁定两种功能。其中，中心锁定即直线运动自由度和脚轮转动自由度均处于自由状态；全向锁定即直线运动自由度和脚轮转动自由度均处于锁定状态。脚轮与地面的最小垂直距离比主动轮A、主动轮B与地面的最小垂直距离高约2mm，由此防止主动轮A与主动轮B与地面打滑。工作过程为：舵机310开始工作，同时舵机310的输出轴带动驱动齿轮C308旋转，进而带动与其啮合的传动齿轮C309旋转，传动齿轮C309与六角轴307通过平键相连，传动齿轮C309带动六角轴307转动，通过六角轴的转动实现脚轮中心锁定状态和全向锁定状态的切换。

如图6所示，所述回转机构2包括支撑机构201与扭矩传递机构202。支撑机构201用来承受压力与弯矩，包括上支撑法兰203、下支撑法兰204、回转环轴承205。上支撑法兰203和下支撑法兰204之间通过回转环轴承205相连，回转环轴承205与上支撑法兰203和下支撑法兰204间通过螺栓固连。扭矩传递机构202用来传递扭矩，位于支撑机构201内部，包括回转轴支座206、回转轴207、轴承盖208、止推轴承209、牙嵌式电磁离合器210、离合器安装盘211。所述回转轴207为空心轴，回转轴207外侧由下至上依次套接有回转轴支座206、止推轴承209、牙嵌式电磁离合器210、轴承盖208。所述回转轴支座206与回转轴207键连接，止推轴承209外侧与轴承盖208配合，通过轴承盖208使止推轴承209、牙嵌式电磁离合器210与回转轴底盘206间实现相对定位。所述牙嵌式电磁离合器210通过螺栓与离合器安装盘211固连。其中，上支撑法兰203、轴承盖208均与支撑底盘3下表面相连，位于支撑底盘3下表面中心处；下支撑法兰204、轴承盖208均与驱动底盘1上表面相连，且位于驱动底盘1上表面中心处，如图7所示。

本发明工作时，包括直线运动、曲线运动和侧移运动三种情况：

直线运动时，牙嵌式电磁离合器210处于吸合状态，从而使驱动底盘1、回转机构2、支撑底盘3吸合为一体。驱动每个脚轮换挡机构中的舵机310依次使驱动齿轮C308、传动齿轮C309、六角轴307转动，使脚轮304处于中心锁定状态。控制驱动电机A102和驱动电机B103等速同向转动，从而分别驱动齿轮A104、传动齿轮A106、驱动轴A108与驱动齿轮B105、传动齿轮B107、驱动轴B109等速同向转动，最终驱动主动轮A110和主动轮B111等速同向运动，从而使全向轮椅沿直线运动。

曲线运动时，牙嵌式电磁离合器210处于吸合状态，从而使驱动底盘1、回转机构2、支撑底盘3吸合为一体。驱动每个脚轮换挡机构302中的舵机310依次使各个驱动齿轮308、传动齿轮309、六角轴307转动，使脚轮304处于中心锁定状态。控制驱动电机A104和驱动电机B105等速反向转动时，分别通过驱动齿轮A104、传动齿轮A106、驱动轴A108与驱动齿轮B105、传动齿轮B107、驱动轴B109，最终驱动主动轮A110和主动轮B111等速反向转动，从而使全向轮椅进行零回转半径下的运动。当驱动电机A102和驱动电机B103同向非同速转动时，全向轮椅可以一定曲率完成转向，并通过控制驱动齿轮A104与驱动电机B105的转速，达到控制全向轮椅转向曲率和转向速率的目的。

侧移运动时，牙嵌式电磁离合器210处于释放状态，此时，驱动底盘1可绕回转机构2转动。驱动舵机310依次使驱动齿轮C308、传动齿轮C309、六角轴307转动，使脚轮304处于全锁定状态。在驱动电机A102和驱动电机B 103等速反向运动条件下，驱动底盘1绕回转机构2转动α度角，如图8所示。随后使牙嵌式电磁离合器210处于吸合状态，通过驱动舵机310控制脚轮304处于中心锁定状态，驱动电机A102和驱动电机B103等速同向转动，分别通过驱动齿轮A104、传动齿轮A106、驱动轴A108以及驱动齿轮B105、传动齿轮B106、驱动轴B109驱动主动轮A110和主动轮B111等速同向运动。由于此时脚轮304处于中心锁定状态，从而使全向底盘沿α角度进行侧移运动，如图9所示，由此可使本发明全向移动装置，在狭小的空间中可以自由的移动。

Claims

1.一种用于电动轮椅的全向移动装置，其特征在于：包括驱动底盘、回转机构、支撑底盘，回转机构上、下两端分别连接支撑底盘与驱动底盘；

所述驱动底盘包括驱动平台、驱动电机A、驱动电机B、驱动齿轮A、驱动齿轮B、传动齿轮A、传动齿轮B、驱动轴A、驱动轴B、主动轮A、主动轮B；

其中，驱动平台上表面两相对侧边处分别装有驱动电机A和驱动电机B，驱动电机A与驱动电机B的输出轴分别与驱动齿轮A、驱动齿轮B相连，驱动齿轮A、驱动齿轮B分别与传动齿轮A、传动齿轮B啮合，驱动轴A、驱动轴B设置在驱动平台的下表面，并且轴线均与驱动电机A与驱动电机B的输出轴的轴线平行，驱动轴A、驱动轴B的外端分别与传动齿轮A、传动齿轮B相连，传动齿轮A、传动齿轮B分别与驱动齿轮A、驱动齿轮B啮合；主动轮A与传动齿轮A同轴，并且位于驱动轴A上传动齿轮A的外侧，主动轮B与传动齿轮B同轴，并且位于驱动轴B上传动齿轮B的外侧；

所述支撑底盘包括支撑平台和脚轮换挡机构；其中，在支撑平台的下表面上均匀布置有脚轮换挡机构；所述脚轮换挡机构包括脚轮、脚轮支座、脚轮支撑杆、六角轴、驱动齿轮C、传动齿轮C和舵机；脚轮支座固定连接在支撑平台的下表面上，脚轮支撑杆为空心圆柱结构，脚轮支撑杆一端与脚轮支座相连；脚轮上连接有圆柱形直杆，直杆一端穿入到脚轮支撑杆中，并通过减震弹簧与脚轮支座相连，使直杆与脚轮支撑杆间相互配合形成圆柱副；脚轮支座的侧面上安装有舵机，舵机的输出轴与驱动齿轮C相连，驱动齿轮C与传动齿轮C啮合，传动齿轮C通过六角轴与脚轮支撑杆相连；所述脚轮为方向锁定脚轮；

所述回转机构包括支撑机构与扭矩传递机构；支撑机构包括上支撑法兰、下支撑法兰和回转环轴承；上支撑法兰和下支撑法兰之间通过回转环轴承固连；扭矩传递机构位于支撑机构内部，包括回转轴支座、回转轴、轴承盖、止推轴承、牙嵌式电磁离合器和离合器安装盘；所述回转轴外侧由下至上依次套接有回转轴支座、止推轴承、牙嵌式电磁离合器和轴承盖；所述回转轴支座与回转轴键连接，止推轴承外侧与轴承盖配合；所述牙嵌式电磁离合器与离合器安装盘固连；其中，上支撑法兰、轴承盖均与支撑底盘下表面相连，位于支撑底盘下表面中心处；下支撑法兰、轴承盖均与驱动底盘上表面相连，且位于驱动底盘上表面中心处。

2.如权利要求1所述一种用于电动轮椅的全向移动装置，其特征在于：所述驱动平台与支撑平台均为桁架结构。

3.如权利要求1所述一种用于电动轮椅的全向移动装置，其特征在于：所述驱动电机A与驱动电机B的输出轴反向设置。

4.如权利要求2所述一种用于电动轮椅的全向移动装置，其特征在于：所述驱动电机A、驱动齿轮A、传动齿轮A、驱动轴A、主动轮A分别与驱动电机B、驱动齿轮B、传动齿轮B、驱动轴B、主动轮B的结构相同，且关于桁架的中心轴线对称。

5.如权利要求1所述一种用于电动轮椅的全向移动装置，其特征在于：所述支撑平台的每条侧边的周向上安装有防撞轮。

6.如权利要求1所述一种用于电动轮椅的全向移动装置，其特征在于：所述支撑平台为“田”字形桁架结构，且支撑平台下表面每两条侧边的夹角位置上安装有脚轮换挡机构。

7.如权利要求1所述一种用于电动轮椅的全向移动装置，其特征在于：所述脚轮与地面的最小垂直距离比主动轮A、主动轮B与地面的最小垂直距离高2mm。

8.如权利要求1所述一种用于电动轮椅的全向移动装置，其特征在于：所述驱动电机A与驱动电机B的输出轴反向设置，且两个输出轴位于同一水平轴上。