CN104085266A - 一种用于四轮移动机器人底盘的悬架 - Google Patents
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Abstract
一种用于四轮移动机器人底盘的悬架，该悬架包括：至少一对弹性支撑装置及连接该弹性支撑装置的连接组件，所述弹性支撑装置包括上连杆、下连杆、第一行程限位结构、压缩弹簧，所述连接组件包括第二行程限位结构和至少一个拉伸弹簧，所述悬架安装在四轮移动机器人的车架与车桥之间，用于传递作用在车轮与车架之间的力和力扭。本发明采用的三自由度弹性并联机构可以减轻在不平扭曲路面上行驶时的车身侧倾，分散了车轮在颠簸、震动状态时对车架的冲击力的集中，并减轻车身的扭转负荷，改善四个车轮的负荷分布，提高车轮与地面的附着性和行驶平顺性。
Description
【技术领域】
本发明涉及移动机器人底盘悬架技术，特别是适用于各种轮式移动机器人可减轻底盘机架扭转负荷、能改善车轮与地面的附着性和行驶平顺性的悬架。
【背景技术】
随着物联网及机器人相关技术的发展，对轮式移动机器人的相关研究与应用已经越来越普及。由于三轮车底盘在力学原理上具有简洁牢固的三角形结构，在室内轮式移动机器人中应用较为广泛。同时，其三角形布局使得相当多一部分的质量边框落在了三角形的外面，是造成行驶稳定性差的主要原因。将传统的车悬架技术移植于室外移动机器人，取代简易的三轮车结构，成为四轮移动机器人底盘结构应用的主流。悬架是车架与车桥或车轮之间传力和力扭连接装置的总称，其作用是用来传递作用在车轮和车架之间的力和力扭，能改善路面的不平带来四个车轮支撑力的波动，使车轮与路面具有良好的附着力，并且缓冲由不平路面传给车架或车身的冲击力，并衰减由此引起的震动，以保证汽车能平顺地行驶。
目前，非独立悬架结构特点是两侧车轮由一根整体式车桥、一根横向稳定杆相连，车轮连同车桥一起通过弹性悬架悬挂在车架或车身的下面。非独立悬架具有结构简单、成本低、强度高、保养容易、行车中前轮定位变化小的优点。同时，当汽车在不平的扭曲路面上行驶时，左右两侧车轮在弹跳时产生的互相牵制，会传导到车身，使车身产生扭转负荷，并导致车轮与地面的附着性和行驶平顺性变差。
【发明内容】
本发明旨在解决上述问题而提供一种适用于各种轮式移动机器人可减轻底盘机架扭转负荷、能改善车轮与地面的附着性和行驶平顺性的悬架。
为实现上述目的，本发明提供了一种用于四轮移动机器人底盘的悬架，该用于四轮移动机器人底盘的悬架包括：至少一对弹性支撑装置及连接该弹性支撑装置的连接组件，所述弹性支撑装置包括上连杆、下连杆、第一行程限位结构及压缩弹簧，所述上连杆的上端与车架活动铰接，所述上连杆的下端与所述下连杆的内端活动铰接，所述下连杆的外端与车桥活动铰接，所述第一行程限位结构的两端分别与所述上连杆的上端及所述下连杆的外端活动铰接，所述压缩弹簧的两端分别与所述上连杆的上端及所述下连杆的外端连接，所述连接组件包括第二行程限位结构和至少一个拉伸弹簧，所述第二行程限位结构的两端分别与其中一个弹性支撑装置的下连杆的内端及另一个弹性支撑装置的下连杆的内端活动铰接，所述拉伸弹簧的两端分别与其中一个弹性支撑装置中下连杆的内端及另一个弹性支撑装置中下连杆的内端连接。
所述第一行程限位结构包括导杆及与该导杆相对应的导筒，所述导杆包括圆柱体及与该圆柱体连接的上块状体，该上块状体中部设有上圆孔，所述导筒包括圆筒体及与该圆筒体连接的下块状体，该下块状体中部设有下圆孔。
所述第一行程限位结构包括左、中、右三组导杆及与该左、中、右三组导杆相对应的左、中、右三组导筒。
所述第一行程限位结构中间一组导杆及导筒外表面套设压缩弹簧。
所述连接组件包括一对拉伸弹簧，该一对拉伸弹簧分别位于所述第二行程限位结构的两侧。
所述第二行程限位结构包括导杆、与所述导杆相对应的导筒。
所述上连杆上端与顶座活动铰接，所述顶座固定连接车架。
所述下连杆外端与底座活动铰接，所述底座固定连接车桥。
所述弹性支撑装置还包括销轴组，所述销轴组包括上销轴、下销轴及侧销轴，所述上连杆上端及第一行程限位结构上端通过所述上销轴呈活动铰接，所述下连杆外端及第一行程限位结构下端通过所述下销轴呈活动铰接，所述上连杆下端及下连杆内端通过所述侧销轴呈活动铰接，所述第二行程限位结构的两端分别与其中一个弹性支撑装置的下连杆的内端及另一个弹性支撑装置的下连杆的内端通过所述侧销轴呈活动铰接。
所述悬架安装在四轮移动机器人底盘的前轮车桥上或同时安装在前轮及后轮车桥上。
本发明一种用于四轮移动机器人底盘的悬架具有如下特点：
安装性好，悬架采用三自由度弹性并联机构，并联机构中的各个构件是通过销轴连接起来，安装方便。悬架上端及下端分别铰接顶座和底座，在顶座和底座的连接板上设有圆孔，螺栓穿过圆孔，即可将悬架固定在四轮移动机器人的车架和车桥之间。
适用性强，当四轮移动机器人行驶在不平扭曲的路面时，由于悬架具有三个运动自由度，在所设计的限位行程内，车轮能完全适应任何不平扭曲路面，对车架达到随动的目的。减轻在不平扭曲路面上行驶时的车身侧倾，分散了车轮在颠簸、震动状态时对车架的冲击力的集中，并减轻车身的扭转负荷，改善四个车轮的负荷分布，提高车轮与地面的附着性和行驶平顺性。
【附图说明】
图1是本发明的整体结构示意图。
图2是本发明的第一行程限位结构中导杆及导筒示意图。
图3是本发明安装在前车桥上的应用示意图。
图4是本发明安装在前车桥上及后车桥上的应用示意图。
【具体实施方式】
下列实施例是对本发明的进一步解释和说明，对本发明不构成任何限制。
如图1所示，本发明用于四轮移动机器人底盘的悬架为三自由度弹性并联机构。三自由度弹性并联机构的顶端固定于车架，底端固定于车桥，车架、三自由度弹性并联机构、车桥之间形成闭环结构。
如图1所示，用于四轮移动机器人底盘的悬架包括：一对弹性支撑装置1及连接该弹性支撑装置1的连接组件2，弹性支撑装置1包括上连杆11、下连杆12、第一行程限位结构13及压缩弹簧14。上连杆11、下连杆12为H型的金属连杆，上连杆11上端、下端及下连杆12内端、外端分别设有圆孔，圆孔用于连接上连杆11及下连杆12，在本实施例中，上连杆11、下连杆12选用不锈钢的金属材料。上连杆11的上端与车架活动铰接，上连杆11的下端与下连杆12的内端活动铰接，下连杆12的外端与车桥活动铰接，第一行程限位结构13的两端分别与上连杆11的上端及下连杆12的外端活动铰接，压缩弹簧14的两端分别与上连杆11的上端及所述下连杆12的外端连接。
如图1、图2所示，第一行程限位结构13直接连接于顶座16及底座17之间，其包括左、中、右三组导杆131及与该三组导杆131相配合的左、中、右三组导筒132。在中间一组导杆131及导筒132外表面套设压缩弹簧14。导杆131、导筒132采用金属材料，在本实施例中，导杆111、导筒132选用不锈钢金属材料。导杆131包括圆柱体1311及与圆柱体1311相连接的上块状体1312，该上块状体1312中部设有上圆孔13121，该上圆孔13121用于连接导杆131。导筒132包括圆筒体1321及与该圆筒体1321相连接的下块状体1322，该下块状体1322中部设有下圆孔13221，该下圆孔13221用于连接导筒132。圆筒体1321与导杆131中的圆柱体1311相对应。导杆131、导筒132及压缩弹簧14对顶座16、底座17上下移动起到限位作用，具体说，中间一组导杆131、导筒132及压缩弹簧14对顶座16及底座17间距是最大限位，位于两侧的左、右导杆131及导筒132对顶座16及底座17间距是最小限位。
如图1所示，弹性支撑装置1通过销轴组连接顶座16及底座17。销轴组包括上销轴151、下销轴152及侧销轴153。顶座16包括连接板161及与该连接板161垂直固定焊接的两块安装板162，连接板两端部设有圆孔1611，用螺栓穿过圆孔1611可以将顶座16固定连接到四轮移动机器人的车架上，两块安装板162中部开有圆孔，上销轴151穿过该圆孔，使弹性支撑装置1与顶座16铰接，顶座16采用金属材料，在本实施例中，顶座16选用铸铁材料。底座17包括连接板171及与该连接板垂直固定焊接的两块安装板172，连接板两端部设有圆孔1711，用螺栓穿过圆孔1711可以将底座17固定连接到四轮移动机器人底盘的车桥上，两块安装板172中部开有圆孔，下销轴152穿过该圆孔，使弹性支撑装置1与底座17铰接，底座17采用金属材料，在本实施例中，底座17选用铸铁材料。
如图1所示，上连杆11、下连杆12、第一行程限位结构13、顶座16、底座17通过上销轴151、下销轴152及侧销轴153铰接。上销轴151穿过顶座16安装板162圆孔、上连杆11上端圆孔及左、中、右三组导杆131上端部上圆孔13121，使顶座16、上连杆11及左、中、右三组导杆131呈活动铰接；下销轴152穿过底座17安装板172圆孔、下连杆12外端圆孔及左、中、右三组导筒132下端下圆孔13221，使底座17、下连杆12及左、中、右三组导筒132呈活动铰接；侧销轴153穿过上连杆11下端圆孔及下连杆12内端圆孔使上连杆11及下连杆12呈活动铰接。
如图1所示，连接组件2包括第二行程限位结构21和至少一个拉伸弹簧22，第二行程限位结构21的两端分别与其中一个弹性支撑装置1的下连杆12的内端及另一个弹性支撑装置1的下连杆12的内端活动铰接，拉伸弹簧22的两端分别与其中一个弹性支撑装置1中下连杆12的内端及另一个弹性支撑装置1中下连杆12的内端连接。第二行程限位结构21包括一个导杆211及一个导筒212，导杆211与导筒212相对应，导杆211及导筒212结构与第一行程限位结构13中的导杆131、导筒132结构基本相同。一对侧销轴153分别穿过导杆211及导筒212两端圆孔，使导杆211与其中一个弹性支撑装置1的下连杆12的内端呈活动铰接，使导筒212与另一个弹性支撑装置1的下连杆12的内端呈活动铰接，一对拉伸弹簧22分别位于导杆211及导筒212的两侧，拉伸弹簧22两端固定连接侧销轴153端部，用于横向传递力和力扭。
如图3所示，描述了本发明应用在四轮移动机器人底盘的前轮的场合。四轮移动机器人底盘由后轮、后桥及后驱组成的后主体与由前轮、前桥及转向机构组成的前主体。悬架即三自由度弹性并联机构的底座17的连接板171与前主体上的前轮车桥3固定连接，悬架顶座16的连接板161与前主体前轮上的车架4固定连接。
如图4所示，描述了本发明应用在四轮移动机器人底盘的前轮及后轮的场合。四轮移动机器人底盘由后轮、后桥及后驱组成的后主体与由前轮、前桥及转向机构组成的前主体。两个悬架分别固定安装在底盘的前轮及后轮上，具体说其中一个悬架底座17的连接板171与前主体上的前轮车桥3固定连接，悬架顶座16的连接板161与前主体前轮上的车架4固定连接；另一个悬架底座17的连接板171与后主体上的后轮车桥5固定连接，悬架顶座16的连接板161与后主体后轮上的车架6固定连接。
本发明的工作原理：当四轮移动机器人左转右前轮遇障碍抬高时，悬架中右侧弹性支撑装置1受到向上的压力，右侧的上连杆11及下连杆12之间角度变小，使右侧第一行程限位结构13中三组导筒132向上运动，此时压缩弹簧14受压，由于压缩弹簧14受到压力，压缩弹簧14产生反方向作用力，同时，由于右侧被抬高，连接组件2中一对拉伸弹簧22被拉伸，右侧的力和力扭传递给左侧弹性支撑装置1，分散了车轮对车架的冲击力，并减轻车身的扭转负荷，改善四个车轮的负荷分布，提高车轮与地面的附着性和行驶平顺性。
本发明安装性好，悬架采用三自由度弹性并联机构。并联机构中的各个构件是通过销轴连接起来，安装方便。悬架上端及下端分别铰接顶座和底座，在顶座和底座的连接板上设有圆孔，螺栓穿过圆孔，即可将悬架固定在四轮移动机器人的车架和车桥之间。
适用性强，当四轮移动机器人行驶在不平扭曲的路面时，由于悬架具有三个运动自由度，在所设计的限位行程内，车轮能完全适应任何不平扭曲路面，对车架达到随动的目的。减轻在不平扭曲路面上行驶时的车身侧倾，分散了车轮在颠簸、震动状态时对车架的冲击力的集中，并减轻车身的扭转负荷，改善四个车轮的负荷分布，提高车轮与地面的附着性和行驶平顺性。
尽管通过以上实施例对本发明进行了揭示，但本发明的保护范围并不局限于此，在不偏离本发明构思的条件下，对以上各构件所做的变形、替换等均将落入本发明的权利要求范围内。
Claims (10)
1.一种用于四轮移动机器人底盘的悬架，其特征在于，该悬架包括：至少一对弹性支撑装置(1)及连接该弹性支撑装置(1)的连接组件(2)，所述弹性支撑装置(1)包括上连杆(11)、下连杆(12)、第一行程限位结构(13)及压缩弹簧(14)，所述上连杆(11)的上端与车架活动铰接，所述上连杆(11)的下端与所述下连杆(12)的内端活动铰接，所述下连杆(12)的外端与车桥活动铰接，所述第一行程限位结构(13)的两端分别与所述上连杆(11)的上端及所述下连杆(12)的外端活动铰接，所述压缩弹簧(14)的两端分别与所述上连杆(11)的上端及所述下连杆(12)的外端连接，所述连接组件(2)包括第二行程限位结构(21)和至少一个拉伸弹簧(22)，所述第二行程限位结构(21)的两端分别与其中一个弹性支撑装置(1)的下连杆(12)的内端及另一个弹性支撑装置(1)的下连杆(12)的内端活动铰接，所述拉伸弹簧(22)的两端分别与其中一个弹性支撑装置(1)中下连杆(12)的内端及另一个弹性支撑装置(1)中下连杆(12)的内端连接。
2.如权利要求1所述用于四轮移动机器人底盘的悬架，其特征在于，所述第一行程限位结构(13)包括导杆(131)及与该导杆(131)相对应的导筒(132)，所述导杆(131)包括圆柱体(1311)及与该圆柱体(1311)连接的上块状体(1312)，该上块状体(1312)中部设有上圆孔(13121)，所述导筒(132)包括圆筒体(1321)及与该圆筒体(1321)连接的下块状体(1322)，该下块状体(1322)中部设有下圆孔(13221)。
3.如权利要求2所述用于四轮移动机器人底盘的悬架，其特征在于，所述第一行程限位结构(13)包括左、中、右三组导杆(131)及与该左、中、右三组导杆(131)相对应的左、中、右三组导筒(132)。
4.如权利要求3所述用于四轮移动机器人底盘的悬架，其特征在于，所述第一行程限位结构(13)中间一组导杆(131)及导筒(132)外表面套设压缩弹簧(14)。
5.如权利要求1所述用于四轮移动机器人底盘的悬架，其特征在于，所述连接组件(2)包括一对拉伸弹簧(22)，该一对拉伸弹簧(22)分别位于所述第二行程限位结构(21)的两侧。
6.如权利要求5所述用于四轮移动机器人底盘的悬架，其特征在于，所述第二行程限位结构(21)包括导杆(211)、与所述导杆(211)相对应的导筒(212)。
7.如权利要求1所述用于四轮移动机器人底盘的悬架，其特征在于，所述上连杆(11)上端与顶座(16)活动铰接，所述顶座(16)固定连接车架。
8.如权利要求1所述用于四轮移动机器人底盘的悬架，其特征在于，所述下连杆(12)外端与底座(17)活动铰接，所述底座(17)固定连接车桥。
9.如权利要求1-8任意一项权利要求所述用于四轮移动机器人底盘的悬架，其特征在于，所述弹性支撑装置(1)还包括销轴组，所述销轴组包括上销轴(151)、下销轴(152)及侧销轴(153)，所述上连杆(11)上端及第一行程限位结构(13)上端通过所述上销轴(151)呈活动铰接，所述下连杆(12)外端及第一行程限位结构(13)下端通过所述下销轴(152)呈活动铰接，所述上连杆(11)下端及下连杆(12)内端通过所述侧销轴(153)呈活动铰接，所述第二行程限位结构(21)的两端分别与其中一个弹性支撑装置(1)的下连杆(12)的内端及另一个弹性支撑装置(1)的下连杆(12)的内端通过所述侧销轴(153)呈活动铰接。
10.如权利要求1所述用于四轮移动机器人底盘的悬架，其特征在于，所述悬架安装在四轮移动机器人底盘的前轮车桥上或同时安装在前轮及后轮车桥上。
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