CN106427446A - 一种机器人车体悬挂系统 - Google Patents

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吴家敏
何俐萍
曾易寒
张鹏飞
孙家弼
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60G—VEHICLE SUSPENSION ARRANGEMENTS
    • B60G13/00—Resilient suspensions characterised by arrangement, location or type of vibration dampers
    • B60G13/001—Arrangements for attachment of dampers
    • B60G13/003—Arrangements for attachment of dampers characterised by the mounting on the vehicle body or chassis of the damper unit
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
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    • B60K7/00—Disposition of motor in, or adjacent to, traction wheel
    • B60K7/0007—Disposition of motor in, or adjacent to, traction wheel the motor being electric

Abstract

本发明公开了一种机器人车体悬挂系统，包括悬挂机构、连轴机构、电机、驱动器以及车轮，所述悬挂机构包括支撑架、连杆组件、横臂组件以及减震器，所述支撑架和连杆组件、横臂组件组成双平行四边形机构，所述减震器位于双平行四边形机构之间且呈竖直方向其两端分别连接支撑架和连杆组件，所述电机位于悬挂机构的下部并与连杆组件固定连接，所述连轴机构用于连接电机输出轴和车轮，所述驱动器卡设于电机上。该悬挂系统，环境适应能力强，在不同环境中运动，都能保证机器人车轮与地面的良好贴合，运动平稳性好，结构简单、性能可靠，值得在业内推广。

Description

一种机器人车体悬挂系统
技术领域
本发明属于机器人机构设计技术领域，具体涉及一种机器人车体悬挂系统。
背景技术
悬挂系统是汽车车架与车轮或车桥之间一切连接装置的总称，同样也适用于机器人移动平台中的运用。通过悬挂系统，可以有效得降低移动平台的震动，缓解平台关键零件之间的冲击，提高平台的稳定性和可靠性。
悬挂系统主要分为独立悬挂和非独立悬挂系统两种。非独立悬挂系统是指两个车轮相互联系，一侧车轮的跳动同时也会影响到另一侧车轮的跳动，这种悬挂系统比价简单，常见于重载车轮的悬挂应用。而独立悬挂系统中各个车轮都有各自的悬挂机构，彼此相互独立，互不干扰。在RoboMasters机器人比赛时应用的一种非独立悬挂系统——前摆式悬挂的麦克纳姆轮移动平台。实际比赛中，这种悬挂结构的减震效果明细，在崎岖的比赛场地上，搭载在平台上的摄像头始终能采集清晰的图像。这种悬挂结构中的避震弹簧的反作用力主要在水平方向，而不是承担移动平台重力的竖直方向，因而对机架结构强度的利用率比较低，机架需要加强来抑制内部的作用力，不适用于重载荷的移动平台。同时，由于使用的是电机，电机加上减速箱部分偏长，如果想在竖直方向安装减震器，就需要设计在电机的减速箱上方，这样做导致设计底盘机架的时候减震器另一点的安放位置偏高，一同平台总体就偏高了，导致机器人行走稳定性差。
发明内容
本发明的目的是解决上述问题，提供一种结构简单、性能可靠的机器人车体悬挂系统。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种机器人车体悬挂系统，包括悬挂机构、连轴机构、电机、驱动器以及车轮，所述悬挂机构包括支撑架、连杆组件、横臂组件以及减震器，所述支撑架和连杆组件、横臂组件组成双平行四边形机构，所述减震器位于双平行四边形机构之间且呈竖直方向其两端分别连接支撑架和连杆组件，所述电机位于悬挂机构的下部并与连杆组件固定连接，所述连轴机构用于连接电机输出轴和车轮，所述驱动器卡设于电机上。
优选地，所述连轴机构包括连轴箱、法兰联轴器和滚动轴承，所述连轴箱包括连轴箱座和内嵌式端盖，所述连轴箱座与电机固定连接，所述法兰联轴器的法兰端与车轮固定连接，法兰联轴器的轴套穿设端盖且末端位于连轴箱座空腔内，所述滚动轴承的内圈套设于法兰联轴器的轴套上，且其外圈嵌入端盖内，所述电机的输出轴与所述轴套键连接。
优选地，所述轴套上卡设有轴卡，用于限定滚动轴承的轴向移动。
优选地，所述滚动轴承为深沟球轴承。
优选地，所述横臂组件包括横臂一、横臂二、横臂三以及横臂四，所述连杆组件包括连杆一、连杆二，以及两端分别与连杆一上部和连杆二上部固定连接的固定杆，所述横臂一、横臂二的两端均分别与支撑架左侧边、连杆一铰接组成第一平行四边形机构，所述横臂三、横臂四的两端均分别与支撑架右侧边、连杆二铰接组成第二平行四边形机构，所述减震器位于第一平行四边形机构和第二平行四边形机构之间且两端分别与支撑架上侧中部、固定杆中部。
优选地，所述连杆组件上还设有固定架，所述固定架围绕车轮且其上安装有超声波传感器。
优选地，所述车轮采用麦克纳姆轮。
优选地，所述驱动器卡设于靠近电机编码器的一端。
优选地，所述电机为行星减速电机。
本发明的有益效果是：本发明所提供的机器人车体悬挂系统，基于模块化设计的核心思想，集合了“电机+驱动+车轮悬挂结构”，整合了机械结构和电路控制，形成了一个单独完整的功能模块，该悬挂系统为独立的子系统，可作为通用模块与其他产品要素进行组合，构成的新的系统，产生不同的功能或者相同功能、不同性能的系列产品。该悬挂系统，环境适应能力强，在不同环境中运动，都能保证机器人车轮与地面的良好贴合，运动平稳性好，结构简单、性能可靠，值得在业内推广。
附图说明
图1是本发明机器人车体悬挂系统的结构示意图；
图2是本发明机器人车体悬挂系统的侧视图；
图3是本发明机器人车体悬挂系统的悬挂机构示意图；
图4是本发明机器人车体悬挂系统的连轴机构爆炸图；
图5是本发明机器人车体悬挂系统的连轴机构爆炸俯视图；
图6是本发明机器人车体悬挂系统的连轴机构剖视图。
附图标记说明：1、悬挂机构；11、支撑架；12、减震器；13、横臂一；14、横臂二；15、横臂三；16、横臂四；17、连杆一；18、固定杆；19、连杆二；2、连轴机构；21、法兰联轴器；22、滚动轴承；23、连轴箱座；24、端盖；25、轴卡；26、顶丝；3、电机；31、平键；4、车轮。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的说明：
如图1-6所示，本发明的机器人车体悬挂系统，包括悬挂机构1、连轴机构2、电机3、驱动器(图中未示出)以及车轮4，悬挂机构1包括支撑架11、连杆组件、横臂组件以及减震器12，支撑架11和连杆组件、横臂组件组成双平行四边形机构，减震器12位于双平行四边形机构之间且呈竖直方向其两端分别连接支撑架11和连杆组件，电机3设置于悬挂机构1的下部，并通过连轴机构2与车轮4连接，驱动器卡设于电机3上并于电机电路连接。
在本实施例中，车轮4采用麦克纳姆轮。麦克纳姆轮(Mecanum Wheel)简称麦轮，是由瑞典人BengtIlon在1973年设计的。每个麦克纳姆轮上都沿着轮子的轮廓，朝一定的角度斜放着一圈鼓形辊子，所以麦克纳姆轮在运动的时候具有3个旋转的自由度。由于麦克纳姆轮的辊子曲线是根据麦轮中心圆拟合出来的，因此为了保证麦克纳姆轮轮系的精确控制，在设计悬挂系统时，需尽可能得时刻保持麦轮与地面的垂直。
如图4-6所示，连轴机构2包括连轴箱、法兰联轴器21和滚动轴承22。连轴箱包括连轴箱座23和与连轴箱座23端口固定连接的端盖24。连轴箱座23与电机3固定连接。法兰联轴器21的法兰端与车轮4固定连接，法兰联轴器21的轴套穿设端盖24且末端位于连轴箱座23内。滚动轴承22的外圈、内圈分别与端盖24、轴套配合连接。电机3的输出轴与轴套键连接。
在本实施例中，滚动轴承22为深沟球轴承。连轴箱座23整体为外方中空结构，中空为圆柱形通孔。端盖24采用内嵌式，也开设圆柱形通孔。连轴箱座23的后段部分呈“十字”对称结构，该结构可减少连轴箱座23强度冗余，在保证结构强度的同时可减少体积减轻重量，节约耗材成本。连轴箱座23的后端部分还开设有长条孔，该长条孔为工艺孔，是为实际装配过程中便于后续安装顶丝26而设计。连轴箱座23前段部分的内侧壁设有平台，用于滚动轴承22一侧面的轴向限位。连轴箱座23四角分别设有一个固定孔，通过前述固定孔使用M4的内六角杯头螺丝使连轴箱座23与电机3相固定。同时，连轴箱座23前段四侧面还分别设有一个安装孔，通过该安装孔使用M3的内六角杯头螺丝使内嵌式端盖24与连轴箱座23相固定。
法兰联轴器21包括法兰盘和轴套，法兰盘与轴套一体成型。法兰盘上开设有三个安装孔，通过安装孔采用M6内六角螺丝将法兰联轴器21与车轮4固定连接。以法兰端为左，轴套上从左至右设有三级阶梯状凸台。滚动轴承22套设在中间凸台上且其外圈嵌入在端盖24内，滚动轴承22的轴向限位一侧由端盖24提供，另一侧通过前述连轴箱座23前段部分的平台提供。中间凸台的外表面上设有环形凹槽，轴卡25设置在该环形凹槽内。左端凸台和轴卡25共同作用进一步限制了滚动轴承22与联轴器之间的轴向运动，因而使联轴器和电机3的输出轴之间有了初步的轴向约束。右端凸台的内表面上下相对位置处分别设有键槽孔和螺纹孔。电机3输出轴上设有平键31，平键31和键槽孔紧配合连接，为联轴器增加了一层径向约束。螺纹孔数量为两个，通过螺纹孔安装两个顶丝26，进一步加强了联轴器和电机3输出轴之间的约束，使车轮4和电机3输出轴之间建立了良好的轴系约束。
需要说明的是，法兰联轴器21与车轮4之间以及连轴箱座23与电机3之间的固定连接方式，并不限于本实施例所述，而当采用螺丝固定时，具体的安装/固定孔个数以及螺丝个数并没有特殊的限制。该连轴机构2的创新点在于连轴箱座23的设计，以及连轴箱座23、联轴器和滚动轴承22共同形成的对车轮4和电机3输出轴之间的良好的轴系约束，从而大大减小了车轮4对电机3输出轴的冲击。
如图1-3所示，横臂组件包括横臂一13、横臂二14、横臂三15以及横臂四16，连杆组件包括连杆一17、连杆二19，以及两端分别与连杆一17上部和连杆二19上部固定连接的固定杆18，横臂一13、横臂二14的两端均分别与支撑架11左侧边、连杆一17铰接组成第一平行四边形机构，横臂三15、横臂四16的两端均分别与支撑架11右侧边、连杆二19铰接组成第二平行四边形机构，减震器12位于第一平行四边形机构和第二平行四边形机构之间且两端分别与支撑架11上侧中部和固定杆18中部连接。
在本实施例中，支撑架11整体采用门字型结构。门字型横部设有上支撑座，门字型两竖部的下段均设有下支撑座。上支撑座为M型结构，M型顶部的中间处具有两个平行的安装耳座。下支撑座为平板结构。连杆一17、连杆二19以及固定杆18也构成门字型结构，固定杆18一侧边的中间处也具有两个平行的安装耳座。横臂一13的两端分别铰接于上支撑座左侧边和连杆一17的上端，横臂二14的两端分别铰接于左边的下支撑座和连杆一17的下端，组成第一平行四边形机构。横臂三15的两端分别铰接于上支撑座右侧边和连杆二19的上端，横臂四16的两端分别铰接于右边的下支撑座和连杆一17的下端，组成第二平行四边形机构。进一步的，为加强横臂组件的结构强度，在横臂一13和横臂三15之间、横臂二14和横臂四16之间均设有连接板，连接板的两端通过螺丝固定在各横臂上。减震器12的上端通过螺丝与上支撑座的两个安装耳座固定连接，其下端通过螺丝于固定杆18的两个安装耳座固定连接。进一步的，围绕车轮4设有一固定架(图中未示出)，该固定架的两端与连杆一17和连杆二19固定连接。固定架上于车轮4外侧边安装有超声波传感器(图中未示出)，用于实现机器人移动过程中，两侧边的避障功能。
本发明中的悬挂结构利用平行四边形的原理，可以保证麦克纳姆轮始终与地面垂直。同时采用了双连杆，结构的强度相对于前摆式悬挂的强度更高。
进一步的，在本实施例中，电机3采用行星减速电机。行星减速电机的法兰盘设为方形结构。电机3位于整个悬挂机构1的下部，即穿过支撑架11下方，方形法兰盘卡设于连杆一17、连杆二19、固定杆18之间，并通过螺丝固定连接。连轴箱座23固定在该法兰盘上。现有技术中行星减速电机的法兰盘为圆形，该方形法兰盘十分便于电机3的安装固定，不仅限于本发明的使用，当将行星减速电机安装于别处时，同样便于固定，提高安装效率。电机3靠近编码器一端设有卡座，驱动器通过卡座固定在电机3上。经发明人大量实验发现，由于现有技术中，驱动器和电机3往往分开设置，如果驱动器和电机3之间存在相对运动，就经常会出现由于驱动器和编码器之间的连接电线松动而导致对电机3的控制出现问题。因而，本发明人将把驱动器和电机3固定在一起，从而很好的解决了这个问题，同时，把电机3和其驱动这两个相关程度很高的要素整合在一起，也是模块化设计理念的一种体现。
本发明所提供的机器人车体悬挂系统，基于模块化设计的核心思想，集合了“电机+驱动+麦克纳姆轮悬挂结构”，整合了机械结构和电路控制，形成了一个单独完整的功能模块，该悬挂系统为独立的子系统，可作为通用模块与其他产品要素进行组合，构成的新的系统，产生不同的功能或者相同功能、不同性能的系列产品。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种机器人车体悬挂系统，其特征在于：包括悬挂机构(1)、连轴机构(2)、电机(3)、驱动器以及车轮(4)，所述悬挂机构(1)包括支撑架(11)、连杆组件、横臂组件以及减震器(12)，所述支撑架(11)和连杆组件、横臂组件组成双平行四边形机构，所述减震器(12)位于双平行四边形机构之间且呈竖直方向其两端分别连接支撑架(11)和连杆组件，所述电机(3)位于悬挂机构(1)的下部并与连杆组件固定连接，所述连轴机构(2)用于连接电机(3)输出轴和车轮(4)，所述驱动器卡设于电机(3)上。
2.根据权利要求1所述的机器人车体悬挂系统，其特征在于：所述连轴机构(2)包括连轴箱、法兰联轴器(21)和滚动轴承(22)，所述连轴箱包括连轴箱座(23)和内嵌式端盖(24)，所述连轴箱座(23)与电机(3)固定连接，所述法兰联轴器(21)的法兰端与车轮(4)固定连接，法兰联轴器(21)的轴套穿设端盖(24)且末端位于连轴箱座(23)空腔内，所述滚动轴承(22)的内圈套设于法兰联轴器(21)的轴套上，且其外圈嵌入端盖(24)内，所述电机(3)的输出轴与所述轴套键连接。
3.根据权利要求2所述的机器人车体悬挂系统，其特征在于：所述轴套上卡设有轴卡(25)，用于限定滚动轴承(22)的轴向移动。
4.根据权利要求2所述的机器人车体悬挂系统，其特征在于：所述滚动轴承(22)为深沟球轴承。
5.根据权利要求1所述的机器人车体悬挂系统，其特征在于：所述横臂组件包括横臂一(13)、横臂二(14)、横臂三(15)以及横臂四(16)，所述连杆组件包括连杆一(17)、连杆二(19)，以及两端分别与连杆一(17)上部和连杆二(19)上部固定连接的固定杆(18)，所述横臂一(13)、横臂二(14)的两端均分别与支撑架(11)左侧边、连杆一(17)铰接组成第一平行四边形机构，所述横臂三(15)、横臂四(16)的两端均分别与支撑架(11)右侧边、连杆二(19)铰接组成第二平行四边形机构，所述减震器(12)位于第一平行四边形机构和第二平行四边形机构之间且两端分别与支撑架(11)上侧中部、固定杆(18)中部。
6.根据权利要求1所述的机器人车体悬挂系统，其特征在于：所述连杆组件上还设有固定架，所述固定架围绕车轮(4)且其上安装有超声波传感器。
7.根据权利要求1-6任一所述的机器人车体悬挂系统，其特征在于：所述车轮(4)采用麦克纳姆轮。
8.根据权利要求1-6任一所述的机器人车体悬挂系统，其特征在于：所述驱动器卡设于靠近电机(3)编码器的一端。
9.根据权利要求1-6任一所述的机器人车体悬挂系统，其特征在于：所述电机(3)为行星减速电机(3)。
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