CN106891716A - 一种轮式移动结构及包含其的轮式机器人 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种轮式移动机构,包括：基座，转向机构，所述转向机构为两组，分别位于基座的前后两端，所述转向机构与基座相连接，移动机构，所述移动机构为四组，每两组移动机构通过一个连接杆与一组转向机构相连接并在转向机构的带动下在水平方向上转动，所述基座在移动机构的带动下水平移动。本发明的轮式移动机构采用前后轮成对驱动来控制转向，以及控制每轮旋转来实现全方位移动；能够实现零半径回转，可调速，便于控制。

Description

一种轮式移动结构及包含其的轮式机器人

技术领域

本发明涉及机械领域，具体地说，涉及一种轮式移动结构及包含其的轮式机器人。

背景技术

移动机器人是机器人学中的一个重要分支。早在60年代，就己经开始有关于移动机器人的研究。关于移动机器人的研究涉及许多方面，首先，要考虑移动方式，可以是轮式的、履带式、腿式的，对于水下机器人，则是推进器。其次，必须考虑驱动器的控制，以使机器人达到期望的行为。第三，必须考虑导航或路径规划，对于后者，有更多的方面要考虑，如传感融合，特征提取，避碰及环境映射。因此，移动机器人是一个集环境感知、动态决策与规划、行为控制与执行等多种功能于一体的综合系统。由于对移动机器人的研究，提出了许多新的或挑战性的理论与工程技术课题，引起越来越多的专家学者和工程技术人员的兴趣，更由于它在军事侦察、扫雷排险、核、化污染等危险与恶劣坏境以及民用中的物料搬运上具有广阔的应用前景，使得对它的研究在世界各国受到普遍关注。

国外在移动机器人方面的研究起步较早，不管是在应用还是在研究方面，日本和美国都处于遥遥领先的地位。美国国家科学委员会曾预言:"20世纪的核心武器是坦克。21世纪的核心武器是无人作战系统，其中2000年以后遥控地面无人作战系统将连续装备部队，并走向战场”。为此，从80年代开始，美国国防高级研究计划局(DARPA)专门立项，制定了地面无人作战平台的战略计划。从此，在全世界掀开了全面研究室外移动机器人的序幕。初期的研究，主要从学术角度研究室外机器人的体系结构和信息处理，并建立实验系统进行验证。

虽然由于80年代对机器人的智能行为期望过高，导致室外机器人的研究未达到预期的效果，但是却带动了相关技术的发展，为探讨人类研制智能机器人的途径积累了经验，同时也推动了其它国家对移动机器人的研究与开发。进入90年代，随着技术的进步，移动机器人开始在更现实的基础上，开拓各个应用领域，向实用化进军。如由美国NASA资助研制的“丹蒂II”八足行走机器人，是一个能提供对高移动性机器人运动的了解和远程机器人探险的行走机器人，1994年在斯拍火山的火山口中进行了成功的演示。美国NASA研制的火星探测机器人索杰那于1997年登上火星。为了在火星上进行长距离探险，又开始了新一代样机的研制，命名为Rocky，并在Lavic湖的岩溶流上和干枯的湖床上进行了成功的实验。此外，在民用方面，可移动机器人在国外己被广泛用于扫除、割草、室内传送、导盲、导游、导购、室内外清洗和保安巡逻等各个方面。

另外，国外还在高完整性机器人，遥控移动机器人，环境与移动机器人系统，生态机器人学，多机器人系统等方面作了大量的研究。国内在移动机器人方面的研究起步较晚，大多数研究尚处于某个单项研究阶段，主要的研究工作有:清华大学智能移动机器人于1994年通过鉴定。涉及到五个方面的关键技术:基于地图的全局路径规划技术研究(准结构道路网环境下的全局路径规划、具有障碍物越野环境下的全局路径规划、自然地形环境下的全局路径规划)；基于传感器信息的局部路径规划技术研究(基于多种传感器信息的“感知一动作”行为、基于环境势场法的“感知一动作”行为、基于模糊控制的局部路径规划与导航控制)；路径规划的仿真技术研究(基于地图的全局路径规划系统的仿真模拟、室外移动机器人规划系统的仿真模拟、室内移动机器人局部路径规划系统的仿真模拟)；传感技术、信息融合技术研究(差分全球卫星定位系统、磁罗盘和光码盘定位系统、超声测距系统、视觉处理技术、信息融合技术)；智能移动机器人的设计和实现(智能移动机器人THMR-IH的体系结构、高效快速的数据传输技术、自动驾驶系统)。此外，还有香港城市大学智能设计、自动化及制造研究中心的自动导航车和服务机器人、中国科学院沈阳自动化研究所的自动导引车AGV和防爆机器人、中国科学院自动化所自行设计、制造的全方位移动式机器人视觉导航系统、哈尔滨工业大学研制成功的导游机器人等。总之，近年来移动式机器人的研究在国内也得到很大的重视，并且在某些方面的研究取得丰硕的成果。

全方位轮式机器人的运动包括纵向、横向和自转三个自由度的运动。车轮形移动机构的特征与其他移动机构相比车轮形移动机构有下列一些优点：能高速稳定的移动，能量利用率高，机构的控制简单，而且它可以能够借鉴日益完善的汽车技术和经验等。它的缺点是移动只限于平面。目前，需要机器人工作的场所，如果不考虑特殊环境和山地等自然环境，几乎都是人工建造的平地。所以在这个意义上车轮形移动机构的利用价值可以说是非常高的。

现有的车轮旋转机构设计主要有图5a和图5b两种结构，但是上述两种结构均有着不同程度的缺点：如图5a所示，车轮与地面接触面积小，可能产生打滑现象，且对电机轴形成一个弯矩，容易对电机轴造成破坏，使用起来十分不便；如图5b所示，采用电机内嵌式结构，增大了车轮与地面接触面积，减小了打滑现象，但电机固定比较困难，安装生产都不便利。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种零半径回转，可调速，便于控制的轮式移动结构及包含其的轮式机器人。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：

本发明提供一种轮式移动结构，包括：

基座，

转向机构，所述转向机构为两组，分别位于基座的前后两端，所述转向机构与基座相连接，

移动机构，所述移动机构为四组，每两组移动机构通过一个连接杆与一组转向机构相连接并在转向机构的带动下在水平方向上转动，所述基座在移动机构的带动下水平移动。

优选的，所述移动机构包括，移动电机、内车轮和外车轮；所述移动电机与连接杆相连接，所述移动电机的输出端套接在内车轮的内部；所述移动电机的输出轴与内车轮和外车轮的转动轴相连接，所述外车轮和内车轮在移动电机输出轴的带动下转动。

优选的，所述移动电机的外部套设有电机壳，所述内车轮靠近移动电机的一侧设有圆形凹槽，所述电机壳嵌设在所述圆形凹槽内；所述电机壳与圆形凹槽内壁之间夹设有深沟球轴承。

优选的，所述移动电机的输出轴与内车轮及外车轮之间通过第一联轴器连接，所述第一联轴器带动内车轮和外车轮随着移动电机的输出轴转动。

优选的，所述移动机构还包括两块顶紧挡板，所述顶紧挡板为半圆弧状，两块顶紧挡板套设在联轴器外侧并与第一联轴器彼此独立，所述顶紧挡板的上下各延伸出一块方形连接板，所述上方的两块连接板通过螺栓与连接杆相连接，下方的两块连接板通过螺栓彼此连接。

优选的，所述转向机构包括转向电机和转向轴，所述转向电机的输出轴与转向轴相连接，所述转向轴穿过与连接杆相连接，所述转向电机的输出轴带动转向轴转动，进而带动连接杆转动。

优选的，所述转向电机通过连接件与基座相连接，所述连接件为上下均具有连接板的中空筒状结构，所述转向电机置于中空筒内，并通过螺栓穿过连接板上的连接孔与基座相连接。

优选的，所述转向轴可分为上下两部分，分别为上部转向轴和下部转向轴，所述上部转向轴为T型轴并与转向电机的输出轴相连接，所述下部转向轴与连接杆相连接；所述下部转向轴的外侧套设有圆锥滚子轴承，所述圆周滚子轴承的外侧套设有套筒。

优选的，所述圆锥滚子轴承与转向轴的轴肩之间设有用于定位的弹性垫圈。

本发明的有益效果是：本发明的轮式移动机构采用前后轮成对驱动来控制转向，以及控制每轮旋转来实现全方位移动；能够实现零半径回转，可调速，便于控制。

本发明还提供一种轮式机器人，包括如所述的轮式移动结构和机器人本体，所述机器人本体与基座相连接。

附图说明

图1为本发明的轮式移动结构的结构示意简图；

图2为本发明的轮式移动结构的移动机构的结构示意图；

图3为本发明的轮式移动结构的转向机构的结构示意简图；

图4为本发明的轮式移动结构的顶紧挡板的结构示意简图；

图5为本发明的现有技术中的轮式移动结构的结构示意简图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

如图1所示，本发明提供一种轮式移动结构，包括：

基座10，

转向机构30，所述转向机构30为两组，分别位于基座10的前后两端，所述转向机构30与基座10相连接，

移动机构20，所述移动机构20为四组，每两组移动机构20通过一个连接杆40与一组转向机构30相连接并在转向机构30的带动下在水平方向上转动，所述基座10在移动机构20的带动下水平移动。

如图2所示，所述移动机构20包括，移动电机21、内车轮22和外车轮23；所述移动电机21与连接杆40相连接，所述移动电机21的输出端套接在内车轮22的内部；所述移动电机21的输出轴与内车轮22和外车轮23的转动轴相连接，所述外车轮23和内车轮22在移动电机21输出轴的带动下转动。

将移动电机内嵌在车轮内部，既增大了车轮与地面的接触面积，又缩短了整个移动结构的轴向距离。为了保持轮子的受力平衡使整个机构可以平稳运动，将轮子设计为内、外两个一组来实现。

所述移动电机21的外部套设有电机壳24，所述内车轮22靠近移动电机21的一侧设有圆形凹槽，所述电机壳24嵌设在所述圆形凹槽内；所述电机壳24与圆形凹槽内壁之间夹设有深沟球轴承25。

所述移动电机21的输出轴与内车轮22及外车轮23之间通过第一联轴器26连接，所述第一联轴器26带动内车轮22和外车轮23随着移动电机21的输出轴转动。

采用了一个深沟球轴承作为径向支撑，一方面避免了车轮对电机产生弯矩；另一方面保证了车轮的刚度。由于深沟球轴承的外圈与车轮内表面配合，由于内圈并不能与电机直接配合，采用包裹在移动电机外部的电机壳结构，作电机和轴承的连接。

所述移动机构20还包括两块顶紧挡板27，所述顶紧挡板27为半圆弧状，两块顶紧挡板27套设在联轴器26外侧并与第一联轴器26彼此独立，所述顶紧挡板27的上下各延伸出一块方形连接板28，所述上方的两块连接板28通过螺栓与连接杆40相连接，下方的两块连接板28通过螺栓彼此连接。

也就是说，移动机构部分的具体结构分为五个部分：电机输出轴和深沟球轴承由弹性挡圈和电机壳轴向定位；通过电机壳外表面径向定位通过电机轴外表面径向定位。此外,选用经济性好、方便购买的深沟球轴承作为支撑，深沟球轴承主要承载径向载荷,同时也可以承载小的轴向载荷，并且作为径向支撑,避免了车轮对电机产生弯矩。移动电机预装在电机壳内，依靠电机壳的凸缘轴向定位；但径向定位不能利用电机定位止口定位，采用车轮调整电机轴的同心完成径向定位。内车轮依靠深沟球轴承的外圈定位，然后再通过内、外车轮自有的联轴器与移动电机的输出轴联接。这个过程也是调整电机轴同心，然后从车轮侧面的预留安装孔将移动电机紧固在电机壳上。整个车轮分为两部分组合而成。一个是带有轴径的外车轮,另一个是不带轴径的内轮子,两者相配合使用组成一组完整的车轮。而车轮轴径与车体支撑件以滚动摩擦的形式配合使用,并且作为两车轮的轴向定位件。车轮最终的固定是通过外侧的螺钉将顶紧挡板连接到连接杆上实现的。为了使转动部分和转向部分的转向轴连接以实现全方位运动,此处设计了类似于半圆的固定件(即顶紧挡板)，如图4所示，使用是采用两个配合来固定住旋转部分,通过四个螺栓的连接来实现和连接杆的连接再通过连接杆与转向轴的连接,从而使转向机构和转动机构连为一体,最终实现全方位移动。

所述转向机构包括转向电机31和转向轴32，所述转向电机31的输出轴与转向轴32相连接，所述转向轴32穿过与连接杆40相连接，所述转向电机31的输出轴带动转向轴32转动，进而带动连接杆40转动。

所述转向电机31通过连接件37与基座10相连接，所述连接件为上下均具有连接板的中空筒状结构，所述转向电机置于中空筒内，并通过螺栓穿过连接板上的连接孔与基座10相连接。

所述转向轴32可分为上下两部分，分别为上部转向轴321和下部转向轴322，所述上部转向轴321为T型轴并与转向电机31的输出轴相连接，所述下部转向轴322与连接杆40相连接；所述下部转向轴322的外侧套设有圆锥滚子轴承33，所述圆周滚子轴承33的外侧套设有套筒36。

所述圆锥滚子轴承33与转向轴32的轴肩之间设有用于定位的弹性垫圈35。其中，轴肩是指阶梯轴上截面尺寸变化的部位。

也就是说，如图3所示，所述转向轴分上、下两部分，上部转向轴呈T型，采用阶梯轴的形式，便于与基座联接；下部转向轴通过连接杆与车轮部分联接，设计成圆柱形以保证足够的强度和良好的工艺性。同时两部分转向轴互相配合，可以伸缩以便转向时车轮轴的位移变化。转向轴主要作用就是通过与转向电机的连接起到转向的作用，主要受的是径向力，而受到的轴向力很小。转向轴受到向上的轴向力时，轴向力通过轴肩传到下方轴承内圈，再传到套筒，然后传到上方圆锥滚子轴承的内圈，再通过滚珠传递到圆锥滚子轴承外圈，而轴向力进一步的传递到端盖和箱体，从而将轴向力转移到整个车体上，因为，箱体连接在车体的基座上。转向轴受到向下的轴向力时，首先是靠弹性挡圈传递轴向力，再通过一系列传递最终将轴向力转移到基座上。所以说，转轴的工作是可靠的。

转向主轴与基座联接：转向轴相对于基座来说只有一个自由度，形成的是转动副，转向轴在机器人移动过程中承受径向力和比较大的轴向力，适合这种要求的常用轴承为圆锥滚子轴承(也可以是其他能够满足使用的轴承)。圆锥滚子轴承采用套筒隔开的两端支撑结构，这样设计可以保证转向轴在转向的过程中不发生摇摆，保证转向的精度并且可以减小对转向相关零部件的磨损。一对圆锥滚子轴承用套筒隔开后，圆锥滚子轴承内圈由轴肩和轴用弹性挡圈固定。圆锥滚子轴承外圈与基座和轴承端盖连接。

转向电机轴和转向轴的连接：转向电机轴和转向轴的连接通过联轴器。联轴器主要用来连接轴与轴(或联接轴与其它回转件)以传递运动和转矩,有时也用作安全装置。由于转向轴仅受到转矩的作用,而轴向力很小，所以转向电机轴和转向轴都采用平键来周向固定,以达到固定和连接两轴的目的。

转向驱动电机与基座的联接：当转向轴与基座构成转动副以后，只需要用转向电机来驱动转向轴即可实现车轮的转向。将电机固定在基座上需要一个连接件，所述连接件可以为一个整体也可以包括相互对称的两部分。整体式装配时定心性好，但必须侧面开口，这样容易导致车轮转向精度不够，且不利于防尘；剖分式定心性稍差一点，可以组合成封闭结构，具有可靠的刚度，防尘，拆卸方便。因此，优选用剖分式结构。

箱体的设计与固定：所述箱体设置在转向电机的外侧，将转向电机包裹在其内，通过左右两侧对称的呈L型的矩形臂用8个螺栓固定于基座上。由于箱体是通过螺钉和基座连接的，从而可以把它和基座以及转向电机视为一体。再者，箱体内部是用于放置轴承，并固定轴承的，双臂的设计可以将转向机构的整体重量通过箱体的两臂传到车体上，进而施于整个重量施轮子。那么转向轴的受力将大大的减小。而且这样的设计拆卸方便，利于维修。采用对称结构固定于空间内，有利于稳定整个转向机构，并提高整个全方位移动机构的性能。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种轮式移动结构，其特征在于，包括：

基座(10)，

转向机构(30)，所述转向机构(30)为两组，分别位于基座(10)的前后两端，所述转向机构(30)与基座(10)相连接，

移动机构(20)，所述移动机构(20)为四组，每两组移动机构(20)通过一个连接杆(40)与一组转向机构(30)相连接并在转向机构(30)的带动下在水平方向上转动，所述基座(10)在移动机构(20)的带动下水平移动。

2.根据权利要求1所述的轮式移动结构，其特征在于，所述移动机构(20)包括，移动电机(21)、内车轮(22)和外车轮(23)；所述移动电机(21)与连接杆(40)相连接，所述移动电机(21)的输出端套接在内车轮(22)的内部；所述移动电机(21)的输出轴与内车轮(22)和外车轮(23)的转动轴相连接，所述外车轮(23)和内车轮(22)在移动电机(21)输出轴的带动下转动。

3.根据权利要求2所述的轮式移动结构，其特征在于，所述移动电机(21)的外部套设有电机壳(24)，所述内车轮(22)靠近移动电机(21)的一侧设有圆形凹槽，所述电机壳(24)嵌设在所述圆形凹槽内；所述电机壳(24)与圆形凹槽内壁之间夹设有深沟球轴承(25)。

4.根据权利要求2所述的轮式移动结构，其特征在于，所述移动电机(21)的输出轴与内车轮(22)及外车轮(23)之间通过第一联轴器(26)连接，所述第一联轴器(26)带动内车轮(22)和外车轮(23)随着移动电机(21)的输出轴转动。

5.根据权利要求4所述的轮式移动结构，其特征在于，所述移动机构(20)还包括两块顶紧挡板(27)，所述顶紧挡板(27)为半圆弧状，两块顶紧挡板(27)套设在联轴器(26)外侧并与第一联轴器(26)彼此独立，所述顶紧挡板(27)的上下各延伸出一块方形连接板(28)，所述上方的两块连接板(28)通过螺栓与连接杆(40)相连接，下方的两块连接板(28)通过螺栓彼此连接。

6.根据权利要求1-5任一所述的轮式移动结构，其特征在于，所述转向机构包括转向电机(31)和转向轴(32)，所述转向电机(31)的输出轴与转向轴(32)相连接，所述转向轴(32)穿过与连接杆(40)相连接，所述转向电机(31)的输出轴带动转向轴(32)转动，进而带动连接杆(40)转动。

7.根据权利要求6所述的轮式移动结构，其特征在于，所述转向电机(31)通过连接件(37)与基座(10)相连接，所述连接件为上下均具有连接板的中空筒状结构，所述转向电机置于中空筒内，并通过螺栓穿过连接板上的连接孔与基座(10)相连接。

8.根据权利要求6所述的轮式移动结构，其特征在于，所述转向轴(32)可分为上下两部分，分别为上部转向轴(321)和下部转向轴(322)，所述上部转向轴(321)为T型轴并与转向电机(31)的输出轴相连接，所述下部转向轴(322)与连接杆(40)相连接；所述下部转向轴(322)的外侧套设有圆锥滚子轴承(33)，所述圆周滚子轴承(33)的外侧套设有套筒(36)。

9.根据权利要求7-8任一所述的轮式移动结构，其特征在于，所述圆锥滚子轴承(33)与转向轴(32)的轴肩之间设有用于定位的弹性垫圈(35)。

10.一种轮式机器人，其特征在于，包括如权利要求1-9任一所示的轮式移动结构和机器人本体，所述机器人本体与基座相连接。