CN107009344A - 一种服务机器人底盘机构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种服务机器人底盘机构，包括底盘本体，左驱动轮、右驱动轮、导向轮呈三角形设置与底盘本体的一面，电池箱设置在三角形的中部；电池箱中通过位移机构悬挂电池组；电池组作为底盘的配重块；通过检测服务机器人底座的实时整体重量及运动参数，计算电池组在电池箱中的移动距离Δ，电池组的移动方向与机器人的移动加速度方向相反。经过上述设置，本发明的底盘机构具有在运动过程中实时调整重心位置，保持机器人稳定的运行状态。

Description

一种服务机器人底盘机构

技术领域

本发明涉及一种仿生机器人技术领域，特别是一种服务机器人底盘机构。

背景技术

服务机器人是机器人家族中一个年轻的成员，它能完成有益于人类健康的服务工作，如维护保养、修理、运输、清洗、保安、救援、监护等方面的工作。目前的数据显示，世界上至少有48个国家在发展机器人，其中25个国家已涉足服务机器人的开发。在日本、北美和欧洲，迄今已有7种类型共计40余款服务型机器人进入实验和半商业化应用。“人形服务机器人”可以被定义为具有人类的外观和功能(例如头部、躯干、手臂、腿部)的某些属性，使用语音交互以及肢体动作来与人类进行沟通的一种服务机器人。机器人的底盘主要有轮式底盘结构、履带式底盘结构、腿式底盘结构、跳跃式底盘结构等。轮式底盘机构相比较双足式底盘而言，其控制简单、平稳性好、运行速度块；相比较履带式底盘机构，其运动灵活度高、运动过程中低噪音、结构较简单，容易装拆，便于维护和修理。服务机器人常采用轮式底盘结构。

轮式底盘结构的车轮布局常分为三轮配置和四轮配置。其中，三轮配置的驱动电机结构有三种类型：独立两轮驱动、前轮转向兼驱动、前轮转向后轮差速驱动。这类底盘结构有一个显著的优点，即不需要专门的悬挂系统去保持各轮与地面的可靠接触，但在转弯过程中，也容易发生侧翻。

一种三轮机器人底盘(201620926587.3)，该底盘上由底盘，电机，电机安装架和万向轮组成。电机安装架的安装孔的轴线呈圆周方向布置，圆形所占用的空间比四边形所占用的空间小，使得整个机器人底盘的占用空间减小。由于所述电机安装架的安装孔的轴线呈圆形布置，夹角为120°，使得机器人底盘的旋转半径为0。

一种可拓展型机器人底盘(201320404926.8)，其包括顶部支板、中部支板和下部支板，顶部支板与中部支板之间对称设置两个直流电机、光栅编码器和两套同步传送带，同步传送带设置在直流电机的输出轴端，光栅编码器与同步传送带相连，每个同步传动带均连接有一个驱动后轮，集成控制器安装在中部支板上，其分别与直流电机的控制端和光栅编码器连接。电池组与直流电机连接。

家庭服务机器人底盘(201620874666.4)，其包括三个在底盘以120°间隔分布的全向轮，每个全向轮通过轴承连接与转轴，每个转轴通过联轴器与电机连接，每个电机与驱动器连接，电机、驱动器以120°间隔分布。

智能避障机器人(201610513597.9)其包括机器人底盘、地形识别仪、机器人躯干、机器人头部、红外线避障单元和多个超声波避障单元。底盘前面下部设置红外线避障单元，机器人底盘两个侧面设置有超声波避障单元，底盘有两个驱动轮一个导向轮，驱动轮的轴线方向配置有驱动电机，在底盘四个角配置有配重块，有利于保证机器人保持较低的重心。

现有服务机器人的底盘结构大多采用三轮配置，他们大多没有采用配重模块或者采用专门的配重模块，并且配重模块安排在底盘的周围，这样不利于底盘结构的合理利用。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种将安置在底盘中心的电池组件作为底盘的配重中心，既提高了机器人底盘空间的利用率，方便底盘周围合理安装各种传感器，又能将机器人的重心调整到三个轮所形成的三角形中心位置附近的服务机器人底盘机构。

本发明解决其技术问题是通过以下技术方案实现的：

一种服务机器人底盘机构，其特征在于：它包括底盘本体，左驱动轮、右驱动轮、导向轮呈三角形设置与所述底盘本体的一面，电池箱设置在所述三角形的中部；所述电池箱中通过位移机构悬挂电池组；所述电池组作为底盘的配重块；通过检测服务机器人底座的实时整体重量及运动参数，计算所述电池组在所述电池箱中的移动距离Δ的计算方法包括：

S1：当服务机器人的整体重心向前倾倒时，配重平衡方程为：

mg(Δ+R)*cos(θ)+Mg(R*cos(θ)-h*sin(θ))>M*a*(h*cos(θ)+R*sin(θ)) (1)

S2：当服务机器人的整体重心向后倾倒时，配重平衡方程为：

S3：当服务机器人的整体重心左右倾倒时，配重平衡方程为：

其中，m为底座的整体重量；M为机器人躯体的重量；R为左驱动轮、右驱动轮、导向轮定义的外接圆半径；h为机器人躯体的重心离底盘的高度；θ为最大倾倒角度；a为加速度。

所述底盘本体上关于所述左驱动轮、右驱动轮的对应位置设置电机支架，脚轮电机和脚轮支架分别安装在所述电机支架上。

所述脚轮电机的输出端通过联轴器与穿过所述脚轮支架的脚轮轮轴相连，两个脚轮电机的输出轴共线。

所述脚轮支架的两侧各安装一个滚珠轴承。

红外传感器分布于所述底盘本体的边缘。

本发明的优点和有益效果为：

本发明的一种服务机器人底盘机构包括底盘本体，左驱动轮、右驱动轮、导向轮呈三角形设置与底盘本体的一面，电池箱设置在三角形的中部；电池箱中通过位移机构悬挂电池组；电池组作为底盘的配重块；通过检测服务机器人底座的实时整体重量及运动参数，计算电池组在电池箱中的移动距离Δ，电池组的移动方向与机器人的移动加速度方向相反。经过上述设置，本发明的底盘机构具有在运动过程中实时调整重心位置，保持机器人稳定的运行状态。

由于底盘机构上通过电池组代替配重块，为一个零件赋予多重功能，降低了结构复杂度，增加结构紧凑程度。并使得机器人的重心调整到三角形中心位置附近，增加运动中的稳定性。

附图说明

图1为本发明的服务机器人底盘机构的结构示意图

图2为本发明的服务机器人底盘机构的仰视示意图

图3为本发明的服务机器人底盘机构的部件安装示意图

具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。

如图1、图2所示，本发明的服务机器人底盘机构包含左驱动轮1、右驱动轮2、脚轮电机3、导向轮4、底盘本体5、电池箱6、红外传感器7。控制电路板安装在底盘本体5上，左驱动轮1、右驱动轮2、导向轮4呈三角形设置在底盘本体5的一面，左驱动轮1、右驱动轮2同设置在一端，导向轮4设置在另一端。底盘本体5的中心位置设置突出的电池箱6，电池箱6的内部空间装有电池组，开口部分通过电池盖板封闭。电池箱6上分别连接一总电源控制开关8和一个充电接头9，用于对电池箱6内的电池进行通/断管理，及充电控制。红外传感器7分布于底盘本体5的边缘。

如图3所示，底盘本体5上关于左驱动轮1、右驱动轮2的对应位置设置电机支架10，脚轮电机3和脚轮支架12安装在电机支架10上。脚轮电机3的输出端通过联轴器与穿过脚轮支架12的脚轮轮轴11相连，两个脚轮电机3的输出轴共线。脚轮支架12的两侧各安装一个滚珠轴承15。

脚轮内轮13通过销轴的方式安装在脚轮轮轴11上，脚轮外轮14套装在脚轮内轮13之外。脚轮灯罩16安装在脚轮轮轴11末端，其内部设置与脚轮灯PCB板连接的灯组。

本实施例中，电池箱6优选位于左驱动轮1、右驱动轮2、导向轮4围成的三角形中部，一方面用于容纳电池组，另一方面电池组可作为机器人的配重，使得机器人的重心调整到三角形中心位置附近，增加运动中的稳定性。电池组通过位移机构悬挂于电池箱6内。

由于服务机器人上经常搭载重量不同的物品，因此服务机器人的整体重心并不恒定，为了增加底盘机构的稳定性，电池组在电池箱6中的位置可通过两个自由度的位移机构进行微调。本实施例的位移机构优选通过丝杠传动的两自由度调整平台。

通过检测到服务机器人运行得加速度等参数，服务机器人的计算单元实时计算配重的移动距离Δ的范围，通过位移机构合理快速地调整配重相对底盘中心的位置，来防止机器人出现跌倒情况。其计算方法包括：

S1：当服务机器人的整体重心向前倾倒时，配重平衡方程为：

mg(Δ+R)*cos(θ)+Mg(R*cos(θ)-h*sin(θ))>M*a*(h*cos(θ)+R*sin(θ)) (1)

其中，位移的零点位置为电池箱6中心；m为底座(和配重，也即电池组)的重量；M为机器人躯体的重量；R为左驱动轮1、右驱动轮2、导向轮4定义的外接圆半径；h为机器人躯体的重心离底盘的高度；Δ为配重的移动距离，单位为mm，配重的移动方向与机器人的移动加速度方向相反；θ为最大倾倒角度；a为机器人的加速度。

由方程(1)可知，m越大(即底盘质量或者配重的质量增加)，M越小(机器人躯体质量减小)，求解的θ越大，即机器人越不容易向前倾倒；h越小，其机器人整体的重心离底盘越低，求解得θ越大，即机器人越不容易向前倾倒；Δ越大，配重的移动距离越大，求解得θ越大，即机器人越不易向前倾倒。

S2：当服务机器人的整体重心向后倾倒时，配重平衡方程为：

由方程(2)可知，m越大(即底盘质量或者配重的质量增加)，M越小(机器人躯体质量减小)，求解的θ越大，即机器人越不容易向后倾倒；h越小，其机器人整体的重心离底盘越低，求解得θ越大，即机器人越不容易向后倾倒；Δ越大，配重的移动距离越大，求解得θ越大，即机器人越不易向后倾倒。

S3：当服务机器人的整体重心左右倾倒时，配重平衡方程为：

由方程(3)可知，m越大(即底盘质量或者配重的质量增加)，M越小(机器人躯体质量减小)，求解的θ越大，即机器人越不容易左右倾倒；h越小，其机器人整体的重心离底盘越低，求解得θ越大，即机器人越不容易左右倾倒；Δ越大，配重的移动距离越大，求解得θ越大，即机器人越不易左右倾倒。

尽管为说明目的公开了本发明的实施例和附图，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附权利要求的精神和范围内，各种替换、变化和修改都是可能的，因此，本发明的范围不局限于实施例和附图所公开的内容。

Claims (5)

1.一种服务机器人底盘机构，其特征在于：它包括底盘本体，左驱动轮、右驱动轮、导向轮呈三角形设置与所述底盘本体的一面，电池箱设置在所述三角形的中部；所述电池箱中通过位移机构悬挂电池组；所述电池组作为底盘的配重块；

通过检测服务机器人底座的实时整体重量及运动参数，计算所述电池组在所述电池箱中的移动距离Δ的计算方法包括：

S1：当服务机器人的整体重心向前倾倒时，配重平衡方程为：

mg(Δ+R)*cos(θ)+Mg(R*cos(θ)-h*sin(θ))>M*a*(h*cos(θ)+R*sin(θ)) (1)

S2：当服务机器人的整体重心向后倾倒时，配重平衡方程为：

S3：当服务机器人的整体重心左右倾倒时，配重平衡方程为：

其中，m为底座的整体重量；M为机器人躯体的重量；R为左驱动轮、右驱动轮、导向轮定义的外接圆半径；h为机器人躯体的重心离底盘的高度；θ为最大倾倒角度；a为加速度。

2.如权利要求1所述的一种服务机器人底盘机构，其特征在于：所述底盘本体上关于所述左驱动轮、右驱动轮的对应位置设置电机支架，脚轮电机和脚轮支架分别安装在所述电机支架上。

3.如权利要求2所述的一种服务机器人底盘机构，其特征在于：所述脚轮电机的输出端通过联轴器与穿过所述脚轮支架的脚轮轮轴相连，两个脚轮电机的输出轴共线。

4.如权利要求2所述的一种服务机器人底盘机构，其特征在于：所述脚轮支架的两侧各安装一个滚珠轴承。

5.如权利要求1或2或3或4所述的一种服务机器人底盘机构，其特征在于：红外传感器分布于所述底盘本体的边缘。