CN107651080B - 基于脚轮原理的多节自行车机器人 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于脚轮原理的多节自行车机器人，包括牵引车和至少一节挂接车，牵引车的牵引前、后轮分别通过牵引前、后车叉安装在牵引车架的前、后端，牵引前车叉上设有牵引前轮驱动机构和牵引前轮行走编码器，牵引车架上设有牵引前轮转向驱动机构，挂接车的挂接脚轮安装于挂接后车叉上，挂接后车叉通过转动关节与挂接前车叉连接，挂接前车叉于牵引后轮的轮轴处铰装，牵引后车叉上设有挂接脚轮俯仰编码器，挂接后车叉上设有挂接脚轮行走编码器，转动关节上设有挂接脚轮航向编码器组件。本发明的挂接车采用脚轮机构以提供较大范围的车轮接地点偏距，并使整车具有更好的自然稳定性和定向性，从而提升了系统的安全性能。

Description

基于脚轮原理的多节自行车机器人
技术领域
本发明涉及自行车行走机构，具体为一种基于脚轮原理的多节自行车机器人。
背景技术
自行车由车架、车轮、车叉等结构部件组成，具有结构简单、运动灵活等特点，是一种人们常用的的代步运输工具。自行车机器人是机器人自动控制技术与自行车机构相结合的产物，相比于无人驾驶汽车，它可以更自由地穿梭于街头巷尾。这种优点使其在安保巡逻、快递派送等领域有广泛应用前景。
目前，有代表性的自行车机器人有自动驾驶自行车“C-1”以及无人驾驶自行车“DuBike”等。然而，就机构而言，现有自行车机器人均存在负载不足的问题，若单纯增加车轮轴距来提升负载能力又会降低系统稳定性。专利公布号为CN105539679A的《拖挂式多节模块化自行车机器人机构》发明申请，采用多节单轮模块挂接而成，由于采用十字轴结构，这样的设计使俯仰和航向运动耦合严重，不利于解耦；另外，其结构设计复杂，而且存在重心过高、刚度较低等问题。
脚轮机构是一种道路行走机构的辅助构件，可以广泛应用于手推车、车间货车等运输领域。经研究表明，脚轮机构可以作为支撑轮为行走机构提供较大范围的车轮接地点偏距，使得轮式行走机构通常具有良好的自然稳定性和定向性。
发明内容
本发明提出了一种基于脚轮原理的多节自行车机器人，主要解决现有拖挂式多节模块化自行车机器人俯仰和航向运动耦合严重且重心过高、结构复杂、刚度较低的问题。
能够解决上述技术问题的基于脚轮原理的多节自行车机器人，其技术方案包括牵引车和至少一节挂接车，所述牵引车包括牵引前轮和牵引后轮，所述牵引前轮和牵引后轮分别通过牵引前车叉和牵引后车叉安装在牵引车架的前端和后端，所述牵引前车叉上设有牵引前轮驱动机构和检测牵引前轮转速的牵引前轮行走编码器，所述牵引车架上设有牵引前轮转向驱动机构，所不同的是所述挂接车包括挂接脚轮，所述挂接脚轮安装于挂接后车叉上，所述挂接后车叉通过转动关节与挂接前车叉连接，所述挂接前车叉于牵引后轮的轮轴处铰装，所述牵引后车叉上设有检测挂接车俯仰角度的挂接脚轮俯仰编码器，所述挂接后车叉上设有检测挂接脚轮转速的挂接脚轮行走编码器，所述转动关节上设有检测挂接车偏摆角度的挂接脚轮航向编码器组件。
所述转动关节的一种结构包括开口向后的U形板和通过上、下轴承安装于U形板上、下板体间的转动轴，所述U形板的前板体通过板接头连接挂接前车叉，所述转动轴轴体后侧的轴接头连接挂接后车叉，所述挂接脚轮航向编码器组件设于上板体上的航向编码器支撑架上，挂接脚轮航向编码器组件通过齿轮传动组件连接伸出上板体的转动轴轴端。
所述挂接脚轮俯仰编码器通过俯仰编码器支架安装于牵引后车叉的一侧叉体上，挂接脚轮俯仰编码器转轴上的俯仰编码器小齿轮啮合扇形大齿轮，所述扇形大齿轮与挂接前车叉同侧叉体的前铰连端同轴连接。
所述挂接脚轮行走编码器通过脚轮行走编码器支架安装于挂接后车叉的一侧叉体上，挂接脚轮行走编码器输出轴上的挂接脚轮编码器小齿轮啮合挂接脚轮上对应侧的钢圈内齿。
所述牵引前轮驱动机构的一种结构包括设于牵引前车叉一侧叉体上的薄饼电机，所述薄饼电机输出轴上的前轮驱动主动齿轮啮合牵引前轮上对应侧的钢圈内齿；所述牵引前轮行走编码器通过前轮行走编码器支架安装于牵引前车叉同侧的叉体上，牵引前轮行走编码器转轴上的牵引前轮行走编码器齿轮啮合钢圈内齿。
所述牵引前轮转向驱动机构的一种结构包括转向电机，所述转向电机安装于牵引车架前端的转向架上，转向电机的输出轴通过啮合的转向主动小齿轮和转向从动大齿轮连接牵引前车叉上部的转向轴轴端，所述转向轴与牵引车架前端转向架内的转向套转动连接。
所述挂接前车叉上设有载物平台。
本发明的有益效果：
1、本发明基于脚轮原理的多节自行车机器人结构中，将脚轮机构作为挂接车挂接而成，由脚轮的工作特性可知，脚轮机构可以提供较大的车轮接地点后偏距，从而使自行车具有更好的自然稳定性和定向性，进而提升了系统的安全性能。
2、本发明结构中，牵引车和挂接车之间既需要实现航向运动又要实现俯仰运动，在结构设计中，将实现俯仰运动和航向运动的两个关节独立设计，这样的设计既能降低两者之间的耦合达到整车结构简单的目的，也达到降低挂接车重心的效果。
附图说明
图1为本发明一种实施方式的立体结构示意图。
图2为图1实施方式的背视图。
图3为图1、图2中转动关节的结构示意图。
图号标识：1、牵引车；2、挂接车；3、牵引前轮；4、牵引后轮；5、牵引前车叉；6、牵引后车叉；7、牵引车架；8、挂接脚轮；9、挂接后车叉；10、挂接前车叉；11、牵引前轮行走编码器；12、转动关节；13、挂接脚轮俯仰编码器；14、挂接脚轮行走编码器；15、U形板；16、转动轴；17、轴接头；18、板接头；19、挂接脚轮航向编码器组件；20、车座；21、转向套；22、扇形大齿轮；23、薄饼电机；24、转向从动大齿轮；25、转向电机；26、转向架；27、转向主动小齿轮；28、载物平台；29、齿轮传动组件。
具体实施方式
下面结合附图所示实施方式对本发明的技术方案作进一步说明。
本发明基于脚轮原理的多节自行车机器人包括牵引车1和一节挂接车2。
所述牵引车1包括牵引前轮3和牵引后轮4，所述牵引前轮3通过牵引前车叉5安装在牵引车架7的前端，所述牵引后轮4通过牵引后车叉6安装在牵引车架7的后端。
所述牵引前车叉5上设有牵引前轮驱动机构和检测牵引前轮3转速的牵引前轮行走编码器11，所述牵引车架7上设有牵引前轮转向驱动机构，具体的：所述牵引前轮转向驱动机构包括转向电机25和啮合的转向主动小齿轮27与转向从动大齿轮24，所述转向电机25安装于牵引车架7前端的转向架26上，转向架26内的牵引车架7前端上还设有转向套21，所述牵引前车叉5的上部转轴通过轴承安装于转向套21内，所述转向主动小齿轮27安装于转向电机25的输出轴上，所述转向从动大齿轮24安装于伸出转向套21的牵引前车叉5的转轴轴端；所述牵引前轮驱动机构包括设于牵引前车叉5一侧叉体上的薄饼电机23，所述薄饼电机23输出轴上安装的前轮驱动主动齿轮啮合牵引前轮3(安装于牵引前车叉5下部的左、右叉体内)上对应侧的钢圈内齿，所述牵引前轮行走编码器11通过前轮行走编码器支架安装于牵引前车叉5同侧的叉体上，牵引前轮行走编码器11转轴上的牵引前轮行走编码器齿轮啮合对应的钢圈内齿，如图1、图2所示。
所述牵引后车叉6向后斜置，牵引后车叉6的前上端连接牵引车架7的后端，两者的连接处还设有通过座板架安装的车座20，所述牵引后轮4安装于牵引后车叉6后下端的左、右叉体内，牵引后车叉6一侧的上叉体设有检测挂接车2俯仰角度的挂接脚轮俯仰编码器13，如图1、图2所示。
所述挂接车2包括挂接脚轮8、挂接后车叉9(水平设置)和挂接前车叉10(水平设置)，所述挂接后车叉9前端和挂接前车叉10后端之间通过转动关节12连接，所述挂接脚轮8安装于挂接后车叉9后部的左、右叉体内，挂接后车叉9一侧的叉体上通过脚轮行走编码器支架安装有挂接脚轮行走编码器14，挂接脚轮行走编码器14转轴上的挂接脚轮编码器小齿轮啮合挂接脚轮8上对应侧的钢圈内齿；所述牵引后轮4还安装于挂接前车叉10前部的左、右叉体内，挂接前车叉10左、右叉体的前端铰连在牵引后轮4轮轴的左、右端上，对应于挂接脚轮俯仰编码器13设有扇形大齿轮22，所述扇形大齿轮22与同侧的挂接前车叉10叉体前端的铰连点同轴安装，所述扇形大齿轮22与挂接脚轮俯仰编码器13转轴上的俯仰编码器小齿轮啮合，以此检测挂接车2俯仰运动的俯仰角度，如图1、图2所示。
所述转动关节12包括U形板15、转动轴16和挂接脚轮航向编码器组件19，所述U形板15的开口向后，所述转动轴16通过上、下轴承安装于U形板15的上、下板体间，所述U形板15的前板体通过板接头18连接挂接前车叉10的后端，挂接前车叉10后部上通过支撑架设有载物平台28，所述转动轴16轴体后侧的轴接头17连接挂接后车叉9的前端，所述挂接脚轮航向编码器组件19设于上板体上的航向编码器支撑架上，挂接脚轮航向编码器组件19(左、右两个)通过齿轮传动组件29(左、右两小齿轮啮合中间大齿轮)连接伸出上板体的转动轴16轴端，以此检测挂接车2的偏摆角度，如图1、图2、图3所示。

Claims (7)

1.基于脚轮原理的多节自行车机器人，包括牵引车(1)和至少一节挂接车(2)，所述牵引车(1)包括牵引前轮(3)和牵引后轮(4)，所述牵引前轮(3)和牵引后轮(4)分别通过牵引前车叉(5)和牵引后车叉(6)安装在牵引车架(7)的前端和后端，所述牵引前车叉(5)上设有牵引前轮驱动机构和检测牵引前轮(3)转速的牵引前轮行走编码器(11)，所述牵引车架(7)上设有牵引前轮转向驱动机构，其特征在于：所述挂接车(2)包括挂接脚轮(8)，所述挂接脚轮(8)安装于挂接后车叉(9)上，所述挂接后车叉(9)通过转动关节(12)与挂接前车叉(10)连接，所述挂接前车叉(10)于牵引后轮(4)的轮轴处铰装，所述牵引后车叉(6)上设有检测挂接车(2)俯仰角度的挂接脚轮俯仰编码器(13)，所述挂接后车叉(9)上设有检测挂接脚轮(8)转速的挂接脚轮行走编码器(14)，所述转动关节(12)上设有检测挂接车(2)偏摆角度的挂接脚轮航向编码器组件(19)。
2.根据权利要求1所述的基于脚轮原理的多节自行车机器人，其特征在于：所述转动关节(12)包括开口向后的U形板(15)和通过上、下轴承安装于U形板(15)上、下板体间的转动轴(16)，所述U形板(15)的前板体通过板接头(18)连接挂接前车叉(10)，所述转动轴(16)轴体后侧的轴接头(17)连接挂接后车叉(9)，所述挂接脚轮航向编码器组件(19)设于上板体上的航向编码器支撑架(20)上，挂接脚轮航向编码器组件(19)通过齿轮传动组件(29)连接伸出上板体的转动轴(16)轴端。
3.根据权利要求1所述的基于脚轮原理的多节自行车机器人，其特征在于：所述挂接脚轮俯仰编码器(13)通过俯仰编码器支架安装于牵引后车叉(6)的一侧叉体上，挂接脚轮俯仰编码器(13)转轴上的俯仰编码器小齿轮啮合扇形大齿轮(22)，所述扇形大齿轮(22)与挂接前车叉(10)同侧叉体的前铰连端同轴连接。
4.根据权利要求1所述的基于脚轮原理的多节自行车机器人，其特征在于：所述挂接脚轮行走编码器(14)通过脚轮行走编码器支架安装于挂接后车叉(9)的一侧叉体上，挂接脚轮行走编码器(14)输出轴上的挂接脚轮编码器小齿轮啮合挂接脚轮(8)上对应侧的钢圈内齿。
5.根据权利要求1所述的基于脚轮原理的多节自行车机器人，其特征在于：所述牵引前轮驱动机构包括设于牵引前车叉(5)一侧叉体上的薄饼电机(23)，所述薄饼电机(23)输出轴上的前轮驱动主动齿轮啮合牵引前轮(3)上对应侧的钢圈内齿；所述牵引前轮行走编码器(11)通过前轮行走编码器支架安装于牵引前车叉(5)同侧的叉体上，牵引前轮行走编码器(11)转轴上的牵引前轮行走编码器齿轮啮合钢圈内齿。
6.根据权利要求1所述的基于脚轮原理的多节自行车机器人，其特征在于：所述牵引前轮转向驱动机构包括转向电机(25)，所述转向电机(25)安装于牵引车架(7)前端的转向架(26)上，转向电机(25)的输出轴通过啮合的转向主动小齿轮(27)和转向从动大齿轮(24)连接牵引前车叉(5)上部的转向轴轴端，所述转向轴与牵引车架(7)前端转向架(26)内的转向套(21)转动连接。
7.根据权利要求1～6中任意一项所述的基于脚轮原理的多节自行车机器人，其特征在于：所述挂接前车叉(10)上设有载物平台(28)。
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