CN108297967A - 一种轮式机器人底盘 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种轮式机器人底盘，包括圆形底板及连接于圆形底板上的前后两个万向轮和左右两个驱动轮，万向轮和驱动轮呈菱形布置，驱动轮连接有驱动装置。所述驱动轮及其驱动装置通过弹性悬挂装置连接于所述圆形底板上，圆形底板连接有碰撞检测装置，碰撞检测装置包括均布于圆形底板周缘的若干气压检测模块，气压检测模块检测到气压增大时输出碰撞信号。在路面发生变化时，弹性悬挂装置具有自适应功能，使驱动轮始终保持与地面接触，始终具备驱动能力，使轮式机器人不仅适用于平坦的环境，也适用于不平坦的环境，越障能力强。碰撞检测装置通过不同位置的气压检测模块反应的气压变化来检测机器人的碰撞外力，实现全方位防碰撞。

Description

一种轮式机器人底盘

技术领域

本发明涉及一种轮式机器人，具体一种轮式机器人底盘。

背景技术

目前轮式机器人的底盘结构普遍为前后万向轮、左右驱动轮的菱形布置形式，通过差速实现转向，具有控制方式简单，行动灵活的优势，但只能适用于完全平坦的环境。

也有的轮式机器人底盘采用前面两个驱动轮、后面一个或者两个万向轮的结构形式，此类底盘一般布置成方形，虽然具备一定的越障碍技能里，但是稳定性较差，不能实现原地转向，灵活性不足。

也有一些机器人的底盘采用四轮驱动，或者履带式驱动轮的方式，在重载和越障方面性能优越，但在转弯过程中有轮子有滑动，造成轮速反馈不真实、误差大，难以做到精确控制。

而且上述结构的机器人底盘普遍没有配置碰撞检测装置，即使配置了碰撞检测装置的，也是采用一个或者几个微动触碰开关单独检测某个方向较小区域，难以实现全覆盖方式布置，结构复杂，且存在检测盲区。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种能适用于平坦和不平坦环境、越障能力强、全方位防碰撞的轮式机器人底盘。

本发明提供的这种轮式机器人底盘，包括圆形底板及连接于圆形底板上的前后两个万向轮和左右两个驱动轮，万向轮和驱动轮呈菱形布置，驱动轮连接有驱动装置。所述驱动轮及其驱动装置通过弹性悬挂装置连接于所述圆形底板上，圆形底板连接有碰撞检测装置，碰撞检测装置包括均布于圆形底板周缘的若干气压检测模块，气压检测模块检测到气压增大时输出碰撞信号，弹性悬挂装置使驱动轮保持与地面接触。

所述驱动装置为中空轴减速电机，其减速器端与电机端呈L型布置。

所述弹性悬挂装置包括支撑座、支撑轴、支架板、输出轴、拉簧和拉簧安装座，或者所述弹性悬挂装置包括支撑座、支撑轴、支架板、输出轴、压簧、压簧安装板和塞打螺栓；支架板有与所述驱动轮平行布置的两块，支架板的一端内侧有固定于所述安装底板上的支撑座，两支撑座之间垂直连接有支撑轴，支撑轴的两端穿过支架板，支架板可绕支撑轴转动，拉簧沿前后方向与驱动轮平行布置，拉簧安装座有前后两个，前面的拉簧安装座固定于两支架板的上侧，后面的拉簧安装座固定于所述安装底板上；压簧沿上下方向与驱动轮平行布置于两支架板之间的支撑座和减速电机的减速器端之间，其下端连接于两支架板之间的压簧安装板上，塞打螺栓从压簧的上端穿过直至穿过压簧安装板与所述安装底板紧固，使压簧处于预压紧状态。

所述驱动装置的减速器端固定于两支架板之间的另一端，输出轴的一端穿过减速器的空心轴与减速器之间通过平键连接、弹性挡圈轴向限位，输出轴的另一端与所述驱动轮之间可拆卸连接。

所述支撑座上支撑轴安装孔的下侧有开口槽，通过穿过开口槽两侧实体的紧固件将支撑轴锁紧。

所述驱动装置还包括编码器，编码器的固定端固定于所述支架板上，编码器的转子固定于所述输出轴上。

所述气压检测模块主要包括刚性骨架、柔性软盖、软管和气压检测模块，刚性骨架和柔性软盖均为弧形体，气压检测模块固定于刚性骨架的内侧，柔性软盖连接于刚性骨架的外侧，软管嵌装于刚性骨架和柔性软盖之间，软管的一端密封，另一端穿过刚性骨架与气压检测模块连接；若干气压检测模块围成包覆所述圆形底板周缘的环形体；柔性软盖受外力碰撞时产生弹性变形挤压软管，气压检测模块检测到软管内的气压增大并输出碰撞信号。

所述刚性骨架为硬质塑料体，采用注塑成型，其横截面为开口朝内的U型，其内壁有弧形加强筋，弧形加强筋和上下侧板之间有纵向连接筋；刚性骨架的外侧中部有开口朝外的U型弧形槽，外侧上部和下部对称设置有L型弧形槽。

所述柔性软盖的横截面形状为开口朝内的U型，U型的底边外外凸的弧形，U型的上边和下边分别插接于所述刚性骨架外壁上部和下部的L型弧形槽中，通过粘结胶与刚性骨架连为一体。

所述气压检测模块的数量为六个，相邻气压检测模块的软管之间有重叠段。

本发明的驱动轮通过弹性悬挂装置悬挂于轮式机器人底盘的底板上，在路面发生变化时，弹性悬挂装置具有自适应功能，使驱动轮始终保持与地面接触，始终具备驱动能力，使轮式机器人不仅适用于平坦的环境，也适用于不平坦的环境，越障能力强。本发明还在底盘圆形底板的周缘设置全方位的碰撞检测装置，碰撞检测装置通过不同位置的气压检测模块反应的气压变化来检测机器人的碰撞外力，实现全方位防碰撞。

附图说明

图1为本发明实施例一的轴侧结构示意图。

图2为本发明的主视示意图。

图3为图2的仰视示意图。

图4为图2的俯视示意图。

图5为图4中的B-B示意图。

图6为图5中的A部放大示意图。

图7为本实施例驱动轮及其驱动装置与弹性悬挂装置的装配放大示意图。

图8为图7的右视示意图。

图9为图7主视图的局部剖视示意图。

图10为图7的爆炸结构示意图。

图11为碰撞检测装置的结构示意图。

图12为图11的轴侧结构示意图。

图13为图11中的C部放大示意图。

图14为图12中的D部放大示意图。

图15为实施例二驱动轮及其驱动装置与弹性悬挂装置的装配放大示意图。

图16为图15的右视示意图。

图17为图15的轴侧结构示意图。

图18为图15的爆炸结构示意图。

具体实施方式

实施例一，如图1、图2所示，本实施例公开的这种轮式机器人底盘，包括圆形底板1、驱动轮2、万向轮安装座3、弹性悬挂装置4、碰撞检测装置5、底盘控制器6、激光雷达7、红外测距传感器8、万向轮9。

结合图1至图4可以看出，圆形底板1上连接有前、后两个万向轮9和左、右两个驱动轮2，两个万向轮9和两个驱动轮2呈菱形布置。

从图1可以看出，万向轮安装座3、弹性悬挂装置4、底盘控制器6和红外测距传感器8均安装于圆形底板1的上侧，激光雷达7通过支架安装于前方的万向轮安装座3上。底盘控制器6布置于两个弹性悬挂装置4之间，通过螺钉固定在圆形底板1上。底盘控制器6可直接与上层机器人控制器通信，采集和处理防跌落测距传感器和碰撞检测气压传感器的信号，采集两个无刷电机霍尔信号和编码器信号，用于左右两个驱动轮速度控制和启停。激光雷达7用于检测前方210°范围内，高度150mm平面内的障碍，用于底盘避障和导航。

结合图2和图3可以看出，本实施例的红外测距传感器8布置于驱动轮2和万向轮9的外侧，共有六个。六个红外测距传感器用于悬崖检测，实时检测其距离下方地面距离，信号发送给底盘控制器，一旦距离超过阀即为检测到悬崖，即可控制机器人停止。

结合图7至图10可以看出，弹性悬挂装置4包括安装底板41、支撑座42、支架板43、支撑轴44、减速电机45、输出轴46、压簧47、压簧安装板48、编码器49、平键411、塞打螺栓412、弹性挡圈413。

支架板43有两块，平行于驱动轮2布置。每块支架板43的一端内侧有支撑座42，支撑座42的上端通过螺钉紧固于安装底板41上。两支撑座42之间连接有支撑轴44，支撑轴44的两端穿过支架板43，支架板43可绕支撑轴44转动。支撑座42上支撑轴安装孔的下侧有开口槽421，通过穿过开口槽两侧实体的螺钉将支撑轴44锁紧。

减速电机45采用中空轴减速电机，其减速器端与电机端成L型布置，减速器端连接于两支架板43之间的另一端，减速器端的外壳通过螺钉与支架板43连接紧固。两支架板43之间在支撑座42和减速电机45的减速器端之间通过螺钉连接有水平布置的压簧安装板48，压簧47沿上下方向与驱动轮2平行布置于两支架板43之间的支撑座42和减速电机45的减速器端之间，压簧47的下端置于压簧安装板48上的安装孔中，塞打螺栓412从压簧47的下端穿过，直至穿过压簧安装板48与安装底板41紧固，压簧47的初始状态有一定的预压缩量。

减速电机45的减速器和驱动轮2之间通过输出轴46实现传动。输出轴46穿过减速电机45减速器的空心轴与减速器之间通过平键411连接，末端有弹性挡圈413轴向定位。输出轴46的另一端有法兰盘461，法兰盘通过螺钉与驱动轮2可拆卸连接。

编码器49的转子固定于输出轴46的另一端，编码器49的固定端固定于相应的支架板43上，可直接检测驱动轮的转动速度，避免装在电机末端给编码器信号带来电机和减速器本身误差影响。

由于减速电机45的输出轴与驱动轮2连接，减速电机45安装于支架板43上，支架板43铰接于支撑轴44上，支架板43可绕支撑轴转动，支撑轴44通过支撑座42固定于安装底板41上。安装底板41固定于圆形底板1上后，即整个驱动轮装置可绕支撑轴44转动，相当于将整个驱动轮装置悬挂于底盘的圆形底板1上。安装底板41和支架板43之间还连接有压簧47，压簧47在路面变化时具有自适应调整功能，使驱动轮2始终保持与地面接触。

一般状态时，支架板43的上限位面与安装底板41接触。当路面变化，安装底板41离地距离变大时，由于压簧47的压力作用使轮胎往下摆保持与地面接触，仍然具备驱动能力。支架板43的下限位面与安装底板41接触时，轮子位置即为下摆的最低位置。也就是说压簧作为弹性悬挂装置的自适应弹性调整构件。

当然，安装底板可以取消，本实施例直接将支撑座42连接于底盘的圆形底板1上。一般状态时，支架板43的上限位面与圆形底板1接触。当路面变化，安装底板41离地距离变大时，由于压簧47的压力作用使轮胎往下摆保持与地面接触，仍然具备驱动能力。支架板43的下限位面与圆形底板1接触时，轮子位置即为下摆的最低位置。

结合图6及图11至图14可以看出，本实施例的碰撞检测装置5包括六个气压检测模块51，每个气压检测模块51主要包括刚性骨架511、柔性软盖512、软管513和气压检测模块514。刚性骨架511和柔性软盖512均为弧形体，气压检测模块514固定于刚性骨架511的内侧，柔性软盖512连接于刚性骨架511的外侧，软管513嵌装于刚性骨架511和柔性软盖512之间，软管513的一端密封，另一端穿过刚性骨架511与气压检测模块514连接。六个气压检测模块514围成包覆圆形底板1周缘的环形体。软管513为硅胶软管。

刚性骨架511为硬质塑料体，采用注塑成型，其横截面为开口朝内的U型，其内壁有弧形加强筋5111，弧形加强筋5111和上下侧板之间有纵向连接筋5112。刚性骨架511的外侧中部有开口朝外的U型弧形槽5114，外侧上部和下部对称设置有L型弧形槽。柔性软盖515的横截面形状为开口朝内的U型，U型的底边外外凸的弧形，U型的上边和下边分别插接于刚性骨架511外壁上部和下部的L型弧形槽中，通过粘结胶与刚性骨架511连为一体。

如图14所示，相邻气压检测模块51的软管之间有重叠段。

六个气压检测模块用于检测较低矮障碍物(激光雷达无法检测)，实时检测软管内的气压，信号发送给底盘控制器，一旦出现气压值超过设定值即为检测到碰撞，即可控制机器人停止。并能根据六个碰撞模块信号大概判断障碍物方位，重新规划路径，控制机器人避障。

实施例二，本实施例与实施例一的区别在于弹性悬挂装置不同，其它结构通实施例一。

本实施例的弹性悬挂装置采用图15至图18的结构。

图15至图18所示的弹性悬挂装置与图7至图10所示弹性悬挂装置的区别在于：其自适应弹性调整构件采用拉簧LH。从而相应的结构改变主要是拉簧的布置及安装。

从图15至图18可以看出，拉簧LH沿前后方向平行于驱动轮2布置，一端的拉簧安装座LHZ连接于两支架板43的上侧，另一个拉簧安装座LHZ连接于安装底板41上。拉簧LH的一端直接挂于拉簧安装座LHZ上，另一端通过活接螺栓HJLS及锁紧螺母和调节螺母连接于拉簧安装座LHZ上。通过调整活结螺栓的安装位置来控制拉簧的拉伸量，可适用于不同重量的机器人底盘。图15至图18所示的悬挂装置的结构，工作原理同图7至图10结构的原理。

本发明具有以下优势：驱动轮悬挂于底板上，提升其越障能力，可跨越20mm高障碍，底盘采用圆形结构，万向轮和驱动轮呈菱形布置，使机器人行动简单、控制灵活，且可实现原地转向。底盘采用激光雷达作为主要导航避障碍传感器，具备远距离障碍检测性能，辅以六个气压式碰撞检测装置和六个红外测距传感器。通过底盘控制器，可同时采集两路电机霍尔信号和编码器转速信号能力，同时闭环控制两轮转速；可采集碰撞检测装置的气压传感器信号和防跌落的红外测距传感器信号，一旦检测信号超过设定阀值，在极短的反应时间内实现先紧急停止，再将状态上报上层机器人控制器。

Claims (10)

1.一种轮式机器人底盘，包括圆形底板及连接于圆形底板上的前后两个万向轮和左右两个驱动轮，万向轮和驱动轮呈菱形布置，驱动轮连接有驱动装置，其特征在于：所述驱动轮及其驱动装置通过弹性悬挂装置连接于所述圆形底板上，圆形底板连接有碰撞检测装置，碰撞检测装置包括均布于圆形底板周缘的若干气压检测模块，气压检测模块检测到气压增大时输出碰撞信号，弹性悬挂装置使驱动轮保持与地面接触。

2.如权利要求1所述的轮式机器人底盘，其特征在于：所述驱动装置为中空轴减速电机，其减速器端与电机端呈L型布置。

3.如权利要求2所述的轮式机器人底盘，其特征在于：所述弹性悬挂装置包括支撑座、支撑轴、支架板、输出轴、拉簧和拉簧安装座，或者所述弹性悬挂装置包括支撑座、支撑轴、支架板、输出轴、压簧、压簧安装板和塞打螺栓；支架板有与所述驱动轮平行布置的两块，支架板的一端内侧有固定于所述安装底板上的支撑座，两支撑座之间垂直连接有支撑轴，支撑轴的两端穿过支架板，支架板可绕支撑轴转动，拉簧沿前后方向与驱动轮平行布置，拉簧安装座有前后两个，前面的拉簧安装座固定于两支架板的上侧，后面的拉簧安装座固定于所述安装底板上；压簧沿上下方向与驱动轮平行布置于两支架板之间的支撑座和减速电机的减速器端之间，其下端连接于两支架板之间的压簧安装板上，塞打螺栓从压簧的上端穿过直至穿过压簧安装板与所述安装底板紧固，使压簧处于预压紧状态。

4.如权利要求3所述的轮式机器人底盘，其特征在于：所述驱动装置的减速器端固定于两支架板之间的另一端，输出轴的一端穿过减速器的空心轴与减速器之间通过平键连接、弹性挡圈轴向限位，输出轴的另一端与所述驱动轮之间可拆卸连接。

5.如权利要求3所述的轮式机器人底盘，其特征在于：所述支撑座上支撑轴安装孔的下侧有开口槽，通过穿过开口槽两侧实体的紧固件将支撑轴锁紧。

6.如权利要求3所述的轮式机器人底盘，其特征在于：所述驱动装置还包括编码器，编码器的固定端固定于所述支架板上，编码器的转子固定于所述输出轴上。

7.如权利要求1所述的轮式机器人底盘，其特征在于：所述气压检测模块主要包括刚性骨架、柔性软盖、软管和气压检测模块，刚性骨架和柔性软盖均为弧形体，气压检测模块固定于刚性骨架的内侧，柔性软盖连接于刚性骨架的外侧，软管嵌装于刚性骨架和柔性软盖之间，软管的一端密封，另一端穿过刚性骨架与气压检测模块连接；若干气压检测模块围成包覆所述圆形底板周缘的环形体；柔性软盖受外力碰撞时产生弹性变形挤压软管，气压检测模块检测到软管内的气压增大并输出碰撞信号。

8.如权利要求7所述的轮式机器人底盘，其特征在于：所述刚性骨架为硬质塑料体，采用注塑成型，其横截面为开口朝内的U型，其内壁有弧形加强筋，弧形加强筋和上下侧板之间有纵向连接筋；刚性骨架的外侧中部有开口朝外的U型弧形槽，外侧上部和下部对称设置有L型弧形槽。

9.如权利要求8所述的轮式机器人底盘，其特征在于：所述柔性软盖的横截面形状为开口朝内的U型，U型的底边外外凸的弧形，U型的上边和下边分别插接于所述刚性骨架外壁上部和下部的L型弧形槽中，通过粘结胶与刚性骨架连为一体。

10.如权利要求9所述的轮式机器人底盘，其特征在于：所述气压检测模块的数量为六个，相邻气压检测模块的软管之间有重叠段。