CN108544909A - 一种基于剪叉结构的差速驱动模块 - Google Patents

一种基于剪叉结构的差速驱动模块 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于剪叉结构的差速驱动模块，其包括：支撑模块、升降模块、减震模块和驱动模块。通过更换支撑模块中的钣金件和铝合金板，可以将此模块安装到各种轮式移动机器人的底部，包括水平面底部、斜面底部及异型面底部，用来驱动不同的轮式移动机器人。此模块采用升降结构，使得装配有此模块的轮式移动机器人具有主动和被动两种工作模式，方便操作。此外，此模块添加了减震模块，在缓解由于路面不平导致的轮式移动机器人振动的同时，还可以保证两个车轮与地面的正压力近似相等和此模块高度适宜，从而提高轮式移动机器人的控制性能。此模块还采用了差速驱动结构，使得轮式移动机器人的控制方式相对简单、生产和维护成本更低。

Description

一种基于剪叉结构的差速驱动模块
技术领域
本发明涉及一种基于剪叉结构的差速驱动模块，此类驱动模块特别适用于驱动主被动两种驱动模式的轮式移动机器人。
背景技术
随着智能化社会的到来，机器人已经融入到了人类社会的很多领域。移动机器人是机器人研究当中的一个重要领域，而轮式移动机器人是应用最为广泛的移动机器人之一。轮式移动机器人研究的一种重要研究内容是驱动模块的研究，轮式移动机器人驱动模块的设计对专业知识的需求比较高，因此，设计一种通用的轮式机器人的驱动模块可以有效促进轮式移动机器人的发展。此外，由于电力存储技术发展相对迟缓，电池的续航能力成为了衡量轮式移动机器人续航能力的关键指标之一。当轮式移动机器人的电力用尽之后，其自主移动无法实现，强行推动它可能导致驱动电机损坏。因此，同时拥有主动和被动两种驱动模式的驱动模块有了应用的背景。
综上所述，设计一种拥有主动和被动两种运动模式的差速驱动模块非常必要。
发明内容
本发明的目的是设计一种基于剪叉结构的差速驱动模块。本发明在主动模式下驱动轮式移动机器人运动，在被动模式下可以跟随轮式移动机器人运动。
本发明是采用以下技术手段实现的：
该机构由支撑模块、升降机构、减震机构、驱动机构构成。该模块包含支撑钣金四个(两种)、一套升降机构、四套减震单元和两套驱动单元。
支撑模块由四个(两种)钣金件和一块铝合金板组成。可以通过更换不同规格的钣金件和铝合金板，将此基于剪叉结构的差速驱动模块安装到各种轮式移动机器人的底部，包括水平面底部、斜面底部及异性面底部，用来驱动不同的轮式移动机器人。
升降机构包含一个直流驱动电机、一个直流驱动电机固定座、两个深沟球轴承、一对圆柱齿轮、一套丝杠螺母机构、一个丝杠螺母固定座、一个滑块、一个横杆、四个支撑杆、八个(两种)支撑杆支撑座、十八个(三种)滑动轴承、四个直线导轨、三块(三种)铝合金板和若干螺钉和螺母组成。在升降机构工作的过程中，由于直流驱动电机的转子跟圆柱齿轮对的主动轮固连，直流驱动电机的转子在旋转时驱动圆柱齿轮主动轮转动，圆柱齿轮对主从动轮通过啮合传动，将旋转运动传递到圆柱齿轮对的从动轮上。由于圆柱齿轮对的从动轮与丝杠螺母的丝杠固连，圆柱齿轮对从动轮驱动丝杠旋转，通过丝杠螺母结构将丝杠的旋转运动转换为螺母的直线运动，由于螺母和滑块固连，在螺母做直线运动的时候，滑块跟随螺母也做直线运动。滑块和横杆插入装配(之间有两个滑动轴承)，因此横杆可以随着滑块运动。横杆插入远离齿轮对的那个支撑杆的上方的孔中，横杆两端各通过安装一个十字平头螺钉和一个垫片连接到支撑杆支撑座。四个支撑杆两两组合，形成两个“X”形的剪叉机构，在每个“X”形剪叉机构的交点位置通过内六角圆柱头轴肩螺钉和螺母连接，内六角圆柱头轴肩螺钉与每一个支撑杆之间都装配有一个滑动轴承。支撑杆上另外的孔分别通过一个内六角圆柱头轴肩螺钉、一个螺母和一个滑动轴承与支撑杆支撑座相连。靠近齿轮对一侧的四个支撑杆支撑座安装到上下两块铝合金板上，远离齿轮对一侧的四个支撑杆支撑座先安装到上下均分布两个的四个直线导轨上，然后四个直线导轨安装到上下两块铝合金板上。因此，当横杆做直线运动时，可以驱动剪叉机构开合。
减震机构由四个弹簧、四个垫片和四个内六角圆柱头螺钉组成。一个弹簧，一个垫片和一个内六角圆柱头螺钉组成一个减震单元，一共可以组成四个减震单元，四个减震单元分布在矩形铝合金板的四个角处。内六角圆柱头螺钉从上向下依次穿过上方铝合金板、弹簧和垫片拧入下方铝合金板。垫片为圆柱形垫片，其内径略大于内六角圆柱头螺钉螺纹大径，其外径略小于弹簧的内径，其作用是固定弹簧，使弹簧轴线与内六角圆柱头螺钉的轴线重合，使四个弹簧的受力近似相等。减震机构有三个作用，第一，连接升降机构和驱动机构，第二，缓解由于路面不平导致的轮式移动机器人的振动，第三、保证两个车轮与地面的正压力近似相等和基于剪叉结构的差速驱动模块高度适宜，从而提高轮式移动机器人的控制性能。
驱动机构采用差速驱动模块，包含两个驱动单元，每一个驱动单元包含一台直流电机(含电机、减速箱和编码器)、一个联轴器，一个车轮轴、一个车轮、一个电机座、两个车轮轴座、两个深沟球轴承和螺钉若干。通过直流电机自带的减速箱将电机的转速缩小，减速箱输出轴通过联轴器跟车轮轴相连接，车轮轴与车轮通过螺钉固连。车轮轴通过深沟球轴承安装到车轮轴座上。
采用以上设计方案，其特点是：
①采用四个支撑钣金件，可以通过替换不同规格的四个支撑钣金件和铝合金板，可以装配到不同的轮式移动机器人腹部，用于驱动不同的轮式移动机器人。
②采用剪叉结构，使得轮式移动机器人具有主动和被动两种工作模式，方便操作。
③采用减震模块，不但可以缓解由于路面不平导致的轮式移动机器人的颠簸，而且还可以保证两个车轮与地面的正压力近似相等和基于剪叉结构的差速驱动模块高度适宜，从而提高轮式移动机器人的控制性能。
④采用差速驱动结构，使得轮式移动机器人的控制方式相对简单、生产维护成本更低。
⑤采用差速驱动结构，差速驱动结构不满足平面运动中的稳定性要求。因此，还要配置适当数量的从动轮，以确保轮式移动机器人整体的稳定性。
⑥通过升降驱动电机驱动剪叉机构升长，使车轮与地面存在一定大小的正压力，可以使轮式移动机器人在主动模式下工作，主动轮驱动智能工具车运动。通过升降驱动电机驱动剪叉机构缩短，使车轮离开地面，可以使轮式移动机器人在被动模式下工作，即推动轮式移动机器人运动。
附图说明
图1为一种基于剪叉结构的差速驱动模块主视图；
图2为一种基于剪叉结构的差速驱动模块俯视图；
图3为一种基于剪叉结构的差速驱动模块左视图；
图4为支撑模块轴测视图；
图5为支撑模块左视图；
图6为升降机构主视图；
图7为升降机构左视图；
图8为减震机构；
图9为驱动单元主视图；
图10为驱动单元俯视图。
图中：1为车轮，2为驱动模块铝合金板，3为压缩弹簧，4为升降结构下铝合金板，5为减震螺钉，6为支撑杆连接螺钉，7为支撑模块连接螺钉，8为支撑模块连接螺栓，9为横杆固定螺钉，10为横杆固定垫片，11为升降驱动模块固定螺钉，12为滑块，13为横杆滑动轴承，14为M3*10十字平头螺钉，15为升降电机座，16为升降结构上铝合金板，17为横杆，18为支撑杆-固定座滑动轴承，19为支撑模块铝合金板，20为升降驱动电机，21为支撑杆-支撑杆滑动轴承，22为支撑杆连接螺母，23为支撑座安装螺钉，24为车轮轴，25为车轮轴深沟球轴承，26为车轮安装螺钉，27为驱动电机安装螺钉，28为减震垫片，29为驱动电机，30为驱动电机安装座，31为联轴器，32为M3*12内六角圆柱头螺钉，33为支撑模块-升降机构连接螺钉，34为车轮轴安装座，35为直线导轨，36为支撑杆小固定座，37为齿轮对，38为升降电机安装座，39为第一钣金，40为丝杠螺母机构，41为丝杠螺母深沟球轴承，42为丝杠螺母机构固定座，43为支撑杆，44为第二钣金，45为支撑杆大支撑座，46为M3*10内六角圆柱头螺钉。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明进行详细描述。
如图1、图2、图3所示，一种基于剪叉结构的差速驱动模块由支撑模块、剪叉机构、减震模块和驱动模块组成。
如图4、图5所示，两个第一钣金(39)和两个第二钣金(44)分别通过支撑模块连接螺钉(8)和支撑模块连接螺栓(7)连接在一起。
如图6、图7所示，升降驱动电机(20)通过M3*10十字平头螺钉(14)安装到升降电机安装座(38)上，升降电机安装座(38)通过M3*10十字平头螺钉(14)安装到升降电机座(15)，升降电机座(15)通过升降驱动模块固定螺钉(11)安装到剪叉结构上铝合金板(16)上。齿轮对(37)通过自带的螺钉安装到升降驱动电机(20)的输出轴上。齿轮对(37)的另一个齿轮安装到丝杠螺母机构(40)的丝杠上。丝杠螺母机构(40)丝杠的一端通过丝杠螺母深沟球轴承(41)安装到丝杠螺母机构固定座(42)上，另一端通过丝杠螺母深沟球轴承(41)安装到升降电机安装座(38)上。丝杠螺母机构固定座(42)通过升降驱动模块固定螺钉(11)安装到剪叉结构上铝合金板(16)上。丝杠螺母机构(40)的螺母与滑块(12)通过M3*10内六角圆柱头螺钉(46)固连。横杆(17)穿过滑块(12)，横杆(17)与滑块(12)之间安装有横杆滑动轴承(13)。横杆(17)穿过支撑杆(43)和支撑杆小固定座(36)。横杆(17)和支撑杆(43)之间安装有支撑杆-固定座滑动轴承(18)。横杆(17)两端装配有横杆固定螺钉(9)和横杆固定垫片(10)用于固定横杆(17)沿轴向的运动。。与横杆(17)相连的那一侧的支撑杆(43)的一端通过支撑杆连接螺钉(6)和支撑杆连接螺母(22)与支撑杆小固定座(36)相连，支撑杆(44)和支撑杆连接螺母(22)之间安装有支撑杆-固定座滑动轴承(18)。组成同一个“X”的支撑杆(43)的中点处通过支撑杆连接螺钉(6)和支撑杆连接螺母(22)相连，支撑杆(43)和支撑杆连接螺钉(6)之间安装有支撑杆-支撑杆滑动轴承(21)上方。剩下的支撑杆(43)的一端通过支撑杆连接螺钉(6)和支撑杆连接螺母(22)与支撑杆大支撑座(45)相连，支撑杆(43)和支撑杆连接螺母(22)之间安装有支撑杆-固定座滑动轴承(18)。支撑杆小支撑座(36)通过支撑座安装螺钉(23)安装到直线导轨(35)上。位于支撑杆(43)上端的直线导轨(35)和支撑杆大支撑座(45)通过M3*10内六角圆柱头螺钉(46)安装到升降机构上铝合金板(16)上。位于支撑杆(43)下端的直线导轨(35)和支撑杆大支撑座(45)通过M3*10内六角圆柱头螺钉(46)安装到升降机构下铝合金板(4)上。
如图8所示，减震螺钉(5)一次穿过升降结构下铝合金板(4)、压缩弹簧(3)、减震垫片(28)拧入驱动模块铝合金板(2)。
如图9、图10所示，驱动电机(29)通过驱动电机安装螺钉(27)安装到驱动电机安装座(30)上。驱动电机安装座(30)通过M3*12内六角圆柱头螺钉(32)安装到驱动模块铝合金板(2)上。车轮(1)通过车轮安装螺钉(26)安装到车轮轴(24)上。车轮轴(24)通过车轮轴深沟球轴承(25)安装到两个车轮轴安装座(34)上。两个车轮轴安装座(34)通过M3*12内六角圆柱头螺钉(32)安装到驱动模块铝合金板(2)上。车轮轴(24)和驱动电机(29)的输出轴之间通过联轴器(31)相连。

Claims (5)

1.一种基于剪叉结构的差速驱动模块，其特征在于：
升降驱动电机(20)安装到升降电机安装座(38)上，升降电机安装座(38)通安装到升降电机座(15)，升降电机座(15)安装到剪叉结构上铝合金板(16)上；齿轮对(37)通过自带的螺钉安装到升降驱动电机(20)的输出轴上；齿轮对(37)的一个齿轮安装到丝杠螺母机构(40)的丝杠上；丝杠螺母机构(40)丝杠的一端通过丝杠螺母深沟球轴承(41)安装到丝杠螺母机构固定座(42)上，另一端通过丝杠螺母深沟球轴承(41)安装到升降电机安装座(38)上；丝杠螺母机构固定座(42)通过升降驱动模块固定螺钉(11)安装到剪叉结构上的铝合金板(16)上；丝杠螺母机构(40)的螺母与滑块(12)固连；横杆(17)穿过滑块(12)，横杆(17)与滑块(12)之间安装有横杆滑动轴承(13)；横杆(17)穿过支撑杆(43)和支撑杆小固定座(36)；横杆(17)和支撑杆(43)之间安装有支撑杆-固定座滑动轴承(18)；横杆(17)两端装配有横杆固定螺钉(9)和横杆固定垫片(10)用于固定横杆(17)沿轴向的运动；与横杆(17)相连的那一侧的支撑杆(43)的一端通过支撑杆连接螺钉(6)和支撑杆连接螺母(22)与支撑杆小固定座(36)相连，支撑杆(44)和支撑杆连接螺母(22)之间安装有支撑杆-固定座滑动轴承(18)；组成同一个“X”的支撑杆(43)的中点处通过支撑杆连接螺钉(6)和支撑杆连接螺母(22)相连，支撑杆(43)和支撑杆连接螺钉(6)之间安装有支撑杆-支撑杆滑动轴承(21)上方；支撑杆(43)的一端通过支撑杆连接螺钉(6)和支撑杆连接螺母(22)与支撑杆大支撑座(45)相连，支撑杆(43)和支撑杆连接螺母(22)之间安装有支撑杆-固定座滑动轴承(18)；支撑杆小支撑座(36)通过支撑座安装螺钉(23)安装到直线导轨(35)上；位于支撑杆(43)上端的直线导轨(35)和支撑杆大支撑座(45)安装到升降机构上铝合金板(16)上；位于支撑杆(43)下端的直线导轨(35)和支撑杆大支撑座(45)安装到升降机构下铝合金板(4)上；
减震螺钉(5)一次穿过升降结构下铝合金板(4)、压缩弹簧(3)、减震垫片(28)拧入驱动模块铝合金板(2)；
驱动电机(29)安装到驱动电机安装座(30)上；驱动电机安装座(30)安装到驱动模块铝合金板(2)上；车轮(1)安装到车轮轴(24)上；车轮轴(24)通过车轮轴深沟球轴承(25)安装到两个车轮轴安装座(34)上；两个车轮轴安装座(34)安装到驱动模块铝合金板(2)上；车轮轴(24)和驱动电机(29)的输出轴之间通过联轴器(31)相连。
2.根据权利要求1所述的基于剪叉结构的差速驱动模块，其特征在于，采用四个支撑钣金件，通过更换不同规格的钣金件和铝合金板，将此基于剪叉机构的差速驱动模块安装到各种轮式移动机器人的底部，包括水平面底部、斜面底部和/或异性面底部，用来驱动不同的轮式移动机器人。
3.根据权利要求1所述的基于剪叉结构的差速驱动模块，其特征在于，采用剪叉结构，使得轮式移动机器人具有主动和被动两种工作模式。
4.权利要求1所述的基于剪叉结构的差速驱动模块，其特征在于，两套剪叉结构平行布置，有利于车轮受力均衡。
5.权利要求1所述的基于剪叉结构的差速驱动模块，其特征在于，还要配置从动轮，以确保轮式移动机器人整体的稳定性。
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Application publication date: 20180918

Assignee: CIC LUOYANG HEAVY MACHINERY CO.,LTD.

Assignor: Beijing University of Technology

Contract record no.: X2024980000192

Denomination of invention: A Differential Drive Module Based on Scissor Fork Structure

Granted publication date: 20201013

License type: Common License

Record date: 20240105

Application publication date: 20180918

Assignee: Henan SanRui Technology Co.,Ltd.

Assignor: Beijing University of Technology

Contract record no.: X2024980000171

Denomination of invention: A Differential Drive Module Based on Scissor Fork Structure

Granted publication date: 20201013

License type: Common License

Record date: 20240105

Application publication date: 20180918

Assignee: LUOYANG GUANGWEI PRECISION TECHNOLOGY CO.,LTD.

Assignor: Beijing University of Technology

Contract record no.: X2024980000159

Denomination of invention: A Differential Drive Module Based on Scissor Fork Structure

Granted publication date: 20201013

License type: Common License

Record date: 20240104

Application publication date: 20180918

Assignee: Luoyang Guanjie Electric Control Technology Co.,Ltd.

Assignor: Beijing University of Technology

Contract record no.: X2024980000157

Denomination of invention: A Differential Drive Module Based on Scissor Fork Structure

Granted publication date: 20201013

License type: Common License

Record date: 20240104

Application publication date: 20180918

Assignee: Luoyang Tiangang Trading Co.,Ltd.

Assignor: Beijing University of Technology

Contract record no.: X2024980000145

Denomination of invention: A Differential Drive Module Based on Scissor Fork Structure

Granted publication date: 20201013

License type: Common License

Record date: 20240104

Application publication date: 20180918

Assignee: Luoyang Jingrui Industrial Technology Co.,Ltd.

Assignor: Beijing University of Technology

Contract record no.: X2024980000073

Denomination of invention: A Differential Drive Module Based on Scissor Fork Structure

Granted publication date: 20201013

License type: Common License

Record date: 20240104