CN109131608B - 一种基于滚筒传送带和麦克纳姆轮的全向缓震底盘 - Google Patents

一种基于滚筒传送带和麦克纳姆轮的全向缓震底盘 Download PDF

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Abstract

一种基于滚筒传送带和麦克纳姆轮的全向缓震底盘，其特征在于：包括主体框架、滚筒机构、履带驱动机构、麦克纳姆轮独立悬挂轮组，麦克纳姆轮独立悬挂轮组对称安装在主体框架前端和后端的两侧；滚筒机构安装在主体框架后端，且滚筒机构对称设于主体框架后端的左右两部；履带驱动机构安装在主体框架中部，且履带驱动机构对称安装主体框架的中部的左右两侧。滚筒机构滚筒支架、滚筒，多个滚筒平行安装于滚筒支架上，滚筒支架固定于主体框架上。本发明具有增强底盘的麦克纳姆轮的着地性、能上下阶梯等优点。本发明属于全向移动机器人技术领域。

Description

一种基于滚筒传送带和麦克纳姆轮的全向缓震底盘
技术领域
本发明属于全向移动机器人技术领域，尤其涉及一种基于滚筒传送带和麦克纳姆轮的全向缓震底盘。
背景技术
麦克纳姆轮以其运动的灵活性和多样性，在全向移动机器人上得到了广泛的应用。基于麦克纳姆轮的全向移动机器人可以实现前行、横移、斜行、旋转及其组合等运动方式，但是当只有麦克纳姆轮与地面均匀接触时，机器人才能按照预定轨迹平稳的运行。但是实际路况，由于地面的不平整性，麦克纳姆轮的着地力是不均匀的，着地性较差，以至于运行时每个麦克纳姆轮受到的摩擦力不均匀，容易打滑，很难保证机器人按照预定的轨迹运行。因此，在不平整的路面上，应该最大限度的使每个麦克纳姆轮能够有效着地。进而，保证整个机器人的平稳性及水平性，能够更安全的运行完成任务。在某些地形中，基于麦克纳姆轮底盘的机器人需要爬上台阶以及通过崎岖的地形，麦克纳姆轮的性质使得只有普通底盘的机器人无法达到要求，目前现有的机器人或底盘无法爬上台阶以及通过崎岖的地形。面对这些地形，需要一种既具有使每个麦克纳姆轮都可以有效着地，又具有上下阶梯功能的全向底盘。
发明内容
针对上述问题，本发明提供一种基于滚筒传送带和麦克纳姆轮的全向缓震底盘，它具有增强底盘的麦克纳姆轮的着地性、能上下阶梯等优点。
一种基于滚筒传送带和麦克纳姆轮的全向缓震底盘，包括主体框架、滚筒机构、履带驱动机构、麦克纳姆轮独立悬挂轮组，麦克纳姆轮独立悬挂轮组对称安装在主体框架前端和后端的两侧；滚筒机构安装在主体框架后端，且滚筒机构对称设于主体框架后端的左右两部；履带驱动机构安装在主体框架中部，且履带驱动机构对称安装主体框架的中部的左右两侧。采用此结构，上阶梯时，底盘能通过滚筒机构形成的近似斜面将底盘前端的麦克纳姆轮抬起，此时底盘后端的两个麦克纳姆轮推动底盘前进，直到前端的麦克纳姆轮与台阶接触，紧接着再通过履带驱动机构与台阶接触，依靠带斜度的履带驱动机构将底盘后端的麦克纳姆轮抬起，从而实现底盘稳定地上下阶梯。
作为一种优选，滚筒机构滚筒支架、滚筒，多个滚筒平行安装于滚筒支架上，滚筒支架固定于主体框架上。采用此结构，结构简单，便于安装，多个滚筒并能使得底盘更轻易上阶梯。
作为一种优选，履带驱动机构包括同步轮支架、法兰轴承、带轴同步轮、滚筒、履带、驱动电机，两个同步轮支架分别通过螺钉固定在主体框架的上侧和下侧；带轴同步轮通过法兰轴承安装于同步轮支架；滚筒固定在主体框架上，滚筒、主体框架的上侧的同步轮支架、主体框架的下侧的同步轮支架由前至后依次设置于主体框架上；履带围绕两个带轴同步轮以及滚筒安装；驱动电机固定在一个同步轮支架上，驱动电机的电机轴和带轴同步轮连接。采用此结构，履带安装稳定，在上阶梯过程中，履带稳定工作，以保证底盘顺利上阶梯。
作为一种优选，滚筒包括筒体、滚筒转轴、无油衬套、尼龙垫圈、固定环、碳纤维管，筒体通过滚筒转轴安装于滚筒支架上；无油衬套穿套在滚筒转轴上，尼龙垫圈套在无油衬套上，碳纤维管套在尼龙垫圈上；固定环紧固在滚筒转轴上，且固定环位于筒体和滚筒支架之间，以限制无油衬套的轴向运动。采用此结构，滚筒结构简单，且较为耐用，并能承受较大的冲击力。
作为一种优选，履带下表面与水平面形成的角度为28°至32°。采用此结构，底盘驶上阶梯时主体框架不会太过于倾斜，从而避免底盘在上阶梯时后翻。
作为一种优选，驱动电机安装于履带驱动机构的内侧。采用此结构，避免外部冲撞对电机的损坏，能更好地保护驱动电机。
作为一种优选，麦克纳姆轮独立悬挂轮组包括铰链、悬挂板、麦克纳姆轮、驱动电机、电机座、避震器连接件、避震器、法兰、联轴器，铰链安装在主体框架上；悬挂板的一端与铰链连接，避震器两端通过避震器连接件分别和悬挂板、主体框架连接；电机座安装于悬挂板上，驱动电机安装于电机座上，并且驱动电机的电机轴通过联轴器和法兰的轴连接，法兰和麦克纳姆轮连接。采用此结构，能在撞击或地面较为不平坦时，吸收冲击力，从而减弱主体框架的震动幅度。
作为一种优选，每一麦克纳姆轮独立悬挂轮组的避震器为两根，两根避震器平行安装。采用此结构，能更多地吸收下阶梯或撞击或地面不平时的冲击力，且数量合理，成本较低。
作为一种优选，电机座包括底板、内端板和外端板，内端板和外端板对称设于底板的两侧；电机座通过底板固定在悬挂板上，电机固定于内端板上，法兰的轴通过轴承安装于外端板上。采用此结构，便于通过电机座将法兰、驱动电机连接，使内部结构布置更合理。
作为一种优选，还包括挡板，挡板设于麦克纳姆轮的外侧，螺钉依次穿过挡板、麦克纳姆轮、法兰从而将三者连接。采用此结构，挡板可以防钣金件损坏，避免损坏小滚轮导致无法转动影响底盘的运动，从而起到保护麦克纳姆轮的作用。
本发明的有益效果：
(1)在主体框架的后端安装滚筒机构，在主体框架的中部安装履带驱动机构，因此能通过滚筒机构、履带驱动机构、麦克纳姆轮独立悬挂轮组的配合，实现本底盘上阶梯。
(2)麦克纳姆轮独立悬挂轮组中在悬挂板和主体框架之间设置两根平行的避震器，因此能在地面不平或者撞击时，吸收较大的冲击力，从而减弱主体框架及整个底盘的震动幅度。
(3)履带驱动机构的履带的小表面和水平面的角度为28°至32°，因此在底盘驶上阶梯时主体框架不会太过于倾斜，从而避免底盘在上阶梯时后翻。
(4)履带驱动机构的驱动电机安装于履带驱动机构的内侧，麦克纳姆轮独立悬挂轮组的电机安装于电机座的内端，能避免外部冲撞对电机的损坏，因此能更好地保护驱动电机。
附图说明
图1是本发明实施例的结构示意图。
图2是本发明实施例的侧面剖视示意图。
图3是本发明实施例中滚筒机构的结构示意图。
图4是本发明实施例中履带驱动机构的结构示意图。
图5是本发明实施例中麦克纳姆轮独立悬挂轮组的结构示意图。
图6是本发明中滚筒机构与阶梯接触时的相对位置示意图。
图7是本发明中履带驱动机构与阶梯接触时的相对位置示意图。
其中，1-主体框架，2-滚筒支架，3-滚筒，4-滚筒转轴，5-无油衬套，6-尼龙垫圈，7-固定环，8-碳纤维管，9-同步轮支架，10-法兰轴承，11-带轴同步轮，12-履带，13-驱动电机，14-铰链，15-悬挂板，16-挡板，17-麦克纳姆轮，18-法兰，19-联轴器，20-电机座，21-避震器连接件，22-避震器。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的具体说明。
一种基于滚筒传送带和麦克纳姆轮的全向缓震底盘，包括主体框架、滚筒机构、履带驱动机构、麦克纳姆轮独立悬挂轮组，麦克纳姆轮独立悬挂轮组对称安装在主体框架前端和后端的两侧；滚筒机构安装在主体框架后端，且滚筒机构在主体框架的左右各一个；履带驱动机构安装在主体框架中部，且履带驱动机构安装主体框架的中部左右各一个。
滚筒机构包括滚筒支架2、滚筒3，滚筒安装于滚筒支架上，滚筒支架固定于主体框架上。在本实施例中，每个滚筒机构包括五个独立的滚筒3。每个独立的滚筒3包括筒体、滚筒转轴4、无油衬套5、尼龙垫圈6、固定环7、碳纤维管8。筒体通过滚筒转轴安装于滚筒支架上。无油衬套5穿套在滚筒转轴4上，尼龙垫圈6套在无油衬套5上，碳纤维管8套在尼龙垫圈6上；固定环7紧固在滚筒转轴4上，且固定环位于筒体和滚筒支架之间，以限制无油衬套5的轴向运动。因为滚筒机构的转动速度较低，受到径向冲击力较大，所以采用无油衬套5作为滑动轴承。
履带驱动机构包括同步轮支架9、法兰轴承10、带轴同步轮11、滚筒3、履带12、驱动电机13。主体框架左右两侧的履带驱动机构安装及连接关系一致。此处，以主体框架右侧的履带驱动机构为例来详细说明履带驱动机构的安装、连接关系。如图4，两个同步轮支架9通过螺钉固定在主体框架1上；其中，一个同步轮支架安装在主体框架的上侧，另一个同步轮支架安装在主体框架的下侧。每个同步轮支架上均安装带轴同步轮。滚筒3固定在主体框架1的预留位置上，且该滚筒的高度位置较主体框架的下侧的同步轮支架还低；滚筒、主体框架的上侧的同步轮支架、主体框架的下侧的同步轮支架由前至后依次设置于主体框架上。履带12围绕两个带轴同步轮11以及一个滚筒3安装。带轴同步轮通过法兰轴承安装于同步轮支架上，法兰轴承10的外圈过盈配合安装在同步轮支架9上，带轴同步轮11的轴与法兰轴承10内圈过盈配合。驱动电机13固定在其中一个同步轮支架9上，驱动电机的电机轴穿入带轴同步轮11中，并用紧定螺钉锁紧。在本实施例中，位于主体框架上侧的带轴同步轮11是驱动轮，驱动轮的电机的安装方于履带驱动机构的内侧，这样是为了避免外部冲撞对电机的损坏。位于主体框架下侧的带轴同步轮11是从动轮，与上方的驱动轮一起防止履带12左右滑动；滚筒3则与从动的带轴同步轮11一起使履带12形成特定的角度。在本实施例中，履带12下表面与水平面形成的角度为30°，这个角度可以使底盘驶上阶梯时主体框架1不会太过于倾斜，避免后翻。
麦克纳姆轮独立悬挂轮组包括铰链14、悬挂板15、挡板16、麦克纳姆轮17、法兰18、联轴器19、驱动电机13、电机座20、避震器连接件21、避震器22。铰链14直接安装在主体框架1上；悬挂板15的一端用M5螺钉与铰链14连接，悬挂板15的另一端安装避震器连接件21。一个避震器连接件21两侧各安装一根避震器22，两根避震器22上端固定在另一个避震器连接件21(也即上避震器连接件)上，最后上避震器连接件通过螺钉固定在主体框架1上。挡板16在麦克纳姆轮17的外侧，法兰18在麦克纳姆轮17的内侧，三颗螺钉圆周均布，螺钉依次穿过挡板16、麦克纳姆轮17、法兰18，从而将这三个构件连接在一起。法兰18的轴穿过电机座20外端的预留孔洞，驱动电机13安装于电机座的内端，驱动电机13的电机轴与法兰18的轴通过联轴器19连接，驱动电机13通过螺钉与联轴器19连接。
电机座20包括底板、内端板和外端板，内端板和外端板对称设于底板的两侧；电机座通过底板固定在悬挂板上，电机固定于内端板上，法兰的轴通过轴承安装于外端板上。
本全向缓震底盘正常运行时，带滚筒3的一端为后端，以这样的形式前进时，当麦克纳姆轮17受到冲击，冲击力与悬挂的缓冲方向较为近似，因此有比较好的缓震效果。挡板可以防钣金件损坏，避免损坏小滚轮，导致无法转动影响底盘的运动，从而起到保护麦克纳姆轮17的作用。当地面不平整时，每个轮所受的压力不同，避震器22将自动调整悬挂板15的角度从而改变麦克纳姆轮17的高度，从而使麦克纳姆轮自动适应不平整的地面，着地性更好，每个轮所受的力较为均匀。
本全向缓震底盘遇到台阶时，本全向缓震底盘采用倒车的方式翻越台阶。首先底盘掉头，此时认为带滚筒机构的一端为前端，使底盘前端的滚筒机构对准台阶，底盘朝着台阶前进，当滚筒机构接触到台阶时，滚筒机构形成的近似斜面将底盘前端的麦克纳姆轮17抬起，此时底盘后端的两个麦克纳姆轮17推动底盘前进，直到前端的麦克纳姆轮17与台阶接触，底盘继续前进，紧接着履带12与台阶接触，履带12的转动方向与麦克纳姆轮17相同，依靠带斜度的履带12将底盘后端的麦克纳姆轮17抬起，此时底盘继续前进直到后端的麦克纳姆轮17与台阶接触，当底盘后端的麦克纳姆轮17完全到达台阶上，整个翻越台阶的流程完成。下台阶时直接开下，依靠麦克纳姆轮独立悬挂轮组来减缓冲击力，保护底盘上搭载的设备。
上述实施例为发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于滚筒传送带和麦克纳姆轮的全向缓震底盘，其特征在于：包括主体框架、滚筒机构、履带驱动机构、麦克纳姆轮独立悬挂轮组，麦克纳姆轮独立悬挂轮组对称安装在主体框架前端和后端的两侧；滚筒机构安装在主体框架后端，且滚筒机构对称设于主体框架后端的左右两部；履带驱动机构安装在主体框架中部，且履带驱动机构对称安装主体框架的中部的左右两侧；滚筒机构滚筒支架、滚筒，多个滚筒平行安装于滚筒支架上，滚筒支架固定于主体框架上；滚筒包括筒体、滚筒转轴、无油衬套、尼龙垫圈、固定环、碳纤维管，筒体通过滚筒转轴安装于滚筒支架上；无油衬套穿套在滚筒转轴上，尼龙垫圈套在无油衬套上，碳纤维管套在尼龙垫圈上；固定环紧固在滚筒转轴上，且固定环位于筒体和滚筒支架之间，以限制无油衬套的轴向运动；麦克纳姆轮独立悬挂轮组包括铰链、悬挂板、麦克纳姆轮、驱动电机、电机座、避震器连接件、避震器、法兰、联轴器，铰链安装在主体框架上；悬挂板的一端与铰链连接，避震器两端通过避震器连接件分别和悬挂板、主体框架连接；电机座安装于悬挂板上，驱动电机安装于电机座上，并且驱动电机的电机轴通过联轴器和法兰的轴连接，法兰和麦克纳姆轮连接。
2.根据权利要求1所述一种基于滚筒传送带和麦克纳姆轮的全向缓震底盘，其特征在于：履带驱动机构包括同步轮支架、法兰轴承、带轴同步轮、滚筒、履带、驱动电机，两个同步轮支架分别通过螺钉固定在主体框架的上侧和下侧；带轴同步轮通过法兰轴承安装于同步轮支架；滚筒固定在主体框架上，滚筒、主体框架的上侧的同步轮支架、主体框架的下侧的同步轮支架由前至后依次设置于主体框架上；履带围绕两个带轴同步轮以及滚筒安装；驱动电机固定在一个同步轮支架上，驱动电机的电机轴和带轴同步轮连接。
3.根据权利要求2所述一种基于滚筒传送带和麦克纳姆轮的全向缓震底盘，其特征在于：履带下表面与水平面形成的角度为28°至32°。
4.根据权利要求2所述一种基于滚筒传送带和麦克纳姆轮的全向缓震底盘，其特征在于：驱动电机安装于履带驱动机构的内侧。
5.根据权利要求1所述一种基于滚筒传送带和麦克纳姆轮的全向缓震底盘，其特征在于：每一麦克纳姆轮独立悬挂轮组的避震器为两根，两根避震器平行安装。
6.根据权利要求1所述一种基于滚筒传送带和麦克纳姆轮的全向缓震底盘，其特征在于：电机座包括底板、内端板和外端板，内端板和外端板对称设于底板的两侧；电机座通过底板固定在悬挂板上，电机固定于内端板上，法兰的轴通过轴承安装于外端板上。
7.根据权利要求1所述一种基于滚筒传送带和麦克纳姆轮的全向缓震底盘，其特征在于：还包括挡板，挡板设于麦克纳姆轮的外侧，螺钉依次穿过挡板、麦克纳姆轮、法兰从而将三者连接。
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