CN109466312B - 一种全方位移动机器人及其车轮装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种全方位移动机器人的车轮装置，涉及机器人技术领域，包括移动机器人车身、用于驱动车轮转动的转动驱动机构、用于驱动车轮转向的转向驱动机构、用于支撑连接的底盘和车轮机构、用于减震的减震装置及用于传递动力的传动机构。本发明在不改变普通车轮结构的基础上，将转动驱动电机和转向驱动电机固定安装，使用花键轴，集成驱动、转向和减震功能，实现车轮装置的模块化一体式设计，驱动电机和转向电机在控制器的控制下实现车轮转动和转向的独立驱动，并对转向过程中引起的车轮转动进行解耦，消除耦合作用，保障车轮灵活转动和转向，底盘和车身之间通过空气弹簧连接，提高了移动机器人车身的平稳性和舒适性。

Description

一种全方位移动机器人及其车轮装置
技术领域
本发明涉及机器人技术领域，具体涉及一种多轮独立驱动和转向移动机器人的车轮装置。
背景技术
移动机器人是自动执行工作的机器装置。它既可以接受人类指挥，又可以运行预先编排的程序，也可以根据以人工智能技术制定的原则纲领行动。轮式移动机器人是移动机器人中的一种，其移动性能主要取决于车轮机械结构、车轮组合形式等因素。为了使移动机器人能够在狭窄空间中灵活运动，不仅需要移动机器人具有全方位的移动功能，还需要对车轮的机械结构和驱动方式进行设计和协调。
为了实现移动机器人的全方位移动功能，可以采用特殊结构的车轮，例如麦克纳姆(Mecanum)轮和瑞典全向轮。但这些车轮成本高，同时，车轮圆周并非完整的圆，导致与地面接触时产生周期性震动，明显影响移动机器人的平稳性。因此，更理想的方式是使用具有独立驱动和转向功能的车轮。
通过专利检索，存在以下已知的技术方案：
专利1：
申请号：CN201410835850，申请日：2014.12.29，授权公告日：2015.05.06，本发明公开了一种具有相对位姿检测功能的全方位轮式移动机器人，其特征在于：底盘由四个主动轮和三个从动轮组成，每个主动轮能够独立驱动和转向，通过协调控制，实现机器人的灵活运动；底盘移动时带动三个从动轮转动，通过三个全向轮的组合转速测量，可以检测机器人的相对位姿变化。本发明移动机器人机械设计结构紧凑，平台具有灵活的运动性能，可以自动检测平台的运动位姿增量，并且能够在复杂的路面上平稳行驶。通过增加车载外部传感器，该移动机器人平台可以用于在城区环境中进行环境探测、自主定位和导航，还可以进行地球外星体探测等。从动轮系的组合设计，为移动平台的快速智能化和机器人化改造提供了一种低成本、易于计算的位姿检测信息。
该专利使用轮毂电机作为驱动电机，节省中间传动机构，但轮毂电机的电线在转向过程中容易缠绕，布线困难。
专利2：
申请号：CN201610368798，申请日：2016.05.27，授权公告日：2016.08.24，本发明公开了一种全向移动平台及其动力万向轮。该动力万向轮包括上架体、下架体、滚轮、第一电机以及第二电机。下架体可转动地连接于上架体。滚轮可转动地安装于下架体。第一电机安装于上架体并用于驱动下架体转动。第二电机与滚轮关联以驱动滚轮滚动。下架体的转动与滚轮的滚动分别通过第一电机和第二电机独立控制。本发明的全向移动平台在运行过程中，转向和驱动运动自由度之间无耦合，从而保证在执行转向运动时没有额外的滚轮滚动运动输出，无需进行加入专门的机构去解耦，因此结构简单，并且运行过程中无侧滑，转向运动柔顺，运动控制精度高。
该专利使用齿轮传动，将驱动电机、转向电机的转动传递给万向轮，设计巧妙，但车轮不具备减震功能。
此外为了满足减震要求，现有技术中存在车轮侧方安装弹簧减震器的技术方案，但其结构不够紧凑，难以适应移动机器人的整体设计、布置要求。
通过以上的检索发现，以上技术方案没有影响本发明的新颖性；并且以上专利文件的相互组合没有破坏本发明的创造性。
发明内容
本发明正是为了避免上述现有技术所存在的不足之处，提供了一种全方位移动机器人及其车轮装置。
本发明为解决技术问题采用如下技术方案：一种全方位移动机器人的车轮装置，转动驱动机构和转向驱动机构安装于底盘上，各导向轴固定连接于所述底盘上，所述导向轴上安装有直线滚动轴承，支撑圆盘与所述转向驱动机构的输出端连接，波纹管弹性连接器连接于所述支撑圆盘底部，构成减震装置；车轮固定于车轮转轴上，所述车轮转轴通过轴承与车轮支架转动连接，构成车轮机构；所述车轮支架位于所述减震装置下方，其圆盘状顶部通过所述波纹管弹性连接器与所述支撑圆盘连接，圆盘状顶部侧缘通过各直线滚动轴承与各所述导向轴连接；
水平转轴位于所述车轮转轴上方，平行于所述车轮转轴设置，所述水平转轴通过轴承与所述车轮支架转动连接，第一车轮同步带轮和第二车轮同步带轮分别与所述车轮转轴和所述水平转轴固连，车轮同步带安装于所述第一车轮同步带轮和所述第二车轮同步带轮上；花键轴竖直设置，并通过花键轴轴承与所述车轮支架转动连接，其底端固连水平锥齿轮，所述水平锥齿轮与固连于所述水平转轴上的竖直锥齿轮啮合，构成传动机构；所述花键轴连接至所述转动驱动机构的输出端。
进一步的，各减震导向轴竖直设于所述支撑圆盘和所述车轮支架之间，所述减震导向轴顶端与所述支撑圆盘固连，其底端穿过设于所述车轮支架上的通孔设置，并通过安装于其上的减震直线轴承与所述车轮支架连接。
进一步的，各液压缓冲器设于所述支撑圆盘和所述车轮支架之间，所述液压缓冲器的本体与所述支撑圆盘固连，其缓冲器伸缩杆末端固设缓冲器接触头，所述缓冲器接触头与所述车轮支架顶部压紧接触。
进一步的，转动驱动电机、转动减速器、花键螺母支承座和驱动编码器支架均安装于所述底盘上，驱动编码器安装于所述驱动编码器支架上；所述转动驱动电机的输出端连接至所述转动减速器的输入端，第一转动同步带轮固连至所述转动减速器的输出端，第二转动同步带轮与滚珠花键螺母固连，并通过所述滚珠花键螺母与所述花键螺母支承座转动连接，转动同步带安装于所述第一转动同步带轮和所述第二转动同步带轮上，构成所述转动驱动机构；所述花键轴与所述滚珠花键螺母装配连接。
进一步的，转向驱动电机、转向减速器、转向编码器支架和交叉滚子轴承外圈均安装于所述底盘上，转向编码器安装于所述转向编码器支架上；所述转向驱动电机的输出端连接至所述转向减速器的输入端，第一转向同步带轮固连至所述转向减速器的输出端，第二转向同步带轮与交叉滚子轴承内圈固连，并通过所述交叉滚子轴承内圈与所述交叉滚子轴承外圈转动连接，转向同步带安装于所述第一转向同步带轮和所述第二转向同步带轮上，构成所述转向驱动机构；所述支撑圆盘与所述交叉滚子轴承内圈固连。
进一步的，所述导向轴的数量为四个，四个所述导向轴对称设于所述车轮支架四周。
进一步的，所述减震导向轴的数量为两个，两个所述减震导向轴对称设于所述波纹管弹性连接器两侧。
进一步的，所述液压缓冲器的数量为两个，两个所述液压缓冲器对称设于所述波纹管弹性连接器两侧。
一种全方位移动机器人，各车轮装置安装于底盘上，移动机器人车身设于底盘上方，所述底盘顶部对应所述车轮装置的数量和位置设置各空气弹簧，所述移动机器人车身通过各所述空气弹簧与所述底盘连接。
进一步的，所述空气弹簧为橡胶空气弹簧。
本发明提供了一种移动机器人及其车轮装置，具有以下有益效果：
1、在不改变普通车轮结构的基础上，将转动驱动电机和转向驱动电机固定安装，使用花键轴，集成驱动、转向和减震功能，实现车轮装置的模块化一体式设计，驱动电机和转向电机在控制器的控制下实现车轮转动和转向的独立驱动，并对转向过程中引起的车轮转动进行解耦，消除耦合作用，保障车轮灵活转动和转向；
2、车轮和底盘之间设有减震装置，保证车轮与地面良好接触，底盘和车身之间通过空气弹簧连接，提高了移动机器人车身的平稳性和舒适性；
3、减震装置集成于车轮上方，为设计满足复杂地形要求的全方位移动机器人提供便利。
附图说明
图1为本发明车轮装置的基本组成；
图2为本发明车轮装置的主视图；
图3为本发明车轮装置的侧视图；
图4为正常路面行驶时车轮装置的工作状况示意图；
图5为路面有凸起物时车轮装置的工作状况示意图；
图6为路面有凸起物且车轮顺时针转向90°时的工作状况示意图；
图7为本发明移动机器人的主视图。
图中：
1、转动驱动机构，11、转动驱动电机，12、转动减速器，13、驱动编码器支架，14、驱动编码器，15、第一转动同步带轮，16、第二转动同步带轮，17、转动同步带，18、滚珠花键螺母，19、花键螺母支承座；2、转向驱动机构，21、转向驱动电机，22、转向减速器，23、转向编码器支架，24、转向编码器，25、第一转向同步带轮，26、第二转向同步带轮，27、转向同步带，28、交叉滚子轴承内圈，29、交叉滚子轴承外圈；3、底盘；4、减震装置，41、支撑圆盘，42、波纹管弹性连接器，43、导向轴，44、直线滚动轴承；45、减震弹簧，46、液压缓冲器，47、缓冲器伸缩杆，48、缓冲器接触头，49、减震导向轴，40、减震直线轴承；5、车轮机构，51、车轮支架，52、车轮转轴，53、车轮；6、传动机构，61、第一车轮同步带轮，62、第二车轮同步带轮，63、车轮同步带，64、水平转轴，65、竖直锥齿轮，66、花键轴，67、花键轴轴承，68、水平锥齿轮；7、移动机器人车身；8、空气弹簧。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1～图6所示，一种全方位移动机器人的车轮装置结构关系为：转动驱动机构1和转向驱动机构2安装于底盘3上，各导向轴43固定连接于底盘3上，导向轴43上安装有直线滚动轴承44，支撑圆盘41与转向驱动机构1的输出端连接，波纹管弹性连接器42连接于支撑圆盘41底部，构成减震装置4；车轮53固定于车轮转轴52上，车轮转轴52通过轴承与车轮支架51转动连接，构成车轮机构5；车轮支架51位于减震装置4下方，其圆盘状顶部通过波纹管弹性连接器42与支撑圆盘41连接，圆盘状顶部侧缘通过各直线滚动轴承44与各导向轴43连接；
水平转轴64位于车轮转轴52上方，平行于车轮转轴52设置，水平转轴64通过轴承与车轮支架51转动连接，第一车轮同步带轮61和第二车轮同步带轮62分别与车轮转轴52和水平转轴64固连，车轮同步带63安装于第一车轮同步带轮61和第二车轮同步带轮62上；花键轴66竖直设置，并通过花键轴轴承67与车轮支架51转动连接，其底端固连水平锥齿轮68，水平锥齿轮68与固连于水平转轴64上的竖直锥齿轮65啮合，构成传动机构6；花键轴66连接至转动驱动机构1的输出端。
优选的，各减震导向轴竖直设于支撑圆盘41和车轮支架51之间，减震导向轴49顶端与支撑圆盘41固连，其底端穿过设于车轮支架51上的通孔设置，并通过安装于其上的减震直线轴承40与车轮支架51连接。
优选的，各液压缓冲器46设于支撑圆盘41和车轮支架51之间，液压缓冲器46的本体与支撑圆盘41固连，其缓冲器伸缩杆47末端固设缓冲器接触头48，缓冲器接触头48与车轮支架51顶部压紧接触。
优选的，转动驱动电机11、转动减速器12、花键螺母支承座19和驱动编码器支架13均安装于底盘3上，驱动编码器14安装于驱动编码器支架13上；转动驱动电机11的输出端连接至转动减速器12的输入端，第一转动同步带轮15固连至转动减速器12的输出端，第二转动同步带轮16与滚珠花键螺母18固连，并通过滚珠花键螺母18与花键螺母支承座19转动连接，转动同步带17安装于第一转动同步带轮15和第二转动同步带轮16上，构成转动驱动机构1；花键轴66与滚珠花键螺母18装配连接。
优选的，转向驱动电机21、转向减速器22、转向编码器支架23和交叉滚子轴承外圈29均安装于底盘3上，转向编码器24安装于转向编码器支架23上；转向驱动电机21的输出端连接至转向减速器22的输入端，第一转向同步带轮25固连至转向减速器22的输出端，第二转向同步带轮26与交叉滚子轴承内圈28固连，并通过交叉滚子轴承内圈28与交叉滚子轴承外圈29转动连接，转向同步带27安装于第一转向同步带轮25和第二转向同步带轮26上，构成转向驱动机构2；支撑圆盘41与交叉滚子轴承内圈28固连。
优选的，导向轴43的数量为四个，四个导向轴43对称设于车轮支架51四周。
优选的，减震导向轴49的数量为两个，两个减震导向轴49对称设于波纹管弹性连接器42两侧。
优选的，液压缓冲器46的数量为两个，两个液压缓冲器46对称设于波纹管弹性连接器42两侧。
如图7所示，一种全方位移动机器人结构关系为：各车轮装置安装于底盘3上，移动机器人车身7设于底盘3上方，底盘3顶部对应车轮装置的数量和位置设置各空气弹簧8，移动机器人车身7通过各空气弹簧8与底盘3连接。
优选的，空气弹簧8为橡胶空气弹簧。
具体使用时，转动驱动电机11工作时，其输出的转速经转动减速器12减速后输出至第一转动同步带轮15，第一转动同步带轮15将动力经转动同步带17传递至第二转动同步带轮16，第二转动同步带轮16带动与其连接的滚珠花键螺母18转动，进而驱动花键轴66转动。连接于花键轴66底端的水平锥齿轮68跟随花键轴66转动，并将动力传递给与其啮合的竖直锥齿轮65，竖直锥齿轮65带动与其连接的水平转轴64及连接于水平转轴64上的第二车轮同步带轮62转动，第二车轮同步带轮62转动经车轮同步带63将动力传递至第一车轮同步带轮61，第一车轮同步带轮61带动与其连接的车轮转轴52转动，最终驱动连接于车轮转轴52上的车轮53转动。驱动编码器14用于测量车轮转动的速度。
转向驱动电机21工作时，其输出的转角经转向减速器22减速后输出至第一转向同步带轮25，第一转向同步带轮25将动力经转向同步带27传递至第二转向同步带轮26，第二转向同步带轮26带动与其连接的交叉滚子轴承内圈28转动，进而带动支撑圆盘41转动。通过波纹管弹性连接器42与支撑圆盘41连接的车轮支架51跟随支撑圆盘41转动，连接于车轮支架51上的车轮转轴52跟随车轮支架51转动，最终驱动连接于车轮转轴52上的车轮53转向。转向编码器24用于测量车轮转动的方向角。
当车轮53在高低不平的路面上行进时，车轮53受到垂直于路面的分力发生震动。此时，减震弹簧45和波纹管弹性连接器42反复伸长收缩，以缓解和逐步消除震动，同时车轮53跟随车轮支架51圆盘状顶部，和各直线滚动轴承44一起，沿各导向轴43做上下直线运动。各减震弹簧45和减震导向轴49还可设置为各液压缓冲器46，则相应的各液压缓冲器46的缓冲器伸缩杆47带动缓冲器接触头48反复伸长收缩，以缓解和逐步消除震动。如果在减震过程中，转向驱动电机21的输出轴也转动，车轮53跟随车轮支架51圆盘状顶部侧缘，相对于各直线滚动轴承44做旋转运动，同时和各直线滚动轴承44一起，沿各导向轴43做上下直线运动。
各空气弹簧8用于将移动机器人车身7与各车轮装置连接，并减缓和消除移动机器人车身7与各车轮装置之间的震动冲击。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (7)

1.一种全方位移动机器人的车轮装置，转动驱动机构(1)和转向驱动机构(2)安装于底盘(3)上，其特征在于：各导向轴(43)固定连接于所述底盘(3)上，所述导向轴(43)上安装有直线滚动轴承(44)，支撑圆盘(41)与所述转向驱动机构(1)的输出端连接，波纹管弹性连接器(42)连接于所述支撑圆盘(41)底部，构成减震装置(4)；车轮(53)固定于车轮转轴(52)上，所述车轮转轴(52)通过轴承与车轮支架(51)转动连接，构成车轮机构(5)；所述车轮支架(51)位于所述减震装置(4)下方，其圆盘状顶部通过所述波纹管弹性连接器(42)与所述支撑圆盘(41)连接，圆盘状顶部侧缘通过各直线滚动轴承(44)与各所述导向轴(43)连接；
水平转轴(64)位于所述车轮转轴(52)上方，平行于所述车轮转轴(52)设置，所述水平转轴(64)通过轴承与所述车轮支架(51)转动连接，第一车轮同步带轮(61)和第二车轮同步带轮(62)分别与所述车轮转轴(52)和所述水平转轴(64)固连，车轮同步带(63)安装于所述第一车轮同步带轮(61)和所述第二车轮同步带轮(62)上；花键轴(66)竖直设置，并通过花键轴轴承(67)与所述车轮支架(51)转动连接，其底端固连水平锥齿轮(68)，所述水平锥齿轮(68)与固连与所述水平转轴(64)上的竖直锥齿轮(65)啮合，构成传动机构(6)；所述花键轴(66)连接至所述转动驱动机构(1)的输出端；
转动驱动电机(11)、转动减速器(12)、花键螺母支承座(19)和驱动编码器支架(13)均安装于所述底盘(3)上，驱动编码器(14)安装于所述驱动编码器支架(13)上；所述转动驱动电机(11)的输出端连接至所述转动减速器(12)的输入端，第一转动同步带轮(15)固连至所述转动减速器(12)的输出端，第二转动同步带轮(16)与滚珠花键螺母(18)固连，并通过所述滚珠花键螺母(18)与所述花键螺母支承座(19)转动连接，转动同步带(17)安装于所述第一转动同步带轮(15)和所述第二转动同步带轮(16)上，构成所述转动驱动机构(1)；所述花键轴(66)与所述滚珠花键螺母(18)装配连接；
转向驱动电机(21)、转向减速器(22)、转向编码器支架(23)和交叉滚子轴承外圈(29)均安装于所述底盘(3)上，转向编码器(24)安装于所述转向编码器支架(23)上；所述转向驱动电机(21)的输出端连接至所述转向减速器(22)的输入端，第一转向同步带轮(25)固连至所述转向减速器(22)的输出端，第二转向同步带轮(26)与交叉滚子轴承内圈(28)固连，并通过所述交叉滚子轴承内圈(28)与所述交叉滚子轴承外圈(29)转动连接，转向同步带(27)安装于所述第一转向同步带轮(25)和所述第二转向同步带轮(26)上，构成所述转向驱动机构(2)；所述支撑圆盘(41)与所述交叉滚子轴承内圈(28)固连；
各液压缓冲器(46)设于所述支撑圆盘(41)和所述车轮支架(51)之间，所述液压缓冲器(46)的本体与所述支撑圆盘(41)固连，其缓冲器伸缩杆(47)末端固设缓冲器接触头(48)，所述缓冲器接触头(48)与所述车轮支架(51)顶部压紧接触。
2.根据权利要求1所述的一种全方位移动机器人的车轮装置，其特征在于：各减震导向轴竖直设于所述支撑圆盘(41)和所述车轮支架(51)之间，所述减震导向轴(49)顶端与所述支撑圆盘(41)固连，其底端穿过设于所述车轮支架(51)上的通孔设置，并通过安装于其上的减震直线轴承(40)与所述车轮支架(51)连接。
3.根据权利要求1所述的一种全方位移动机器人的车轮装置，其特征在于：所述导向轴(43)的数量为四个，四个所述导向轴(43)对称设于所述车轮支架(51)四周。
4.根据权利要求2所述的一种全方位移动机器人的车轮装置，其特征在于：所述减震导向轴(49)的数量为两个，两个所述减震导向轴(49)对称设于所述波纹管弹性连接器(42)两侧。
5.根据权利要求1所述的一种全方位移动机器人的车轮装置，其特征在于：所述液压缓冲器(46)的数量为两个，两个所述液压缓冲器(46)对称设于所述波纹管弹性连接器(42)两侧。
6.一种设有如权利要求1所述的车轮装置的全方位移动机器人，其特征在于：各车轮装置安装于底盘(3)上，移动机器人车身(7)设于底盘(3)上方，所述底盘(3)顶部对应所述车轮装置的数量和位置设置各空气弹簧(8)，所述移动机器人车身(7)通过各所述空气弹簧(8)与所述底盘(3)连接。
7.根据权利要求6所述的全方位移动机器人，其特征在于：所述空气弹簧(8)为橡胶空气弹簧。
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