CN110077184B - 一种麦克纳姆轮全向移动机器人独立悬架结构 - Google Patents
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Abstract
本发明为一种麦克纳姆轮全向移动机器人独立悬架结构，包括悬架底板，该悬架底板上配合装设有电机减速器、L型支座、联轴器、输出轴、车轴用轴承座、减震装置；所述电机减速器通过联轴器与输出轴的一端相连，输出轴的另一端与一麦克纳姆轮相固定连接设置；所述悬架结构还包括扭簧、扭簧轴、L型连接件及扭簧轴用轴承座，扭簧轴用轴承座内安装扭簧轴用轴承，扭簧轴用轴承的轴线与车轴用轴承轴线平行；所述扭簧轴一端通过L型连接件固定于车体上，另一端插入扭簧轴用轴承的内圈中，扭簧套设在扭簧轴上，扭簧一端固定在L型连接件上，另一端固定于悬架底板上。本发明利用弹簧阻尼减震器加上扭簧进行双重减震，使得减震效果更好，机器人运动更稳定。
Description
技术领域
本发明涉及智能机器人领域，更具体地说是一种麦克纳姆轮全向移动机器人独立悬架结构。
背景技术
麦克纳姆轮(Mecanum Wheel)是瑞士Mecanum AB公司的工程师Bengt Ilon在1973年发明的，这是一种全方位移动车轮，这种车轮最明显的特点是在轮毂外缘上沿与车轮轴线成一定角度方向安装若干自由辊子，使得车轮在沿着垂直于车轮轴的方向公转时，辊子沿着辊子轴的轴线自转，产生侧向运动，因此麦克纳姆轮可以实现全向移动。
麦克纳姆轮以其卓越的移动性能，在全向移动装备领域得到了广泛的应用，但麦克纳姆轮本身的结构特点使得它在运动过程中，必须保证麦克纳姆轮的小辊子与地面的有效接触，否则便会出现打滑现象。若是发生打滑，全向移动平台就会偏离预定的行驶方向，就需要重新调整方向，进而导致全向移动平台出现摆动现象。然而，平台的频繁摆动必然会对全向移动平台的使用寿命和行驶方向的准确性产生负面影响。
现有的麦克纳姆轮式全向移动平台的悬架大多没有限制车轮倾斜的自由度，所以当在行驶中遇到障碍时，麦克纳姆轮会出现左右倾斜的现象。由于麦克纳姆轮上的小辊子外轮廓成曲面形状，当在平地行驶时，小辊子之间的过渡是沿着辊子外轮廓曲面的最大径进行的，但在倾斜过程中，小棍子之间的过渡路径会向曲面小径方向变化，这将会在过渡过程中产生振动，对车轮有一定的损伤。另外，现有的悬架结构单一的使用带有弹簧的阻尼减震器，在减震方面有些许不足。本设计采用弹簧阻尼减震器和扭簧共同减震，使减震效果更好，机器人平台更稳定。
发明内容
本发明是一种麦克纳姆轮全向移动机器人独立悬架结构，其主要目的在于克服现有技术存在的上述不足和缺点。
本发明采用的技术方案如下:
一种麦克纳姆轮全向移动机器人独立悬架结构，包括悬架底板，该悬架底板上配合装设有电机减速器、L型支座、联轴器、输出轴、车轴用轴承座；车轴用轴承座内安装车轴用轴承，其特征在于，所述输出轴通过车轴用轴承及车轴用轴承座固定在悬架底板上，所述电机减速器通过联轴器与输出轴的一端相连，输出轴的另一端与一麦克纳姆轮相固定连接设置，所述电机减速器通过L型支座固定于悬架底板上；
所述悬架底板上还配合装设有减震装置，所述减震装置包括上铰链座、弹簧阻尼减震器、下铰链座，所述上铰链座固定于机器人的车体上，所述下铰链座固定于悬架底板上；
所述悬架结构还包括扭簧、扭簧轴、L型连接件及扭簧轴用轴承座，扭簧轴用轴承座内安装扭簧轴用轴承，所述扭簧轴用轴承的轴线与车轴用轴承轴线平行，且扭簧轴用轴承座安装在所述悬架底板上；所述扭簧轴一端通过L型连接件固定于车体上，另一端插入扭簧轴用轴承的内圈中，所述扭簧套设在所述扭簧轴上，所述扭簧一端固定在所述L型连接件上，另一端固定于悬架底板上。
更进一步，所述减震装置中的弹簧为压簧。
更进一步，所述联轴器为挠性联轴器。
更进一步，所述车轴用轴承和扭簧轴用轴承皆采用角接触球轴承。
更进一步，所述L型支座的设计高度是以所述联轴器的直径为参考。
更进一步，所述悬架底板的外轮廓为对称图形，其结构和尺寸可按实际需求进行设计。
更进一步，所述减震装置为主要减震措施，所述扭簧为辅助减震措施，所述减震装置中的弹簧刚度大于所述扭簧刚度。
更进一步，所述扭簧轴用于限制整体悬架结构除沿该扭簧轴轴线转动外的全部自由度。
所述上、下铰链座分别对称铰接于所述弹簧阻尼减震器的上下两端，且所述上、下铰链座分别与所述弹簧阻尼减震器相对转动。
通过上述对本发明的描述可知，和现有技术相比，本发明的优点在于:
本发明利用弹簧阻尼减震器加上扭簧进行双重减震，使得减震效果更好，机器人运动更稳定，并通过相应轴承将轮子的上下跳动转化为绕扭簧轴的旋转运动，使得车身的上下跳动尽可能减小，以保证平稳性。
静置状态下，扭簧和弹簧阻尼减震器中的弹簧皆处于半压缩状态，当轮子在平地行驶时，弹簧阻尼减震器中的弹簧和扭簧皆由于压缩而产生弹力，弹力使得轮子与地面始终保持有效接触；当轮子经过凸起障碍或凹陷地段时，扭簧和弹簧阻尼减震器中的弹簧进一步压缩或释放，两者产生弹力使得轮子与地面保持有效接触，进而保证机器人的全向移动。
由于轮子在经过凸起障碍或凹陷地段时，轮子相对于车身会向上移动或向下移动，整个悬架机构会经扭簧轴用轴承围绕扭簧轴旋转，把轮子的上下跳动转化为围绕扭簧轴的转动，从而大大削弱了车身的上下跳动，进而最大程度地保持车身的平稳。而且扭簧轴限制了整体悬架结构除沿该扭簧轴轴线转动外的全部自由度，故轮子不会发生倾斜，麦克纳姆轮的辊子间的过渡始终沿着辊子外轮廓曲面的最大径进行，保证了辊子间的平稳过渡，进而保证了机器人运动的平稳性。
附图说明
图1是本发明与麦克纳姆轮安装结合的立体结构示意图；
图2是本发明与麦克纳姆轮安装结合的俯视立体结构示意图；
图3是根据本发明实施例的麦克纳姆轮全向移动机器人的立体结构示意图；
图4是根据本发明实施例的麦克纳姆轮全向移动机器人的仰视立体结构示意图；
图5是根据本发明实施例的麦克纳姆轮全向移动机器人遇凸起障碍时的立体结构示意图；
图6是根据本发明实施例的麦克纳姆轮全向移动机器人遇凹陷地段时的立体结构示意图；
图中：1电机减速器、2L型支座、3联轴器、4输出轴、5车轴用轴承座、6麦克纳姆轮、7L型连接件、8扭簧轴、9扭簧、10扭簧轴用轴承座、11减震装置、111上铰链座、112弹簧阻尼减震器、113下铰链座、12悬架底板、13左前轮、14右前轮、15左后轮、16右后轮。
具体实施方式
下面参照附图说明来进一步地说明本发明的具体实施方式。
如图1和图2所示，一种麦克纳姆轮全向移动机器人独立悬架结构，包括悬架底板12，该悬架底板12上配合装设有电机减速器1、L型支座2、联轴器3、输出轴4、车轴用轴承座5及扭簧轴用轴承座10。车轴用轴承座内安装有车轴用轴承，所述输出轴4通过车轴用轴承座及车轴用轴承适配地固定在悬架底板12上，所述电机减速器1通过所述联轴器3与所述输出轴4的一端相连，输出轴4的另一端与一麦克纳姆轮6相固定连接设置，所述电机减速器1通过所述L型支座2固定于悬架底板12上；
所述悬架底板12上还配合装设有减震装置11，所述减震装置11包括上铰链座111、弹簧阻尼减震器112、下铰链座113，所述上铰链座111和下铰链座113分别对称铰接于所述弹簧阻尼减震器112的上下两端，目的是防止所述上、下铰链座(111、113)安装错位而干涉所述弹簧阻尼减震器112与两者的相对转动，故所述上、下铰链座(111、113)可分别与所述弹簧阻尼减震器112相对转动。
所述悬架结构还包括L型连接件7、扭簧轴8、扭簧9、扭簧轴用轴承座10，扭簧轴用轴承座10固定在悬架底板上，扭簧轴用轴承座10内也安装有扭簧轴用轴承，所述扭簧轴8一端通过L型连接件7固定于车体上，另一端插入扭簧轴用轴承的内圈中，所述扭簧9套设在所述扭簧轴8上，所述扭簧9一端固定在所述L型连接件7上，另一端固定于扭簧轴用轴承座朝向L型连接件的侧面附近的悬架底板12上。
如图3和图4实施例所示，本发明采用对称式安装于车体上，所述左前轮13和右前轮14分别与左后轮15和右后轮16相对于车体横向中心线对称，所述左前轮13和左后轮15分别与右前轮14和右后轮16相对于车体纵向中心线对称。
更进一步，所述联轴器3为挠性联轴器。挠性联轴器中有弹性元件，具有缓冲和减振效果，弹性元件的微量变形可以补偿所述输出轴4与所述电机减速器1的输出轴的相对位移。
更进一步，所述L型支座2的设计高度是以所述联轴器3的直径为参考，安装好所述联轴器3后要有足够的空间余量确保所述联轴器3不会被其他部件干涉。L型支座2的一个侧面上设置电机减速器安装孔，电机减速器的输出端穿过该电机减速器安装孔连接联轴器，L型支座的另一个侧面与悬架底板固定在一起。
更进一步，所述车轴用轴承和扭簧轴用轴承皆采用角接触球轴承。因为角接触球轴承可以同时承受径向载荷和轴向载荷，并且在较高的转速也能正常工作。两个轴承的相对位置皆由所述悬架底板12确定，所述车轴用轴承的轴线应与所述L型支座2上的电机减速器安装孔轴线共线。
更进一步，所述悬架底板12的外轮廓为对称图形，如长方形，其结构和尺寸可按实际需求进行设计，将所述车轴用轴承和扭簧轴用轴承通过相应轴承座安装在所述悬架底板12上后，两轴承的轴线应平行。
更进一步，所述上铰链座111固定于全向移动机器人的车体上，所述下铰链座113固定于悬架底板12上。
更进一步，所述减震装置11是竖直安装的，即静置状态时，减震装置中的弹簧轴线垂直于悬架底板所在平面，为主要减震措施，所述弹簧阻尼减震器112中的弹簧为压簧，其刚度则根据设计承载和车体的总重量进行选择。所述扭簧9为辅助减震措施，所述弹簧阻尼减震器112中的弹簧刚度应该大于扭簧9刚度，扭簧9刚度不宜过大，防止因弹力过大而使得轮子与地面的摩擦力过大，造成不必要的能耗。扭簧的刚度具体取值根据实际设计情况选择。
更进一步，所述扭簧轴8用于限制整体悬架结构除沿该扭簧轴轴线转动外的全部自由度。
本发明的优点是：
该悬架结构在静置状态下，扭簧9和弹簧阻尼减震器112中的弹簧皆处于半压缩状态。
如图5中右边的轮子所示，当轮子在平地行驶时，扭簧9和弹簧阻尼减震器112中的弹簧皆由于压缩而产生弹力，弹力使得轮子与地面始终保持有效接触。
如图5所示左边的轮子所示，当轮子经过凸起障碍时，轮子相对于车身向上移动，所述扭簧9和弹簧阻尼减震器112中的弹簧进一步压缩，两者产生的弹力共同使得轮子与地面始终保持有效接触，进而保证机器人的全向移动。
如图6中左边的轮子所示，当轮子经过凹陷地段时，轮子相对于车身向下移动，所述扭簧9和弹簧阻尼减震器112中的弹簧释放，两者产生的弹力共同使得轮子与地面始终保持有效接触，进而保证机器人的全向移动。
由于轮子在经过凸起障碍或凹陷地段时，轮子相对于车身会向上移动或向下移动，整个悬架机构会经所述扭簧轴用轴承绕扭簧轴8旋转，把轮子的上下跳动转化为围绕所述扭簧轴8的转动，进而最大程度地保持车身的平稳。而且所述扭簧轴8限制了整体悬架结构除沿该扭簧轴轴线转动外的全部自由度，故轮子不会发生倾斜，所述麦克纳姆轮6的辊子间的过渡始终沿着辊子外轮廓曲面的最大径进行，保证了辊子间的平稳过渡，进而保证了机器人运动的平稳性。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
本发明未述及之处适用于现有技术。
Claims (5)
1.一种麦克纳姆轮全向移动机器人独立悬架结构，包括悬架底板，该悬架底板上配合装设有电机减速器、L型支座、联轴器、输出轴、车轴用轴承座；车轴用轴承座内安装车轴用轴承，其特征在于，所述输出轴通过车轴用轴承及车轴用轴承座固定在悬架底板上，所述电机减速器通过联轴器与输出轴的一端相连，输出轴的另一端与一麦克纳姆轮相固定连接设置，所述电机减速器通过L型支座固定于悬架底板上；
所述悬架底板上还配合装设有减震装置，所述减震装置包括上铰链座、弹簧阻尼减震器、下铰链座，所述上铰链座固定于机器人的车体上，所述下铰链座固定于悬架底板上；
所述悬架结构还包括扭簧、扭簧轴、L型连接件及扭簧轴用轴承座，扭簧轴用轴承座内安装扭簧轴用轴承，所述扭簧轴用轴承的轴线与车轴用轴承轴线平行，且扭簧轴用轴承座安装在所述悬架底板上；所述扭簧轴一端通过L型连接件固定于车体上，另一端插入扭簧轴用轴承的内圈中，所述扭簧套设在所述扭簧轴上，所述扭簧一端固定在所述L型连接件上，另一端固定于悬架底板上；扭簧和弹簧阻尼减震器分布在轮轴用轴承的两侧；
所述减震装置中的弹簧为压簧；
所述减震装置是竖直安装的，静置状态时，减震装置中的弹簧轴线垂直于悬架底板所在平面；
所述弹簧阻尼减震器112中的弹簧刚度应该大于扭簧9刚度；
悬架结构在静置状态下，扭簧9和弹簧阻尼减震器112中的弹簧皆处于半压缩状态；
当轮子在平地行驶时，扭簧9和弹簧阻尼减震器112中的弹簧皆由于压缩而产生弹力，弹力使得轮子与地面始终保持有效接触；
当轮子经过凸起障碍时，轮子相对于车身向上移动，所述扭簧9和弹簧阻尼减震器112中的弹簧进一步压缩，两者产生的弹力共同使得轮子与地面始终保持有效接触，进而保证机器人的全向移动；
当轮子经过凹陷地段时，轮子相对于车身向下移动，所述扭簧9和弹簧阻尼减震器112中的弹簧释放，两者产生的弹力共同使得轮子与地面始终保持有效接触，进而保证机器人的全向移动。
2.根据权利要求1所述的独立悬架结构，其特征在于，所述联轴器为挠性联轴器。
3.根据权利要求1所述的独立悬架结构，其特征在于，所述车轴用轴承和扭簧轴用轴承皆采用角接触球轴承。
4.根据权利要求1所述的独立悬架结构，其特征在于，所述悬架底板的外轮廓为对称图形。
5.根据权利要求1所述的独立悬架结构，其特征在于，所述上、下铰链座分别对称铰接于所述弹簧阻尼减震器的上下两端，且所述上、下铰链座分别与所述弹簧阻尼减震器相对转动。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
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