CN110497960A - 一种机器人原地转向系统及机器人移动平台 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种机器人原地转向系统，包括驱动电机、驱动杆、两组连杆机构以及四个轮体；其中，驱动电机的输出轴与驱动杆的中部连接，在驱动杆的两端分别铰接有一组连杆机构，每组连杆机构分别与两个轮体铰接；驱动电机驱动驱动杆旋转，驱动杆同时带动两组连杆机构动作，从而通过两组连杆机构同时带动四个轮体旋转。上述机器人原地转向系统，采用同步转向机构实现一个输入产生四个同步输出的功能，减少了电机数量，结构简单，容易加工，成本低廉，应用范围广，同步性好，控制简便。这种机器人原地转向系统可用于针对空间狭小、障碍物少的巡逻环境的机器人移动平台。

Description

一种机器人原地转向系统及机器人移动平台

技术领域

本发明涉及一种机器人原地转向系统，同时涉及包含上述原地转向系统的机器人移动平台，属于机器人转向技术领域。

背景技术

随着智能化及物流仓储的飞速发展，越来越多的移动设备开始进入人们的视野。现有的机器人移动平台主要有轮式、履带式、轮履复合式、腿足式和蠕动式等，分别适用于各种不同的场合。其中，轮式移动平台最为常见，具有速度快，机动性好等优点。

对于在室内或在狭小空间中移动作业的机器人移动平台，需要具有转弯半径小、灵活性强等特点，因此具有原地转向系统的机器人移动平台更加适用。

原地转向系统是指，具有零转弯半径，可以使机器人移动平台具有原地掉头能力的转向系统。原地转向系统的机动性能最好，可以为机器人移动平台在狭小区域掉头或作业提供很大方便。

现有原地转向系统主要是通过在四个车轮上各设一套液压系统，通过液压系统来驱动各个车轮的偏转。例如，申请号为201110432858.1 的发明申请公开了一种汽车横向位移和原地转向系统，其中，系统利用液压传动原理，在汽车底盘承重架及相应位置设有四个液压伸缩缸，伸缩缸的伸缩杆与四个承重脚轮通过压力轴承相连接，每个承重脚轮分别与低转速、大扭矩双向液压马达相连接形成系统驱动轮，驱动轮通过液压马达的双向作用实现正反两个方向旋转。该系统通过电磁阀的不同动作改变油路和油流方向，可实现汽车90度横向位移和360度之内任意角度的原地转向。该系统包括四个独立的液压伸缩缸，油路繁多，体积大，并存在结构复杂、控制复杂、响应慢、同步性差等缺点。

此外，在申请号为201910114272.7的发明专利申请中公开了一种实现四轮独立转向的分布式驱动底盘平台。其中，在汽车停驶状态下，各个车轮总成通过各自的电动推杆主体进行转向控制，实现汽车的原地转向和换向平移行驶。该原地转向方案，每个车轮总成具有独立的驱动机构及连接机构，在转向时需要4个转向电机同步工作，并且需要4个驱动电机配合4个转向电机同时工作，这就对移动机器人8个电机的配合提出了很高的要求，增大了控制算法的复杂性，并且将会造成全向移动机器人运动不稳定，存在电机数目多、控制难度大、动作协调性差、同步性较差等缺点。

而随着原地转向系统的应用越来越广，现有原地转向系统的上述缺点越来越突出，已不能满足市场要求。

发明内容

本发明所要解决的首要技术问题在于提供一种机器人原地转向系统。

本发明所要解决的又一技术问题在于提供一种包含上述机器人原地转向系统的机器人移动平台。

为了实现上述技术目的，本发明采用下述技术方案：

根据本发明实施例的第一方面，提供一种机器人原地转向系统，包括驱动电机、驱动杆、两组连杆机构以及四个轮体；

其中，所述驱动电机的输出轴与所述驱动杆的中部连接，在所述驱动杆的两端分别铰接有一组连杆机构，每组连杆机构与两个轮体铰接；

所述驱动电机驱动所述驱动杆旋转，所述驱动杆同时带动两组连杆机构动作，从而通过两组连杆机构同时带动四个轮体旋转。

其中较优地，每组连杆机构包括三根连杆，其中一根连杆的一端与所述驱动杆的一端铰接，另一端同时与另外两根连杆的一端铰接；另外两杆连杆的另一端分别与一个轮体铰接。

其中较优地，在驱动杆带动两组所述连杆机构动作时，两组所述连杆机构中三根连杆之间的铰接点沿固定在所述承重架上的导轨相向运动或相背运动。

其中较优地，两个导轨位于承重架的中轴线上，并且，两个导轨的长度方向沿中轴线方向布置。

其中较优地，所述轮体包括车轮和转向臂，所述转向臂用于辅助所述车轮转向；所述转向臂的一端与所述连杆机构中最外侧的连杆铰接，另一端与所述车轮连接；在所述转向臂的中部设置有通孔，用于与固定在所述承重架上的转向轴配合；在所述连杆机构带动所述轮体旋转时，所述转向臂带动所述车轮绕所述转向轴旋转。

其中较优地，所述车轮由轮胎、轮辋和轮毂电机组装而成，所述轮辋外安装所述轮胎，所述轮辋中央安装所述轮毂电机，所述轮毂电机的定子部分连接到所述承重架的底端，所述轮毂电机的转子部分与所述轮毂连接。

其中较优地，在直行模式切换至原地转向模式时，所述驱动电机和所述驱动杆通过其中一组连杆机构带动左前轮顺时针旋转、带动右前轮逆时针旋转，同时，通过另一组连杆机构带动左后轮逆时针旋转、带动右后轮顺时针旋转；当所述左前轮、所述右前轮、所述左后轮和所述右后轮旋转至与同一圆相切时停止旋转；

在原地转向模式切换至直行模式时，所述驱动电机和所述驱动杆通过两组连杆机构带动所述左前轮、所述右前轮、所述左后轮和所述右后轮同时回到直行位置。

其中较优地，所述驱动电机设置在承重架上，所述驱动电机是双向旋转电机，所述驱动电机是步进电机。

其中较优地，所述驱动电机的输出轴与所述驱动杆的中部之间设置减速机构。

根据本发明实施例的第二方面，提供一种机器人移动平台，包括上述机器人原地转向系统。

本发明所提供的机器人原地转向系统，通过单个驱动电机驱动驱动杆旋转，并通过驱动杆带动两组连杆机构控制四个轮体同时发生旋转。上述机器人原地转向系统，采用同步转向机构实现一个输入产生四个同步输出的功能，减少了电机数量，具有结构简单、容易加工、成本低廉、应用范围广、控制简便、同步性好等优点，解决了现有技术中，多个助力转向系统分别驱动单个车轮旋转所存在电机数目多、控制难度大、同步性较差、动作协调性差等问题。这种机器人原地转向系统可用于针对空间狭小、障碍物少的巡逻环境的机器人移动平台。

附图说明

图1是本发明所提供的机器人原地转向系统在直行模式下的工作状态图；

图2是本发明所提供的机器人原地转向系统在原地转向模式下的工作状态图；

图3是本发明所提供的机器人原地转向系统从直行模式切换到原地转向模式的切换原理示意图；

图4是本发明所提供的机器人原地转向系统中所使用的轮体的结构示意图；

图5是本发明所提供的机器人原地转向系统从直行模式切换到原地转向模式的工作流程图；

图6是本发明所提供的机器人原地转向系统从原地转向模式切换到直行模式的工作流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体的实施例对本发明的技术方案进行进一步地详细描述。

本发明提供的机器人原地转向系统，通过单个驱动电机带动驱动杆旋转，并同时带动两组分别与驱动杆的两端铰接的连杆机构动作，从而带动四个轮体同步旋转，具备结构简单、易加工、成本低、应用范围广、同步性好、控制简便等优点。

如图1至图3所示，本发明所提供的机器人原地转向系统，包括承重架(未图示)、驱动电机1、驱动杆2、两组连杆机构、两个导轨以及四个轮体；其中，驱动电机1的输出轴与驱动杆2的中部连接，在驱动杆2的两端分别铰接有一组连杆机构，每组连杆机构与两个轮体铰接；驱动电机1驱动驱动杆2绕其中点(旋转轴位于竖直方向，垂直于承重架，可以将驱动电机1的输出轴视为旋转轴)旋转，驱动杆2同时带动两组连杆机构动作，从而通过两组连杆机构同时带动四个轮体旋转，实现直行模式和原地转向模式之间的切换。

具体来说，驱动电机1直接设置在承重架上或者通过连接件(例如电机支架)设置在承重架上，驱动电机1是双向旋转电机，可实现正反转，用于向驱动杆2提供动力。驱动电机1的输出轴可以直接与驱动杆2的中部固定连接，例如，将驱动电机1的输出轴竖直插入设置在驱动杆2中部的连接孔中，当驱动电机1的输出轴旋转时，输出轴直接带动驱动杆2位于连接孔两侧的部分在水平面内绕驱动电机1 的输出轴旋转。或者，可以在驱动电机1的输出轴与驱动杆2的中部之间设置减速机构，驱动电机1的输出轴与驱动杆2的中部通过减速机构实现动力传送，减速机构用于降低驱动电机1的输出轴的转速，增大传递给驱动杆2的扭矩。减速机构可以为行星减速机，便于减小体积。较优地，驱动电机1可以选用步进电机，便于精确控制驱动杆 2的偏转角度。

每组连杆机构包括三根连杆，其中一根连杆的一端与驱动杆2的一端铰接，该根连杆的另一端同时与另外两根连杆的一端铰接；另外两根连杆的另一端分别与一个轮体铰接。

参照图1，与驱动杆2的第一端(图1所示上端)铰接的第一连杆机构和与驱动杆2的第二端(图1所示的下端)铰接的第二连杆机构上下对称设置。第一连杆机构用于实现驱动电机1和驱动杆2到两个前轮的动力传递，第二连杆机构用于实现驱动电机1和驱动杆2到两个后轮的动力传递。

第一连杆机构包括第一连杆3、第二连杆4和第三连杆5，驱动杆 2的第一端与第一连杆3的第一端铰接；第一连杆3的第二端同时与第二连杆4的第一端及第三连杆5的第一端铰接；第二连杆4的第二端与第一轮体11(左前轮)铰接；第三连杆5的第二端与第二轮体13(右前轮)铰接。

第二连杆机构包括第四连杆7、第五连杆8和第六连杆9，驱动杆 2的第一端与第四连杆7的第一端铰接；第四连杆7的第二端同时与第五连杆8的第一端及第六连杆9的第一端铰接；第五连杆8的第二端与第三轮体15(左后轮)铰接；第六连杆9的第二端与第四轮体17(右后轮)铰接。

如图1所示，在承重架上设置有两个导轨，第一导轨6设置在第一轮体11和第二轮体13之间的位置，第二导轨10设置在第三轮体 15和第四轮体17之间的位置。第一导轨6、驱动电机1和第二导轨 10同时设置在承重架的中轴线上，驱动电机1及驱动杆2的中部位于承重架的中心位置。第一导轨6和第二导轨10的长度方向分别沿承重架的中轴线方向设置，从而限定出沿承重架的中轴线前后滑动的运动方向。

第一导轨6和第二导轨10分别设置有与之配合的滑块，其中，设置在第一导轨6上的滑块与第一连杆3的第二端(即第一连杆机构中三根连杆的铰接点)连接；设置在第二导轨10上的滑块与第四连杆7 的第二端(即第二连杆机构中三根连杆的铰接点)连接；第一导轨6 和第二导轨10分别用于约束两组连杆机构的自由度。在驱动杆2带动两组连杆机构动作时，两组连杆机构中的三根连杆之间的铰接点分别沿固定在承重架上的导轨6和10移动，即沿承重架的中轴线相向运动或相背运动。

如图4所示，四个轮体分别包括车轮19和转向臂20，转向臂20 用于辅助车轮19转向。转向臂20的一端与车轮19的中心连接，转向臂20和车轮19的旋转轴重合，车轮19可以绕转向臂20转动；转向臂20的另一端(自由端)与连杆机构中位于外侧的一根连杆的第二端铰接。转向臂20上设置有两个通孔，其中，设置在转向臂20自由端的第一通孔21用于与连杆机构中位于外侧的连杆的第二端铰接，设置在转向臂20中部的第二通孔22用于与固定在承重架上的转向轴配合，使得连杆机构动作时，转向臂20带动车轮19绕转向轴旋转。

具体来说，第一轮体11的转向臂与第二连杆4的第二端铰接，第二轮体13的转向臂与第三连杆5的第二端铰接，第三轮体15的转向臂与第五连杆8的第二端铰接，第四轮体17的转向臂与第六连杆9的第二端铰接。第一转向轴12、第二转向轴14、第三转向轴16和第四转向轴18分别竖直设置在承重架上。在连杆机构带动四个转向臂旋转时，第一轮体11的转向臂带动车轮绕第一转向轴12旋转，第二轮体 13的转向臂带动车轮绕第二转向轴14旋转，第三轮体15的转向臂带动车轮绕第三转向轴16旋转，第四轮体17的转向臂带动车轮绕第四转向轴18旋转。

在该实施例中，车轮19由轮胎、轮辋和轮毂电机组装而成，轮辋外安装轮胎，轮辋中央安装轮毂电机，轮毂电机的定子部分连接到承重架的底端，轮毂电机的转子与轮毂连接。其中，在原地转向过程中，轮毂电机会随着车轮19一起绕转向轴发生旋转。每个轮体的车轮绕各自转向臂的旋转由轮毂电机驱动。车轮19在直行模式下的转动也可以由轮毂电机驱动。而车轮19绕转向臂20的旋转也可以由其他形式的直行电机或直行驱动系统进行驱动。

下面结合图1至图3以及图5和图6对机器人原地转向系统在直行模式(普通模式)和原地转向模式两种模式下的运行原理以及两种模式间的切换过程进行说明。

当机器人移动平台的控制器接收到原地转向指令开始原地转向时，控制器控制驱动电机1正转，驱动杆2随之绕中点逆时针转动，驱动两组连杆机构动作，两组连杆机构中三根连杆的铰接点发生相向运动，同时驱动四个轮体的转向臂和车轮绕各自的转向轴旋转。其中，第一轮体11和第四轮体17顺时针旋转，第二轮体13和第三轮体15 逆时针旋转。当四个车轮旋转至指定位置(四个车轮分别与同一圆相切)时，驱动电机1停转并锁死。此时，每个车轮的轮毂电机驱动车轮前进或后退，即可实现原地转向。

当原地转向结束，控制器接收到前进指令时，控制器控制驱动电机1反转，驱动杆2随之绕中点顺时针转动，驱动两组连杆机构动作，两组连杆机构中三根连杆的铰接点发生相背运动，同时驱动四个轮体的转向臂和车轮绕各自的转向轴旋转。其中，第一轮体11和第四轮体 17逆时针旋转，第二轮体13和第三轮体15顺时针旋转。当四个车轮旋转至指定位置(四个车轮恢复到平行的竖直位置)时，驱动电机1 停转并锁死。此时，每个车轮的轮毂电机驱动车轮前进或后退，即可实现直行。

也就是说，在直行模式向原地转向模式切换时，驱动电机1和驱动杆2通过其中一组连杆机构带动左前轮11顺时针旋转，带动右前轮 13逆时针旋转；通过另一组连杆机构带动左后轮15逆时针旋转，带动右后轮17顺时针旋转。而在原地转向模式向直行模式切换时，驱动电机1和驱动杆2通过两组连杆机构带动左前轮11、右前轮13、左后轮15和右后轮17同时回到直行位置。

上面对本发明所提供的机器人原地转向系统进行了介绍，其中，采用单根驱动杆带动两组连杆机构实现驱动电机和四个轮体之间力的传递，控制车轮转向，结构简单，占用空间小，加工成本低；采用单个驱动电机实现转向，控制简单；采用同步转向机构，同步性好；解决了传统原地转向系统车轮结构复杂、同步性较差、控制复杂等问题。

本发明同时提供了安装有上述机器人原地转向系统的机器人移动平台。上述机器人移动平台拥有两种工作模式，一种是普通的直行模式，另一种是原地转向模式，通过原地转向模式可以实现任意角度的转向，然后结合直行模式，可以满足机器人移动平台的使用需求。

综上所述，本发明所提供的机器人原地转向系统，通过单个驱动电机驱动驱动杆旋转，并通过驱动杆带动两组连杆机构控制四个轮体同时发生旋转，实现四个轮体的同步旋转。上述机器人原地转向系统，采用同步转向机构实现一个输入产生四个同步输出的功能，减少了电机数量，解决了现有技术中，多个助力转向系统分别驱动单个车轮旋转，电机数目多、同步性较差、控制难度大、动作协调性差等缺点。上述机器人原地转向系统，具有结构简单、容易加工、成本低廉、应用范围广、同步性好、控制简便等优点。这种机器人原地转向系统可用于针对空间狭小、障碍物少的巡逻环境的机器人移动平台。

以上对本发明所提供的一种机器人原地转向系统及其机器人移动平台进行了详细的说明。对本领域的一般技术人员而言，在不背离本发明实质精神的前提下对它所做的任何显而易见的改动，都将构成对本发明专利权的侵犯，将承担相应的法律责任。

Claims (10)

1.一种机器人原地转向系统，其特征在于包括驱动电机、驱动杆、两组连杆机构以及四个轮体；

其中，所述驱动电机的输出轴与所述驱动杆的中部连接，在所述驱动杆的两端分别铰接有一组连杆机构，每组连杆机构与两个轮体铰接；

所述驱动电机驱动所述驱动杆旋转，所述驱动杆同时带动两组连杆机构动作，从而通过两组连杆机构同时带动四个轮体旋转。

2.如权利要求1所述的机器人原地转向系统，其特征在于：

每组连杆机构包括三根连杆，其中一根连杆的一端与所述驱动杆的一端铰接，另一端同时与另外两根连杆的一端铰接；另外两杆连杆的另一端分别与一个轮体铰接。

3.如权利要求2所述的机器人原地转向系统，其特征在于：

在驱动杆带动两组所述连杆机构动作时，两组所述连杆机构中三根连杆之间的铰接点沿固定在所述承重架上的导轨相向运动或相背运动。

4.如权利要求3所述的机器人原地转向系统，其特征在于：

两个导轨位于承重架的中轴线上，并且，两个导轨的长度方向沿中轴线方向布置。

5.如权利要求1所述的机器人原地转向系统，其特征在于：

所述轮体包括车轮和转向臂，所述转向臂用于辅助所述车轮转向；所述转向臂的一端与所述连杆机构中最外侧的连杆铰接，另一端与所述车轮连接；在所述转向臂的中部设置有通孔，用于与固定在所述承重架上的转向轴配合；在所述连杆机构带动所述轮体旋转时，所述转向臂带动所述车轮绕所述转向轴旋转。

6.如权利要求5所述的机器人原地转向系统，其特征在于：

所述车轮由轮胎、轮辋和轮毂电机组装而成，所述轮辋外安装所述轮胎，所述轮辋中央安装所述轮毂电机，所述轮毂电机的定子部分连接到所述承重架的底端，所述轮毂电机的转子部分与所述轮毂连接。

7.如权利要求1所述的机器人原地转向系统，其特征在于：

在直行模式切换至原地转向模式时，所述驱动电机和所述驱动杆通过其中一组连杆机构带动左前轮顺时针旋转、带动右前轮逆时针旋转，同时，通过另一组连杆机构带动左后轮逆时针旋转、带动右后轮顺时针旋转；当所述左前轮、所述右前轮、所述左后轮和所述右后轮旋转至与同一圆相切时停止旋转；

在原地转向模式切换至直行模式时，所述驱动电机和所述驱动杆通过两组连杆机构带动所述左前轮、所述右前轮、所述左后轮和所述右后轮同时回到直行位置。

8.如权利要求1所述的机器人原地转向系统，其特征在于：

所述驱动电机设置在承重架上，所述驱动电机是双向旋转电机，所述驱动电机是步进电机。

9.如权利要求1所述的机器人原地转向系统，其特征在于：

所述驱动电机的输出轴与所述驱动杆的中部之间设置减速机构。

10.一种机器人移动平台，其特征在于包括如权利要求1所述的机器人原地转向系统。