CN110815194A - 位移检测轮、机器人底盘和移动机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种位移检测轮、机器人底盘和移动机器人，所述位移检测轮包括固定支架、轮轴和转动安装在轮轴上的位移轮，在所述轮轴的端面上刚性连接有磁电编码器，在位移轮上刚性连接有与磁电编码器面对面间隙布置的强磁铁，所述轮轴通过霍肯直线机构与固定支架相连接，在霍肯直线机构与固定支架间连接有用于推动位移轮紧贴地面布置的扭簧。本发明利用霍肯直线机构使位移轮上移时不发生横向的位移，方便在不改变现有区域空间的前提下安装位移检测轮；通过扭簧对位移轮向下施力，使位移轮与地面紧贴布置，从而有效地避免了位移轮出现打滑现象；在位移轮与其轮轴上安装强磁铁和磁电编码器，使用磁电编码器对机器人的位移进行测量，成本低。

Description

位移检测轮、机器人底盘和移动机器人

技术领域

本发明涉及自主移动机器人领域，尤其涉及一种位移检测轮、机器人底盘和移动机器人。

背景技术

移动机器人，是一个集环境感知、动态决策与规划、行为控制与执行等多功能于一体的综合系统。它集中了传感器技术、信息处理、电子工程、计算机工程、自动化控制工程以及人工智能等多学科的研究成果，代表机电一体化的最高成就，是目前科学技术发展最活跃的领域之一。随着机器人性能不断地完善，移动机器人的应用范围大为扩展，不仅在工业、农业、医疗、服务等行业中得到广泛的应用，而且在城市安全、国防和空间探测领域等有害与危险场合得到很好的应用。因此，移动机器人技术已经得到世界各国的普遍关注。

移动机器人的研究始于60年代末期。斯坦福研究院(SRI)的Nils Nilssen和Charles Rosen等人，在1966年至1972年中研发出了取名Shakey的自主移动机器人。目的是研究应用人工智能技术，在复杂环境下机器人系统的自主推理、规划和控制。

目前，机器人移动时的距离计量主要有以下两种方式：

一、直接安装惯性导航模块，通过测量机器人的加速度(惯性)，自动进行积分运算，获得机器人瞬时速度和瞬时位置数据的技术。该模块成本偏高，易受干扰，运用范围不广。

二、在机器人的驱动轮或驱动电机轴上布置旋转编码器，根据旋转编码器的转动累计可换算得到机器人移动的距离，如授权公告号CN 205928686U的中国专利、授权公告号为CN 205766098U的中国专利等。该方案具有结构简单、改动量小、成本低的优点，被广泛应用于移动机器人。但是，由于编码器是直接布置在驱动轮或驱动电机上，一旦出现障碍阻止、地面湿滑情况，驱动轮就会出现打滑情况，从而导致编码器换算的机器人移动距离不准确。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足之处，提供一种可适应室外各路面环境使用的、准确率高的位移检测轮、机器人底盘和移动机器人。

本发明提供的这种位移检测轮，包括固定支架、轮轴和转动安装在轮轴上的位移轮，固定支架固定于移动机器人的底盘上，轮轴通过霍肯直线机构与固定支架相连接，在霍肯直线机构与固定支架间连接有用于推动位移轮紧贴地面布置的扭簧，在所述轮轴的端面上刚性连接有磁电编码器，在位移轮上刚性连接有与磁电编码器面对面间隙布置的强磁铁。

所述霍肯直线机构包括连杆Ⅰ、连杆Ⅱ和连杆Ⅲ，连杆Ⅰ下端与轮轴固定连接、上端通过连杆Ⅱ与固定支架铰接连接，连杆Ⅲ铰接在连杆Ⅱ下方的连杆Ⅰ与固定支架之间，连杆Ⅲ的长度大于连杆Ⅱ，扭簧安装在连杆Ⅲ与固定支架连接处的铰接轴上，连杆Ⅲ由扭簧推动绕其与固定支架的连接处向下转动，轮轴上的位移轮通过连杆Ⅰ由连杆Ⅲ驱动下压与地面紧密接触。

为进一步保证上移时不发生横向的位移，连杆Ⅰ上与连杆Ⅱ、连杆Ⅲ和轮轴连接的各轴心相互平行的共面布置，固定支架上与连杆Ⅱ、连杆Ⅲ连接的两轴心的距离为L1，连杆Ⅱ上与固定支架、连杆Ⅰ连接的两轴心的距离为L2，连杆Ⅰ上与连杆Ⅱ、连杆Ⅲ连接的两轴心的距离为L3，连杆Ⅲ上与固定支架、连杆Ⅰ连接的两轴心的距离为L4，连杆Ⅰ上与连杆Ⅲ、轮轴连接的两轴心的距离为L5，所述L2＝L1，L3＝1.25×L1，L4＝1.5×L1，L5＝2×L1。

所述位移轮包括轮毂Ⅰ、轮毂Ⅱ和轮胎，轮毂Ⅰ和轮毂Ⅱ分别通过一轴承转动安装在轮轴上，轮胎摩擦连接于两轮毂上，轮毂Ⅰ通过螺纹紧固件与轮毂Ⅱ相连，强磁铁安装在与磁电编码器面对面间隙布置的轮毂上，各轮毂均与轮轴同轴布置。

为保证同轴度，在两轮毂的对接面上设有相匹配的凸缘和凹槽，两轮毂通过凸缘与凹槽配合卡接连接。

在两轮毂的对接端上均设有一凹环，在轮胎内侧设置有用于与两凹环内壁摩擦连接的凸环，轮胎通过凸环与凹环配合夹紧安装在两轮毂上。

所述轮轴、位移轮、磁电编码器、强磁铁均相互同轴安装。

所述磁电编码器为霍尔式磁电编码器，磁电编码器上的霍尔元件与强磁铁同轴并间隔1mm布置。

一种机器人底盘，包括上述任意一种位移检测轮。

一种移动机器人，包括上述机器人底盘。

本发明通过霍肯直线机构将位移轮的轮轴与固定支架连接，使位移轮上移时不发生横向的位移，方便在不改变现有区域空间的前提下安装位移检测轮，使改造成本得到了有效控制；通过扭簧对霍肯直线机构上的位移轮向下施力，使位移轮与地面紧贴布置，只有在机器人移动的过程中，位移轮才能依靠与地面的摩擦力进行转动，从而有效地避免了位移轮出现打滑现象；在位移轮与其轮轴上安装对应布置的强磁铁和磁电编码器，移动时，强磁铁随位移轮绕轮轴旋转，磁电编码器根据强磁铁的转动代替现有的编码器对机器人的位移进行测量，改动量小、成本低，通用性强，广泛应用性得以保证。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为图1中A向局部剖视结构示意图。

图3为本发明使用时的运动原理图。

图中示出的标记及所对应的构件名称为：

1、固定支架；

2、霍肯直线机构；21、连杆Ⅰ；22、连杆Ⅱ；23、连杆Ⅲ；211、通槽；

3、轮轴；31、轴孔；

4、位移轮；41、轮毂Ⅰ；42、轮毂Ⅱ；43、轮胎；411、凸缘；412、凹环；421、凹槽；431、凸环；

5、磁电编码器；6、强磁铁；7、扭簧。

具体实施方式

从图1和图2可以看出，本发明这种位移检测轮，包括固定支架1、霍肯直线机构2、轮轴3、位移轮4、磁电编码器5、强磁铁6和扭簧7，

固定支架1通过螺纹紧固件可拆卸安装在移动机器人的底盘上，

霍肯直线机构2包括连杆Ⅰ21、连杆Ⅱ22和连杆Ⅲ23，连杆Ⅱ22通过销轴铰接在连杆Ⅰ21上端与固定支架1上端之间，连杆Ⅲ23通过销轴铰接在连杆Ⅰ21中部与固定支架1下端之间，连杆Ⅲ23布置在连杆Ⅱ22下方，连杆Ⅲ23的长度大于连杆Ⅱ22，

轮轴3采用台阶轴并通过螺纹紧固件垂直固定在连杆Ⅰ21下端内侧，在轮轴3轴心处设有一轴孔31，在连杆Ⅰ21与轮轴3连接的一端上设有与轴孔31连通的通槽211，轮轴3通过霍肯直线机构2与固定支架1相连接并可在固定支架1上上下移动，

位移轮4包括轮毂Ⅰ41、轮毂Ⅱ42和轮胎43，轮毂Ⅱ42通过一轴承可转动的套装在轮轴3的台阶与连杆Ⅰ21之间，轮毂Ⅰ41通过一轴承可转动的盖装在轮轴3台阶的内端面上，轮毂Ⅰ41的内壁与轮轴3内端面间隙布置，轮胎43利用弹性卡套在两轮毂上，轮胎43与轮毂的连接面间摩擦连接，轮胎43利用弹性与两轮毂之间的摩擦力固定连接，轮毂Ⅰ41和轮毂Ⅱ42通过螺纹紧固件可拆卸连接在一起，各轮毂均与轮轴3同轴布置，

磁电编码器5通过螺钉固定在轮轴3的内端面上，磁电编码器5的线束经过轮轴3上的轴孔31从连杆Ⅰ21上的通槽211穿出，

强磁铁6安装在与磁电编码器5面对面间隙布置的轮毂Ⅰ41的内壁上，轮轴3、位移轮4、磁电编码器5、强磁铁6均相互同轴安装，

扭簧7套装安装在连杆Ⅲ23与固定支架1连接处的铰接轴上，连杆Ⅲ23由扭簧7推动绕其与固定支架1的连接处向下转动，

使用时，连杆Ⅲ23在扭簧7的作用下往下摆，带动连杆Ⅰ21上的轮轴3和位移轮4往下移动，使位移轮4能紧贴在地面或所测量的物体表面；

在地面滚动时，位移轮4和强磁铁6通过轴承绕轮轴3运动，磁电编码器5可以检测强磁铁6的旋转角度，即可通过如下公式检测位移轮4的位移：

位移＝(π×位移轮的外径×旋转角度)/360。

从图3可以看出，在本发明中，设固定支架1与连杆Ⅱ22铰接的轴心为a、连杆Ⅱ22与连杆Ⅰ21铰接的轴心为b、连杆Ⅰ21与连杆Ⅲ23铰接的轴心为c、连杆Ⅰ21与与轮轴3固接的轴心为d、连杆Ⅲ23与固定支架1铰接的轴心为e,轴心b、轴心c和轴心d相互平行的共面布置，

固定支架1上轴心a到轴心e的距离为L1，连杆Ⅱ22上轴心a到轴心b的距离为L2，连杆Ⅰ21上轴心b到轴心c的距离为L3，连杆Ⅲ23上轴心c到轴心e的距离为L4，连杆Ⅰ21上轴心c到轴心d的距离为L5，其中，

L2＝L1；

L3＝1.25×L1；

L4＝1.5×L1；

L5＝2×L1，

通过满足上述臂长比例的霍肯直线机构2，轮轴3在2×L1的范围内上下移动时，基本呈现直上直下的直线运动，可以使位移轮轻松的上下移动，比较适合前后小空间区域安装。

从图2可以看出，为保证同轴度，在本发明轮毂Ⅰ41的外端面上设有一环形的凸缘411，在轮毂Ⅱ42的内端面上设有一与凸缘411相对应布置的凹槽421，轮毂Ⅰ41与轮毂Ⅱ42通过凸缘411与凹槽421配合卡接连接。

从图2可以看出，在本发明的两轮毂的对接端上设有一相同的凹环412，在轮胎43内侧设置有与两凹环412相对应布置的凸环431，两轮毂的凹环412与轮胎43的凸环431过盈配合连接，轮胎43通过凸环431与凹环412配合、利用弹性与两轮毂之间的摩擦力由两轮毂夹紧卡装在两轮毂上。

在本发明中，为保证位移轮4能可靠顺畅的旋转，阻力较小，不容易出现滑动，也可长时间承受路面不平引起的抖动，保证能可靠运动，位移轮4与轮轴3间的轴承为6005深沟球轴承。

磁电编码器是一种新型的角度或者位移测量装置，其原理是采用磁阻或者霍尔元件对变化的磁性材料的角度或者位移值进行测量，磁性材料角度或者位移的变化会引起一定电阻或者电压的变化，通过放大电路对变化量进行放大，通过单片机处理后输出脉冲信号或者模拟量信号，达到测量的目的。而本发明的磁电编码器5为霍尔式磁电编码器，磁电编码器5上的霍尔元件与强磁铁同轴并间隔1mm布置。

本发明还提供一种设有上述位移检测轮的机器人底盘。

本发明还提供一种设有上述机器人底盘的移动机器人。

Claims (10)

1.一种位移检测轮，其特征在于：包括固定支架(1)、轮轴(3)和转动安装在轮轴上的位移轮(4)，固定支架固定于移动机器人的底盘上，轮轴通过霍肯直线机构(2)与固定支架相连接，在霍肯直线机构与固定支架间连接有用于推动位移轮紧贴地面布置的扭簧(7)，在所述轮轴的端面上刚性连接有磁电编码器(5)，在位移轮上刚性连接有与磁电编码器面对面间隙布置的强磁铁(6)。

2.根据权利要求1所述的位移检测轮，其特征在于：所述霍肯直线机构包括连杆Ⅰ(21)、连杆Ⅱ(22)和连杆Ⅲ(23)，连杆Ⅰ下端与轮轴固定连接、上端通过连杆Ⅱ与固定支架铰接连接，连杆Ⅲ铰接在连杆Ⅱ下方的连杆Ⅰ与固定支架之间，连杆Ⅲ的长度大于连杆Ⅱ，扭簧安装在连杆Ⅲ与固定支架连接处的铰接轴上，连杆Ⅲ由扭簧推动绕其与固定支架的连接处向下转动，轮轴上的位移轮通过连杆Ⅰ由连杆Ⅲ驱动下压与地面紧密接触。

3.根据权利要求2所述的位移检测轮，其特征在于：连杆Ⅰ上与连杆Ⅱ、连杆Ⅲ和轮轴连接的各轴心相互平行的共面布置，固定支架上与连杆Ⅱ、连杆Ⅲ连接的两轴心的距离为L1，连杆Ⅱ上与固定支架、连杆Ⅰ连接的两轴心的距离为L2，连杆Ⅰ上与连杆Ⅱ、连杆Ⅲ连接的两轴心的距离为L3，连杆Ⅲ上与固定支架、连杆Ⅰ连接的两轴心的距离为L4，连杆Ⅰ上与连杆Ⅲ、轮轴连接的两轴心的距离为L5，所述L2＝L1，L3＝1.25×L1，L4＝1.5×L1，L5＝2×L1。

4.根据权利要求1所述的位移检测轮，其特征在于：所述位移轮包括轮毂Ⅰ(41)、轮毂Ⅱ(42)和轮胎(43)，轮毂Ⅰ和轮毂Ⅱ分别通过一轴承转动安装在轮轴上，轮胎摩擦连接于两轮毂上，轮毂Ⅰ通过螺纹紧固件与轮毂Ⅱ相连，强磁铁安装在与磁电编码器面对面间隙布置的轮毂上，各轮毂均与轮轴同轴布置。

5.根据权利要求4所述的位移检测轮，其特征在于：在两轮毂的对接面上设有相匹配的凸缘和凹槽，两轮毂通过凸缘与凹槽配合卡接连接。

6.根据权利要求4所述的位移检测轮，其特征在于：在两轮毂的对接端上均设有一凹环，在轮胎内侧设置有用于与两凹环内壁摩擦连接的凸环，轮胎通过凸环与凹环配合夹紧安装在两轮毂上。

7.根据权利要求1所述的位移检测轮，其特征在于：所述轮轴、位移轮、磁电编码器、强磁铁均相互同轴安装。

8.根据权利要求1所述的位移检测轮，其特征在于：所述磁电编码器为霍尔式磁电编码器，磁电编码器上的霍尔元件与强磁铁同轴并间隔1mm布置。

9.一种机器人底盘，包括权利要求1至8中任一所述位移检测轮。

10.一种移动机器人，包括权利要求9所述的机器人底盘。

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