CN111055673B - 一种机器人平台轻量化驱动装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供的一种机器人平台轻量化驱动装置，包括驱动轮模块、主履带模块和摆臂履带模块，驱动轮模块包括多个驱动轮和轮毂电机驱动器，驱动轮模块的控制由单独的轮毂电机驱动器承担，主履带模块包括橡胶主履带、从动轮、第一驱动轮，摆臂履带模块包括橡胶副履带、导向轮、保持架、第二驱动轮，轮毂电机驱动器与第一驱动轮或者第二驱动轮对应设置，以使行走部件的动力输入和动力传递全部由轮毂电机驱动器直接提供。本发明提供的技术方案将履带轮式部件与驱动部件分割成独立模块，对控制器做统一配置，改变了机器人传统的集中传动方式，降低了后期维护难度，大幅减少了传动部件的使用。

Description

一种机器人平台轻量化驱动装置

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，尤其涉及一种机器人平台轻量化驱动装置。

背景技术

目前国内外已经大量装备了各式各样的特种服务机器人。现有的特种服务机器人通常基于某一特定环境或任务开发，强调机器人的专用性，行走方式上以轮式和履带式为主。以带有前摆臂的履带构型为例，主履带和摆臂履带的驱动部分集成在底盘前部，一般使用高速电机和减速器的组合，控制板和电池组件依次布置在驱动部件之后。上述方案应用广泛，但存在以下问题：功能性与续航能力的冲突；功能性的提升与否，取决于所载传感器与功能组的完整性，要在功能提升引起重量增加的前提下保持足够的续航能力，平台势必会提出轻量化的要求；重心位置对通过性的影响；传统集中驱动方案中，由于固定的驱动模块占据底盘前端空间，电池组位置过于靠后，局限了重心的位置，在攀爬楼梯等障碍物时存在通过性不足的风险；传动复杂与可维护性的冲突；集中驱动方式采用高速电机与减速部件的组合，装配位置一旦确定，后续维护的难易程度将依赖设计阶段。

发明内容

为解决现有技术存在的局限和缺陷，本发明提供一种机器人平台轻量化驱动装置，包括底盘系统，所述底盘系统包括底盘主体部件和行走部件，所述行走部件包括驱动轮模块、主履带模块和摆臂履带模块；

所述驱动轮模块包括多个驱动轮和轮毂电机驱动器，所述驱动轮包括轮胎、直驱电机和编码器，所述驱动轮模块的控制由单独的轮毂电机驱动器承担，所述主履带模块包括橡胶主履带、从动轮、第一驱动轮，所述橡胶主履带连接所述从动轮和所述第一驱动轮，以使所述从动轮和所述第一驱动轮之间保持动力传递；

所述摆臂履带模块包括橡胶副履带、导向轮、保持架、第二驱动轮，所述橡胶副履带连接所述导向轮和所述第二驱动轮，以使所述导向轮和所述第二驱动轮之间保持动力传递，所述保持架设置在所述导向轮和所述第二驱动轮之间，用于支持履带，所述轮毂电机驱动器与所述第一驱动轮或者所述第二驱动轮对应设置，以使所述行走部件的动力输入和动力传递全部由所述轮毂电机驱动器直接提供。

可选的，所述驱动轮模块的大小尺寸包括小型和中型两种规格，分别对应履带模块的驱动和单独或复合的轮系驱动需要，尺寸比例系数为1.3。

可选的，所述第一驱动轮和所述从动轮设置在车体上，对应的轮毂电机驱动器集成到所述驱动轮模块的拓展插口上。

可选的，所述主履带模块的驱动力由所述驱动轮模块提供，所述主履带模块的驱动类型由所述驱动轮模块决定，所述橡胶主履带与履带式机器人平台通用，所述从动轮用于导向和保持履带形状。

可选的，所述底盘主体部件包括车框、电源及驱动模块、感知与通讯模块，所述车框提供底盘整体强度的同时，保持车体形状，为各个模块的集成布置提供空间，所述电源及驱动模块包括电池、主控制器和用于各个轮毂电机驱动器集成的拓展插口，所述感知与通讯模块包括各个通信设备和传感器的预留插口。

本发明具有下述有益效果：

本发明提供的一种机器人平台轻量化驱动装置，包括驱动轮模块、主履带模块和摆臂履带模块，驱动轮模块包括多个驱动轮和轮毂电机驱动器，驱动轮模块的控制由单独的轮毂电机驱动器承担，主履带模块包括橡胶主履带、从动轮、第一驱动轮，摆臂履带模块包括橡胶副履带、导向轮、保持架、第二驱动轮，轮毂电机驱动器与第一驱动轮或者第二驱动轮对应设置，以使行走部件的动力输入和动力传递全部由轮毂电机驱动器直接提供。本发明提供的技术方案将履带轮式部件与驱动部件分割成独立模块，对控制器做统一配置，改变了机器人传统的集中传动方式，降低了后期维护难度，大幅减少了传动部件的使用。本发明提供的主履带模块和摆臂履带模块的动力输入和动力传递直接由驱动轮模块的轮毂电机驱动器负责，不再使用传动部件，以达到减重、节省平台空间和增强续航的目的。

附图说明

图1为本发明实施例一提供的机器人平台轻量化驱动装置的结构示意图。

图2为本发明实施例二提供的驱动轮模块的结构示意图。

图3为本发明实施例一提供的驱动示意图。

图4为本发明实施例二提供的主履带模块的结构示意图。

图5为本发明实施例一提供的摆臂履带模块的结构示意图。

图6为本发明实施例二提供的一种底盘的空间布置示意图。

图7为本发明实施例一提供的另一种底盘的空间布置示意图。

图8为本发明实施例二提供的机器人等比模型示意图。

图9为本发明实施例一提供的驱动类型示意图。

图10为本发明实施例二提供的主履带行走系的结构示意图。

图11为本发明实施例一提供的轮式行走系的结构示意图。

图12为本发明实施例二提供的轮履复合行走系的结构示意图。

图13为本发明实施例一提供的直驱电机模型示意图。

图14为本发明实施例二提供的电机直接启动能耗数据示意图。

其中，附图标记为：轮胎-1；转子磁钢-2；绕组-3；定子-4；转轴-5；轴承-6；气隙-7；驱动轮-8；电机驱动器-9；橡胶主履带-10；从动轮-11；驱动轮-12；轮毂电机驱动器-13；橡胶副履带-14；导向轮-15；保持架-16；驱动轮-17；轮毂电机驱动器-18；主视相机预留位-19；集中驱动电机及传动部件-20；集中驱动电池位-21；主控制器-22；从动轮-23；通讯设备预留位-24；分布式驱动电池位-25；驱动轮模块-26；平台控制器-27；机械臂-28；主履带模块-29；底盘主体-30；机械臂-31；底盘主体-32；中型驱动轮模块-33；机械臂-34；主履带模块-35；底盘主体-36；摆臂模块-37；中型驱动轮模块-38；从动轮模块-39。

具体实施方式

为使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明提供的机器人平台轻量化驱动装置进行详细描述。

实施例一

现有的履带和轮履复合机器人大多基于固定的集中传动形式，进行主体结构和针对用途的改进，行走方式的更换和控制系统的升级难度较大。现有技术在轻量化的方向上以材料和机械结构优化居多。对于用户来讲，未来可能出现的任务需求多种多样，与采购两套机器人系统的方法不同，拥有一种在同等条件下续航能力更足、易于维护并且能够快速实现结构调整的机器人系统将会是更好的选择。

针对移动机器人系统轻量化的需求，本实施例对机器人底盘部件进行细致的功能划分，基于轮毂电机驱动模块提出了履带式和轮式平台轻量化分布式驱动方法。本实施例将履带与轮式部件与驱动部分分割成独立模块，对控制器做统一配置，改变了机器人传统的集中传动方式，降低了后期维护难度，大幅减少了传动部件的使用，最后使用simulink平台对电机和电池模块进行建模分析。结合机器人能耗模型，本实施例在能获得摆臂履带新构型的同时，在相等电池组数条件下，分布式驱动方案较传统方案，平台减重约10％；同等行进条件下，底盘可用空间增加24％，有效驱动距离提高约18％。

图1为本发明实施例一提供的机器人平台轻量化驱动装置的结构示意图。如图1所示，本实施例提供的平台各个行走部分(履带、轮系)的动力输入和传递直接由驱动轮模块的轮毂电机负责，轮毂电机由直驱电机和编码器组成，不再使用传动部件，以达到减重，节省平台空间和增强续航的目的。

本实施例提供的底盘系统由底盘主体部件和各个行走模块组成。底盘主体内包括车框、电源及驱动模块和感知与通讯模块。车框提供底盘整体强度的同时，保持车体形状，为各模块的集成布置提供空间。电源及驱动模块包括电池、主控制器和供各轮毂电机驱动器集成的拓展插口。感知与通信模块包括各类通信设备和传感器的预留插口，可由用户根据任务类型自主配置，下文以提供热成像仪、相机和倾覆传感器在内的基础配置为例。

借鉴轮毂电机应用的成功经验，本实施例设计独立的行走模块，包括驱动轮、主履带和摆臂履带模块。各个模块之间驱动独立、控制集中，为简化底盘结构，组合行走方式，方便维护提供了可能。

图2为本发明实施例二提供的驱动轮模块的结构示意图。图3为本发明实施例一提供的驱动示意图。如图2和图3所示，有别于现行机器人系统常见的集中传动方式(动力来源于底盘主电机，通过传动机构传递至各执行件)，本实施例依靠轮毂电机，将履带和轮系设置成为独立模块，实现了分布式驱动(各个模块驱动独立，控制集中)。

本实施例提供的驱动轮模块由驱动轮和轮毂电机驱动器组成。驱动轮模块驱动独立实现的基础部件是轮毂电机。轮毂电机将驱动电机装进车轮。永磁无刷电机功率密度高、体积小、输出转矩大的特性就可以满足一般履带机器人的动力要求。驱动轮模块的控制由单独的轮毂电机驱动器承担。此描述仅涉及驱动轮模块原理，大小尺寸规格可定制调整，本文驱动轮涉及小型和中型两种规格，分别对应履带模块的驱动和单独或复合的轮系驱动需要，尺寸比例系数为1.3。

图4为本发明实施例二提供的主履带模块的结构示意图。如图4所示，基于上文所述小型驱动轮模块，主履带模块由橡胶主履带、从动轮、驱动轮模块组成。驱动力由驱动轮模块提供，驱动类型可灵活调整。履带与现有履带式机器人平台通用。从动轮没有动力，与车框一同起到导向和保持履带形状的作用。安装时，驱动轮、从动轮安装在车体上，轮毂电机驱动器集成到驱动模块的拓展插口上。故障时，驱动轮模块可以被迅速更换，并方便进行独立检测。下文所提供的的几种工作形态中，平台都装备了两套主履带模块。

图5为本发明实施例一提供的摆臂履带模块的结构示意图。如图5所示，摆臂履带是为了增强机器人在非结构环境下的通过性，为机器人提供更适合的工作姿态而设立的。传统应用中，摆臂履带无动力输入或者动力由底盘主电机提供。本实施例提供的摆臂履带模块由橡胶副履带、导向轮、保持架、驱动轮模块组成，结构上与传统应用没有太大区别，区别在于独立的驱动方式。由于采用了上述的驱动轮模块，本实施例拥有了独立的驱动输入。在安装和更换的过程中，操作人员只需要将驱动器进行集成，大大简化了结构上的更改操作。

图6为本发明实施例二提供的一种底盘的空间布置示意图。图7为本发明实施例一提供的另一种底盘的空间布置示意图。图8为本发明实施例二提供的机器人等比模型示意图。图6所示的集中驱动方式由于主履带和摆臂履带的动作要求，通常将高速电机和减速部件布置在底盘前端，占用阴影部分空间。电池组紧贴布置，现有的机器人保证续航的标准配置是两组动力电池。

图7所示的分布式驱动方式应用含有直驱电机的驱动轮模块，将电机与车轮组合，取消了原本置于底盘前端的电机、减速器等传动部件，使得采用分布式驱动的底盘结构得以简化，车内空间大量结余。电池组位前移至主视相机预留位。驱动轮模块附加的驱动器组件集中于平台中后部，在弱化对平台重心影响的同时，方便集成控制，进一步解放平台空间。根据实验室机器人实测数据，集中传动部件省略后，底盘可用空间将增加约24％。该区域足够布置额外电池组，在实现机器人平台中心前移，保障通过性的同时，也是续航能力的充足保障。

本实施例提供的底盘采用分布式驱动形式后，安装和维护时，仅解决基本的结构连接问题即可，重点在驱动器集成和传感器融合。对于结构环境，轮式行走系行走效率高，反应迅速。对于非结构环境，主履带和摆臂履带组合通过性更好。对更一般的情况而言，根据任务情况，将行走结构临时改为轮履复合行走也成为可能。因为结构上限制变少，控制问题采用多冗余的方式，一方面通过摇杆远程操控，主控制器解算控制信号后，分别指令各驱动器；另一方面也可通过操作端独立控制各模块的动作，这对机器人紧急情况下的自救和故障诊断来讲及其重要。

下面将对驱动类型的选择和典型行走系结构的实现与变换做出介绍。图9为本发明实施例一提供的驱动类型示意图。其中，a为驱动轮，b为从动轮，履带模块与轮系模块拥有独立的驱动输入，赋予了底盘摆脱固定的传动模式，采用灵活的驱动类型的可能。驱动类型的选择可以根据使用环境和任务类型决定，四驱状态下通过性好，行驶稳定；前后驱节省车体重量，可与电池组等其他配件完成车体配重，补偿行驶平稳性。

图10为本发明实施例二提供的主履带行走系的结构示意图。如图10所示，运用上文所述主履带模块，本实施例可简化为底盘主体和两套主履带模块的组合，占用两项驱动器拓展接口。主履带结构是现有中小型履带机器人中最常见、最基本的构型，本实施例以两轮后驱为例：传统集中传动方式下，电机被布置在车框内，占用部分车内空间，动力经传动部件传递至驱动轮，实现平台行走。本实施例中，主履带模块前轮没有动力输入。后轮为驱动轮，与轮毂电机组成小型驱动轮模块。驱动轮和从动轮连接在车框上。轮毂电机驱动器走线至从主体控制器后的驱动器拓展口处，有效数为两项，被终端识别。待连接完成后，随后操作端尝试动作，已检验连接成果。由于轴系只起到支撑作用，并不传递动力，故在留有余量的前提下，连接结构可尽量简单，以方便操作。

图11为本发明实施例一提供的轮式行走系的结构示意图。如图11所示，轮式平台的运动速度快、效率高，大中型时拥有客观的通过性，是现行移动机器人的常见行走结构。与上文所述的主履带行走系不同，轮式行走系在确定驱动类型的基础上，运用上文所述的驱动轮模块，可简化为底盘主体和驱动轮模块(中型)的组合。以两轮后驱为例，车体后方为两个驱动轮，前方为两个从动轮，轮系与车体相连，轴系只起到支撑作用，并不传递动力。控制器集成在主控制器后的拓展插口上。转弯依靠差速实现。

图12为本发明实施例二提供的轮履复合行走系的结构示意图。如图12所示，本实施例提供的轮履复合结构包括底盘主体、两套主履带模块、四套摆动履带模块、两套中型驱动轮模块、两个小型从动轮和两个中型从动轮，占用八个驱动器拓展接口。上文所述的轮履复合结构，在上文所述的主履带结构的基础上，通过整合摆臂履带模块和中型驱动轮模块，可快速实现行走方式的变化。主履带模块基于小型驱动轮模块建立。小型驱动轮与中型驱动轮的比例关系为1.3，从动轮两型同上。在结构环境下，中型驱动轮接触地面，主履带和摆臂履带被架空，可充分发挥轮式速度快、效率高的优势。环境复杂时，主履带模块和摆臂履带介入运动，可以辅助轮系提供必要但不过量的驱动力和附着力，保证平台在非结构环境下的通过性。

本实施例中，轮履复合行走系以主履带行走系为基础，两个主履带模块，占据两项驱动器拓展接口。由于履带轮系结构预留了接口，摆动履带和从动轮可先后利用套轴与主履带相连。轴系起到支撑作用的同时，不影响各模块的运动。这与传统意义上的传动不同，结构得到了简化。摆动履带模块和驱动轮模块的电机驱动器插入上述拓展接口即可，随后被终端识别。待连接完成后，随后操作端尝试动作，已检验连接成果。若有必要，二次开发工作针对驱动器集成和传感器融合即可。简化驱动结构后，底盘主体提供了足够的改造空间，电池和传感器数量的增加可以缓解因为采用分布式驱动所带来的重量变化的影响。

图13为本发明实施例一提供的直驱电机模型示意图。图14为本发明实施例二提供的电机直接启动能耗数据示意图。如图13和图14所示，本实施例借助simulink平台分别建立了轮毂电机所使用的直驱电机模型和动力电池模型，结合机器人能耗模型分析得到：分布式驱动方案较传统方案，相等电池组数条件下，减重使得有效驱动距离增加3％-8％，变化不明显。但是由于平台底盘可用空间的增加，足够布置拓展电池组，用以续航供给的同时考虑承担控制器供电任务，模拟得到同等行进条件(混凝土路面，一次启动)下，有效驱动距离提高约18％。

本实施例提供的一种机器人平台轻量化驱动装置，包括驱动轮模块、主履带模块和摆臂履带模块，驱动轮模块包括多个驱动轮和轮毂电机驱动器，驱动轮模块的控制由单独的轮毂电机驱动器承担，主履带模块包括橡胶主履带、从动轮、第一驱动轮，摆臂履带模块包括橡胶副履带、导向轮、保持架、第二驱动轮，轮毂电机驱动器与第一驱动轮或者第二驱动轮对应设置，以使行走部件的动力输入和动力传递全部由轮毂电机驱动器直接提供。本实施例提供的技术方案将履带轮式部件与驱动部件分割成独立模块，对控制器做统一配置，改变了机器人传统的集中传动方式，降低了后期维护难度，大幅减少了传动部件的使用。本实施例提供的主履带模块和摆臂履带模块的动力输入和动力传递直接由驱动轮模块的轮毂电机驱动器负责，不再使用传动部件，以达到减重、节省平台空间和增强续航的目的。

可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种机器人平台轻量化驱动装置，其特征在于，包括底盘系统，所述底盘系统包括底盘主体部件和行走部件，所述行走部件包括轮系模块、主履带模块和摆臂履带模块；

所述轮系模块、主履带模块和摆臂履带模块的动力输入和传递直接由驱动轮模块的轮毂电机负责，轮毂电机由直驱电机和编码器组成；

所述驱动轮模块包括多个驱动轮和轮毂电机驱动器，所述驱动轮模块的控制由单独的轮毂电机驱动器承担；

所述主履带模块包括橡胶主履带、从动轮、第一驱动轮，所述橡胶主履带连接所述从动轮和所述第一驱动轮，以使所述从动轮和所述第一驱动轮之间保持动力传递；

所述摆臂履带模块包括橡胶副履带、导向轮、保持架、第二驱动轮，所述橡胶副履带连接所述导向轮和所述第二驱动轮，以使所述导向轮和所述第二驱动轮之间保持动力传递所述保持架设置在所述导向轮和所述第二驱动轮之间，用于支持履带，所述轮毂电机驱动器与所述第一驱动轮或者所述第二驱动轮对应设置，以使所述行走部件的动力输入和动力传递全部由所述轮毂电机驱动器直接提供；

所述驱动轮模块的大小尺寸包括小型驱动轮模块和中型驱动轮模块两种规格，分别对应履带模块的驱动和单独或复合的轮系模块的驱动需要，尺寸比例系数为1.3，其中，主履带模块基于小型驱动轮模块建立，轮系模块采用中型驱动轮模块；

所述主履带模块的驱动力由所述驱动轮模块提供，所述主履带模块的驱动类型由所述驱动轮模块决定，所述橡胶主履带与履带式机器人平台通用，所述从动轮用于导向和保持履带形状。

2.根据权利要求1所述的机器人平台轻量化驱动装置，其特征在于，所述第一驱动轮和所述从动轮设置在车体上，对应的轮毂电机驱动器集成到所述驱动轮模块的拓展插口上。

3.根据权利要求1所述的机器人平台轻量化驱动装置，其特征在于，所述底盘主体部件包括车框、电源及驱动模块、感知与通讯模块，所述车框提供底盘整体强度的同时，保持车体形状，为各个模块的集成布置提供空间，所述电源及驱动模块包括电池、主控制器和用于各个轮毂电机驱动器集成的拓展插口，所述感知与通讯模块包括各个通信设备和传感器的预留插口。

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