CN111301087A - 一种机器人底盘 - Google Patents
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Abstract
本发明属于机器人技术领域，具体涉及一种机器人底盘。本发明通过在万向节的下方设置减震单元，通过缓冲机构、基座、底盘转向座和转动机构之间的相互配合，可以始终保持垂直方向的稳定性，限制了万向节垂直方向上的运动，确保底盘不会因万向节保持不住水平而坐落至地面。本发明具有对底盘的减震作用，避免了底盘发生变形，保障了机器人的行车安全，实用性强，可靠性高。此外，本发明采用双动力源驱动四个车轮，辅以转向机构，底盘转向灵活，可以原地转弯。本发明的转向机构可以实现耦合驱动下主动轮的转向；节省了驱动电机的数量，降低了底盘的成本，同时可以使底盘进行平移运动和零半径转向。
Description
技术领域
本发明属于机器人技术领域，具体涉及一种机器人底盘。
背景技术
机器人的应用日趋广泛，例如仿生机器人、教育机器人、送餐机器人、迎宾机器人以及巡检机器人等等。
在现有技术中，具有底盘的移动机器人多种多样，但现有技术中机器人在复杂环境运行时减震能力差，影响机器人的作业效果和使用寿命。在不平整的路面上行驶时，产生较强的颠簸，不能保证机器人平稳的运行姿态，影响机器人的操作性能，同时，底盘长期受到震动，容易使底盘上的零件松动，存在一定的安全隐患。
在现有技术中，底盘驱动方式主要有：全驱、双驱、单驱；转向方式主要有：差速、麦克纳姆轮转向、转向机构驱动转向。差速转向存在轮胎磨损大的问题；麦克纳姆轮转向存在昂贵、可靠性低的问题；转向机构驱动转向时，驱动被动轮转向方便，但底盘上一旦有主动轮，则很难实现零半径转弯操作，因主动轮要时刻与动力轴传动。当机器人采用转向机构驱动转向时，转向电机带动被动轮旋转，或带动主动轮及其驱动电机共同转向；带动主动轮及其驱动电机共同转向比较简单，但要求每个主动轮配备一个驱动电机，才能实现主动轮转向，机器人的生产成本高。
因此，研发一种可以解决上述技术问题的机器人底盘具有重要意义。
发明内容
针对上述问题，本发明提供了一种机器人底盘，所述机器人底盘包括底盘主体、车轮、轮轴连接杆、万向节和减震单元；
所述轮轴连接杆的两端分别设有所述万向节，所述万向节与所述车轮连接；
所述万向节和所述车轮均对称设置在所述底盘主体的两侧；
所述减震单元与所述万向节连接，所述减震单元设置在所述万向节的下方。
进一步地，所述减震单元包括缓冲机构、基座、底盘转向座和转动机构；
所述缓冲机构的一端设置有滑动部件，所述滑动部件与所述万向节连接；
所述缓冲机构的另一端固定连接在所述基座上；
所述底盘转向座固定设置在所述底盘主体上；
所述底盘转向座与所述基座通过所述转动机构实现转动连接。
进一步地，所述缓冲机构选自减震弹簧、缓冲杆的任意一种；
所述滑动部件选自深沟球轴承、圆锥滚子轴承的任意一种。
进一步地，所述转动机构选自平面轴承与法兰轴组合、转轴和耐磨塑料套组合、转轴和转板的嵌套组合的任意一种。
进一步地，所述转动机构选自平面轴承与法兰轴组合时，所述底盘转向座上设置有圆孔；
所述转动机构包括平面轴承、连接法兰轴、防摩圈、螺栓；所述连接法兰轴由上至下，依次与所述平面轴承、所述底盘转向座、所述防磨圈同轴心配合；
所述连接法兰轴通过螺栓固定在所述基座上，实现所述底盘转向座与所述基座的转动连接。
进一步地，所述防磨圈选自铜圈。
进一步地，所述机器人底盘还包括伞齿轮、驱动电机、电子变向器；所述伞齿轮、所述驱动电机、所述电子变向器均设置在所述底盘主体中；
所述伞齿轮设置在所述轮轴连接杆上，所述伞齿轮与所述驱动电机连接；
所述电子变向器设置在所述轮轴连接杆上。
进一步地，所述机器人底盘还包括转向机构，所述转向机构设置在所述底盘主体中；
所述转向机构包括转向电机、梯形丝杆、两个导向杆、两个移动座、传动连杆、转向轴承杆；
所述梯形丝杆的两侧设置有所述导向杆；两个所述导向杆之间互相平行；所述梯形丝杆沿与所述轮轴连接杆平行的方向设置；每个所述导向杆沿与所述轮轴连接杆平行的方向设置；
两个所述移动座之间互相平行；每个所述移动座均沿与所述轮轴连接杆垂直的方向设置；
每个所述移动座均从梯形丝杆、所述导向杆中穿过；
所述转向电机与所述梯形丝杆连接，所述转向电机用于带动所述梯形丝杆转动。
进一步地，所述转向电机设置在所述梯形丝杆的上方；
所述梯形丝杆的前段与后段的螺纹旋向相反。
进一步地，所述移动座上设置有两个圆孔，两个所述导向杆分别从两个所述圆孔穿过；
所述移动座上设置有螺纹孔，所述梯形丝杆从所述螺纹孔穿过；所述螺纹孔设有与所述梯形丝杆相匹配的螺纹；
所述移动座与所述传动连杆的一端连接，所述传动连杆的另一端与所述转向轴承杆连接。
进一步地，所述机器人底盘还包括轴承内圈、轴承外圈、卡簧；
所述轴承内圈、轴承外圈、卡簧设置在所述车轮与所述万向节之间；由车轮到所述万向节的方向依次设置有轴承内圈、轴承外圈、卡簧；
所述轴承外圈嵌入所述车轮的轮毂内侧；
所述转向轴承杆与所述轴承内圈固定连接。
进一步地，所述转向轴承杆为轴承内圈焊接固定有连杆的型式，轴承外圈嵌入轮毂内侧，加以卡簧防脱出，内圈和外圈产生相对转动，使得车轮转动时能够被转向轴承杆传递而来的力推动转向。
本发明的有益效果
本发明通过在万向节的下方设置减震单元，通过缓冲机构、基座、底盘转向座和转动机构之间的相互配合，可以始终保持垂直方向的稳定性，限制了万向节垂直方向上的运动，确保底盘不会因万向节保持不住水平而坐落至地面。本发明具有对底盘的减震作用，避免了底盘发生变形，保障了机器人的行车安全，实用性强，可靠性高。
此外，本发明采用双动力源（两个驱动电机）驱动四个车轮，辅以转向机构，底盘转向灵活，可以原地转弯。本发明的转向机构可以实现耦合驱动（即一个转向电机通过传动连杆、转动轴承杆驱动多个轮）下主动轮的转向；节省了驱动电机的数量，降低了底盘的成本，同时可以使底盘进行平移运动和零半径转向。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所指出的结构来实现和获得。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1示出了本发明实施例的机器人底盘的俯视图；
图2示出了本发明实施例的机器人底盘的左视图；
图3示出了本发明实施例的机器人底盘的减震单元的装配示意图；
图4示出了本发明实施例的机器人底盘的底盘转向座与基座的连接示意图；
图5示出了本发明实施例的机器人底盘的内部结构图；
图6示出了本发明实施例的机器人底盘的转向机构示意图；
图7示出了本发明实施例的机器人底盘左右平移运动时的示意图；
图8示出了本发明实施例的机器人底盘原地转弯时的示意图。
其中，1-车轮，2-底盘盖，3-万向节，4-减震单元，4.1-基座，4.2-减震弹簧，4.3-深沟球轴承，4.4-铜圈，4.5-连接法兰轴，4.6-平面轴承，4.7-底盘转向座，5-底盘壳体，6-转向机构，6.1-梯形丝杆，6.2-移动座，6.3-导向杆，6.4-传动连杆，6.5-转向电机，6.6-转向轴承杆，7-驱动电机，8-电子变向器，9-伞齿轮，10-轮轴连接杆。
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中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地说明，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做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。
本发明提供了一种机器人底盘，如图1所示，所述机器人包括底盘主体、四个车轮1和四个万向节3；所述底盘主体包括底盘盖2。
所述机器人底盘还包括两个轮轴连接杆10，每个所述轮轴连接杆10的两端分别设有所述万向节3，所述万向节3与所述车轮1连接；所述四个万向节3和所述四个车轮1均对称设置在所述底盘主体的两侧；
如图2所示，所述机器人底盘还包括减震单元4，所述减震单元4与所述万向节3连接，所述减震单元4设置在所述万向节3的下方。所述底盘主体还包括底盘壳体5，底盘壳体5和底盘盖2形成装置空间，轮轴连接杆10、伞齿轮9、驱动电机7、电子变向器8和转向机构6均设在所述装置空间内。
本发明的减震单元4焊接固定于底盘壳体5的底部，另一端通过轴承嵌套与万向节输出端连接。具体地，所述减震单元4包括缓冲机构、基座4.1、底盘转向座和转动机构；所述缓冲机构选自减震弹簧、缓冲杆的任意一种，本实施例中的缓冲机构选自减震弹簧。如图3所示，减震弹簧4.2的一端设置有滑动部件，所述滑动部件与所述万向节3连接；所述滑动部件选自深沟球轴承、圆锥滚子轴承的任意一种，本实施例中的滑动部件选自深沟球轴承4.3，减震弹簧4.2的一端焊接固定于深沟球轴承4.3上，所述深沟球轴承4.3与万向节3进行配合安装，实现减震单元4的一端吊坠安装。所述减震弹簧4.2的另一端固定连接在基座4.1上。
万向节可空间360°转动，本发明采用减震弹簧4.2加深沟球轴承4.3，能够实现万向节轴向自转时，减震单元不随轴的自转而转动，始终保持垂直方向的稳定性；同时，本发明的减震单元加持限制了万向节垂直方向上的运动，确保了底盘不会因万向节保持不住水平而坐落至地面。这也从侧面证明，本发明的减震单元具备良好的减震效果，因车身重量全部加载至弹簧，这也达到了良好减震的先期必要条件之一。本发明具有对底盘的减震作用，避免了底盘发生变形，保障了机器人的行车安全，实用性强，可靠性高。
如图4所示，所述底盘转向座4.7固定设置在所述底盘主体上。
所述底盘转向座4.7与所述基座4.1通过所述转动机构实现转动连接。所述转动机构选自平面轴承与法兰轴组合、转轴和耐磨塑料套组合、转轴和转板的嵌套组合的任意一种。本实施例中的转动机构选自平面轴承与法兰轴组合。此时，所述底盘转向座上设置有圆孔；如图3所示，所述转动机构包括平面轴承4.6、连接法兰轴4.5、防摩圈、螺栓（图3未示出）；本发明对防摩圈的材质不作限制，任何可以实现本发明防磨圈功能的材质均在本发明的保护范围内。示例性的，本发明的防摩圈选自铜圈4.4。
所述连接法兰轴4.5由上至下，依次与所述平面轴承4.6、所述底盘转向座4.7、所述铜圈4.4同轴心配合；所述连接法兰轴4.5通过螺栓固定在所述基座4.1上，实现了所述底盘转向座4.7与所述基座4.1的转动连接。具体地，平面轴承4.6嵌入底盘转向座4.7上的圆孔内，连接法兰轴4.5穿过平面轴承4.6和底盘转向座4.7后，套以铜圈4.4，再采用螺栓固定连接在基座4.1上；进而形成减震单元4的完全固定。其中铜圈4.4的作用为防止基座4.1和底盘转向座4.7的干摩擦，使用具有自润滑作用的铜圈来防止摩擦，可以使转向机构运转可靠，使用顺畅。平面轴承4.6加法兰轴4.5，二者实现了良好的转动效果，有利于减少摩擦。完全安装后，减震单元4和万向节3形成可共同转动的结构体；减震单元4的转轴（即连接法兰轴4.5）和万向节3的转轴必须是同心的，这样可以实现万向节的轮毂输出轴和减震弹簧共同水平旋转，时刻保证减震弹簧处于轮轴正下方，实现有效减震。
所述机器人底盘还包括两个伞齿轮9、两个驱动电机7、两个电子变向器8；两个所述伞齿轮9、两个所述驱动电机7、两个所述电子变向器8均设置在所述底盘主体中；所述伞齿轮9设置在所述轮轴连接杆10上，所述伞齿轮9与所述驱动电机7连接；所述电子变向器8设置在所述轮轴连接杆10上。
图5示出了本发明实施例的机器人底盘的内部结构图，驱动电机7左右对称布置，采用卡箍件固定在底盘上，分别驱动图中左右两对轮；通过伞齿轮9实现传动；其中每个轮轴连接杆10上分别设有电子变向器8，可以实现在同一驱动电机驱动时，左右两车轮同向等速转动或反向等速转动；
所述机器人底盘还包括转向机构，图6示出了本发明实施例的机器人底盘的转向机构示意图，所述转向机构设置在所述底盘主体中。所述转向机构包括转向电机6.5、梯形丝杆6.1、两个导向杆6.3、两个移动座6.2、四个传动连杆6.4、四个转向轴承杆6.6。所述梯形丝杆6.1的两侧设置有所述导向杆6.3；两个所述导向杆6.3之间互相平行；所述梯形丝杆6.1沿与所述轮轴连接杆10平行的方向设置，每个所述导向杆6.3沿与所述轮轴连接杆10平行的方向设置。两个所述移动座6.2之间互相平行；每个所述移动座6.2均沿与所述轮轴连接杆10垂直的方向设置。所述梯形丝杆6.1和所述导向杆6.3均从所述移动座6.2中穿过；所述移动座6.2上设置有两个圆孔，两个所述导向杆6.3分别从两个所述圆孔穿过；所述移动座6.2上设置有螺纹孔，所述梯形丝杆6.1从所述螺纹孔穿过；所述螺纹孔设有与所述梯形丝杆相匹配的螺纹。所述梯形丝杆6.1的前段与后段的螺纹旋向相反。所述转向电机6.5设置在所述梯形丝杆6.1的上方；所述转向电机6.5与所述梯形丝杆6.1连接，所述转向电机6.5用于带动所述梯形丝杆6.1转动。
所述移动座6.2与所述传动连杆6.4的一端连接，所述传动连杆6.4的另一端与所述转向轴承杆6.6连接。
所述机器人底盘还包括轴承内圈、轴承外圈、卡簧。所述轴承内圈、轴承外圈、卡簧设置在所述车轮与所述万向节之间；由车轮到所述万向节的方向依次设置有轴承内圈、轴承外圈、卡簧；所述轴承外圈嵌入所述车轮的轮毂内侧；所述转向轴承杆与所述轴承内圈固定连接。
图6示出了本发明实施例的机器人底盘的转向机构示意图，转向机构6为丝杆螺母传动，梯形丝杆6.1的前段与后段的螺纹旋向相反，即在转向电机6.5的控制下，可以同时驱动两个移动座6.2相向或反向运动，进而带动与移动座转动连接的传动连杆6.4运动，进而带动与传动连杆转动连接的转向轴承杆6.6运动；转向轴承杆6.6的转向迫使车轮转向；值得说明的是，转向轴承杆6.6为轴承内圈焊接固定有连杆型式，轴承外圈嵌入轮毂内侧，加以卡簧防脱出，内圈和外圈产生相对转动，使得车轮转动时可以被转向轴承杆传递而来的力推动转向。
通过调节转向电机、电子变向器等，可以实现机器人底盘的直行、左右平移运动和原地转弯。具体为：
方式一：驱动转向电机6.5转动，调整两轮轴线平行，控制电子变向器8使同一驱动电机驱动下的两轮转向相同且等速，实现直行。
方式二：驱动转向电机6.5转动，使两移动座6.2靠拢；带动两两相邻的轮轴线相交成夹角，优选90°，如图7所示，形成夹角轮姿后，控制电子变向器8控制同一驱动电机下的两轮等速反转，配合以不同摩擦系数的轮胎胎面，可以实现该底盘的左右平移运动。
方式三：驱动转向电机6.5转动，使两移动座6.2远离对方；带动两两相邻的轮轴线相交成夹角，达到四轮相切于同一圆的状态，如图8所示，形成夹角轮姿后，控制电子变向器8控制同一驱动电机下的两轮等速反转，可以实现该底盘的原地转弯。
本发明采用双动力源（两个驱动电机）驱动四个车轮，辅以转向机构，在保持底盘运动灵活度的前提下降低了底盘成本。
本发明的转向机构可以实现耦合驱动（即一个转向电机通过传动连杆、转动轴承杆驱动多个轮）下主动轮的转向；节省了驱动电机的数量，降低了底盘的成本；同时可以使底盘进行平移运动和零半径转向。
本发明对机器人底盘的用途不作限制，任何包含本发明技术特征的机器人类型均在本发明的保护范围之内。例如，本发明的机器人底盘可以用于巡检机器人、仿生机器人、教育机器人、送餐机器人、迎宾机器人等等。
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 (12)
1.一种机器人底盘，其特征在于，所述机器人底盘包括底盘主体、车轮、轮轴连接杆、万向节和减震单元；
所述轮轴连接杆的两端分别设有所述万向节，所述万向节与所述车轮连接；
所述万向节和所述车轮均对称设置在所述底盘主体的两侧；
所述减震单元与所述万向节连接，所述减震单元设置在所述万向节的下方。
2.根据权利要求1所述的机器人底盘，其特征在于，所述减震单元包括缓冲机构、基座、底盘转向座和转动机构；
所述缓冲机构的一端设置有滑动部件，所述滑动部件与所述万向节连接；
所述缓冲机构的另一端固定连接在所述基座上；
所述底盘转向座固定设置在所述底盘主体上；
所述底盘转向座与所述基座通过所述转动机构实现转动连接。
3.根据权利要求2所述的机器人底盘，其特征在于，所述缓冲机构选自减震弹簧、缓冲杆的任意一种；
所述滑动部件选自深沟球轴承、圆锥滚子轴承的任意一种。
4.根据权利要求2所述的机器人底盘，其特征在于，所述转动机构选自平面轴承与法兰轴组合、转轴和耐磨塑料套组合、转轴和转板的嵌套组合的任意一种。
5.根据权利要求2所述的机器人底盘，其特征在于，所述转动机构选自平面轴承与法兰轴组合时，所述底盘转向座上设置有圆孔；
所述转动机构包括平面轴承、连接法兰轴、防摩圈、螺栓；所述连接法兰轴由上至下，依次与所述平面轴承、所述底盘转向座、所述防磨圈同轴心配合；
所述连接法兰轴通过螺栓固定在所述基座上，实现所述底盘转向座与所述基座的转动连接。
6.根据权利要求5所述的机器人底盘，其特征在于，所述防磨圈选自铜圈。
7.根据权利要求1所述的机器人底盘，其特征在于，所述机器人底盘还包括伞齿轮、驱动电机、电子变向器；所述伞齿轮、所述驱动电机、所述电子变向器均设置在所述底盘主体中；
所述伞齿轮设置在所述轮轴连接杆上，所述伞齿轮与所述驱动电机连接；
所述电子变向器设置在所述轮轴连接杆上。
8.根据权利要求1所述的机器人底盘，其特征在于，所述机器人底盘还包括转向机构，所述转向机构设置在所述底盘主体中；
所述转向机构包括转向电机、梯形丝杆、两个导向杆、两个移动座、传动连杆、转向轴承杆；
所述梯形丝杆的两侧设置有所述导向杆；两个所述导向杆之间互相平行；所述梯形丝杆沿与所述轮轴连接杆平行的方向设置；每个所述导向杆沿与所述轮轴连接杆平行的方向设置；
两个所述移动座之间互相平行；每个所述移动座均沿与所述轮轴连接杆垂直的方向设置；
所述梯形丝杆和所述导向杆均从所述移动座中穿过；
所述转向电机与所述梯形丝杆连接，所述转向电机用于带动所述梯形丝杆转动。
9.根据权利要求8所述的机器人底盘，其特征在于，所述转向电机设置在所述梯形丝杆的上方；
所述梯形丝杆的前段与后段的螺纹旋向相反。
10.根据权利要求8所述的机器人底盘，其特征在于，所述移动座上设置有两个圆孔，两个所述导向杆分别从两个所述圆孔穿过；
所述移动座上设置有螺纹孔，所述梯形丝杆从所述螺纹孔穿过；所述螺纹孔设有与所述梯形丝杆相匹配的螺纹；
所述移动座与所述传动连杆的一端连接，所述传动连杆的另一端与所述转向轴承杆连接。
11.根据权利要求10所述的机器人底盘，其特征在于，所述机器人底盘还包括轴承内圈、轴承外圈、卡簧；
所述轴承内圈、轴承外圈、卡簧设置在所述车轮与所述万向节之间；由车轮到所述万向节的方向依次设置有轴承内圈、轴承外圈、卡簧；
所述轴承外圈嵌入所述车轮的轮毂内侧；
所述转向轴承杆与所述轴承内圈固定连接。
12.根据权利要求11所述的机器人底盘，其特征在于，所述转向轴承杆为轴承内圈焊接固定有连杆的型式，轴承外圈嵌入轮毂内侧，加以卡簧防脱出，内圈和外圈产生相对转动，使得车轮转动时能够被转向轴承杆传递而来的力推动转向。
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