CN111377006A - 一种全地形轮式机器人的底盘 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种全地形轮式机器人的底盘，包括前轮驱动机构、中轮驱动机构、后轮驱动机构、轴承盒、前独立悬挂、前中轮减震器、前中轮旋转轴、底盘框架、控制器，前轮驱动机构包括前麦克纳姆轮、前轮承重机构、前轮电机座、前轮驱动电机、前轮联轴器，前麦克纳姆轮通过前轮承重机构固定在前中轮旋转轴上，前中轮旋转轴固定在轴承盒上，轴承盒通过前独立悬挂和前中轮减震器固定在底盘框架上；前轮承重机构和中轮承重机构成一定角度可旋转地固定在前中轮旋转轴上；后轮驱动机构包括后麦克纳姆轮、采用独立悬挂结构；控制器控制电机的转速和转向来控制底盘的运动方向。本发明的底盘使机器人具备翻越复杂地形、攀爬较高地势的能力。

Description

一种全地形轮式机器人的底盘

技术领域

本发明涉及一种全地形轮式机器人的底盘。

背景技术

轮式机器人是目前比较普遍的一种机器人，目前轮式机器人大部分都是四轮机器人，它的底盘设计使其在行进的过程中，如果遇到坡度较大的障碍物，难以逾越；如果遇到路面崎岖不平时，震动较大，难以适应各种不同地形。目前在各种复杂地形包括灾害地形和崎岖地形，都需要提供拥有较强越障能力的机器人作为技术支持。本发明旨在解决上述问题。

发明内容

为解决现有技术的不足，本发明提供一种全地形轮式机器人的底盘，可有效提升轮式机器人的爬坡能力，同时又能减少震动。所述技术方案如下：

一种全地形轮式机器人的底盘，包括前轮驱动机构、中轮驱动机构、后轮驱动机构、轴承盒、前独立悬挂、前中轮减震器、前中轮旋转轴、底盘框架、控制器，前轮驱动机构包括前麦克纳姆轮、前轮承重机构、前轮电机座、前轮驱动电机、前轮联轴器，前麦克纳姆轮通过前轮承重机构固定在前中轮旋转轴上，前中轮旋转轴固定在轴承盒上，轴承盒通过前独立悬挂和前中轮减震器固定在底盘框架的前端底部上，前轮电机座固定在前轮承重机构上，前轮驱动电机固定在前轮电机座上，并通过前轮联轴器来驱动前麦克纳姆轮；中轮驱动机构包括全向轮、中轮承重机构、中轮电机座、中轮驱动电机、中轮联轴器，全向轮通过中轮承重机构固定在前中轮旋转轴上，前轮承重机构和中轮承重机构成一定角度可旋转地固定在前中轮旋转轴上，中轮电机座固定在中轮承重机构上，中轮驱动电机固定在中轮电机座上，并通过中轮联轴器来驱动全向轮；后轮驱动机构包括后麦克纳姆轮、后轮承重机构、后轮悬挂、后轮减震器、后轮电机座、后轮驱动电机、后轮联轴器，后麦克纳姆轮通过后轮承重机构固定在后轮悬挂和后轮减震器上，后轮悬挂和后轮减震器固定在底盘框架的后端底部上，后轮电机座固定在后轮承重机构上，后轮驱动电机固定在后轮电机座上，并通过后轮联轴器来驱动后麦克纳姆轮；控制器根据外界情况来控制前轮电机、中轮电机、后轮电机的转速和转向来控制底盘的运动方向。

优选地，全地形轮式机器人的底盘还包括撞击臂，撞击臂固定在前轮承重机构上，受到撞击时带动前麦克纳姆轮和全向轮绕前中轮旋转轴旋转。

优选地，所述撞击臂相对于底盘框架的前端向前向上倾斜。

优选地，所述前轮驱动机构、中轮驱动机构、后轮驱动机构分别为两个；撞击臂为两个，分别固定在两个前轮承重机构上。

优选地，全地形轮式机器人的底盘还包括两个导轮，分别固定在底盘框架的前端两侧，引导机器人穿过狭窄地带。

优选地，所述前麦克纳姆轮和全向轮采用三星轮结构，后麦克纳姆轮采用独立结构。

优选地，所述前麦克纳姆轮与全向轮之间的轮距和底盘的高度成比例，约为3：5。

优选地，所述前中轮减震器为四个油压减震器，四个油压减震器分别固定在轴承盒的四个角上，后轮减震器为一个油压减震器。

优选地，所述底盘框架由铝管焊接而成。

优选地，所述控制器为STM32F4单片机，所述电机为直流无刷电机。

本发明提供的技术方案带来的有益效果是：本发明的全地形轮式机器人的底盘巧妙地利用全向轮与麦克纳姆轮、独立悬挂系统、被动翻越系统，使轮式机器人具有全地形被动适应性的能力，其既具有越障稳定性，又具有越障速度，从而实现了机器人在各种地形上的灵活行动。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅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是本发明所述的全地形轮式机器人的底盘的侧视图。

图2是本发明所述的全地形轮式机器人的底盘的顶视图。

图3是本发明所述的全地形轮式机器人的底盘的前视图。

图4是本发明所述的全地形轮式机器人的底盘的示意图。

图中的附图标记分别表示：

1、撞击臂，2、前麦克纳姆轮，3、全向轮，4、前中轮减震器，5、后麦克纳姆轮，21、底盘框架，22、防撞杆，23、导轮，24、前中轮旋转轴，31、前轮电机座，32、前轮驱动电机，33、前轮联轴器，34、前轮承重机构。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

如图1-4所示，全地形轮式机器人的底盘，包括前轮驱动机构、中轮驱动机构、后轮驱动机构、轴承盒、前独立悬挂、前中轮减震器、前中轮旋转轴、底盘框架21、控制器。此机器人主要是根据月球车改造而来的，底盘框架21的主构架为焊接铝架，保证机械结构的稳定性。

首先使用了四个麦克纳姆轮和两个全向轮，可以使机器人灵活的全方位移动，前两轮采用非独立悬挂的方式，既可以保证机器人的爬坡和翻越障碍物的性能，同时也达到了减震的目的，使机器人行走时更加平稳。具体地，前轮驱动机构包括两个前麦克纳姆轮2、前轮承重机构34、前轮电机座31、前轮驱动电机32、前轮联轴器33，前麦克纳姆轮2通过前轮承重机构34固定在前中轮旋转轴上，前中轮旋转轴固定在轴承盒上，轴承盒通过前独立悬挂和前中轮减震器固定在底盘框架21的前端底部上，前轮电机座31固定在前轮承重机构34上，前轮驱动电机32固定在前轮电机座31上，并通过前轮联轴器33来驱动前麦克纳姆轮2。前麦克纳姆轮可以使底盘全向移动。前轮和中轮能够绕前中轮旋转轴来实现翻越障碍物。电机座是用于固定和保护电机，使电机轴不受径向力。联轴器是用来连接电机轴与轮轴。轮承重机构能够有效地承受径向力，提高轮子的寿命。控制器通过控制四个麦克纳姆轮和两个全向轮的驱动电机的旋转方向和旋转速度，来控制轮式机器人全方位移动。通过前独立悬挂和前中轮减震器把轴承盒固定在底盘框架21上，确保机器人在爬坡和翻越障碍物时，能够同时减震，保障机器人运行平稳。

全向轮和麦克纳姆轮根据需要选择使用市场上出售的不同产品型号。全向轮包括轮毂和从动轮，该轮毂的外圆周处均匀开设有3个或3个以上的轮毂齿，每两个轮毂齿之间装设有一从动轮，该从动轮的径向方向与轮毂外圆周的切线方向垂直。麦克纳姆轮是的全方位移动方式是基于一个有许多位于机轮周边的轮轴的中心轮的原理上，这些成角度的周边轮轴把一部分的机轮转向力转化到一个机轮法向力上面。

前轮驱动机构和中轮驱动机构采用三星轮结构，前轮和中轮的这种结构可以使机器人越过垂直20cm左右的障碍物，让机器人具备翻越复杂地形、攀爬较高地势的能力。具体地，中轮驱动机构包括两个全向轮3、中轮承重机构、中轮电机座、中轮驱动电机、中轮联轴器，全向轮3通过中轮承重机构固定在前中轮旋转轴上，前轮承重机构34和中轮承重机构成一定角度可旋转地固定在前中轮旋转轴上，这个角度可以根据实际需要而改变，优选为110度。中轮电机座固定在中轮承重机构上，中轮驱动电机固定在中轮电机座上，并通过中轮联轴器来驱动全向轮3。全向轮是在不影响底盘全向移动的同时可以提供更大的动力。如果前麦克纳姆轮2碰到障碍物，通过六个轮子向前顶使前轮被顶起。当前轮顶起时，前轮通过接触在障碍物侧面，其自身转动会受到一个向上的摩擦力，配合中轮后轮向前的动力，使前轮上抬。由于前轮承重机构34和中轮承重机构成一定角度可旋转地固定在前中轮旋转轴上，利用六轮转动具备向前的力，再通过前轮和中轮连接的结构使中轮在受到侧壁给予的支持力时能够被抬起。当前中轮上去之后，车身已经具有一定的速度，因此后轮在翻越障碍物时会借助惯性较容易上抬一定高度，再通过与台阶侧边摩擦使整个车身翻越障碍物。

后轮驱动机构包括后麦克纳姆轮5、后轮承重机构、后轮悬挂、后轮减震器、后轮电机座、后轮驱动电机、后轮联轴器，后麦克纳姆轮5通过后轮承重机构固定在后轮悬挂和后轮减震器上，后轮悬挂和后轮减震器固定在底盘框架21的后端底部上，后轮电机座固定在后轮承重机构上，后轮驱动电机固定在后轮电机座上，并通过后轮联轴器来驱动后麦克纳姆轮5；控制器根据外界情况来控制前轮电机、中轮电机、后轮电机的转速和转向来控制底盘的运动方向。后麦克纳姆轮使底盘可以全向移动。

优选地，全地形轮式机器人的底盘还包括撞击臂1，固定在前轮承重机构34上，受到撞击时带动前麦克纳姆轮2和全向轮3绕前中轮旋转轴旋转。撞击臂在受到撞击时使前中轮组绕旋转轴旋转，合理利用冲击力达到让前轮抬起的目的。为了便于撞击臂先接触到障碍物，优选地，撞击臂1相对于底盘框架21的前端向前向上倾斜。优选地，前轮驱动机构、中轮驱动机构、后轮驱动机构的数量与前轮、中轮和后轮的数量相同，在本实施例中为两个。轮子数量可以根据实际需要增加。为了使撞击臂能有效碰到各种形状的障碍物，撞击臂1设为两个，分别固定在两个前轮承重机构34上。

优选地，全地形轮式机器人的底盘还包括两个导轮23，分别固定在底盘框架21的前端两侧，引导机器人穿过狭窄地带。正是因为导轮的导向作用，使机器人更容易通过狭窄地带。优选地，前麦克纳姆轮2和全向轮3采用三星轮结构，后麦克纳姆轮5采用独立结构。

当前中轮上去之后，车身已经具有一定的速度，因此后轮在翻越障碍物时会借助惯性较容易上抬一定高度，再通过与台阶侧边摩擦使整个车身翻越障碍物。这里要求重心的位置合适压得住车的前部，否则容易向后翻车。通过不断地测试，发现轮距和底盘高度与轮的直径是成比例的，大约在3：5，实际制作时需要根据环境要求在此基础上进行更改。优选地，前麦克纳姆轮2与全向轮3之间的轮距和底盘的高度成比例，约为3：5。

优选地，前中轮减震器为四个油压减震器，四个油压减震器分别固定在轴承盒的四个角上，后轮减震器为一个油压减震器。油压减震器是为了更好地减小碰撞对车结构的损坏。优选地，底盘框架21由铝管焊接而成，更加牢固。底盘四周还可以设置防撞杆，有效保护底盘的整体框架。优选地，控制器为STM32F4单片机，电机为直流无刷电机。

全地形轮式机器人的底盘的运行原理如下。首先使用了四个麦克纳姆轮和两个全向轮，可以使机器人灵活的全方位移动，前两轮采用非独立悬挂的方式，既可以保证机器人的爬坡和翻越障碍物的性能，同时也达到了减震的目的，使机器人行走时更加平稳。前轮最前面突出来的东西，是一个撞击臂，可以有效的利用冲撞的力量，迅速越过障碍。在翻越障碍物时，抬升臂接触到台阶，把前轮抬起来，然后辅助前轮登上台阶，前四轮上去之后后两轮由于车已经具有的一定速度和后轮电机的输出也可以上去。中间的两个全向轮是经过大量的测试后使用的，因为麦克纳姆轮和全向轮全方位移动的原理不同，在此处使用了全向轮，大大的提高了越过障碍物时所需要的摩擦力，并且不影响全向移动。本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：本发明的全地形轮式机器人的底盘通过1对全向轮和2对麦克纳姆轮、4个独立悬挂系统与底盘的结合，达到底盘适应崎岖路面与大坡度地形的目的；通过“前中轮三星轮结构、后轮独立”的结构来被动翻越较高地形。二者的结合使该轮式机器人的底盘具有全地形被动适应。本发明的全地形轮式机器人的底盘利用全向轮与麦克纳姆轮、独立悬挂系统、被动翻越系统，设计出具有全地形被动适应性的底盘，其既具有越障稳定性，又具有越障速度，从而实现了机器人在各种地形上的灵活行动。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种全地形轮式机器人的底盘，包括前轮驱动机构、中轮驱动机构、后轮驱动机构、轴承盒、前独立悬挂、前中轮减震器、前中轮旋转轴、底盘框架(21)、控制器，其特征在于，前轮驱动机构包括前麦克纳姆轮(2)、前轮承重机构(34)、前轮电机座(31)、前轮驱动电机(32)、前轮联轴器(33)，前麦克纳姆轮(2)通过前轮承重机构(34)固定在前中轮旋转轴上，前中轮旋转轴固定在轴承盒上，轴承盒通过前独立悬挂和前中轮减震器固定在底盘框架(21)的前端底部上，前轮电机座(31)固定在前轮承重机构(34)上，前轮驱动电机(32)固定在前轮电机座(31)上，并通过前轮联轴器(33)来驱动前麦克纳姆轮(2)；中轮驱动机构包括全向轮(3)、中轮承重机构、中轮电机座、中轮驱动电机、中轮联轴器，全向轮(3)通过中轮承重机构固定在前中轮旋转轴上，前轮承重机构(34)和中轮承重机构成一定角度可旋转地固定在前中轮旋转轴上，中轮电机座固定在中轮承重机构上，中轮驱动电机固定在中轮电机座上，并通过中轮联轴器来驱动全向轮(3)；后轮驱动机构包括后麦克纳姆轮(5)、后轮承重机构、后轮悬挂、后轮减震器、后轮电机座、后轮驱动电机、后轮联轴器，后麦克纳姆轮(5)通过后轮承重机构固定在后轮悬挂和后轮减震器上，后轮悬挂和后轮减震器固定在底盘框架(21)的后端底部上，后轮电机座固定在后轮承重机构上，后轮驱动电机固定在后轮电机座上，并通过后轮联轴器来驱动后麦克纳姆轮(5)；控制器根据外界情况来控制前轮电机、中轮电机、后轮电机的转速和转向来控制底盘的运动方向。

2.如权利要求1所述的全地形轮式机器人的底盘，其特征在于，还包括撞击臂(1)，撞击臂(1)固定在前轮承重机构(34)上，受到撞击时带动前麦克纳姆轮(2)和全向轮(3)绕前中轮旋转轴旋转。

3.如权利要求1所述的全地形轮式机器人的底盘，其特征在于，所述撞击臂(1)相对于底盘框架(21)的前端向前向上倾斜。

4.如权利要求2所述的全地形轮式机器人的底盘，其特征在于，所述前轮驱动机构、中轮驱动机构、后轮驱动机构分别为两个；撞击臂(1)为两个，分别固定在两个前轮承重机构(34)上。

5.如权利要求1或2所述的全地形轮式机器人的底盘，其特征在于，还包括两个导轮(23)，分别固定在底盘框架(21)的前端两侧，引导机器人穿过狭窄地带。

6.如权利要求1或2所述的全地形轮式机器人的底盘，所述前麦克纳姆轮(2)和全向轮(3)采用三星轮结构，后麦克纳姆轮(5)采用独立结构。

7.如权利要求6所述的全地形轮式机器人的底盘，所述前麦克纳姆轮(2)与全向轮(3)之间的轮距和底盘的高度成比例，约为3∶5。

8.如权利要求1或2所述的全地形轮式机器人的底盘，所述前中轮减震器为四个油压减震器，四个油压减震器分别固定在轴承盒的四个角上，后轮减震器为一个油压减震器。

9.如权利要求1或2所述的全地形轮式机器人的底盘，所述底盘框架(21)由铝管焊接而成。

10.如权利要求1或2所述的全地形轮式机器人的底盘，所述控制器为STM32F4单片机，所述电机为直流无刷电机。

Images