CN111409736B - 一种中心单驱动的机器人底盘 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种中心单驱动的机器人底盘，所述底盘包括基座、万向轮、主动轮和升降倾斜旋转台，所述万向轮和所述主动轮设置在所述基座下方，所述升降倾斜旋转台安装在基座上方，所述升降倾斜旋转台与所述主动轮相连接，用于控制所述主动轮升降和旋转，所述升降倾斜旋转台包括：支架、升降组件、旋转组件和顶板。本发明的中心单驱动的机器人底盘，采用单向驱动轮加升降旋转台的组合，使得其底盘在平移或转向时实现零半径转动，且通过升降台的控制实现底盘能够平稳过斜坡和小台阶。

Description

一种中心单驱动的机器人底盘

技术领域

本发明属于机器人行走领域，特别涉及一种中心单驱动的机器人底盘。

背景技术

随着行走机器人在工业、生活等方面的应用越开越广泛，对机器人的行走要求也越来越高。底盘作为行走机器人关键部分，底盘性能的不同决定行走机器人的应用范围，能否实现零半径转弯是底盘性能的一大指标，能够零半径转弯的机器人所需要的行走空间较小，能够应用更小的空间内，行走机器人也更青睐于零半径转弯底盘。

现有零半径转弯底盘在行走轮上分布形式主要有：四轮2驱或4驱、两轮2驱动加万向轮。四轮2驱或4驱实现零半径转弯可采用差速或加转向机构，结构复杂，成本高。一般采用2轮2驱加万向轮实现原地转弯，方案成本相对低，结构简单，但2轮2驱前后加万向轮结构形成前、中、后三排轮结构，遇到斜坡或台阶，容易将驱动轮架空，导致底盘不稳，机器人摔倒。因此需要一种结构简单且能够过斜坡的零半径转弯底盘。

发明内容

针对上述问题，本发明提供了一种中心单驱动的机器人底盘。

一种中心单驱动的机器人底盘，所述底盘包括基座、万向轮、主动轮和升降倾斜旋转台；

所述万向轮和所述主动轮设置在所述基座下方，所述升降倾斜旋转台安装在基座上方；

所述升降倾斜旋转台与所述主动轮相连接，用于控制所述主动轮升降和旋转；

所述升降倾斜旋转台包括：支架、升降组件、旋转组件和顶板；

所述支架用于安装所述主动轮；

所述升降组件用于控制所述主动轮升降；

所述旋转组件用于控制所述主动轮转动；

所述支架与所述旋转组件相连接，所述旋转组件安装在所述顶板上，所述升降组件一端与所述顶板相连接，另一端与所述基座相连接。

进一步地，所述支架设置有两组，所述主动轮设置在两组支架之间，所述主动轮的中心转轴与两组所述支架相连接。

进一步地，每组所述支架靠近所述主动轮的一侧设置有灵敏压力传感器，所述灵敏压力传感器用于检测所述主动轮倾斜时的压力。

进一步地，所述旋转组件包括旋转电机、小齿轮和大齿轮；

所述旋转电机安装在所述顶板上端面上，所述旋转电机的机轴穿过所述顶板与所述小齿轮固定连接，所述大齿轮安装在所述顶板下端面上，所述小齿轮与大齿轮相啮合，所述支架固定在所述大齿轮的底端面上。

进一步地，所述升降组件设置有多组，多组所述升降组件间隔分布在所述顶板底面边缘处。

进一步地，所述升降组件包括：升降丝杆电机、丝杆套、顶部铰接环和底部铰接环；

所述升降丝杆电机通过所述底部铰接环与所述基座铰接设置，所述升降丝杆电机的顶端与所述丝杆套螺纹匹配套设，所述丝杆套通过所述顶部铰接环与所述顶板铰接设置。

进一步地，所述底盘还包括传感器组件；

所述传感器组件用于依据地面压力计算当前坡度；

所述传感器组件设置有两组，两组所述传感器组件均安装在所述基座下方，所述两组传感器组件关于所述主动轮对称分布。

进一步地，所述传感器组件包括：万向球轮、复位弹簧、法兰盘、圆环状传感器和导杆；

所述导杆上部活动贯穿所述基座，所述圆环状传感器、法兰盘和复位弹簧从上至下依次活动套设在所述导杆上，所述万向球轮安装在所述导杆底部。

进一步地，所述法兰盘设置在所述复位弹簧顶端，所述法兰盘与所述导杆同轴松配合，所述法兰盘的内径大于所述导杆直径，所述法兰盘的内径小于所述复位弹簧直径。

进一步地，所述圆环状传感器为压力传感器或测距传感器。

本发明的中心单驱动的机器人底盘，采用单向驱动轮加升降旋转台的组合，使得其底盘在平移或转向时实现零半径转动，且通过升降台的控制实现底盘能够平稳过斜坡和小台阶。

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示出了根据本发明实施例中心单驱动的机器人底盘结构示意图；

图2示出了根据本发明实施例升降倾斜旋转台的结构示意图；

图3示出了根据本发明实施例升降倾斜旋转台调整状态示意图；

图4示出了根据本发明实施例传感器组件安装示意图；

图5示出了根据本发明实施例传感器组件结构示意图；

图6示出了根据本发明实施例机器人底盘的原地位移调整过程时的侧视图与对应的俯视图；

图7示出了根据本发明实施例机器人底盘的爬坡状态调整状态侧视图；

图8示出了根据本发明实施例机器人底盘的跨坡行走状态调整状态侧视图。

附图说明：1、万向轮；2、主动轮；3、基座；4、升降倾斜旋转台；41、升降丝杆电机；42、丝杆套；43、顶板；44、支架；45、大齿轮；46、小齿轮；47、旋转电机；48、顶部铰接环；49、底部铰接环；5、传感器组件；51、万向球轮；52、复位弹簧；53、法兰盘；54、圆环状传感器；55、导杆。

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。

本发明涉及一种中心单驱动的机器人底盘，如图1所示，包括基座3、万向轮1、主动轮2、升降倾斜旋转台4和传感器组件5。

万向轮1和主动轮2设置在基座3下方，升降倾斜旋转台4安装在基座3上方，且升降倾斜旋转台4与主动轮2相连接，控制主动轮2升降旋转。

万向轮1设置有多个，安装在基座3底端面上。多个万向轮1间隔分布在基座3边缘位置，对基座3进行支撑。多个分散设置的万向轮1能够在主动轮2前行过程中，保证基座3各处的行走能力相同，保证主动轮2架空后对基座3进行支撑。每个万向轮1的顶部安装板通过螺栓固定在基座3底端面上。

基座3中心开设有安装孔，主动轮2位于安装孔内，主动轮2安装在升降倾斜旋转台4下方，主动轮2与升降倾斜旋转台4转动连接。

如图2所示，升降倾斜旋转台4包括：顶板43、升降组件、旋转组件和支架44。

支架44固定在旋转组件下方，支架44设置有两组，主动轮2设置在两组支架44之间。主动轮2的中心转轴与两组支架44均固定连接，实现支架44对主动轮2的固定，且通过支架44的设置实现升降倾斜旋转台4对主动轮2的控制。每组支架44靠近主动轮2的一侧设置有灵敏压力传感器，该灵敏压力传感器具体可安装在主动轮2中心转轴上方与竖直状态的主动轮2侧架接触。主动轮2在行驶过程中任一一侧倾斜时能够挤压灵敏压力传感器，倾斜角度越大，灵敏压力传感器所受到的挤压力越大，通过灵敏压力传感器的设置能够实时感知主动轮2的倾斜角度，能够及时调整前行方向。

旋转组件包括旋转电机47、小齿轮46和大齿轮45。旋转电机47安装在顶板43上端面上，顶板43上开设有用于旋转电机47轴贯穿的轴孔，旋转电机47机轴穿过轴孔与小齿轮46固定连接。小齿轮46的侧边与大齿轮45相啮合，大齿轮45安装在顶板43下端面上。大齿轮45通过卡簧，与紧配合于顶板43上的轴承固定连接，实现大齿轮45与顶板43形成轴向限位和旋转配合关系。其中，大齿轮45的转轴上安装有角度传感器，用于实时感知大齿轮45的转动角度，从而获知主动轮2的转动角度。

旋转电机47启动后小齿轮46能够带动大齿轮45慢速转动，从而带动支架44以大齿轮45的轴心转动，实现主动轮2能够原地转动。大齿轮45的直径是小齿轮46直径的2～5倍，通过大齿轮45和小齿轮46的啮合设置，避免主动轮2转向过快，导致底盘不稳，通过差速齿轮的啮合，使得主动轮2的转弯速度不会过快，且能够精确调整不同的转弯角度。

升降组件设置有多组，多组升降组件间隔分布在顶板43底面边缘处。每组升降组件的顶端与顶板43下端面铰接设置，每组升降组件的底端与基座3上端面铰接设置。升降组件包括：升降丝杆电机41、丝杆套42、顶部铰接环48和底部铰接环49。

升降丝杆电机41的底端与底部铰接环49固定连接，底部铰接环49内活动贯穿有底部铰接杆，且底部铰接杆固定在基座3上，实现升降丝杆电机41与基座3之间能够铰接转动。

升降丝杆电机41的顶端套设有与升降丝杆电机41相匹配的丝杆套42，丝杆套42能够随着升降丝杆电机41的驱动上下竖直移动。丝杆套42的顶端固定连接有顶部铰接环48，顶部铰接环48内活动贯穿有顶部铰接杆，顶部铰接杆固定安装在顶板43下端面上。通过顶部铰接环48的设置，实现丝杆套42与顶板43之间能够铰接转动。

通过升降丝杆电机41的设置，实现顶板43与基座3之间的距离能够随着丝杆套42的移动而远离或靠近。并且通过底部铰接环49和顶部铰接环48的设置，实现顶板43与基座3之间非刚性连接，顶板43能够相对于基座3倾斜移动。

通过升降组件与顶板43、基座3的铰接设置，实现顶板43、丝杆套42、升降丝杆电机41和基座3共同构成四杆平台。顶板43及主动轮2的倾斜调整如图3所示：图3-1为主动轮2正常行驶状态，即正常行驶时主动轮2为竖直状态，此时顶板43两侧的丝杆套42的高度相同。图3-2为主动轮2向右侧倾斜状态，此时调整主动轮2右侧两组升降丝杆电机41，使右侧丝杆套42的高度下降，而左侧两组升降丝杆电机41维持原状，左侧丝杆套42高度保持不变，主动轮2随着右侧丝杆套42高度的下降而向右侧倾斜。主动轮2需要回正时，只需升高右侧丝杆套42高度与左侧等高即可。图3-3为主动轮2向左侧倾斜状态，此时需要调整主动轮2左侧两组升降丝杆电机41，使左侧丝杆套42的高度下降，而右侧两组丝杆套42高度保持不变，主动轮2随着左侧丝杆套42高度的下降而向左侧倾斜。

传感器组件5设置有两组，两组传感器组件5均安装在基座3下方，如图4所示。两组传感器组件5分布在主动轮2前后侧对称设置，与主动轮2的轮面中心对齐设置。

每个传感器组件5如图5所示，包括：万向球轮51、复位弹簧52、法兰盘53、圆环状传感器54和导杆55。导杆55用于连接传感器组件5与基座3。基座3上开设限位孔，导杆55的插设在限位孔内贯穿基座3，与基座3活动连接。

导杆55底部固定连接有万向球轮51，万向球轮51在竖直不受外力状态下与地面接触，实现万向球轮51能够受到坡度地面的挤压向上滑动。

复位弹簧52设置在万向球轮51的顶端，且复位弹簧52同样套设在导杆55上，复位弹簧52的设置保障了万向球轮51的触地和预压。万向球轮51受到坡度地面挤压时会向上抵压复位弹簧52，并且坡度越高万向球轮51上移距离越大，复位弹簧52压缩距离越大，而行驶至无坡路面时，复位弹簧52由压缩状态恢复，恢复原状的复位弹簧52会给予万向球轮51一定的压力，使万向球轮51与地面接触。

法兰盘53设置在复位弹簧52顶端，法兰盘53与导杆55同轴松配合，即法兰盘53套设在导杆55上，且法兰盘53的内径大于导杆55直径。但法兰盘53内径小于复位弹簧52直径，确保法兰盘53始终位于复位弹簧52顶部，对复位弹簧52的运动起到导向作用。法兰盘53与导杆55同轴配合于基座3上相应设置的法兰安装孔上，法兰盘53和导杆55在复位弹簧52的作用下与基座3构成窜动连接。

圆环状传感器54设置在法兰盘53上端，圆环状传感器54的顶端与基座3底端面接触，且圆环状传感器54同样套设在导杆55上。

导杆55位于基座3的上部套设有轴套或卡簧，轴套或卡簧外径大于法兰安装孔孔径，使导杆55不能脱出基座3上的限位孔，即导杆55能向上顶，但向下回缩范围有所限制。无外力作用下，复位弹簧52能够将法兰盘53、圆环状传感器54、基座3顶在一起，且卡簧或轴套压于基座3上端面上，即有初始压缩量和预压力。

圆环状传感器54可为压力传感器，也可为测距传感器。

当圆环状传感器54为压力传感器时：在过斜坡时，前后两组压力传感器因基座3角度的改变，前后万向轮1受力不同，前进方向上，主动轮2后部复位弹簧52的压缩量大于前部弹簧压缩量，产生压力差，借此计算前后压缩量差，进而计算倾斜角度，换算坡度，反馈至机器人主控器，再实时调节升降丝杆电机41，调节主动轮2实时触地。

当圆环状传感器54为测距传感器时：可在导杆55上设置刻度线，测距传感器检测导杆55上的刻度通过量，计算导杆55位移量，进而换算坡度，由机器人主控器依据坡度调节升降丝杆电机41。

本发明中所使用的传感器组件5与姿态传感器组件相同，但为增加本发明底盘的适用范围，例如强磁场干扰环境的变电站，普通姿态传感器受干扰严重，精度不可保证。而本发明的传感器组件5为物理传感器，抗干扰能力强，因此具有姿态传感器或其他倾角传感器无可替代的优势。

本发明底盘在实施过程中，在原地平移、转弯、过坡及跨坡行走的状态如下：

底盘原地平移的状态如图6所示：

1、初始状态时，主动轮2及万向轮1均与地面接触，侧视图如图6-1-A所示，且主动轮2与万向轮1的朝向一致。底盘主动轮2与万向轮1俯视图如图6-1-B所示，主动轮2与万向轮1均成水平设置的状态。

2、控制多组升降电机转动同时转动，将顶板43抬升，进而带动大齿轮45和支架44抬升，最终导致主动轮2离开地面，基座3及上方机器人由四个万向轮1支撑，如图6-2-A所示，在图中，主动轮2的高度高于万向轮1，且主动轮2与万向轮1的朝向一致。底盘主动轮2与万向轮1俯视图如图6-2-B所示，此时主动轮2与万向轮1依旧为水平设置的状态。

3、驱动旋转电机47转动，小齿轮46与大齿轮45啮合转动，带动主动轮2架空旋转，通过角度传感器检测转动角度，当主动轮2转动90°时，关闭旋转电机47。此时转动后的主动轮2及万向轮1的朝向不一致，主动轮2与万向轮1的侧视图如图6-3-A所示，主动轮2与万向轮1的俯视图如图6-3-B所示。

4、控制多组升降丝杆电机41反向转动，将顶板43下移，带动大齿轮45和支架44下移，将主动轮2落在地面上，此时主动轮2方向发生变化，控制主动轮2行走后，万向轮1会立刻改变朝向，主动轮2与万向轮1的侧视图如图6-4-A所示，主动轮2与万向轮1的俯视图如图6-4-B所示，主动轮2与万向轮1的朝向一致，实现整个底盘3的原地平移。

底盘转弯的状态：在底盘行进过程中，控制旋转电机47转动，通过小齿轮46与大齿轮45的啮合，带动主动轮2旋转，通过角度传感器监控旋转角度，即可实现底盘能够在任一弯度的道路上行驶。

底盘正向过坡状态如图7所示：

1.在图7-1中，底盘位于水平路段，主动轮2和万向轮1均与水平地面接触，且斜坡路段位于底盘行进路段前方。

2.在图7-2中，主动轮2前侧的万向轮1行驶至斜坡路段上，主动轮2前侧的传感器组件5与斜坡地面接触，圆环状传感器54受到抵压，根据所受压力分析斜坡角度，并将斜坡角度分析结果反馈至机器人主控制器，主控制器依据斜坡角度控制升降丝杆电机41将抬主动轮2起适当的高度。

3.在图7-3中，主动轮2抬起时，而整个底盘在驱动惯性的作用下继续向斜坡路段移动，随着底盘的惯性移动，升高的主动轮2会与斜坡路段贴合，贴合后主动轮2在驱动力作用下在斜坡路段上行驶，行驶状态如图7-4所示。

需要说明的是，由于计算调整过程是毫秒级别甚至更快的，是实时调节的，保持了较高的响应速度，加之机器人底盘的惯性存在，在大量测试过程中，底盘来不及溜坡便会被驱动上坡。图7为说明的方便，放大了主动轮2的离地间隙，仅供参考。

底盘跨坡行走状态如图8所示(图8-2、8-3和8-4为表达清楚隐藏了前部传感器组件5)：

1.在图8-1中，底盘行驶在坡度路段，且底盘受路面影响为倾斜状态，一侧万向轮1的高度高于另一侧万向轮1高度。而该种路面状态会导致万向轮1边缘触地，主动轮2被架空。

2.隐藏主动轮2前方的传感器组件5后，主动轮2的状态如图8-2所示，即主动轮2被架空，由于前后传感器组件5上侧的压力无压力差，此时无法检测坡度。

3.主动轮2被架空后，行驶速度下降，机器人控制器会主动控制升降丝杆电机41将架空的主动轮2下放。在主动轮2触地时，受坡度影响，主动轮2一侧会先触地，导致主动轮2倾斜，对一侧的支架44进行挤压，该侧的压力传感器检测到压力，而另一侧压力传感器则无变化，说明主动轮2轮面未与坡面平行。此时，机器人控制器升起主动轮2，如图8-3所示，主动轮2升起后调整有压力一侧的丝杆套42高度，从而调整主动轮2倾斜角度。再次下放主动轮2，感受主动轮2两侧压力变化，重复主动轮2抬升、调节丝杆套42的过程，直至两侧压力传感器受压相同，说明主动轮2轮面与坡面平行，如图8-4所示，平行后主动轮2能够在稳定跨破行驶。

调整主动轮2轮面与坡面平行，有助于主动轮2保持良好驱动，顺利跨坡行驶。

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 (10)

1.一种中心单驱动的机器人底盘，其特征在于，所述底盘包括基座(3)、万向轮(1)、主动轮(2)和升降倾斜旋转台(4)；

所述万向轮(1)和所述主动轮(2)设置在所述基座(3)下方，所述升降倾斜旋转台(4)安装在基座(3)上方；

所述升降倾斜旋转台(4)与所述主动轮(2)相连接，用于控制所述主动轮(2)升降和旋转；

所述升降倾斜旋转台(4)包括：支架(44)、升降组件、旋转组件和顶板(43)；

所述支架(44)用于安装所述主动轮(2)；

所述升降组件用于控制所述主动轮(2)升降；

所述旋转组件用于控制所述主动轮(2)转动；

所述支架(44)与所述旋转组件相连接，所述旋转组件安装在所述顶板(43)上，所述升降组件一端与所述顶板(43)相连接，另一端与所述基座(3)相连接。

2.根据权利要求1所述的中心单驱动的机器人底盘，其特征在于，所述支架(44)设置有两组，所述主动轮(2)设置在两组支架(44)之间，所述主动轮(2)的中心转轴与两组所述支架(44)相连接。

3.根据权利要求1或2所述的中心单驱动的机器人底盘，其特征在于，每组所述支架(44)靠近所述主动轮(2)的一侧设置有灵敏压力传感器，所述灵敏压力传感器用于检测所述主动轮(2)倾斜时的压力。

4.根据权利要求1所述的中心单驱动的机器人底盘，其特征在于，所述旋转组件包括旋转电机(47)、小齿轮(46)和大齿轮(45)；

所述旋转电机(47)安装在所述顶板(43)上端面上，所述旋转电机(47)的机轴穿过所述顶板(43)与所述小齿轮(46)固定连接，所述大齿轮(45)安装在所述顶板(43)下端面上，所述小齿轮(46)与大齿轮(45)相啮合，所述支架(44)固定在所述大齿轮(45)的底端面上。

5.根据权利要求1所述的中心单驱动的机器人底盘，其特征在于，所述升降组件设置有多组，多组所述升降组件间隔分布在所述顶板(43)底面边缘处。

6.根据权利要求1或5所述的中心单驱动的机器人底盘，其特征在于，所述升降组件包括：升降丝杆电机(41)、丝杆套(42)、顶部铰接环(48)和底部铰接环(49)；

所述升降丝杆电机(41)通过所述底部铰接环(49)与所述基座(3)铰接设置，所述升降丝杆电机(41)的顶端与所述丝杆套(42)螺纹匹配套设，所述丝杆套(42)通过所述顶部铰接环(48)与所述顶板(43)铰接设置。

7.根据权利要求1所述的中心单驱动的机器人底盘，其特征在于，所述底盘还包括传感器组件(5)；

所述传感器组件(5)用于依据地面压力计算当前坡度；

所述传感器组件(5)设置有两组，两组所述传感器组件(5)均安装在所述基座(3)下方，两组所述传感器组件(5)关于所述主动轮(2)对称分布。

8.根据权利要求7所述的中心单驱动的机器人底盘，其特征在于，所述传感器组件(5)包括：万向球轮(51)、复位弹簧(52)、法兰盘(53)、圆环状传感器(54)和导杆(55)；

所述导杆(55)上部活动贯穿所述基座(3)，所述圆环状传感器(54)、法兰盘(53)和复位弹簧(52)从上至下依次活动套设在所述导杆(55)上，所述万向球轮(51)安装在所述导杆(55)底部。

9.根据权利要求8所述的中心单驱动的机器人底盘，其特征在于，所述法兰盘(53)设置在所述复位弹簧(52)顶端，所述法兰盘(53)与所述导杆(55)同轴松配合，所述法兰盘(53)的内径大于所述导杆(55)直径，所述法兰盘(53)的内径小于所述复位弹簧(52)直径。

10.根据权利要求8所述的中心单驱动的机器人底盘，其特征在于，所述圆环状传感器(54)为压力传感器或测距传感器。

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