CN111532122A - 一种通用移动机器人全向底盘 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种通用移动机器人全向底盘，主要涉及机器人领域。包括底盘架，所述底盘架上设有多个移动机构，所述移动机构上设有转向机构，所述底盘架上还设有控制系统。本发明的有益效果在于：作为移动机器人的底盘结构，具有较高的通用性，改进机械设计以提高底盘运动效率，降低损耗件的替换成本，提高底盘运行时的稳定性。

Description

一种通用移动机器人全向底盘

技术领域

本发明涉及机器人领域，具体是一种通用移动机器人全向底盘。

背景技术

随着机器人技术的发展，对移动机器人的需求越来越大，尤其在物流机器人、巡检机器人、服务交互型机器人的应用十分广泛。但是现在市场已有的全向移动底盘，如麦克纳姆轮全向底盘和瑞士轮全向底盘，仍存在诸多缺点，这些缺点限制了移动底盘的适用场景，让全向底盘缺乏通用的解决方案，这大大阻碍了移动机器人大规模商业化的发展进程。

下面举例说明市场现有的全向底盘上全向轮的缺点。

1、麦克纳姆轮

麦克纳姆轮的轮缘上斜向分布着许多纺锤状的小辊子，车轮可以斜横向滑动。将这种轮子组合使用，当轮子绕固定的轴线转动时，各小辊子形成了连续的圆弧状包络线，所以可以使车体实现平滑的全向运动；

缺点：对加工精度要求很高，安装非常复杂，而且由于其结构紧凑，只有在运动地表平面度比较理想的情况下才能实现全向运动的效果。在运动过程中倘若两片轮之间有杂物卷入，更会导致全向运动失效。此外滚子磨损快，替换成本高。

2、瑞士轮

在一个大轮子周围垂直方向上均匀分布若干小轮子，大轮子由电机驱动，小轮子可以自由转动，使机器人在大轮子垂直方向侧滑时没有摩擦。如果将三个或三个以上的这种轮子固连在机器人的底盘，每个轮子就可以提供一个与驱动轴重合的扭矩，这些扭矩的合成可以使机器人具备全向移动的能力；

缺点：加工非常复杂，运动效率低，承载能力力比较弱，对地面的适应能力差，而且小辊子容易与地面出现相对滑动，使控制精度变差。拆装繁琐，替换成本高。

总的来说，现有全向底盘有以下缺点：①轮子力矩相互抵消，底盘运动效率低；②侧向运动约束小，容易发生侧向打滑；③均为滚子接触，接触面小，容易发生打滑。④滚子磨损快，替换成本高；④承载能力较弱；⑤对地面适应能力差。

发明内容

本发明的目的在于提供一种通用移动机器人全向底盘，它作为移动机器人的底盘结构，具有较高的通用性，改进机械设计以提高底盘运动效率，降低损耗件的替换成本，提高底盘运行时的稳定性。

本发明为实现上述目的，通过以下技术方案实现：

一种通用移动机器人全向底盘，包括底盘架，所述底盘架上设有多个移动机构，所述移动机构上设有转向机构，所述底盘架上还设有控制系统，

所述移动机构包括安装架，还包括通过所述安装架与底盘架安装的行走轮，所述行走轮外包有防滑胶皮，一侧所述安装架上设有驱动电机，

所述转向机构包括设置在底盘架上的安装孔，所述行走轮转动安装在安装孔内，所述安装孔内壁上设有内齿轮环，所述行走轮另一侧的安装架上设有转向电机，所述转向电机顶部设有与内齿轮环啮合的驱动齿轮，

所述控制系统包括全场编码器，所述全场编码器一侧连接有正交码盘，所述驱动电机和转向电机均与全场编码器电连接。

进一步的，所述行走轮上设有反馈系统，所述反馈系统设置在转向电机一侧，所述反馈系统与全场编码器电连接。

进一步的，所述反馈系统包括设置在转向电机一侧的磁编码器，所述磁编码器顶部连接有与驱动齿轮啮合的编码器齿轮，所述磁编码器与全场编码器电连接。

进一步的，所述编码器齿轮与驱动齿轮的传动比为1:1。

进一步的，所述底盘架上设有与安装孔相适应的减震板簧。

进一步的，所述底盘架外边缘设有底盘护板。

进一步的，所述内齿轮环设有多个，多个所述内齿轮环上下叠加设置且紧密接触。

进一步的，所述正交码盘包括两个正交的瑞士轮。

进一步的，所述底盘架为矩形，所述移动机构矩形阵列在底盘架的四角处。

对比现有技术，本发明的有益效果在于：

底盘架上设有正交码盘，正交码盘用于记录路径，通过正交码盘的全场路径定位，与转向机构的转向电机和移动机构的驱动电机相配合，行走轮和转向机构的结合，让每个轮系同时具有转向和行进功能，能够精确控制多个轮系的转向和行进来控制全向底盘的运动轨迹；通过全场编码器建立路径算法后，做出相应的路径规划，之后控制驱动电机和转向电机运行来驱动行走轮实现路径的移动，连贯的运动姿态让底盘的运动效率大大提高，运动的平稳度也大大提高，相较于传统的全向底盘所使用的行走轮，本专利的设计成本更低，且全向轮式的行走轮也更大程度的防止底盘发生侧滑，进一步保证运动的平稳度。

附图说明

附图1是本发明的结构示意图。

附图2是本发明的结构示意图。

附图3是本发明的仰视图。

附图4是本发明的主视图。

附图5是本发明的侧视结构剖视图。

附图6是本发明的附图5中A部放大图。

附图7是本发明的附图5中B部放大图。

附图中所示标号：

1、底盘架；2、行走轮；3、防滑胶皮；4、安装架；5、驱动电机；6、安装孔；7、内齿轮环；8、转向电机；9、驱动齿轮；10、全场编码器；11、正交码盘；12、磁编码器；13、减震板簧；14、底盘护板；15、编码器齿轮。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所限定的范围。

本发明所述是一种通用移动机器人全向底盘，主体结构包括底盘架1，用于安装底盘部件，以及承载机器人上肢，所述底盘架1上设有多个移动机构，所述移动机构上设有转向机构，所述底盘架1上还设有控制系统，

所述移动机构包括安装架4，还包括通过安装架与底盘架连接的行走轮2，所述行走轮2外包有防滑胶皮3，增加行走轮2与地面的摩擦力，防止行进过程中行走轮2打滑，行走轮2中心轴的两端固定在两侧的安装架4上，行走轮2通过中心轴转动安装在安装架4之间，所述安装架4与底盘架1连接，一侧所述安装架4上固定有驱动电机5，所述驱动电机5的输出轴与行走轮2的中心轴连接，通过固定在安装架4上的驱动电机5驱动行走轮2的中心轴转动，从而实现底盘架1以及整个机器人的移动。

所述转向机构包括设置在底盘架1上的圆形安装孔6，所述安装架4通过轴承转动安装在安装孔6内靠近顶部的位置，使行走轮2的中心直径与安装孔6的中心轴共线，所述安装孔6内壁上且轴承底部设有内齿轮环7，内齿轮环7为一环状结构且内圈带齿，所述行走轮2另一侧的安装架4上设有转向电机8，转向电机8的输出端朝上，所述转向电机8顶部输出轴端部设有驱动齿轮9，驱动齿轮9位于内齿轮环7内部，所述驱动齿轮9外缘与内齿轮环7内壁啮合，转向电机8通过一侧的安装架4与行走轮2固定连接，转向电机8驱动驱动齿轮9转动，通过驱动齿轮9与内齿轮环7内侧齿的啮合，使得驱动齿轮9沿内齿轮环7内壁移动，从而带动行走轮2绕中心直径转动，实现行走轮2的转向。

所述控制系统包括全场编码器10，所述全场编码器10一侧连接有正交码盘11，所述驱动电机5和转向电机8均与全场编码器10电连接，通过正交码盘11得出路径数据，从而对底盘的运动路径进行监控，通过全场编码器10做出路径规划并控制驱动电机5和转向电机8进行相应的工作，以便控制底盘的运动。

优选的，所述行走轮2上设有反馈系统，所述反馈系统设置在转向电机8一侧，所述反馈系统与全场编码器10电连接，通过反馈系统对转向电机8的运行状态进行监控，从而对行走轮2的转动数据进行监控，以便实时得到转向机构的转动角度，并进行控制。

优选的，所述反馈系统包括设置在转向电机8一侧的磁编码器12，所述磁编码器12顶部连接有编码器齿轮15，所述编码器齿轮15与驱动齿轮9啮合，所述磁编码器12与全场编码器10电连接，驱动齿轮9转动的同时带动编码器齿轮15转动，从而让磁编码器12通过编码器齿轮15得到转向电机8驱动行走轮2转过的角度，以便实时得到转向机构的转动角度，并从磁编码器12控制实时的转向角度和转向速度。

优选的，所述编码器齿轮15与驱动齿轮9的传动比为1:1，方便磁编码器12更直观的得到转向电机8驱动行走轮2转过的角度。

优选的，所述底盘架1上设有与安装孔6相适应的减震板簧13，减震板簧13为板与板之间设置多个减震弹簧的结构，用于底盘架1减震，增加地面的适应性和底盘的平稳度。

优选的，所述底盘架1外边缘设有底盘护板14，加装在底盘架1四角，防撞，起到保护行走轮2处部件的作用。

优选的，所述内齿轮环7设有多个，多个所述内齿轮环7上下叠加设置且紧密接触形成一个整体，起到加厚内齿轮环7的作用，且分散受力，防止内齿轮环7受损。

优选的，所述正交码盘11包括两个正交的瑞士轮，瑞士轮底面最低点与地面接触，是无动力的随动轮，用于记录路径。

优选的，所述底盘架1为矩形，所述移动机构矩形阵列在底盘架1的四角处，保证底盘架1支撑和运行的稳定性。

实施例：一种通用移动机器人全向底盘，包括底盘架1，底盘架1由铝管焊接和玻纤板接而成，整体为矩形，所述底盘架1外周四角处设有底盘护板14，所述底盘架1上四角处设有矩形阵列的4个移动机构，所述移动机构上设有转向机构，所述底盘架1的中心位置还设有控制系统，

所述移动机构包括行走轮2，所述行走轮2的轮毂外包有防滑胶皮3，所述行走轮2两侧且行走轮的中心轴两端设有安装架4，同时也作为电机固定座，所述安装架4与底盘架1连接，一侧所述安装架4上设有驱动电机5，驱动电机5选用3508电机，所述驱动电机5的输出轴与行走轮2的中心轴连接，

所述转向机构包括设置在底盘架1四角上的圆形安装孔6，所述安装架4通过交叉滚子轴承转动安装在安装孔6内，所述安装孔6内壁上设有2个上下设置且紧密接触的内齿轮环7，所述行走轮2另一侧的安装架4上设有转向电机8，转向电机8选用m2006电机，所述转向电机8顶部输出端设有驱动齿轮9，所述驱动齿轮9外缘与内齿轮环7内壁啮合，所述行走轮2上还设有反馈系统，且反馈系统设置在转向电机8一侧，所述反馈系统包括设置在转向电机8一侧的磁编码器12，所述磁编码器12顶部连接有与驱动齿轮9啮合的编码器齿轮15，驱动齿轮9与编码器齿轮15为1:1传动比，

所述控制系统包括全场编码器10，所述全场编码器10一侧连接有正交码盘11，所述正交码盘11包括两个正交的瑞士轮，瑞士轮无动力随动，瑞士轮底部最低点与地面接触，所述驱动电机5、转向电机8和磁编码器12均与全场编码器10电连接，

所述底盘架1上且安装孔6处周边设有减震板簧13，使用基于ANSYS Workbench的静力学分析和拓扑优化模块，实现了减震板簧13设计、电机座的优化设计、板类零件和轮毂的轻量化设计。

本发明让每个全向轮随着运动路径随时改变，这样就确保每个全向轮在路径每一点上的速度都是路径的切线方向，让全向轮的力与速度的抵消大大的减小，全向底盘的运动效率将大大提高。同时，为了尽可能减小内轮差以及结构的简化，进而采用了中心转向。同时，中心转向式直轮全向底盘能蟹型模式前后轮转角为正值，操纵稳定性提高、向心模式前后轮转角比值为负值，有助于减少转弯半径两种运动状态间切换，兼顾了操纵稳定性和灵敏性，能适应全向底盘在不同的使用环境；

在提高侧向干扰稳定性上，中心转向式直轮全向底盘使用的是直轮。不同于麦克纳姆轮和瑞士轮轮毂侧向有滚子的转动自由度，直轮侧向即轮毂轴向没有转动自由度，因此不会发生侧向打滑，且行走轮外包有防滑胶皮，这样受力就由点变成了面，应力大大分散，摩擦也大大增加，难以打滑，此外，当胶皮磨损时能直接拆开替换，替换成本非常低，且全向轮的替换成本也远低于麦克纳姆轮和瑞士轮；

在提高底盘制动的功能实现上，麦克纳姆底盘和瑞士轮底盘只能通过底盘的抱死或反转，而本发明的底盘能直接让全向轮即行走轮同时转向，让全部全向轮转向垂直于行进方向，同时转向机构的转向电机抱死，这样通过直轮侧向轴向约束让底盘达到紧急制动的效果，是一种新颖的快速制动方式。

Claims (9)

1.一种通用移动机器人全向底盘，其特征在于：包括底盘架(1)，所述底盘架(1)上设有多个移动机构，所述移动机构上设有转向机构，所述底盘架(1)上还设有控制系统，

所述移动机构包括安装架(4)，还包括通过所述安装架(4)与底盘架安装的行走轮(2)，所述行走轮(2)外包有防滑胶皮(3)，一侧所述安装架(4)上设有驱动电机(5)，

所述转向机构包括设置在底盘架(1)上的安装孔(6)，所述行走轮(2)转动安装在安装孔(6)内，所述安装孔(6)内壁上设有内齿轮环(7)，所述行走轮(2)另一侧的安装架(4)上设有转向电机(8)，所述转向电机(8)顶部设有与内齿轮环(7)啮合的驱动齿轮(9)，

所述控制系统包括全场编码器(10)，所述全场编码器(10)一侧连接有正交码盘(11)，所述驱动电机(5)和转向电机(8)均与全场编码器(10)电连接。

2.根据权利要求1所述一种通用移动机器人全向底盘，其特征在于：所述行走轮(2)上设有反馈系统，所述反馈系统设置在转向电机(8)一侧，所述反馈系统与全场编码器(10)电连接。

3.根据权利要求2所述一种通用移动机器人全向底盘，其特征在于：所述反馈系统包括设置在转向电机(8)一侧的磁编码器(12)，所述磁编码器(12)顶部连接有与驱动齿轮(9)啮合的编码器齿轮(15)，所述磁编码器(12)与全场编码器(10)电连接。

4.根据权利要求3所述一种通用移动机器人全向底盘，其特征在于：所述编码器齿轮(15)与驱动齿轮(9)的传动比为1:1。

5.根据权利要求1所述一种通用移动机器人全向底盘，其特征在于：所述底盘架(1)上设有与安装孔(6)相适应的减震板簧(13)。

6.根据权利要求1所述一种通用移动机器人全向底盘，其特征在于：所述底盘架(1)外边缘设有底盘护板(14)。

7.根据权利要求1所述一种通用移动机器人全向底盘，其特征在于：所述内齿轮环(7)设有多个，多个所述内齿轮环(7)上下叠加设置且紧密接触。

8.根据权利要求1所述一种通用移动机器人全向底盘，其特征在于：所述正交码盘(11)包括两个正交的瑞士轮。

9.根据权利要求1所述一种通用移动机器人全向底盘，其特征在于：所述底盘架(1)为矩形，所述移动机构矩形阵列在底盘架(1)的四角处。

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