CN111645778B - 全向移动设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种全向移动设备，所述全向移动设备包括：走行系统，包括2N组麦克纳姆轮机构、本体框架及弹性悬挂机构；2N组麦克纳姆轮机构通过弹性悬挂机构对称式安装于本体框架上，N大于等于2；其中，当2N组麦克纳姆轮机构连续运行时，弹性悬挂机构用于允许2N组麦克纳姆轮机构在弹性悬挂机构给定的机械自由度上相对移动，以吸收在麦克纳姆轮机构运行过程中产生的振动；任务负载舱，设置于走行系统上，舱体内安装有LiDAR激光雷达，通过走行系统带动LiDAR激光雷达无导轨式移动。本发明解决了传统麦克纳姆轮移动平台的固有问题，采用了优化设计的弹性悬挂系统和独特轮对布置方法，增强底盘对于地形起伏的适应性，同时还显著的降低底盘运行时的机械振动。

Description

全向移动设备

技术领域

本发明属于全向机械运动技术领域，涉及一种设备，特别是涉及一种全向移动设备。

背景技术

基于麦克纳姆轮技术的全方位运动设备可以实现前行、横移、斜行、旋转及其组合等运动方式。在此基础上研制的全方位叉车及全方位运输平台非常适合转运空间有限、作业通道狭窄的舰船环境,在提高舰船保障效率、增加舰船空间利用率以及降低人力成本方面具有明显的效果。

因此，麦克纳姆轮全向运动平台在二维平面上的全域可达特性在自动化/机器人应用领域具有非常高的运用价值。但是麦克纳姆轮本身也存在着对于地形起伏适应性能差，且运行时固有的机械振动明显的问题。

LiDAR雷达需要在移动平台的低位进行安装，对于安装位置周边的结构有一定的要求。

因此，如何提供一种全向移动设备，以解决现有技术对于地形起伏适应性能差，且运行时固有的机械振动明显的问题，且无法充分考虑安装LiDAR激光雷达的结构需求等缺陷，实已成为本领域技术人员亟待解决的技术问题。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种全向移动设备，用于解决现有技术对于地形起伏适应性能差，且运行时固有的机械振动明显的问题，且无法充分考虑安装LiDAR激光雷达的结构需求的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种全向移动设备，包括：走行系统，包括2N组麦克纳姆轮机构、本体框架及弹性悬挂机构；所述2N组麦克纳姆轮机构通过弹性悬挂机构对称式安装于所述本体框架上，N大于等于2；其中，当所述2N组麦克纳姆轮机构连续运行时，所述弹性悬挂机构用于允许所述2N组麦克纳姆轮机构在所述弹性悬挂机构给定的机械自由度上相对移动，以吸收在麦克纳姆轮机构运行过程中产生的振动；任务负载舱，设置于所述走行系统上，所述任务负载舱的舱体内安装有LiDAR激光雷达，通过所述走行系统带动所述LiDAR激光雷达无导轨式移动。

于本发明的一实施例中，一组麦克纳姆轮机构包括：并联设置的内侧麦克纳姆轮和外侧麦克纳姆轮；L型支架，与所述输出轴连接；驱动电机和减速机轴式一体组装，固定至所述L型支架；其中，所述驱动电机用于为内侧麦克纳姆轮和外侧麦克纳姆轮的转动提供驱动力；所述减速机用于放大驱动电机的输出力矩；其中，所述减速机设置有轴承，所述内侧麦克纳姆轮和所述外侧麦克纳姆轮安装于所述减速机的输出轴上；正交编码器，设置于所述驱动电机上，用于计算内侧麦克纳姆轮和外侧麦克纳姆轮的转速和低速时的转动位置。

于本发明的一实施例中，所述内侧麦克纳姆轮的轮脚位置上以预设角度并联安装所述外侧麦克纳姆轮。

于本发明的一实施例中，所述弹性悬挂机构包括：横向拉板弹性件，与所述L型支架固定连接，用于为所述弹性悬挂机构内部结构提供弹性约束力；第一减震件，并联设置于所述横向拉板弹性件的端部，用于将所述麦克纳姆轮机构弹性连接至所述本体框架，以便将所述全向移动设备在运行时垂直方向上产生的振动消耗于所述第一减震件的内部压缩变形内；第二减震件，设置于所述横向拉板弹性件的中央，用于将所述麦克纳姆轮机构弹性连接至所述本体框架，以承受所述全向移动设备在运行时产生的拉伸力。

于本发明的一实施例中，所述第一减震件为第一圆柱型减震件；所述第二减震件为第二圆柱型减震件；其中，利用所述第一圆柱型减震件的形状，在所述走行系统承压时，通过并联设置的所述第一减震件与所述横向拉板弹性件配合提供的结构拉力，控制所述第一减震件的内倾角；且通过并联设置的一第一减震件的拉伸力，和另一第一减震件的压缩力，控制所述第一减震件的前后摆角。

于本发明的一实施例中，所述本体框架包括主承载框架、辅承载框架及用于将所述主承载框架和辅承载框架连接在一起的刚性轴结构，所述刚性轴结构可自由转动，所述主承载框架和所述辅承载框架通过所述刚性轴结构可相对扭转。

于本发明的一实施例中，当所述全向移动设备在平坦的地面上运行时，所述主承载框架为其上安装的麦克纳姆轮机构提供附着力，所述辅承载框架为其上安装的麦克纳姆轮机构提供附着力，以保证麦克纳姆轮机构同时接地。

于本发明的一实施例中，当所述全向移动设备在非平坦的地面上运行时，所述主承载框架和所述辅承载框架发生扭转，通过所述刚性轴结构，将发生扭转的麦克纳姆轮机构恢复接地状，并保证所述主承载框架为其上安装的麦克纳姆轮机构提供附着力，所述辅承载框架为其上安装的麦克纳姆轮机构提供附着力。

于本发明的一实施例中，所述任务负载舱通过设置于所述本体框架侧边的梁体安装于所述走行系统的顶部；所述任务负载舱的舱体内两端设置有所述LiDAR激光雷达。

于本发明的一实施例中，所述全向移动设备还包括电池设备舱体；所述电池设备舱体亦通过所述梁体安装于所述走行系统的底部。

如上所述，本发明的全向移动设备，具有以下有益效果：

本发明所述全向移动设备解决了传统麦克纳姆轮移动平台的固有问题，采用了优化设计的弹性悬挂系统和独特轮对布置方法，增强了底盘对于地形起伏的适应性，同时还显著的降低了底盘运行时的机械振动。

附图说明

图1显示为本发明的全向移动设备于一实施例中的立体结构示意图。

图2显示为本发明的全向移动设备的仰视结构示意图。

图3本发明的一组麦克纳姆轮机构于一实施例中的立体结构示意图。

图4A本发明的弹性悬挂机构于一实施例中的立体结构示意图。

图4B本发明的用于安装麦克纳姆轮机构组的弹性悬挂机构的正视结构示意图。

图4C本发明的用于安装麦克纳姆轮机构组的弹性悬挂机构的侧视结构示意图。

图5A本发明的本体框架的仰视立体结构示意图。

图5B本发明的本体框架的俯视立体结构示意图。

图5C本发明的本体框架的提供最大附着力的原理图。

图6本发明的全向移动设备的框体结构示意图。

图7本发明的任务负载舱的舱体结构示意图。

图8本发明的任务负载舱的透视结构示意图。

元件标号说明

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。

须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

实施例

本实施例提供一种全向移动设备，包括：

走行系统，包括2N组麦克纳姆轮机构、本体框架及弹性悬挂机构；所述2N组麦克纳姆轮机构通过弹性悬挂机构对称式安装于所述本体框架上，N大于等于2；

其中，当所述2N组麦克纳姆轮机构连续运行时，所述弹性悬挂机构允许所述2N组麦克纳姆轮机构在所述弹性悬挂机构给定的机械自由度上相对移动，以吸收在麦克纳姆轮机构运行过程中产生的振动；

任务负载舱，设置于所述走行系统上，所述任务负载舱的舱体内安装有LiDAR激光雷达，通过所述走行系统带动所述LiDAR激光雷达无导轨式移动。

以下将结合图示对本实施例所提供的全向移动设备进行详细描述。本实施例所述全向移动设备工作时使用SLAM自导航技术，在结构设计上充分考虑了安装LiDAR激光雷达的需要，适用于无导轨方式的自主运行环境。

请参阅图1，显示为全向移动设备于一实施例中的立体结构示意图。如图1所示，所述全向移动设备10包括走行系统1和任务负载舱2。如图1所示，所述走行系统1和所述任务负载舱2直接采用立柱架高连接构成用于安装LiDAR雷达4的全视景空间。

所述走行系统1包括2N组麦克纳姆轮机构11、弹性悬挂机构12及本体框架13，N大于等于2。于本实施例中，N取2，即本实施例所述全向移动设备设置4组麦克纳姆轮机构11。

请参阅图2，显示为全向移动设备的仰视结构示意图。如图2所示，所述4组麦克纳姆轮机构11通过弹性悬挂机构12对称式安装于所述本体框架13上。在本实施例中，所述本体框架13呈矩形，所述4组麦克纳姆轮机构11设置于所述本体框架13的4个边角处。

请参阅图3，显示为一组麦克纳姆轮机构于一实施例中的立体结构示意图。如图3所示，所述一组麦克纳姆轮机构11包括：内侧麦克纳姆轮111、外侧麦克纳姆轮112、L型支架113、驱动电机114、减速机115、输出轴116、及正交编码器117。

其中，所述内侧麦克纳姆轮111和外侧麦克纳姆轮112并联设置。

具体地，所述内侧麦克纳姆轮111的轮脚位置上以预设角度并联安装所述外侧麦克纳姆轮112。

所述L型支架113用于安装所述减速机115。

所述驱动电机114和减速机115轴式一体组装，固定至所述L型支架113。在本实施例中，所述驱动电机114用于为所述内侧麦克纳姆轮111和所述外侧麦克纳姆轮112的转动提供驱动力。所述减速机115用于放大驱动电机的输出力矩。于本实施例中，所述减速机设置有深沟轴承，所述内侧麦克纳姆轮111和所述外侧麦克纳姆轮112安装于所述减速机115的输出轴116上。

设置于所述驱动电机114上的所述正交编码器117用于计算内侧麦克纳姆轮111和外侧麦克纳姆轮112的转速和低速时的转动位置。

当所述2N组麦克纳姆轮机构连续运行时，所述弹性悬挂机构12用于允许所述4组麦克纳姆轮机构11在所述弹性悬挂机构12给定的机械自由度上相对移动，以吸收在麦克纳姆轮机构运行过程中产生的振动，与本实施例中，所述弹性悬挂机构12给定的机械自由度包括麦克纳姆轮机构11相对所述走行系统结构在内倾角、上下以及前后三个自由度。

请参阅图4A，显示为弹性悬挂机构于一实施例中的立体结构示意图。如图4A所示，所述弹性悬挂机构12包括横向拉板弹性件120、第一减震件121及第二减震件122。

与所述L型支架113固定连接的横向拉板弹性件120用于为所述弹性悬挂机构12内部结构提供弹性约束力。

并联设置于所述横向拉板弹性件120的端部第一减震件121用于将所述麦克纳姆轮机构11弹性连接至所述本体框架12，以便将所述全向移动设备1在运行时垂直方向上产生的振动消耗于所述第一减震件121的内部压缩变形内；

设置于所述横向拉板弹性件120的中央的第二减震件122用于将所述麦克纳姆轮机构11弹性连接至所述本体框架12，以承受所述全向移动设备1在运行时产生的拉伸力。

在本实施例中，所述第一减震件121为第一圆柱型减震件，所述第二减震件122为第二圆柱型减震件。

具体地，所述第一圆柱型减震件，所述第二圆柱型减震件采用圆柱橡胶减震脚垫。利用所述第一圆柱型减震件的形状，在所述走行系统承压时，通过并联设置的所述第一减震件与所述横向拉板弹性件配合提供的结构拉力，控制所述第一减震件的内倾角；且通过并联设置的一第一减震件的拉伸力，和另一第一减震件的压缩力，控制所述第一减震件的前后摆角。

请参阅图4B和图4C，分别显示为用于安装麦克纳姆轮机构组的弹性悬挂机构的正视结构示意图和侧视结构示意图。如图4B和图4C所示，所述第一圆柱型减震件121，所述第二圆柱型减震件122可等效于圆柱压缩弹簧，保证了麦克纳姆轮机构组与走行系统本体框架12之间为完全弹性连接。横向拉板弹性件120为横向拉板弹簧的弹性运动表示结构，等效于两个横向构连的弹簧部件。图4B完整简述了弹性悬挂机构相对运动的特点，需要重点说明的是，由于在每一个L型支架上对称安装了4个橡胶减震脚垫121(图中的121分别可以看到前后两组)，弹性悬挂机构工作时，此处的橡胶减震脚垫121给L型支架113下部的麦克纳姆轮组提供垂直方向的缓冲能力，此时，橡胶减震脚垫121等效于一组压缩弹簧，在垂直方向上通过橡胶材料内部的压缩变形，将该方向上的振动能量消耗在材料内部的形变摩擦上，另外一方面，根据圆柱弹簧的特性，其承压时允许具有一定的侧弯幅度。因此，利用这一特点也能够提供其在内倾角124和前后摆角125两个方向上的小幅度形变进而获得缓冲，由于单个圆柱弹簧无法很好的控制侧弯，此处采用了四组橡胶减震脚垫121两两前后并联的方式构成了弹簧组(第一圆柱型减震件121和第二圆柱型减震件122分别为正视和侧视两个方向上的示意图)，在侧视方向上，前后两排并联的弹簧组减震件121/122可以控制前后摆角不至于过大(由于结构重量的作用力经过麦克纳姆轮组圆心，因此，前后两组弹簧组减震件在摆角过大时，会呈现一组拉伸，一组压缩的状态，能够提供足够的回复力矩)，如图4B和图4C所示，内倾角124可以控制在5°以内。

具体地，在正视方向上，左右两排并联的弹簧组(所述第一圆柱型减震件121和所述第二圆柱型减震件122)，配合横向拉板弹性件120提供的结构拉力，可以控制内倾角不至于过大(左右两组弹簧在内倾角过大时，呈现一组拉伸，一组压缩的状态，提供一部分回复力矩；但是由于结构重量的作用力经过L型支架113以后产生了力矩放大，因此，左右两个L型支架113之间还需要通过横向拉板弹性件120提供额外的结构间拉伸力矩进一步予以控制)，如图4B和图4C所示，左右两侧轮组的内倾角变化范围，通常也控制在5°以内。

请参阅图5A和图5B，显示为本体框架的仰视立体结构示意图和俯视立体结构示意图。如图5A和图5B，所述本体框架13包括主承载框架131、辅承载框架132及用于将所述主承载框架131和辅承载框架132连接在一起的刚性轴结构133，所述刚性轴结构133可自由转动。所述主承载框架131和所述辅承载框架132通过所述刚性轴结构133可相对扭转。

当所述全向移动设备1在平坦的地面上运行时，所述主承载框架131为其上安装的麦克纳姆轮机构11提供附着力，所述辅承载框架131为其上安装的麦克纳姆轮机构11提供附着力，以保证麦克纳姆轮机构11同时接地。当所述全向移动设备1在非平坦的地面上运行时，所述主承载框架131和所述辅承载框架132发生扭转，通过所述刚性轴结构133，将发生扭转的麦克纳姆轮机构11恢复接地状，并保证所述主承载框架131为其上安装的麦克纳姆轮机构11提供附着力，所述辅承载框架132为其上安装的麦克纳姆轮机构提供附着力。

请参阅图5C，显示为本体框架的提供最大附着力的原理图。如图5C所示，A，B，C，D四个点等效于走行系统的4个麦克纳姆轮机构组11，当地面足够平坦时，可以等效认为4个轮组处于A，B，C，D’这四个点上且该4点处于同一平面。此时前部结构的两个轮组在AB直线上提供附着力，后部结构的两个轮组在CD’直线上提供附着力。当地面非平坦时，由于刚性轴结构133的存在，此时后部机构等效于从直线CD’转过角度α到达直线CD的位置上，即车体有三个轮组处于ABC平面上，另外有三个轮组处于ACD平面上——这两个平面不共面且相交。在图5C中，这种状态等效于前部结构上的两个轮组任然处于ABC平面的AB直线上并提供附着力；后部结构的两个轮组在ADC平面的CD直线上并提供附着力，此时即发生了所谓的交叉轴状态，由于刚性轴结构133的存在，保证了前后两个结构各自的一组轴上的麦克纳姆轮机构11始终保持接地并提供附着力。

所述任务负载舱体2下部的梁体会在后轴扭转角度过大时，接触麦克纳姆轮上的滚子，由于滚子处于自由运动状态，这个接触并不会导致麦克纳姆轮堵转，但又恰好可以限制后轴的扭转角度。

请参阅图6，显示为全向移动设备的框体结构示意图。如图6所示，所述任务负载舱2通过设置于所述本体框架13侧边的梁体14安装于所述走行系统1的顶部，所述电池设备舱体3亦通过所述梁体14安装于所述走行系统的底部。其中，所述任务负载舱2的舱体内安装有LiDAR激光雷达4，通过所述走行系统1带动所述LiDAR激光雷达4无导轨式移动。

在本实施例中，所述任务负载舱2的舱体内两端设置有所述LiDAR激光雷达。请参阅图7，显示为任务负载舱的舱体结构示意图。如图7所示，任务负载舱2的舱体21是一个可以脱离行走系统的独立构件。具有4个梁体14实现的架高空间结构，任务负载舱的舱体的架高同时也可以保证走行机构的后部拥有足够的摆动空间。架高空间结构内部主要用于安装导航用LiDAR激光雷达4，采用双雷达方案时，2个相同的LiDAR激光雷达4分别安装在架高空间的两端(此时，可以合成360°无遮挡的全景视野)。

请参阅图8，显示为任务负载舱的透视结构示意图。如图8所示，走行系统1和任务负载舱2(图8中拆下了任务负载舱的舱体21左侧和上部的蒙板16)构成了完整的移动平台本体，其工作时由可以拆卸的蒙板16安装在四周，用于保护内部设备和结构；提供必要的电气/人机系统接口和插座；同时也为了整机的结构完整美观。底盘使用的主要电气设备包括控制计算机17和麦克纳姆轮电机驱动器18和其他电气设备19安装于任务负载舱上部仓体内。具体任务需要搭载的电气设备安装在任务负载舱内部，必要时该舱体可以配合外部需要搭载的具体任务负载调整实际的高度。

综上所述，本发明所述全向移动设备解决了传统麦克纳姆轮移动平台的固有问题，采用了优化设计的弹性悬挂系统和独特轮对布置方法，增强了底盘对于地形起伏的适应性，同时还显著的降低了底盘运行时的机械振动。因此，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种全向移动设备，其特征在于，包括：

走行系统，包括2N组麦克纳姆轮机构、本体框架及弹性悬挂机构；所述2N组麦克纳姆轮机构通过弹性悬挂机构对称式安装于所述本体框架上，N大于等于2；

其中，当所述2N组麦克纳姆轮机构连续运行时，所述弹性悬挂机构用于允许所述2N组麦克纳姆轮机构在所述弹性悬挂机构给定的机械自由度上相对移动，以吸收在麦克纳姆轮机构运行过程中产生的振动；

所述弹性悬挂机构包括：

横向拉板弹性件，用于为所述弹性悬挂机构内部结构提供弹性约束力；

第一减震件，并联设置于所述横向拉板弹性件的端部，用于将所述麦克纳姆轮机构弹性连接至所述本体框架，以便将所述全向移动设备在运行时垂直方向上产生的振动消耗于所述第一减震件的内部压缩变形内；

第二减震件，设置于所述横向拉板弹性件的中央，用于将所述麦克纳姆轮机构弹性连接至所述本体框架，以承受所述全向移动设备在运行时产生的拉伸力；

任务负载舱，设置于所述走行系统上，所述任务负载舱的舱体内安装有LiDAR激光雷达，通过所述走行系统带动所述LiDAR激光雷达无导轨式移动。

2.根据权利要求1所述的全向移动设备，其特征在于：一组麦克纳姆轮机构包括：

并联设置的内侧麦克纳姆轮和外侧麦克纳姆轮；

L型支架，与所述麦克纳姆轮机构的输出轴连接；

驱动电机和减速机轴式一体组装，固定至所述L型支架；其中，所述驱动电机用于为内侧麦克纳姆轮和外侧麦克纳姆轮的转动提供驱动力；所述减速机用于放大驱动电机的输出力矩；其中，所述减速机设置有轴承，所述内侧麦克纳姆轮和所述外侧麦克纳姆轮安装于所述减速机的输出轴上；

正交编码器，设置于所述驱动电机上，用于计算内侧麦克纳姆轮和外侧麦克纳姆轮的转速和低速时的转动位置。

3.根据权利要求2所述的全向移动设备，其特征在于：所述内侧麦克纳姆轮的轮脚位置上以预设角度并联安装所述外侧麦克纳姆轮。

4.根据权利要求2所述的全向移动设备，其特征在于：

所述横向拉板弹性件与所述L型支架固定连接。

5.根据权利要求1所述的全向移动设备，其特征在于：

所述第一减震件为第一圆柱型减震件；

所述第二减震件为第二圆柱型减震件；

其中，利用所述第一圆柱型减震件的形状，在所述走行系统承压时，通过并联设置的所述第一减震件与所述横向拉板弹性件配合提供的结构拉力，控制所述第一减震件的内倾角；且通过并联设置的一第一减震件的拉伸力，和另一第一减震件的压缩力，控制所述第一减震件的前后摆角。

6.根据权利要求1所述的全向移动设备，其特征在于：所述本体框架包括主承载框架、辅承载框架及用于将所述主承载框架和辅承载框架连接在一起的刚性轴结构，所述刚性轴结构可自由转动，所述主承载框架和所述辅承载框架通过所述刚性轴结构可相对扭转。

7.根据权利要求6所述的全向移动设备，其特征在于：

当所述全向移动设备在平坦的地面上运行时，所述主承载框架为其上安装的麦克纳姆轮机构提供附着力，所述辅承载框架为其上安装的麦克纳姆轮机构提供附着力，以保证麦克纳姆轮机构同时接地。

8.根据权利要求6所述的全向移动设备，其特征在于：

当所述全向移动设备在非平坦的地面上运行时，所述主承载框架和所述辅承载框架发生扭转，通过所述刚性轴结构，将发生扭转的麦克纳姆轮机构恢复接地状，并保证所述主承载框架为其上安装的麦克纳姆轮机构提供附着力，所述辅承载框架为其上安装的麦克纳姆轮机构提供附着力。

9.根据权利要求1所述的全向移动设备，其特征在于：所述任务负载舱通过设置于所述本体框架侧边的梁体安装于所述走行系统的顶部；所述任务负载舱的舱体内两端设置有所述LiDAR激光雷达。

10.根据权利要求9所述的全向移动设备，其特征在于：所述全向移动设备还包括电池设备舱体；所述电池设备舱体亦通过所述梁体安装于所述走行系统的底部。

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