CN112092539A - 一种移动式底盘 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种移动式底盘,解决现有底盘在转向时存在抖动以及造成能量浪费的问题。该移动式底盘包括车架、驱动电机、转向驱动桥、伸缩万向节、悬架连杆、驱动轮和转向舵机;车架上设置有主减速箱,主减速箱设置有两个输入轴和四个输出轴;驱动电机的输出轴与主减速箱的输入轴连接;转向驱动桥为两组,每组转向驱动桥均包括分动齿轮箱和两个车桥;分动齿轮箱的两个输入齿轮分别通过伸缩万向节与主减速箱的两个输出轴相连,且分动齿轮箱通过两个悬架连杆与车架连接;分动齿轮箱的两个输出轴通过车桥将动力传递至左右两侧的驱动轮;转向舵机的数量为两个,用于实现左右同侧驱动轮的普通转向与原地转向两种转向模式。

Description

一种移动式底盘
技术领域
本发明属于机械移动平台领域,具体涉及一种移动式底盘。
背景技术
目前,移动机器人采用的底盘包括差速底盘、阿克曼底盘和全向轮底盘等。
无人驾驶车辆和部分机器人采用阿克曼底盘,即类似汽车的前轮转向结构,这种底盘结构成熟,适应性较好,但是在无人驾驶和机器人领域使用的最大困难是存在一个较大转弯半径,转弯半径造成该类底盘不能原地转动,限制了其在狭小空间的使用。同时,由于阿克曼底盘存在较大转弯半径,对于导航的路径规划和运动控制要求很高。
部分移动机器人采用全向移动底盘,该类底盘主要采用了全向轮或者麦克纳轮,利用轮子圆周的滚子横向或斜向滚动,使底盘可以在平面上进行矢量移动。但是,由于全向轮或者麦克纳轮结构复杂、成本高、负载小、滚子容易卡入异物造成行走不畅,因此该种底盘应用场合较受限制,只适用于室内平坦地面。
差速底盘为结构形式最简单的底盘,具体形式为使用两个驱动轮配合一个或多个万向轮,通过差速控制方式实现机器人的转向,或者采用四轮差速的驱动方式,但是此种方式会产生较大的滑动摩擦。
两驱动轮差速加万向轮方式的底盘主要应用于室内平坦地面,是当前服务机器人使用最广泛的一种底盘,其优点是零转弯半径(绕两驱动轮中心转动)、结构简单,缺点是通过能力差,难以布置悬挂避震系统。由于万向轮自身结构造成万向轮轮径一般较小,而且无动力,因此其通过能力差。同时,此类底盘的避震系统也很难布置,通常是轮子和底盘刚性连接,所以两轮差速底盘一般适用于室内平坦地面。
四轮差速底盘也具有零转弯半径的特性,通常为四轮都具有驱动力,轮子不能转向,通过两边轮速差实现转向。这种底盘通常需要增加悬挂系统,因为如果驱动轮直接刚性连接于车架,在室外复杂地形行走时地面的激励将会全部传导到车身及车身上配备的各种元器件上,易造成元器件的损坏,若安装有摄像头,则会因为摄像头剧烈抖动,造成成像效果差导致影响执行任务。在采用悬挂系统后,直行时的抖动可以得到大大改善。但在转弯时,由于该底盘采用的是直接两侧轮差速的方式(类似坦克和履带式拖拉机),因此轮胎与地面之间存在剧烈的侧向摩擦并引起振动,由此产生的振动与减震器减震方向不平行,故该部分震动不能被减震器吸收。因此该底盘在转向时依然会因为剧烈抖动影响机器人的正常工作,并且为克服转向时候滑动摩檫的阻力,必须选择更大功率的电机,由此造成能量浪费和续航里程的降低,而且轮胎会产生非常严重的磨损。
发明内容
本发明的目的一是解决现有四轮差速底盘转向时存在抖动以及造成能量浪费的问题,二是解决阿克曼底盘不能原地转向的问题,提出了一种移动式底盘。
为实现以上目的,本发明技术方案为:
一种移动式底盘,包括车架、驱动电机、转向驱动桥、伸缩万向节、悬架连杆、驱动轮和转向舵机;所述车架上设置有主减速箱,所述主减速箱设置有两个输入轴和四个输出轴,且两个输出轴设置在主减速箱的前侧、两个输出轴设置在主减速箱的后侧;所述驱动电机的数量为两个,均设置在车架上,其输出轴与主减速箱的输入轴连接,其中一个驱动电机将动力传递至主减速箱左侧的两个输出轴上,另一个驱动电机将动力传递至主减速箱右侧的两个输出轴上;所述转向驱动桥为两组,对称设置在车架的前侧和后侧,每组转向驱动桥均包括分动齿轮箱和两个车桥;所述分动齿轮箱的两个输入齿轮分别通过伸缩万向节与主减速箱的两个输出轴相连,用于接受驱动电机的转速输入,且分动齿轮箱通过两个悬架连杆与车架连接;所述分动齿轮箱的两个输出轴通过车桥将动力传递至左右两侧的驱动轮,且车桥通过悬架连杆与车架连接;所述转向舵机的数量为两个,对称设置在车架的左右两侧,实现左右同侧驱动轮的普通转向与原地转向两种转向模式。
进一步地,所述转向舵机的输出轴与转向舵杆连接,驱动转向舵杆沿其中心摆动,所述转向舵杆的两端分别与两个转向连杆的一端铰接,所述转向连杆的另一端与设置在车桥上的转向羊角铰接,通过转向羊角实现同侧驱动轮的普通转向与原地转向两种转向模式。
进一步地,所述转向羊角与车桥之间的铰接转向轴倾斜设置。
进一步地,所述转向驱动桥还包括驱动万向节,所述车桥通过驱动万向节与驱动轮连接。
进一步地,所述转向驱动桥与车架之间还设置有减振器,所述减振器的一端与车架铰接,另一端与驱动轮的轮轴铰接。
进一步地,所述驱动万向节为双联万向节。
进一步地,所述主减速箱的四个输出轴中,位于左侧的两个输出轴同轴设置,位于右侧的两个输出轴同轴设置。
进一步地,每个转向驱动桥与车架之间设置四个悬架连杆,使得该转向驱动桥与车架之间采用四连杆的连接结构,从而使得该驱动桥实现一定的扭动以适应路面情况。
与现有技术相比,本发明技术方案的优点为:
1.与当前车辆常用的阿克曼底盘相比,本发明移动式底盘能够实现原地转向功能,大幅提高了底盘的灵活性。与机器人常用的差速式底盘相比,本发明移动式底盘则具有更强的通过性。
2.与当前其他带悬挂全向四驱底盘相比,本发明移动式底盘仅使用两个转向舵机和两个驱动电机即可实现四轮驱动、原地转向等功能,即采用较小功率的电机即可实现转向,大幅降低了能量输出,从而提高了能量利用率。
3.本发明移动式底盘中转向驱动桥与车架通过四连杆和减振器连接,实现减振的同时具有非常强的越野能力,避免了转向时的抖动。
4.本发明移动式底盘由于内倾角的存在,转向过程中会产生一个自动回正的力矩,因此底盘直线行走稳定性更好。
5.本发明移动式底盘由于使用了双联万向节,轮胎的速度波动非常小。
附图说明
图1为本发明移动式底盘的传动示意图;
图2为本发明转向驱动桥的传动示意图;
图3为本发明转向舵机的传动示意图;
图4a为本发明移动式底盘原地转向模式示意图;
图4b为本发明移动式底盘普通转向模式示意图。
附图标记:1-车架,2-主减速箱,3-驱动电机,4-转向舵机,5-伸缩万向节,6-转向驱动桥,7-驱动轮,8-悬架连杆,9-转向舵杆,10-转向连杆,11-转向羊角,12-减振器,61-分动齿轮箱,62-车桥,63-驱动万向节。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明的内容作进一步详细描述。
本发明提供了一种移动式底盘,该底盘采用四轮驱动和四轮转向的形式,即四个轮都有驱动力、四个轮子都能转向,使用两个驱动电机,通过主减速箱将动力传动到前后各两个伸缩万向节、以及转向驱动桥上的分动齿轮箱上,最后将两个驱动电机的动力分别传至底盘左右两侧的驱动轮上(左边两个驱动轮由左边一个电机驱动,右边两个驱动轮由右边一个电机驱动),使得左侧或右侧的两个驱动轮转速相同,转向时通过控制驱动电机转速实现差速器效果,保证驱动轮无滑动摩擦。同时,通过左右两侧的转向舵机实现普通转向与原地转向两种转向模式。
如图1所示,本发明移动式底盘包括车架1、驱动电机3、转向驱动桥6、伸缩万向节5、悬架连杆8、驱动轮7和转向舵机4。车架1为移动式底盘的主体结构件,是整个底盘安装的骨架,用于安装所有其他结构,如主减速箱2、驱动电机3和转向舵机4。
本发明车架1上设置有主减速箱2,主减速箱2设置有两个输入轴和四个输出轴,此时,两个输出轴设置在主减速箱2的前侧、两个输出轴设置在主减速箱2的后侧,同时还可将位于左侧的两个输出轴同轴设置,位于右侧的两个输出轴同轴设置。驱动电机3的数量为两个,均设置在车架1上,其输出轴与主减速箱2的输入轴连接,其中一个驱动电机3将动力传递至主减速箱2左侧的两个输出轴上,另一个驱动电机3将动力传递至主减速箱2右侧的两个输出轴上。
如图2所示,本发明转向驱动桥6为两组,对称设置在车架1的前侧和后侧,每组转向驱动桥6均包括分动齿轮箱61和两个车桥62,分动齿轮箱61设置在两个车桥62之间,包括两个输入齿轮;分动齿轮箱61的两个输入齿轮分别通过两个伸缩万向节5与主减速箱2的两个输出轴相连,用于接受两个驱动电机3的转速输入,分动齿轮箱61通过两个悬架连杆8与车架1连接,悬架连杆8的一端与车架1铰接,另一端与分动齿轮箱61铰接;分动齿轮箱61的两个输出轴通过车桥62将动力传递至左右两侧的驱动轮7,车桥62通过悬架连杆8与车架1连接,悬架连杆8的一端与车架1铰接,另一端与车桥62铰接。
如图2所示,本发明转向驱动桥6还包括驱动万向节63,从分动齿轮箱61两侧的输出齿轮与驱动轮7之间各通过一个驱动万向节63相连,驱动万向节63具体可采用双联万向节,该双联万向节是一个准等速万向节,可以将电机的转速以几乎线性的关系传递到驱动轮7,以消除十字万向节带来的速度波动。即它输入与输出两侧的转速关系基本上是相等的,这种万向节结构可以很好地抑制普通万向节带来的转速波动现象。
如图3所示,本发明转向舵机4的数量为两个,对称设置在车架1的左右两侧,实现左右同侧驱动轮7的普通转向与原地转向两种转向模式。其具体传动结构是:转向舵机4的输出轴与转向舵杆9连接,驱动转向舵杆9沿其中心摆动,转向舵杆9的两端分别与两个转向连杆10的一端铰接,转向连杆10的另一端与设置在车桥62上的转向羊角11铰接。本发明转向舵机4驱动转向舵杆9沿其中心转动,从而带动两侧的转向连杆10运动,进而拉动两侧转向驱动桥6上的转向羊角11,以驱动两侧的驱动轮7转动,通过两侧各自的转向舵机4配合以一定的角度关系运动,使可以实现如图4所示的两种转向状态——即原地转向状态与普通转向状态。
如图3所示,本发明转向驱动桥6与车架1之间还设置有减振器12,减振器12的一端与车架1铰接,另一端与驱动轮7的轮轴铰接。底盘前后的转向驱动桥6主要通过悬架连杆8与车架1相连,并配合减振器12实现减振,每个转向驱动桥6与车架1之间采用的是四连杆的连接结构,因此前后驱动桥可以实现一定的扭动以适应路面情况。
由图1的传动关系图可知,本发明车架1上两个驱动电机3各自通过齿轮、伸缩万向节5以及分动齿轮箱61上的输入齿轮输入各自侧的驱动轮7处,同一侧的驱动轮7转向是一样的,两侧的驱动电机3的转向,配合两侧的转向舵机4所转的角度,可以实现直行、转向、原地转三种状态。
如图2所示,本发明移动式底盘中,转向羊角11与车桥62之间的铰接转向轴是倾斜的,即向羊角11与车桥62的两个铰接轴的连线从下向上由驱动轮7向车架1方向倾斜,其倾斜角度称之为内倾角,内倾角的存在使得底盘具有自动回正的功能,使得直行状态更加稳定,从而提高直线行走稳定性。
图4a和图4b为本底盘能够实现的两种转向模式。图4a为原地转向模式,图4b为普通转向模式。四4a中两个转向舵机4的转向角度相同,同一个转向驱动桥6上的驱动轮7的转速相同,但转向相反,以此实现该状态下的原地转向状态。图4b中两个转向舵机4的角度不同,两侧电机的转速也不同,但它们之间以一种确定的函数关系运行,以保证转向时能够绕一几何中心旋转而不发生轮胎的偏磨。
基于上述结构,本发明移动式底盘具有以下特点:
与当前车辆常用的阿克曼底盘相比,本发明移动式底盘能够实现原地转向功能,大幅提高了底盘的灵活性。与机器人常用的差速式底盘相比,本发明移动式底盘则具有更强的通过性。
与当前其他带悬挂全向四驱底盘相比,本发明移动式底盘仅使用两个转向舵机4和两个驱动电机3即可实现四轮驱动、原地转向等功能,即采用较小功率的电机即可实现转向,大幅降低了能量输出,从而提高了能量利用率。
本发明移动式底盘中转向驱动桥6与车架1通过多连杆和减振器12连接,实现减振的同时具有非常强的越野能力,避免了转向时的抖动。同时,本发明移动式底盘由于使用了双联万向节,轮胎的速度波动非常小。
本发明移动式底盘由于内倾角的存在,转向过程中会产生一个自动回正的力矩,因此底盘直线行走稳定性更好。

Claims (8)

1.一种移动式底盘,其特征在于:包括车架(1)、驱动电机(3)、转向驱动桥(6)、伸缩万向节(5)、悬架连杆(8)、驱动轮(7)和转向舵机(4);
所述车架(1)上设置有主减速箱(2),所述主减速箱(2)设置有两个输入轴和四个输出轴,且两个输出轴设置在主减速箱(2)的前侧、两个输出轴设置在主减速箱(2)的后侧;
所述驱动电机(3)的数量为两个,均设置在车架(1)上,其输出轴与主减速箱(2)的输入轴连接,其中一个驱动电机(3)将动力传递至主减速箱(2)左侧的两个输出轴上,另一个驱动电机(3)将动力传递至主减速箱(2)右侧的两个输出轴上;
所述转向驱动桥(6)为两组,对称设置在车架(1)的前侧和后侧,每组转向驱动桥(6)均包括分动齿轮箱(61)和两个车桥(62);所述分动齿轮箱(61)的两个输入齿轮分别通过伸缩万向节(5)与主减速箱(2)的两个输出轴相连,用于接受驱动电机(3)的转速输入,且分动齿轮箱(61)通过两个悬架连杆(8)与车架(1)连接;所述分动齿轮箱(61)的两个输出轴通过车桥(62)将动力传递至左右两侧的驱动轮(7),且车桥(62)通过悬架连杆(8)与车架(1)连接;
所述转向舵机(4)的数量为两个,对称设置在车架(1)的左右两侧,实现左右同侧驱动轮(7)的普通转向与原地转向两种转向模式。
2.根据权利要求1所述的移动式底盘,其特征在于:所述转向舵机(4)的输出轴与转向舵杆(9)连接,驱动转向舵杆(9)沿其中心摆动,所述转向舵杆(9)的两端分别与两个转向连杆(10)的一端铰接,所述转向连杆(10)的另一端与设置在车桥(62)上的转向羊角(11)铰接,通过转向羊角(11)实现同侧驱动轮(7)的普通转向与原地转向两种转向模式。
3.根据权利要求2所述的移动式底盘,其特征在于:所述转向羊角(11)与车桥(62)之间的铰接转向轴倾斜设置。
4.根据权利要求1或2或3所述的移动式底盘,其特征在于:所述转向驱动桥(6)还包括驱动万向节(63),所述车桥(62)通过驱动万向节(63)与驱动轮(7)连接。
5.根据权利要求4所述的移动式底盘,其特征在于:所述转向驱动桥(6)与车架(1)之间还设置有减振器(12),所述减振器(12)的一端与车架(1)铰接,另一端与驱动轮(7)的轮轴铰接。
6.根据权利要求5所述的移动式底盘,其特征在于:所述驱动万向节(63)为双联万向节。
7.根据权利要求6所述的移动式底盘,其特征在于:所述主减速箱(2)的四个输出轴中,位于左侧的两个输出轴同轴设置,位于右侧的两个输出轴同轴设置。
8.根据权利要求7所述的移动式底盘,其特征在于:每个转向驱动桥(6)与车架(1)之间设置四个悬架连杆(8),使得该转向驱动桥(6)与车架(1)之间采用四连杆的连接结构,从而使得转向驱动桥(6)实现一定的扭动以适应路面情况。
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Applicant after: Shenzhen Xianfa intelligent Co.,Ltd.

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Applicant before: Xi'an quantum Intelligence Technology Co.,Ltd.

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Applicant before: Li Hanzhou