CN112208675A - 一种全向运动机器人 - Google Patents

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CN112208675A CN202010901304.0A CN202010901304A CN112208675A CN 112208675 A CN112208675 A CN 112208675A CN 202010901304 A CN202010901304 A CN 202010901304A CN 112208675 A CN112208675 A CN 112208675A
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赵永进
牟俊鑫
余文华
周礼兵
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Abstract

本发明属于机器人设备技术领域，尤其涉及一种全向运动机器人。具体地，该全向运动机器人包括：底盘架和偶数个转向动力系统，各个转向动力系统包括：固定座，固定座固定安装在底盘架上；转向支架，转向支架包括装配柱和轮毂安装座，装配柱穿过固定座并且与固定座可转动地装配；转向动力机构，转向动力机构包括转向驱动器、蜗杆和传动部，蜗杆连接在转向驱动器的动力输出轴上，蜗杆与转向驱动器的动力输出轴同轴且同步转动，传动部使得转向驱动器的动力输出轴带动转向支架转动；轮毂电机，轮毂电机包括定子部和转子部，定子部连接在轮毂安装座上。应用本发明技术方案解决了现有技术的机器人底盘结构转向结构不灵活的问题。

Description

一种全向运动机器人
技术领域
本发明属于机器人设备技术领域，尤其涉及一种全向运动机器人。
背景技术
目前，智能安防巡检机器人(包含电力巡检)对运动性能有了更高的需求，然而，市场中常见的机器人底盘结构是前轮阿克曼转向的底盘结构与四轮差速的底盘结构。前者由于采用前轮阿克曼转向而直接导致其转弯半径很大，在狭小空间位置处行进会显得十分麻烦及笨重；后者采用四轮差速转向方式，理论上是可以实现原地自转、行进灵活等运动性能，但实际应用中差速转向方式会由于地面打滑导致与理想的运动轨迹有较大的出入，且其会严重损耗轮胎、降低使用寿命、增加机器人的使用成本。
发明内容
本发明的目的在于提供一种全向运动机器人，旨在解决现有技术的机器人底盘结构转向结构不灵活的问题。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种全向运动机器人，包括：底盘架；偶数个转向动力系统，所有的转向动力系统安装在底盘架上且相对于底盘架的沿前进方向延伸的中心线两两相对地对称设置，各个转向动力系统包括：固定座，固定座固定安装在底盘架上；转向支架，转向支架包括装配柱和轮毂安装座，装配柱的第一端固定连接在轮毂安装座上，装配柱穿过固定座并且与固定座可转动地装配；转向动力机构，转向动力机构包括转向驱动器、蜗杆和传动部，转向驱动器安装在底盘架上，蜗杆连接在转向驱动器的动力输出轴上，蜗杆与转向驱动器的动力输出轴同轴且同步转动，传动部设置在蜗杆与装配柱的第二端之间，使得转向驱动器的动力输出轴带动转向支架转动；轮毂电机，轮毂电机包括定子部和转子部，转子部可转动地套住定子部，定子部连接在轮毂安装座上，转子部相对于底盘架的转动中心轴线垂直于装配柱的中心轴线。
可选地，传动部为蜗轮，蜗轮连接在装配柱的第二端上，蜗杆与蜗轮相啮合，转向驱动器、蜗杆及蜗轮之间呈水平传动布置方式。
可选地，传动部包括蜗轮和传动齿盘，蜗轮可转动地安装在底盘架上，传动齿盘连接在装配柱上，传动齿盘的上侧设有配合齿圈，蜗轮的轮齿与蜗杆、配合齿圈均啮合；其中，蜗杆的中心轴线与装配柱的中心轴线平行。
可选地，全向运动机器人还包括轴承组件，轴承组件套在装配柱上并安装在固定座内。
可选地，轴承组件包括偶数个圆锥滚子轴承和若干个轴套，相邻两个圆锥滚子轴承之间设有至少一个轴套，相邻两个圆锥滚子轴承的其中一个的圆柱滚子相对于装配柱中心轴线的倾斜方向与另一个的圆柱滚子相对于装配柱中心轴线的倾斜方向相反。
可选地，轴承组件包括两个圆锥滚子轴承和一个轴套，轴套设置在两个圆锥滚子轴承之间，其中一个圆锥滚子轴承的圆柱滚子相对于装配柱中心轴线的倾斜方向与另一个圆锥滚子轴承的圆柱滚子相对于装配柱中心轴线的倾斜方向相反。
可选地，轮毂安装座包括竖板和横板，竖板和横板连接形成L型结构，装配柱固定连接在横板上，定子部连接在竖板上，且轮毂电机位于装配柱的正下方。
可选地，转向驱动器为动力舵机，动力舵机通过舵机安装座固定安装在底盘架上。
可选地，蜗杆的第一端通过第一连接座、蜗杆的第二端通过第二连接座安装在底盘架上，蜗杆的第一端与第一连接座之间、蜗杆的第二端与第二连接座之间均设有球轴承。
可选地，转向动力系统的数量为4个，4个转向动力系统分布在底盘架的对应边角位置上。
本发明至少具有以下有益效果：
应用本发明提供的全向运动机器人进行巡检工作或者进行其他实验、检测工作，在保证机器人能够正常行走前进的基础上，通过轮毂电机形成的轮子结构，轮毂电机中集成了动力源和转动轮子，从而使得行走的轮子结构更紧凑更美观，并且轮毂电机能够提供强大扭力，极大地提升了机器人的运动性能，具有更强的爬坡、越障等方面能力。而且，该全向运动机器人在确保稳定传递动力的基础上，在全向运动机器人行进并转向过程中，由于各个转向动力系统之间相互独立，并且每个转向动力系统中通过固定座与底盘架固定连接，转向驱动器通过蜗杆和传动部带动装配柱转动，则轮毂电机转动实现转弯变向，如此，每个轮毂电机在转向过程中都能实现正负90°灵活转动，也就让机器人实现了全向移动的功能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明第一实施例的全向运动机器人的装配结构示意图；
图2为本发明第一实施例的全向运动机器人的其中一个转向动力系统的装配结构示意图；
图3为图2的俯视图；
图4为图3中A-A的剖视图；
图5为发明第一实施例的全向运动机器人的其中一个转向动力系统的第一视角的分解图；
图6为发明第一实施例的全向运动机器人的其中一个转向动力系统的第二视角的分解图；
图7为本发明第二实施例的全向运动机器人的其中一个转向动力系统的装配结构示意图。
其中，图中各附图标记：
10、底盘架；100、转向动力系统；20、固定座；30、转向支架；31、装配柱；32、轮毂安装座；321、竖板；322、横板；40、转向动力机构；41、转向驱动器；42、蜗杆；431、蜗轮；432、传动齿盘；50、轮毂电机；51、定子部；52、转子部；60、轴承组件；61、圆锥滚子轴承；62、轴套；71、舵机安装座；72、第一连接座；73、第二连接座；200、蓄电池。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
如图1至图6所示，本发明的第一实施例提供了一种权项运动机器人，所谓全向运动，即该机器人可以实现地面上任意方向的运动，包括常见的蛇形曲线运动、常见的曲线行驶运动、以及阿克曼转向运动等。该全向运动机器人包括底盘架10和偶数(大于等于4的偶数)个转向动力系统100，所有的转向动力系统100安装在底盘架10上且相对于底盘架10的沿前进方向延伸的中心线两两相对地对称设置，通过转向动力系统100实现机器人行走过程中转弯变向，机器人所需携带的工作器械以及精密工具均安装在底盘架10上，则底盘架10和这些转向动力系统100组成了机器人的底盘结构，能够承载整体机器人。其中，各个转向动力系统100包括固定座20、转向支架30、转向动力机构40和轮毂电机50，具体地，转向支架30包括装配柱31和轮毂安装座32，转向动力机构40包括转向驱动器41、蜗杆42和传动部，轮毂电机50包括定子部51和转子部52(转子部52即为轮子，定子部51则是装配有动力源的轮毂结构，动力源为转子部52提供动力，从而实现轮子转动而行走)。在具体装配过程中，固定座20固定安装在底盘架10上，装配柱31的第一端固定连接在轮毂安装座32上，转向支架30的装配柱31穿过固定座20并且与固定座20可转动地装配，转向驱动器41安装在底盘架10上，蜗杆42连接在转向驱动器41的动力输出轴上，蜗杆42与转向驱动器41的动力输出轴同轴且同步转动，传动部设置在蜗杆42与装配柱31的第二端之间，使得转向驱动器41的动力输出轴带动转向支架30转动，转子部52可转动地套住定子部51，定子部51连接在轮毂安装座32上，转子部52相对于底盘架10的转动中心轴线垂直于装配柱31的中心轴线。
应用本发明第一实施例提供的全向运动机器人进行巡检工作或者进行其他实验、检测工作，在保证机器人能够正常行走前进的基础上，通过轮毂电机50形成的轮子结构，轮毂电机50中集成了动力源和转动轮子，从而使得行走的轮子结构更紧凑更美观，并且轮毂电机50能够提供强大扭力，极大地提升了机器人的运动性能，具有更强的爬坡、越障等方面能力，并且，采用轮毂电机50节约了空间且可以提供强大前进的驱动力，也可以通过电制动(定子部51的动力源断电停止输出动力时产生的制动效果)实现快速停车或驻车功能。而且，该全向运动机器人在确保稳定传递动力的基础上，在全向运动机器人行进并转向过程中，由于各个转向动力系统100之间相互独立，并且每个转向动力系统100中通过固定座20与底盘架10固定连接，转向驱动器41通过蜗杆42和传动部带动装配柱31转动(即转向支架30整体转动)，则轮毂电机50转动实现转弯变向，如此，每个轮毂电机50在转向过程中都能实现正负90°灵活转动，也就让机器人实现了全向移动的功能。
在第一实施例中，传动部为蜗轮431，蜗轮431直接连接在装配柱31的第二端上，蜗杆42与蜗轮431相啮合，转向驱动器41、蜗杆42及蜗轮431之间呈水平传动布置方式(当该全向运动机器人放置在平整地面上时，则此时装配柱31相对于底盘架10的转动中心轴线为纵垂线，水平方向则平行于平整地面)。也就是，在转向驱动器41与装配柱31之间直接地采用蜗杆42和蜗轮431实现传动，实现了将转向动力机构40的转向驱动器41、蜗杆42和蜗轮431布置在大致相同的水平高度上，极大地降低了机器人底盘结构的高度(即降低了机器人整体的重心高度)。
在转向驱动器41停机时，由于转向驱动器41的动力输出轴与蜗杆42固定连接，蜗轮431与装配柱31固定连接，并且蜗杆42与蜗轮431始终啮合，此时，轮毂电机50的转向功能被转向驱动器41、蜗杆42、蜗轮431及转向支架30之间形成自锁性限制住而无法转向。当转向驱动器41开机运行并输出动力后，自锁性消失。
如图4至图6所示，全向运动机器人还包括轴承组件60，轴承组件60套在装配柱31上并安装在固定座20内，在固定座20的通孔内壁与装配柱31之间通过轴承组件60作为两者之间相对转动的运动副，使得转向过程更加平稳、容易。具体地，轴承组件60包括偶数个圆锥滚子轴承61和若干个轴套62，圆锥滚子轴承61和轴套62均套在装配柱31上并安装在固定座20内，相邻两个圆锥滚子轴承61之间设有至少一个轴套62(一般地，相邻两个圆锥滚子轴承61之间通过一个轴套62间隔开)，相邻两个圆锥滚子轴承61的其中一个的圆柱滚子相对于装配柱31中心轴线的倾斜方向与另一个的圆柱滚子相对于装配柱31中心轴线的倾斜方向相反。在第一实施例中，优选地，轴承组件60包括两个圆锥滚子轴承61和一个轴套62，轴套62设置在两个圆锥滚子轴承61之间，其中一个圆锥滚子轴承61的圆柱滚子相对于装配柱31中心轴线的倾斜方向与另一个圆锥滚子轴承61的圆柱滚子相对于装配柱31中心轴线的倾斜方向相反。采用圆锥滚子轴承61进行装配，在机器人行走过程中，不仅能够承受住径向，也能承受住轴向力，从而保证机器人行走状态始终稳定。在相邻两个圆锥滚子轴承61之间通过轴套62间隔开，从而使两个圆锥滚子轴承61在转动过程中之间不会发生运动干涉，保证轴承正常工作。
如图5和图6所示，轮毂安装座32包括竖板321和横板322，竖板321和横板322连接形成L型结构，装配柱31固定连接在横板322上，定子部51连接在竖板321上，且轮毂电机50位于装配柱31的正下方，也就是轮毂电机50安装在轮毂安装座32的L型空间中，在第一实施例中，装配柱31的中心轴线延伸经过轮毂电机50的中心。
在第一实施例中，转向驱动器41为动力舵机，动力舵机通过舵机安装座71固定安装在底盘架10上，从而通过舵机输出充足的转向动力。蜗杆42的第一端通过第一连接座72、蜗杆42的第二端通过第二连接座73安装在底盘架10上，蜗杆42的第一端与第一连接座72之间、蜗杆42的第二端与第二连接座73之间均设有球轴承。
在第一实施例中，转向动力系统100的数量为4个，4个转向动力系统100分布在底盘架10的对应边角位置上。也就是，该全向运动机器人被装配完成后可以归类为四轮转向机器人。
根据本发明的另一方面，如图7所示，本发明的第二实施例提供了另一种全向运动机器人。与第一实施例的全向运动机器人相比，在第二实施例的全向运动机器人中，传动部包括蜗轮431和传动齿盘432，蜗轮431可转动地安装在底盘架10上，传动齿盘432连接在装配柱31上，传动齿盘432的上侧设有配合齿圈，蜗轮431的轮齿与蜗杆42、配合齿圈均啮合，其中，蜗杆42的中心轴线与装配柱31的中心轴线平行。
应用本发明第二实施例提供的全向运动机器人进行巡检工作或者进行其他实验、检测工作，在保证机器人能够正常行走前进的基础上，通过轮毂电机50形成的轮子结构，轮毂电机50中集成了动力源和转动轮子，从而使得行走的轮子结构更紧凑更美观，并且轮毂电机50能够提供强大扭力，极大地提升了机器人的运动性能，具有更强的爬坡、越障等方面能力，并且，采用轮毂电机50节约了空间且可以提供强大前进的驱动力，也可以通过电制动(定子部51的动力源断电停止输出动力时产生的制动效果)实现快速停车或驻车功能。而且，该全向运动机器人在确保稳定传递动力的基础上，在全向运动机器人行进并转向过程中，由于各个转向动力系统100之间相互独立，并且每个转向动力系统100中通过固定座20与底盘架10固定连接，转向驱动器41通过蜗杆42和传动部带动装配柱31转动(即转向支架30整体转动)，则轮毂电机50转动实现转弯变向，如此，每个轮毂电机50在转向过程中都能实现正负90°灵活转动，也就让机器人实现了全向移动的功能。
但是，在第二实施例中，舵机、蜗杆42、蜗轮431、传动齿盘432以及装配柱31之间的动力传动几乎是呈竖直直线布置，因此，第二实施例的全向运动机器人的整体高度高于第一实施例的全向运动机器人的整体高度。
第二实施例的全向运动机器人与第一实施例的全向运动机器人相比，除了上述结构不同之外，其余结构均相同，因而在此不再赘述。
在本发明的全向运动机器人中，底盘架10上形成有中空的蓄电池放置空间，将蓄电池200安装在该蓄电池放置空间中，蓄电池200向各个定子部51中的动力源、各个舵机、机器人携带的各种用电的工作器件和用电精密工具、以及机器人的控制系统进行供电，以维持机器人正常进行巡检工作或者进行其他实验、检测工作。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种全向运动机器人，其特征在于，包括：
底盘架(10)；
偶数个转向动力系统(100)，所有的所述转向动力系统(100)安装在所述底盘架(10)上且相对于所述底盘架(10)的沿前进方向延伸的中心线两两相对地对称设置，各个所述转向动力系统(100)包括：
固定座(20)，所述固定座(20)固定安装在所述底盘架(10)上；
转向支架(30)，所述转向支架(30)包括装配柱(31)和轮毂安装座(32)，所述装配柱(31)的第一端固定连接在所述轮毂安装座(32)上，所述装配柱(31)穿过所述固定座(20)并且与所述固定座(20)可转动地装配；
转向动力机构(40)，所述转向动力机构(40)包括转向驱动器(41)、蜗杆(42)和传动部，所述转向驱动器(41)安装在所述底盘架(10)上，所述蜗杆(42)连接在所述转向驱动器(41)的动力输出轴上，所述蜗杆(42)与所述转向驱动器(41)的动力输出轴同轴且同步转动，所述传动部设置在所述蜗杆(42)与所述装配柱(31)的第二端之间，使得所述转向驱动器(41)的动力输出轴带动所述转向支架(30)转动；
轮毂电机(50)，所述轮毂电机(50)包括定子部(51)和转子部(52)，所述转子部(52)可转动地套住所述定子部(51)，所述定子部(51)连接在所述轮毂安装座(32)上，所述转子部(52)相对于所述底盘架(10)的转动中心轴线垂直于装配柱(31)的中心轴线。
2.根据权利要求1所述的全向运动机器人，其特征在于，
所述传动部为蜗轮(431)，所述蜗轮(431)连接在所述装配柱(31)的第二端上，所述蜗杆(42)与所述蜗轮(431)相啮合，所述转向驱动器(41)、所述蜗杆(42)及所述蜗轮(431)之间呈水平传动布置方式。
3.根据权利要求1所述的全向运动机器人，其特征在于，
所述传动部包括蜗轮(431)和传动齿盘(432)，所述蜗轮(431)可转动地安装在所述底盘架(10)上，所述传动齿盘(432)连接在所述装配柱(31)上，所述传动齿盘(432)的上侧设有配合齿圈，所述蜗轮(431)的轮齿与所述蜗杆(42)、所述配合齿圈均啮合；
其中，所述蜗杆(42)的中心轴线与所述装配柱(31)的中心轴线平行。
4.根据权利要求2或3所述的全向运动机器人，其特征在于，
所述全向运动机器人还包括轴承组件(60)，所述轴承组件(60)套在所述装配柱(31)上并安装在所述固定座(20)内。
5.根据权利要求4所述的全向运动机器人，其特征在于，
所述轴承组件(60)包括偶数个圆锥滚子轴承(61)和若干个轴套(62)，相邻两个所述圆锥滚子轴承(61)之间设有至少一个所述轴套(62)，相邻两个所述圆锥滚子轴承(61)的其中一个的圆柱滚子相对于所述装配柱(31)中心轴线的倾斜方向与另一个的圆柱滚子相对于所述装配柱(31)中心轴线的倾斜方向相反。
6.根据权利要求4所述的全向运动机器人，其特征在于，
所述轴承组件(60)包括两个圆锥滚子轴承(61)和一个轴套(62)，所述轴套(62)设置在两个所述圆锥滚子轴承(61)之间，其中一个所述圆锥滚子轴承(61)的圆柱滚子相对于所述装配柱(31)中心轴线的倾斜方向与另一个所述圆锥滚子轴承(61)的圆柱滚子相对于所述装配柱(31)中心轴线的倾斜方向相反。
7.根据权利要求4所述的全向运动机器人，其特征在于，
所述轮毂安装座(32)包括竖板(321)和横板(322)，所述竖板(321)和所述横板(322)连接形成L型结构，所述装配柱(31)固定连接在所述横板(322)上，所述定子部(51)连接在所述竖板(321)上，且所述轮毂电机(50)位于所述装配柱(31)的正下方。
8.根据权利要求1所述的全向运动机器人，其特征在于，
所述转向驱动器(41)为动力舵机，所述动力舵机通过舵机安装座(71)固定安装在所述底盘架(10)上。
9.根据权利要求1所述的全向运动机器人，其特征在于，
所述蜗杆(42)的第一端通过第一连接座(72)、所述蜗杆(42)的第二端通过第二连接座(73)安装在所述底盘架(10)上，所述蜗杆(42)的第一端与所述第一连接座(72)之间、所述蜗杆(42)的第二端与所述第二连接座(73)之间均设有球轴承。
10.根据权利要求1所述的全向运动机器人，其特征在于，
所述转向动力系统(100)的数量为4个，4个所述转向动力系统(100)分布在所述底盘架(10)的对应边角位置上。
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