CN112440647A - 一种含有悬架结构的移动机器人底盘 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种含有悬架结构的移动机器人底盘，包括机身、转动连接杆、摇臂和双轮移动结构，摇臂分别设于机身的两侧，摇臂通过连杆机构连接于转动连接杆，每个摇臂上设有两个双轮移动结构。本发明提升了地面移动机器人的地形适应能力和移动稳定性，防止因部分行走机构未与地面接触造成的倾覆；差动悬架机构设置于机身上方，使机构具有更大范围的调整空间，从而能够适应更复杂的地形环境，同时该设计也使得差动机构对地面移动机器人行走机构的布置和安装产生的影响更小，使行走机构具有更多的设计选择和安装空间；通过双轮移动结构与摇臂两端的局部自调整和摇臂悬架机构的被动调整实现更好的地形适应和重量分配。

Description

一种含有悬架结构的移动机器人底盘

技术领域

本发明涉及移动机器人领域，具体是一种含有悬架结构的移动机器人底盘。

背景技术

地面移动机器人由于其良好的机动性和越障能力在安防救援、空间探测等领域具有广泛的应用前景。提高地面移动机器人的地形适应性和越障能力对其应用范围的拓展和使用空间的延伸具有重要意义。

地面移动机器人在野外环境中执行任务时，时常需要面对复杂未知的非结构化地形，因此对机器人底盘适应能力的要求很高，而常见的轮式和履带式底盘通常由于其车轮或履带与机身直接以转动副形式连接，该方式下机器人运动时行走机构中心处于同一平面，故其只适用于平坦地形，当地形波动时，其存在部分车轮无法与地面接触的问题，而对其地形适应性和运动稳定性造成很大影响，如申请号为CN202010530039.X的发明专利涉及的轮式移动机器人和CN201710845085.7涉及的履带式移动机器人，其行走机构构成的平面与机身构成的平面平行，无法相对地面实现运动调整，故地形适应能力较弱。

为提高地面移动机器人的地形适应能力，采用的方法主要是使用悬架系统，目前采用较多的悬架主要有弹簧阻尼式悬架和摇臂式差动悬架，弹簧阻尼式悬架主要借鉴汽车的悬挂系统，将行走机构与机身之间通过弹簧阻尼系统间接连接，可以实现一定范围的运动调整，但由于弹簧的调整范围有限，因此其地形适应能力受到限制，调整空间相对较小，如申请号为CN202010377691.2涉及的悬架系统，其车轮与机身之间的调整空间受到弹簧减震器的限制。摇臂式差动悬架通过在机身和行走机构之间引入差动悬架机构实现地形适应，其机身和摇臂之间通常允许相对转动，具有较大的调整范围。如申请号为CN201320870873.9的发明专利涉及的摇杆式履带机器人，其采用连杆式差动悬架，可以实现较大范围的调整，具有较好的地形适应能力。但该结构连杆部分安装于机身前半部分，质量分配不易均衡，前端连杆的承载压力较大，且机身两侧位置的连杆对机器人行走机构的布置和安装会产生一定影响。

发明内容

有鉴于此，本发明旨在提供一种含有悬架结构的移动机器人底盘，能够解决上述问题。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种含有悬架结构的移动机器人底盘，包括机身、转动连接杆、摇臂和双轮移动结构，所述转动连接杆连接于机身中心位置，摇臂设有两个，分别设于机身的两侧，摇臂通过连杆机构连接于转动连接杆，每个摇臂上设有两个双轮移动结构。

进一步，每个双轮移动结构包括车轮连接架、减速电机和两个车轮，两个车轮分别通过轮轴连接于车轮连接架的前后两端，每个车轮的轮轴都连接一个减速电机，减速电机安装在车轮连接架上，减速电机连接并驱动车轮的转动。

进一步，所述连杆机构包括相互连接的第一连杆和第二连杆，以及相互连接的第三连杆和第四连杆，第一连杆的下端铰接于其中一个摇臂上端，第二连杆的一端铰接于转动连接杆上端，第二连杆的另一端铰接于第一连杆的上端；第四连杆的下端铰接于另一个摇臂上端，第三连杆的一端铰接于转动连接杆上端，第三连杆的另一端铰接于第四连杆的上端。

进一步，所述车轮连接架通过销轴连接于摇臂。

进一步，所述双轮移动结构位于摇臂的前后两端。

相对于现有技术，本发明所述的含有悬架结构的移动机器人底盘具有以下优势：

1、在不引入主动关节的情况下实现了对非对称地形的被动适应，提升了地面移动机器人的地形适应能力和移动稳定性，防止因部分行走机构未与地面接触造成的倾覆；

2、差动悬架机构设置于机身上方，使机构具有更大范围的调整空间，从而能够适应更复杂的地形环境，同时该设计也使得差动机构对地面移动机器人行走机构的布置和安装产生的影响更小，使行走机构具有更多的设计选择和安装空间；

3、通过双轮移动结构与摇臂两端的局部自调整和摇臂悬架机构的被动调整实现更好的地形适应和重量分配。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的侧视图；

图3为本发明的主视图；

图4为双轮移动结构的结构示意图；

图5为本发明不含双轮移动结构(即悬架机构)的结构示意图；

图6为转动连接杆处三个转动副位置和结构的示意图；

附图标记说明：

1-第一摇臂；2-第一连杆；3-第二连杆；4-机身；5-转动连接杆；6-第三连杆；7-第四连杆；8-第二摇臂；9-销轴；10-车轮连接架；11-车轮；12-减速电机。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“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，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；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。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

如图1-6所示，一种含有悬架结构的移动机器人底盘，包括机身4、转动连接杆5、摇臂和双轮移动结构，所述转动连接杆5连接于机身4中心位置，摇臂设有两个，即尺寸完全相同并左右对称布置的第一摇臂1和第二摇臂8，分别设于机身4的两侧，摇臂通过连杆机构连接于转动连接杆5，每个摇臂上设有两个双轮移动结构。双轮移动结构位于摇臂的前后两端，可以绕摇臂两端铰接轴线转动。

每个双轮移动结构包括车轮连接架10、减速电机12和两个车轮11，两个车轮11分别通过轮轴连接于车轮连接架10的前后两端，每个车轮11的轮轴都连接一个减速电机12，减速电机12通过螺钉安装在车轮连接架10上，减速电机12通过其外伸的传动轴连接并驱动车轮11的转动。所述车轮连接架10通过销轴9连接于摇臂，形成铰接转动副，移动时通过车轮连接架10与摇臂两端铰接位置的转动实现局部的自调整，保证移动结构的两个车轮均与地面接触，实现更好的地形适应。

所述连杆机构包括相互连接的第一连杆2和第二连杆3，以及相互连接的第三连杆6和第四连杆7，第一连杆2的下端铰接于第一摇臂1上端，第二连杆3的一端铰接于转动连接杆5上端，第二连杆3的另一端铰接于第一连杆2的上端；第四连杆7的下端铰接于第二摇臂8上端，第三连杆6的一端铰接于转动连接杆5上端，第三连杆6的另一端铰接于第四连杆7的上端。连杆机构布置在机身中部，可以实现较好的重量分配，避免了悬架机构布置于一端时出现的质量分布不均的问题；此外，连杆机构整体设置于机身上方，其运动副具有更大的运动空间，两侧摇臂相对于机身的转角较大，对地形的适应能力更强，同时该设计方式也减小了悬架机构对行走机构运动空间和安装范围的影响。

第一连杆2和第四连杆7尺寸和结构及尺寸完全相同，第二连杆3和第三连杆6两端分别与第一连杆2和第四连杆7形成转动副，且两端的转动副轴线互相垂直，第二连杆3和第三连杆6两端组成运动副位置处的轴线距离相等，为便于第二连杆3和第三连杆6与转动连接杆5之间的转动副连接配合，第三连杆6在与转动连接杆5连接一端的宽度稍大于第二连杆3在与转动连接杆5连接一端的宽度，便于相互铰接。

第一摇臂1与第一连杆2和第二摇臂8与第四连杆7之间均通过球副连接，第一连杆2与第二连杆3和第四连杆7与第三连杆6之间形成移动副，第二连杆3和第三连杆6与转动连接杆5之间以转动副形式相连，转动连接杆5与机身4之间以转动副形式连接，第一摇臂1和第二摇臂8与机身之间通过转动副连接，使两侧摇臂可以与机身之间实现相对转动，第一摇臂1和第二摇臂8两端可用于连接行走机构，安装行走机构位置处的孔轴线应与摇臂与机身之间转动副的轴线处于同一平面。通过摇臂与机身4之间的相对运动可以实现对不平路面的地形适应。

机构在初始位置时，第一摇臂1和第二摇臂8处于同一平面，且该平面与机身4所处平面平行，第一摇臂1和第一连杆2、第二摇臂8和第四连杆7之间形成的球副中心与第一连杆2和第二连杆3、第三连杆6和第四连杆7之间形成转动副的轴线及机身4与转动连接杆5之间形成转动副的轴线均处于经过机身与两侧摇臂转动副铰接中心且与机身所处平面垂直的平面内。

在两摇臂末端设计了一种自调节式移动结构，其可以通过与摇臂间的相对转动实现局部的自调节从而提高机器人的局部适应能力，并与悬架机构的被动调整能力结合共同实现更好的地形适应效果。

连杆式差动悬架关于机身中部呈左右反对称布置，单侧的机构为一个RSPRR运动链(R-转动副，P-移动副，S-球副)，其中最后两个转动副轴线互相垂直且共面，该机构在运动时，两侧摇臂相对机身4运动相反。机身4内部为相关模块的开发预留出了空间，其两侧延伸出的部分与两侧摇臂之间形成转动副，位于机身4中部向上延伸的部分与转动连接杆5之间形成转动副。

本发明的一种应用于地面移动机器人的悬架机构可以实现对地形输入的均化效果，当地面移动机器人在非对称地形移动时，行走机构可以根据路面地形状况进行被动调整，进而带动摇臂相对机身旋转，此时机身的俯仰运动的俯仰角为两侧摇臂适应地面时产生摆角的均化值。采用该差动悬架，可以保证各行走机构始终与地面接触，防止其因部分行走机构移动时悬空导致的倾覆，由于机身俯仰角为两侧摇臂转角均化后的结果，可以减小地面移动机器人在移动时机身的冲击，相比直接根据地形调整时产生的角度变化，机身的稳定性更好。由于连杆机构设计在机身上方，故两侧摇臂可以有更大的调节空间，同时差动连杆机构对两侧行走机构的布置和安装产生的影响也更小。

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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种含有悬架结构的移动机器人底盘，其特征在于：包括机身(4)、转动连接杆(5)、摇臂和双轮移动结构，所述转动连接杆(5)连接于机身(4)中心位置，摇臂设有两个，分别设于机身(4)的两侧，摇臂通过连杆机构连接于转动连接杆(5)，每个摇臂上设有两个双轮移动结构。

2.根据权利要求1所述的含有悬架结构的移动机器人底盘，其特征在于：每个双轮移动结构包括车轮连接架(10)、减速电机(12)和两个车轮(11)，两个车轮(11)分别通过轮轴连接于车轮连接架(10)的前后两端，每个车轮(11)的轮轴都连接一个减速电机(12)，减速电机(12)安装在车轮连接架(10)上，减速电机(12)连接并驱动车轮(11)的转动。

3.根据权利要求2所述的含有悬架结构的移动机器人底盘，其特征在于：所述连杆机构包括相互连接的第一连杆(2)和第二连杆(3)，以及相互连接的第三连杆(6)和第四连杆(7)，第一连杆(2)的下端铰接于其中一个摇臂上端，第二连杆(3)的一端铰接于转动连接杆(5)上端，第二连杆(3)的另一端铰接于第一连杆(2)的上端；第四连杆(7)的下端铰接于另一个摇臂上端，第三连杆(6)的一端铰接于转动连接杆(5)上端，第三连杆(6)的另一端铰接于第四连杆(7)的上端。

4.根据权利要求1-3任一项所述的含有悬架结构的移动机器人底盘，其特征在于：所述车轮连接架(10)通过销轴(9)连接于摇臂。

5.根据权利要求1所述的含有悬架结构的移动机器人底盘，其特征在于：所述双轮移动结构位于摇臂的前后两端。

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