CN112896367A - 一种可在舵轮和万向轮间切换的机器人底盘 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种可在舵轮和万向轮间切换的机器人底盘，包括底盘框架、四个切换机构、四个轮组、四个转向机构；四个切换机构分别安装在四个轮组，四个轮组分别通过四个转向机构与底盘框架连接；轮组包括轮毂、轮支架、驱动电机、法兰联轴器；切换机构包括舵机、切换杆；轮支架包括安装板、连接板、第一转轴；轮毂与安装板转动连接，连接板与转向机构连接，安装板与连接板通过第一转轴转动连接，舵机安装在安装板，驱动电机的定子与安装板固定连接，驱动电机的输出轴通过法兰联轴器与轮毂连接；切换杆一端与连接板铰接，切换杆的另一端与舵机的舵臂铰接；本发明在发生故障时便于通过外力拖动，属于一种运输机器人底盘。

Description

一种可在舵轮和万向轮间切换的机器人底盘

技术领域

本发明涉及一种运输机器人底盘，具体涉及一种可在舵轮和万向轮间切换的机器人底盘。

背景技术

机器人如今已经成为真正影响生活，改变人们生活方式的一种技术。机器人当中很重要的一部分便是运动模块，它决定了机器人的速度和灵活性，现阶段，舵轮底盘是各种底盘方案中运动能力较好的方案，但现有的舵轮底盘因结构所限，没有安装仿形机构，无法适用复杂地形，且一旦机器人出现故障，主动运行的舵轮组将变为不可控制状态，失去全向移动的性能，如当机器人底盘发生故障无法行走后，需要外力拖动，当施加在机器人的外力方向与舵轮组行走方向相同时，舵轮组在地面上滚动，外力只需克服滚动摩擦的阻力，滚动摩擦的阻力在相同摩擦因数的条件下远远小于滑动摩擦的阻力，因此外力可以轻易拖动整个机器人；当施加在机器人的外力方向与舵轮组行走方向不同时，舵轮组无法转向，此时整个机器人相当于一个固体在地面上，外力拖动整个机器人需要克服整个机器人的重力与地面产生的摩擦力，该摩擦力为滑动摩擦的阻力，通过外力拖动机器人会比较困难；而造成这种情况的原因主要是由于舵轮组无法转向，舵轮组无法转向的原因在于轮组不能相对于转向机构偏摆，轮组与转向机构之间没有偏心距，因此外力作用在机器人底盘时，轮组在外力和地面摩擦力的作用下是无法自由转向；轮组的行走方向无法转到与外力方向一致，机器人底盘无法由滑动摩擦转为滚动摩擦，因而,需要设计一种安装有仿形机构可适应各种地形的，在遇到故障时舵轮可切换为被动万向轮的机器人底盘，便于人工或其他救援机器人对其救援，拖动方便。

发明内容

针对现有技术中存在的技术问题，本发明的目的是：提供一种发生故障时便于通过外力拖动的可在舵轮和万向轮间切换的机器人底盘。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种可在舵轮和万向轮间切换的机器人底盘，包括底盘框架、四个切换机构、四个轮组、四个转向机构；四个切换机构分别安装在四个轮组，四个轮组分别通过四个转向机构与底盘框架连接；轮组包括轮毂、轮支架、驱动电机、法兰联轴器；切换机构包括舵机、切换杆；轮支架包括安装板、连接板、第一转轴；轮毂与安装板转动连接，连接板与转向机构连接，安装板与连接板通过第一转轴转动连接，舵机安装在安装板，驱动电机的定子与安装板固定连接，驱动电机的输出轴通过法兰联轴器与轮毂连接；切换杆一端与连接板铰接，切换杆的另一端与舵机的舵臂铰接；舵机通过切换杆带动安装板以第一转轴为支点相对于连接板摆动。采用这种结构后，在机器人底盘发生故障时，切换机构带动轮组相对于转向机构偏摆，在外力拖动机器人底盘时，轮毂根据外力的方向，结合地面摩擦力转动，轮毂的滚动方向切换到与外力的方向一直，从而外力可以轻易拖动机器人底盘。

作为一种优选，还包括四个仿形机构、联动机构；四个转向机构分别通过四个仿形机构与底盘框架摆动连接，四个仿形机构均与底盘框架铰接，四个仿形机构均与联动机构铰接，联动机构设在底盘框架，联动机构位于四个仿形机构之间。采用这种结构后，机器人底盘可以自适应地形变化。

作为一种优选，仿形机构包括摆件、摆杆；摆件的两端分别与底盘框架和转向机构铰接，摆杆的两端分别与底盘框架和转向机构铰接。采用这种结构后，结构简单，便于装配。

作为一种优选，联动机构包括四个避震器、两个传动连杆、两个第二转轴、传动件，避震器的两端分别与摆件和传动连杆铰接，两个传动连杆分别通过两个第二转轴与底盘框架转动连接，传动连杆是通过三根连杆连接围成的三角形结构，三角形结构的三个角中的两个角位于底盘本体的外侧，另外的一个角位于底盘本体的内侧；位于外侧的两个角分别与两个避震器铰接，位于内侧的一个角通过传动件与另一个传动连杆铰接。采用这种结构后，四个轮组可以同步进行联动仿形适应地形变化。

作为一种优选，传动连杆位于底盘框架的上方，传动连杆与底盘框架的顶部平面平行。采用这种结构后，结构简单，便于装配。

作为一种优选，四个轮组在底盘框架呈矩形分布，四个转向机构在底盘框架呈矩形分布，一个轮组在相对于底盘框架在竖直方向摆动时，联动机构带动与该轮组相对的轮组同向摆动，联动机构带动与该轮组相邻的两个轮组反向摆动。采用这种结构后，机器人底盘运行平稳，四个轮组可以同步进行联动仿形适应地形变化。

作为一种优选，还包括保护框，保护框的数量为四个，底盘框架为矩形框架，四个保护框分别位于底盘框架的四个顶角，保护框与底盘框架连接，保护框将轮组半包围。采用这种结构后，避免轮组受到破坏。

作为一种优选，轮毂外套有橡胶轮胎。采用这种结构后，增加轮毂的抓地力。

作为一种优选，还包括电源，转向机构包括导电滑环、转向电机、轴承，导电滑环包括上端的固定部分和下端的转动部分；转向电机为空心轴电机，包括固定部分和转动部分；轴承包括位于外圈的固定部分和位于内圈的转动部分；转向电机套在导电滑环外；轴承的固定部分与摆杆铰接，转向电机位于轴承的顶部，转向电机的固定部分安装在轴承的固定部分，转向电机的固定部分与摆件铰接，转向电机的转动部分与轴承的转动部分固定连接；连接板与轴承的转动部分固定连接；导电滑环的转动部分与转向电机的转动部分连接；驱动电机和导电滑环的转动部分通过电机导线连接，该电机导线随导电滑环的转动部分转动；导电滑环的固定部分与电源通过导线连接，该导线与仿形机构相对固定。采用这种结构后，轮组可以沿一个方向无限旋转。

作为一种优选，电机导线从轴承的转动部分穿过，与导电滑环的转动部分连接；舵机与导电滑环的转动部分通过舵机导线连接，舵机导线从轴承的转动部分穿过，与导电滑环的转动部分连接。采用这种结构后，在轮组转向时，驱动电机与电源连接的电机导线、舵机与电源连接的舵机导线会随着轮组同步转向，避免电机导线和舵机导线缠绕底盘框架或缠绕轮组、转向机构。

发明原理：在机器人底盘发生故障时，舵轮组无法转向，轮组不能相对于转向机构偏摆，轮组与转向机构之间没有偏心距，因此外力作用在机器人底盘时，轮组在外力和地面摩擦力的作用下是无法自由转向；轮组的行走方向无法转到与外力方向一致，机器人底盘无法由滑动摩擦转为滚动摩擦；

舵机的舵臂转动时，舵臂带动切换杆转动，安装板相对于连接板转动，轮组相对于转向机构偏摆，轮组与转向机构产生偏心距，从而在外力拖动下，结合地面与轮毂的摩擦力，为轮毂提供了一个转矩转向，从而轮毂的滚动方向与外力方向一致，外力拖动机器人底盘需要克服的是滚动摩擦，拖动方便。

总的说来，本发明具有如下优点：

1.在机器人的底盘发生故障时，需要外力拖动机器人底盘，机器人底盘的轮毂滚动方向与外力方向不同，轮毂无法转向，则外力需要克服机器人底盘与地面的滑动摩擦才能拖动，这种拖动方式会损坏机器人的轮毂，与轮毂连接的转向机构也会受到冲击，容易损坏；本发明的切换机构将轮组相对于转向机构发生偏摆，轮毂与转向机构之间产生偏心距，从而在外力拖动下，结合地面与轮毂的摩擦力，为轮毂提供了一个转矩转向，使轮毂的滚动方向与外力方向一致，此时外力拖动机器人底盘需要克服的是滚动摩擦，拖动方便。

2.本发明的轮组与转向机构通过仿形机构与机器人底盘铰接，从而轮组可以根据地形变化进行仿形，通用性强。

3.仿形机构与仿形机构之间通过联动机构铰接，在任意一个仿形机构在进行仿形工作时，联动机构使四个仿形机构进行同步仿形，四个轮组进行相应的摆动，使轮组保持接触地面，底盘框架保持平稳。

4.本发明采用空心轴电机套在导电滑环外，导电滑环转动部分随着空心轴电机转动部分转动，而导电滑环固定部分相对于转向电机固定部分固定，导电滑环固定部分通过导线与电源连接，从而与导电滑环固定部分连接的导线不会随着导电滑环转动部分转动，而导电滑环的转动部分随着空心轴电机的转动部分转动，驱动电机通过电机导线与导电滑环的转动部分连接，从而驱动电机的电机导线与导电滑环的转动部分同时转动，电机导线不会相互缠绕，舵机的舵机导线与导电滑环的转动部分同时转动，舵机导线不会相互缠绕，从而实现空心轴电机控制轮组可以向一个方向无限旋转。

附图说明

图1为一种可在舵轮和万向轮间切换的机器人底盘的立体图。

图2为一种可在舵轮和万向轮间切换的机器人底盘的示意图。

图3为轮组、转向机构、仿形机构与底盘框架的连接示意图。

图4为一种可在舵轮和万向轮间切换的机器人底盘的俯视图。

图5为传动连杆与避震器的连接示意图。

图6为舵机控制舵臂转动带动切换杆转动的示意图。

其中，1为底盘框架，2为轮组，2-1为轮毂，2-2为法兰联轴器，2-3为轮支架，3为切换机构，3-1为舵机，3-2为切换杆，4为转向机构，5为仿形机构，5-1为摆件，5-2为摆杆，6为传动连杆，7为避震器，8为电源，9为导线，10为传动件，11为保护框。

具体实施方式

下面将结合具体实施方式来对本发明做进一步详细的说明。

一种可在舵轮和万向轮间切换的机器人底盘，包括底盘框架、四个切换机构、四个轮组、四个转向机构；四个切换机构分别安装在四个轮组，四个轮组分别通过四个转向机构与底盘框架连接；

轮组包括轮毂、轮支架、驱动电机、法兰联轴器；切换机构包括舵机、切换杆；轮支架包括安装板、连接板、第一转轴；轮毂与安装板转动连接，连接板与转向机构连接，安装板与连接板通过第一转轴转动连接，舵机安装在安装板，驱动电机的定子与安装板固定连接，驱动电机的输出轴通过法兰联轴器与轮毂连接；切换杆一端与连接板铰接，切换杆的另一端与舵机的舵臂铰接；舵机通过切换杆带动安装板以第一转轴为支点相对于连接板摆动。

本实施例中，切换杆的一端与连接板铰接，该铰接点为第一铰接点，另一端与舵机的舵臂铰接，该铰接点为第二铰接点；第一铰接点位于第二铰接点的上方，第一铰接点与第二铰接点位于同一条竖直方向的直线时，安装板以第一转轴为支点相对于连接板转动，安装板的上端远离连接板的下端，轮毂通过驱动电机驱动行走，轮组作为舵轮进行运动；第二铰接点位于第一铰接点的斜下方时，安装板以转轴为支点向上转动，安装板的上端贴合连接板下端，驱动电机停止驱动轮毂，轮组作为万向轮进行运动。

在实际操作中，在机器人的底盘发生故障时，需要外力拖动机器人底盘，机器人底盘的轮毂滚动方向与外力方向不同，轮毂无法转向，则外力需要克服机器人底盘与地面的滑动摩擦才能拖动，这种拖动方式会损坏机器人的轮毂，与轮毂连接的转向机构也会受到冲击，容易损坏；本发明的切换机构将轮组相对于转向机构发生偏摆，轮毂与转向机构之间产生偏心距，从而在外力拖动下，结合地面与轮毂的摩擦力，为轮毂提供了一个转矩转向，使轮毂的滚动方向与外力方向一致，此时外力拖动机器人底盘需要克服的是滚动摩擦，拖动方便。

还包括四个仿形机构、联动机构；四个转向机构分别通过四个仿形机构与底盘框架摆动连接，四个仿形机构均与底盘框架铰接，四个仿形机构均与联动机构铰接，联动机构设在底盘框架，联动机构位于四个仿形机构之间。

仿形机构包括摆件、摆杆；摆件的两端分别与底盘框架和转向机构铰接，摆杆的两端分别与底盘框架和转向机构铰接。联动机构包括四个避震器、两个传动连杆、两个第二转轴、传动件，避震器的两端分别与摆件和传动连杆铰接，两个传动连杆分别通过两个第二转轴与底盘框架转动连接，传动连杆是通过三根连杆连接围成的三角形结构，三角形结构的三个角中的两个角位于底盘本体的外侧，另外的一个角位于底盘本体的内侧；位于外侧的两个角分别与两个避震器铰接，位于内侧的一个角通过传动件与另一个传动连杆铰接。传动连杆位于底盘框架的上方，传动连杆与底盘框架的顶部平面平行。四个轮组在底盘框架呈矩形分布，四个转向机构在底盘框架呈矩形分布，一个轮组在相对于底盘框架在竖直方向摆动时，联动机构带动与该轮组相对的轮组同向摆动，联动机构带动与该轮组相邻的两个轮组反向摆动。本实施例中，传动连杆的三根连杆为一体成形结构，通过一块三角形平板，将三角形平板中间镂空，从而形成三根连杆连接围成的三角形结构。

现有的机器人底盘一般不设置仿形机构或设置独立的仿形机构，不设置仿形机构的机器人底盘不能根据地形变化行走，而设置独立仿形机构的机器人底盘虽然能根据地形变化适应，但是独立的仿形机构在应用与斜坡与平地交界处时，机器人底盘会出现不平衡状态，从而无法正常工作。相对于现有的机器人底盘，本发明的仿形机构可以根据地形变化使轮组适用于各种地形，通过联动机构使四个仿形机构同步进行仿形，四个轮组可以保持接触地面，地盘框架保持平稳。

本实施例中，传动件包括两个杆端关节轴承，杆端关节轴承的轴承端与传动连杆铰接，两个杆端关节轴承的杆端相互连接。

还包括保护框，保护框的数量为四个，底盘框架为矩形框架，四个保护框分别位于底盘框架的四个顶角，保护框与底盘框架连接，保护框将轮组半包围。

轮毂外套有橡胶轮胎，增加轮毂抓地力。

还包括电源，转向机构包括导电滑环、转向电机、轴承，导电滑环包括上端的固定部分和下端的转动部分；转向电机为空心轴电机，包括固定部分和转动部分；轴承包括位于外圈的固定部分和位于内圈的转动部分；转向电机套在导电滑环外；轴承的固定部分与摆杆铰接，转向电机位于轴承的顶部，转向电机的固定部分安装在轴承的固定部分，转向电机的转动部分与轴承的转动部分固定连接；连接板与轴承的转动部分固定连接；导电滑环的转动部分与转向电机的转动部分连接；驱动电机和导电滑环的转动部分通过电机导线连接，该电机导线随导电滑环的转动部分转动；导电滑环的固定部分与电源通过导线连接，该导线与仿形机构相对固定。本实施例中，转向电机的固定部分通过支撑架架设在轴承的固定部分上，支撑架与摆件铰接。支撑架包括固定板、铝柱、支撑板；固定板通过铝柱和支撑板架设在轴承的固定部分；转向电机的固定部分与固定板连接。铝柱的数量为四根，支撑板的数量为两块，四根铝柱和两块支撑板的底部均与轴承的固定部分连接，两块支撑板左右对称的设置在轴承的固定部分，四根铝柱两两左右对称的设置在轴承的固定部分，两根铝柱对应一块支撑板的两侧设置，固定板安装在支撑板和铝柱顶部。

电机导线从轴承的转动部分穿过，与导电滑环的转动部分连接；舵机与导电滑环的转动部分通过舵机导线连接，舵机导线从轴承的转动部分穿过，与导电滑环的转动部分连接。

本发明采用空心轴电机套在导电滑环外，导电滑环转动部分随着空心轴电机转动部分转动，而导电滑环固定部分相对于转向电机固定部分固定，导电滑环固定部分通过导线与电源连接，从而与导电滑环固定部分连接的导线不随着导电滑环转动部分转动，而导电滑环的转动部分随着空心轴电机的转动部分转动，驱动电机通过电机导线与导电滑环的转动部分连接，从而驱动电机的电机导线与导电滑环的转动部分同时转动，电机导线不会相互缠绕，舵机的舵机导线与导电滑环的转动部分同时转动，舵机导线不会相互缠绕，从而实现空心轴电机控制轮组可以向一个方向无限旋转。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种可在舵轮和万向轮间切换的机器人底盘，其特征在于：包括底盘框架、四个切换机构、四个轮组、四个转向机构；四个切换机构分别安装在四个轮组，四个轮组分别通过四个转向机构与底盘框架连接；

轮组包括轮毂、轮支架、驱动电机、法兰联轴器；切换机构包括舵机、切换杆；轮支架包括安装板、连接板、第一转轴；轮毂与安装板转动连接，连接板与转向机构连接，安装板与连接板通过第一转轴转动连接，舵机安装在安装板，驱动电机的定子与安装板固定连接，驱动电机的输出轴通过法兰联轴器与轮毂连接；切换杆一端与连接板铰接，切换杆的另一端与舵机的舵臂铰接；舵机通过切换杆带动安装板以第一转轴为支点相对于连接板摆动。

2.按照权利要求1所述的一种可在舵轮和万向轮间切换的机器人底盘，其特征在于：还包括四个仿形机构、联动机构；四个转向机构分别通过四个仿形机构与底盘框架摆动连接，四个仿形机构均与底盘框架铰接，四个仿形机构均与联动机构铰接，联动机构设在底盘框架，联动机构位于四个仿形机构之间。

3.按照权利要求2所述的一种可在舵轮和万向轮间切换的机器人底盘，其特征在于：仿形机构包括摆件、摆杆；摆件的两端分别与底盘框架和转向机构铰接，摆杆的两端分别与底盘框架和转向机构铰接。

4.按照权利要求3所述的一种可在舵轮和万向轮间切换的机器人底盘，其特征在于：联动机构包括四个避震器、两个传动连杆、两个第二转轴、传动件，避震器的两端分别与摆件和传动连杆铰接，两个传动连杆分别通过两个第二转轴与底盘框架转动连接，传动连杆是通过三根连杆连接围成的三角形结构，三角形结构的两个角位于底盘本体的外侧，另外的一个角位于底盘本体的内侧；位于外侧的两个角分别与两个避震器铰接，位于内侧的一个角通过传动件与另一个传动连杆铰接。

5.按照权利要求4所述的一种可在舵轮和万向轮间切换的机器人底盘，其特征在于：传动连杆位于底盘框架的上方，传动连杆与底盘框架的顶部平面平行。

6.按照权利要求4所述的一种可在舵轮和万向轮间切换的机器人底盘，其特征在于：四个轮组在底盘框架呈矩形分布，四个转向机构在底盘框架呈矩形分布，一个轮组在相对于底盘框架在竖直方向摆动时，联动机构带动与该轮组相对的轮组同向摆动，联动机构带动与该轮组相邻的两个轮组反向摆动。

7.按照权利要求1所述的一种可在舵轮和万向轮间切换的机器人底盘，其特征在于：还包括保护框，保护框的数量为四个，底盘框架为矩形框架，四个保护框分别位于底盘框架的四个顶角，保护框与底盘框架连接，保护框将轮组半包围。

8.按照权利要求1所述的一种可在舵轮和万向轮间切换的机器人底盘，其特征在于：轮毂外套有橡胶轮胎。

9.按照权利要求3所述的一种可在舵轮和万向轮间切换的机器人底盘，其特征在于：还包括电源，转向机构包括导电滑环、转向电机、轴承，导电滑环包括上端的固定部分和下端的转动部分；转向电机为空心轴电机，包括固定部分和转动部分；轴承包括位于外圈的固定部分和位于内圈的转动部分；转向电机套在导电滑环外；轴承的固定部分与摆杆铰接，转向电机位于轴承的顶部，转向电机的固定部分安装在轴承的固定部分，转向电机的固定部分与摆件铰接，转向电机的转动部分与轴承的转动部分固定连接；连接板与轴承的转动部分固定连接；导电滑环的转动部分与转向电机的转动部分连接；驱动电机和导电滑环的转动部分通过电机导线连接，该电机导线随导电滑环的转动部分转动；导电滑环的固定部分与电源通过导线连接，该导线与仿形机构相对固定。

10.按照权利要求9所述的一种可在舵轮和万向轮间切换的机器人底盘，其特征在于：电机导线从轴承的转动部分穿过，与导电滑环的转动部分连接；舵机与导电滑环的转动部分通过舵机导线连接，舵机导线从轴承的转动部分穿过，与导电滑环的转动部分连接。

Images