CN113135225A - 前转后驱的机器人底盘及运动机器人 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了前转后驱的机器人底盘及运动机器人，属于移动机器人技术领域，要解决的技术问题为如何实现机器人广泛适用于室外道路、园区等复杂路况环境。包括：前驱转向系统和后驱系统，前驱转向系统和后驱系统通过与车轮连接，实现机器人底盘的运动和转向；悬架系统，前驱转向系统和后驱动系统分别与悬架系统连接，承载机器人的负载并减震，使得机器人在通过坑洼颠簸路面时轮胎能够均匀着地；车架系统，与前驱转向系统、后驱动系统和悬架系统支撑连接，承受底盘自身负载以及外部负载；车轮系统，用于承载底盘负载以及外部负载，用于根据前驱转向系统的动作要求实现机器人转向，并用于根据后驱系统的控制驱动机器人行驶。

Description

前转后驱的机器人底盘及运动机器人
技术领域
本发明涉及移动机器人技术领域，具体地说是前转后驱的机器人底盘及运动机器人。
背景技术
社会经济对劳动力的需求持续扩张，工资成本将越来越高。社会需求推动机器人产业快速的发展，机器人取代人工将是一个社会发展趋势。社会需求促使移动机器人逐步取代人力，从事一些简单重复的工作，如何实现机器人广泛适用于室外道路、园区等复杂路况环境，能够应用于园区配送、物流搬运、仓库配送、移动销售等行业，产品通用化高，安全可靠性强，能显著的提高智能化、自动化程度，是需要解决的技术问题。
发明内容
本发明的技术任务是针对以上不足，提供前转后驱的机器人底盘及运动机器人，来解决如何实现机器人广泛适用于室外道路、园区等复杂路况环境的技术问题。
第一方面，本发明提供前转后驱的机器人底盘，包括：
驱动系统，所述驱动系统包括前驱转向系统和后驱系统，前驱转向系统和后驱系统通过与轮彀连接，实现机器人底盘的运动和转向；
悬架系统，所述前驱转向系统和后驱动系统分别与悬架系统连接，承载机器人的负载并减震，使得机器人在通过坑洼颠簸路面时轮胎能够均匀着地；
车架系统，所述车架系统与前驱转向系统、后驱动系统和悬架系统支撑连接，承受底盘自身负载以及外部负载；
车轮系统，所述车轮系统通过悬架系统与所述车架系统连接，用于承载底盘负载以及外部负载，所述车轮系统分别与所述前驱转向系统和后驱系统连接，用于根据前驱转向系统的动作要求实现机器人转向，并用于根据所述后驱系统的控制驱动机器人行驶。
作为优选，所述车架系统包括车架、防撞传感器、电池包、液压刹车控制系统以及驱动控制系统；
所述车架用于承载机器人负载，并通过悬架系统、驱动系统支撑在车轮系统上，保证底盘零件的相对位置正确；
所述防撞传感器作为底盘零件设置在车架上，机器人底盘意外碰到外部障碍时触发防撞传感器发出控制信号；
所述驱动控制系统设置于所述车架上，并与驱动系统以及液压刹车控制系统连接，用于发送控制信号，所述前驱转向系统受控制信号转向，所述后驱系统受控制信号制动，所述液压刹车控制系统受控制信号驱动液压刹车卡钳抱死，实现机器人急停；
所述电池包设置在所述车架上，用于提供动力和电能，并在制动时通过所述驱动控制系统反向为所述电池包充电储能。
作为优选，所述后驱系统用于提供机器人底盘行驶的全部驱动力，并确保机器人行驶的动力性和平顺性，所述后驱系统包括驱动电机、减速器、后车轴和轮速传感器；
所述驱动电机与驱动控制系统连接，用于根据控制系统的控制信号工作，经过减速器减速后通过后车轴内部的传动轴带动车轮转动，以实现机器人行驶；
所述轮速传感器与驱动控制系统连接，用于实时测量机器人行驶速度并反馈至控制系统，所述控制系统根据行驶速度将指令反馈至驱动电机以实现机器人运行的闭环控制；
机器人减速时，驱动电机对机器人前进起制动作用，驱动电机处在发电运行状态，通过控制系统反向给电池包充电储能。
作为优选，所述悬架系统包括前车轴、前横向推力杆、前纵向推力杆、液压阻尼减震器、后纵向推力杆、后车轴、后横向推力杆以及稳定杆；
所述液压阻尼弹簧减震器、前纵向推力杆和后纵向推力杆配合用于将车架和前车轴、后车轴连接为一体，通过液压阻尼弹簧减震器支撑机器人本体重量，并吸收路面颠簸产生的振动，保持机器人的平稳运行；
所述液压阻尼弹簧减震器用于使轮胎通过凹凸路面时能够均匀着地，保持轮胎与地面的附着力；
所述前横向推力杆和后横向推力杆配合用于防止机器人本体在转弯时发生过大的横向侧倾，尽量使机器人本体保持平衡；
所述稳定杆具有弹力，当机器人转弯时，机器人本体侧倾，两侧悬架跳动不一致，外侧悬架会压向稳定杆，稳定杆发生扭曲，稳定杆通过杆身弹力阻止车轮抬起，从而使机器人本体保持平衡，起到横向稳定的作用。
作为优选，所述车轮系统包括轮彀、刹车盘、刹车卡钳和车轮；
车轮通过轮毂与前驱转向系统以及后驱系统连接；
所述刹车卡钳与刹车盘配合，根据液压刹车控制系统的指令，用于实现机器人的急停、减速、急/慢刹车以及点刹。
作为优选，所述前驱转向系统包括转向电机、方向机、转向节、万向节和角度传感器；
所述转向电机和方向机与车架系统固定连接，转向电机与驱动控制系统连接，用于接收转向指令并带动方向机运动；
车轮通过轮彀与转向节连接，并通过转向节与前车轴传动连接，所述方向机带动转向节转动，并通过转向节带动车轮转向；
所述角度传感器与驱动控制系统连接，用于测量所述转向电机的转动角度，通过角度转换计算出前车轮的转动角度并反馈给机器人底盘控制系统。
作为优选，所述车轮共四个；
所述前驱转向系统中轮彀和转向节均共两个，且一一对应。
第二方面，本发明提供前转后驱的运动机器人，包括机器人底盘，所述机器人底盘为如第一方面任一项所述的前转后驱的机器人底盘。
作为优选，所述机器人为四轮机器人，共四个车轮；
所述前驱转向系统中轮彀和转向节均共两个，且一一对应。
本发明的前转后驱的机器人底盘及运动机器人具有以下优点：
1、采用液压阻尼弹簧减震器的悬架系统，使得轮胎在通过凹凸路面时均匀着地，保证了轮胎与地面的附着力，从而使机器人在运动时动力稳定；
2、通过机械联动实现后轮驱动、前轮转向控制，转向和驱动灵活，控制技术比较简单，从而适应不同的任务需求，同时降低了对电器件及控制系统的过度依赖，提高机器人系统的稳定性；
3、零部件可选用乘用车级零部件，制造成本低，稳定性、可靠性高，保障了机器人的长时间安全可靠运行。
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，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
下面结合附图对本发明进一步说明。
图1为实施例1前转后驱的机器人底盘的结构示意图；
图2为实施例1前转后驱的机器人底盘中前驱转向系统的结构示意图；
图3为实施例1前转后驱的机器人底盘中后驱系统的结构示意图；
图4为实施例1前转后驱的机器人底盘中悬架系统的结构示意图；
图5为实施例1前转后驱的机器人底盘中车架系统的结构示意图；
图中：89、前驱转向系统，85、悬架系统，81、车架系统，86、后驱动系统，82、车轮系统，3、第一轮毂，8、刹车盘，2、转向节，30、角度传感器，27、转向电机，24、万向节，39、方向机，4、前车轴，20、车轮，69、轮速传感器，68、刹车卡钳，66、后车轴，71、减速器，72、驱动电机，16、前横向推力杆，13、前纵向推力杆，15、液压阻尼减震器，67、第二轮毂，21、后纵向推力杆，23、后横向推力杆，44、第一防撞传感器，45、第一防撞传感器，1、车架，65、电池包，63、液压刹车控制系统，48、驱动控制系统。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定，在不冲突的情况下，本发明实施例以及实施例中的技术特征可以相互结合。
本发明实施例提供前转后驱的机器人底盘及运动机器人，用于解决如何实现机器人广泛适用于室外道路、园区等复杂路况环境的技术问题。
实施例1：
本发明前转后驱的机器人底盘，包括驱动系统、悬架系统、车架系统和车轮系统，驱动系统包括前驱转向系统和后驱系统，前驱转向系统和后驱系统通过与轮彀连接，实现机器人底盘的运动和转向；前驱转向系统和后驱动系统分别与悬架系统连接，承载机器人的负载并减震，使得机器人在通过坑洼颠簸路面时轮胎能够均匀着地；车架系统与前驱转向系统、后驱动系统和悬架系统支撑连接，承受底盘自身负载以及外部负载；车轮系统通过悬架系统与所述车架系统连接，用于承载底盘负载以及外部负载，所述车轮系统分别与所述前驱转向系统和后驱系统连接，用于根据前驱转向系统的动作要求实现机器人转向，并用于根据所述后驱系统的控制驱动机器人行驶。
其中，车架系统81主要包括防撞传感器45、车架1、电池包65、液压刹车控制系统63、驱动控制系统48等。车架1主要安装机器人的电池包65、驱动控制系统48等底盘零件，以及承载机器人负载，并通过悬架系统85、前驱转向系统89、后驱动系统86支撑在车轮系统82上，保证底盘零件的相对位置正确；防撞传感器45在机器人底盘意外碰到外部障碍时触发，并将触发信号传递个驱动控制系统48，驱动控制系统48发出制动信号，驱动电机72接受信号制动，液压刹车控制系统63驱动液压刹车卡钳68抱死，实现机器人急停；电池包65是机器人的储能动力源，电池包65提供动力驱动转向电机27、驱动电机72转动，以及为驱动控制系统48、防撞传感器45、轮速传感器69、液压刹车控制系统63等提供电源，并在机器人减速制动时，通过驱动控制系统48反向给电池包65充电储能。
后驱动系统86主要包括驱动电机72、减速器71、后车轴66、轮速传感器69等。驱动电机72根据驱动控制系统48的信号要求工作，经过减速器71减速后通过后车轴66内部的传动轴带动车轮20转动，实现机器人行驶；轮速传感器69实时测量机器人行驶速度并反馈给驱动控制系统48，根据驱动控制系统48的指令调整驱动电机72的转速，实现机器人运行的闭环控制；机器人减速时，驱动电机72对机器人前进起制动作用，这时驱动电机72处在发电运行状态，通过驱动控制系统48反向给电池包65充电储能。后驱动系统86提供了底盘行驶的全部驱动力，保证车辆的行驶动力性、平顺性等性能。
悬架系统85采用液压阻尼弹簧减震器15、前纵向推力杆13和后纵向推力杆21将车架1和前车轴4、后车轴66连接到一起，通过液压阻尼弹簧减震器15支撑车身重量，并吸收路面颠簸产生的振动，保持机器人的平稳运行；液压阻尼弹簧减震器15使车轮20通过凹凸路面时能够均匀着地，保持轮胎与地面的附着力；前横向推力杆16和后横向推力杆23防止车身在转弯时发生过大的横向侧倾，尽量使车身保持平衡，当机器人转弯时，车身侧倾，两侧悬架跳动不一致，外侧悬架会压向稳定杆，稳定杆就会发生扭曲，杆身的弹力会阻止车轮抬起，从而使车身尽量保持平衡，起到横向稳定的作用。
前驱转向系统89包括2个轮毂3、2个转向节2、万向节24、方向机39、转向电机27、角度传感器30等。前驱转向系统89采用方向机24和转向电机27实现转向，方向机24、转向电机27与车架系统81固连，车轮20通过轮毂3，转向节2与前车轴4固连。机器人底盘驱动控制系统48发出转向指令后，转向电机27接受转向指令并开始转动，转向电机27带动方向机24运动，进而带动转向节2转动，车轮20通过轮毂3与转向节2连接，从而转向节2转动带动车轮20转向；角度传感器30测量转向电机27的转动角度，通过角度转换计算出车轮20的转动角度并反馈给驱动控制系统48，实现闭环控制，从而达到精准转向的目的。
车轮系统82包括四个车轮、第一轮毂3、第二轮毂67、刹车盘8、液压刹车卡钳68等，车轮系统82通过悬架系统85与车架1连接，承受底盘自身负载及外部负载；车轮系统82与前驱转向系统89连接，根据前驱转向系统89的动作要求，实现机器人转向；车轮系统82与后驱动系统86连接，根据驱动系统的控制驱动机器人行驶；刹车卡钳68与刹车盘8配合，根据液压刹车控制系统63的指令，可以实现机器人的急停、减速、急/慢刹车、点刹等。
本实施例的前转后驱的机器人底盘，通过机械联动实现后轮驱动、前轮转向控制，转向和驱动灵活，控制技术比较简单，从而适应不同的任务需求，同时降低了对电器件及控制系统的过度依赖，提高机器人系统的稳定性；采用液压阻尼弹簧减震器的悬架系统，使得轮胎在通过凹凸路面时均匀着地，保证了轮胎与地面的附着力，从而使机器人在运动时动力稳定。
实施例2：
本发明的前转后驱的运动机器人，包括机器人底盘，机器人底盘为实施例1公开的前转后驱的机器人底盘。
机器人为四轮机器人，共四个车轮，上述前驱转向系统中轮彀和转向节均共两个，且一一对应。
上文通过附图和优选实施例对本发明进行了详细展示和说明，然而本发明不限于这些已揭示的实施例，基与上述多个实施例本领域技术人员可以知晓，可以组合上述不同实施例中得到本发明更多的实施例，这些实施例也在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.前转后驱的机器人底盘，其特征在于包括：
驱动系统，所述驱动系统包括前驱转向系统和后驱系统，前驱转向系统和后驱系统通过与车轮连接，实现机器人底盘的运动和转向；
悬架系统，所述前驱转向系统和后驱系统分别与悬架系统连接，承载机器人的负载并减震，使得机器人在通过坑洼颠簸路面时轮胎能够均匀着地；
车架系统，所述车架系统与前驱转向系统、后驱动系统和悬架系统支撑连接，承受底盘自身负载以及外部负载；
车轮系统，所述车轮系统通过悬架系统与所述车架系统连接，用于承载底盘负载以及外部负载，所述车轮系统分别与所述前驱转向系统和后驱系统连接，用于根据前驱转向系统的动作要求实现机器人转向，并用于根据所述后驱系统的控制驱动机器人行驶。
2.根据权利要求1所述的前转后驱的机器人底盘，其特征在于所述车架系统包括车架、防撞传感器、电池包、液压刹车控制系统以及驱动控制系统；
所述车架用于承载机器人负载，并通过悬梁系统、驱动系统支撑在车轮系统上，保证底盘零件的相对位置正确；
所述防撞传感器作为底盘零件设置在车架上，机器人底盘意外碰到外部障碍时触发防撞传感器发出控制信号，实现机器人急停；
所述驱动控制系统设置于所述车架上，并与驱动系统以及液压刹车控制系统连接，用于发送控制信号，所述前驱转向系统受控制信号转向，所述后驱系统受控制信号制动，所述液压刹车控制系统受控制信号驱动液压刹车卡钳抱死，实现机器人急停；
所述电池包设置在所述车架上，用于提供动力和电能，并在制动时通过所述控制系统反向为所述电池包充电储能。
3.根据权利要求2所述的根据权利要求1所述的前转后驱的机器人底盘，其特征在于所述后驱系统用于提供机器人底盘行驶的全部驱动力，并确保机器人行驶的动力性和平顺性，所述后驱系统包括驱动电机、减速器、后车轴和轮速传感器；
所述驱动电机与驱动控制系统连接，用于根据控制系统的控制信号工作，经过减速器减速后通过后车轴内部的传动轴带动车轮转动，以实现机器人行驶；
所述轮速传感器与驱动控制系统连接，用于实时测量机器人行驶速度并反馈至驱动控制系统，所述驱动控制系统根据行驶速度将指令反馈至驱动电机以实现机器人运行的闭环控制；
机器人减速时，驱动电机对机器人前进起制动作用，驱动电机处在发电机运行状态，通过驱动控制系统反向给电池包充电储能。
4.根据权利要求2所述的前转后驱的机器人底盘，其特征在于所述悬架系统包括前车轴、前横向推力杆、前纵向推力杆、液压阻尼减震器、后纵向推力杆、后车轴、后横向推力杆以及稳定杆；
所述液压阻尼弹簧减震器、前纵向推力杆和后纵向推力杆配合用于将车架和前车轴、后车轴连接为一体，通过液压阻尼弹簧减震器支撑机器人本体重量，并吸收路面颠簸产生的振动，保持机器人的平稳运行；
所述液压阻尼弹簧减震器用于使轮胎通过凹凸路面时能够均匀着地，保持轮胎与地面的附着力；
所述前横向推力杆和后横向推力杆配合用于防止机器人本体在转弯时发生过大的横向侧倾，尽量使机器人本体保持平衡；
所述稳定杆具有弹力，当机器人转弯时，机器人本体侧倾，两侧悬架跳动不一致，外侧悬架会压向稳定杆，稳定杆发生扭曲，稳定杆通过杆身弹力阻止车轮抬起，从而使机器人本体保持平衡，起到横向稳定的作用。
5.根据权利要求2、3或4所述的前转后驱的机器人底盘，其特征在于所述车轮系统包括轮彀、刹车盘、刹车卡钳和车轮；
车轮通过轮毂与前驱转向系统以及后驱系统连接；
所述刹车卡钳与刹车盘配合，根据液压刹车控制系统的指令，用于实现机器人的急停、减速、急/慢刹车以及点刹。
6.根据权利要求5所述所述的前转后驱的机器人底盘，其特征在于所述前驱转向系统包括转向电机、方向机、转向节、万向节和角度传感器；
所述转向电机和方向机与车架系统固定连接，转向电机与驱动控制系统连接，用于接收转向指令并带动方向机运动；
车轮通过轮彀与转向节连接，并通过转向节与前车轴传动连接，所述方向机带动转向节转动，并通过转向节带动车轮转向；
所述角度传感器与驱动控制系统连接，用于测量所述转向电机的转动角度，通过角度转换计算出前车轮的转动角度并反馈给机器人底盘控制系统。
7.根据权利要求6所述的前转后驱的机器人底盘，其特征在于所述车轮共四个；
所述前驱转向系统中轮彀和转向节均共两个，且一一对应。
8.前转后驱的运动机器人，包括机器人底盘，其特征在于所述机器人底盘为如权利要求1-6任一项所述的前转后驱的机器人底盘。
9.根据权利要求8所述的前转后驱的运动机器人，其特征在于所述机器人为四轮机器人，共四个车轮；
所述前驱转向系统中轮彀和转向节均共两个，且一一对应。
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