CN113212135A - 一种带有自定位功能的全向移动机器人模块化底盘 - Google Patents

Abstract

本发明涉及机器人底盘领域，具体涉及一种带有自定位功能的全向移动机器人模块化底盘,本发明为了解决机器人常面临空间复杂和自重大等问题,它包括载体、随动轮结构、多个进退执行结构和多个转向执行机构；每个进退执行结构与一个转向执行机构对应设置，所述进退执行结构通过转向执行机构设置在载体上，多组进退执行结构和随动轮结构均设置在载体上。进一步地，所述转向执行机构的数量为四个，每两个转向执行机构对称设置在载体上，随动轮结构设置在载体的中部,从多个部分进行轻量化设计，节省空间，设计零件均采用一致性设计，该机器人底盘机构可使机器人在复杂空间进行灵活运动，同事其轻量化和模块化设计使机器人功耗更低，便于推广应用。

Description

一种带有自定位功能的全向移动机器人模块化底盘

技术领域

本发明涉及机器人底盘领域，具体涉及一种带有自定位功能的全向移动机器人模块化底盘。

背景技术

目前AGV、清扫机器人等已在在工厂物流和生活保洁等领域得到越来越多的应用，一定程度上提升了工作效率和智慧化水平。先后出现麦克纳姆轮、差动驱动等方式，但由于机器人常面临空间复杂和自重大等问题，对机器人轻量化和灵活性要求越来越高，适应复杂环境长时高效移动作业，为此本专利设计轻量化、模块化全向机器人，使机器人更适应复发环境灵活移动，提升移动机器人在物流、巡检和远程作业等方面应用更为高效和智能性。

发明内容

本发明专利的目的：本发明为了解决机器人常面临空间复杂和自重大等问题，提供一种带有自定位功能的全向移动机器人模块化底盘。

本发明的目的是这样实现的：一种带有自定位功能的全向移动机器人模块化底盘，它包括载体、随动轮结构、多个进退执行结构和多个转向执行机构；

每个进退执行结构与一个转向执行机构对应设置，所述进退执行结构通过转向执行机构设置在载体上，多组进退执行结构和随动轮结构均设置在载体上。

进一步地，所述转向执行机构的数量为四个，每两个转向执行机构对称设置在载体上，随动轮结构设置在载体的中部。

再进一步地，所述载体包括多个连接管组成的框架和连接板；

所述连接板固定在框架上，转向执行机构设置在连接板上。

进一步地，所述载体主要由碳纤维制成。

再进一步地，所述转向执行机构包括转向电机、驱动齿轮、底盘齿轮和电机固定板；

所述底盘齿轮为内圈带有齿的齿盘，底盘齿轮与载体连接，驱动齿轮与底盘齿轮啮合设置，转向电机的输出轴与驱动齿轮连接，转向电机固定在电机固定板上，电机固定板与底盘齿轮转动连接。

进一步地，底盘齿轮和电机固定板通过轴承连接。

再进一步地，所述进退执行机构包括固定架、进退电机、轮子、轮轴和磁钢编码器；

所述固定架与电机固定板连接，所述进退电机和轮子均设置在固定架上，进退电机和轮子通过传动单元连接，进退电机的输出轴末端与与磁钢编码器相连。

进一步地，所述传动单元包括第一齿轮、第二齿轮和第三齿轮；

所述第一齿轮与进退电机的输出轴连接，第二齿轮与固定架连接，第三齿轮与轮子连接，第一齿轮与第二齿轮互相啮合，第二齿轮与第三齿轮互相啮合。

再进一步地，所述进退电机和转向电机均为直流伺服电机。

进一步地，所述随动轮机构包括固定架、编码器和两个万向轮；

所述两个万向轮对称设置在固定架上，每个万向轮的轮轴与一个编码器连接。

再进一步地，每个所述万向轮均通过一个滑轨与固定架连接。

进一步地，所述两条滑轨的夹角呈90°

有益效果：所述机器人底盘包含四个驱动模块和一个定位模块，每个驱动模块都独立控制进退和转向，通过系统对四个驱动模块同步控制，可在机器人平台姿态不变，机器人实现灵活转向运动和多种速度行走及自主定位能力。本机器人底盘从多个部分进行轻量化设计，模块设计结构紧凑，节省空间，设计零件均采用一致性设计，该机器人底盘机构可使机器人在复杂空间进行灵活运动，同事其轻量化和模块化设计使机器人功耗更低，便于推广应用。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例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为本发明的整体示意图；

图2为本发明的进退执行机构的示意图；

图3为本发明的转向执行机构的示意图一；

图4为本发明的转向执行机构的示意图二；

图5为本发明的随动轮结构的示意图；

图6为本发明的三维示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式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方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“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”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

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，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以几个具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个实施例并不构成对本发明实施例的限定。

具体实施方式一：一种带有自定位功能的全向移动机器人模块化底盘，它包括载体1-1、随动轮结构1-5、多个进退执行结构1-2和多个转向执行机构1-3；

每个进退执行结构1-2与一个转向执行机构1-3对应设置，所述进退执行结构1-2通过转向执行机构1-3设置在载体1-1上，多组进退执行结构1-2和随动轮结构1-5均设置在载体1-1上。

具体实施方式二：所述转向执行机构1-3的数量为四个，每两个转向执行机构1-3对称设置在载体1-1上，随动轮结构1-5设置在载体1-1的中部。

其他实施方式与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：所述载体1-1包括多个连接管组成的框架和连接板；

所述连接板固定在框架上，转向执行机构1-3设置在连接板上。

本实施方式中：转向执行机构1-3设置在连接板上，框架和连接板之间不完全连接，起到轮系悬挂作用。

所述载体1-1由多个框架和多个连接板拼接组成。框架1-1采用铆接，框架分为若干方格，便于轮系的固定以及整体的稳定。

所述框架大小为680X580的矩形碳管架，由型号20X20X1的碳纤维方管制成，每根方管两端多有孔位与铆接片配合，用铆钉固定，所用碳纤维方管型号均统一，且表面均光滑平整。碳管架中间几根碳管将整体分成几个大小不同的方格，使整体更加牢固，也便于轮系的安装和连接。

具体实施方式与具体实施方式一相同。

具体实施方式四：所述载体1-1主要由碳纤维制成。

具体实施方式与具体实施方式三相同。

具体实施方式五：所述转向执行机构1-3包括转向电机3-1、驱动齿轮3-2、底盘齿轮3-3和电机固定板3-5；

所述底盘齿轮3-3为内圈带有齿的齿盘，底盘齿轮3-3与载体1-1连接，驱动齿轮3-2与底盘齿轮3-3啮合设置，转向电机3-1的输出轴与驱动齿轮3-2连接，转向电机(3-1)固定在电机固定板3-5上，电机固定板3-5与底盘齿轮3-3转动连接。

本实施方式中：用的是转向电机通过一个齿轮型的铝制加工件(驱动齿轮)和底盘上的大内齿轮(底盘齿轮)内啮合来实现轮系转向。并且，转向执行机构和载体之间通过环状的打印件(电机固定板)与载体连接，这样专项执行机构的转向会非常顺滑。

转向电机固定在轮系转台的碳板上，转向电机输出轴通过螺栓与齿轮型加工件连接，齿轮型加工件与底盘齿轮内啮合，两者模数选为较大模数(如选择2)，齿轮减速比可选择较大(如齿数与减速：18和65，减速比约为4)。外部环形打印件套在航空大轴承内外侧，通过螺栓和转台相连，内部环形打印件固定在轴承内侧，实现内外圈分别转动。转向电机通过碳板与内部环形打印件相连，这样转向电机可驱动转向机构进行转向。

具体实施方式与具体实施方式四相同。

具体实施方式六：底盘齿轮3-3和电机固定板3-5通过轴承3-4连接。

本实施方式中：轴承为航空大轴承，可以保证转向精度。

具体实施方式与具体实施方式五相同。

具体实施方式七：所述进退执行机构1-2包括固定架2-1、进退电机2-2、轮子2-5、轮轴2-6和磁钢编码器2-7；

所述固定架2-1与电机固定板3-5连接，所述进退电机2-2和轮子2-5均设置在固定架2-1上，进退电机2-2和轮子2-5通过传动单元连接，进退电机的输出轴末端与与磁钢编码器2-7相连。

本实施方式中：进退电机一端通过齿轮型加工件配合轴承固定在固定架的孔内，并且齿轮轴末端与磁钢相连，通过编码器来记录电机参数，便于对电机的控制，另一端则直接通过四个螺栓与固定架相连。考虑驱动轮高速运动，故齿轮选择大模数，三个齿轮构建低减速比减速器，保持传动刚度和行走轮速度。中间齿轮通过塞打螺栓和推力球轴承固定在固定架上。铝制轮毂中心穿过一根铝轴，铝轴固定上第三个齿轮，两端套上法兰轴承，固定在两端的固定架上。这样电机的转动通过三个齿轮便可以带动轮子进行转动，然后通过磁钢编码器记录轮子转动的参数，从而进行底盘运动的控制。

具体实施方式与具体实施方式六相同。

具体实施方式八：所述传动单元包括第一齿轮2-3、第二齿轮2-4和第三齿轮2-8；

所述第一齿轮2-3与进退电机2-2的输出轴连接，第二齿轮2-4与固定架2-1连接，第三齿轮2-8与轮子2-5连接，第一齿轮2-3与第二齿轮2-4互相啮合，第二齿轮2-4与第三齿轮2-8互相啮合。

本实施方式中：通过三个齿轮来带动轮子转动的方式，这样提高了传动效率、增强运动速度并且节省空间，与电机连接的齿轮(第一齿轮)为铝制齿轮轴，通过轴承将电机固定在固定架的孔内，并且齿轮轴(第一齿轮的齿轮轴末端与磁钢相连，通过编码器来记录电机参数，便于对电机的控制，电机的另一端则直接通过四个螺栓与固定架相连。

具体实施方式与具体实施方式七相同。

具体实施方式九：所述进退电机2-2和转向电机3-1均为直流伺服电机。

具体实施方式与具体实施方式八相同。

具体实施方式十：所述随动轮机构1-5包括固定架5-1、编码器5-3和两个万向轮5-2；

所述两个万向轮5-2对称设置在固定架5-1上，每个万向轮5-2的轮轴与一个编码器5-3连接。

具体实施方式与具体实施方式一相同。

具体实施方式十一：每个所述万向轮5-2均通过一个滑轨5-4与固定架5-1连接。

具体实施方式与具体实施方式十相同。

具体实施方式十二：所述两条滑轨5-4的夹角呈90°

本实施方式中：采用的是两个互相垂直的滑轨和弹簧，使万向轮在底盘触地的时候能始终贴紧地面，进行X和Y两个方向定位。

具体实施方式与具体实施方式十一相同。

其他实施方式：驱动器安装控制机构(1-4)，采用的是碳板拼插结构，将驱动器盒用螺栓固定在碳板上，碳板下端拼插在轮系碳板上，上端拼插在轮系上面的小碳板上，并且在拼插连接处涂上热熔胶，保证其稳定性。

电机驱动器安装控制机构(1-4)，该例主要由驱动器，驱动器盒和两块碳钎维板组成。驱动器装在驱动器盒内，然后通过螺栓固定在大块碳板上，大碳板下端拼插在转台的碳板上。小碳板固定在两个铝制固定架上，另一端和大碳板拼插在一起。拼插处涂上热熔胶加以固定。这样，驱动器便能稳定地固定在轮系上，方便进行轮系的控制。

所述驱动模块有4个，每个模块的电机、执行机构和驱动器安装为上述标准安装，保证模块一致性和互换性，各模块电机驱动器采用总线(如CAN总线)与控制器连接，各驱动模块配标准接口，故各模块为标准化设计，实现了模块设计紧凑、轻量和一致性，有效解决机器人驱动机构快换和空间占用问题。四个标准驱动模块分布呈四点分布，由于每个驱动模块都为四驱，控制方向一直，可适应多种地面行走。

定位模块，主要为所述随动轮结构(1-5)，需要放置机器人中心位置，记录机器人(X和Y方向行走位置)，如图1所示。该例主要由三个铝制固定架(5-1)，两个万向轮(5-2)与编码器(5-3)，两个滑轨(5-4)以及弹簧组成。导轨固定在固定架上，万向轮装在另外两个固定架上并且装在滑块上，通过弹簧，使万向轮紧贴地面，通过滑道保证弹簧牵引运动与车体垂直，通过统计X与Y方向编码器与其配套万向轮轮径关系，分别计算全向轮边缘走过距离偏移量，进行累加，最终达到定位的效果。

机器人底盘的两边各安放了两个电池，用于机器人移动的整体的供电，电池采用轻质铝合金进行固定，设计了如图所示夹紧机构，确保机器人快速运动过程中机器人不会掉落和易更换。并且，在两边设计了导向轮，即使机器人与障碍相撞，机器人也会产生滑动，进而避免造成底盘和障碍物损坏。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (12)

1.一种带有自定位功能的全向移动机器人模块化底盘，其特征在于：它包括载体(1-1)、随动轮结构(1-5)、多个进退执行结构(1-2)和多个转向执行机构(1-3)；

每个进退执行结构(1-2)与一个转向执行机构(1-3)对应设置，所述进退执行结构(1-2)通过转向执行机构(1-3)设置在载体(1-1)上，多组进退执行结构(1-2)和随动轮结构(1-5)均设置在载体(1-1)上。

2.根据权利要求1所述的一种带有自定位功能的全向移动机器人模块化底盘，其特征在于：所述转向执行机构(1-3)的数量为四个，每两个转向执行机构(1-3)对称设置在载体(1-1)上，随动轮结构(1-5)设置在载体(1-1)的中部。

3.根据权利要求1所述的一种带有自定位功能的全向移动机器人模块化底盘，其特征在于：所述载体(1-1)包括多个连接管组成的框架和连接板；

所述连接板固定在框架上，转向执行机构(1-3)设置在连接板上。

4.根据权利要求3所述的一种带有自定位功能的全向移动机器人模块化底盘，其特征在于：所述载体(1-1)由碳纤维制成。

5.根据权利要求1所述的一种带有自定位功能的全向移动机器人模块化底盘，其特征在于：所述转向执行机构(1-3)包括转向电机(3-1)、驱动齿轮(3-2)、底盘齿轮(3-3)和电机固定板(3-5)；

所述底盘齿轮(3-3)为内圈带有齿的齿盘，底盘齿轮(3-3)与载体(1-1)连接，驱动齿轮(3-2)与底盘齿轮(3-3)啮合设置，转向电机(3-1)的输出轴与驱动齿轮(3-2)连接，转向电机(3-1)固定在电机固定板(3-5)上，电机固定板(3-5)与底盘齿轮(3-3)转动连接。

6.根据权利要求5所述的一种带有自定位功能的全向移动机器人模块化底盘，其特征在于：底盘齿轮(3-3)和电机固定板(3-5)通过轴承(3-4)连接。

7.根据权利要求6所述的一种带有自定位功能的全向移动机器人模块化底盘，其特征在于：所述进退执行机构(1-2)包括固定架(2-1)、进退电机(2-2)、轮子(2-5)、轮轴(2-6)和磁钢编码器(2-7)；

所述固定架(2-1)与电机固定板(3-5)连接，所述进退电机(2-2)和轮子(2-5)均设置在固定架(2-1)上，进退电机(2-2)和轮子(2-5)通过传动单元连接，进退电机(2-2)的输出轴末端与与磁钢编码器(2-7)相连。

8.根据权利要求7述的一种带有自定位功能的全向移动机器人模块化底盘，其特征在于：所述传动单元包括第一齿轮(2-3)、第二齿轮(2-4)和第三齿轮(2-8)；

所述第一齿轮(2-3)与进退电机(2-2)的输出轴连接，第二齿轮(2-4)与固定架(2-1)连接，第三齿轮(2-8)与轮子(2-5)连接，第一齿轮(2-3)与第二齿轮(2-4)互相啮合，第二齿轮(2-4)与第三齿轮(2-8)互相啮合。

9.根据权利要求8所述的一种带有自定位功能的全向移动机器人模块化底盘，其特征在于：所述进退电机(2-2)和转向电机(3-1)均为直流伺服电机。

10.根据权利要求1所述的一种带有自定位功能的全向移动机器人模块化底盘，其特征在于：所述随动轮机构(1-5)包括固定架(5-1)、编码器(5-3)和两个万向轮(5-2)；

所述两个万向轮(5-2)对称设置在固定架(5-1)上，每个万向轮(5-2)的轮轴与一个编码器(5-3)连接。

11.根据权利要求10所述的一种带有自定位功能的全向移动机器人模块化底盘，其特征在于：每个所述万向轮(5-2)均通过一个滑轨(5-4)与固定架(5-1)连接。

12.根据权利要求11所述的一种带有自定位功能的全向移动机器人模块化底盘，其特征在于：所述两条滑轨(5-4)的夹角呈90°。

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