CN113415140B - 一种全线控电驱动底盘及机器人 - Google Patents

一种全线控电驱动底盘及机器人 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种全线控电驱动底盘及机器人，属于移动机器人技术领域，包括车架、前轮、后轮和车载控制器；前轮连接有带动前轮转向的转向机构；后轮连接有驱动后轮转动的行走机构、减缓后轮转速的刹车机构；前轮与车架之间连接有前悬挂机构；后轮与车架之间连接有后悬挂机构；转向机构、行走机构、刹车机构均与车载控制器连接。本发明的有益效果是：采用轮式结构，行走速度更快，更能适应城市硬质路面较高速度运行要求，前进、后退、转向、加减速均通过车载控制器控制，可实现线控自主驾驶，自动化程度高；配备了独立的前、后悬挂机构，增强了机器人的越野能力、爬坡能力、越障能力，更适应室外复杂路况。

Description

一种全线控电驱动底盘及机器人
技术领域
本发明涉及移动机器人技术领域，特别是涉及一种全线控电驱动底盘及机器人。
背景技术
随着科学技术的不断进步，智能装备的应用越来越广泛。比如移动机器人可代替检修人们进行园区或户外巡检等工作，因此需要设计一种适用于此类移动机器人的底盘结构。
传统移动机器人底盘在人员直接操作下，可实现手动转向、手动前进后退、手动刹车等动作，但传统底盘无法实现线控自主驾驶功能，且行走速度慢，转向调节繁琐，不具备刹车能力，大大限制了移动机器人的应用。
为了解决上述问题，本发明提出一种全线控电驱动底盘及机器人。
发明内容
为了解决上述技术问题中的至少一个，本发明提供了一种全线控电驱动底盘及机器人，包括车架、前轮、后轮和车载控制器；所述前轮连接有带动所述前轮转向的转向机构；所述后轮连接有驱动所述后轮转动的行走机构、减缓所述后轮转速的刹车机构；所述前轮与所述车架之间连接有前悬挂机构；所述后轮与所述车架之间连接有后悬挂机构；所述转向机构、所述行走机构、所述刹车机构均与所述车载控制器连接。
优选地，所述行走机构包括行走电机、差速器和行走车轴；所述行走车轴转动连接于所述车架，所述后轮设置两个、同轴转动连接于所述行走车轴的两端；所述行走电机通过所述差速器与所述行走车轴驱动连接。
优选地，所述行走机构还包括第一伺服电机驱动器，所述第一伺服电机驱动器的输入端与所述车载控制器的输出端连接、输出端与所述行走电机的输入端连接。
优选地，所述后悬挂机构包括后支撑管、后支撑臂和后减震器，所述后支撑管套设于所述行走车轴外、以支撑所述行走车轴；所述后支撑臂的一端固定于所述后支撑管、另一端铰接于所述车架；所述后减震器的一端铰接于所述后支撑臂的中部、另一端铰接于所述车架。
优选地，所述刹车机构包括设于所述车架的液压总成、刹车钳和刹车片；所述刹车片固定于所述行走车轴，所述刹车钳夹于所述刹车片；所述液压总成驱动所述刹车钳张开或夹紧。
优选地，所述刹车机构还包括设于所述车架的伺服舵机、压杆、拨叉和液压支架；所述伺服舵机与所述拨叉驱动连接，以驱动所述拨叉摆动；所述拨叉的自由端开设有拨动长槽；所述压杆的一端转动连接于所述液压支架、另一端滑动设于所述拨动长槽内，且所述压杆靠近所述液压支架的一端固接有压块，所述压块抵接于所述液压总成的液压杆；所述伺服舵机的输入端与所述车载控制器的输出端连接。
优选地，所述转向机构包括转向电机、形成阿克曼转向的转向头、第一左连杆、第二左连杆、第一右连杆和第二右连杆；所述第一左连杆的一端、所述第一右连杆的一端分别铰接于所述转向头的两侧，所述转向电机的输出端驱动连接于所述转向头的中部；所述第一左连杆与所述第二左连杆铰接，所述第一右连杆与所述第二右连杆铰接；所述前轮设置有两个、分别连接于所述第二左连杆的端部和第二右连杆的端部。
优选地，所述转向机构还包括第二伺服电机驱动器，所述第二伺服电机驱动器的输入端与所述车载控制器的输出端连接、输出端与所述转向电机的输入端连接。
优选地，所述前悬挂机构包括左前支撑臂、左前减震器、右前支撑臂和右前减震器；所述左前支撑臂的一端铰接于所述车架、另一端铰接于所述第二左连杆，以支撑所述第二左连杆；所述右前支撑臂的一端铰接于所述车架、另一端铰接于所述第二右连杆，以支撑所述第二右连杆；所述左前减震器的一端铰接于所述车架、另一端铰接于所述左前支撑臂；所述右前减震器的一端铰接于所述车架、另一端铰接于所述右前支撑臂。
一种机器人，包括所述的全线控电驱动底盘。
本发明的有益效果是：采用轮式结构，行走速度更快，更能适应城市硬质路面较高速度运行要求，前进、后退、转向、加减速均通过车载控制器控制，可实现线控自主驾驶，自动化程度高；配备了独立的前、后悬挂机构，增强了机器人的越野能力、爬坡能力、越障能力，更适应室外复杂路况。
附图说明
附图示出了本发明的示例性实施方式，并与其说明一起用于解释本发明的原理，其中包括了这些附图以提供对本发明的进一步理解，并且附图包括在本说明书中并构成本说明书的一部分。
图1是一种实施例的结构示意图；
图2是转向机构和前悬挂机构的结构示意图；
图3是图2的另一视图；
图4是行走机构和后悬挂机构的结构示意图；
图5是刹车机构的结构示意图；
图6是控制系统流程图；
图中：1-车架，2-前轮，3-后轮，4-车载控制器，5-转向机构，6-行走机构，7-刹车机构，8-前悬挂机构，9-后悬挂机构，
51-转向电机，52-第一左连杆，53-第一右连杆，54-第二右连杆，55-转向头，56-第二左连杆，
61-行走电机，62-差速器，63-行走车轴，
71-液压总成，72-刹车片，73-伺服舵机，74-压杆，75-拨叉，76-液压支架，77-拨动长槽，78-压块，79-液压杆，
81-左前支撑臂，82-左前减震器，83-右前支撑臂，84-右前减震器，85-右支撑柱，86-夹爪，87-左支撑柱，
91-后支撑管，92-后支撑臂，93-后减震器。
具体实施方式
下面结合附图和实施方式对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于解释相关内容，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施方式来详细说明本发明。
如图1-图6所示，一种全线控电驱动底盘及机器人，包括车架1、前轮2、后轮3和车载控制器4；所述前轮2连接有带动所述前轮2转向的转向机构5；所述后轮3连接有驱动所述后轮3转动的行走机构6、减缓所述后轮3转速的刹车机构7；所述前轮2与所述车架1之间连接有前悬挂机构8；所述后轮3与所述车架1之间连接有后悬挂机构9；所述转向机构5、所述行走机构6、所述刹车机构7均与所述车载控制器4连接。
采用轮式结构，行走速度更快，更能适应城市硬质路面较高速度运行要求，前进、后退、转向、加减速均通过车载控制器4控制，可实现线控自主驾驶，自动化程度高；配备了独立的前、后悬挂机构9，增强了机器人的越野能力、爬坡能力、越障能力，更适应室外复杂路况。
底盘通过电池供电，电池安装于车架1。
一种实施方式中，所述行走机构6包括行走电机61、差速器62和行走车轴63；所述行走车轴63转动连接于所述车架1，所述后轮3设置两个、同轴转动连接于所述行走车轴63的两端；所述行走电机61通过所述差速器62与所述行走车轴63驱动连接。
行走电机61通过差速器62带动行走车轴63转动，行走车轴63驱动后轮3转动从而实现机器人快速前进或后退。行走电机61和差速器62的主体均固定于后支撑管91。
进一步的方案中，如图4所示，所述行走机构6还包括第一伺服电机驱动器，所述第一伺服电机驱动器的输入端与所述车载控制器4的输出端连接、输出端与所述行走电机61的输入端连接，车载控制器4通过CAN总线将正转、反转、转速等信息发送至第一伺服电机驱动器，由第一伺服电机驱动器控制行走电机61正转或反转，从而控制机器人前进或后退或加速。
一种实施方式中，如图4所示，所述后悬挂机构9包括后支撑管91、后支撑臂92和后减震器93，所述后支撑管91套设于所述行走车轴63外、以支撑所述行走车轴63；所述后支撑臂92的一端固定于所述后支撑管91、另一端铰接于所述车架1；所述后减震器93的一端铰接于所述后支撑臂92的中部、另一端铰接于所述车架1。
后支撑臂92具有两个连接脚，分别固定于后支撑管91的两侧；后减震器93起减震作用，更有利于机器人内部电子器件的正常工作，提高机器人的使用寿命，增强机器人的越野能力、爬坡能力、越障能力等，后减震器93可采用筒式减震器等，且后减震器93可设置两个，对称设置，更有利于两个后轮3的平衡。
一种实施方式中，如图5所示，所述刹车机构7包括设于所述车架1的液压总成71、刹车钳和刹车片72；所述刹车片72固定于所述行走车轴63，所述刹车钳夹于所述刹车片72；所述液压总成71驱动所述刹车钳张开或夹紧。
液压总成71包括油缸和活塞缸体，且油缸和活塞缸体之间通过油管连通，液压杆79设于油缸内，活塞缸体与刹车钳驱动连接，液压杆79压缩时，会带动刹车钳夹紧刹车片72，完成减速；油缸内设置有提供液压杆79复位弹力的弹簧，松开液压杆79，刹车钳即可复位并松开刹车片72。油管和刹车钳未在图中示出。
进一步的方案中，所述刹车机构7还包括设于所述车架1的伺服舵机73、压杆74、拨叉75和液压支架76，液压支架76可固定于液压总成71的外壳或车架1；所述伺服舵机73与所述拨叉75驱动连接，以驱动所述拨叉75摆动；所述拨叉75的自由端开设有拨动长槽77，拨动长槽77一端开口；所述压杆74的一端转动连接于所述液压支架76、另一端滑动设于所述拨动长槽77内，拨叉75摆动时，压杆74的一端沿着拨动长槽77的长边滑动，同时绕着液压支架76转动；
且所述压杆74靠近所述液压支架76的一端固接有压块78，压块78与压杆74可以为一体结构或可拆卸连接的分体结构，所述压块78抵接于所述液压总成71的液压杆79；所述伺服舵机73的输入端与所述车载控制器4的输出端连接。
采用这种液压碟刹结构，通过车载控制器4控制伺服舵机73转动，在拨动长槽77的作用下，压杆74绕着液压支架76转动，其压块78会压紧并推动液压杆79，使得刹车钳夹紧工作，完成刹车，模拟了人工驾驶时的手动刹车动作实现机器人刹车，增加机器人行驶安全性。
伺服舵机73的运动控制指令由车载控制器4通过串口RS232下发。
一种实施方式中，如图2、图3所示，所述转向机构5包括转向电机51、形成阿克曼转向的转向头55、第一左连杆52、第二左连杆56、第一右连杆53和第二右连杆54；所述第一左连杆52的一端、所述第一右连杆53的一端分别铰接于所述转向头55的两侧，所述转向电机51的输出端驱动连接于所述转向头55的中部；所述第一左连杆52与所述第二左连杆56铰接，所述第一右连杆53与所述第二右连杆54铰接；所述前轮2设置有两个、分别连接于所述第二左连杆56的端部和第二右连杆54的端部。
采用通过阿克曼转向机构5带动前轮2偏转实现机器人转向的方案，可减少转向机构5的连杆数量、缩短转向动作的中间环节，增加了底盘的机动性能。
进一步的方案中，所述转向机构5还包括第二伺服电机驱动器，所述第二伺服电机驱动器的输入端与所述车载控制器4的输出端连接、输出端与所述转向电机51的输入端连接。车载控制器4通过CAN总线将转向角度等信息发送至第二伺服电机驱动器，由第二伺服电机驱动器控制转向电机51转动，从而控制机器人转向。
进一步的方案中，如图2、图3所示，所述前悬挂机构8包括左前支撑臂81、左前减震器82、右前支撑臂83和右前减震器84；所述左前支撑臂81的一端铰接于所述车架1、另一端铰接于所述第二左连杆56，以支撑所述第二左连杆56；所述右前支撑臂83的一端铰接于所述车架1、另一端铰接于所述第二右连杆54，以支撑所述第二右连杆54；所述左前减震器82的一端铰接于所述车架1、另一端铰接于所述左前支撑臂81；所述右前减震器84的一端铰接于所述车架1、另一端铰接于所述右前支撑臂83。
值得说明的是，右前支撑臂83与第二右连杆54铰接的同时，起支撑作用，具体而言，右前支撑臂83与第二右连杆54之间设置右支撑柱85，右支撑柱85沿竖向设置，第二右连杆54固定于右支撑柱85的外圆，右前支撑臂83的端部具有夹爪86，右支撑柱85设置在夹爪86内、且下端抵接于夹爪86内的底部，右支撑部与夹爪86之间设置有竖向的连接轴、通过连接轴实现铰接；而右前轮2的轮轴固定于右支撑柱85的外圆。
显然，左前支撑臂81与第二左连杆56之间也设置有左支撑柱87，其结构与右支撑柱85的结构相同，此处不再赘述。
上述的左前减震器82和右前减震器84对称设置，均采用筒式减震器等。
如图6所示，本发明的控制系统包括安装于车架1的车载控制器4、车载图传天线，以及安装于外部监控室的监控计算机和控制图传天线，车载控制器4和车载图传天线之间通过以太网等方式进行连接，用于传递信号，监控计算机和控制图传天线之间通过以太网等方式进行连接，用于传递信号；车载图传天线和控制图传天线之间通过无线进行连接，用于接收或发射信号。
工作时，监控计算机通过控制图传天线下达指令，车载控制器4收到信号后，通过CAN总线将前进、后退、加速、减速的控制指令下发至第一伺服电机驱动器，控制行走电机61完成前进、后退、加速、减速动作，并通过CAN总线将转向角度、转向速度等信息下发至第二伺服电机驱动器，控制转向电机51完成转向，通过串口RS232将伺服舵机73的运动位置和运动速度等信息下发至伺服舵机73，伺服舵机73控制刹车机构7实现刹车动作；机器人上配备有摄像机，摄像机与车载图传天线相连，拍摄的图片通过车载图传天线、控制图传天线回传至监控计算机。
本发明还公开了一种机器人，包括上述的全线控电驱动底盘。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例/方式”、“一些实施例/方式”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例/方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例/方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例/方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例/方式或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例/方式或示例以及不同实施例/方式或示例的特征进行结合和组合。
此外，术语“第一”、“第二”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”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
本领域的技术人员应当理解，上述实施方式仅仅是为了清楚地说明本发明，而并非是对本发明的范围进行限定。对于所属领域的技术人员而言，在上述公开的基础上还可以做出其它变化或变型，并且这些变化或变型仍处于本发明的范围内。

Claims (8)

1.一种全线控电驱动底盘，其特征在于：包括车架(1)、前轮(2)、后轮(3)和车载控制器(4)；
所述前轮(2)连接有带动所述前轮(2)转向的转向机构(5)；
所述后轮(3)连接有驱动所述后轮(3)转动的行走机构(6)、减缓所述后轮(3)转速的刹车机构(7)；
所述前轮(2)与所述车架(1)之间连接有前悬挂机构(8)；
所述后轮(3)与所述车架(1)之间连接有后悬挂机构(9)；
所述转向机构(5)、所述行走机构(6)、所述刹车机构(7)均与所述车载控制器(4)连接；
所述刹车机构(7)包括设于所述车架(1)的液压总成(71)、刹车钳和刹车片(72)；所述刹车钳夹于所述刹车片(72)；所述液压总成(71)驱动所述刹车钳张开或夹紧；
所述刹车机构(7)还包括设于所述车架(1)的伺服舵机(73)、压杆(74)、拨叉(75)和液压支架(76)；所述伺服舵机(73)与所述拨叉(75)驱动连接，以驱动所述拨叉(75)摆动；所述拨叉(75)的自由端开设有拨动长槽(77)；所述压杆(74)的一端转动连接于所述液压支架(76)、另一端滑动设于所述拨动长槽(77)内，且所述压杆(74)靠近所述液压支架(76)的一端固接有压块(78)，所述压块(78)抵接于所述液压总成(71)的液压杆(79)；所述伺服舵机(73)的输入端与所述车载控制器(4)的输出端连接。
2.如权利要求1所述一种全线控电驱动底盘，其特征在于：所述行走机构(6)包括行走电机(61)、差速器(62)和行走车轴(63)；
所述行走车轴(63)转动连接于所述车架(1)，所述后轮(3)设置两个、同轴转动连接于所述行走车轴(63)的两端；
所述行走电机(61)通过所述差速器(62)与所述行走车轴(63)驱动连接。
3.如权利要求2所述一种全线控电驱动底盘，其特征在于：所述行走机构(6)还包括第一伺服电机驱动器，所述第一伺服电机驱动器的输入端与所述车载控制器(4)的输出端连接、输出端与所述行走电机(61)的输入端连接。
4.如权利要求2所述一种全线控电驱动底盘，其特征在于：所述后悬挂机构(9)包括后支撑管(91)、后支撑臂(92)和后减震器(93)，
所述后支撑管(91)套设于所述行走车轴(63)外、以支撑所述行走车轴(63)；
所述后支撑臂(92)的一端固定于所述后支撑管(91)、另一端铰接于所述车架(1)；
所述后减震器(93)的一端铰接于所述后支撑臂(92)的中部、另一端铰接于所述车架(1)。
5.如权利要求1所述一种全线控电驱动底盘，其特征在于：所述转向机构(5)包括转向电机(51)、形成阿克曼转向的转向头(55)、第一左连杆(52)、第二左连杆(56)、第一右连杆(53)和第二右连杆(54)；
所述第一左连杆(52)的一端、所述第一右连杆(53)的一端分别铰接于所述转向头(55)的两侧，所述转向电机(51)的输出端驱动连接于所述转向头(55)的中部；
所述第一左连杆(52)与所述第二左连杆(56)铰接，所述第一右连杆(53)与所述第二右连杆(54)铰接；
所述前轮(2)设置有两个、分别连接于所述第二左连杆(56)的端部和第二右连杆(54)的端部。
6.如权利要求5所述一种全线控电驱动底盘，其特征在于：所述转向机构(5)还包括第二伺服电机驱动器，所述第二伺服电机驱动器的输入端与所述车载控制器(4)的输出端连接、输出端与所述转向电机(51)的输入端连接。
7.如权利要求5所述一种全线控电驱动底盘，其特征在于：所述前悬挂机构(8)包括左前支撑臂(81)、左前减震器(82)、右前支撑臂(83)和右前减震器(84)；
所述左前支撑臂(81)的一端铰接于所述车架(1)、另一端铰接于所述第二左连杆(56)，以支撑所述第二左连杆(56)；
所述右前支撑臂(83)的一端铰接于所述车架(1)、另一端铰接于所述第二右连杆(54)，以支撑所述第二右连杆(54)；
所述左前减震器(82)的一端铰接于所述车架(1)、另一端铰接于所述左前支撑臂(81)；所述右前减震器(84)的一端铰接于所述车架(1)、另一端铰接于所述右前支撑臂(83)。
8.一种机器人，其特征在于：包括如权利要求1-7任一项所述的全线控电驱动底盘。
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