CN114030539B - 一种带主动悬挂结构的轻质探测采样轮式机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种带主动悬挂结构的轻质探测采样轮式机器人，每个轮子有一个独立的驱动单元和悬挂单元，通过车身携带的陀螺仪等传感器检测车身角度与速度，进而控制每一个主动悬挂驱动单元，主动悬挂驱动单元带动悬挂臂转动，从而调整不同轮子对车身的支撑角度，使得轻质采样轮式机器人可以通过不同的地形。中部搭载了一个新型样品采样机构，采样机构与机器人的动力系统与悬挂系统配合，机器人行驶到样品上方，采样机构抓手打开，在采样抓手向下移动过程中，在抓手盖板上的连杆装置推动机器人车体底部的仓门打开，采样抓手伸出车体；完成采样后，动力单元反转，控制抓手闭合，并向上动作，同时连杆装置带动车体底部的仓门闭合，完成样品采样。

Description

一种带主动悬挂结构的轻质探测采样轮式机器人

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，特别涉及一种带主动悬挂结构的轻质探测采样轮式机器人。

背景技术

在工业技术领域和科学研究的过程中、有时候需要采集一些样品进行试验分析。而这些样品所处的环境可能比较恶劣、地形起伏不平，不方便甚至不可能进行人工采样；并且很多时候样品所处的环境物理空间较狭窄，大型的采样机器人不方便进入；再加上很多时候对采集的样品的质量没有太高的要求。

在现有技术和产品中，绝大多数采样机器人都使用“移动平台+机械臂”的方式来实现采样工作。但是现有使用机械臂的采样机器人都存在体积和重量较大、控制较为复杂和困难，在空间较为狭窄的环境下机械臂的工作会受到限制，采样效率较低甚至无法完成采样工作。

本发明公开了一种带主动悬挂结构的轻质探测采样轮式机器人。这里所说的主动悬挂结构指的是悬挂组件可以通过驱动组件进行主动调节，以减小因为地形起伏不平而造成的车体的倾斜和晃动，使得其搭载的各种传感器能够正常高效的工作，使得其对复杂地形的适应性更好。轻质探测采样轮式机器人不使用机械臂而使用车体上搭载的样品采集机构，配合主动悬挂结构使车体产生前倾和后仰，借助抓盘的开合和上下运动来实现采样。

本发明公开了一种全新的主动悬挂和样品采样机构，相比于现有的技术和产品，本发明具有体积小、重量轻、地形适应性高和采样方便等优势，可以应用在一些环境比较恶劣，地形复杂，体积受限等场合。

发明内容

本发明的目的在于提供一种带主动悬挂结构的轻质探测采样轮式机器人，以克服现有技术中的不足。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

本申请公开了一种带主动悬挂结构的轻质探测采样轮式机器人，包括主动悬挂总成、轮毂动力总成和车体总成，所述车体总成包括车体上盖、车体底盘、中盖板和样品采集机构，所述车体底盘内设有中盖板和样品采集机构，所述样品采集机构包括采样动力单元、丝杆、锥齿轮、盖板、上连接盘、连杆、下连接盘、转盘、仓门连杆和仓门，所述中盖板的顶面固定设有采样动力单元和锥齿轮，所述采样动力单元的输出端与锥齿轮之间齿轮配合，所述锥齿轮的中部设有丝杆，所述丝杆与锥齿轮之间配合连接，所述丝杆的下部设有盖板，所述盖板位于锥齿轮的下方，所述盖板的中部底面上设有上连接盘，所述丝杆的下端设有下连接盘，所述上连接盘与下连接盘之间通过若干个连杆活动连接，所述盖板的两侧底面上设有若干个仓门连杆，所述仓门连杆的另一端与仓门活动连接，所述下连接盘的底部设有若干个抓盘，所述抓盘位于仓门的正上方，所述车体底盘上设有采样口，所述仓门位于所述采样口的正上方，所述车体底盘的上方设有车体上盖，所述车体底盘的侧面设有若干个主动悬挂总成，所述主动悬挂总成的另一端设有轮毂动力总成。

所述车体上盖为侧边带倾角，内部掏空及底部抽壳的结构件，所述车体底盘为框架式结构，所述车体上盖与车体底盘之间通过螺钉连接，所述中盖板为板式结构，所述中盖板与车体底盘之间通过螺钉连接，所述中盖板的顶面与采样动力单元之间通过螺钉连接，所述中盖板的顶面与锥齿轮之间通过轴承连接。

所述仓门的侧面设有轴承滚轮，所述采样口的两侧设有与轴承滚轮相配合的滑槽，所述轴承滚轮安装于所述滑槽上，所述采样口的内侧上设有定位磁铁。

所述主动悬挂总成包括主动悬挂驱动动力单元、悬挂驱动齿轮、交叉滚子轴承、底盘侧悬挂臂和轮毂侧悬挂臂，所述主动悬挂驱动动力单元与车体底盘之间固定连接，所述悬挂驱动齿轮通过两个交叉滚子轴承安装在车体底盘，所述悬挂驱动齿轮的一端与主动悬挂驱动动力单元之间通过齿轮配合连接，所述悬挂驱动齿轮的另一端通过螺钉与底盘侧悬挂臂连接，所述轮毂侧悬挂臂的一端通过螺钉与底盘侧悬挂臂连接，所述轮毂侧悬挂臂的另一端与轮毂动力总成相连接，所述底盘侧悬挂臂和轮毂侧悬挂臂的内部为中空结构，用于控制和动力的传递走线。

所述轮毂动力总成包括驱动轮、轮毂轴承和轮毂动力单元，所述驱动轮为外轮缘带齿，轮缘和轮毂通过板状轮辐相连接的结构，所述驱动轮的轮毂端面设置有安装孔，所述轮毂轴承为同心圆环结构，所述轮毂轴承的外径与驱动轮的轮毂内孔相契合，内径与轮毂动力单元的外壳相契合，所述轮毂动力单元的输出轴与安装孔相连接。

本发明的有益效果：

（1）本采样机器人由车体结构和四个起支撑和驱动作用的轮毂组成，四个轮毂之间完全独立，每个轮毂都有一套独立动力总成单元和主动悬挂总成单元。其中，主动悬挂总成内部装有驱动电机和减速器，通过转接悬挂臂与轮毂的动力总成配合，对每个轮的转速和支撑角度进行分别的控制，用以应对沙地、凸起和凹陷等复杂地形；

（2）本采样机器人搭载了一套独立的样品采样机构，可以通过主动悬挂装置与抓盘的开合来实现样品的采样。在正常行驶时，样品仓门关闭，可以保护车体内部结构；

（3）本装置体积小、质量轻、结构紧凑，安装方便，可控性高，适用于复杂地形地貌小型探测采样轮式机器人结构。

本发明的特征及优点将通过实施例结合附图进行详细说明。

附图说明

图1为本发明机器人一种带主动悬挂结构的轻质探测采样轮式机器人的整体结构图；

图2为本发明实施例的主动悬挂总成结构图；

图3为本发明实施例的轮毂动力总成结构图；

图4为本发明实施例的车体总成结构图；

图5为本发明实施例的样品采集机构结构图；

图6为样品采样机构采样时的抓盘打开图；

图7为样品采样机构采样时的抓盘向下动作推开仓门；

图8为样品采样机构采样时的抓盘闭合抓取样品；

图9为样品采样机构采样时的抓盘复位闭合仓门；

图中：1-主动悬挂总成、2-轮毂动力总成、3-车体总成、11-悬挂驱动动力单元、12-悬挂驱动齿轮、13-交叉滚子轴承、14-底盘侧悬挂臂、15-轮毂侧悬挂臂、21-驱动轮、22-轮毂轴承、23-轮毂驱动组件、31-车体上盖、32-车体底盘、33-中盖板、34-样品采集机构、3401-采样动力单元、3402-丝杆、3403-锥齿轮、3404-盖板、3405-上连接盘、3406-连杆、3407-下连接盘、3408-抓盘、3409-仓门连杆、3410-仓门、3411-轴承滚轮、3412-定位磁铁。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面通过附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。但是应该理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

参阅图1，一种带主动悬挂结构的轻质探测采样轮式机器人，其特征在于，包括主动悬挂总成1、轮毂动力总成2和车体总成3；

参阅图2，主动悬挂总成1包括主动悬挂驱动动力单元11，悬挂驱动齿轮12、交叉滚子轴承13、底盘侧悬挂臂14和轮毂侧悬挂臂15；

所述主动悬挂驱动组件11为圆柱状，通过螺钉与车体底盘32固接；

所述悬挂驱动齿轮12通过两个交叉滚子轴承13安装在车体底盘32。一端通过齿轮和主动悬挂驱动动力单元11配合，另一端通过螺钉与底盘侧悬挂臂14连接，实现动力从动力单元到悬挂臂的传递；

所述轮毂侧悬挂臂15通过螺钉与底盘测悬挂臂14固接，另一端与轮毂动力单元23通过螺钉固接；底盘侧悬挂臂14与轮毂侧悬挂臂15连接后，内部为中空结构，用于控制和动力的传递走线。

参阅图3，所述轮毂动力总成2，包括驱动轮21、轮毂轴承22和轮毂动力单元23；

所述驱动轮21为外轮缘带齿，轮缘和轮毂通过板状轮辐相连接的结构；驱动轮的轮毂端面设置有安装孔；

所述轮毂轴承22为同心圆环结构，其外径与驱动轮21轮毂内孔相接触，内径与轮毂动力单元23的外壳相接触，支承驱动轮21绕轮毂动力单元23的外壳进行旋转；

所述轮毂动力单元23为同心的阶梯圆柱体，轮毂轴承22的内径与减速器外壳相接触，减速器外壳与电机外壳之间过渡的台阶对轮毂轴承22进行轴向定位；

所述轮毂动力单元23的输出轴与驱动轮21轮毂端面安装孔连接，使得轮毂动力单元23的输出轴与驱动轮21连接为一个整体。

参阅图4，车体总成3包含车体上盖31、车体底盘32、中盖板33和样品采集机构34；

所述车体上盖结构组件31为侧边带倾角，内部掏空及底部抽壳的结构件，底部边缘处有安装螺纹孔，通过其实现与车体底盘结构组件32之间的连接；

所述车体底盘结构组件32为框架式结构，通过螺钉实现与车体上盖31、中盖板33和主动悬挂驱动动力单元11固连，通过轴承和悬挂驱动齿轮12连接；

所述中盖板结构组件33为板式结构，通过螺钉固定在车体底盘32上，通过螺钉与采集动力单元341连接，通过轴承与采集机构锥齿轮343连接；

所述样品采集机构34为一个新型的单输入三输出的结构，通过一个动力单元的作用，可以实现抓盘的开合、抓盘的上下的运动和底盘仓门的开合三个动作。

参阅图5，样品采样机构34其结构包括采样动力单元3401、丝杆3402、锥齿轮3403、盖板3404、上连接盘3405、连杆3406、下连接盘3407、抓盘3408、仓门连杆3409、仓门3410、轴承滚轮3411、定位磁铁3412及其他卡簧、插销、轴承等连接件；

所述样品采集机构34结构，其中采样动力单元3401通过螺钉与中盖板33固接，锥齿轮3403通过交叉滚子轴承与中盖板连接，结构为圆盘形，外侧为锥齿轮结构，并与动力单元3401输出齿轮配合，中间通孔为滚珠结构，与丝杆3402配合实现动力传输；丝杆3402底部通过螺钉与下连接盘3407固接，与盖板3404之间有深沟球轴承；盖板3404和上连接盘3405固接，与4个仓门连杆3409之间通过插销和卡簧铰接；上连接盘3405、连杆3406、下连接盘3407和抓盘3408之间有插销和卡簧铰接，可以转动；仓门3410和仓门连杆3409之间由插销和卡簧铰接，可以转动，同时仓门3410和轴承滚轮3411之间为胶接，并安装在车体底盘32的滑槽上，可在滑槽上滑动；定位磁铁3412胶接在车体底盘32上，主要用于在初始位置时仓门3410的定位。

实施例1：

机器人正常行驶时，轮毂上的动力总成2驱动四个轮毂同速转动，车辆直线行驶。当机器人需要转弯时本实施例以左转为例，右转时亦然，右侧的轮毂动力总成2驱动右侧轮毂转速大于左侧的轮毂转速，因车辆4个轮毂的驱动单元完全独立，此时车体将向左侧转，转动角度和速度由车体控制系统控制。同时右侧主动悬挂总成1驱动右侧车体支撑角度下降，左侧主动悬挂总成1控制左侧支撑结构抬高，以应对转弯时车身侧倾，保证转弯时车身平稳。

实施例2：

机器人遇到障碍物时，本实施例以左侧遇到凸起障碍为例，当右侧遇到障碍物，或凹陷等其他地形时，以此实施例为参照。左侧前轮轮毂动力总成2驱动左前轮转速提高，同时左前轮主动悬挂总成1控制车身左前方支撑臂与车身角度变小，其余三轮转速和支撑角度不变，越过障碍物后，再恢复支撑装置状态和轮毂转速。

实施例3：

机器人需要采集样品时，首先行驶到样品上方，采样动力单元3401开启，带动锥齿轮3403转动，锥齿轮3403和丝杆3402之间为滚珠丝杆连接，将锥齿轮3403的转动转变为丝杆3402上下的直线运动。丝杆3402向下运动，推动下连接盘3407向下运动，带动连杆3406转动，使3个抓盘3408打开。此时，由于安装在底盘上的定位磁铁3412和仓门3410上的轴承滚轮3411之间的吸引力，仓门3410不会因为连杆推动打开。如图6所示。

丝杆3402继续向下运动，当丝杆3402的轴肩压在盖板3404上时，抓盘3408打开至最大，采样动力单元3401继续运动，丝杆3402轴肩压在盖板3404上，推动仓门连杆3409克服定位磁铁3412和轴承滚轮3411之间的吸引力，推动仓门3410打开，抓盘3408伸出车体外，进行抓取采样工作。如图7所示。

抓取样品后，采样动力单元3401反向动作，推动丝杆3402向上运动，抓盘3408闭合，当下连接盘3407和上连接盘3405接触时，抓盘完全闭合。如图8所示。丝杆3402继续向上，推动盖板3404向上运动，并由仓门连杆3409将仓门3410拉回，实现仓门3410的闭合。如图9所示。

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、等同替换或改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种带主动悬挂结构的轻质探测采样轮式机器人，其特征在于：包括主动悬挂总成（1）、轮毂动力总成（2）和车体总成（3），所述车体总成（3）包括车体上盖（31）、车体底盘（32）、中盖板（33）和样品采集机构（34），所述车体底盘（32）内设有中盖板（33）和样品采集机构（34），所述样品采集机构（34）包括采样动力单元（3401）、丝杆（3403）、锥齿轮（3402）、盖板（3404）、上连接盘（3405）、连杆、下连接盘（3407）、转盘、仓门（3410）连杆（3409）和仓门（3410），所述中盖板（33）的顶面固定设有采样动力单元（3401）和锥齿轮（3402），所述采样动力单元（3401）的输出端与锥齿轮（3402）之间齿轮配合，所述锥齿轮（3402）的中部设有丝杆（3403），所述丝杆（3403）与锥齿轮（3402）之间配合连接，所述丝杆（3403）的下部设有盖板（3404），所述盖板（3404）位于锥齿轮（3402）的下方，所述盖板（3404）的中部底面上设有上连接盘（3405），所述丝杆（3403）的下端设有下连接盘（3407），所述上连接盘（3405）与下连接盘（3407）之间通过若干个连杆活动连接，所述盖板（3404）的两侧底面上设有若干个仓门（3410）连杆（3409），所述仓门（3410）连杆（3409）的另一端与仓门（3410）活动连接，所述下连接盘（3407）的底部设有若干个抓盘（3408），所述抓盘（3408）位于仓门（3410）的正上方，所述车体底盘（32）上设有采样口，所述仓门（3410）位于所述采样口的正上方，所述车体底盘（32）的上方设有车体上盖（31），所述车体底盘（32）的侧面设有若干个主动悬挂总成（1），所述主动悬挂总成（1）的另一端设有轮毂动力总成（2）。

2.如权利要求1所述的一种带主动悬挂结构的轻质探测采样轮式机器人，其特征在于：所述车体上盖（31）为侧边带倾角，内部掏空及底部抽壳的结构件，所述车体底盘（32）为框架式结构，所述车体上盖（31）与车体底盘（32）之间通过螺钉连接，所述中盖板（33）为板式结构，所述中盖板（33）与车体底盘（32）之间通过螺钉连接，所述中盖板（33）的顶面与采样动力单元（3401）之间通过螺钉连接，所述中盖板（33）的顶面与锥齿轮（3402）之间通过轴承连接。

3.如权利要求1所述的一种带主动悬挂结构的轻质探测采样轮式机器人，其特征在于：所述仓门（3410）的侧面设有轴承滚轮（3411），所述采样口的两侧设有与轴承滚轮（3411）相配合的滑槽，所述轴承滚轮（3411）安装于所述滑槽上，所述采样口的内侧上设有定位磁铁（3412）。

4.如权利要求1所述的一种带主动悬挂结构的轻质探测采样轮式机器人，其特征在于：所述主动悬挂总成（1）包括主动悬挂驱动动力单元（11）、悬挂驱动齿轮（12）、交叉滚子轴承（13）、底盘侧悬挂臂（14）和轮毂侧悬挂臂（15），所述主动悬挂驱动动力单元（11）与车体底盘（32）之间固定连接，所述悬挂驱动齿轮（12）通过两个交叉滚子轴承（13）安装在车体底盘（32），所述悬挂驱动齿轮（12）的一端与主动悬挂驱动动力单元（11）之间通过齿轮配合连接，所述悬挂驱动齿轮（12）的另一端通过螺钉与底盘侧悬挂臂（14）连接，所述轮毂侧悬挂臂（15）的一端通过螺钉与底盘侧悬挂臂（14）连接，所述轮毂侧悬挂臂（15）的另一端与轮毂动力总成（2）相连接，所述底盘侧悬挂臂（14）和轮毂侧悬挂臂（15）的内部为中空结构，用于控制和动力的传递走线。

5.如权利要求1所述的一种带主动悬挂结构的轻质探测采样轮式机器人，其特征在于：所述轮毂动力总成（2）包括驱动轮（21）、轮毂轴承（22）和轮毂动力单元（23），所述驱动轮（21）为外轮缘带齿，轮缘和轮毂通过板状轮辐相连接的结构，所述驱动轮（21）的轮毂端面设置有安装孔，所述轮毂轴承（22）为同心圆环结构，所述轮毂轴承（22）的外径与驱动轮（21）的轮毂内孔相契合，内径与轮毂动力单元（23）的外壳相契合，所述轮毂动力单元（23）的输出轴与安装孔相连接。

Images