CN114537068A

CN114537068A - 一种全向移动机器人的舵轮悬挂结构

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Publication number: CN114537068A
Application number: CN202210341620.6A
Authority: CN
Inventors: 陈娟; 隗靖昆; 付永领
Original assignee: Beihang University
Current assignee: Beihang University
Priority date: 2022-03-29
Filing date: 2022-03-29
Publication date: 2022-05-27
Anticipated expiration: 2042-03-29
Also published as: US20230311602A1; CN114537068B

Abstract

一种全向移动机器人的舵轮悬挂结构，包括舵轮连接环、多个板簧连接梁和底盘安装部组成，为一体化板状结构，舵轮连接环与舵轮相连接，底盘安装部与机器人底盘相连接，板簧连接梁连接舵轮连接环和底盘安装部，并作为悬挂产生形变的主要部件。该悬挂结构简单、方便安装，质量轻、占用空间少，与舵轮装配的一体化程度高；该悬挂在受力产生变形时，弱化径向受力，仅有竖直方向上的位移和受力，进而保证底盘的操纵性能。

Description

一种全向移动机器人的舵轮悬挂结构

技术领域

本发明属于移动机械人底盘悬挂领域，具体涉及一种舵轮的悬挂结构。

背景技术

在全向移动机器人底盘中，舵轮可以在满足机器人底盘全向移动的同时还拥有很高的速度和加速度，在机器人比赛中表现卓越。

无论是机器人比赛场地，还是日常的路面，看似平整的地面实际坑洼不平，或多或少地存在凹坑或突起。因此车轮在通过非平整的位置时会导致振动的产生。尤其是对于四轮以上的机器人底盘，在通过这些凹坑或突起时有可能会导致1～2轮离地，丢失摩擦力抓地力度不够，进而导致底盘晃动、带载能量变小、操控性能下降，从而机器人失去控制。

在已有的机器人设计方案中，普遍采用底盘柔性设计实现车轮悬挂功能，通过挠性底盘的扭转变形，保证运动时四轮的抓地性，但问题也是显而易见的，集成度不高，刚度变差；另外采用弹簧结构设-计的柔性舵轮悬挂，导致装配过程复杂，还极大占用机器人的设计负载和布置空间。

发明内容

本发明提供了一种全向移动机器人的舵轮悬挂结构，为舵轮模块提供结构简单的独立悬挂方案，以解决舵轮底盘在非平整路面运行时轮子抓地能力不足和震动干扰的问题。

一种全向移动机器人的舵轮悬挂结构，包括舵轮连接环、多个板簧连接梁和底盘安装部组成，为一体化板状结构。所述舵轮连接环形状与舵轮匹配，通过可拆卸的固定方式与舵轮连接。可拆卸的固定方式使该悬挂结构与舵轮紧密贴合，呈现一体化布局，并且拆装快速方便。

所述的多个板簧连接梁为长条形板状，从悬挂结构的中心向外延伸，受力时产生挠性变形为舵轮提供竖直方向上的位移；多个板簧连接梁对称均布于舵轮安装环上，对舵轮产生对称约束、平衡径向受力，分散舵轮悬挂所产生的集中应力形变，使得在标准负载下满足垂直运动的限定的悬挂行程指标。舵轮运行过程中，在悬挂限定的范围上下移动时始终保持与地面垂直的状态，消除斜向和水平径向的偏移，从而保证机器人底盘的操纵可靠性。

所述底盘安装部通过可拆卸的固定方式将悬挂结构固定在底盘上；底盘安装部位于在板簧连接梁向外的末端，其数量与板簧连接梁对应。

舵轮板簧悬挂结构力学设计：

根据底盘形状，确定舵轮的安装位置，设相邻舵轮之间的中心距离为S，根据地面的平整度确定设计标准负载下的悬挂行程，设平面每米的起伏为k，设底盘悬挂行程为l，则悬挂最大行程I_max≥ks；

机器人质量为M，重力为Mg，舵轮数量为N，考虑适当安全余量，分配到每个舵轮上所受的负载力为F＝1.25Mg/N；设单个舵轮悬挂的板簧连接板的数量为n，每个板簧梁连接板的载荷P＝F/n＝1.25Mg/(Nn)

设截面为方形的板簧连接梁有m层，长度为L，宽度为b，厚度为h，则单层梁的截面惯性矩I＝b(h/m)^3/12，单层梁的受力为p＝P/m；板簧梁为悬臂梁，板簧材料的弹性模量为E，则板簧整体的挠度Y＝pL^3/(3EI)＝4P(m^2)(L^3)/(Ebh^3)，使Y＝l_max＝kS。通过有限元分析软件进行仿真验证。

另外，该全向移动机器人的舵轮悬挂结构的还可以采用分体结构，所述板簧连接梁与舵轮连接环分离，通过螺栓或粘接的方式连接。

另外，该全向移动机器人的舵轮悬挂结构的的材质，还可以采用碳纤维、铝合金、钢、钛合金等。

另外，该全向移动机器人的舵轮悬挂结构的形状，还可以采用圆形、方形、三角形、五边形、六边形等，依据舵轮的形状加以确定。

另外，该全向移动机器人的舵轮悬挂结构，板簧连接梁的形状，还可以采用长条状等腰梯形、沙漏形、纺锤形、Y形等。

另外，该全向移动机器人的舵轮悬挂结构，所述板簧连接梁的层数可以为单层或多层。

另外，该全向移动机器人的舵轮悬挂结构，板簧连接梁的数量不小于3。少于3条板簧连接梁稳定性不足，会产生晃动，倾覆的现象。各板簧连接梁在舵轮连接环上对称布置，对称的约束使载荷和受力均匀。

本发明的技术方案包括：所述底盘安装部的安装孔数量和位置不限，可以在板簧连接梁的末端布置1个或多个安装孔，但孔位需要沿板簧连接梁的中心线轴对称，并且每个底盘安装部需完全相同。

相比于现有技术，本发明的优点为：1.采用一体化的独立悬挂技术，结构简单、方便安装，质量轻、占用空间少，与舵轮装配的一体化程度高；2.在悬挂受力产生变形时，弱化径向受力，维持舵轮的垂直方向受力，仅有竖直方向上的位移和受力，进而保证底盘的操纵性能。3.通过悬挂刚度、悬挂形变来约束并计算优化板簧连接梁的材料、形状、长度、厚度和层数等参数，并通过有限元分析软件进行校核验证。采用多层的板簧叠放可以在相同受力、相同板簧总厚度的情况下产生更大的形变。4.该舵轮悬挂结构具有较强的个性化设计特征，可以依据机器人底盘结构、舵轮结构、负载和悬挂的要求进行针对性设计。

附图说明

图1为全向移动机器人的舵轮悬挂结构的整体图；

图2为全向移动机器人的舵轮悬挂结构与舵轮、底盘的连接示意图；

图3为全向移动机器人的舵轮悬挂结构的有限元分析应力图；

图4为全向移动机器人的舵轮悬挂结构的有限元分析位移图；

图中：1为全向移动机器人的舵轮悬挂结构，1-1为底盘安装部，1-2为板簧连接梁，1-3 为舵轮连接环，1-3-1为舵轮连接螺钉孔，1-3-2为舵轮销钉定位孔；2为底盘铝管，2-1为底盘连接螺栓；3为舵轮。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进一步详细的描述：

本发明一种舵轮的悬挂结构，由舵轮连接环1-3、多个板簧连接梁1-2和底盘安装部1-2 组成，为一体化板状结构，采用碳纤维板材进行整体切割。所述舵轮连接环1-3形状与舵轮3 匹配，形状与舵轮3的投影形状相同，为圆环形，中空部分为舵轮3的穿过提供空间；舵轮连接环1-3通过可拆卸的固定方式与舵轮3连接，舵轮连接环1-3的外圆形用于辅助定位，两个销钉穿过舵轮销钉定位孔1-3-2进行主要定位；通过六个均布在舵轮连接环1-3上的舵轮连接螺钉孔1-3-1与舵轮3固定连接；可拆卸的固定方式使该悬挂结构与舵轮紧密贴合，呈现一体化布局，并且拆装快速方便，如图1和图2所示。

所述的多个板簧连接梁1-2为长条形板状，从悬挂结构的中心向外延伸，受力时产生挠性变形为舵轮3提供竖直方向上的位移；多个板簧连接梁1-2对称均布于舵轮安装环1-3上，从四角伸出，对舵轮3产生对称约束、平衡径向受力，分散舵轮悬挂所产生的集中应力形变，使得在标准负载下满足垂直运动的限定的悬挂行程指标；舵轮3运行过程中，在悬挂限定的范围上下移动时始终保持与地面垂直的状态，消除斜向和水平径向的偏移，从而保证机器人底盘的操纵可靠性，如图1和图2所示。

所述底盘安装部1-1通过可拆卸的固定方式将悬挂结构固定在底盘上；底盘安装部1-1 位于在板簧连接梁1-2向外的末端，其数量与板簧连接梁对应，本方案中为四个；底盘安装部1-1通过底盘连接螺栓2-1与底盘铝管2相连接，如图1和图2所示。。

在本实施例中，底盘为四舵轮的方形底盘结构，相邻舵轮3之间的中心距离为S＝750mm，该底盘的设计工况为平面木地板，地面的起伏很小，平面每米的起伏为k＝0.002，则底盘悬挂的最大行程kS＝0.002*750＝1.5mm，悬挂最大行程I_max≥1.5mm

机器人质量为M＝50kg，重力加速度g取9.81，舵轮数量为N＝4；本实施例中，单个舵轮悬挂1的板簧连接梁1-2数量n＝4，则每个板簧连接梁1-2上的载荷 P＝1.25*50*9.81/(4*4)＝38.32N。

为本实施例设计两种板簧：

合金钢板簧35mm长，6mm宽，1.5mm厚，单层，弹性模量E＝210GPa；截面惯性矩 I＝6*1.5^3/12＝1.6875mm^4，挠度Y＝38.3*35^3/(3*210000*1.6875)＝1.54mm，Y≈l_max；

碳纤维/环氧树脂复合材料板簧35mm长，9mm宽，2mm厚，单层，拉伸模量为60GPa，压缩模量为57.5GPa，为了方便设计计算，取弹性模量E＝60GPa；截面惯性矩 I＝9*2^3/12＝6mm^4，挠度Y＝38.3*35^3/(3*60000*6)＝1.52mm，Y≈l_max。

通过有限元分析软件进行校核验证，最大应力约为屈服应力的一半，悬挂形成为1.6mm，满足设计指标，如图3和图4所示

上面结合附图对本发明的实施例做了详细说明，但本发明不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。

Claims

1.一种全向移动机器人的舵轮悬挂结构，其特征在于，包括：

舵轮连接环，与舵轮相连接；

底盘安装部，与机器人底盘相连接；

板簧连接梁，连接舵轮连接环和底盘安装部，作为悬挂产生纵向行程的主要部件。

2.根据权利要求1所述的舵轮悬挂结构，舵轮连接环和舵轮的形状相匹配，一般为圆环形，通过螺钉与舵轮紧密相连。

3.根据权利要求1所述的舵轮悬挂结构，底盘安装部通过可拆卸的固定方式将悬挂结构固定在底盘上；底盘安装部位于在板簧连接梁向外的末端，其数量与板簧连接梁对应。

4.根据权利要求1所述的舵轮悬挂结构，板簧连接梁的形状为长条形板状，从悬挂结构的中心向外径向延伸，受力时产生挠性变形为舵轮提供竖直方向上的位移。

5.根据权利要求4所述的舵轮悬挂结构，板簧连接梁，其数量不少于3个，以保证悬挂系统的稳定性；多个板簧连接梁对称均布于舵轮安装环上，对舵轮产生对称约束、平衡径向受力，分散舵轮悬挂所产生的集中应力形变。

6.根据权利要求5所述的舵轮悬挂结构，板簧悬挂结构，其力学设计为：

机器人质量为M，重力为Mg，舵轮数量为N，考虑适当安全余量，分配到每个舵轮上所受的负载力为F＝1.25Mg/N；设单个舵轮悬挂的板簧连接板的数量为n，每个板簧梁连接板的载荷P＝F/n＝1.25Mg/(Nn)；

设截面为方形的板簧连接梁有m层，长度为L，宽度为b，厚度为h，则单层梁的截面惯性矩I＝b(h/m)^3/12，单层梁的受力为p＝P/m；板簧梁为悬臂梁，板簧材料的弹性模量为E，则板簧整体的挠度Y＝pL^3/(3EI)＝4P(m^2)(L^3)/(Ebh^3)，使Y＝l_max＝kS，通过有限元分析软件进行仿真验证。

7.根据权利要求1所述的舵轮悬挂结构，可以是一体化结构，也可以采用分体结构，通过螺栓或粘接的方式连接。

8.根据权利要求1所述的舵轮悬挂结构，其材质可以采用碳纤维、铝合金、钢、钛合金等。

9.根据权利要求1所述的舵轮悬挂结构，形状还可以采用圆形、方形、三角形、五边形、六边形等，依据舵轮的形状加以确定。

10.根据权利要求4所述的舵轮悬挂结构，簧连接梁的形状，还可以采用长条状等腰梯形、沙漏形、纺锤形、Y形等。

11.根据权利要求4所述的舵轮悬挂结构，簧连接梁其层数可以为单层或多层。

12.根据权利要求4所述的舵轮悬挂结构，底盘安装部与底盘连接的孔位数量可以是1个或多个；孔位需要沿板簧连接梁的中心线轴对称，并且每个底盘安装部的孔位要完全相同。