CN114872788B - 一种移动底盘及其控制方法和移动机器人 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种移动底盘及其控制方法和移动机器人，移动底盘，包括底板、曲柄摇杆机构、回转机构和驱动轮组；曲柄摇杆机构能够使驱动轮组在0～90度转动，回转机构可以承载驱动轮组施加的轴向与径向的力，且保证驱动轮组可以转动。移动底盘平移动作的过程中，曲柄摇杆机构位于死点位置，驱动轮组摆动时所施加在连杆上的力通过舵机轴中心，扭矩接近为零，可有效抵抗驱动轮组在行驶中的摆动，提高行驶稳定性。移动底盘旋转的过程中，在曲柄摇杆机构的作用下，使得驱动轮组转动45度，各驱动轮组的电机驱动各车轮转动，实现底盘原地无滑移旋转。本发明移动底盘可左右前后平移、原地旋转、移动灵活，结构简单，制造成本低，维护方便。

Description

一种移动底盘及其控制方法和移动机器人

技术领域

本发明属于移动底盘技术领域，尤其涉及一种移动底盘及其控制方法和移动机器人。

背景技术

移动底盘有固定驱动轮和可转动驱动轮两种，固定式驱动轮全向移动底盘以麦克纳姆轮底盘较为典型，通过力的合成实现全向移动，但麦克纳姆轮结构复杂，加工困难，价格较贵，且对行走地面整洁度平整度有较高要求，行走时震动较大，易磨损，寿命较短；可转动驱动轮全向移动底盘使用舵轮作为全向移动方式，舵轮是由驱动电机与转向电机组合成的模块，但使用双电机传动结构相对复杂，体积较大，且价格也较贵。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决上述技术问题之一，提供一种移动底盘及其控制方法和移动机器人，所述移动底盘，包括底板、曲柄摇杆机构、回转机构和驱动轮组；所述曲柄摇杆机构安装在底板上面，所述回转机构安装在底板下面，回转机构的上端与曲柄摇杆机构连接；回转机构的下端与驱动轮组连接。所述曲柄摇杆机构能够使驱动轮组在0～90度转动，所述回转机构可以承载驱动轮组施加的轴向与径向的力，且保证驱动轮组可以转动。所述移动底盘平移动作的过程中，曲柄摇杆机构位于死点位置，即连杆的轴线与舵机的输出轴中心相交，驱动轮组摆动时所施加在连杆上的力通过舵机轴中心，扭矩接近为零，即舵盘不会转动，进而圆盘和驱动轮组也不会转动，可有效抵抗驱动轮组在行驶中的摆动，提高行驶稳定性。所述移动底盘可左右前后平移、原地旋转、移动灵活，结构简单，制造成本低，维护方便。

本发明的技术方案是：一种移动底盘，包括底板、曲柄摇杆机构、回转机构和驱动轮组；

所述曲柄摇杆机构安装在底板上面，所述回转机构安装在底板下面，回转机构的上端与曲柄摇杆机构连接；回转机构的下端与驱动轮组连接。

上述方案中，所述曲柄摇杆机构包括连杆、圆盘和舵盘；所述舵盘与舵机的输出轴连接，所述舵机安装于底板上；舵盘的两侧分别设有圆盘，所述圆盘与连杆的一端铰接，所述连杆的另一端与舵盘铰接，所述回转机构的上端与圆盘连接；舵盘一侧的连杆高度比另一侧高。

进一步的，所述曲柄摇杆机构在驱动轮组前后左右平移时位于死点位置，所述死点即连杆的轴线与舵机输出轴中心相交；所述曲柄摇杆机构能够使驱动轮组在0～90度转动。

上述方案中，所述舵盘的圆心到圆盘圆心的距离、舵盘和连杆的铰接处到舵盘圆心的距离、连杆的长度、圆盘和连杆的铰接处到圆盘圆心的距离比例为101.3：14：107.27：22。

进一步的，所述圆盘和连杆的铰接处到圆盘圆心的连线与舵盘的圆心到圆盘圆心的连线有偏角，所述偏角为27.3度。

上述方案中，所述回转机构包括法兰轴承和法兰盘；

所述法兰轴承外环与底板连接，所述法兰轴承内环与法兰盘连接，所述法兰盘下端与驱动轮组连接，所述法兰盘上端与圆盘连接。

进一步的，所述法兰轴承内环通过紧定螺钉与法兰盘连接。

上述方案中，所述驱动轮组包括电机和车轮，所述车轮与电机连接，所述电机安装在电机支架上，电机支架与回转机构连接。

上述方案中，还包括控制单元；所述控制单元分别与曲柄摇杆机构和驱动轮组连接；所述控制单元包括平移控制模块和旋转控制模块；所述平移控制模块用于控制曲柄摇杆机构和驱动轮组，使驱动轮组转动90度，使底盘做直角平移运动；所述旋转控制模块用于控制曲柄摇杆机构和驱动轮组，使驱动轮组转动45度，使底盘原地旋转。

一种根据所述移动底盘的控制方法，包括以下步骤：

平移：所述控制单元的平移控制模块控制曲柄摇杆机构的舵盘转动180度，在曲柄摇杆机构的作用下，使得与回转机构连接的驱动轮组转动90度，各车轮的轴线相互平行，各驱动轮组的电机带动各车轮转动使底盘做直角平移运动，此时曲柄摇杆机构位于死点位置，即连杆的轴线与舵机的输出轴中心相交，驱动轮组摆动时所施加在连杆上的力通过舵机轴中心，扭矩接近为零；

旋转：所述控制单元的旋转控制模块控制曲柄摇杆机构的舵盘转动90度，在曲柄摇杆机构的作用下，使得与回转机构连接的驱动轮组转动45度，每个车轮轴线相交于底板中心，各驱动轮组的电机驱动各车轮转动，使底盘原地旋转。

一种移动机器人，包括所述的移动底盘。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)所述移动底盘可左右前后平移、原地旋转、移动灵活，结构简单，制造成本低，维护方便。

(2)所述移动底盘平移动作的过程中，曲柄摇杆机构位于死点位置，即连杆的轴线与舵机的输出轴中心相交，驱动轮组摆动时所施加在连杆上的力通过舵机轴中心，扭矩接近为零，即舵盘不会转动，进而圆盘和驱动轮组也不会转动，可有效抵抗驱动轮组在行驶中的摆动，提高行驶稳定性。

(3)所述移动底盘旋转的过程中，在曲柄摇杆机构的作用下，使得与回转机构连接的驱动轮组转动45度，每个车轮轴线相交于底板中心，各驱动轮组的电机驱动各车轮转动，实现底盘原地无滑移旋转。

附图说明

图1是本发明一实施方式的移动底盘的去掉部分底板支架后的结构示意图；

图2是本发明一实施方式的移动底盘的回转机构的结构剖面示意图；

图3是本发明一实施方式的移动底盘的结构俯视示意图的及工作状态示意图，

其中，图3(a)为前后平移状态图，

图3(b)为原地旋转状态图，

图3(c)为左右平移状态图；

图4是本发明一实施方式的移动底盘的曲柄摇杆机构的连接示意简化图，

其中，图4(a)是初始死点位置，

图4(b)是终点死点位置。

图中：1、底板；2、舵盘；3、舵机；4、连杆；5、圆盘；6、法兰轴承；7、法兰盘；8、电机支架三；9、电机支架一；10、电机支架二；11、电机；12、车轮；13、第一底板支架；14、第二底板支架；15、第三底板支架；16、紧定螺钉；17、第二连杆；18、第一连杆；19、第三连杆；20、第四连杆。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例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例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”、“轴向”、“径向”、“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”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一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，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，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例1

图1所示为本发明所述移动底盘的一种较佳实施方式，所述移动底盘包括底板1、曲柄摇杆机构101、回转机构102和驱动轮组103。

所述曲柄摇杆机构101安装在底板1上面，所述回转机构102安装在底板1下面，回转机构102的上端与曲柄摇杆机构101连接；回转机构102的下端与驱动轮组103连接。所述曲柄摇杆机构101能够使驱动轮组103在0～90度转动，所述回转机构102可以承载驱动轮组103施加的轴向与径向的力，且保证驱动轮组103可以转动。

如图3所示，根据本实施例，优选的，所述曲柄摇杆机构101包括连杆4、圆盘5和舵盘2；

所述舵盘2与舵机3的输出轴连接，所述舵机3安装于底板1上；舵盘2的两侧分别设有圆盘5，所述圆盘5与连杆4的一端铰接，所述连杆4的另一端与舵盘2铰接，所述回转机构102的上端与圆盘5连接；舵盘2一侧的连杆4高度比另一侧高。

根据本实施例，优选的，所述曲柄摇杆机构101在驱动轮组103前后左右平移时位于死点位置，所述死点即连杆4的轴线与舵机3输出轴中心相交；所述曲柄摇杆机构101能够使驱动轮组103在0～90度转动。图3(a)所示为曲柄摇杆机构101在驱动轮组103前后平移时位于初始位置，图3(b)所示为曲柄摇杆机构101在驱动轮组103左右平移时的位置，图3(c)所示为曲柄摇杆机构101在驱动轮组103左右平移时位于终点位置。

结合图4，所述曲柄摇杆机构101可简化为首尾相连的四连杆机构，所述曲柄摇杆机构101以第一死点为初始位置，所述第一死点位置即连杆4的轴线与舵机3输出轴中心相交，且连杆4与舵盘2铰接点位于舵盘2圆心一侧，如图4(a)所示，对应图3(a)；以第二死点为终点位置，所述第二死点位置即连杆4的轴线与舵机3输出轴中心相交，且连杆4与舵盘2铰接点转到舵盘2圆心另一侧，如图4(b)所示，对应图3(c)；所述四连杆机构包括第一连杆18、第二连杆17、第三连杆19和第四连杆20，所述第一连杆18为固定杆，所述第一连杆18一端与第二连杆17铰接，所述第二连杆17与第三连杆19铰接，所述第三连杆19与第一连杆18另一端铰接；第一连杆18对应舵盘2的圆心到圆盘5圆心的距离，第二连杆17对应舵盘2和连杆4的铰接处到舵盘2圆心的距离，第三连杆19对应连杆4的长度，第四连杆20对应圆盘5和连杆4的铰接处到圆盘5圆心的距离；所述第一连杆18、第二连杆17、第三连杆19、第四连杆20尺寸比例为101.3：14：107.27：22，此比例可实现第二连杆(17)从第一死点位置旋转180度到第二死点位置时，第四连杆(20)联动旋转90度，其他特定尺寸比例也可实现此功能，但不同尺寸比例对应第四连杆(20)与第一连杆(18)不同的初始偏角，以消除第四连杆(20)转动时的方向不确定性。相应的，所述舵盘2的圆心到圆盘5圆心的距离、舵盘2和连杆4的铰接处到舵盘2圆心的距离、连杆4的长度、圆盘5和连杆4的铰接处到圆盘5圆心的距离比例为101.3：14：107.27：22。所述圆盘5和连杆4的铰接处到圆盘5圆心的连线与舵盘2的圆心到圆盘5圆心的连线有偏角β，所述偏角β为27.3度。

如图2所示，根据本实施例，优选的，所述回转机构102包括法兰轴承6和法兰盘7；优选的，所述底板1四角附近安装有四个法兰轴承6；所述法兰轴承6外环与底板1连接，所述法兰轴承6内环与法兰盘7连接，所述法兰盘7下端与驱动轮组103连接，所述法兰盘7上端与圆盘5连接。将驱动轮组103通过回转机构102，安装在底板1上，所述回转机构102可以承载驱动轮组103施加的轴向与径向的力，且保证驱动轮组103可以转动。

根据本实施例，优选的，所述法兰轴承6内环通过紧定螺钉16与法兰盘7连接。

根据本实施例，优选的，所述驱动轮组103包括电机11和车轮12，所述车轮12与电机11连接，所述电机11安装在电机支架上，电机支架与回转机构102连接。优选的，所述电机11为蜗轮蜗杆电机。

根据本实施例，优选的，所述电机支架包括电机支架一9、电机支架二10和电机支架三8，电机11的两边分别与电机支架一9和电机支架二10连接；所述电机支架一9和电机支架二10均与电机支架三8连接，电机支架三8与回转机构102连接。

根据本实施例，优选的，还包括控制单元；所述控制单元分别与曲柄摇杆机构101和驱动轮组103连接；所述控制单元包括平移控制模块和旋转控制模块；所述平移控制模块用于控制曲柄摇杆机构101和驱动轮组103，使驱动轮组103转动90度，实现底盘空间直角平移运动；所述旋转控制模块用于控制曲柄摇杆机构101和驱动轮组103，使驱动轮组103转动45度，实现底盘原地无滑移旋转。优选的，所述控制单元为stm32。

所述移动底盘平移动作的过程：如图3(a)和图3(b)所示，所述舵盘2转动180度，在曲柄摇杆机构101的作用下，使得与回转机构102连接的驱动轮组103转动90度，各车轮12的轴线相互平行，各驱动轮组103的电机11带动各车轮12转动实现底盘空间直角平移运动，此时曲柄摇杆机构101接近位于死点位置，即连杆4的轴线与舵机3的输出轴中心相交，驱动轮组103摆动时所施加在连杆4上的力通过舵机3轴中心，扭矩接近为零，即舵盘2不会转动，进而圆盘5和驱动轮组103也不会转动，可有效抵抗驱动轮组103在行驶中的摆动，提高行驶稳定性；

所述移动底盘旋转的过程：如图3(c)所示，所述舵盘2转动90度，在曲柄摇杆机构101的作用下，使得与回转机构102连接的驱动轮组103转动45度，每个车轮12轴线相交于底板1中心，各驱动轮组103的电机11驱动各车轮12转动，实现底盘原地无滑移旋转。

所述移动底盘可左右前后平移、原地旋转、移动灵活，结构简单，可在一般平整度的地面上使用，制造成本低，维护方便。

实施例2

一种根据实施例1所述移动底盘的控制方法，包括以下步骤：

平移：如图3(a)和图3(b)所示，所述控制单元的平移控制模块控制曲柄摇杆机构101的舵盘2转动180度，在曲柄摇杆机构101的作用下，使得与回转机构102连接的驱动轮组103转动90度，各车轮12的轴线相互平行，各驱动轮组103的电机11带动各车轮12转动实现底盘空间直角平移运动，此时曲柄摇杆机构101接近位于死点位置，即连杆4的轴线与舵机3的输出轴中心相交，驱动轮组103摆动时所施加在连杆4上的力通过舵机3轴中心，扭矩接近为零，即舵盘2不会转动，进而圆盘5和驱动轮组103也不会转动，可有效抵抗驱动轮组103在行驶中的摆动，提高行驶稳定性；

旋转：如图3(c)所示，所述控制单元的旋转控制模块控制曲柄摇杆机构101的舵盘2转动90度，在曲柄摇杆机构101的作用下，使得与回转机构102连接的驱动轮组103转动45度，每个车轮12轴线相交于底板1中心，各驱动轮组103的电机11驱动各车轮12转动，实现底盘原地无滑移旋转。

本方法可实现所述移动底盘的左右前后平移、原地旋转，移动灵活，结构简单，可在一般平整度的地面上使用，制造成本低，维护方便。

实施例3

一种移动机器人，包括实施例1所述的移动底盘，所述移动底盘通过实施例2的控制方法进行控制，因此具有实施例1和2的有益效果，此处不再赘述。

所述移动底盘还包括第一底板支架13、第二底板支架14和第三底板支架15；第二底板支架14的上部与第一底板支架13连接，第二底板支架14的下部与第三底板支架15连接，第一底板支架13、第二底板支架14和第三底板支架15形成安装空间，所述底板1安装在此空间内，优选的，所述控制单元、电池、电机驱动器等安装在此空间内。

应当理解，虽然本说明书是按照各个实施例描述的，但并非每个实施例仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施例的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施例或变更均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种移动底盘，其特征在于，包括底板（1）、曲柄摇杆机构（101）、回转机构（102）和驱动轮组（103）；

所述曲柄摇杆机构（101）安装在底板（1）上面，所述回转机构（102）安装在底板（1）下面，回转机构（102）的上端与曲柄摇杆机构（101）连接；回转机构（102）的下端与驱动轮组（103）连接；

所述曲柄摇杆机构（101）包括连杆（4）、圆盘（5）和舵盘（2）；

所述舵盘（2）与舵机（3）的输出轴连接，所述舵机（3）安装于底板（1）上；舵盘（2）的两侧分别设有圆盘（5），所述圆盘（5）与连杆（4）的一端铰接，所述连杆（4）的另一端与舵盘（2）铰接，所述回转机构（102）的上端与圆盘（5）连接；舵盘（2）一侧的连杆（4）高度比另一侧高；所述曲柄摇杆机构（101）在驱动轮组（103）前后左右平移时位于死点位置，所述死点即连杆（4）的轴线与舵机（3）输出轴中心相交；所述曲柄摇杆机构（101）能够使驱动轮组（103）在0~90度转动；

所述驱动轮组（103）包括电机（11）和车轮（12），所述车轮（12）与电机（11）连接，所述电机（11）安装在电机支架上，电机支架与回转机构（102）连接。

2.根据权利要求1所述的移动底盘，其特征在于，所述舵盘（2）的圆心到圆盘（5）圆心的距离、舵盘（2）和连杆（4）的铰接处到舵盘（2）圆心的距离、连杆（4）的长度、圆盘（5）和连杆（4）的铰接处到圆盘（5）圆心的距离比例为101.3：14：107.27：22。

3.根据权利要求2所述的移动底盘，其特征在于，所述圆盘（5）和连杆（4）的铰接处到圆盘（5）圆心的连线与舵盘（2）的圆心到圆盘（5）圆心的连线有偏角，所述偏角为27.3度。

4.根据权利要求1所述的移动底盘，其特征在于，所述回转机构（102）包括法兰轴承（6）和法兰盘（7）；

所述法兰轴承（6）外环与底板（1）连接，所述法兰轴承（6）内环与法兰盘（7）连接，所述法兰盘（7）下端与驱动轮组（103）连接，所述法兰盘（7）上端与圆盘（5）连接。

5.根据权利要求4所述的移动底盘，其特征在于，所述法兰轴承（6）内环通过紧定螺钉（16）与法兰盘（7）连接。

6.根据权利要求1所述的移动底盘，其特征在于，还包括控制单元；所述控制单元分别与曲柄摇杆机构（101）和驱动轮组（103）连接；所述控制单元包括平移控制模块和旋转控制模块；所述平移控制模块用于控制曲柄摇杆机构（101）和驱动轮组（103），使驱动轮组（103）转动90度，使底盘做直角平移运动；所述旋转控制模块用于控制曲柄摇杆机构（101）和驱动轮组（103），使驱动轮组（103）转动45度，使底盘原地旋转。

7.一种根据权利要求1-6任意一项所述移动底盘的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

平移：控制单元的平移控制模块控制曲柄摇杆机构（101）的舵盘（2）转动180度，在曲柄摇杆机构（101）的作用下，使得与回转机构（102）连接的驱动轮组（103）转动90度，各车轮（12）的轴线相互平行，各驱动轮组（103）的电机（11）带动各车轮（12）转动使底盘做直角平移运动，此时曲柄摇杆机构（101）位于死点位置，即连杆（4）的轴线与舵机（3）的输出轴中心相交，驱动轮组（103）摆动时所施加在连杆（4）上的力通过舵机（3）轴中心，扭矩接近为零；

旋转：所述控制单元的旋转控制模块控制曲柄摇杆机构（101）的舵盘（2）转动90度，在曲柄摇杆机构（101）的作用下，使得与回转机构（102）连接的驱动轮组（103）转动45度，每个车轮（12）轴线相交于底板（1）中心，各驱动轮组（103）的电机（11）驱动各车轮（12）转动，使底盘原地旋转。

8.一种移动机器人，其特征在于，包括权利要求1-6任意一项所述的移动底盘。