CN114932954A - 机器人及其移动底盘和选型方法 - Google Patents

机器人及其移动底盘和选型方法 Download PDF

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CN114932954A CN202210446215.0A CN202210446215A CN114932954A CN 114932954 A CN114932954 A CN 114932954A CN 202210446215 A CN202210446215 A CN 202210446215A CN 114932954 A CN114932954 A CN 114932954A
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tension spring
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cantilever
center
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王珏
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Shanghai Yunshen Intelligent Technology Co ltd
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Abstract

本发明公开了一种机器人及其移动底盘和选型方法，移动底盘包括底盘本体、驱动轮及悬挂系统，其中，悬挂系统包括拉簧、固定于底盘本体的安装座和轴承座，及与轴承座和驱动轮相铰接的悬臂。拉簧一端铰接于安装座，另一端铰接于悬臂。当驱动轮为贴合地面上下移动时，悬臂相对轴承座旋转，从而带动拉簧伸缩。本发明通过设置拉簧及能相对轴承座旋转的悬臂，使得移动底盘在移动过程中，驱动轮能根据地势上下移动，从而更好地贴合地面，适用性更广。同时，拉簧的弹性作用使得驱动轮在为贴合地面上下移动时，能更为平稳，一定程度上减少了机器人所受到的冲击。

Description

机器人及其移动底盘和选型方法
技术领域
本发明涉及机器人技术领域，尤指一种机器人及其移动底盘和选型方法。
背景技术
机器人是一种能够半自主或全自主工作的智能机器，可以辅助甚至替代人类完成危险、繁重、复杂的工作，提高工作效率与质量，在工业、医学、农业、服务业、建筑业甚至军事等领域中均有重要用途。
随着机器人的不断发展，人们发现固定于某一位置操作的机器人并不能完全满足各方面的需要。因此，20世纪80年代后期，许多国家有计划地开展了移动机器人技术的研究。移动机器人比一般机器人有更大的机动性、灵活性，能更好地服务人类生活。
移动机器人在工作中常会遇到不同的工况，如正常平整路面、低洼处、高起处等，此时，现有的驱动轮常不能很好地适应各种工况，尤其是在遇到低洼处时，驱动轮不能时时贴合地面，在落地时会受到较大的冲击力，影响移动机器人在移动过程中的平稳性及其使用寿命。同时，在一定程度上还会使得驱动轮获得的驱动力不稳定，从而导致机器人对地面适应能力低下。
因此，如何对现有技术中存在的技术缺陷进行改进，一直是本领域普通技术人员亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种机器人及其移动底盘和选型方法，使驱动轮能适应不同工况下的地面，保证其移动的稳定性。
本发明提供的技术方案如下：
一种移动底盘，包括：
底盘本体、驱动轮及悬挂系统；
所述悬挂系统包括拉簧、固定于所述底盘本体的安装座和轴承座、及与所述轴承座和所述驱动轮相铰接的悬臂；
所述拉簧一端铰接于所述安装座，另一端铰接于所述悬臂，当所述驱动轮为贴合地面上下移动时，所述悬臂相对所述轴承座旋转，从而带动所述拉簧伸缩。
在一些实施方式中，所述悬臂包括第一对接部及第二对接部，所述第一对接部与所述驱动轮相铰接，所述第二对接部与所述拉簧相铰接；
所述第一对接部与所述第二对接部呈夹角设置，且所述第一对接部与所述第二对接部相连接的部位与所述轴承座相铰接。
在一些实施方式中，所述移动底盘还包括：
所述罩壳对应所述悬臂区域开设有一避让孔，以在所述悬臂相对所述轴承座旋转时提供避让空间。
在一些实施方式中，所述移动底盘还包括：
至少两从动轮，且至少所述底盘本体靠近两侧的区域均设有一所述从动轮，以起到辅助支撑的作用，提高整体结构的稳定性。
本发明还提供一种移动底盘的选型方法，用于上述任一项所提供的移动底盘，包括：
确定自然状态下α的角度、所述悬臂转动过程中α的最大值和最小值；
确定a的取值范围；
基于
Figure BDA0003616975140000021
生成Fn关于α，a的曲面；
选取a为不同的值，确定的Fn的差值，选取Fn的差值最小时对应的a的值；
基于上述公式确定Fn大于预设值时K的取值；
式中Fn代表驱动轮受到的地面反作用力，在移动过程中基本保持不变；
a代表轴承座中心与悬臂铰接于拉簧处之间的距离；
b代表轴承座中心与安装座之间的距离；
K代表拉簧的刚度系数；
α代表轴承座中心与悬臂铰接于拉簧处的连线和轴承座中心与安装座的连线之间所呈的夹角；
L0代表拉簧自然长度；
ω代表轴承座中心与驱动轮中心之间的距离；
G代表驱动轮重力。
在一些实施方式中，所述移动底盘的选型方法还包括如下步骤：
确定所述驱动轮的初始位置；
选取所需的轴承座并确定所述轴承座的位置；
确定所述安装座的位置；
对所述驱动轮及所述悬臂进行受力分析，得到所述驱动轮受到的地面反作用力Fn的函数，并建立数学模型，然后根据所述数学模型选取所需的悬臂。
在一些实施方式中，将所确定的K所对应的所述拉簧装配；
若在所述驱动轮上下移动的过程中，所述拉簧、所述悬臂及所述驱动轮与其他结构件互不干涉，则调整完成
若在所述驱动轮上下移动的过程中，所述拉簧、所述悬臂及所述驱动轮与其他结构件发生干涉，则重新确定a的值。
在一些实施方式中，对所述驱动轮及所述悬臂进行受力分析，得到所述驱动轮受到的地面反作用力Fn的函数，包括：
确定所述驱动轮及所述悬臂受到拉簧拉力Fs、驱动轮重力G、地面反作用力Fn、轴承座中心至拉簧的垂直距离h以及轴承座中心至驱动轮中心的水平距离c之间的对应关系Fs*h+G*c＝Fn*c；
确定拉簧拉力Fs、拉簧拉伸后的长度d以及拉簧的初始长度L0之间的对应关系Fs＝(d-L0)*K；
确定轴承座中心至拉簧的垂直距离h、a、b以及α之间的对应关系
Figure BDA0003616975140000041
确定轴承座中心至驱动轮中心的水平距离c、轴承座中心与驱动轮中心的连线和经过轴承座中心的垂线之间所呈的夹角β之间的对应关系c＝ω*sinβ；
确定地面反作用力Fn的函数
Figure BDA0003616975140000042
在一些实施方式中，基于上述公式确定Fn大于预设值时K的取值，包括：
确定驱动力F驱、地面反作用力Fn以及摩擦系数μ之间的对应关系F驱＝μ*Fn；
基于驱动力F驱的范围和摩擦系数μ确定对应的地面反作用力Fn的预设值；
基于地面反作用力Fn的预设值确定对应的K值。
本发明还提供一种机器人，包括：
外壳：
权利要求1-4任一项所述的移动底盘，所述移动底盘装设于所述外壳。
本发明的技术效果在于：
1、本专利中，通过设置拉簧及能相对轴承座旋转的悬臂，使得移动底盘在移动过程中，驱动轮能根据地势上下移动，从而更好地贴合地面，适用性更广。同时，拉簧的弹性作用使得驱动轮在为贴合地面上下移动时，能更为平稳，一定程度上减少了机器人所受到的冲击。
2、本专利中，选取地面反作用力Fn的差值最小时对应的a的值，使得地面反作用力Fn趋于一致，从而能进一步减少驱动轮在移动过程中所受到的冲击力，同时使驱动轮获得较为稳定的驱动力，使其运行更为平稳。
3、本专利中，通过对驱动轮及悬臂进行受力分析，从而得到驱动轮受到的地面反作用力Fn的函数，并建立数学模型，更有利于设计者根据需求对移动底盘内的悬挂系统进行选型。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明：
图1是本发明所提供的机器人的侧视图；
图2是本发明所提供的机器人的仰视图；
图3是沿图2所示A-A方向的剖视图；
图4是本发明所提供的移动底盘在一个实施例中的立体结构示意图；
图5是本发明所提供的移动底盘在另一个实施例中的立体结构示意图；
图6是本发明所提供的驱动轮受到的地面反作用力的数学模型；
图7是本发明所提供的机器人移动底盘的选型方法的步骤流程图。
附图标号说明：
100、外壳；
200、移动底盘；210、底盘本体；220、驱动轮；230、拉簧；240、安装座；250、轴承座、260、悬臂；270、罩壳；271、避让孔；280、从动轮。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对照附图说明本发明的具体实施方式。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，并获得其他的实施方式。
为使图面简洁，各图中只示意性地表示出了与发明相关的部分，它们并不代表其作为产品的实际结构。另外，以使图面简洁便于理解，在有些图中具有相同结构或功能的部件，仅示意性地绘示了其中的一个，或仅标出了其中的一个。在本文中，“一个”不仅表示“仅此一个”，也可以表示“多于一个”的情形。
还应当进一步理解，在本申请说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。
在本文中，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。
另外，在本申请的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
根据本发明提供的一个具体实施例，参见图1至图7，一种移动底盘200，包括底盘本体210、驱动轮220及悬挂系统。悬挂系统包括拉簧230、固定于底盘本体210的安装座240和轴承座250、及与轴承座250和驱动轮220相铰接的悬臂260。拉簧230一端铰接于安装座240，另一端铰接于悬臂260。当驱动轮220为贴合地面上下移动时，悬臂260相对轴承座250旋转，从而带动拉簧230伸缩。
在本实施例中，通过设置拉簧230及能相对轴承座250旋转的悬臂260，使得移动底盘200在移动过程中，驱动轮220能根据地势上下移动，从而更好地贴合地面，适用性更广。同时，拉簧230的弹性作用使得驱动轮220在为贴合地面上下移动时，能更为平稳，一定程度上减少了机器人所受到的冲击，同时也降低了移动底盘200因冲击而产生的损耗，提高了移动底盘200的使用性能及使用寿命。
具体地，参见图3，悬臂260包括第一对接部及第二对接部，第一对接部与驱动轮220相铰接，第二对接部与拉簧230相铰接。第一对接部与第二对接部呈夹角设置，且第一对接部与第二对接部相连接的部位与轴承座250相铰接。
以轴承座250设于驱动轮220右侧为例，当移动底盘200遇到低洼处，驱动轮220下沉，带动第一对接部相对轴承座250逆时针旋转一定角度，从而带动第二对接部旋转，使拉簧230发生相对收缩；当移动底盘200遇到高起处，驱动轮220上移，带动第一对接部相对轴承座250顺时针旋转一定角度，从而带动第二对接部旋转，使拉簧230发生相对拉伸。
相对地，若轴承座250设于驱动轮220左侧为例，那么，当移动底盘200遇到低洼处，驱动轮220下沉，带动第一对接部相对轴承座250顺时针旋转一定角度，从而带动第二对接部旋转，使拉簧230发生相对收缩；当移动底盘200遇到高起处，驱动轮220上移，带动第一对接部相对轴承座250逆时针旋转一定角度，从而带动第二对接部旋转，使拉簧230发生相对拉伸
作为优选，参见图5，移动底盘200还包括罩壳270，该罩壳270固定于底盘本体210，并罩住悬挂系统，防止灰尘、颗粒进入悬挂系统，影响其性能。同时，罩壳270能将悬挂系统与其他部件分隔开，使各部件在运行时不会相互干扰，提高其使用性能。
在本实施例中，为保证悬臂260在相对轴承座250旋转时，不会与罩壳270发生碰撞，从而影响驱动轮220上下移动，导致其不能更好地贴合地面，罩壳270对应悬臂260区域开设有一避让孔271，以在悬臂260相对轴承座250旋转时提供避让空间，避免各部件之间发生干涉，从而影响移动底盘200的性能。
进一步地，参见图2，移动底盘200还可包括至少两从动轮280，且至少底盘本体210靠近两侧的区域均设有一从动轮280，以起到辅助支撑的作用，提高整体结构的稳定性。
具体地，在本实施例中，驱动轮220数量为两个，位于移动底盘200的相对两侧。从动轮280则有四个，分别位于移动底盘200靠近四角落区域。
当然，在实际生产中，驱动轮220和从动轮280的数量及排布方式不局限于此，可有多种设置方法，如在移动底盘200中心设有一驱动轮220，其靠近四角落区域分别设置一从动轮280；或在移动底盘200设置一驱动轮220以及两对称分布的从动轮280等，在此不一一赘述，能保证移动地盘的平稳运行即可，均在本发明的保护范围之内。
参见图6及图7，本发明还提供一种移动底盘200的选型方法，该方法用于上述任一实施例所提供的移动底盘200，具体可包括：先确定自然状态下α的角度、悬臂260转动过程中α的最大值和最小值。然后确定a的取值范围，并基于
Figure BDA0003616975140000081
生成Fn关于α，a的曲面。接着，选取a为不同的值，确定的Fn的差值，选取Fn的差值最小时对应的a的值。最后，基于上述公式确定Fn大于预设值时K的取值。
式中Fn代表驱动轮220受到的地面反作用力，在移动过程中基本保持不变；
a代表轴承座250中心与悬臂260铰接于拉簧230处之间的距离；
b代表轴承座250中心与安装座240之间的距离；
K代表拉簧230的刚度系数；
α代表轴承座250中心与悬臂260铰接于拉簧230处的连线和轴承座250中心与安装座240的连线之间所呈的夹角；
L0代表拉簧230自然长度；
ω代表轴承座250中心与驱动轮中心之间的距离；
G代表驱动轮220重力。
因驱动轮220的电机扭矩需要依靠驱动轮220所受到的地面反作用力Fn与摩擦系数μ来转化成对驱动轮220的驱动力F驱，在本实施例中，通过使驱动轮220在不同工况下所受到的地面反作用力Fn趋于一致，保证了驱动轮220能获取更为平稳的驱动力F驱，从而能够适应各种地面。同时，本实施例减少了驱动轮220所受到的地面反作用力Fn的波动，进一步提高了驱动轮220移动过程中的稳定性并减少了驱动轮220所受到的冲击力，提高了移动底盘200的使用性能及使用寿命。
具体地，在一个实施例中，距离b取值为105.9mm，长度L0取值为70mm，距离ω取值为71.2mm，重力G为29.4N。由此可以得出:
Figure BDA0003616975140000091
进一步地，参见图6，在本实施例中，夹角α的取值范围为(67°，107°)，且初始状态时，夹角α为87°，距离a的取值范围则为(30mm，50mm)。根据绘制的地面反作用力函数Fn(α，a)的曲线，可以发现反作用力函数Fn(α，a)在确定的夹角α的范围内，随着距离a的增加而增大，且当距离a取较小值时，Fn(α，a)的取值比较接近。
因此，为减少驱动轮220在移动过程中所受的到的冲击，使驱动轮220在不同工况下所受到的地面反作用力Fn趋于一致以更好地适应不同的地面。在本实施例中，考虑到拉簧长度以及为便于计算，距离a取值45.3mm。
同时，距离a取较小值时，还能有效减少悬挂系统所需的装配空间，一定程度上节省了材料，降低了成本，更有利于大批量生产。
在一个实施例中，参见图7，该选型方法具体还包括如下步骤：首先，先确定驱动轮220的初始位置。然后，选取所需的轴承座250并确定该轴承座250的位置。接着，确定安装座240的位置。最后，对驱动轮220及悬臂260进行受力分析，得到该驱动轮220受到的地面反作用力Fn的函数，并建立数学模型，然后根据得到的数学模型选取所需的悬臂260。
在本实施例中，轴承座250、拉簧230及安装座240优选为靠近驱动轮220设置，能有效减少悬挂系统所需的装配空间。
进一步地，将所确定的K所对应的拉簧230装配，若在驱动轮220上下移动的过程中，拉簧230、悬臂260及驱动轮220与移动底盘内的其他结构件互不干涉，则调整完成。若在驱动轮220上下移动的过程中，拉簧230、悬臂260及驱动轮220与移动底盘内的其他结构件发生干涉，则重新确定a的值。
具体地，参见图3，对驱动轮220及悬臂260进行受力分析，发现驱动轮220及悬臂260主要受到拉簧230拉力Fs、驱动轮220重力G和地面反作用力Fn。此时，确定驱动轮220及悬臂260受到拉簧拉力Fs、驱动轮220重力G、地面反作用力Fn、轴承座250中心至拉簧230的垂直距离h以及轴承座250中心至驱动轮220中心的水平距离c之间的对应关系Fs*h+G*c＝Fn*c。其中，平行于地面方向即为水平方向，垂直于地面方向即为垂直方向。接着，确定拉簧230拉力Fs、拉簧230拉伸后的长度d以及拉簧230的初始长度L0之间的对应关系Fs＝(d-L0)*K，轴承座250中心至拉簧230的垂直距离h、a、b以及α之间的对应关系
Figure BDA0003616975140000101
及轴承座250中心至驱动轮220中心的水平距离c、轴承座250中心与驱动轮220中心的连线和经过轴承座250中心的垂线之间所呈的夹角β之间的对应关系c＝ω*sinβ。
由此，可确定地面反作用力Fn的函数为：
Figure BDA0003616975140000102
更进一步地，基于上述公式确定Fn大于预设值时K的取值，具体可包括：首先，确定驱动力F驱、地面反作用力Fn以及摩擦系数μ之间的对应关系F驱＝μ*Fn。然后，基于驱动力F驱的范围和摩擦系数μ确定对应的地面反作用力Fn的预设值。最后，基于地面反作用力Fn的预设值确定对应的K值。
具体地，在本实施例中，地面反作用力Fn的预设值为57.8N，求得拉簧230的刚度系数K为1N/mm。
参见图1至图3，本发明还提供一种机器人，包括外壳100及装设于外壳100的移动底盘200。其中，移动底盘200为上述任一实施例所提供的移动底盘200。
应当说明的是，上述实施例均可根据需要自由组合。以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种移动底盘，其特征在于，包括：
底盘本体、驱动轮及悬挂系统；
所述悬挂系统包括拉簧、固定于所述底盘本体的安装座和轴承座、及与所述轴承座和所述驱动轮相铰接的悬臂；
所述拉簧一端铰接于所述安装座，另一端铰接于所述悬臂，当所述驱动轮为贴合地面上下移动时，所述悬臂相对所述轴承座旋转，从而带动所述拉簧伸缩。
2.根据权利要求1所述的移动底盘，其特征在于,
所述悬臂包括第一对接部及第二对接部，所述第一对接部与所述驱动轮相铰接，所述第二对接部与所述拉簧相铰接；
所述第一对接部与所述第二对接部呈夹角设置，且所述第一对接部与所述第二对接部相连接的部位与所述轴承座相铰接。
3.根据权利要求1或2所述的移动底盘，其特征在于,还包括：
罩壳，固定于所述底盘本体，并罩住所述悬挂系统；
所述罩壳对应所述悬臂区域开设有一避让孔，以在所述悬臂相对所述轴承座旋转时提供避让空间。
4.根据权利要求1或2所述的移动底盘，其特征在于,还包括：
至少两从动轮，且至少所述底盘本体靠近两侧的区域均设有一所述从动轮，以起到辅助支撑的作用，提高整体结构的稳定性。
5.一种移动底盘的选型方法，用于权利要求1-4中任一项所述的移动底盘，其特征在于，包括：
确定自然状态下α的角度、所述悬臂转动过程中α的最大值和最小值；
确定a的取值范围；
基于
Figure FDA0003616975130000021
生成Fn关于α，a的曲面；
选取a为不同的值，确定的Fn的差值，选取Fn的差值最小时对应的a的值；
基于上述公式确定Fn大于预设值时K的取值；
式中Fn代表驱动轮受到的地面反作用力，在移动过程中基本保持不变；
a代表轴承座中心与悬臂铰接于拉簧处之间的距离；
b代表轴承座中心与安装座之间的距离；
K代表拉簧的刚度系数；
α代表轴承座中心与悬臂铰接于拉簧处的连线和轴承座中心与安装座的连线之间所呈的夹角；
L0代表拉簧自然长度；
ω代表轴承座中心与驱动轮中心之间的距离；
G代表驱动轮重力。
6.根据权利要求5所述的移动底盘的选型方法，其特征在于，还包括如下步骤：
确定所述驱动轮的初始位置；
选取所需的轴承座并确定所述轴承座的位置；
确定所述安装座的位置；
对所述驱动轮及所述悬臂进行受力分析，得到所述驱动轮受到的地面反作用力Fn的函数，并建立数学模型，然后根据所述数学模型选取所需的悬臂。
7.根据权利要求6所述的移动底盘的选型方法，其特征在于，
将所确定的K所对应的所述拉簧装配；
若在所述驱动轮上下移动的过程中，所述拉簧、所述悬臂及所述驱动轮与其他结构件互不干涉，则调整完成
若在所述驱动轮上下移动的过程中，所述拉簧、所述悬臂及所述驱动轮与其他结构件发生干涉，则重新确定a的值。
8.根据权利要求6所述的移动底盘的选型方法，其特征在于，对所述驱动轮及所述悬臂进行受力分析，得到所述驱动轮受到的地面反作用力Fn的函数，包括：
确定所述驱动轮及所述悬臂受到拉簧拉力Fs、驱动轮重力G、地面反作用力Fn、轴承座中心至拉簧的垂直距离h以及轴承座中心至驱动轮中心的水平距离c之间的对应关系Fs*h+G*c＝Fn*c；
确定拉簧拉力Fs、拉簧拉伸后的长度d以及拉簧的初始长度L0之间的对应关系Fs＝(d-L0)*K；
确定轴承座中心至拉簧的垂直距离h、a、b以及α之间的对应关系
Figure FDA0003616975130000031
确定轴承座中心至驱动轮中心的水平距离c、轴承座中心与驱动轮中心的连线和经过轴承座中心的垂线之间所呈的夹角β之间的对应关系c＝ω*sinβ；
确定地面反作用力Fn的函数
Figure FDA0003616975130000032
9.根据权利要求5所述的移动底盘的选型方法，其特征在于，基于上述公式确定Fn大于预设值时K的取值，包括：
确定驱动力F驱、地面反作用力Fn以及摩擦系数μ之间的对应关系F驱＝μ*Fn；
基于驱动力F驱的范围和摩擦系数μ确定对应的地面反作用力Fn的预设值；
基于地面反作用力Fn的预设值确定对应的K值。
10.一种机器人，其特征在于，包括：
外壳：
权利要求1-4任一项所述的移动底盘，所述移动底盘装设于所述外壳。
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