CN115743329A - 一种轮履复合式移动机器人底盘 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种轮履复合式移动机器人底盘，包括机架，机架内侧设置切换所述轮履复合式移动机器人底盘移动模式的移动模式切换机构，机架两侧设置驱动所述轮履复合式移动机器人底盘行走的履带式行走机构，机架上方设置调平所述轮履复合式移动机器人底盘搭载平台的搭载平台调平机构。本发明有结构简单、成本低的优点，且具有自动调平系统，提高了农业机器人的数字智能化水平；本发明能够根据环境按需切换轮式和履带两种运动模式，具有出色的复杂地形适应性。本发明采用气动控制系统，缩短变形响应时间，提高机器人底盘的行进效率；并且采用剪叉式升降组件，实现搭载平台二维平面双轴方向上的自主调平。

Description

一种轮履复合式移动机器人底盘

技术领域

本发明属于移动机器人底盘制造技术领域，尤其涉及一种轮履复合式移动机器人底盘。

背景技术

现代农用机器人技术飞速发展，并已处于实用化阶段，为应对更加复杂路面情况，对移动行走机构的革新日趋加深。如，面对泥坑、碎石或阶梯时，此时就要求农业机器人具备可靠越障和平稳运动的能力，以达到高效准确地完成农业任务的目的。目前，常见农用底盘行走机构主要有轮式、腿式、履带式以及复合式。其中，普通轮式结构简单、能耗低、寿命长、移动速度快，但越障碍能力差，轮式调平底盘可以缓解轮式移动过程中的平衡问题；腿式底盘有较强的机动性能及主动隔振性能，但速度低、控制复杂；履带几何形状不可变的普通履带式底盘因其越野性能好，爬坡、越障、跨沟等能力较强，对地形适应性较强，而得到广泛应用，但是，其转弯的灵活性较差、由于履带式结构是面接触摩擦，将极大地增加能耗，续航能力要求较高，对其运动能力产生极大受限，将严重影响作业效果。

为解决以上问题，相关研究人员就移动机器人底盘移动机构在复杂地形行进越障性能优化这一方向，提出了一系列方案。2013年，浙江理工大学在公开号为CN 103264382 A的专利文献中公开了一种具有径向伸缩车轮的轮臂混合式越障机器人，该机器人轮履复合式结构通过螺纹传动装置推动轮辐推杆径向运动改变轮辐径向伸缩，形成钩爪结构，实现轮-臂机构的转换，进而增强机器人的越障能力，但轮-臂机构转换后，轮体不在呈连续的圆周，机器人行进的过程中将产生较大的颠簸，不利于机器人的行进。2019年，专利公告号为CN 210618270 U的专利文献中公开了一种基于四轮全自动的独立悬架农用机器人底盘。此机器人行走机构由单独转向控制的四轮组成，四轮可独立转向的八驱底盘结构。从而实现适应田间环境自由转向的功能，保证了移动越障转向的灵活性，但该轮缺少一定刚度，结构的紧固性较低，这就使得轮体对动力要求增加，进而无法满足自身在一定负载的情况下仍然保持高效率运行，并且无法保证平衡因地形、车体受力以及机械本体运动等因素引起车体姿态变化，不具备车体底盘的平稳性。2021年，专利公告号为CN 113120112 A中公开了一种服务机器人全地形自适应移动装置，该移动装置采用变形轮加装变形辐条，该辐条通过弹片完成张开与闭合运动，从而实现根据地形在轮式和腿式移动之间变换，但同样无法保证在越障行进时的平稳性，依旧会发生颠簸，影响整体使用寿命。

综上，可见复合式行走机构可结合多种运动机构的优点，具有更强的复杂地形适应性，能更好地适应外部复杂环境，但是，现阶段常见的多地形复合式结构大都是在常规轮、腿、履带这三种结构的基础上添加变形机构以及控制系统，结构复杂，成本较高，并且尚未具备车体搭载平台自动调平系统，控制繁琐。因此，设计一种具备动态调平搭载平台作业的农用移动机器人底盘，具有重要的现实意义与实用价值。

发明内容

针对上述技术问题，本发明提供了一种轮履复合式移动机器人，其具有结构简单、成本低的优点，且具有自动调平系统，控制简单，提高了农业机器人的数字智能化水平。

一种轮履复合式移动机器人底盘，包括机架，机架内侧设置切换所述轮履复合式移动机器人底盘移动模式的移动模式切换机构，机架两侧设置驱动所述轮履复合式移动机器人底盘行走的履带式行走机构，机架上方设置调平所述轮履复合式移动机器人底盘搭载平台的搭载平台调平机构。

进一步设置，所述移动模式切换机构包括越野车轮、摆杆、推杆、固定杆、缸体，越野车轮安装于摆杆上，摆杆一端与固定杆连接，摆杆另一端与推杆铰接，固定杆安装于所述机架下方，缸体与推杆嵌套配合，缸体一端与机架铰接。

进一步设置，所述搭载平台自动调平机构包括搭载平台、底板、导轨、双轴倾角传感器、剪叉式升降组件，搭载平台铰接于剪叉式升降组件上，导轨安装于底板上，双轴倾角传感器安装于搭载平台下方正中位置。

进一步设置，所述剪叉式升降组件包括剪叉式支撑杆、滚轮、移动块、固定块、丝杠，固定块安装于底板上，固定块设有通孔，丝杠穿过固定块通孔，移动块与丝杠连接，滚轮安装于移动块上。

进一步设置，所述搭载平台四角设有球型套筒，所述剪叉式升降组件还包括球型支撑杆、压簧、支撑套筒，球型支撑杆球头端铰接于球型套筒内，另一端嵌入支撑套筒内部，球型支撑杆与支撑套筒通过压簧连接。

进一步设置，所述机架包括底盘外壳、预置接头，预置接头与底盘外壳内部连接，底盘外壳内部设置控制柜，控制柜内安装中央控制系统。

进一步设置，所述履带式行走机构包括通用履带组件、悬挂减震组件，通用履带组件包括辅助轮，辅助轮四个为一组，分两组安装在悬挂减震机构组件的末端。

进一步设置，所述悬挂减震组件包括摆动辐杆、底盘支撑轴、转动连杆、弹性伸缩连杆、减震弹簧，摆动辐杆与底盘支撑轴相连接，弹性伸缩连杆与摆动辐杆通过减震弹簧连接，摆动辐杆与转动连杆通过减震弹簧连接，转动连杆一端连接辅助轮。进一步设置，所述摆动辐杆开有定位孔，安装于底盘支撑轴上，所述减震弹簧安装于摆动辐杆左右两端预留的孔位，靠近次驱动轮的一侧安装一对镜像排列的减震弹簧，该处减震弹簧下端通过弹性伸缩连杆与摆动辐杆相连接，摆动辐杆另一侧仅需安装一个减速弹簧。一对所述转动连杆分别安装于两侧的减震弹簧下部轴孔处，辅助轮安装于转动连杆两侧。

进一步设置，所述弹性伸缩连杆包括伸缩杆、弹簧和伸缩套筒，伸缩套筒与所述摆动辐杆铰接，弹簧安装在伸缩套筒内，伸缩杆一端与伸缩套筒连接，另一端与所述转动连杆铰接。

进一步设置，所述通用履带组件还包括履带、主驱动轮、次驱动轮，主驱动轮、次驱动轮分别与履带张紧连接。

综上所述，本发明具有以下有益效果：

1、本发明有结构简单、成本低的优点，且具有自动调平系统，控制简单，提高了农业机器人的数字智能化水平。

2、本发明能够根据环境按需切换轮式和履带两种运动模式，具有出色的复杂地形适应性。

3、本发明采用悬挂减振组件，当底盘在越障时，在减震弹簧的作用下，维持底盘整体稳定性，且进一步增大了履带与障碍物的接地比压，使得越障更加平稳。

4、本发明采用剪叉式升降组件，实现搭载平台一端抬高，其他端维持不变，实现了搭载平台二维平面双轴方向上的自主调平。

5、本发明采用气动控制系统，使得控制不再繁琐，缩短了变形响应时间，进一步提高了机器人底盘的行进效率。

附图说明

图1为优选实施例轮履复合式移动机器人底盘的结构示意图；

图2为优选实施例移动模式切换机构和底盘外壳的结构示意图；

图3为优选实施例履带式行走机构的装配示意图；

图4为优选实施例悬挂减震组件的结构示意图；

图5为优选实施例悬挂减震组件的结构简图；

图6为图4中A处的放大结构示意图；

图7为优选实施例搭载平台自动调平装置的结构示意图；

图8为图7中B处的局部剖视图；

图9为优选实施例搭载平台自动调平机构的调平策略示意图；

图10为优选实施例中央控制系统的流程图。

附图标记：1、移动模式切换机构；11、越野车轮；12、摆杆；13、推杆；14、固定杆；15、缸体；

2、履带式行走机构；21、履带；22、主驱动轮；23、辅助轮；24、次驱动轮；25、悬挂减震组件；251、摆动辐杆；252、转动连杆；253、支撑杆；254、减震弹簧；255、底盘支撑轴；2531、伸缩套筒；2532、弹簧；2533、伸缩杆；

3、搭载平台自动调平组件；30、丝杠；31、搭载平台；32、底板；33、导轨；34、剪叉式支撑杆；35、滚轮；36、移动块；37、固定块；38、双轴倾角传感器；39、球型套筒；3A、球型支撑杆；3B、压簧；3C、支撑套筒；

4、机架；41、底盘外壳；42、预置接头；43、控制柜；5、中央控制系统。

具体实施方式

以下结合附图对本发明优选实施例作详细说明。

如图1所示，本优选实施例一种轮履复合式移动机器人底盘，包括机架4，机架4内侧设置切换所述轮履复合式移动机器人底盘移动模式的移动模式切换机构1，机架4两侧设置驱动所述轮履复合式移动机器人底盘行走的履带式行走机构2，机架4上方设置调平所述轮履复合式移动机器人底盘搭载平台的搭载平台调平机构3。

如图2所示，移动模式切换组件1包括越野车轮11、摆杆12、推杆13、固定杆14、缸体15，越野车轮11安装于摆杆12上，摆杆12一端与固定杆14下方轴孔连接，摆杆12另一端与推杆13铰接，固定杆14安装于机架4下方，缸体15与推杆13嵌套配合，缸体15一端与机架4的限位孔铰接，使得缸体15与推杆13伸缩滑动时，摆杆12能够绕着与固定杆14铰接处的轴孔进行转动，进而实现轮式或者履带式移动模式切换。

机架4包括底盘外壳41、预置接头42、控制柜43，预置接头42与底盘外壳41内部连接，底盘外壳41内部设置控制柜43，中央控制系统5安装于控制柜43内，预置接头42可以外加犁头、除草装置、施肥装置等。

如图3所示，履带式行走组件2包括通用履带组件、悬挂减震组件25，通用履带组件包括辅助轮24，辅助轮23四个为一组，分两组安装在悬挂减震机构25末端，辅助轮23贴紧与地面接触部分的履带21内侧面。通用履带组件还包括履带21、主驱动轮22、次驱动轮24，主驱动轮22、次驱动轮24与履带21张紧连接。主驱动轮22通过法兰盘与机器人底盘后驱电机轴紧固连接，次驱动轮24安装于机器人底盘前端轴上。

如图4所示，悬挂减震组件25包括摆动辐杆251、底盘支撑轴255，摆动辐杆251与底盘支撑轴255相连接。悬挂减震组件25还包括转动连杆252、弹性伸缩连杆253、减震弹簧254，弹性伸缩连杆253与摆动辐杆251通过减震弹簧254连接，摆动辐杆251与转动连杆252通过减震弹簧254连接，转动连杆的252一端连接辅助轮24。

进一步地，摆动辐杆251开设定位孔，摆动辐杆251安装于底盘支撑轴255上，减震弹簧254安装于摆动辐杆251左右两端预留的孔位，靠近次驱动轮的一侧安装一对镜像排列的减震弹簧254，该处减震弹簧254通过弹性伸缩连杆253与摆动辐杆251相连接，摆动辐杆251另一侧仅需安装一个减震弹簧254。一对转动连杆252分别安装于两侧的减震弹簧254下部轴孔处，辅助轮23安装于转动连杆252两侧。

如图5所示，悬挂减震组件25由四个转动副和一个移动副组成，摆动辐杆251中心转动副铰接于机架4上，减震弹簧254当做一个杆件，第一端与摆动辐杆251第一端铰接，第二端与转动连杆252铰接；摆动辐杆251第二端与转动连杆252铰接。当底盘在越障时，履带21向内凹陷，转动连杆252受挤压时，发生转动，在减震弹簧254的作用下，维持底盘整体稳定性，且进一步增大了履带与障碍物的接地比压，使得越障更加平稳。

如图6所示，弹性伸缩连杆253包括伸缩杆2533、弹簧2532和伸缩套筒2531，伸缩套筒2531与摆动辐杆251铰接，弹簧2532安装在伸缩套筒2531内，伸缩杆2533一端与伸缩套筒2531连接，另一端与转动连杆252铰接。当履带21跨越障碍物至中部位置时，履带自适应变形，增大接地比压，增强越障能力。

如图7所示，搭载平台自动调平机构3包括搭载平台31、底板32、导轨33、双轴倾角传感器38、剪叉式升降组件，搭载平台31四角设有球型套筒39，搭载平台31球铰接于下部剪叉式升降组件上，导轨33安装于底板32上，双轴倾角传感器38安装于搭载平台31下方正中位置；剪叉式升降组件包括剪叉式支撑杆34、滚轮35、移动块36、固定块37、丝杠30，固定块37安装于底板32上，固定块37设有通孔，轴承外圈固定于通孔内，轴承内圈固定于丝杠30上，丝杠30穿过固定块37通孔，移动块36设有螺纹孔与丝杠螺纹30连接，滚轮35安装于移动块36上，当步进电机驱动丝杠30旋转，从而带动移动块36在导轨33上前后移动，使得剪叉式支撑杆34进行转动，进而实现搭载平台31的任一端起降。

如图8所示，剪叉式升降组件还包括球型支撑杆3A、压簧3B、支撑套筒3C，球型支撑杆3A球头端铰接于球型套筒39内，另一端嵌入支撑套筒3C内部，球型支撑杆3A与支撑套筒3C通过压簧3B连接。剪叉式升降组件上升时，推动球型支撑杆3A向上运动，在球型铰链的作用下，实现搭载平台一端的抬高，其他端维持不变，实现了搭载平台31二维平面双轴方向上的自主调平。

如图9所示，在机器人越障时，搭载平台31二维平面沿X、Y双轴偏航与俯仰方向上自主调平。中央控制系统5由基础电路模块、无线通讯模块、传感器模块、双目视觉避障模块和激光雷达导航模块组成。

基础电路模块包括上位机、基础稳压电路、电源和电机驱动器。基础稳压电路、电源和电机驱动器分别与上位机接电连接。

无线通讯模块包括远程遥控器和接收器。远程遥控器用来发送指令，接受机与上位机相连，接收机与电机驱动器连接，用于接收远程遥控器的指令，从而实现远程操控机机器人底盘。

传感器模块包括陀螺仪、传感器支架。陀螺仪与双轴倾角传感器38安装于传感器支架上，并且分别与上位机相连。当机器人底盘在复杂的农业地形环境中运作时，跨越洼地或者坡路，致使底盘整体倾斜，为维持搭载平台31上方作业装置的水平稳定，双轴倾角传感器38采集到搭载平台31二维平面双轴的倾斜角度数据，中央控制系统5计算处理后，经上位机发送指令给剪叉式升降组件，调节搭载平台31对应端高度，以补偿搭载平台31倾斜角度，实现搭载平台自动调平装置31实时调平的功能。

双目视觉避障模块和激光雷达导航模块分别与上位机相连。

如图10所示，中央控制系统5分两路对机器人底盘进行控制。

第一路：双目视觉避障模块和激光雷达导航模块采集到工作环境的数据信息，并将信息传递给上位机，上位机根据激光雷达自主导航模块与双目相机采集的数据经语义分割后得到地形特征，再进行自主规划路径，实时调整导航工作路线，后上位机将命令传达直接给电机驱动器，实现机器人底盘的移动模式切换，即在较平坦的硬质路面采用轮式行走机构，反之由移动模式切换机构1转换为履带式行走机构2，并且控制机器人底盘的前进、后退以及转向。

第二路：通过无线通讯模块对机器人底盘进行人为的实时工作接管，远程遥控器发送远程操作指令给上位机，上位机将指令进行处理后传递给接收机，接收机与电机驱动器连接，实现远程操控机器人底盘进行作业。

上述的实施方式仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施方式做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。

Claims (10)

1.一种轮履复合式移动机器人底盘，包括机架(4)，其特征在于，机架(4)内侧设置切换所述轮履复合式移动机器人底盘移动模式的移动模式切换机构(1)，机架(4)两侧设置驱动所述轮履复合式移动机器人底盘行走的履带式行走机构(2)，机架(4)上方设置调平所述轮履复合式移动机器人底盘搭载平台的搭载平台调平机构(3)。

2.根据权利要求1所述的轮履复合式移动机器人底盘，其特征在于，所述移动模式切换机构(1)包括越野车轮(11)、摆杆(12)、推杆(13)、固定杆(14)、缸体(15)，越野车轮(11)安装于摆杆(12)上，摆杆(12)一端与固定杆(14)连接，摆杆(12)另一端与推杆(13)铰接，固定杆(14)安装于所述机架(4)下方，缸体(15)与推杆(13)嵌套配合，缸体(15)一端与机架(4)铰接。

3.根据权利要求1所述的轮履复合式移动机器人底盘，其特征在于，所述搭载平台自动调平机构(3)包括搭载平台(31)、底板(32)、导轨(33)、双轴倾角传感器(38)、剪叉式升降组件，搭载平台(31)铰接于剪叉式升降组件上，导轨(33)安装于底板(32)上，双轴倾角传感器(38)安装于搭载平台(31)下方正中位置。

4.根据权利要求3所述的轮履复合式移动机器人底盘，其特征在于，所述剪叉式升降组件包括剪叉式支撑杆(34)、滚轮(35)、移动块(36)、固定块(37)、丝杠(30)，固定块(37)安装于底板(32)上，固定块(37)设有通孔，丝杠(30)穿过固定块(37)通孔，移动块(36)与丝杠(30)连接，滚轮(35)安装于移动块(36)上。

5.根据权利要求4所述的轮履复合式移动机器人底盘，其特征在于，所述搭载平台(31)四角设有球型套筒(39)，所述剪叉式升降组件还包括球型支撑杆(3A)、压簧(3B)、支撑套筒(3C)，球型支撑杆(3A)球头端铰接于球型套筒(39)内，另一端嵌入支撑套筒(3C)内部，球型支撑杆(3A)与支撑套筒(3C)通过压簧(3B)连接。

6.根据权利要求2所述的轮履复合式移动机器人底盘，其特征在于，所述机架(4)包括底盘外壳(41)、预置接头(42)，预置接头(42)与底盘外壳(41)内部连接，底盘外壳(41)内部设置控制柜(43)，控制柜(43)内安装中央控制系统(5)。

7.根据权利要求1所述的轮履复合式移动机器人底盘，其特征在于，所述履带式行走机构(2)包括通用履带组件、悬挂减震组件(25)，通用履带组件包括辅助轮(24)，辅助轮(24)安装在悬挂减震组件(25)的末端。

8.根据权利要求7所述的轮履复合式移动机器人底盘，其特征在于，所述悬挂减震组件(25)包括摆动辐杆(251)、底盘支撑轴(255)、转动连杆(252)、弹性伸缩连杆(253)、减震弹簧(254)，摆动辐杆(251)与底盘支撑轴(255)相连接，弹性伸缩连杆(253)与摆动辐杆(251)通过减震弹簧(254)连接，摆动辐杆(251)与转动连杆(252)通过减震弹簧(254)连接，转动连杆(252)一端连接辅助轮(24)。

9.根据权利要求8所述的轮履复合式移动机器人底盘，其特征在于，所述弹性伸缩连杆(253)包括伸缩杆(2533)、弹簧(2532)和伸缩套筒(2531)，伸缩套筒(2531)与所述摆动辐杆(251)铰接，弹簧(2532)安装在伸缩套筒(2531)内，伸缩杆(2533)一端与伸缩套筒(2531)连接，另一端与所述转动连杆(252)铰接。

10.根据权利要求7所述的轮履复合式移动机器人底盘，其特征在于，

所述通用履带组件还包括履带(21)、主驱动轮(22)、次驱动轮(24)，

主驱动轮(22)、次驱动轮(24)分别与履带(21)张紧连接。

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