CN115817145A - 一种模块化驱动及转向总成、机器人及控制方法 - Google Patents

一种模块化驱动及转向总成、机器人及控制方法 Download PDF

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王运光
孙大庆
巩方彬
戚文光
刘加科
丁成松
侯继新
孙宗伟
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Abstract

本发明公开了一种模块化驱动及转向总成、机器人及控制方法，包括：驱动部、转向部和支撑件；驱动部包括：驱动轮，驱动轮通过轴承与驱动电机连接；转向部包括：转向电机，转向电机通过转向轴承与转向座连接；驱动电机和转向电机固定在支撑件的内部，支撑件上部与转向座连接，转向座的转动能够带动支撑件转动；支撑件下部与驱动轮连接，支撑件转动能够带动驱动轮方向发生偏转；驱动电机和转向电机能够分别接收中央控制器的控制指令，通过控制驱动电机和/或转向电机的转动，以控制驱动轮的前进和/或转向。本发明驱动器同时带动驱动电机和转向电机，通过模块化设计实现了整体结构的紧凑布置，缩短了接线距离，增强了抗干扰能力。

Description

一种模块化驱动及转向总成、机器人及控制方法
技术领域
本发明涉及机器人领域，尤其涉及一种模块化驱动及转向总成、机器人及控制方法。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
目前市面上的轮式机器人的底盘结构普遍为前面为驱动轮、后面为万向轮或者前后万向轮、左右驱动轮的菱形布置形式，通过差速实现转向，具有控制方式简单，行动灵活的优势，但是只能适用于地形条件非常好的平坦的环境。有的机器人虽然有一定的越障碍能力，但是稳定性较差，不能实现原地转向，在狭窄的空间内运动时，整体灵活性不足。也有一些机器人的底盘采用四轮驱动，或者履带式驱动轮的方式，这种轮式机器人在转向过程中一侧的轮子基本上都是滑动的，造成对轮子运动速度的反馈不准确，机器人的运动轨迹无法精确控制。有的四轮驱动机器人在转向运动时，由于后轮为无转向结构方式，机器人的转弯半径非常大，且后轮轮胎与地面为刚性摩擦，摩擦阻力非常大，轮胎磨损非常严重。机器人的转弯及刹车控制方式均有待提高。且目前市面上的巡检机器人均为整体式结构方式，机器人的生产装配、调试及现场维护工作均非常的繁琐，工作量非常大，便捷性差。
发明内容
本发明为了解决上述问题，提出了一种模块化驱动及转向总成、机器人及控制方法，使得机器人在前进、转弯和后退时尽量占用非常小的物理空间，高度紧凑且灵活高。
在一些实施方式中，采用如下技术方案：
一种模块化驱动及转向总成，包括：驱动部、转向部和支撑件；
所述驱动部包括：驱动轮，所述驱动轮通过轴承与驱动电机连接；
所述转向部包括：转向电机，所述转向电机通过转向轴承与转向座连接；
所述驱动电机和转向电机固定在支撑件的内部，所述支撑件上部与转向座连接，转向座的转动能够带动支撑件转动；支撑件下部与驱动轮连接，支撑件转动能够带动驱动轮方向发生偏转；
所述驱动电机和转向电机能够分别接收中央控制器的控制指令，通过控制驱动电机和/或转向电机的转动，以控制驱动轮的前进和/或转向。
作为进一步地方案，所述转向部包括：
固定在所述支撑件上的转向座，转向电机通过转向轴承与转向座连接；
设置在转向座内、与转向电机连接的转向齿轮，转向齿轮与转向齿圈啮合，转向齿圈安装在转向轴承上。
作为进一步地方案，所述转向部还包括：编码器，所述编码器连接编码器齿轮，编码器齿轮与转向齿圈相互啮合；所述转向齿轮、编码器齿轮和转向齿圈均设置在转向座内，转向电机的转动带动转向齿轮转动，转向齿轮转动带动转向齿圈转动，转向齿圈转动带动编码器齿轮转动，从而得到转向电机的转动角度。
作为进一步地方案，所述驱动电机和转向电机分别与驱动器连接，所述驱动器与中央控制器连接，所述驱动器接收中央控制器的控制指令，控制驱动电机和/或转向电机转动；与驱动电机和转向电机连接的编码器，分别采集驱动电机和转向电机的位置信息并反馈给驱动器，形成对电机运动的闭环控制。
在另一些实施方式中，采用如下技术方案：
一种机器人，包括：机器人本体，所述机器人本体的底盘上设定的四个位置分别连接上述的模块化驱动及转向总成；
通过中央控制器控制驱动电机和/或转向电机的转动，能够带动机器人本体的前后移动和/或水平转动。
作为进一步地方案，所述机器人本体上分别设有激光传感器和云台，所述云台上搭载有红外摄像仪、可见光摄像机和紫外摄像机。
作为进一步地方案，中央控制器通过信号发射接收电路与遥控器通信，实现对机器人运动的远程遥控。
作为进一步地方案，中央控制器还与远程监控服务器通信，所述远程监控服务器与监控终端通信。
在另一些实施方式中，采用如下技术方案：
一种机器人运动控制方法，包括：
机器人沿直线行驶时，仅驱动电机执行动作，回转电机处于伺服状态，四个驱动轮始终保持朝向正前方，以使得机器人能够沿着直线方向进行运动；
机器人向右转弯行驶时，前方两个驱动轮向右偏转设定的角度，后方两个驱动轮向左偏转设定的角度；机器人向左转弯行驶时前方两个驱动轮向左偏转设定的角度，后方两个驱动轮向右偏转设定的角度；
机器人原地转向时，四个驱动轮向设定方向偏转设定角度，使得四个驱动轮总体偏转形成一个圆形，以实现机器人原地回转；
机器人制动时，前方驱动轮保持朝向正前方，后方驱动轮均向靠近机器人底盘中心的方向偏转设定角度，以实现机器人速度逐渐降低的同时，保持机器人运动的稳定性。
作为进一步地方案，驱动器接收中央控制器的控制指令，控制驱动电机和/或转向电机转动；
与驱动电机和转向电机连接的编码器，分别采集驱动电机和转向电机的位置信息并反馈给驱动器，形成对电机运动的闭环控制。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明提出了一种模块化驱动及转向总成，驱动器同时带动驱动电机和转向电机，通过模块化设计实现了整体结构的紧凑布置，缩短了接线距离，增强了抗干扰能力；转向齿圈分别与转向齿轮及编码器齿轮相互啮合，编码器同时采集转向齿轮的位置信息，与电机自带的编码器位置信息进行对比，提高了机器人的转动角度的准确性。
(2)本发明驱动电机内嵌在立支撑的内部，电机端面与立支撑的端面固定，精简了整个结构的整体长度，该设计使得驱动轮更换及调节更为方便。
(3)本发明的机器人转弯方式采用每个驱动及转向总成偏转一定的角度，四个总成绕着机器人的质心回转形成一个圆形结构，可以保证完成原地转向。机器人在制动时，前方驱动轮保持朝向正前方，后方驱动轮均向靠近机器人底盘中心的方向偏转设定角度，以实现机器人速度逐渐降低的同时，保持机器人运动的稳定性。
附图说明
图1是本发明实施例中驱动及转向总成零件爆炸图；
图2是本发明实施例中驱动及转向总成传动方向示意图；
图3是本发明实施例中驱动及转向总成轴测图；
图4是本发明实施例中驱动及转向总成控制原理示意图；
图5本发明实施例中机器人直线行驶控制示意图；
图6本发明实施例中机器人转弯控制示意图；
图7本发明实施例中机器人原地转弯控制示意图；
图8本发明实施例中机器人紧急制动示意图；
图9本发明实施例中机器人结构爆炸图；
图10本发明实施例中机器人轴测图；
其中，101.轮胎，102.轮毂，103.第一卡簧，104.第一轴承，105.轴承座，106.第二轴承，107.第二卡簧，108.轴承端盖，109.轴承压盖，110.紧定螺钉，111.压紧螺栓；112.电机固定螺钉，113.密封圈，114.支撑件，115.编码器安装座，116.编码器，117.驱动器，118.驱动电机，119.外罩，120.紧定螺钉，121.转向座，122.转向座固定螺钉，123.轴承安装螺钉，124.编码器齿轮，125.转向轴承，126.转向齿圈，127.转向压盖，128.转向齿轮，129.转向电机；
201.下壳体，202.激光传感器，203.上壳体，204.云台。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
实施例一
在一个或多个实施方式中，公开了一种模块化驱动及转向总成，包括：驱动部、转向部和支撑件；
驱动部包括：驱动轮，驱动轮通过轴承与驱动电机连接；
转向部包括：转向电机，转向电机通过转向轴承与转向座连接；
驱动电机和转向电机固定在支撑件的内部，支撑件上部与转向座连接，转向座的转动能够带动支撑件转动；支撑件下部与驱动轮连接，支撑件转动能够带动驱动轮方向发生偏转；
驱动电机和转向电机能够分别接收中央控制器的控制指令，通过控制驱动电机和/或转向电机的转动，以控制驱动轮的前进和/或转向。
具体地，结合图1-图3，驱动部的结构具体如下：
轮胎(101)固定在轮毂(102)上，轮毂(102)内部为空心结构，可以将轴承座、支撑件(114)的圆柱体部分嵌套入其内部。
第一卡簧(103)及第二卡簧(107)能够起到限位第一轴承(104)和第二轴承(106)的作用，本实施例通过组合使用第一轴承(104)和第二轴承(106)，来解决支撑宽度和外径的限制；第一卡簧(103)和第二卡簧(107)与第一轴承(104)和第二轴承(106)整体嵌入安装于驱动轴承座(105)的内部，轴承端盖(108)通过压紧螺栓(111)对驱动轴承座(105)进行端面密封，轴承压盖(109)从另一个端面对驱动轴承座(105)进行密封，紧定螺钉(110)的作用是紧固轴承端盖(108)，电机固定螺钉(112)将支撑件(114)和驱动电机(118)紧固在一起，密封圈(113)安装在支撑件(114)的末端，主要是密封防尘作用，紧定螺钉(120)用于固定转向轴承(125)的外圈和转向齿圈(126)，让两者保持固定的关系。轴承安装螺钉(123)是联结转向轴承(125)内圈和转向座(121)，让两者保持固定关系。
编码器(116)与编码器安装座(115)嵌套在一体，通过紧固螺钉一起安装于转向座(121)上，驱动器(117)安装于外罩(119)内部，外罩(119)和支撑件(114)通过螺栓紧固在一起，形成一个密封的腔体，将驱动器(117)、驱动电机(118)及转向电机(129)密封在内部，保证了上述期间的防水密封性能。
本实施例驱动电机为带有位置反馈功能的伺服电机，或者带有编码器的步进及直流无刷电机。
本实施例中，支撑件(114)装配到轴承座的内部，支撑件(114)的端面与轴承压盖(109)通过螺栓紧固在一起，驱动电机(118)被固定在支撑件(114)的端面上，电机轴上键与轮毂上的键槽相配合，从而，驱动电机转动带动轮胎转动。
支撑件(114)是整个驱动及转向总成的关键零件，其整体结构成U型，下部为圆柱体结构，上部为板式结构。下部的主要作用是内部安装驱动电机，上部的主要作用是支撑转向部。
结合图2，转向部的结构具体如下：
转向座(121)和支撑件(114)通过转向座固定螺钉(122)固定在一起，形成了该驱动及转向总成的主要支撑结构，编码器齿轮(124)安装于编码器(116)上，转向齿圈(126)安装在转向轴承(125)上，转向齿圈(126)与编码器齿轮(124)相互啮合。
转向齿轮(128)安装于转向电机(129)上，转向座(121)上开有固定转向电机(129)的孔位，转向电机(129)通过安装孔位安装在转向座(121)上，转向座压盖(127)与转向座(121)通过螺栓连接形成一个密封的腔体，将编码器齿轮(124)、转向齿轮(128)、转向齿圈(126)形成的齿轮传动密封起来。
本实施例中，驱动电机(118)固定在支撑件(114)上，驱动电机(118)轴头旋转时可带动轮毂(102)转动，进而完成轮胎(101)的转动，从而实现驱动轮的前进或后退；转向电机(129)固定于转向座(121)上，转向电机(129)的轴头带动转向齿轮(128)运动，转向齿轮(128)带动转向齿圈(126)转动，转向齿圈(126)的外圈与下壳体201相连，转向齿圈126的内圈固定在转向轴承(125)的外圈，因此，当转向电机(129)转动时候，转向座(121)会随着转动，从而带动相关的零件如编码器(116)、轮毂(102)以及轮胎(101)转动，从而实现驱动轮的转向。
本实施例转向电机(129)用于为转向齿轮(128)提供动力，由于转向齿圈(126)上部固定在机器人底盘的下部，整个转向总成变回围绕转向齿圈进行旋转，从而完成机器人的变向的过程。
本实施例中，驱动器(117)与驱动电机(118)和转向电机(128)分别相连，驱动器(117)与中央控制器MCU相连，来执行中央处理器MCU下发的指令，驱动电机(118)和转向齿轮(128)上还分别与各自的编码器相连接，并将位置信息实施反馈至驱动器，最终实现驱动及转向总成的位置控制。
结合图4，对于模块化驱动及转向总成的控制过程具体如下：
中央控制器MCU，下发命令给驱动器，驱动器通过内部驱动电路来带动驱动电机和转向电机转动，两个电机分别安装有编码器，编码器将采集各个电机的置信息反馈给驱动器进行比较，形成对电机运动的闭环控制。
在另外一些实施方式中，公开了一种机器人，包括：机器人本体，所述机器人本体的底盘上设定的四个位置分别连接上述的模块化驱动及转向总成；
通过中央控制器控制驱动电机和/或转向电机的转动，能够带动机器人本体的前后移动和/或水平转动。
结合图9和图10，机器人本体由上壳体(203)和下壳体(201)组合而成，机器人本体内安装有电池和机器人控制器；机器人本体的每个角的位置分别通过螺栓连接一个驱动及转向总成固定。
机器人本体上分别设有激光传感器(202)和云台(204)，利用激光的准直性和不发散性对机器人所处的位置进行精确定位以达到指导胡确认前进的方向；云台具有回转及俯仰功能，云台上搭载有红外摄像仪、可见光摄像机和紫外摄像机。
作为可选的实施方式，中央控制器通过信号发射接收电路与遥控器通信，能够实现利用遥控器来对该机器人用驱动及转向总成进行运动速度的控制。
作为可选的实施方式，中央控制器还与远程监控服务器通信，所述远程监控服务器与监控终端通信。
实施例二
在一个或多个实施方式中，公开了一种机器人运动控制方法，具体如下：
结合图5，机器人在直线行驶时，只有驱动电机在执行动作，回转电机处于伺服状态，在激光传感器的引导下，四个驱动及转向总成A、B、C、D始终保持驱动及转向总成朝向正前方，从而保证机器人能够沿着正确的直线方向进行运动，从而准确到达定位点进行巡视工作。
结合图6，机器人在向右转弯行驶时，前方两个驱动及转向总成A、B绕着旋转中心O点向右偏转一定的角度，后方两个驱动及转向总成C、D绕着旋转中心O向左偏转一定的角度。此时机器人整体回转中心为O点，整体速度合成为绕着点O’，旋转半径为R。
机器人向左转弯时也是一样的道理。
结合图7，机器人在原地转向时，驱动及转向总成A向左偏转一定角度，驱动及转向总成B向右偏转一定的角度，驱动及转向总成C向右侧偏转一定的角度，驱动及转向总成D向左偏转一定的角度。四个驱动及转向总成形成一个圆形结构，可保证机器人完成原地回转。
结合图8，机器人在紧急刹车情况时，在机器人激光传感器检测到前方突现障碍物时，机器人的A、B驱动及转向总成保持朝前的状态，后方驱动及转向总成C和D会向内侧偏转一定的角度。在保持机器人速度逐渐降低的同时，保持机器人运动的稳定性。
对机器人进行运动控制时，驱动器接收中央控制器的控制指令，控制驱动电机和/或转向电机转动；与驱动电机和转向电机连接的编码器，分别采集驱动电机和转向电机的位置信息并反馈给驱动器，形成对电机运动的闭环控制。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种模块化驱动及转向总成，其特征在于，包括：驱动部、转向部和支撑件；
所述驱动部包括：驱动轮，所述驱动轮通过轴承与驱动电机连接；
所述转向部包括：转向电机，所述转向电机通过转向轴承与转向座连接；
所述驱动电机和转向电机固定在支撑件的内部，所述支撑件上部与转向座连接，转向座的转动能够带动支撑件转动；支撑件下部与驱动轮连接，支撑件转动能够带动驱动轮方向发生偏转；
所述驱动电机和转向电机能够分别接收中央控制器的控制指令，通过控制驱动电机和/或转向电机的转动，以控制驱动轮的前进和/或转向。
2.如权利要求1所述的一种模块化驱动及转向总成，其特征在于，所述转向部包括：
固定在所述支撑件上的转向座，转向电机通过转向轴承与转向座连接；
设置在转向座内、与转向电机连接的转向齿轮，转向齿轮与转向齿圈啮合，转向齿圈安装在转向轴承上。
3.如权利要求2所述的一种模块化驱动及转向总成，其特征在于，所述转向部还包括：编码器，所述编码器连接编码器齿轮，编码器齿轮与转向齿圈相互啮合；所述转向齿轮、编码器齿轮和转向齿圈均设置在转向座内，转向电机的转动带动转向齿轮转动，转向齿轮转动带动转向齿圈转动，转向齿圈转动带动编码器齿轮转动，从而得到转向电机的转动角度。
4.如权利要求1所述的一种模块化驱动及转向总成，其特征在于，所述驱动电机和转向电机分别与驱动器连接，所述驱动器与中央控制器连接，所述驱动器接收中央控制器的控制指令，控制驱动电机和/或转向电机转动；与驱动电机和转向电机连接的编码器，分别采集驱动电机和转向电机的位置信息并反馈给驱动器，形成对电机运动的闭环控制。
5.一种机器人，其特征在于，包括：机器人本体，所述机器人本体的底盘上设定的四个位置分别连接权利要求1所述的模块化驱动及转向总成；
通过中央控制器控制驱动电机和/或转向电机的转动，能够带动机器人本体的前后移动和/或水平转动。
6.如权利要求5所述的一种机器人，其特征在于，所述机器人本体上分别设有激光传感器和云台，所述云台上搭载有红外摄像仪、可见光摄像机和紫外摄像机。
7.如权利要求5所述的一种机器人，其特征在于，中央控制器通过信号发射接收电路与遥控器通信，实现对机器人运动的远程遥控。
8.如权利要求5所述的一种机器人，其特征在于，中央控制器还与远程监控服务器通信，所述远程监控服务器与监控终端通信。
9.一种机器人运动控制方法，其特征在于，包括：
机器人沿直线行驶时，仅驱动电机执行动作，回转电机处于伺服状态，四个驱动轮始终保持朝向正前方，以使得机器人能够沿着直线方向进行运动；
机器人向右转弯行驶时，前方两个驱动轮向右偏转设定的角度，后方两个驱动轮向左偏转设定的角度；机器人向左转弯行驶时前方两个驱动轮向左偏转设定的角度，后方两个驱动轮向右偏转设定的角度；
机器人原地转向时，四个驱动轮向设定方向偏转设定角度，使得四个驱动轮总体偏转形成一个圆形，以实现机器人原地回转；
机器人制动时，前方驱动轮保持朝向正前方，后方驱动轮均向靠近机器人底盘中心的方向偏转设定角度，以实现机器人速度逐渐降低的同时，保持机器人运动的稳定性。
10.如权利要求9所述的一种机器人运动控制方法，其特征在于，还包括：
驱动器接收中央控制器的控制指令，控制驱动电机和/或转向电机转动；
与驱动电机和转向电机连接的编码器，分别采集驱动电机和转向电机的位置信息并反馈给驱动器，形成对电机运动的闭环控制。
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