CN117341408B - 一种缓冲悬挂系统及机器人 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及机器人技术领域，具体涉及是一种缓冲悬挂系统及机器人，包括底盘，且底盘上设置有第一缓冲机构和第二缓冲机构，通过设置第一缓冲机构和第二缓冲机构，使得驱动轮与第一支撑轮和第二支撑轮能够形成联动，在进行越障时能够增加与地面的摩擦力；在驱动轮行进方向设置缓冲部件，能够吸收行进方向的冲击力；通过特有的连杆结构，当一侧的支撑轮与底座发生相对运动时，另外一侧的支撑轮与底座也发生相对运动，且运动方向和运动距离均与前者相同，不会发生轮子悬空情况，使得支撑轮越障能力提升；从而实现提高机器人越障能力、增大机器人负载和减小机器人遇到障碍时冲击的效果。

Description

一种缓冲悬挂系统及机器人
技术领域
本发明涉及机器人技术领域，具体涉及是一种缓冲悬挂系统及机器人。
背景技术
现有移动机器人多采用差动轮系的配置,该种配备要求有驱动轮、一个或多个支撑轮的组合作为轮系,通常情况驱动轮采用轮毂电机,支撑轮则采用万向轮的方案。几个轮子通过一定的结构设计安装在固定底盘上,对机器人起驱动、支撑和位姿控制的作用。
为了实现机器人原地旋转、不发生甩头或者甩尾，常用的布置是将驱动轮布置在中间，前后各采用一个或多个万向轮作为支撑的布局，同时为了提高机器人遇到障碍物时运行的平稳性和越障能力，会在驱动轮或支撑轮上设计悬挂和减震装置，目前的情况多为驱动轮悬挂的单一方案。
这造成以下问题：
（1）当机器的负载加大时，驱动轮与地面的最大摩擦力没有增大，容易发生打滑的情况；
（2）在越障时，一侧的支撑轮抬高也会造成驱动轮被抬高，从而驱动轮与地面的最大静摩擦减小，造成驱动力不足的问题；
（3）驱动轮或支撑轮遇到障碍物的瞬间，与运动方向反向的力会对机器人造成冲击，瞬间机器人底座的加速度很大。
因此对该类机器人的悬挂系统设计进行改进，是提高机器人越障能力、增大机器人负载和减小机器人遇到障碍时冲击的有效方式。
发明内容
本发明针对以上问题，提供一种缓冲悬挂系统及机器人。
采用的技术方案是，一种缓冲悬挂系统，包括底盘，所述底盘下方设置有第一支撑轮和第二支撑轮，且第一支撑轮和第二支撑轮分别位于底盘下方两端，底盘上设置有驱动轮，且驱动轮能在电机带动下转动，驱动轮位于第一支撑轮和第二支撑轮间，其中所述底盘上设置有第一缓冲机构和第二缓冲机构；
所述第一缓冲机构靠近第一支撑轮，且第一缓冲机构一端与第一支撑轮连接，第一缓冲机构另一端与驱动轮连接；
所述第二缓冲机构靠近第二支撑轮，且第二缓冲机构一端与第二支撑轮连接，第二缓冲机构另一端与驱动轮连接；
当第一支撑轮或第二支撑轮越障时，第一缓冲机构和第二缓冲机构对驱动轮施加向下的力。
进一步的，第一缓冲机构包括第一壳体，所述第一壳体固定于底盘上，第一壳体内设置有第一连接部件、第一缓冲部件和第一固定部件；
所述第二缓冲机构包括第二壳体，所述第二壳体固定于底盘上，第二壳体内设置有第二连接部件、第二缓冲部件和第二固定部件。
可选的，第一连接部件包括第一连杆、第一滑块和第一转轴；
所述第一连杆为弯折结构，第一连杆一端与第一支撑轮连接，第一连杆另一端与驱动轮连接；
所述第一转轴从第一连杆的弯折点穿过，并与第一滑块连接。
进一步的，第一固定部件包括第一滑轨和第一固定座，所述第一滑轨安装在第一壳体内腔的顶部，且沿驱动轮行进方向设置；
所述第一固定座能在第一滑轨上滑动，所述第一滑块与第一固定座底部连接。
可选的，第一缓冲部件包括第一减震弹簧、第二减震弹簧、第一固定片和第二固定片；
所述第一固定片和第二固定片均设于第一壳体上，且第一固定片中心和第二固定片中心连线位于驱动轮行进方向上；
所述第一减震弹簧一端与第一固定片连接，第一减震弹簧另一端能与第一固定座一端抵接；
所述第二减震弹簧一端与第二固定片连接，第二减震弹簧另一端能与第一固定座另一端抵接。
进一步的，第二连接部件包括第二连杆、第二滑块和第二转轴；
所述第二连杆为弯折结构，第二连杆一端与第二支撑轮连接，第二连杆另一端与驱动轮连接；
所述第二转轴从第二连杆的弯折点穿过，并与第二滑块连接。
可选的，第二固定部件包括第二滑轨和第二固定座，所述第二滑轨安装在第二壳体内腔的顶部，且沿驱动轮行进方向设置；
所述第二固定座能在第二滑轨上滑动，所述第二滑块与第二固定座底部连接。
进一步的，第二缓冲部件包括第三减震弹簧、第四减震弹簧、第三固定片和第四固定片；
所述第三固定片和第四固定片均设于第二壳体上，且第三固定片中心和第四固定片中心连线位于驱动轮行进方向上；
所述第三减震弹簧一端与第三固定片连接，第三减震弹簧另一端能与第三固定片一端抵接；
所述第四减震弹簧一端与第四固定片连接，第四减震弹簧另一端能与第四固定片另一端抵接。
进一步的，驱动轮上设置有第三转轴，所述第三转轴分别与第一连杆和第二连杆连接；
所述底盘上设置有第一穿槽和第二穿槽，所述第一连杆和第二连杆均从第一穿槽穿过；
所述驱动轮从第二穿槽穿过。
本发明还提供了一种机器人，包括上述的缓冲悬挂系统。
本发明的有益效果至少包括以下之一；
1、通过设置的第一缓冲机构和第二缓冲机构，使得驱动轮与第一支撑轮和第二支撑轮能够形成联动，在进行越障时能够增加与地面的摩擦力；
2、同时，在驱动轮行进方向设置缓冲部件，能够吸收机器人行进方向的冲击力；
3、通过特有的连杆结构，当一侧的支撑轮与底座发生相对运动时，另外一侧的支撑轮与底座也发生相对运动，且运动方向和运动距离均与前者相同，不会发生轮子悬空情况，使得支撑轮越障能力提升；
4、当一侧的支撑轮与底座发生相对运动时，驱动轮与底座也发生相对运动且其相对运动方向与前者相反，使得驱动轮越障能力提升；
5、驱动轮与地面的最大静摩擦力随着负载的增大而增大，且不随支撑轮的抬升而减小。
附图说明
图1为一种缓冲悬挂系统结构示意图；
图2为一种缓冲悬挂系统内部结构示意图；
图3为一种缓冲悬挂系统底部结构示意图；
图4为另一视角一种缓冲悬挂系统内部结构示意图；
图5为一种缓冲悬挂系统结构尺寸图；
图6为前支撑轮遇到障碍时受力与各自运动示意图；
图7为前支撑轮越障中的底盘装状态图；
图8为驱动轮遇到障碍时受力与各自运动示意图；
图9为驱动轮越障中的底盘装状态图；
图10为后支撑遇到障碍时受力与各自运动示意图；
图11为后支撑越障时的底盘状态图；
附图标记:1为底盘、2为第一穿槽、3为第二穿槽、4为驱动轮、5为第一支撑轮、6为第二支撑轮、7为第一壳体、8为第二壳体、9为第一连杆、10为第二连杆、11为第一转轴、12为第二转轴、13为第三转轴、14为第一滑块、15为第二滑块、16为第一滑轨、17为第二滑轨、18为第一固定座、19为第二固定座、20为第一减震弹簧、21为第二减震弹簧、22为第一固定片、23为第二固定片、24为第三减震弹簧、25为第四减震弹簧、26为第三固定片、27为第四固定片。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式,本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用,本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用,在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是,在不冲突的情况下,以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
需要说明的是,以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想,遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制,其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变,且其组件布局型态也可能更为复杂。
如图1至图4所示，一种缓冲悬挂系统，包括底盘1，所述底盘1下方设置有第一支撑轮5和第二支撑轮6，且第一支撑轮5和第二支撑轮6分别位于底盘1下方两端，底盘1上设置有驱动轮4，且驱动轮4能在电机带动下转动，驱动轮4位于第一支撑轮5和第二支撑轮6间，其中所述底盘1上设置有第一缓冲机构和第二缓冲机构；
所述第一缓冲机构靠近第一支撑轮5，且第一缓冲机构一端与第一支撑轮5连接，第一缓冲机构另一端与驱动轮4连接；
所述第二缓冲机构靠近第二支撑轮6，且第二缓冲机构一端与第二支撑轮6连接，第二缓冲机构另一端与驱动轮4连接；
当第一支撑轮5或第二支撑轮6越障时，第一缓冲机构和第二缓冲机构对驱动轮4施加向下的力。
这样设计的目的在于，通过设置的第一缓冲机构和第二缓冲机构，使得驱动轮与第一支撑轮和第二支撑轮能够形成联动，在进行越障时能够增加与地面的摩擦力。
同时，本实施例中，提供了一种第一缓冲机构和第二缓冲机构的具体结构，其中第一缓冲机构包括第一壳体7，所述第一壳体7固定于底盘1上，第一壳体7内设置有第一连接部件、第一缓冲部件和第一固定部件；
所述第二缓冲机构包括第二壳体8，所述第二壳体8固定于底盘1上，第二壳体8内设置有第二连接部件、第二缓冲部件和第二固定部件。
其中第一连接部件包括第一连杆9、第一滑块14和第一转轴11；
所述第一连杆9为弯折结构，第一连杆9一端与第一支撑轮5连接，第一连杆9另一端与驱动轮4连接；
所述第一转轴11从第一连杆9的弯折点穿过，并与第一滑块14连接。
第二连接部件包括第二连杆10、第二滑块15和第二转轴12；
所述第二连杆10为弯折结构，第二连杆10一端与第二支撑轮6连接，第二连杆10另一端与驱动轮4连接；
所述第二转轴12从第二连杆10的弯折点穿过，并与第二滑块15连接。
这样设计的目的在于，通过设置的第一连杆、第二连杆、第一转轴和第二转轴，使得第一支撑轮、第二支撑轮和驱动轮形成联动，在行进过程中三者中任一部件发生转动或滑动时，其他两者会进行相应的动作，提升整体越障能力，当一侧的支撑轮与底座发生相对运动时，另外一侧的支撑轮与底座也发生相对运动，且运动方向和运动距离均与前者相同，不会发生轮子悬空情况，使得支撑轮越障能力提升，同时当一侧的支撑轮与底座发生相对运动时，驱动轮与底座也发生相对运动且其相对运动方向与前者相反，使得驱动轮越障能力提升，驱动轮与地面的最大静摩擦力随着负载的增大而增大，且不随支撑轮的抬升而减小。
需要指出的是，第一连杆和第二连杆通常为类“V”形的弯折结构，具有一个明显的弯折点，但是在一部分使用场景中，也可以使用类似有明显拐点的弧形结构代替。
其中，第一固定部件包括第一滑轨16和第一固定座18，所述第一滑轨16安装在第一壳体7内腔的顶部，且沿驱动轮4行进方向设置；
所述第一固定座18能在第一滑轨16上滑动，所述第一滑块14与第一固定座18底部连接。
第二固定部件包括第二滑轨17和第二固定座19，所述第二滑轨17安装在第二壳体8内腔的顶部，且沿驱动轮4行进方向设置；
所述第二固定座19能在第二滑轨17上滑动，所述第二滑块15与第二固定座19底部连接。
这样设计的目的在于，第一缓冲机构和第二缓冲机构实质上是分别通过第一壳体和第二壳体固定在底盘上的，其并不会与底盘发生相对运动，但是由于在实际使用中需要对底盘行进过程中在行进方向的冲击力进行缓解，因此设置了包含滑轨和固定座的固定部件，其中固定座能够在滑轨上移动，并且滑轨设置的方向与底盘行进方向一致。
同时，由于滑块是与固定座连接的，同时第一转轴和第二转轴也分别连接在第一滑块和第二滑块上，因此由连杆、滑块和转轴组成的连接部件能够在壳体内来回移动。
再则，第一缓冲部件包括第一减震弹簧20、第二减震弹簧21、第一固定片22和第二固定片23；
所述第一固定片22和第二固定片23均设于第一壳体7上，且第一固定片22中心和第二固定片23中心连线位于驱动轮4行进方向上；
所述第一减震弹簧20一端与第一固定片22连接，第一减震弹簧20另一端能与第一固定座18一端抵接；
所述第二减震弹簧21一端与第二固定片23连接，第二减震弹簧21另一端能与第一固定座18另一端抵接，
第二缓冲部件包括第三减震弹簧24、第四减震弹簧25、第三固定片26和第四固定片27；
所述第三固定片26和第四固定片27均设于第二壳体8上，且第三固定片26中心和第四固定片27中心连线位于驱动轮4行进方向上；
所述第三减震弹簧24一端与第三固定片26连接，第三减震弹簧24另一端能与第三固定片26一端抵接；
所述第四减震弹簧25一端与第四固定片27连接，第四减震弹簧25另一端能与第四固定片27另一端抵接。
这样设计的目的在于，通过设置在固定座两端的减震弹簧对底盘行进中沿着行进方向因为遇障产生的冲击力进行缓冲。
为了方便阐述这里将第一支撑轮5描述为前支撑轮，将第二支撑轮6描述为后支撑轮，如图5所示，整个底盘在行进中，未遇障时，第一转轴11与第二转轴12的连线，与底盘平行，存在：
其中，
l 1为第一转轴11与第一支撑轮5的连线；
l 2为第二转轴12与第二支撑轮6的连线；
l 3为第一转轴11与第三转轴13的连线；
l 4为第三转轴13与第二转轴12的连线；
α 5为l 1与l 3的夹角；
α 6为l 2与l 4的夹角；
α 1为l 1与底盘1的夹角；
α 2为l 2与底盘1的夹角；
α 3为l 3与底盘1的夹角；
α 4为l 4与底盘1的夹角；
d为支撑轮半径；
D为驱动轮4半径；
如图6和图7所示，第一支撑轮5越障时受力的状态及各移动部件相对底盘的运动方向，在障碍物阻力F时，F可以分解为水平方向分力F h 和竖直方向分力F v ，在合力F作用下，第一连杆9会产生r1方向的转动，从而第一支撑轮5沿着m1方向相对底盘运动，同时在水平分力F h 的作用下，滑块会产生沿着m2方向相对底盘移动，对第一减振弹簧和第二减振弹簧产生作用，在第一连杆9的转动带动下，第三连杆10会产生r2方向的转动，第二支撑轮6沿着m4方向相对底盘运动，在轮子均着地的情况下，底盘产生R方向的抬起动作，有助于第一支撑轮5越障。
如图8和图9所示，第一支撑轮5越障后，驱动轮4进行越障，驱动轮4遇阻受力时各活动部件相对底盘的运动方向，驱动轮4越障时：
根据尺寸条件知，当α 1变动时，第一支撑轮5距离底盘的高度变化为；
第二支撑轮6距离底盘的高度变化为；
驱动轮4的距离底盘的高度变化为；
根据约束条件满足
；
当驱动轮4越障高度时，/>保证底盘水平，同时由于底盘抬升了，满足，得/>；
两个支撑轮抬升的高度小于障碍物高度，同时，即底盘抬升高度小于障碍物高度，节省能量，需要特别指出的是，当/>时，底盘不用抬升，即可实现驱动轮越障。
如图10和图11所示，为第二支撑轮6越障状态图，其具体分析与图6和图7中的第一支撑轮5越障类似，因此不再赘述。
这样通过特有的连杆结构，当一侧的支撑轮与底座发生相对运动时，另外一侧的支撑轮与底座也发生相对运动，且运动方向和运动距离均与前者相同，不会发生轮子悬空情况，使得支撑轮越障能力提升；当一侧的支撑轮与底座发生相对运动时，驱动轮与底座也发生相对运动且其相对运动方向与前者相反，使得驱动轮越障能力提升；驱动轮与地面的最大静摩擦力随着负载的增大而增大，且不随支撑轮的抬升而减小。
本实施例中，驱动轮4上设置有第三转轴13，所述第三转轴13分别与第一连杆9和第二连杆10连接；
所述底盘1上设置有第一穿槽2和第二穿槽3，所述第一连杆9和第二连杆10均从第一穿槽2穿过；
所述驱动轮4从第二穿槽3穿过。
这样设计的目的在于，通过设置的第一穿槽为第一连杆和第二连杆的穿过提供必要的空间，设置第二穿槽用于驱动轮的穿过。
需要指出的是，在一部分使用场景中，存在障碍物的高度高于支撑轮的高度，现有机器人的悬挂系统很难通过，但是本实施例提供的悬挂系统，由于其特殊的结构，整个机构的运动会让前轮收缩上抬，这样就可以更容易越过现有悬挂系统不易越过障碍物了。
最后应说明的是：以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种缓冲悬挂系统，包括底盘（1），所述底盘（1）下方设置有第一支撑轮（5）和第二支撑轮（6），且第一支撑轮（5）和第二支撑轮（6）分别位于底盘（1）下方两端，底盘（1）上设置有驱动轮（4），且驱动轮（4）能在电机带动下转动，驱动轮（4）位于第一支撑轮（5）和第二支撑轮（6）间，其特征在于，所述底盘（1）上设置有第一缓冲机构和第二缓冲机构；
所述第一缓冲机构靠近第一支撑轮（5），且第一缓冲机构一端与第一支撑轮（5）连接，第一缓冲机构另一端与驱动轮（4）连接；
所述第二缓冲机构靠近第二支撑轮（6），且第二缓冲机构一端与第二支撑轮（6）连接，第二缓冲机构另一端与驱动轮（4）连接；
当第一支撑轮（5）或第二支撑轮（6）越障时，第一缓冲机构和第二缓冲机构对驱动轮（4）施加向下的力；所述第一缓冲机构包括第一壳体（7），所述第一壳体（7）固定于底盘（1）上，第一壳体（7）内设置有第一连接部件、第一缓冲部件和第一固定部件；
所述第二缓冲机构包括第二壳体（8），所述第二壳体（8）固定于底盘（1）上，第二壳体（8）内设置有第二连接部件、第二缓冲部件和第二固定部件；所述第一连接部件包括第一连杆（9）、第一滑块（14）和第一转轴（11）；
所述第一连杆（9）为弯折结构，第一连杆（9）一端与第一支撑轮（5）连接，第一连杆（9）另一端与驱动轮（4）连接；
所述第一转轴（11）从第一连杆（9）的弯折点穿过，并与第一滑块（14）连接；所述第一固定部件包括第一滑轨（16）和第一固定座（18），所述第一滑轨（16）安装在第一壳体（7）内腔的顶部，且沿驱动轮（4）行进方向设置；
所述第一固定座（18）能在第一滑轨（16）上滑动，所述第一滑块（14）与第一固定座（18）底部连接。
2.根据权利要求1所述的一种缓冲悬挂系统，其特征在于，所述第一缓冲部件包括第一减震弹簧（20）、第二减震弹簧（21）、第一固定片（22）和第二固定片（23）；
所述第一固定片（22）和第二固定片（23）均设于第一壳体（7）上，且第一固定片（22）中心和第二固定片（23）中心连线位于驱动轮（4）行进方向上；
所述第一减震弹簧（20）一端与第一固定片（22）连接，第一减震弹簧（20）另一端能与第一固定座（18）一端抵接；
所述第二减震弹簧（21）一端与第二固定片（23）连接，第二减震弹簧（21）另一端能与第一固定座（18）另一端抵接。
3.根据权利要求2所述的一种缓冲悬挂系统，其特征在于，所述第二连接部件包括第二连杆（10）、第二滑块（15）和第二转轴（12）；
所述第二连杆（10）为弯折结构，第二连杆（10）一端与第二支撑轮（6）连接，第二连杆（10）另一端与驱动轮（4）连接；
所述第二转轴（12）从第二连杆（10）的弯折点穿过，并与第二滑块（15）连接。
4.根据权利要求3所述的一种缓冲悬挂系统，其特征在于，所述第二固定部件包括第二滑轨（17）和第二固定座（19），所述第二滑轨（17）安装在第二壳体（8）内腔的顶部，且沿驱动轮（4）行进方向设置；
所述第二固定座（19）能在第二滑轨（17）上滑动，所述第二滑块（15）与第二固定座（19）底部连接。
5.根据权利要求4所述的一种缓冲悬挂系统，其特征在于，所述第二缓冲部件包括第三减震弹簧（24）、第四减震弹簧（25）、第三固定片（26）和第四固定片（27）；
所述第三固定片（26）和第四固定片（27）均设于第二壳体（8）上，且第三固定片（26）中心和第四固定片（27）中心连线位于驱动轮（4）行进方向上；
所述第三减震弹簧（24）一端与第三固定片（26）连接，第三减震弹簧（24）另一端能与第三固定片（26）一端抵接；
所述第四减震弹簧（25）一端与第四固定片（27）连接，第四减震弹簧（25）另一端能与第四固定片（27）另一端抵接。
6.根据权利要求5所述的一种缓冲悬挂系统，其特征在于，所述驱动轮（4）上设置有第三转轴（13），所述第三转轴（13）分别与第一连杆（9）和第二连杆（10）连接；
所述底盘（1）上设置有第一穿槽（2）和第二穿槽（3），所述第一连杆（9）和第二连杆（10）均从第一穿槽（2）穿过；
所述驱动轮（4）从第二穿槽（3）穿过。
7.一种机器人，其特征在于，包含如权利要求1至6中任一权利要求所述的缓冲悬挂系统。
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