CN206123631U

CN206123631U - 一种驱动装置和移动机器人

Info

Publication number: CN206123631U
Application number: CN201621117432.1U
Authority: CN
Inventors: 肖海宁; 楼佩煌; 刘黎明; 郭大宏; 杨雷; 张炯; 武星; 钱晓明; 任耀庆; 熊新; 郑竹安
Original assignee: Yangcheng Institute of Technology
Current assignee: Yangcheng Institute of Technology; Yancheng Institute of Technology
Priority date: 2016-10-12
Filing date: 2016-10-12
Publication date: 2017-04-26
Anticipated expiration: 2026-10-12

Abstract

本实用新型提供了一种驱动装置和移动机器人，属于全方位轮式移动机器人领域，驱动装置包括气囊、输气装置和多个驱动机构，驱动机构包括动力机构和气缸，动力机构安装于气缸的输出端，多个气缸的输入端分别与气囊连接，输气装置与气囊连通，输气装置用于控制气囊内气体的多少；移动机器人包括机器人主体和如上的驱动装置，驱动装置安装于机器人主体的底部。本实用新型提供的移动机器人中的驱动装置将多个驱动机构同时与一个气囊连接，气囊与气缸相通，在动力机构与地面接触时，在气囊和气缸的作用下，各个动力机构与地面接触时的压力都相同，便于提高各动力机构的同步驱动效果。

Description

一种驱动装置和移动机器人

技术领域

本实用新型涉及全方位轮式移动机器人领域，具体而言，涉及一种驱动装置和移动机器人。

背景技术

全方位轮式移动机器人在二维平面具有三个自由度，可沿任意方向同时作平动和转动，具备在不改变车体姿态的情况下实现向任意方向移动的能力，非常适合应用于空间狭窄或者对机器人机动性要求高的场合，如工业中搬运小车机器人、全方位移动轮椅等。为了有效缓冲因地面不平整性对机器人车身造成的震动冲击，提高机器人运行的平稳性，目前大部分应用是在车身与全方位轮之间增加弹性减震装置，如：弹簧，或基于弹簧的减震装置。

发明人在研究中发现，现有的机器人至少存在以下缺点：现有的机器人各个驱动轮的载荷分布不均匀，导致各驱动轮的驱动力存在较大差异，影响了全方位移动机器人的移动性能。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种驱动装置，以改善现有机器人的各个驱动轮的载荷分布不均匀，导致各驱动轮的驱动力存在较大差异，影响了全方位移动机器人的移动性能的问题。

本实用新型的目的还在于提供一种移动机器人，以改善现有机器人的各个驱动轮的载荷分布不均匀，导致各驱动轮的驱动力存在较大差异，影响了全方位移动机器人的移动性能的问题。

本实用新型是这样实现的：

基于上述目的，本实用新型提供了一种驱动装置，包括气囊、输气装置和多个驱动机构，所述驱动机构包括动力机构和气缸，所述动力机构安装于所述气缸的输出端，多个所述气缸的输入端分别与所述气囊连接，所述输气装置与所述气囊连通，所述输气装置用于控制所述气囊内气体的多少。

本实用新型提供的驱动装置将多个驱动机构同时与一个气囊连接，气囊与气缸相通，在动力机构与地面接触时，在气囊和气缸的作用下，各个动力机构与地面接触时的压力都相同，便于提高各动力机构的同步驱动效果，同时，气囊还能够有效缓冲凹凸地面造成的震动与冲击，保证机器人车身运行的平稳性。

进一步地，所述输气装置包括输气机构、高压罐、减压阀和溢流阀，所述输气机构的输出端与所述高压罐连接，所述减压阀与所述高压罐连通，所述减压阀和所述溢流阀分别通过管路与所述气囊连接。

输气机构先将气体送入高压罐内储存，减压阀与溢流阀通过管路与气囊直接连接，能将气囊中的气压控制在减压阀与溢流阀的设定压强之间，四个气缸分别于气囊连接后，通过控制气囊内气体的压强，可以自动调节各个气缸的推出距离，动力机构与地面接触时，地面给动力机构提供的支持力等于驱动装置本身的重力和气囊压力之和，由于驱动装置本身的重力是不会改变的，因此通过控制气囊内的压力就可以控制动力机构与地面之间的作用力，也就控制了动力机构与地面之间的摩擦力。

进一步地，所述输气机构包括气泵电机、气泵、单向阀，所述气泵电机与所述气泵连接，所述气泵与所述单向阀连接，所述单向阀与所述高压罐连接。

气泵电机可以将气体泵入高压罐内，而单向阀可以使气体在高压罐和气泵这一方向上只进不出，避免气体泄漏，保证高压罐内随时具有足够的压力。

进一步地，所述输气装置还包括空气过滤器，所述控制过滤器安装于所述输气机构与所述高压罐之间。

空气过滤器可以对空气进行过滤，经空气过滤系统过滤后的空气作为工作介质，即使气体泄露也不会对环境造成污染。

进一步地，所述气缸为双杆气缸。

双轴杆气缸有效行程较大，其产生的下压力能够保证各全方位驱动轮在崎岖路面不会悬空，始终保持驱动力的有效性，双杆气缸的输出轴为两根，因此双杆气缸在工作时更加的稳定，同时双杆气缸的行程较大，当地面崎岖的程度较大时也可以保证驱动机构与地面接触，避免驱动机构悬空的情况发生，从而避免打滑。

进一步地，所述驱动机构设置为四个。

四个驱动机构中相邻的驱动机构的驱动方向相互垂直，且各个驱动机构的驱动方向均位于同一平面内，前、后、左和右四个方向的驱动已经可以使驱动装置向各个方向运动，而且由于四个双杆气缸连接在同一气囊上，能够保证各驱动机构的承载始终一致，便于提高各驱动机构的同步驱动效果。

基于上述的第二目的，本实用新型还提供了一种移动机器人，包括机器人主体和如上所述的驱动装置，所述驱动装置安装于所述机器人主体的底部。

本实用新型提供的移动机器人中的驱动装置将多个驱动机构同时与一个气囊连接，气囊与气缸相通，在动力机构与地面接触时，在气囊和气缸的作用下，各个动力机构与地面接触时的压力都相同，便于提高各动力机构的同步驱动效果，同时，气囊还能够有效缓冲凹凸地面造成的震动与冲击，保证移动机器人车身运行的平稳性。

进一步地，所述机器人主体包括底座和多个辅助万向轮，多个所述辅助万向轮沿所述底座的周向间隔设置，所述气囊与所述输气装置分别安装在所述底座内，多个所述驱动机构沿所述底座的周向间隔设置。

多个辅助万向轮使移动机器人在移动时更加的平稳。

进一步地，所述辅助万向轮包括安装板、第一连接件、第二连接件、脚轮和可控弹性件，所述安装板安装在所述底座的底部，所述第一连接件与所述安装板转动连接，所述第一连接件沿垂直于所述底座的板面的方向相对于所述安装板转动，所述第二连接件与所述第一连接件转动连接，所述第二连接件沿平行于所述底座的板面的方向相对于所述第一连接件转动，所述脚轮安装于所述第二连接件，所述可控弹性件的一端与所述第一连接件连接，所述可控弹性件的另一端与所述第二连接件连接。

可控弹性件可以起到减震的效果，能有效缓冲凹凸地面对车身的震动与冲击，可提高车身运行的平稳性。

进一步地，所述可控弹性件包括螺母、螺栓和呈压缩状态的弹簧，所述螺母固定在所述第一连接件上，所述螺栓与所述第二连接件转动连接，且所述螺栓螺接于所述螺母；所述弹簧套设于所述螺栓，且所述弹簧的一端与所述螺母连接，所述弹簧的另一端与所述第二连接件连接。

拧动螺栓，可以控制第二连接件与螺母之间的距离，当第二连接件与螺母的距离较大时，弹簧的弹力较小，当第二连接件与螺母之间的距离较小时，弹簧的弹力较大。

与现有技术相比，本实用新型实现的有益效果是：

附图说明

图1示出了本实用新型实施例1提供的输气装置的示意图；

图2示出了本实用新型实施例1提供的驱动装置的示意图；

图3示出了本实用新型实施例2提供的移动机器人的示意图；

图4示出了本实用新型实施例2提供的辅助万向轮的示意图；

图5示出了本实用新型实施例2提供的移动机器人的受力分析图。

图标：101-气泵电机；102-气泵；103-单向阀；104-高压罐；105-减压阀；106-溢流阀；107-气囊；108-气缸；109-动力机构；110-输气装置；111-底座；112-辅助万向轮；113-安装板；114-第一连接件；115-第二连接件；116-脚轮；117-螺母；118-弹簧；119-螺栓。

具体实施方式

全方位轮式移动机器人在二维平面具有三个自由度，可沿任意方向同时作平动和转动，具备在不改变车体姿态的情况下实现向任意方向移动的能力，非常适合应用于空间狭窄或者对机器人机动性要求高的场合，如工业中搬运小车机器人、全方位移动轮椅等。为了有效缓冲因地面不平整性对机器人车身造成的震动冲击，提高机器人运行的平稳性，目前大部分应用是在车身与全方位轮之间增加弹性减震装置，如：弹簧，或基于弹簧的减震装置。发明人在研究中发现，现有的机器人至少存在以下缺点：现有的机器人各个驱动轮的载荷分布不均匀，导致各驱动轮的驱动力存在较大差异，影响了全方位移动机器人的移动性能。

为了使上述问题得到改善，本实用新型提供了一种驱动装置，包括气囊、输气装置和多个驱动机构，所述驱动机构包括动力机构和气缸，所述动力机构安装于所述气缸的输出端，多个所述气缸的输入端分别与所述气囊连接，所述输气装置与所述气囊连通，所述输气装置用于控制所述气囊内气体的多少。

本实用新型还提供了一种移动机器人，包括机器人主体和如上所述的驱动装置，所述驱动装置安装于所述机器人主体的底部。

下面通过具体的实施例子并结合附图对本实用新型做进一步的详细描述。

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，上面结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行了清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本实用新型实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以上对在附图中提供的本实用新型的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本实用新型的范围，而是仅仅表示本实用新型的选定实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“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，或者是该实用新型产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，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实用新型的限制。此外，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。

在本实用新型的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“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实用新型中的具体含义。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本实用新型中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

实施例1

参照图1和图2，本实施例提供了一种驱动装置，包括气囊107、输气装置110和多个驱动机构，驱动机构包括动力机构109和气缸108，动力机构109安装于气缸108的输出端，多个气缸108的输入端分别与气囊107连接，输气装置110与气囊107连通，输气装置110用于控制气囊107内气体的多少。

本实施例提供的驱动装置将多个驱动机构同时与一个气囊107连接，气囊107与气缸108相通，在动力机构109与地面接触时，在气囊107和气缸108的作用下，各个动力机构109与地面接触时的压力都相同，便于提高各动力机构109的同步驱动效果，同时，气囊107还能够有效缓冲凹凸地面造成的震动与冲击，保证机器人车身运行的平稳性。

其中，动力机构109中的滚轮可以采用Omni轮。omni wheel能够在许多不同的方向移动，左右车轮的小光盤将全力推出，但也将极大的方便横向滑动。这是一个建立完整的驱动器的方法。全轮可以像一个正常的车轮或使用滚轮的辊侧向滚动。

输气装置110包括输气机构、高压罐104、减压阀105和溢流阀106，输气机构的输出端与高压罐104连接，减压阀105与高压罐104连通，减压阀105和溢流阀106分别通过管路与气囊107连接。

输气机构先将气体送入高压罐104内储存，减压阀105与溢流阀106通过管路与气囊107直接连接，能将气囊107中的气压控制在减压阀105与溢流阀106的设定压强之间，四个气缸108分别于气囊107连接后，通过控制气囊107内气体的压强，可以自动调节各个气缸108的推出距离，动力机构109与地面接触时，地面给动力机构109提供的支持力等于驱动装置本身的重力和气囊107压力之和，由于驱动装置本身的重力是不会改变的，因此通过控制气囊107内的压力就可以控制动力机构109与地面之间的作用力，也就控制了动力机构109与地面之间的摩擦力。

输气机构包括气泵电机101、气泵102、单向阀103，气泵电机101与气泵102连接，气泵与单向阀103连接，单向阀103与高压罐104连接。气泵电机101可以将气体泵入高压罐104内，而单向阀103可以使气体在高压罐104和气泵102这一方向上只进不出，避免气体泄漏，保证高压罐104内随时具有足够的压力。

输气装置110还包括空气过滤器，控制过滤器安装于输气机构与高压罐104之间。空气过滤器可以对空气进行过滤，经空气过滤系统过滤后的空气作为工作介质，即使气体泄露也不会对环境造成污染。

其中，气缸108可以是双杆气缸108。双轴杆气缸108有效行程较大，其产生的下压力能够保证各全方位驱动轮在崎岖路面不会悬空，始终保持驱动力的有效性，双杆气缸108的输出轴为两根，因此双杆气缸108在工作时更加的稳定，同时双杆气缸108的行程较大，当地面崎岖的程度较大时也可以保证驱动机构与地面接触，避免驱动机构悬空的情况发生，从而避免打滑。

作为本实施例的优选方案，驱动机构可以设置为四个。四个驱动机构中相邻的驱动机构的驱动方向相互垂直，且各个驱动机构的驱动方向均位于同一平面内，前、后、左和右四个方向的驱动已经可以使驱动装置向各个方向运动，而且由于四个双杆气缸108连接在同一气囊107上，能够保证各驱动机构的承载始终一致，便于提高各驱动机构的同步驱动效果。

实施例2

参照图3至图5，本实施例提供了一种移动机器人，包括机器人主体和如上的驱动装置，驱动装置安装于机器人主体的底部。

本实施例提供的移动机器人中的驱动装置将多个驱动机构同时与一个气囊107连接，气囊107与气缸108相通，在动力机构109与地面接触时，在气囊107和气缸108的作用下，各个动力机构109与地面接触时的压力都相同，便于提高各动力机构109的同步驱动效果，同时，气囊107还能够有效缓冲凹凸地面造成的震动与冲击，保证移动机器人车身运行的平稳性。

机器人主体包括底座111和多个辅助万向轮112，多个辅助万向轮112沿底座111的周向间隔设置，气囊107与输气装置110分别安装在底座111内，多个驱动机构沿底座111的周向间隔设置。多个辅助万向轮112使移动机器人在移动时更加的平稳。

作为本实施例的优选方案，辅助万向轮112可以设置为四个，在装配时四个辅助万向轮112模块等高固定于底座111的四角，通过调节弹簧118刚度调节螺母117，使各辅助万向轮112与地面接触刚度一致。然后测量各辅助万向轮112的承受载荷，计算确定底座111的重心，将四个动力机构109以90度间隔均匀等高安装于底座111重心周围，确保当各全方位驱动轮模块中双轴气缸108一半左右的行程时全方位轮与各脚轮116位于同一安装平面。

辅助万向轮112包括安装板113、第一连接件114、第二连接件115、脚轮116和可控弹性件，安装板113安装在底座111的底部，第一连接件114与安装板113转动连接，第一连接件114沿垂直于底座111的板面的方向相对于安装板113转动，第二连接件115与第一连接件114转动连接，第二连接件115沿平行于底座111的板面的方向相对于第一连接件114转动，脚轮116安装于第二连接件115，可控弹性件的一端与第一连接件114连接，可控弹性件的另一端与第二连接件115连接。可控弹性件可以起到减震的效果，能有效缓冲凹凸地面对车身的震动与冲击，可提高车身运行的平稳性。

可控弹性件包括螺母117、螺栓119和呈压缩状态的弹簧118，螺母117固定在第一连接件114上，螺栓119与第二连接件115转动连接，且螺栓119螺接于螺母117；弹簧118套设于螺栓119，且弹簧118的一端与螺母117连接，弹簧118的另一端与第二连接件115连接。拧动螺栓119，可以控制第二连接件115与螺母117之间的距离，当第二连接件115与螺母117的距离较大时，弹簧118的弹力较小，当第二连接件115与螺母117之间的距离较小时，弹簧118的弹力较大。

驱动装置调节方法如下，承载后的机器人位于坡道时的受力分析图如图5所示，假定底座111载荷为G，每个驱动机构承受的载荷为F_N,移动机器人所需最大爬坡角度为θ，辅助万向轮112与地面间的滚动摩擦系数为u_w则四个辅助万向轮112所受滚动摩擦总阻力f_w为：

f_w＝u_wF_G＝u_w(Gcosθ-4F_N) (1)

搬运机器人爬坡的驱动力由两个动力机构109提供，另外两个动力机构109的圆周上的辊轮存在与地面的滚动摩擦阻力f_k，假定辊轮与地面的滚动摩擦系数为u_k,则有：

f_k＝2u_kF_N (2)

假定移动机器人位于坡道所需加速度为a，移动机器人承载后的质量为m，移动机器人自身重力沿坡道方向的分力为F_s(爬坡阻力)，移动机器人所需驱动力F_D，则根据牛顿运动学第二定律有：

F_D＝＝f_w+f_k+F_S+ma＝u_wGcosθ+Gsinθ+ma+(2u_k-4u_w)F_N (3)

此驱动力由两个动力机构109与地面的最大静摩擦力提供，动力机构109表面摩擦系数为u_q，则每个动力机构109与地面所需最小压力F_N为：

F_N＝F_D/2u_q (4)

联立(3)(4)式可知：

F_N＝(u_wGcosθ+Gsinθ+ma)/(4u_w+2u_q-2u_k) (5)

F_D＝2u_q(u_wGcosθ+Gsinθ+ma)/(4u_w-2u_k+2u_q) (6)

F_N由双杆气缸108的下压力提供，双杆气缸108的假定面积为S,则双杆气缸108最小工作压强P_E为：

P_E＝F_N/A＝(u_wGcosθ+Gsinθ+ma)/(4u_w+2u_q-2u_k)A (7)

因此，为了保证移动机器人负载爬坡所需的驱动力，应该调节驱动机构的减压阀105使其设定压强P_D大于双杆气缸108最小工作压强P_E，当气囊107的压强低于P_D时，减压阀105将打开，由高压罐104向气囊107快速充气直至气囊107压强恢复至P_D以上。

由于动力机构109圆周上的辊轮与地面间的滚动摩擦系数u^k远大于脚轮116与地面间的滚动摩擦系数为u_w,因此式中(2u_k-4u_w)大于0，因而降低动力机构109承受的载荷为F_N，能够有效降低移动机器人所需驱动力，继而降低驱动电机的额定转矩和功率，由式(7)可知，增加驱动轮表面摩擦系数u_q，可有效降低动力机构109与地面所需最小压力F_N,从而达到降低驱动系统功耗的目的。另外，应该在综合考虑地面崎岖程度的情况下，尽量降低输气装置110溢流阀106的设定压强P_k，当储能气囊107的压强高于P_k时，溢流阀106将开启泄压，直至气囊107压强恢复至P_k以下。

综上所述，本实用新型提供的驱动装置将多个驱动机构同时与一个气囊连接，气囊与气缸相通，在动力机构与地面接触时，在气囊和气缸的作用下，各个动力机构与地面接触时的压力都相同，便于提高各动力机构的同步驱动效果，同时，气囊还能够有效缓冲凹凸地面造成的震动与冲击，保证机器人车身运行的平稳性。

以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims

1.一种驱动装置，其特征在于，包括气囊、输气装置和多个驱动机构，所述驱动机构包括动力机构和气缸，所述动力机构安装于所述气缸的输出端，多个所述气缸的输入端分别与所述气囊连接，所述输气装置与所述气囊连通，所述输气装置用于控制所述气囊内气体的多少。

2.根据权利要求1所述的驱动装置，其特征在于，所述输气装置包括输气机构、高压罐、减压阀和溢流阀，所述输气机构的输出端与所述高压罐连接，所述减压阀与所述高压罐连通，所述减压阀和所述溢流阀分别通过管路与所述气囊连接。

3.根据权利要求2所述的驱动装置，其特征在于，所述输气机构包括气泵电机、气泵、单向阀，所述气泵电机与所述气泵连接，所述气泵与所述单向阀连接，所述单向阀与所述高压罐连接。

4.根据权利要求3所述的驱动装置，其特征在于，所述输气装置还包括空气过滤器，所述控制过滤器安装于所述输气机构与所述高压罐之间。

5.根据权利要求1所述的驱动装置，其特征在于，所述气缸为双杆气缸。

6.根据权利要求1所述的驱动装置，其特征在于，所述驱动机构设置为四个。

7.一种移动机器人，其特征在于，包括机器人主体和如权利要求1至6任一项所述的驱动装置，所述驱动装置安装于所述机器人主体的底部。

8.根据权利要求7所述的移动机器人，其特征在于，所述机器人主体包括底座和多个辅助万向轮，多个所述辅助万向轮沿所述底座的周向间隔设置，所述气囊与所述输气装置分别安装在所述底座内，多个所述驱动机构沿所述底座的周向间隔设置。

9.根据权利要求8所述的移动机器人，其特征在于，所述辅助万向轮包括安装板、第一连接件、第二连接件、脚轮和可控弹性件，所述安装板安装在所述底座的底部，所述第一连接件与所述安装板转动连接，所述第一连接件沿垂直于所述底座的板面的方向相对于所述安装板转动，所述第二连接件与所述第一连接件转动连接，所述第二连接件沿平行于所述底座的板面的方向相对于所述第一连接件转动，所述脚轮安装于所述第二连接件，所述可控弹性件的一端与所述第一连接件连接，所述可控弹性件的另一端与所述第二连接件连接。

10.根据权利要求9所述的移动机器人，其特征在于，所述可控弹性件包括螺母、螺栓和呈压缩状态的弹簧，所述螺母固定在所述第一连接件上，所述螺栓与所述第二连接件转动连接，且所述螺栓螺接于所述螺母；所述弹簧套设于所述螺栓，且所述弹簧的一端与所述螺母连接，所述弹簧的另一端与所述第二连接件连接。