CN209274755U - 一种机器人用全地形和全向式驱动轮结构 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种机器人用全地形和全向式驱动轮结构，由本体支撑台、动力驱动组件、转向驱动组件、减震组件、轮系组件组成，动力驱动组件、转向驱动组件、减震组件安装于本体支撑台上，轮系组件安装固定于本体支撑台的下方。通过使用动力驱动组件，使全向驱动轮动力响应更快、机械传递损失更小且驱动轮驱动精度更高；采用转向驱动组件，实现变位置下的动力传递，同时采用传动轴定位弹簧，保证了传动轴在轴套间的位置均匀性，更大范围下实现驱动轮避障功能；采用减震组件，实现驱动轮和本体平台间的减震避震，提高了驱动轮的避震性能和越障行性能；大大简化驱动轮结构的复杂度，提高驱动轮集成度、控制精度，降低驱动轮重量。

Description

一种机器人用全地形和全向式驱动轮结构

技术领域

本实用新型属于驱动装置技术领域，具体涉及一种机器人用全地形和全向式驱动轮结构。

背景技术

全向移动平台是指能够沿XY两方向运动且可实现原地旋转的平台，具有转向空间小、机动灵活性好、操控方便、运动平稳等优点，为电商物流、工厂物料搬运、军事排爆和家庭服务等行业提供了一个完美的解决方案。全向移动平台因其具有在不改变自身姿态的前提下向任意方向运动的能力，即具有在平面上3个或者3个以上的运动自由度，运动灵活性更高，非常适合在狭窄或空间受限的区域运行。

目前实现轮系全向运动通常所采用的全向移动机构有球轮、麦克纳母轮、万向轮或是基于它们的变形产品。

(1)球轮结构技术方案

例如申请号为201110421107.X的专利“基于球轮全向驱动的运动平台”，涉及一种能够自主运动的智能运动平台，特别涉及一种通过控制三个球轮的运动从而实现平台整体的全向运动的机构，属于电机驱动、传感器测距、无线通讯和自动控制技术领域；具体包括三套同样的球轮驱动机械结构和三个电机驱动器、环境感知系统和平台控制系统；平台主控制模块处理得出控制指令，发给电机驱动器控制模块，球轮在驱动电机的控制下滚动，实现平台的运动。该发明基于球体滚动的全向性原理，可实现人工操控与自主运行两种工作模式，以及单平台运行和多平台运行方式，具有体积小，平衡性好，运动行为表现力突出，快速机动和全向运动性的特点。相似的还有申请号为201280035387.3的专利“全向运动平台”。

球形轮一般采用磁性或其它方式，对球轮进行完全控制，从而实现轮子在XY方向上全向运动。但是球形轮控制起来较难，实际使用中很少采用，目前较多的存在于概念产品中，例如奥迪的球形轮胎机构等。

(2)麦克纳母轮结构技术方案

申请号为201611060832.8的专利公布了“一种全向移动平台”，包括车体框架、摆动组件、摆动车桥以及减震器，所述摆动组件固定在车体框架底部，所述摆动车桥通过所述摆动组件可相对所述车体框架底部上下摆动的安装在所述车体框架上；所述摆动车桥包括与所述摆动组件连接的中间部分和位于中间部分两侧的摆臂，所述中间部分与所述摆动组件连接，所述摆臂远离所述中间部分的端部安装有车轮；所示减震器一端与所述车体框架连接，另一端与所述摆臂连接。该移动平台，在地面不平的情况下，也能够使得全向移动平台平稳作业，同时使用寿命较长。

相似的，还有申请号为201620216799.2的专利公布了“一种全向移动平台的独立悬挂机构”，包括麦克纳姆轮、过渡轴组件、法兰安装基板、导轨滑块、悬挂安装基板、油气混合弹簧安装座和油气混合弹簧。本实用新型通过采用油气混合弹簧和导轨滑块，可以根据地面的不平整性，调整麦克纳姆轮的高度，从而时刻保证麦克纳姆轮都可以与地面充分接触，使得所有的麦克纳姆轮受力均匀，确保平稳运行，可以让麦克纳姆轮更好的适应地面的不平整性，通过采用油气混合弹簧，可自适应调整麦克纳姆轮离地高度，结构简单，系统稳定，便于维护。

麦克纳母轮因其设计和控制都较简单，在全向移动产品中使用较为广泛。但是因为它与地面的接触点不连续，而且只有一个可控运动自由度，导致运行中会引起打滑和噪音，造成运动效率低。由于正交轮在运动过程中两个轮子是交替接触地面的，这就导致在运动过程中每个轮子所承受的压力变化大，从而影响与地面接触的摩擦力，影响轮子转动速度，不能保证车体运动速度的平稳性；此外麦克纳姆轮的滚子之间存在间隙，容易产生振动或打滑，导致能量损失严重，造成车体不稳定，无法保证位置精确度，而且这种轮子对加工设计有很高要求，从而导致使用成本高。

(3)万向轮结构技术方案

该类方案中，一般采用将驱动电机直接安装在驱动轮轮毂上以简化结构。

例如申请号为201310019276.X的专利公布了“一种全向转向可升降的农用遥控移动机器人平台”，涉及全向转向可升降的农用遥控移动机器人平台。该平台由全向转向机构、液压升降系统、车架台、车载电子设备、行走机构组成。全向转向装置由伺服电机驱动，通过小齿轮、大齿轮，将动力传给转向套，然后传递给车轮支架和轮毂电机式车轮，实现全向转向。其优点是：驱动电机和液压升降独立运动，可实现360度原地回转的同时调整车身的高度，以适应不同高度的农作物和地形环境；转向时转向阻力矩小，转向轻松灵活；采用轮毂电机车轮，电机和车轮一体，简化了平台结构。

相似的还有申请号为201510206463.8专利“一种全向移动平台”，申请号为201510299730.0公布的“一种具有全向运动的运输车”，申请号为201610300370.6公布的“全向移动平台及其舵轮和驱动轮”，还有申请号为201711141193.2公布的“一种机电一体式新型全向结构轮装置”等。

万向轮式的机构一般结构冗余复杂，可集成度差，由于存在驱动和转向电机，很难实现悬挂减震功能，无法实现全地形避震越障功能。更重要的是，目前万向轮方案中，一般采用将驱动电机直接安装在驱动轮轮毂上以简化结构，但同样会增加万向轮重量，不利于轮系减重提速、增加越障性能，同时也会带来能耗增加等弊端。而通过链条或传送带进行动力传输的方案中，存在动力延迟、扭矩传递间隙过大的缺点，机器人移动响应速度慢、精度低，不利于提高机器人运动灵活性、高机动性和高精度性。

总的来说，目前尚未见结构精简、动力响应速度快、避震和越障性能强的万向轮驱动相关机构或方案。

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种机器人用全地形和全向式驱动轮结构，解决目前全向轮驱动机构体积大、集成度低、无法避震越障难题。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：一种机器人用全地形和全向式驱动轮结构，由本体支撑台、动力驱动组件、转向驱动组件、减震组件、轮系组件组成，动力驱动组件、转向驱动组件、减震组件安装于本体支撑台上，轮系组件安装固定于本体支撑台的下方。

具体的，所述本体支撑台包括支撑骨架、上连接块，上连接块固定于支撑骨架顶部，上连接块上连接固定转向驱动组件与减震组件，支撑骨架的侧面连接固定动力驱动组件，支撑骨架的下端面连接固定轮系组件。

具体的，所述动力驱动组件包括动力驱动电机、锥形驱动齿轮、锥形从动齿轮、动力齿轮箱，动力驱动电机通过支架固定在支撑骨架侧面，动力驱动电机的转轴连接动力齿轮箱的输入轴，动力齿轮箱的输出轴与锥形驱动齿轮连接，锥形驱动齿轮和锥形从动齿轮啮合。

具体的，所述转向驱动组件由转向驱动电机、主传动连轴套、从传动联轴套、动力传动轴、传动轴上定位弹簧、传动轴下定位弹簧、传动主齿轮、传动副齿轮、转向轴承、转向齿轮箱、转动连接轴组成。

具体的，所述转向驱动电机安装在上连接块上，转向驱动电机的转轴连接转向齿轮箱的输入轴，转向齿轮箱的输出轴通过主传动连轴套连接动力传动轴，动力传动轴通过从传动联轴套连接固定转动连接轴，固定转动连接轴连接传动主齿轮，传动主齿轮安装在转向齿轮箱的输出轴上，传动主齿轮与传动副齿轮啮合连接，传动副齿轮固定在上连接块上端面处，并且与转向轴承连接。

具体的，所述动力传动轴与主传动连轴套之间设有传动轴上定位弹簧，动力传动轴与从传动联轴套之间设有传动轴下定位弹簧。优选的，传动轴上定位弹簧的弹性系数大于传动轴下定位弹簧的弹性系数。

具体的，所述减震组件包括减震主滑筒、减震副滑筒、减震器，减震主滑筒上端与上连接块下端面连接固定，减震主滑筒的下端插入减震副滑筒内，并能在减震副滑筒内上下滑动，减震副滑筒的下端与支撑骨架上端面连接固定，减震器设置在减震副滑筒内部，减震器与减震主滑筒下端面接触提供弹性支撑。

具体的，所述轮系组件包括万向轮、轮系转轴、轮系轴承，万向轮通过轮系转轴安装在轮系轴承上，轮系轴承固定在支撑骨架下端，轮系转轴与锥形从动齿轮连接固定。

本实用新型具有以下有益效果：

1)通过使用动力驱动组件，将动力驱动电机通过齿轮机构直接将动力传递至全向轮上，使全向驱动轮动力响应更快、机械传递损失更小且驱动轮驱动精度更高。

2)采用转向驱动组件，将动力通过传动轴传递至驱动轮系统上，实现变位置下的动力传递，保证了减震系统的工作效果；同时采用传动轴定位弹簧，保证了传动轴在轴套间的位置均匀性，更大范围下实现驱动轮避障功能。

3)采用减震组件，实现驱动轮和本体平台间的减震避震，提高了驱动轮的避震性能和越障行性能，更好的保护平台设备。

4)大大简化驱动轮结构的复杂度，提高驱动轮集成度、控制精度，降低驱动轮重量。

附图说明

图1是本实用新型驱动轮结构的立体结构示意图。

图2是本实用新型驱动轮结构的主视结构示意图。

图3是本实用新型驱动轮结构的左视结构示意图。

图4是本实用新型驱动轮结构的右视结构示意图。

图5是本实用新型驱动轮结构的俯视结构示意图。

图6是本实用新型驱动轮结构中转向驱动组件和减震组件的剖面立体结构示意图。

图7是本实用新型驱动轮结构中转向驱动组件和减震组件的剖面主视结构示意图。

具体实施方式

现在结合附图对本实用新型作进一步详细的说明。

如图1、2所示，一种机器人用全地形和全向式驱动轮结构，由本体支撑台1、动力驱动组件2、转向驱动组件3、减震组件4、轮系组件5组成，动力驱动组件2、转向驱动组件3、减震组件4安装于本体支撑台1上，轮系组件5安装固定于本体支撑台1的下方。

本体支撑台1为系统的支撑载体，如图3、4所示，本体支撑台1包括支撑骨架11、上连接块12。支撑骨架11为合金材料或碳纤维材料，外形呈现L形，有一定宽度，侧面连接固定动力驱动组件2，下端侧面连接固定轮系组件5。上连接块12为平板结构，用以支撑固定转向驱动组件3与减震组件4。

如图4所示，动力驱动组件2包括动力驱动电机21、锥形驱动齿轮22、锥形从动齿轮23、动力齿轮箱24。

动力驱动电机21为直流或伺服电机，通过支架固定在支撑骨架11侧面，其转轴连接动力齿轮箱24的输入轴，动力齿轮箱24的输出轴与锥形驱动齿轮22连接，动力齿轮箱24主要实现转速和扭矩变换功能，锥形驱动齿轮22、锥形从动齿轮23均为伞形齿轮，锥形驱动齿轮22与锥形从动齿轮23啮合，实现动力传输，锥形从动齿轮23与轮系转轴52连接固定。

动力驱动组件2主要通过动力驱动电机21的动力输出，由动力齿轮箱24变换后，经锥形驱动齿轮22和锥形从动齿轮23的啮合作用，将动力传输至轮系转轴52，最终作用至万向轮51上。通过改变动力驱动电机21的正反转，从而改变万向轮51的正转或反转。

如图4-7所示，转向驱动组件3包括：转向驱动电机31、主传动连轴套32、从传动联轴套33、动力传动轴34、传动轴上定位弹簧35、传动轴下定位弹簧36、传动主齿轮37、传动副齿轮38、转向轴承39、转向齿轮箱310、转动连接轴311。

转向驱动电机31为直流、伺服或步进电机，安装在上连接块12的上端，转轴连接转向齿轮箱310的输入轴，转向齿轮箱310主要实现转速和扭矩变换功能。

主传动连轴套32为圆柱结构，具有一定高度，上端面内设置圆孔，用以连接固定转向齿轮箱310的输出轴；下端面内设置方形孔，用以连接动力传动轴34。

从传动联轴套33同样为圆柱结构，具有一定高度，上端面内设置方形孔，用以连接动力传动轴34，下端面内设置圆孔，用以连接固定转动连接轴311。

动力传动轴34为转轴结构，截面为方形，动力传动轴34的上端插入主传动连轴套32的下端，动力传动轴34的下端插入从传动联轴套33上端，用以在主传动连轴套32和从传动联轴套33间传递扭矩，同时还可在主传动连轴套32和从传动联轴套33间上下滑移运动。

传动轴上定位弹簧35为弹性元件，设置在动力传动轴34上端面与主传动连轴套32下端方孔间，用以支撑动力传动轴34在主传动连轴套32内保持一定上下位置关系。

传动轴下定位弹簧36同样为弹性元件，设置在动力传动轴34下端面与从传动联轴套33上端方孔间，用以支撑动力传动轴34在从传动联轴套33内保持一定上下位置关系。

传动主齿轮37安装在转向齿轮箱310的输出轴上，传动副齿轮38为半径稍大的环形齿轮，固定在上连接块12上端面处。传动副齿轮38与转向轴承39连接，并且与传动主齿轮37啮合。传动副齿轮38转动时，可带动上连接块12转动。

转向轴承39固定在支撑骨架11上端面处，用以实现传动主齿轮37与传动副齿轮38间齿轮啮合转动功能，通过传动主齿轮37的转动和齿轮啮合作用，带动传动副齿轮38转动，通过转向轴承39的被动转动作用，从而实现支撑骨架11相对上连接块12的转动功能。

转动连接轴311为转轴结构，用以连接从传动联轴套33和传动主齿轮37。

转向驱动组件3的工作机理为：转向驱动电机31转动后，将动力经转向齿轮箱310后传递至主传动连轴套32，动力传动轴34将转动动力从主传动连轴套32传递至从传动联轴套33，进而通过转动连接轴311、传动主齿轮37和传动副齿轮38的啮合作用，将转向动力传递至转向轴承39上，从而实现支撑骨架11相对上连接块12转动功能，从而带动整套支撑骨架11以及所连接固定的轮系组件5转动，从而实现转向功能。通过改变转向驱动电机31的正反转，可实现对轮系组件5的行进方向实时调整。

另外，上述动力传动轴34通过传动轴上定位弹簧35、传动轴下定位弹簧36进行在主传动连轴套32、从传动联轴套33间保持定位均衡关系的机理如下：

传动轴上定位弹簧35通过自身弹性张紧功能，实现将动力传动轴34依靠主传动连轴套32向下弹伸，传动轴下定位弹簧36则通过自身弹性张紧功能，实现将动力传动轴34依靠从传动联轴套33向上弹伸，通过传动轴上定位弹簧35、传动轴下定位弹簧36最终弹力均衡和动力传动轴34的重力平衡作用，使动力传动轴34保持在主传动连轴套32、从传动联轴套33间的一个中间位置上。

更进一步的，在选取传动轴上定位弹簧35、传动轴下定位弹簧36时，由于动力传动轴34自身重力作用，传动轴上定位弹簧35的弹性系数需大于传动轴下定位弹簧36的弹性系数。

如图7所示，减震组件4包括减震主滑筒41、减震副滑筒42、减震器43。减震主滑筒41为圆柱结构，中间透空，上端与上连接块12下端面连接并固定，下端插入减震副滑筒42内，减震主滑筒41可在减震副滑筒42内上下滑动。减震副滑筒42为同样圆柱结构，中间透空，下端与支撑骨架11上端面连接并固定，减震副滑筒42内径稍大于减震主滑筒41为直径。减震器43为弹簧元件，设置在减震副滑筒42内部下端，减震器43与减震主滑筒41下端面接触并实现弹性支撑作用。

减震组件4的避震机理为：与减震副滑筒42连接的支撑骨架11、轮系组件5与地面接触，将反馈力向上传递，然后作用至介于减震主滑筒41、减震副滑筒42间的减震器43上，从而实现避震功能。

如图3、图4所示，轮系组件5包括万向轮51、轮系转轴52、轮系轴承53。万向轮51通过轮系转轴52安装在轮系轴承53上，轮系轴承53固定在支撑骨架11下端侧面，实现与地面接触行走。

本实用新型不局限于上述实施方式，任何人应得知在本实用新型的启示下作出的结构变化，凡是与本实用新型具有相同或相近的技术方案，均落入本实用新型的保护范围之内。

本实用新型未详细描述的技术、形状、构造部分均为公知技术。

Claims (9)

1.一种机器人用全地形和全向式驱动轮结构，其特征在于，由本体支撑台、动力驱动组件、转向驱动组件、减震组件、轮系组件组成，动力驱动组件、转向驱动组件、减震组件安装于本体支撑台上，轮系组件安装固定于本体支撑台的下方。

2.如权利要求1所述的机器人用全地形和全向式驱动轮结构，其特征在于，所述本体支撑台包括支撑骨架、上连接块，上连接块固定于支撑骨架顶部，上连接块上连接固定转向驱动组件与减震组件，支撑骨架的侧面连接固定动力驱动组件，支撑骨架的下端面连接固定轮系组件。

3.如权利要求2所述的机器人用全地形和全向式驱动轮结构，其特征在于，所述动力驱动组件包括动力驱动电机、锥形驱动齿轮、锥形从动齿轮、动力齿轮箱，动力驱动电机通过支架固定在支撑骨架侧面，动力驱动电机的转轴连接动力齿轮箱的输入轴，动力齿轮箱的输出轴与锥形驱动齿轮连接，锥形驱动齿轮和锥形从动齿轮啮合。

4.如权利要求1或2所述的机器人用全地形和全向式驱动轮结构，其特征在于，所述转向驱动组件由转向驱动电机、主传动连轴套、从传动联轴套、动力传动轴、传动轴上定位弹簧、传动轴下定位弹簧、传动主齿轮、传动副齿轮、转向轴承、转向齿轮箱、转动连接轴组成。

5.如权利要求4所述的机器人用全地形和全向式驱动轮结构，其特征在于，所述转向驱动电机安装在上连接块上，转向驱动电机的转轴连接转向齿轮箱的输入轴，转向齿轮箱的输出轴通过主传动连轴套连接动力传动轴，动力传动轴通过从传动联轴套连接固定转动连接轴，固定转动连接轴连接传动主齿轮，传动主齿轮安装在转向齿轮箱的输出轴上，传动主齿轮与传动副齿轮啮合连接，传动副齿轮固定在上连接块上端面处，并且与转向轴承连接。

6.如权利要求5所述的机器人用全地形和全向式驱动轮结构，其特征在于，所述动力传动轴与主传动连轴套之间设有传动轴上定位弹簧，动力传动轴与从传动联轴套之间设有传动轴下定位弹簧。

7.如权利要求6所述的机器人用全地形和全向式驱动轮结构，其特征在于，所述传动轴上定位弹簧的弹性系数大于传动轴下定位弹簧的弹性系数。

8.如权利要求1或2所述的机器人用全地形和全向式驱动轮结构，其特征在于，所述减震组件包括减震主滑筒、减震副滑筒、减震器，减震主滑筒上端与上连接块下端面连接固定，减震主滑筒的下端插入减震副滑筒内，并能在减震副滑筒内上下滑动，减震副滑筒的下端与支撑骨架上端面连接固定，减震器设置在减震副滑筒内部，减震器与减震主滑筒下端面接触提供弹性支撑。

9.如权利要求1-3任一所述的机器人用全地形和全向式驱动轮结构，其特征在于，所述轮系组件包括万向轮、轮系转轴、轮系轴承，万向轮通过轮系转轴安装在轮系轴承上，轮系轴承固定在支撑骨架下端，轮系转轴与锥形从动齿轮连接固定。