CN210592195U

CN210592195U - 一种多功能通用型机器人底盘

Info

Publication number: CN210592195U
Application number: CN201921027868.5U
Authority: CN
Inventors: 白大鹏; 张斌; 杨华勇; 季清华; 马梁
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU; Guangdong Bozhilin Robot Co Ltd
Priority date: 2019-07-03
Filing date: 2019-07-03
Publication date: 2020-05-22
Anticipated expiration: 2029-07-03

Abstract

本实用新型公开了一种多功能通用型机器人底盘，采用轮式+履带式的复合式机器人底盘结构，集轮式与履带式的优点于一身，互补两种结构的缺点，当需要机器人底盘快速行驶时，通过控制将履带机构收起，轮子着地，实现快速移动；当需要机器人底盘进行爬楼梯或越障时，通过控制将履带机构放下，通过车轮带动履带机构一同运动，实现爬楼、越障功能。该机器人底盘外形尺寸较现有复合式机器人底盘小，可搭乘电梯、进出室内外房门，结构相对简单、功能全、通用性强、应用范围广。

Description

一种多功能通用型机器人底盘

技术领域

本实用新型涉及机器人技术领域，具体为一种多功能通用型机器人底盘。

背景技术

目前机器人底盘主要有三种结构类型：轮式结构简单灵活、速度快、稳定性好以及能耗低等优点，但可适应的地形少，越障能力有限、无法爬楼梯；履带式结构对地形适应能力相对较强，爬楼越障性能均优于其它结构形式的爬楼越障装置，具有支撑面积大，越障通过性能好，下陷度小等特点，并且履带支撑面上有履齿，在运动过程中不易打滑，牵引附着性能好，在爬楼越障过程中，可以保证机器人重心的运动轨迹始终与楼梯台阶的连线相平行，几乎没有波动或波动很小，运动相对平稳。但是该结构的地盘比较笨重、外形尺寸大、运动灵活性相对较差、速度低、能耗大；复合式结构能够实现爬楼梯、越障等功能，但是结构复杂、控制系统复杂、外形尺寸大、自重大、能耗大。

现有的机器人底盘只能针对某种类型机器人使用，无法实现在不同路况、不同天气情况、不同应用场景下的使用，通用性较差。

发明内容

为了解决上述技术问题，本实用新型提供一种轮式+履带式的复合式机器人底盘，集轮式与履带式的优点于一身，互补两种结构的缺点，可作为不同类型机器人底盘。

本实用新型采用如下技术方案：

一种多功能通用型机器人底盘，包括底盘主体、以及设置在底盘主体上的电机组件、四个结构相同的车轮组件、用于带动车轮组件运动的传动组件；

所述的车轮组件包括车轮、与车轮的轮毂连接的履带摆臂机构；所述的电机组件包括第一摆臂驱动电机、第二摆臂驱动电机、第一车轮驱动电机和第二车轮驱动电机；

所述的履带摆臂机构包括履带、主动履带轮、从动履带轮和摆臂；主动履带轮和从动履带轮通过履带连接，摆臂的一端与从动履带轮连接；

所述传动组件包括位于底盘主体前端的第一传动机构和位于底盘主体后端的第二传动机构；第一传动机构和第二传动机构结构相同，均包括辅链轮、摆臂轴和左右对称设置的两个车轮轴，车轮轴由内向外顺次安装有辅链轮、车轮和主动履带轮，摆臂轴同轴安装在车轮轴内部，且贯穿左右对称设置的两个车轮轴；

其中，第一传动机构的摆臂轴的两端分别连接位于底盘主体前端的两个车轮组件各自摆臂的另一端；第一摆臂驱动电机用于驱动第一传动机构的摆臂轴转动；第二传动机构的摆臂轴的两端分别连接位于底盘主体后端的两个车轮组件各自摆臂的另一端；第二摆臂驱动电机用于驱动第二传动机构的摆臂轴转动；

所述的第一车轮驱动电机、第二车轮驱动电机的输出轴上均套设有主链轮，其中，与第一车轮驱动电机相连的主链轮通过链条分别与位于第一传动机构和第二传动机构右侧的辅链轮相连；与第二车轮驱动电机相连的主链轮通过链条分别与位于第一传动机构和第二传动机构左侧的辅链轮相连。

进一步的，所述车轮的半径大于主动履带轮的半径。

进一步的，所述车轮的半径小于摆臂的长度和从动履带轮的半径之和。

本实用新型具有以下有益效果：

该机器人底盘可适应各种复杂地面，如泥石路、石子路、雪地、草地等；防护等级为IP65，可做成IP67级别，能够在高温、雨雪、雷暴等天气情况下使用；可正常运行工作环境温度为-15℃～+50℃；可以实现自主避障、双向爬楼梯、越障、爬坡，最大爬坡能力达到40°；最大运行速度为3m/s；续航时间≥8h；外形尺寸较现有复合式机器人底盘小，可搭乘电梯、进出室内外房门；结构相对简单、功能全、通用性强，应用范围广。

附图说明

图1为本实用新型提供的多功能通用型机器人底盘主视图；

图2为图1中左上角车轮组件的局部剖视图；

图3为控制系统原理框图；

图4为摆臂展开视图；

图5为摆臂收起视图；

图6为爬楼梯过程演示图；

图中：履带摆臂机构1、车轮2、传动组件3、第一摆臂驱动电机4、第一摆臂驱动电机减速器5、链条6、第一车轮驱动电机减速器7、第一车轮驱动电机8、第二摆臂驱动电机减速器9、第二摆臂驱动电机10、链条11、第二车轮驱动电机12、第二车轮驱动电机减速器13、履带14、从动履带轮15、摆臂16、轮毂17、螺钉18、主动履带轮19、防尘端盖20、密封圈21、唇形密封圈22、车轮轴23、辅链轮25、摆臂轴26、主链轮27、辅链轮28、箱体29。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式对本实用新型的技术方案进行详细描述。

如图1～2所示，多功能通用型机器人底盘包括底盘主体、以及设置在底盘主体上的电机组件、四个结构相同的车轮组件、用于带动车轮组件运动的传动组件；

所述的车轮组件包括车轮2、与车轮2的轮毂17连接的履带摆臂机构1；所述的电机组件包括第一摆臂驱动电机4、第二摆臂驱动电机10、第一车轮驱动电机8和第二车轮驱动电机12；

所述的履带摆臂机构包括履带14、主动履带轮19、从动履带轮15和摆臂 16；主动履带轮19和从动履带轮15通过履带14连接，摆臂16的一端与从动履带轮15连接；

所述传动组件3包括位于底盘主体前端的第一传动机构和位于底盘主体后端的第二传动机构；第一传动机构和第二传动机构结构相同，均包括辅链轮、摆臂轴26和左右对称设置的两个车轮轴，车轮轴23由内向外顺次安装有辅链轮、车轮2和主动履带轮19，摆臂轴26同轴安装在车轮轴23内部，且贯穿左右对称设置的两个车轮轴；

其中，第一传动机构的摆臂轴的两端分别连接位于底盘主体前端的两个车轮组件各自摆臂的另一端；第一摆臂驱动电机4用于驱动第一传动机构的摆臂轴转动；第二传动机构的摆臂轴的两端分别连接位于底盘主体后端的两个车轮组件各自摆臂的另一端；第二摆臂驱动电机10用于驱动第二传动机构的摆臂轴转动；

所述的第一车轮驱动电机8、第二车轮驱动电机12的输出轴上均套设有主链轮27，其中，与第一车轮驱动电机相连的主链轮通过链条分别与位于第一传动机构和第二传动机构右侧的辅链轮相连；与第二车轮驱动电机相连的主链轮通过链条6、11分别与位于第一传动机构和第二传动机构左侧的辅链轮25、28 相连。

在本实用新型的一个优选实施例中，第一摆臂驱动电机4、第二摆臂驱动电机10、第一车轮驱动电机8和第二车轮驱动电机12分别与第一摆臂驱动电机减速器5、第二摆臂驱动电机减速器9、第一车轮驱动电机减速器7和第二车轮驱动电机减速器13配合使用；其中第一摆臂驱动电机减速器和第二摆臂驱动电机减速器的输出轴分别与第一传动机构的摆臂轴和第二传动机构的摆臂轴连接，驱动摆臂轴转动来带动摆臂运动，从而使履带摆臂机构做旋转动作；第一车轮驱动电机减速器7和第二车轮驱动电机减速器13的输出轴上均套设有主链轮。

如图4～5所示，所述车轮的半径大于主动履带轮的半径，所述车轮的半径小于摆臂的长度和从动履带轮的半径之和。在本实用新型的一个优选实施例中，摆臂和摆臂轴之间采用键连接，主动履带轮通过螺钉18与车轮的轮毂连接。

在本实用新型的一个优选实施例中，机器人底盘还包括箱体29，在车轮轴 23与箱体29的连接处通过唇形密封圈22进行密封，在车轮轴23与摆臂轴26 之间通过唇形密封圈22进行密封。

在本实用新型的一个优选实施例中，在主动履带轮19的外侧装有防尘端盖 20，防尘端盖20与主动履带轮19之间设有密封圈21。

如图3所示为本实用新型的控制系统原理框图，锂电池用来给电机、电机驱动器和上位机供电，通过上位机来控制机器人底盘系统的各种运动工作，具体为上位机接收安装于机器人底盘四周传感器的信息，将其转化为电机控制信号传递给电机驱动器来控制电机的运转，从而控制车轮或履带摆臂机构的运动，最终实现机器人底盘的自主避障、自主爬楼、自主越障、自主巡逻等功能。

工作模式一：快速行驶

当需要进行快速行驶时，上位机控制摆臂机构旋转到与地面成90°的位置，如图5所示为摆臂的收起视图，只有车轮着地，实现快速运动，通过控制第一车轮驱动电机8和第二车轮驱动电机12的转速实现车体的转弯功能；通过控制第一摆臂驱动电机4、第二摆臂驱动电机10的运转来实现对摆臂的旋转运动，从而控制整个履带摆臂机构相对于地面的旋转角度，例如图4所示为摆臂的展开视图。因履带摆臂机构与车轮是固定到一起的，所以车轮在运动时带动履带摆臂机构一起运动，实现爬楼梯、越障的功能。又因摆臂轴与车轮轴之间设有滚动轴承，所以车轮轴与摆臂轴的运动是相对独立的。

整个机器人底盘的动力由第一车轮驱动电机8和第二车轮驱动电机12通过传动组件传递给车轮及履带摆臂机构进行一同运动，当要调整履带摆臂机构相对于地面的角度时，只需控制相应的摆臂驱动电机即可。

工作模式二：爬坡、越障及爬楼梯

通过上位机控制摆臂机构旋转到适合机器人底盘进行爬坡、越障及爬楼梯所需的角度，通过车轮的带动，车轮与摆臂机构同时运动来完成相应的功能，如图6所示为爬楼梯过程演示图。

爬楼梯各阶段情况说明：

(a)通过第一摆臂驱动电机调整第一传动机构的摆臂轴转动，使得前履带摆臂机构接触到第一节台阶，继续通过第一摆臂驱动电机缩小第一传动机构的摆臂轴与地面的夹角，通过前履带摆臂机构和车轮带动整个车体向上爬升；

(b)后车轮接触到第一节台阶，通过第二摆臂驱动电机调整第二传动机构的摆臂轴转动，增大第二传动机构的摆臂轴与地面的夹角，通过前后履带摆臂机构和车轮带动整个车体向上爬升；

(c)处于爬楼梯过程中，通过前后履带摆臂机构和车轮的配合使用来带动整个车体的向上爬升；

(d)前车轮爬上平地，前履带摆臂机构缓慢收起，通过后履带摆臂机构和车轮带动整个车体向上爬升；

(e)后车轮爬上平地，后履带摆臂机构缓慢收起，同时前后车轮继续带动整个车体向前行驶；

(f)整个机器人底盘运动到平地，前后履带摆臂机构完全收起，通过车轮带动整个车体向前行驶。

在工作模式一状态下，通过车轮带动机器人底盘进行运动；在工作模式二状态下，通过前后履带摆臂机构的配合使用，来完成机器人底盘的爬楼梯、越障及爬坡功能。

本实例中传动机构的传动方式不只局限于使用链轮传动，也可使用齿轮、同步齿形带等传动方式，都属于本实用新型的保护范围内。

Claims

1.一种多功能通用型机器人底盘，其特征在于，包括底盘主体、以及设置在底盘主体上的电机组件、四个结构相同的车轮组件、用于带动车轮组件运动的传动组件；

所述的车轮组件包括车轮、与车轮的轮毂连接的履带摆臂机构；所述的电机组件包括第一摆臂驱动电机（4）、第二摆臂驱动电机（10）、第一车轮驱动电机（8）和第二车轮驱动电机（12）；

其中，第一传动机构的摆臂轴的两端分别连接位于底盘主体前端的两个车轮组件各自摆臂的另一端；第一摆臂驱动电机（4）用于驱动第一传动机构的摆臂轴转动；第二传动机构的摆臂轴的两端分别连接位于底盘主体后端的两个车轮组件各自摆臂的另一端；第二摆臂驱动电机（10）用于驱动第二传动机构的摆臂轴转动；

所述的第一车轮驱动电机（8）、第二车轮驱动电机（12）的输出轴上均套设有主链轮，其中，与第一车轮驱动电机（8）相连的主链轮通过链条分别与位于第一传动机构和第二传动机构右侧的辅链轮相连；与第二车轮驱动电机（12）相连的主链轮通过链条分别与位于第一传动机构和第二传动机构左侧的辅链轮相连。

2.如权利要求1所述一种多功能通用型机器人底盘，其特征在于：所述车轮的半径大于主动履带轮的半径。

3.如权利要求1所述一种多功能通用型机器人底盘，其特征在于：所述车轮的半径小于摆臂的长度和从动履带轮的半径之和。

4.如权利要求1所述一种多功能通用型机器人底盘，其特征在于：摆臂和摆臂轴之间采用键连接。

5.如权利要求1所述一种多功能通用型机器人底盘，其特征在于：主动履带轮通过螺钉与车轮的轮毂连接。

6.如权利要求1所述一种多功能通用型机器人底盘，其特征在于：机器人底盘还包括箱体（29），在车轮轴与箱体的连接处通过唇形密封圈密封。

7.如权利要求1所述一种多功能通用型机器人底盘，其特征在于：车轮轴（23）与摆臂轴（26）之间设有唇形密封圈。

8.如权利要求1所述一种多功能通用型机器人底盘，其特征在于：在主动履带轮的外侧装有防尘端盖，所述防尘端盖（20）与主动履带轮之间设有密封圈（21）。