CN211001619U - 一种移动机器人的双滚轮全向动力脚轮和全向移动平台 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种移动机器人的双滚轮全向动力脚轮和全向移动平台，包括机架，机架安装有竖直布置并能转动的转向轴，转向轴的下端安装有轮架；轮架设有并排布置并能独立转动的第一滚轮和第二滚轮，第一滚轮的旋转轴心与第二滚轮的旋转轴心重合；机架设有并排布置并独立工作的第一驱动电机和第二驱动电机；第一驱动电机和第二驱动电机分别通过传动机构驱动对应的第一滚轮和第二滚轮转动。本实用新型驱动电机位于机架，通过传动机构将运动分别传递到两个滚轮，实现两个滚轮的独立运动。无论转向轴位于什么位置，传动比保持不变。同时在轮架转向中不存在线缆缠绕的问题，可以实现轮架无限转向。

Description

一种移动机器人的双滚轮全向动力脚轮和全向移动平台

技术领域

本实用新型涉及移动机器人运动机构设计领域。具体地说是一种移动机器人的双滚轮全向动力脚轮和全向移动平台。

背景技术

近年来，为了提高生产效率和降低劳动成本，装备制造，服务业等领域对工业自动化和智能化水平的要求不断提高。因此，移动机器人得到越来越广泛的应用，市场对移动机器人的需求越来越大。移动机器人也成为重要的研究热点。

移动机器人通常有一个移动平台，移动平台通过行走机构实现移动。移动机器人的行走机构可分为履带式，轮式和足式。其中轮式移动机器人应用最为广泛，非常适应工业自动化的需求。

常见的轮式移动机器人的移动平台的行走机构，可以分为以下四类：

1、差动轮式；

2、麦克纳姆轮式；

3、球轮式；

4、万向脚轮式。

其中，差动轮式移动机器人结构最简单，可以做到较低的硬件成本，因此应用最为广泛。然而，差动轮式移动机器人只能进行前后行进和平面内转向两个自由度的运动，无法实现左右平动。这种运动灵活性的限制使得差动轮式移动机器人在狭窄空间以及需要移动操作的场合难以有效完成任务。

为了提高移动机器人的机动性，灵活性，移动平台需要实现全向移动。能实现全向移动的行走机构包括麦克纳姆轮，球轮，万向脚轮等。

麦克纳姆轮及其衍生的设计采用大轮套小轮的设计，实现了平面内3个自由度的运动，提高的移动机器人的灵活性。然而由于这种大轮套小轮的设计在机构上十分复杂，存在严重的磨损震动，增加了移动机器人的成本。并且麦克纳姆轮式的运动机构难以在不平整的地面上行进，小轮的缝隙容易卡进异物。这些因素制约了麦克纳姆轮的应用。

球轮式移动机器人的行走机构机采用球轮机构，由滚动球体、支撑滚子和驱动滚子组成。总体特点是运动灵活。但其结构复杂，很难将能量传递到轮子上，当球体上沾的杂物过多时该机构会出现功能失效，因此，球轮式全向移动机器人对工作环境要球较高。

采用万向脚轮作为运动机构的移动平台同样能实现平面3自由度运动。这种类型的行走具有灵活性好，承载能力强，以及能适应复杂路面的优点。典型的主动全向移动脚轮有两种：一种是主动万向轮，具有一个主动转向和一个主动滚动轮构成，分别控制转向和行进；这种构型虽然有载重量大、运动灵活、转向时滑移量小、控制精度高等特点，但是，由于滚动轮使用强度大而转向轮使用强度小，转向轮两个滚动轴和转向轴存在力矩和功率分配不均的问题。

另一种万向脚轮是双滚轮被动转向式脚轮，这种脚轮具有两个并列的独立滚动轮和一个被动转向轴，通过滚动轮的差动驱动实现转向和行进。这种脚轮力矩和功率分配不均的问题。然而，现有的双滚轮被动转向式脚轮采用电机直接驱动滚轮的设计。将驱动电机直接安装在轮架上，轮架绕转向轴转动。尽管这种设计结构简单，但还是存在一些问题。其一，驱动电机安装在滚动轮架上，尺寸和重量受到限制，并且需要复杂的密封设计。其二，电机线缆需要通过转向轴连接到车体，而线缆无法无限制缠绕，因此脚轮的转向轴只能转有限的圈数。这样就限制了移动平台的灵活性，例如，移动平台无法保持车体方向不变沿封闭轨迹持续运行。

实用新型内容

本实用新型针对上述现有技术现状，而提供一种移动机器人的双滚轮全向动力脚轮和全向移动平台，实现双滚轮无限角度转动，且维持传动比恒定。

本实用新型解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种移动机器人的双滚轮全向动力脚轮，包括机架，机架安装有竖直布置并能转动的转向轴，转向轴的下端安装有轮架；轮架设有并排布置并能独立转动的第一滚轮和第二滚轮，第一滚轮的旋转轴心与第二滚轮的旋转轴心重合；机架设有并排布置并独立工作的第一驱动电机和第二驱动电机；第一驱动电机和第二驱动电机分别通过传动机构驱动对应的第一滚轮和第二滚轮转动。

作为上述技术方案的进一步改进，第一滚轮和第二滚轮并列安装在轮架的两侧，第一滚轮和第二滚轮的旋转轴心与转向轴的轴心线垂直但不共面。

作为上述技术方案的进一步改进，传动机构包含第一传动齿轮和第二传动齿轮；第一传动齿轮由第一筒部、固定在第一筒部两端的第一输入齿轮部和第一输出齿轮部组成；第二传动齿轮由第二筒部、固定在第二筒部两端的第二输入齿轮部和第二输出齿轮部组成；第一筒部、第二筒部和转向轴同轴心嵌套布置，能分别独立的转动。

作为上述技术方案的进一步改进，第一输入齿轮部和第二输入齿轮部分别由对应的第一驱动电机和第二驱动电机驱动；第一输出齿轮部和第二输出齿轮部分别通过锥形换向齿轮带动对应的第一滚轮和第二滚轮转动。

作为上述技术方案的进一步改进，第一驱动电机的运动输出轴连接有第一主动齿轮，第一主动齿轮与第一输入齿轮部啮合；第二驱动电机的运动输出轴连接有第二主动齿轮，第一主动齿轮与第二输入齿轮部啮合。

作为上述技术方案的进一步改进，第一输出齿轮部和第二输出齿轮部分别为直传动齿轮；轮架设有第三传动齿轮和第四传动齿轮；第三传动齿轮由啮合第一输出齿轮部的第一直齿轮部、用于驱动第一滚轮的第一锥形齿轮部组成；第四传动齿轮由啮合第二输出齿轮部的第二直齿轮部、用于驱动第二滚轮的第二锥形齿轮部组成。

作为上述技术方案的进一步改进，第一输出齿轮部和第二输出齿轮部分别为锥形传动齿轮；轮架设有第三传动齿轮和第四传动齿轮；第三传动齿轮由啮合第一输出齿轮部的第三锥形齿轮部、用于驱动第一滚轮的第三直齿轮部组成；第四传动齿轮由啮合第二输出齿轮部的第四锥形齿轮部、用于驱动第二滚轮的第四直齿轮部组成。

作为上述技术方案的进一步改进，双滚轮全向动力脚轮用作动力脚轮，数量至少为二个，双滚轮全向动力脚轮和被动支撑脚轮的总数量至少为三个，并且所有双滚轮全向动力脚轮不能布置在同一直线上，便于控制。

与现有技术相比，本实用新型的两台驱动电机安装于机架，通过传动机构将运动分别传递到两个滚轮，实现两个滚轮的独立运动。无论转向轴位于什么位置，传动比保持不变。转向轴垂直于地面，两个滚轮并列布置，旋转轴重合。滚轮的旋转轴与转向轴垂直但不共面，存在一段偏置距离。由于驱动电机位于机架，在轮架转向中不存在线缆缠绕的问题，可以实现双滚轮全向动力脚轮在同一方向的无限转向。

附图说明

图1是实施例1中双滚轮全向动力脚轮的机构原理图。

图2是实施例1中双滚轮全向动力脚轮的立体结构示意图。

图3是图2的侧面视图。

图4是实施例1中全向移动平台的立体结构示意图。

图5是实施例1中全向移动平台的另一种立体结构示意图。

图6是实施例1中双滚轮全向动力脚轮的另一种立体结构示意图。

图7是实施例2中双滚轮全向动力脚轮的立体结构示意图。

图8是图7的正面视图。

图9是本实用新型的原理示意图。

具体实施方式

以下结合附图、实施例对本实用新型作进一步详细说明。需要指出的是，以下所述实施例旨在便于对本实用新型的理解，而对其不起任何限定作用。

图1至图9所示为本实用新型的结构示意图和原理示意图。其中的附图标记为：机架1、第一驱动电机11、第二驱动电机12、第一主动齿轮13、第二主动齿轮14、轮架2、第一滚轮21、第二滚轮22、第三传动齿轮23、第一直齿轮部23a、第一锥形齿轮部23b、第三锥形齿轮部23c、第三直齿轮部23d、第四传动齿轮24、第二直齿轮部24a、第二锥形齿轮部24b、第四锥形齿轮部24c、第四直齿轮部24d、第一锥形驱动齿轮25、第一驱动直齿轮25c、第二锥形驱动齿轮26、第二驱动直齿轮26c、转向轴3、第一传动齿轮4、第一筒部41、第一输入齿轮部42、第一输出齿轮部43、第二传动齿轮5、第二筒部51、第二输入齿轮部52、第二输出齿轮部53。

实施例1：

如图1至图4所示，本实施例的双滚轮全向动力脚轮，包括机架1，机架1安装有竖直布置并能转动的转向轴3，转向轴3的下端安装有轮架2。轮架2设有并排布置并能独立转动的第一滚轮21和第二滚轮22，第一滚轮21的旋转轴心与第二滚轮22的旋转轴心重合。

机架1设有并排布置并独立工作的第一驱动电机11和第二驱动电机12。第一驱动电机11和第二驱动电机12安装在机架1，即使轮架2无限转向也不会电缆缠绕的问题。第一驱动电机11和第二驱动电机12分别通过传动机构驱动对应的第一滚轮21和第二滚轮22转动。

第一滚轮21和第二滚轮22并列安装在轮架2的两侧，第一滚轮21和第二滚轮22的旋转轴心与转向轴3的轴心线垂直但不共面。

传动机构包含第一传动齿轮4和第二传动齿轮5。第一传动齿轮4由第一筒部41、固定在第一筒部41两端的第一输入齿轮部42和第一输出齿轮部43组成。第二传动齿轮5由第二筒部51、固定在第二筒部51两端的第二输入齿轮部52和第二输出齿轮部53组成。第一筒部41、第二筒部51和转向轴3同轴心嵌套布置，能分别独立的转动。

第一输入齿轮部42和第二输入齿轮部52分别由对应的第一驱动电机11和第二驱动电机12驱动。所述的第一输出齿轮部43和第二输出齿轮部53分别通过锥形换向齿轮带动对应的第一滚轮21和第二滚轮22转动。

第一驱动电机11的运动输出轴连接有第一主动齿轮13，第一主动齿轮13与第一输入齿轮部42啮合。第二驱动电机12的运动输出轴连接有第二主动齿轮14，第一主动齿轮13与所述的第二输入齿轮部52啮合。

在本实施例中，第一输出齿轮部43和第二输出齿轮部53分别为直传动齿轮。轮架2设有第三传动齿轮23和第四传动齿轮24。第三传动齿轮23由啮合第一输出齿轮部43的第一直齿轮部23a、用于驱动第一滚轮21的第一锥形齿轮部23b组成。第四传动齿轮24由啮合第二输出齿轮部53的第二直齿轮部24a、用于驱动第二滚轮22的第二锥形齿轮部24b组成。

第一滚轮21的旋转轴上设有与第一锥形齿轮部23b啮合的第一锥形驱动齿轮25。第二滚轮22的旋转轴上设有与第二锥形齿轮部24b啮合的第二锥形驱动齿轮26。第一驱动电机11通过第一主动齿轮13、第一传动齿轮4、第三传动齿轮23和第一锥形驱动齿轮25独立驱动第一滚轮21转动。第二驱动电机12通过第二主动齿轮14、第二传动齿轮5、第四传动齿轮24和第二锥形驱动齿轮26独立驱动第二滚轮22转动。无论转向轴3位于什么位置，传动比保持不变。

本实施例中，第一锥形驱动齿轮25和第二锥形驱动齿轮26位于第一滚轮21和第二滚轮22之间。如图6所示，第一锥形驱动齿轮25和第二锥形驱动齿轮26也可以位于第一滚轮21和第二滚轮22的外侧。

应用上述双滚轮全向动力脚轮的全向移动平台，所述的双滚轮全向动力脚轮用作动力脚轮，数量至少为二个。由于每个动力脚轮具有滚动和转向两个自由度，在一个全向移动平台上安装至少两个双滚轮全向动力脚轮就可以实现平面内3个自由度的运动。

如图4所示，本实施例中全向移动平台安装有四个双滚轮全向动力脚轮，分布在全向移动平台的四个角。下面以本实施例为例说明移动平台的工作原理：

如图9所示，d表示第一滚轮21和第二滚轮22的直径；l表示两个滚轮的距离；h表示转向轴3的轴心线与第一滚轮21和第二滚轮22旋转轴心线的偏置距离。

当两个滚轮的转动角速度为w,转向轴3将沿y轴运动，其速度为第一公式：

当两个滚轮的转动角速度分别为w,-w。转向轴3将沿x轴运动，其速度为第二公式：

因此，给定任意的转向轴3速度[v_x，v_y]^T，都可以通过控制两个滚轮的转速实现。转向轴3速度与滚轮速度的关系为第三公式：

当给定全向移动平台车体速度，四个转向轴3作为全向移动平台上的一点，其速度都能求得。再根据第三公式求出每个滚轮所需的速度。通过控制每个滚轮的速度，移动平台就能实现给定的目标速度。

如图5所示，本实施例中的全向移动平台，双滚轮全向动力脚轮的数量也可以是二个，分布在全向移动平台的两个对角。全向移动平台的另两个对角采用被动滚轮。

实施例2：

如图7和图8所示，本实施例的双滚轮全向动力脚轮包括机架1，机架1安装有竖直布置并能转动的转向轴3，转向轴3的下端安装有轮架2。轮架2设有并排布置并能独立转动的第一滚轮21和第二滚轮22，第一滚轮21的旋转轴心与第二滚轮22的旋转轴心重合。

本实施例与实施例1的区别为，第一输出齿轮部43和第二输出齿轮部53分别为锥形传动齿轮。轮架2设有第三传动齿轮23和第四传动齿轮24。第三传动齿轮23由啮合第一输出齿轮部43的第三锥形齿轮部23c、用于驱动第一滚轮21的第三直齿轮部23d组成。第四传动齿轮24由啮合第二输出齿轮部53的第四锥形齿轮部24c、用于驱动第二滚轮22的第四直齿轮部24d组成。

第一滚轮21的旋转轴上设有与第三直齿轮部23d啮合的第一驱动直齿轮25c。第二滚轮22的旋转轴上设有与第四直齿轮部24d啮合的第二驱动直齿轮26c。

第一驱动电机11通过第一主动齿轮13、第一传动齿轮4、第三传动齿轮23和第一驱动直齿轮25c独立驱动第一滚轮21转动。第二驱动电机12通过第二主动齿轮14、第二传动齿轮5、第四传动齿轮24和第二驱动直齿轮26c独立驱动第二滚轮22转动。

本实用新型的最佳实施例已阐明，由本领域普通技术人员做出的各种变化或改型都不会脱离本实用新型的范围。

Claims (8)

1.一种移动机器人的双滚轮全向动力脚轮，包括机架(1)，其特征是：所述的机架(1)安装有竖直布置并能转动的转向轴(3)，所述转向轴(3)的下端安装有轮架(2)；所述的轮架(2)设有并排布置并能独立转动的第一滚轮(21)和第二滚轮(22)，所述第一滚轮(21)的旋转轴心与第二滚轮(22)的旋转轴心重合；所述的机架(1)设有并排布置并独立工作的第一驱动电机(11)和第二驱动电机(12)；所述的第一驱动电机(11)和第二驱动电机(12)分别通过传动机构驱动对应的第一滚轮(21)和第二滚轮(22)转动。

2.根据权利要求1所述的双滚轮全向动力脚轮，其特征是：所述的第一滚轮(21)和第二滚轮(22)并列安装在轮架(2)的两侧，第一滚轮(21)和第二滚轮(22)的旋转轴心与转向轴(3)的轴心线垂直但不共面。

3.根据权利要求1所述的双滚轮全向动力脚轮，其特征是：所述传动机构包含第一传动齿轮(4)和第二传动齿轮(5)；所述的第一传动齿轮(4)由第一筒部(41)、固定在第一筒部(41)两端的第一输入齿轮部(42)和第一输出齿轮部(43)组成；所述的第二传动齿轮(5)由第二筒部(51)、固定在第二筒部(51)两端的第二输入齿轮部(52)和第二输出齿轮部(53)组成；所述的第一筒部(41)、第二筒部(51)和转向轴(3)同轴心嵌套布置，能分别独立的转动。

4.根据权利要求3所述的双滚轮全向动力脚轮，其特征是：所述的第一输入齿轮部(42)和第二输入齿轮部(52)分别由对应的第一驱动电机(11)和第二驱动电机(12)驱动；所述的第一输出齿轮部(43)和第二输出齿轮部(53)分别通过锥形换向齿轮带动对应的第一滚轮(21)和第二滚轮(22)转动。

5.根据权利要求4所述的双滚轮全向动力脚轮，其特征是：所述第一驱动电机(11)的运动输出轴连接有第一主动齿轮(13)，所述的第一主动齿轮(13)与所述的第一输入齿轮部(42)啮合；所述第二驱动电机(12)的运动输出轴连接有第二主动齿轮(14)，所述的第一主动齿轮(13)与所述的第二输入齿轮部(52)啮合。

6.根据权利要求4所述的双滚轮全向动力脚轮，其特征是：所述的第一输出齿轮部(43)和第二输出齿轮部(53)分别为直传动齿轮；所述的轮架(2)设有第三传动齿轮(23)和第四传动齿轮(24)；所述的第三传动齿轮(23)由啮合第一输出齿轮部(43)的第一直齿轮部(23a)、用于驱动第一滚轮(21)的第一锥形齿轮部(23b)组成；所述的第四传动齿轮(24)由啮合第二输出齿轮部(53)的第二直齿轮部(24a)、用于驱动第二滚轮(22)的第二锥形齿轮部(24b)组成。

7.根据权利要求4所述的双滚轮全向动力脚轮，其特征是：所述的第一输出齿轮部(43)和第二输出齿轮部(53)分别为锥形传动齿轮；所述的轮架(2)设有第三传动齿轮(23)和第四传动齿轮(24)；所述的第三传动齿轮(23)由啮合第一输出齿轮部(43)的第三锥形齿轮部(23c)、用于驱动第一滚轮(21)的第三直齿轮部(23d)组成；所述的第四传动齿轮(24)由啮合第二输出齿轮部(53)的第四锥形齿轮部(24c)、用于驱动第二滚轮(22)的第四直齿轮部(24d)组成。

8.一种应用权利要求1至7任一权利要求所述双滚轮全向动力脚轮的全向移动平台，其特征是：所述双滚轮全向动力脚轮的数量至少为二个，双滚轮全向动力脚轮和被动支撑脚轮的总数量至少为三个。

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