CN211765971U - 四麦克纳姆轮共轴结构的全向移动自平衡机器人 - Google Patents

Abstract

一种四麦克纳姆轮共轴结构的全向移动自平衡机器人，包括机身、悬挂、右麦轮、右中麦轮、左中麦轮、左麦轮，机身两侧分别对称安装右悬挂和左悬挂，机身上部预留有作业模块接口；右悬挂下端安装右麦轮、右中麦轮；左悬挂下端安装左中麦轮、左麦轮；右麦轮和左中麦轮的麦轮辊子倾斜方向一致，为正向麦克纳姆轮；右中麦轮和左麦轮的麦轮辊子倾斜方向一致，并且与右麦轮和左中麦轮的麦轮辊子倾斜方向相反，为反向麦克纳姆轮；当四个麦克纳姆轮分别独立工作时，调节四个麦克纳姆轮的运动速度和正反转方向，可实现平面上任意方向的平移、转向；本装置可灵活的通过各种狭窄的场地。既具有两轮自平衡车占地小的优点，又有麦克纳姆轮AGV车灵活移动的优点。

Description

四麦克纳姆轮共轴结构的全向移动自平衡机器人

技术领域

本实用新型涉及全向移动自平衡机器人，尤其是一种四麦克纳姆轮共轴结构的全向移动自平衡机器人。

背景技术

随着科技的发展，机器人的应用越来越广泛，它们可代替人完成枯燥繁重的工作。机器人的行走机构，主要有足式和轮式两种。其中，两足或两轮结构，底盘占地面积小，可以在狭窄的地面行驶。两足行走结构，行走灵活，可以全向移动，但结构复杂，成本高昂；两轮行走结构，结构简单，成本低，但不能全向移动。

实用新型内容

针对以上所述，本实用新型的目的在于提供一种四麦克纳姆轮共轴结构的全向移动自平衡机器人，以解决上述问题中的至少一个方面。

根据本实用新型的一方面，提供一种四麦克纳姆轮共轴结构的全向移动自平衡机器人，包括机身、悬挂、右麦轮、右中麦轮、左中麦轮、左麦轮，机身两侧分别对称安装右悬挂和左悬挂，机身上部预留有作业模块接口，可安装摄像头、云台、机械臂作业模块；

右悬挂和左悬挂，用于连接机身和麦克纳姆轮；

右悬挂下端安装右麦轮、右中麦轮；左悬挂下端安装左中麦轮、左麦轮；

右麦轮和左中麦轮的麦轮辊子倾斜方向一致，为正向麦克纳姆轮；右中麦轮和左麦轮的麦轮辊子倾斜方向一致，并且与右麦轮和左中麦轮的麦轮辊子倾斜方向相反，为反向麦克纳姆轮；

当四个麦克纳姆轮分别独立工作时，调节四个轮子的运动速度和正反转方向，可实现平面上任意方向的平移、转向。

由此，可灵活的通过各种狭窄的场地。具有两轮自平衡车占地小的优点，又有麦克纳姆轮AGV车灵活移动的优点。

优选的，所述悬挂包括主动臂、设在机身上的电机、主动轴、从动臂、撑杆、从动关节，电机的输出轴与主动轴连接，可驱动主动臂以主动轴为圆心转动；主动臂下端通过从动关节与从动臂连接，且连接位置在从动臂的中部；从动臂的上端及机身的上方分别安装有万向节，两个万向节通过撑杆连接，从动臂的下端连接麦克纳姆轮。

优选的，所述主动臂、从动臂、撑杆和机身形成一个四边形结构。主动臂由悬挂电机驱动，可改变主动臂与机身的夹角，并锁定夹角。由此悬挂的四边形结构即可以改变形状，也可以保持稳定。最终实现主动调节机身与麦克纳姆轮之间的高度。

优选的，右麦轮、右中麦轮、左中麦轮、左麦轮的内部均嵌有外转子的大功率无刷电机；无刷电机的电机内定子固定在从动臂上，电机外转子制成麦克纳姆轮的轮毂，电机外转子外围安装有若干与轮轴倾斜45°的麦轮辊子。

本实用新型的有益效果是：本实用新型可灵活的通过各种狭窄的场地。具有两轮自平衡车占地小的优点，又有麦克纳姆轮AGV车灵活移动的优点。并且右悬挂和左悬挂为主动悬挂，可提高机器人对场地的适应能力。也可用于升降机器人机身高度。

附图说明

图1为全向移动自平衡机器人示意图。

图2为悬挂及麦克纳姆轮示意图。

1-机身 2-右悬挂 3-右麦轮 4-右中麦轮 5-左中麦轮 6-左麦轮 7-左悬挂 201-主动轴 202-万向节 203-撑杆 204-主动臂 205-从动关节 206-从动臂 301-电机内定子302-电机外转子 303-麦轮辊子。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步说明。

如图1，全向移动自平衡机器人。它包括机身1、右悬挂2、右麦轮3、右中麦轮4、左中麦轮5、左麦轮6、左悬挂7。

其中，机身1是机器人的主体，为现有常规部件，其内部安装有现有成熟技术的主控板、电机驱动板、传感器、蓄电池、悬挂电机等(其线路及安装关系不一一介绍)。机身1两侧安装有右悬挂2和左悬挂7。机身1上部预留有作业模块接口，可安装摄像头、云台、机械臂等现有常规作业模块。

右悬挂2和左悬挂7，用于连接机身1和麦克纳姆轮。它们为主动悬挂，结构一致，左右对称安装。如图2，示意了悬挂的结构。悬挂电机的输出轴与主动轴201连接，可驱动主动臂204以悬挂主动轴201为圆心转动。

主动臂204下端通过从动关节205与从动臂206连接，且连接位置在从动臂206的中部。从动臂206的上端，及机身1的上方分别安装有万向节202，两个万向节通过撑杆203连接。

主动臂204、从动臂206、撑杆203和机身1形成一个四边形结构。主动臂204由悬挂控制电机驱动，可改变主动臂204与机身1的夹角，并锁定夹角。因此，悬挂的四边形结构即可以改变形状，也可以保持稳定。最终实现主动调节机身1与轮子之间的高度。

从动臂206的下端安装两个麦克纳姆轮。右悬挂2下端安装右麦轮3、右中麦轮4；左悬挂7下端安装左中麦轮5、左麦轮6。初始状态下，四个麦克纳姆轮的轴线在一条直线上。悬挂主动调节时，四个麦克纳姆轮的轴线会有少量偏移误差(不影响麦克纳姆轮)。

如图2，示意了麦克纳姆轮的结构。它们的内部嵌有外转子的大功率无刷电机。该无刷电机的电机内定子301固定在从动臂206上，电机外转子302制成麦克纳姆轮的轮毂，电机外转子302外围安装有若干与轮轴倾斜45°的麦轮辊子303。麦轮辊子303不受电机控制，可自由转动。其原理与普通麦克纳姆轮一致。

右麦轮3和左中麦轮5，麦轮辊子303倾斜方向一致，它们为正向麦克纳姆轮；右中麦轮4和左麦轮6，麦轮辊子303倾斜方向一致，并且与右麦轮3和左中麦轮5的麦轮辊子303倾斜方向相反，它们为反向麦克纳姆轮。

右麦轮、右中麦轮、左中麦轮、左麦轮四个麦克纳姆轮的轴线在一条直线上，四轮着地。自然放置在地面时，机器人不会左右倾倒。工作时，通过控制四个轮子的速度，可保持前后不倾倒，原理同两轮自平衡车。把右麦轮3和右中麦轮4看成两轮自平衡车的右轮，左麦轮6和左中麦轮5看成两轮自平衡车的左轮。可实现两轮自平衡车的所有运动方式,即前进、后退、左转、右转。当四个麦克纳姆轮分别控制时，可实现向左平移、向右平移，其运动原理同麦克纳姆轮AGV车原理一致。

当右麦轮3正转，右中麦轮4正转，左中麦轮5正转、左麦轮6正转，机器人向前平移；

右麦轮3反转，右中麦轮4反转，左中麦轮5反转、左麦轮6反转，机器人向后平移；

右麦轮3正转，右中麦轮4正转，左中麦轮5反转、左麦轮6反转，机器人向左转向；

右麦轮3反转，右中麦轮4反转，左中麦轮5正转、左麦轮6正转，机器人向左转向；

右麦轮3正转，右中麦轮4反转，左中麦轮5正转、左麦轮6反转，机器人向左平移；

右麦轮3反转，右中麦轮4正转，左中麦轮5反转、左麦轮6正转，机器人向右平移。

可用数学公式表示。

设右麦轮3的转速为V_R1，右中麦轮4的转速为V_R2，左中麦轮5的转速为V_L2,左麦轮6的转速为V_L1.

设右麦轮3和左中麦轮5轴间距L，则右中麦轮4和左麦轮6轴间距也为L。

速度正向时，数值为正数；速度反向时，数值为负数。

机器人的前后平移速度为V_y,则

V_y＝(V_R1+V_R2+V_L2+V_L1)/4 ①

机器人的左右平移速度为V_x,则

V_x＝(V_R1-V_R2+V_L2-V_L1)/4 ②

将右侧两轮看成一个轮子，则右侧转速为(V_R1+V_R2)/2；将左侧两轮看成一个轮子，则左侧转速为(V_L2+V_L1)/2.

角速度与线速度换算公式为，角速度＝线速度/旋转半径。右侧产生的角速度为((V_R1+V_R2)/2)/L；左侧产生的角速度为((V_L2+V_L1)/2)/L.

机器人的偏转角速度为ω，

ω＝((V_R1+V_R2)/2)/L-((V_L2+V_L1)/2)/L

化简后为，

ω＝(V_R1+V_R2-V_L2-V_L1)/2L ③

根据①②③式，换算可得：

V_R1＝V_y+V_x+ω·L/2 ④

V_R2＝V_y-V_x+ω·L/2 ⑤

V_L2＝V_y+V_x-ω·L/2 ⑥

V_L1＝V_y-V_x-ω·L/2 ⑦

将前后平移速度V_y，左右平移速度V_x，偏转角速度ω，输入④⑤⑥⑦式，计算可得四个轮子的速度，再融合机器人的平衡控制算法，可实现机器人直立不倒，并在平面上任意方向的平移、转向。

本实施中,还可以使用四个主动悬挂，独立控制四个麦克纳姆轮。使机器人适应场地性能更好。

值得说明的是：在本实用新型的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，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；对本实用新型描述的电路均为本领域常用的电路，其他相关部件均为现有常用的元器件，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

对于本领域技术人员而言，显然本实用新型专利不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本实用新型专利的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本实用新型专利。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本实用新型专利的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的得同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本实用新型专利内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

Claims (6)

1.一种四麦克纳姆轮共轴结构的全向移动自平衡机器人，其特征在于：包括机身、悬挂、右麦轮、右中麦轮、左中麦轮、左麦轮，机身两侧分别对称安装右悬挂和左悬挂，机身上部预留有作业模块接口；

右悬挂和左悬挂，用于连接机身和麦克纳姆轮；

右悬挂下端安装右麦轮、右中麦轮；左悬挂下端安装左中麦轮、左麦轮；

右麦轮和左中麦轮的麦轮辊子倾斜方向一致，为正向麦克纳姆轮；右中麦轮和左麦轮的麦轮辊子倾斜方向一致，并且与右麦轮和左中麦轮的麦轮辊子倾斜方向相反，为反向麦克纳姆轮；

当四个麦克纳姆轮分别独立工作时，调节四个麦克纳姆轮的运动速度和正反转方向，可实现平面上任意方向的平移、转向。

2.根据权利要求1所述的四麦克纳姆轮共轴结构的全向移动自平衡机器人，其特征在于：所述悬挂包括主动臂、设在机身上的电机、主动轴、从动臂、撑杆、从动关节，电机的输出轴与主动轴连接，可驱动主动臂以主动轴为圆心转动；主动臂下端通过从动关节与从动臂连接，且连接位置在从动臂的中部；从动臂的上端，及机身的上方分别安装有万向节，两个万向节通过撑杆连接，从动臂的下端连接麦克纳姆轮。

3.根据权利要求2所述的四麦克纳姆轮共轴结构的全向移动自平衡机器人，其特征在于：所述主动臂、从动臂、撑杆和机身形成一个四边形结构；主动臂由控制电机驱动，可改变主动臂与机身的夹角，并锁定夹角；还可主动调节机身与麦克纳姆轮之间的高度。

4.根据权利要求1所述的四麦克纳姆轮共轴结构的全向移动自平衡机器人，其特征在于：右麦轮、右中麦轮、左中麦轮、左麦轮的内部均嵌有外转子的大功率无刷电机；无刷电机的电机内定子固定在从动臂上，电机外转子制成麦克纳姆轮的轮毂，电机外转子外围安装有若干与轮轴倾斜45°的麦轮辊子。

5.根据权利要求1所述的四麦克纳姆轮共轴结构的全向移动自平衡机器人，其特征在于：直线运动时，右麦轮、右中麦轮、左中麦轮、左麦轮四个麦克纳姆轮的轴线在一条直线上，四轮着地。

6.根据权利要求2所述的四麦克纳姆轮共轴结构的全向移动自平衡机器人，其特征在于：所述悬挂还可以是四个主动悬挂，独立控制四个麦克纳姆轮。

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