CN213566229U - 一种全向运动机器人 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于机器人设备技术领域，尤其涉及一种全向运动机器人。具体地，该全向运动机器人包括：底盘架和偶数个转向动力系统，各个转向动力系统包括转向臂、轮毂电机和转向动力机构，转向臂的第一连接部可转动地连接在底盘架，轮毂电机的定子部连接在转向臂的第二连接部，动力输出端带动转向臂的第三连接部相对于底盘架转动，第三连接部与第一连接部相对于底盘架的转动中心轴线同轴设置，转向驱动器、转向传动组件与第三连接部之间呈水平传动布置方式。应用本实用新型技术方案解决了现有技术的机器人底盘结构转向结构不灵活的问题。

Description

一种全向运动机器人

技术领域

本实用新型属于机器人设备技术领域，尤其涉及一种全向运动机器人。

背景技术

目前，智能安防巡检机器人(包含电力巡检)对运动性能有了更高的需求，然而，市场中常见的机器人底盘结构是前轮阿克曼转向的底盘结构与四轮差速的底盘结构。前者由于采用前轮阿克曼转向而直接导致其转弯半径很大，在狭小空间位置处行进会显得十分麻烦及笨重；后者采用四轮差速转向方式，理论上是可以实现原地自转、行进灵活等运动性能，但实际应用中差速转向方式会由于地面打滑导致与理想的运动轨迹有较大的出入，且其会严重损耗轮胎、降低使用寿命、增加机器人的使用成本。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种全向运动机器人，旨在解决现有技术的机器人底盘结构转向结构不灵活的问题。

为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是：一种全向运动机器人，包括：底盘架；偶数个转向动力系统，所有的转向动力系统安装在底盘架上且相对于底盘架的沿前进方向延伸的中心线两两相对地对称设置，各个转向动力系统包括：转向臂，转向臂具有刚性相连的第一连接部、第二连接部和第三连接部，第一连接部可转动地连接在底盘架；轮毂电机，轮毂电机包括定子部和转子部，转子部可转动地套住定子部，定子部连接在第二连接部，并且，转子部被定子部驱动而转动的转动中心轴线垂直于第一连接部相对于底盘架的转动中心轴线；转向动力机构，转向动力机构包括转向驱动器和转向传动组件，转向传动组件具有动力输入端和动力输出端，动力输入端与动力输出端传动连接，转向驱动器连接在底盘架上，转向驱动器的动力输出轴与动力输入端连接，动力输出端与第三连接部连接，动力输出端带动第三连接部相对于底盘架转动，第三连接部与第一连接部相对于底盘架的转动中心轴线同轴设置。

可选地，转向传动组件包括第一同步带轮、第二同步带轮和同步带，第一同步带轮为动力输入端，第二同步带轮为动力输出端，同步带连接在第一同步带与第二同步带之间，转向驱动器的动力输出轴带动第一同步带轮同步转动，第二同步带轮与第三连接部固定连接。

可选地，转向传动组件还包括张紧装置，张紧装置连接在底盘架上，且张紧装置位于第一同步带轮和第二同步带轮之间，同步带绕过张紧装置使第一同步带路与第二同步带轮之间的同步带张紧。

可选地，张紧装置包括底座、旋转盘、扭簧和滚轮，底座连接在底盘架上，旋转盘可转动地连接在底座上，扭簧预紧装配在底座与旋转盘之间，滚轮可转动地连接在旋转盘上，同步带绕过滚轮。

可选地，第一同步带轮和第二同步带轮均为齿轮，同步带为齿形带。

可选地，转向驱动器为动力舵机。

可选地，动力输入端为蜗杆，动力输出端为齿轮组，蜗杆与齿轮组的输入齿轮相啮合，蜗杆连接在转向驱动器的动力输出轴上，齿轮组的输出齿轮带动第三连接部同步转动。

可选地，第一连接部为转动安装座，第二连接部为由竖板和横板连接组成的L型安装板，第三连接部为连接柱，转动安装座通过销轴可转动地连接在底盘架上，竖板与转动安装座固定连接，连接柱固定连接在横板上，连接柱的中心轴线与销轴的中心轴线同轴设置。

可选地，第一连接部与第二连接部分别为直臂杆的第一端与第二端，第三连接部为传动轴，传动轴可转动地连接在底盘架上，直臂杆的第一端连接在传动轴上并随传动轴同步转动，传动轴的端部与动力输出端连接。

可选地，转向动力系统的数量为4个，4个转向动力系统分布在底盘架的对应边角位置上。

本实用新型至少具有以下有益效果：

应用本实用新型提供的全向运动机器人进行巡检工作或者进行其他实验、检测工作，在保证机器人能够正常行走前进的基础上，通过轮毂电机形成的轮子结构，轮毂电机中集成了动力源和转动轮子，从而使得行走的轮子结构更紧凑更美观，并且轮毂电机能够提供强大扭力，极大地提升了机器人的运动性能，具有更强的爬坡、越障等方面能力，并且，采用轮毂电机节约了空间且可以提供强大前进的驱动力，也可以通过电制动实现快速停车或驻车功能。在全向运动机器人行进并转向过程中，由于各个转向动力系统之间相互独立，并且每个转向动力系统中通过转向臂分设出来的第一连接部、第二连接部和第三连接部分别与底盘架、定子部和转向动力机构的动力输出端连接，如此，每个轮毂电机在转向过程中都能实现正负90°转动，也就让机器人实现了全向移动的功能。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型第一实施例的全向运动机器人的装配结构示意图；

图2为本实用新型第一实施例的全向运动机器人的其中一个转向动力系统的装配结构示意图；

图3为图2的分解图；

图4为本实用新型第一实施例的全向运动机器人的张紧装置的装配结构示意图；

图5为图4的俯视图；

图6为图5中A-A方向的剖视图；

图7为本实用新型第一实施例的全向运动机器人的转向臂的结构示意图；

图8为本实用新型第二实施例的全向运动机器人的其中一个转向动力系统的装配结构示意图。

其中，图中各附图标记：

10、底盘架；11、舵机安装座；100、转向动力系统；20、转向臂；21、第一连接部；22、第二连接部；221、竖板；222、横板；23、第三连接部；30、轮毂电机；31、定子部；32、转子部；40、转向动力机构；41、转向驱动器；42、转向传动组件；421、动力输入端；422、动力输出端；4221、输入齿轮； 4222、中间传动齿轮；4223、输出齿轮；423、同步带；424、张紧装置；4241、底座；4242、旋转盘；4243、扭簧；4244、滚轮；4245、螺母配件；51、销轴； 52、锁紧螺母；200、蓄电池。

具体实施方式

下面详细描述本实用新型的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“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，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”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。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，或成一体；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或两个元件的相互作用关系。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。

如图1至图3所示，本实用新型第一实施例提供了一种全向运动机器人，所谓全向运动，即该机器人可以实现地面上任意方向的运动，包括常见的蛇形曲线运动、常见的曲线行驶运动、以及阿克曼转向运动等。该全向运动机器人包括底盘架10和偶数(大于等于4的偶数)个转向动力系统100，所有的转向动力系统100安装在底盘架10上且相对于底盘架10的沿前进方向延伸的中心线两两相对地对称设置，通过转向动力系统100实现机器人行走过程中转弯变向，机器人所需携带的工作器械以及精密工具均安装在底盘架10上，则底盘架 10和这些转向动力系统100组成了机器人的底盘结构，能够承载整体机器人。其中，各个转向动力系统包括转向臂20、轮毂电机30和转向动力机构40，具体地，转向臂20具有刚性相连的第一连接部21、第二连接部22和第三连接部 23，轮毂电机30包括定子部31和转子部32(转子部32即为轮子，定子部31 则是装配有动力源的轮毂结构，动力源为转子部32提供动力，从而实现轮子转动而行走)，转向动力机构40包括转向驱动器41和转向传动组件42。在具体装配时，第一连接部21可转动地连接在底盘架10，转子部32可转动地套住定子部31，定子部31连接在第二连接部22，并且，转子部32被定子部31驱动而相对于底盘架10转动的转动中心轴线垂直于第一连接部21相对于底盘架10 的转动中心轴线。进一步装配，转向传动组件42具有动力输入端421和动力输出端422，动力输入端421与动力输出端422传动连接，转向驱动器41连接在底盘架10上，转向驱动器41的动力输出轴与动力输入端421连接，动力输出端422与第三连接部23连接，动力输出端422带动第三连接部23相对于底盘架10转动，第三连接部23与第一连接部21相对于底盘架10的转动中心轴线同轴设置。在该全向运动机器人中，第一连接部21相对于底盘架10的转动中心轴线为垂直于地面的竖直轴线。

应用本实用新型提供的全向运动机器人进行巡检工作或者进行其他实验、检测工作，在保证机器人能够正常行走前进的基础上，通过轮毂电机30形成的轮子结构，轮毂电机30中集成了动力源和转动轮子，从而使得行走的轮子结构更紧凑更美观，并且轮毂电机30能够提供强大扭力，极大地提升了机器人的运动性能，具有更强的爬坡、越障等方面能力，并且，采用轮毂电机30节约了空间且可以提供强大前进的驱动力，也可以通过电制动(定子部31的动力源断电停止输出动力时产生的制动效果)实现快速停车或驻车功能。在全向运动机器人行进并转向过程中，由于各个转向动力系统100之间相互独立，并且每个转向动力系统100中通过转向臂20分设出来的第一连接部21、第二连接部22和第三连接部23分别与底盘架10、定子部31和转向动力机构40的动力输出端 422连接，如此，每个轮毂电机30在转向过程中都能实现正负90°转动，也就让机器人实现了全向移动的功能。

在本实用新型的第一实施例中，转向驱动器41、转向传动组件42与第三连接部23之间可以是呈水平传动布置方式(当该全向运动机器人放置在平整地面上时，则此时第一连接部21相对于底盘架10的转动中心轴线为纵垂线，水平方向则平行于平整地面)。或者，转向驱动器41、转向传动组件42与第三连接部23之间也可以是呈竖直向下传动布置方式，也就是，转向驱动器41位于最上端输出动力，逐级向下传递依次经过转向传动组件42与第三连接部23，从而带动轮毂电机30转向。优选地，本实用新型采用了转向驱动器41、转向传动组件42与第三连接部23之间呈水平传动布置方式，这样，在确保稳定传递动力的基础上，可以尽可能地降低转向动力机构40的布置高度，有利于降低机器人整体重心高度，重心低则机器人稳定性提高。

如图2和图3所示，转向传动组件42包括第一同步带轮、第二同步带轮和同步带423，采用同步带传动转向动力的传动方式，实现了将转向动力机构40 各个组成部分布置在同一水平高度上，极大地降低了机器人底盘结构的高度(即降低了机器人整体的重心高度)。具体地，第一同步带轮为动力输入端421，第二同步带轮为动力输出端422，同步带423作为动力输入端421与动力输出端 422之间传动转向动力的中间传动媒介，同步带423跨绕在第一同步带与第二同步带之间，转向驱动器41的动力输出轴带动第一同步带轮同步转动，经同步带 423传递动力带动第二同步带轮转动，第二同步带轮设置在第三连接部23上，并通过锁紧螺母52将第二同步带轮锁紧固定在第三连接部23上。

同步带423采用柔性材质制造成型，在使用过程中在弹性形变范围内会存在拉伸现象，导致同步带423在第一同步带轮与第二同步带轮之间松弛，为了然同步带423无论在静置时或是在传动工作过程中均能在第一同步带轮与第二同步带轮之间保持绷紧状态，因此，转向传动组件42还包括张紧装置424，张紧装置424连接在底盘架10上，且张紧装置424位于第一同步带轮和第二同步带轮之间，同步带423绕过张紧装置424使第一同步带路与第二同步带轮之间的同步带423张紧。

具体地，如图4至图6所示，张紧装置424包括底座4241、旋转盘4242、扭簧4243和滚轮4244。底座4241固定连接在底盘架10上，底座4241具有中心柱，旋转盘4242可转动地连接在底座4241的中心柱上，并通螺母配件4245 螺接在中心柱上以防止旋转盘4242脱离中心柱。扭簧4243预紧装配在底座4241 与旋转盘4242之间，扭簧4243的一端固定在底座4241上另一端固定在旋转盘 4242上，并且扭簧4243套在中心柱上。滚轮4244可转动地连接在旋转盘4242 的延伸臂上，同步带423绕过滚轮4244。这样，在扭簧4243的弹力作用下，滚轮4244能够自适应地配合同步带423的弹性伸缩而始终抵顶同步带423，从而始终保持同步带423在第一同步带轮与第二同步带轮之间绷紧。

在第一实施例中，为了防止同步带423在传递转向动力过程中出现打滑情况，因而，在该全向运动机器人中，第一同步带轮和第二同步带轮均为齿轮，同步带423为齿形带。并且，转向驱动器41为动力舵机，并且通过舵机安装座 11将舵机装配固定在底盘架10上，从而通过舵机输出充足的转向动力。

如图7所示，第一连接部21为转动安装座，第二连接部22为由竖板221 和横板222连接组成的L型安装板，L型安装板的横板222下方形成的空间能够对与第一连接部21相连的底盘架10的连接端头进行避让，在轮毂电机30进行正负90°转动过程中不会发生运动干涉情况。第三连接部23为连接柱，转动安装座通过销轴51可转动地连接在底盘架10上，整个轮毂电机30在转向过程中相对于底盘架10转动是以销轴51的中心轴线为转动轴线，竖板221与转动安装座固定连接，连接柱固定连接在横板222上，连接柱的中心轴线与销轴51 的中心轴线同轴设置。

或者，转向臂20还可以是另一种可行的结构，即：第一连接部21与第二连接部22分别为直臂杆的第一端与第二端，第三连接部23为传动轴。在此种转向臂20的结构中，直壁杆传动轴可转动地连接在底盘架10上，直臂杆的第一端连接在传动轴上并随传动轴同步转动(例如，直臂杆的第一端开有通孔，传动轴穿过该通孔，并且传动轴与通孔的孔壁之间采用键传动)，传动轴的端部与动力输出端422连接。

在第一实施例中，转向动力系统100的数量为4个，4个转向动力系统100 分布在底盘架10的对应边角位置上。也就是，该全向运动机器人被装配完成后可以归类为四轮转向机器人。

根据本实用新型的另一方面，如图8所示，本实用新型的第二实施例也提供了一种全向运动机器人。在第二实施例的全向运动机器人中，动力输入端421 为蜗杆，动力输出端422为齿轮组，蜗杆与齿轮组的输入齿轮4221相啮合，蜗杆连接在转向驱动器41的动力输出轴上，齿轮组的输入齿轮4221和中间传动齿轮4222装配在底盘架10上，齿轮组的输出齿轮4223连接在第三连接部23 上。与第一实施例同样地，在第二实施例中，舵机、蜗杆、齿轮组以及第三连接部23装配成为呈水平传动布置方式，实现了将转向动力机构40各个组成部分布置在同一水平高度上，极大地降低了机器人底盘结构的高度(即降低了机器人整体的重心高度)。在第二实施例中，由于转向动力机构40中采用了齿轮组啮合传动作为中间传递方式，因此，第二实施例的机器人无需设置张紧装置。

第二实施例的全向运动机器人与第一实施例的全向运动机器人相比，除了上述结构不同之外，其余结构均相同，因而在此不再赘述。

在本实用新型的全向运动机器人中，底盘架10上形成有中空的蓄电池放置空间，将蓄电池200安装在该蓄电池放置空间中，蓄电池200向各个定子部31 中的动力源、各个舵机、机器人携带的各种用电的工作器件和用电精密工具、以及机器人的控制系统进行供电，以维持机器人正常进行巡检工作或者进行其他实验、检测工作。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种全向运动机器人，其特征在于，包括：

底盘架(10)；

偶数个转向动力系统(100)，所有的所述转向动力系统(100)安装在所述底盘架(10)上且相对于所述底盘架(10)的沿前进方向延伸的中心线两两相对地对称设置，各个所述转向动力系统包括：

转向臂(20)，所述转向臂(20)具有刚性相连的第一连接部(21)、第二连接部(22)和第三连接部(23)，所述第一连接部(21)可转动地连接在所述底盘架(10)；

轮毂电机(30)，所述轮毂电机(30)包括定子部(31)和转子部(32)，所述转子部(32)可转动地套住所述定子部(31)，所述定子部(31)连接在所述第二连接部(22)，并且，所述转子部(32)被所述定子部(31)驱动而转动的转动中心轴线垂直于所述第一连接部(21)相对于所述底盘架(10)的转动中心轴线；

转向动力机构(40)，所述转向动力机构(40)包括转向驱动器(41)和转向传动组件(42)，所述转向传动组件(42)具有动力输入端(421)和动力输出端(422)，所述动力输入端(421)与所述动力输出端(422)传动连接，所述转向驱动器(41)连接在所述底盘架(10)上，所述转向驱动器(41)的动力输出轴与所述动力输入端(421)连接，所述动力输出端(422)与所述第三连接部(23)连接，所述动力输出端(422)带动所述第三连接部(23)相对于所述底盘架(10)转动，所述第三连接部(23)与所述第一连接部(21)相对于所述底盘架(10)的转动中心轴线同轴设置。

2.根据权利要求1所述的全向运动机器人，其特征在于，

所述转向传动组件(42)包括第一同步带轮、第二同步带轮和同步带(423)，所述第一同步带轮为所述动力输入端(421)，所述第二同步带轮为所述动力输出端(422)，所述同步带(423)连接在所述第一同步带与所述第二同步带之间，所述转向驱动器(41)的动力输出轴带动所述第一同步带轮同步转动，所述第二同步带轮与所述第三连接部(23)固定连接。

3.根据权利要求2所述的全向运动机器人，其特征在于，

所述转向传动组件(42)还包括张紧装置(424)，所述张紧装置(424)连接在所述底盘架(10)上，且所述张紧装置(424)位于所述第一同步带轮和所述第二同步带轮之间，所述同步带(423)绕过所述张紧装置(424)使所述第一同步带路与所述第二同步带轮之间的所述同步带(423)张紧。

4.根据权利要求3所述的全向运动机器人，其特征在于，

所述张紧装置(424)包括底座(4241)、旋转盘(4242)、扭簧(4243)和滚轮(4244)，所述底座(4241)连接在所述底盘架(10)上，所述旋转盘(4242)可转动地连接在所述底座(4241)上，所述扭簧(4243)预紧装配在所述底座(4241)与所述旋转盘(4242)之间，所述滚轮(4244)可转动地连接在所述旋转盘(4242)上，所述同步带(423)绕过所述滚轮(4244)。

5.根据权利要求2至4中任一项所述的全向运动机器人，其特征在于，

所述第一同步带轮和所述第二同步带轮均为齿轮，所述同步带(423)为齿形带。

6.根据权利要求5所述的全向运动机器人，其特征在于，

所述转向驱动器(41)为动力舵机。

7.根据权利要求1所述的全向运动机器人，其特征在于，

所述动力输入端(421)为蜗杆，所述动力输出端(422)为齿轮组，所述蜗杆与所述齿轮组的输入齿轮(4221)相啮合，所述蜗杆连接在所述转向驱动器(41)的动力输出轴上，所述齿轮组的输出齿轮(4223)带动所述第三连接部(23)同步转动。

8.根据权利要求1、2、3、4或7所述的全向运动机器人，其特征在于，

所述第一连接部(21)为转动安装座，所述第二连接部(22)为由竖板(221) 和横板(222)连接组成的L型安装板，所述第三连接部(23)为连接柱，所述转动安装座通过销轴(51)可转动地连接在所述底盘架(10)上，所述竖板(221)与所述转动安装座固定连接，所述连接柱固定连接在所述横板(222)上，所述连接柱的中心轴线与所述销轴(51)的中心轴线同轴设置。

9.根据权利要求1、2、3、4或7所述的全向运动机器人，其特征在于，

所述第一连接部(21)与所述第二连接部(22)分别为直臂杆的第一端与第二端，所述第三连接部(23)为传动轴，所述传动轴可转动地连接在所述底盘架(10)上，所述直臂杆的第一端连接在所述传动轴上并随所述传动轴同步转动，所述传动轴的端部与所述动力输出端(422)连接。

10.根据权利要求1所述的全向运动机器人，其特征在于，

所述转向动力系统(100)的数量为4个，4个所述转向动力系统(100)分布在所述底盘架(10)的对应边角位置上。

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