CN216611346U - 一种四驱移动机器人转向机构 - Google Patents

Abstract

一种四驱移动机器人转向机构，转轴驱动机构驱动转轴转动，进而使车轮转动，实现四驱移动机器人的转向。在机器人的转向或运行过程中，可能存在路面颠簸的情况，本专利采用液压阻尼弹簧减震器支撑机器人车身的重量，承受负载及外部负载。液压阻尼弹簧减震器在通过路障及坑洼路面时吸收路面颠簸产生的振动，保持机器人的平稳运行。液压阻尼弹簧减震器使车轮通过路障及坑洼路面时能够均匀着地，保持轮胎与地面的附着力。

Description

一种四驱移动机器人转向机构

技术领域

本实用新型涉及机器人技术领域，具体涉及一种四驱移动机器人转向机构。

背景技术

随着智能化、无人化的技术发展，越来越多的环境任务都由无人智能机器人来实施。机器人从单一的车间环境工作逐渐扩展到复杂的野外环境，轮式移动机器人以移动方便、定位准确、控制方便等优点，使得移动式机器人得到了广泛的应用。

目前国内使用最为频繁的四轮式机器人为双驱动电机驱动型、四电机麦克纳姆轮型、阿克曼前转后驱型以及四驱四转型，前两者都会出现转向里程偏差问题，阿克曼前转后驱型则是在转向时需要的转向半径较大，难以在小空间环境下使用，而四转四驱型相比于上述三种结构，具有高效的传动能力以及全向全运动学状态，且不会出现里程偏差。

但目前的四驱移动底盘还存在以下的不足：四驱移动底盘的整体结构复杂，可靠性差，一方面不方便进行组装，造成四驱移动底盘的成本高，一方面复杂的结构造成驱移动底盘的体积大，从而造成机器人整体显得笨重，造成机器人工作范围受限。而且对于野外的复杂环境适应性较差，尤其是无悬挂无独立转向的机器人，在原地转时的差速运动会严重磨损车轮，甚至出现转向动力不足。当路面凹凸不平时，机器人的四个轮子无法全部接触地面，这导致机器人的控制出现困难。

发明内容

本实用新型为了克服以上技术的不足，提供了一种对室外复杂环境适应性强、可靠性高、稳定性好的四驱移动机器人转向机构。

本实用新型克服其技术问题所采用的技术方案是：

一种四驱移动机器人转向机构，包括：

转轴，通过轴承转动安装于机器人底盘上，转轴的轴线沿竖直方向设置；

转轴驱动机构，设置于机器人底盘上，用于驱动转轴转动；

轮毂法兰，其上端通过销轴铰接连接有上摆臂，其下端通过销轴铰接连接有下摆臂，轮毂电机通过连接法兰安装于轮毂法兰中，轮毂电机的轴线沿水平方向设置，轮毂电机的外圈安装有车轮，上摆臂的上端通过销轴与转轴的下端铰接连接；

连杆，沿竖直方向设置，其上端与转轴的下端连接固定，其下端通过销轴与下摆臂的上端铰接连接；以及

液压阻尼弹簧减震器，其下端通过销轴与连接法兰铰接连接，其上端通过销轴与连杆铰接连接。

进一步的，上述转轴通过深沟球轴承及交叉滚子轴承转动安装于机器人底盘上。

进一步的，上述转轴驱动机构包括安装于机器人底盘上的支架、安装于支架上的伺服电机、同轴安装于伺服电机输出轴上的同步带轮Ⅰ以及同轴安装于转轴上端的同步带轮Ⅱ，同步带轮Ⅰ与同步带轮Ⅱ之间通过同步带传动连接。

本实用新型的有益效果是：转轴驱动机构驱动转轴转动，进而使车轮转动，实现四驱移动机器人的转向。在机器人的转向或运行过程中，可能存在路面颠簸的情况，本专利采用液压阻尼弹簧减震器支撑机器人车身的重量，承受负载及外部负载。液压阻尼弹簧减震器在通过路障及坑洼路面时吸收路面颠簸产生的振动，保持机器人的平稳运行。液压阻尼弹簧减震器使车轮通过路障及坑洼路面时能够均匀着地，保持轮胎与地面的附着力。

附图说明

图1为本实用新型的立体结构示意图；

图2为本实用新型的主视结构示意图；

图中，1.机器人底盘 2.支架 3.伺服电机 4.车轮 5.连杆 6.轮毂法兰 7.液压阻尼弹簧减震器 8.连接法兰 9.上摆臂 10.下摆臂 11.轮毂电机 12.同步带轮Ⅰ 13.同步带轮Ⅱ 14.同步带 15.转轴 16.深沟球轴承 17.交叉滚子轴承。

具体实施方式

下面结合附图1、附图2对本实用新型做进一步说明。

一种四驱移动机器人转向机构，包括：转轴15，通过轴承转动安装于机器人底盘1上，转轴15的轴线沿竖直方向设置；转轴驱动机构，设置于机器人底盘1上，用于驱动转轴15转动；轮毂法兰6，其上端通过销轴铰接连接有上摆臂9，其下端通过销轴铰接连接有下摆臂10，轮毂电机11通过连接法兰8安装于轮毂法兰6中，轮毂电机11的轴线沿水平方向设置，轮毂电机11的外圈安装有车轮4，上摆臂9的上端通过销轴与转轴15的下端铰接连接；连杆5，沿竖直方向设置，其上端与转轴15的下端连接固定，其下端通过销轴与下摆臂10的上端铰接连接；以及液压阻尼弹簧减震器7，其下端通过销轴与连接法兰8铰接连接，其上端通过销轴与连杆5铰接连接。转轴驱动机构驱动转轴15转动，进而使车轮4转动，实现四驱移动机器人的转向。在机器人的转向或运行过程中，可能存在路面颠簸的情况，本专利采用液压阻尼弹簧减震器7支撑机器人车身的重量，承受负载及外部负载。液压阻尼弹簧减震器7在通过路障及坑洼路面时吸收路面颠簸产生的振动，保持机器人的平稳运行。液压阻尼弹簧减震器7使车轮24通过路障及坑洼路面时能够均匀着地，保持轮胎与地面的附着力。

优选的，转轴15通过深沟球轴承16及交叉滚子轴承17转动安装于机器人底盘1上。

转轴驱动机构可以为如下结构，其包括安装于机器人底盘1上的支架2、安装于支架2上的伺服电机3、同轴安装于伺服电机3输出轴上的同步带轮Ⅰ 12以及同轴安装于转轴15上端的同步带轮Ⅱ 13，同步带轮Ⅰ 12与同步带轮Ⅱ 13之间通过同步带14传动连接。伺服电机3转动从而驱动同步带轮Ⅰ 12转动，同步带轮Ⅰ 12与同步带轮Ⅱ 13通过同步带14连接，因此实现驱动同步带轮Ⅱ 13转动进而驱动转轴15旋转。

下面通过一个具体的实例来说明本实用新型的四驱移动机器人转向机构的转动方法，其包括如下步骤：

步骤101、检测控制车轮4转动的预设条件是否被触发。

需要说明的是，本专利申请中的机器人为四轮移动机器人，即，具有四个车轮4。预设条件用于判断机器人是否需要转向，且预设条件的触发方式分为自动触发和被动触发。

具体地，自动触发式的预设条件为：服务器实时检测机器人与机器人前进方向上障碍物之间的第一距离是否小于预设距离，当第一距离小于预设距离时，机器人如果继续前进将要碰撞到障碍物；此时，机器人将会确定预设条件被触发。进一步，需要说明的是，可以预先在机器人上安装了多个红外传感器，其中，红外传感器用于检测机器人与障碍物之间的距离，且至少有一个红外传感器用于检测机器人与机器人前进方向的障碍物的第一距离，并通过该红外传感器将第一距离上传给服务器。

另外，被动触发式的预设条件为：服务器接收到外部传输的触发指令，其中，该触发指令是该机器人配对的控制装置生成的，且控制装置可以为遥控器、电脑终端以及手机终端等。

具体地，服务器实时接收检测第一距离的红外传感器上传的距离数据，判断第一距离是否小于预设距离。当小于预设距离时，服务器判定预设条件被触发，服务器确定机器人需要转向。以及，当服务器接收到外部传输的触发指令时，预设条件被触发，服务器确定机器人需要转动。

步骤102、当预设条件被触发时，确定控制信号。

需要说明的是，预设条件包含机器人被触发转向的原因，服务器可以根据预设条件确定机器人的操作方向；此外，当服务器判断出预设条件对应的操作方向时，存在操作方向与旋转时间的第一对应关系，服务器将该操作方向带入第一对应关系中，来获取该操作方向对应的旋转时间；以及服务器预存了若干条机器人的控制信号，以及控制信号与旋转时间的第二对应关系。进而服务器将该旋转时间带入第二对应关系中，来获取该旋转时间对应的控制信号。

具体地，通过步骤101，服务器确定预设条件被触发，服务器确定机器人需要转向，此时，服务器需要获取机器人转动的操作方向；如果预设条件被触发的原因是服务器接收到外部的触发指令，由于触发指令包含操作方向，服务器直接获取触发指令中的操作方向，将该操作方向作为操作方向带入第一对应关系中，以获得该触发指令对应的旋转时间；进而将该旋转时间带入第二对应关系中，以获得该触发指令对应的控制信号。

如果预设条件被触发的原因是机器人与机器人前进方向上障碍物之间的第一距离小于预设距离，那么服务器将会开启探测模式。

具体地，在机器人上预先安装至少4个红外传感器，用于探测机器人与机器人前进方向的障碍物的第一距离、机器人与第一预设方向的障碍物的第二距离、机器人与第二预设方向的障碍物的第三距离以及机器人与第三预设方向的障碍物的第四距离。需要说明的是，相邻的两个红外传感器之间的夹角为120°。服务器获取第一预设方向、第二预设方向以及第三预设方向对应的红外传感器检测的距离数据（第二距离、第三距离以及第四距离）；其中，第一预设方向对应第二距离；第二预设方向对应第三距离；第三预设方向对应第四距离。判断第二距离、第三距离以及第四距离中最大的数值。由于最大数值对应的预设方向与障碍物之间的距离最远。因此，服务器将最大数值对应的预设方向设置为机器人将要转向的操作方向。

在服务器确定机器人旋转的操作方向后，服务器获取操作方向与旋转时间的第一对应关系，服务器将该操作方向带入该第一对应关系中，以获得该操作方向对应的旋转时间，进而服务器将该旋转时间带入第二对应关系中，以获得发送给伺服电机3的控制信号。

步骤103、向伺服电机3发送控制信号，以使伺服电机3根据旋转时间控制同步带轮Ⅰ 12旋转，以实现同步带轮Ⅰ 12带动车轮4转向。

需要说明的是，控制信号包含伺服电机3驱动同步带轮Ⅰ 12的旋转时间。由于伺服电机3驱动同步带轮Ⅰ 12匀速旋转，因此在固定时间段内，服务器可以通过控制伺服电机3驱动同步带轮Ⅰ 12的旋转时间，达到精确控制同步带14旋转长度的目的，进而可以实现精确控制同步带14驱动同步带轮Ⅱ 13旋转，进而实现精确控制车轮4转向角度的目的。

具体地，服务器向伺服电机3发送具有旋转时间的控制信号，伺服电机3接收到控制信号后，驱动同步带轮Ⅰ 12作业，且作业时长为旋转时间时长；在旋转时间时长内，伺服电机3接受控制信号并开始转动，伺服电机3驱动同步带轮Ⅰ 12，通过同步带14传递到同步带轮Ⅱ 13，进而带动转轴15转动，实现车轮4转动，从而控制四轮转向，以实现精准转向的目的。

此外，需要说明的是，在伺服电机3完成驱动同步带轮Ⅰ 12作业后，伺服电机3将会向服务器发送完成指令，以使服务器确定伺服电机3完成车轮4的转向作业。如果在预设时间段内，服务器没有接收到伺服电机3上传的完成指令，服务器确定伺服电机3出现故障，将会向该机器人对应的维护终端发送报警指令，以使维护终端对该机器人进行维护。如果在预设时间段内，服务器接收到伺服电机3上传的完成指令，服务器将发送包含“运行”的调动指令给驱动电机，使驱动电机驱动机器人继续向前移动作业。需要说明的是，调动指令用于控制机器人的运行状态，以及调动指令还包括急停指令、减速指令、急刹车指令、慢刹车指令以及点刹指令。需要说明的是，预设时间可以是任意可行的时间段，本领域技术人员可以通过多次实验，来确定预设时间的具体数据。

需要说明的是，处理器用于检测车轮转动的预设条件是否被触发；其中，预设条件包括以下任意一项或多项：机器人与机器人前进方向上障碍物之间的第一距离小于预设距离；和/或，接收到触发指令；当预设条件被触发时，确定控制信号；其中，控制信号包括小同步带轮的旋转时间；向伺服电机发送控制信号，以使伺服电机根据旋转时间控制小同步带轮旋转，进而实现小同步带轮带动车轮转向。

另外，本申请实施例还提供了一种非易失性计算机存储介质，其上存储有可执行指令，在该可执行指令被执行时，实现如上述实施例提供的一种四驱四转的机器人的转动方法。

本申请中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于装置实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。

最后应说明的是：以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种四驱移动机器人转向机构，其特征在于，包括：

转轴（15），通过轴承转动安装于机器人底盘（1）上，转轴（15）的轴线沿竖直方向设置；

转轴驱动机构，设置于机器人底盘（1）上，用于驱动转轴（15）转动；

轮毂法兰（6），其上端通过销轴铰接连接有上摆臂（9），其下端通过销轴铰接连接有下摆臂（10），轮毂电机（11）通过连接法兰（8）安装于轮毂法兰（6）中，轮毂电机（11）的轴线沿水平方向设置，轮毂电机（11）的外圈安装有车轮（4），上摆臂（9）的上端通过销轴与转轴（15）的下端铰接连接；

连杆（5），沿竖直方向设置，其上端与转轴（15）的下端连接固定，其下端通过销轴与下摆臂（10）的上端铰接连接；以及

液压阻尼弹簧减震器（7），其下端通过销轴与连接法兰（8）铰接连接，其上端通过销轴与连杆（5）铰接连接。

2.根据权利要求1所述的四驱移动机器人转向机构，其特征在于：所述转轴（15）通过深沟球轴承（16）及交叉滚子轴承（17）转动安装于机器人底盘（1）上。

3.根据权利要求1所述的四驱移动机器人转向机构，其特征在于：所述转轴驱动机构包括安装于机器人底盘（1）上的支架（2）、安装于支架（2）上的伺服电机（3）、同轴安装于伺服电机（3）输出轴上的同步带轮Ⅰ（12）以及同轴安装于转轴（15）上端的同步带轮Ⅱ（13），同步带轮Ⅰ（12）与同步带轮Ⅱ（13）之间通过同步带（14）传动连接。

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