CN218907359U - 一种用于全向移动机器人底盘的舵轮装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种用于全向移动机器人底盘的舵轮装置，包括安装板、舵向机构、车轮机构、支撑板以及防绕线导电机构；所述舵向机构包括支撑外环、支撑内环以及舵向驱动机构，所述支撑外环固定在安装板上，所述舵向驱动机构用于驱动支撑内环相对于支撑外环进行转动；所述支撑内环与所述支撑板固定连接；所述车轮机构包括设置在所述支撑板上的车轮以及内置在所述车轮上的无刷电机；所述防绕线导电机构包括设置在支撑板上的固定架以及设置在所述固定架上的导电滑环。该舵轮装置结构简单，在竖直方向上占用空间较小，且采用无刷电机直接驱动车轮转动，避免传动过程中存在虚位的情况发生，在舵向转动时，可以避免三相线发生缠绕现象。

Description

一种用于全向移动机器人底盘的舵轮装置

技术领域

本实用新型涉及舵轮技术领域，具体涉及一种用于全向移动机器人底盘的舵轮装置。

背景技术

舵轮是指集成了驱动电机、转向电机、减速机等一体化的机械结构。随着机器人的不断发展，舵轮被越来越多应用到移动机器人上面，以舵轮为基础的全向移动机器人底盘，拥有高速度，高加速度，全向移动的能力。

全向移动机器人底盘首先要能够实现全方位的移动，以保证机器人的灵活性；其次要根据不同情况对最高速度、最大加减速度、跑动精度等参数进行选择。在底盘轮系的选择上，传统正交的全向轮、麦克纳姆轮虽然可以满足全向移动，但在全向移动时，其所有轮子的转动方向无法时刻都与前进方向一致，且其上布置的小滚子与地面的接触面积较小使得摩擦力不足，传动效率较低，导致这两种轮子的最大加速度都较小。相比上述两种传统的全向轮，舵轮不仅能满足机器人底盘全向移动还拥有更高的速度和加速度，在机器人比赛中表现卓越。

传统舵轮轮系通常采用舵电机外置，轮电机上置的布置模式，这种布置模式的好处是整体结构十分紧凑，便于整体封装。但是，传统舵轮轮系还存在以下不足：

1、结构复杂，在竖直方向上占用空间较大，而且所需的加工件较多，加工成本高且对加工精度的要求较高。

2、传统舵轮轮系的车轮驱动方式为轮电机加齿轮组传动，传动过程中会存在虚位。

3、轮系绕线情况严重，由于轮电机上置的布置方式，随着机器人位置的移动，其相当于轮电机始终在绕着轮系中心做旋转运动，这会导致轮电机的三相线在转动多圈后发生明显的缠绕现象。若不及时处理，甚至可能会出现卡死轮子的情况。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服上述存在的问题，提供一种用于全向移动机器人底盘的舵轮装置，该舵轮装置结构简单，在竖直方向上占用空间较小，且采用无刷电机直接驱动车轮转动，避免传动过程中存在虚位的情况发生，在舵向转动时，可以避免三相线发生缠绕现象。

本实用新型的目的通过以下技术方案实现：

一种用于全向移动机器人底盘的舵轮装置，包括安装板、舵向机构、车轮机构、支撑板以及防绕线导电机构；其中，

所述舵向机构包括支撑外环、支撑内环以及舵向驱动机构，所述支撑外环与所述支撑内环之间通过轴承连接；所述支撑外环固定在安装板上，所述舵向驱动机构用于驱动支撑内环相对于支撑外环进行转动；所述支撑内环与所述支撑板固定连接；

所述车轮机构包括设置在所述支撑板上的车轮以及内置在所述车轮上用于驱动车轮转动的无刷电机；其中，所述车轮机构位于所述舵向机构的中心；

所述防绕线导电机构包括设置在支撑板上的固定架以及设置在所述固定架上的导电滑环，所述导电滑环与所述无刷电机以及舵向驱动机构电连接。

上述用于全向移动机器人底盘的舵轮装置的工作原理是：

工作时，舵向机构可以为舵轮装置提供舵向转动，车轮机构可以为舵轮装置提供车轮转动，实现水平面的全自由移动，具体地，安装板可安装在机器人底盘上，通过舵向驱动机构驱动支撑内环相对于支撑外环进行转动，带动支撑板旋转，从而带动车轮机构跟着旋转，实现了舵向转动；通过无刷电机直接驱动车轮转动，为舵轮装置提供向前运动的动力；通过设置导电滑环，可以避免无刷电机的三相线发生缠绕现象，结构更加简单。

本实用新型的一个优选方案，其中，所述支撑内环上设有连接板，所述连接板上设有电机座；所述舵向驱动机构包括设置在所述支撑外环上且与支撑外环同轴设置的环形齿轮、设置在所述电机座上的舵向电机以及设置在所述舵向电机的动力端的主动齿轮；所述主动齿轮与所述环形齿轮相互啮合。上述结构中，由于环形齿轮设置在支撑外环上，在舵向转动时，环形齿轮固定不动，主动齿轮在舵向电机的驱动下，会使得舵向电机、主动齿轮、电机座、连接板、支撑板、车轮机构一起随着支撑内环转动。

优选地，所述支撑板上设有第一支座和第二支座，所述车轮转动连接在第一支座和第二支座之间，所述固定架连接在第一支座和第二支座上。通过设置上述结构，方便了车轮与防绕线导电机构的安装。

优选地，所述车轮为PU包胶轮，所述无刷电机的电机轴转动连接在所述第一支座上，所述无刷电机设置在车轮的轮毂内。通过设置上述结构，可以使得结构变得更加简单紧凑，使得舵轮装置在竖直方向上占用空间较小。

优选地，所述车轮机构还包括转动反馈组件，所述转动反馈组件包括编码器以及联轴器；所述编码器设置在所述第二支座上，所述编码器的一端通过联轴器与所述无刷电机相连接，所述编码器用于检测无刷电机的转角，对无刷电机进行闭环控制。

优选地，所述固定架包括两个竖板和一个横板，其中，两个竖板的下端分别固定在第一支座与第二支座上；所述横板的一端与其中一个竖板的上端榫接，另一端与另一个竖板的上端榫接；所述导电滑环安装在所述横板上。通过设置上述结构，方便了导电滑环的安装，使得舵轮装置也变得十分紧凑。

优选地，所述导电滑环的轴线与所述轴承的轴线相互重合。其目的在于，结构更加紧凑，使得舵向机构在工作时更加方便运动，且运动时更加省力，保证了车轮可以实现舵向旋转。

优选地，所述导电滑环的定子与机器人底盘上的电源电连接，所述导电滑环的转子与所述无刷电机、舵向电机电连接。上述结构中，转子能绕定子随意转动任意角度，通过导电滑环实现舵轮装置与机器人底盘的电源电连接，解决了舵轮装置在旋转过程，电源线拧成麻花状或扭断的问题。

优选地，所述支撑板上设有第一避让槽，其目的在于，设置第一避让槽可以防止支撑板与车轮发生干涉，便于车轮的运动。

优选地，所述连接板上设有第二避让槽，其目的在于，通过设置第二避让槽，可以防止连接板与车轮机构发生干涉，便于舵向机构的运动。

所述连接板安装在支撑内环的上端，所述支撑板安装在支撑内环的下端。

本实用新型与现有技术相比具有以下有益效果：

1、本实用新型中的用于全向移动机器人底盘的舵轮装置，车轮机构位于舵向机构的中心；无需对舵轮机构的运动进行坐标系的转化，简化控制方案；且无刷电机位于车轮内部，使得舵轮装置结构简单、紧凑，便于封装，加工的零件也较少，加工成本以及加工精度要求低，整个舵轮装置在竖直方向上占用空间也较小。

2、本实用新型中的用于全向移动机器人底盘的舵轮装置，无刷电机位于车轮内部，通过无刷电机直接驱动车轮转动，为舵轮装置提供向前运动的动力，加快车轮向前进的响应速度，无需传动装置，从而避免传动过程中存在虚位影响了车轮响应。

3、本实用新型中的用于全向移动机器人底盘的舵轮装置，通过设置导电滑环，在舵向转动时，可以避免三相线发生缠绕现象。

附图说明

图1-图5为本实用新型中的一种用于全向移动机器人底盘的舵轮装置的一种具体实施方式的结构示意图，其中，图1为主视图，图2爆炸视图，图3-图5为不同视角方向的立体图。

图6为本实用新型中的舵轮装置隐藏车轮机构和防绕线导电机构的立体结构示意图。

图7为本实用新型中的舵向机构的立体结构示意图。

图8-图9为本实用新型中的车轮机构与防绕线导电机构安装时的结构示意图，其中，图8为立体图，图9为另一个视角方向的立体图。

图10为本实用新型中的安装板的立体结构示意图。

图11-图12为本实用新型中的支撑外环、支撑内环以及轴承之间的安装示意图，其中，图11为立体图，图12为内部结构示意图。

具体实施方式

为了使本领域的技术人员很好地理解本实用新型的技术方案，下面结合实施例和附图对本实用新型作进一步描述，但本实用新型的实施方式不仅限于此。

参见图1-图5，本实施例公开了一种用于全向移动机器人底盘的舵轮装置，包括安装板1、舵向机构2、车轮机构3、支撑板4以及防绕线导电机构5，其中，所述舵向机构2安装在安装板1上，所述支撑板4安装在舵向机构2上，所述车轮机构3与防绕线导电机构5均设置在支撑板4上。

参见图1-图7和图11-图12，所述舵向机构2包括支撑外环2-1、支撑内环2-2以及舵向驱动机构2-3，所述支撑外环2-1套设在支撑内环2-2的外部，所述支撑外环2-1与所述支撑内环2-2之间通过轴承2-4连接；所述支撑外环2-1固定在安装板1上，所述舵向驱动机构2-3用于驱动支撑内环2-2相对于支撑外环2-1进行转动；所述支撑内环2-2与所述支撑板4固定连接。通过设置轴承2-4，使得支撑外环2-1与支撑内环2-2可以发生相对转动。

进一步地，所述轴承2-4为交叉滚子轴承。

参见图1-图12，所述车轮机构3包括设置在所述支撑板4上的车轮3-1以及内置在所述车轮3-1上用于驱动车轮3-1转动的无刷电机3-2；其中，所述车轮机构3位于所述舵向机构2的中心。

参见图1-图9，所述防绕线导电机构5包括设置在支撑板4上的固定架5-1以及设置在所述固定架5-1上的导电滑环5-2，所述导电滑环5-2与所述无刷电机3-2以及舵向驱动机构2-3电连接。

参见图1-图7，所述支撑内环2-2上设有连接板6，所述连接板6上设有电机座7；所述舵向驱动机构2-3包括设置在所述支撑外环2-1上且与支撑外环2-1同轴设置的环形齿轮2-31、设置在所述电机座7上的舵向电机2-32以及设置在所述舵向电机2-32的动力端的主动齿轮2-33；所述主动齿轮2-33与所述环形齿轮2-31相互啮合。上述结构中，由于环形齿轮2-31设置在支撑外环2-1上，在舵向转动时，环形齿轮2-31固定不动，主动齿轮2-33在舵向电机2-32的驱动下，会使得舵向电机2-32、主动齿轮2-33、电机座7、连接板6、支撑板4、车轮机构3一起随着支撑内环2-2转动。

参见图1-图7，所述主动齿轮2-33的上端设有夹片2-34，所述舵向电机2-32的动力端与所述夹片2-34连接。其目的在于，通过设置夹片2-34，便于主动齿轮2-33与舵向电机2-32的连接，使得结构变得非常紧凑。

参见图1-图5和图8-图9，所述支撑板4上设有第一支座8和第二支座9，所述车轮3-1转动连接在第一支座8和第二支座9之间，所述固定架5-1连接在第一支座8和第二支座9上。通过设置上述结构，方便了车轮3-1与防绕线导电机构5的安装。

参见图1-图5和图8-图9，所述车轮3-1为PU包胶轮，所述无刷电机3-2的电机轴3-21转动连接在所述第一支座8上，所述无刷电机3-2设置在车轮3-1的轮毂内。通过设置上述结构，可以使得结构变得更加简单紧凑，使得舵轮装置在竖直方向上占用空间较小。

参见图1-图5和图8-图9，所述无刷电机3-2为大功率的无刷电机3-2，该无刷电机3-2与车轮3-1同轴设置。所述电机轴3-21与所述第一支座8之间通过电机轴承3-5连接，该电机轴3-21上还设有轴用卡簧3-6，其目的在于，便于电机轴3-21的定位与安装。

参见图1-图5和图8-图9，所述车轮机构3还包括转动反馈组件，所述转动反馈组件包括编码器3-3以及联轴器3-4；所述编码器3-3设置在所述第二支座9上，所述编码器3-3的一端通过联轴器3-4与所述无刷电机3-2相连接，所述编码器3-3用于检测无刷电机3-2的转角，对无刷电机3-2进行闭环控制。

参见图1-图5和图8-图9，所述固定架5-1包括两个竖板5-11和一个横板5-12，其中，两个竖板5-11的下端分别固定在第一支座8与第二支座9上；所述横板5-12的一端与其中一个竖板5-11的上端榫接，另一端与另一个竖板5-11的上端榫接；所述导电滑环5-2安装在所述横板5-12上。通过设置上述结构，方便了导电滑环5-2的安装，使得舵轮装置也变得十分紧凑。

参见图1-图5，所述导电滑环5-2的轴线与所述轴承2-4的轴线相互重合。其目的在于，结构更加紧凑，使得舵向机构2在工作时更加方便运动，且运动时更加省力，保证了车轮3-1可以实现舵向旋转。

参见图1-图5，所述导电滑环5-2的定子与机器人底盘上的电源电连接，所述导电滑环5-2的转子与所述无刷电机3-2、舵向电机2-32电连接。上述结构中，转子能绕定子随意转动任意角度，通过导电滑环5-2实现舵轮装置与机器人底盘的电源电连接，解决了舵轮装置在旋转过程，电源线拧成麻花状或扭断的问题。

参见图1-图6，所述支撑板4上设有第一避让槽10，其目的在于，设置第一避让槽10可以防止支撑板4与车轮3-1发生干涉，便于车轮3-1的运动。

参见图1-图7，所述连接板6上设有第二避让槽11，其目的在于，通过设置第二避让槽11，可以防止连接板6与车轮机构3发生干涉，便于舵向机构2的运动。

参见图1-图7，所述连接板6安装在支撑内环2-2的上端，所述支撑板4安装在支撑内环2-2的下端。

参见图10，所述安装板1沿着圆周方向设有四个向外延伸的延伸部1-1，所述延伸部1-1上设有安装孔1-2，其目的在于，便于安装板1安装在机器人底盘上。所述安装板1中间为中空结构。

参见图1-图5和图11-图12，所述支撑内环2-2的截面形状为“L”字型；所述支撑外环2-1的截面形状为“7”字型，其目的在于，可以方便支撑内环2-2与支撑外环2-1的安装，通过支撑内环2-2与其上端的连接板6，可以将支撑内环2-2更稳定地连接在轴承2-4上；通过支撑外环2-1与其下端的安装板1，可以将支撑外环2-1更稳定地连接在轴承2-4上。

参见图1-12，上述用于全向移动机器人底盘的舵轮装置的工作原理是：

工作时，舵向机构2可以为舵轮装置提供舵向转动，车轮机构3可以为舵轮装置提供车轮3-1转动，实现水平面的全自由移动，具体地，安装板1可安装在机器人底盘上，通过舵向驱动机构2-3驱动支撑内环2-2相对于支撑外环2-1进行转动，带动支撑板4旋转，从而带动车轮机构3跟着旋转，实现了舵向转动；通过无刷电机3-2直接驱动车轮3-1转动，为舵轮装置提供向前运动的动力；通过设置导电滑环5-2，可以避免无刷电机3-2的三相线发生缠绕现象，结构更加简单。

上述为本实用新型较佳的实施方式，但本实用新型的实施方式并不受上述内容的限制，其他的任何未背离本实用新型的精神实质与原理下所做的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于全向移动机器人底盘的舵轮装置，其特征在于，包括安装板、舵向机构、车轮机构、支撑板以及防绕线导电机构；其中，

所述舵向机构包括支撑外环、支撑内环以及舵向驱动机构，所述支撑外环与所述支撑内环之间通过轴承连接；所述支撑外环固定在安装板上，所述舵向驱动机构用于驱动支撑内环相对于支撑外环进行转动；所述支撑内环与所述支撑板固定连接；

所述车轮机构包括设置在所述支撑板上的车轮以及内置在所述车轮上用于驱动车轮转动的无刷电机；其中，所述车轮机构位于所述舵向机构的中心；

所述防绕线导电机构包括设置在支撑板上的固定架以及设置在所述固定架上的导电滑环，所述导电滑环与所述无刷电机以及舵向驱动机构电连接。

2.根据权利要求1所述的一种用于全向移动机器人底盘的舵轮装置，其特征在于，所述支撑内环上设有连接板，所述连接板上设有电机座；所述舵向驱动机构包括设置在所述支撑外环上且与支撑外环同轴设置的环形齿轮、设置在所述电机座上的舵向电机以及设置在所述舵向电机的动力端的主动齿轮；所述主动齿轮与所述环形齿轮相互啮合。

3.根据权利要求1所述的一种用于全向移动机器人底盘的舵轮装置，其特征在于，所述支撑板上设有第一支座和第二支座，所述车轮转动连接在第一支座和第二支座之间，所述固定架连接在第一支座和第二支座上。

4.根据权利要求3所述的一种用于全向移动机器人底盘的舵轮装置，其特征在于，所述车轮为PU包胶轮，所述无刷电机的电机轴转动连接在所述第一支座上，所述无刷电机设置在车轮的轮毂内。

5.根据权利要求3所述的一种用于全向移动机器人底盘的舵轮装置，其特征在于，所述车轮机构还包括转动反馈组件，所述转动反馈组件包括编码器以及联轴器；所述编码器设置在所述第二支座上，所述编码器的一端通过联轴器与所述无刷电机相连接，所述编码器用于检测无刷电机的转角，对无刷电机进行闭环控制。

6.根据权利要求3所述的一种用于全向移动机器人底盘的舵轮装置，其特征在于，所述固定架包括两个竖板和一个横板，其中，两个竖板的下端分别固定在第一支座与第二支座上；所述横板的一端与其中一个竖板的上端榫接，另一端与另一个竖板的上端榫接；所述导电滑环安装在所述横板上。

7.根据权利要求1所述的一种用于全向移动机器人底盘的舵轮装置，其特征在于，所述导电滑环的轴线与所述轴承的轴线相互重合。

8.根据权利要求2所述的一种用于全向移动机器人底盘的舵轮装置，其特征在于，所述导电滑环的定子与机器人底盘上的电源电连接，所述导电滑环的转子与所述无刷电机、舵向电机电连接。

9.根据权利要求1所述的一种用于全向移动机器人底盘的舵轮装置，其特征在于，所述支撑板上设有第一避让槽。

10.根据权利要求2所述的一种用于全向移动机器人底盘的舵轮装置，其特征在于，所述连接板上设有第二避让槽。

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