CN108340981A - 一种全地形多用途移动机器人 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种全地形多用途移动机器人，包括底盘模块、组合式车身减震***模块、车身、传感与控制***模块；底盘模块包括底盘、减速器、伺服电机、联轴器、车轮；组合式车身减震***模块包括固定支撑架、纵向支撑架、纵向连接杆、横向支撑架、横向连接杆、车身安装板、车身安装板连接杆、板簧、减震器；传感与控制***模块包括超声波传感器、RFID站点读卡器、磁导航传感器、电池、显示屏、激光雷达、视觉传感器、GPS天线、上位机控制器、伺服驱动器、底盘控制器。本发明减震性能高、越障能力强、定位准确且精度高，具备多信息感知通道，可在室内或室外行走，能够实现全地形移动。

Description

一种全地形多用途移动机器人

技术领域

本发明涉及移动机器人技术领域，具体的说是一种全地形多用途移动机器人。

背景技术

移动机器人具有较强的活动能力、良好的可控性等特点，随着科学技术的不断发展，全地形移动机器人的研究越来越受到机器人研究者的关注，其在军事、工业、农业自然灾害救援和野外科考作业等领域得到广泛应用。目前，全地形移动机器人多为履带式，其越障性能有限，转向精度低，难以在复杂地面环境中平稳、准确的高效作业。

如中国专利号200710158426.X中公开了全地形移动机器人，包括车箱体、腿部结构和驱动轮，腿部结构共六套，分别安装在车箱体前、中、后，并在车箱体两侧左右对称，驱动轮共六套，分别安装在腿部结构的末端；腿部结构的过渡法兰盘与安装在车箱体内部的蜗轮蜗杆减速箱的输出法兰盘栓接，安装在驱动轮中间的转接法兰盘与安装在腿部结构末端的传动轴栓接。这种机器人其车身减震效果有一定的局限性，在户外复杂地形行走时，颠簸程度大，运动剧烈，容易损坏机器人内部器件，减少其使用寿命。

如中国专利号201710158756.2中公开了一种全地形移动机器人底盘，包括带减速器的驱动电机、两根纵梁、横梁、车体侧板、护线环和驱动器安装板、电机驱动器、分隔板、连接角码、有电池组固定板、电池主架、支撑铜柱连接、减震弹簧。这种机器人不具备多信息感知通道，定位精度不高，对复杂环境感知能力存在局限性，难以精确地向目标自主运动。

随着劳动力成本的不断升高以及企业从劳动密集型向技术密集型的转型，智能机器人代替人工作业成为必然趋势。智能移动机器人是机器人中的一种，它能够通过传感器感知环境和自身状态，对复杂环境进行自主分析、判断和决策，实现面向目标的自主运动，从而完成一定作业功能的机器人***。

因此，一种模块化、具有四轮驱动、转向精度高、带有减震机构、适用于全地形的移动机器人具有很大的应用前景。这种四轮驱动全地形移动机器人具有机动性灵敏，抗震抗冲击性、越障稳定性高等优点。

全地形多用途移动机器人是以有效应对复杂环境、具备自主决策的智能化移动作业平台。

发明内容

为了避免和解决上述技术问题，本发明提出了一种全地形多用途移动机器人。

本发明所要解决的技术问题采用以下技术方案来实现：

一种全地形多用途移动机器人，包括驱动机器人行走的底盘模块、安装在底盘模块上且连接有车身的组合式车身减震***模块、安装在车身和底盘模块上且提供多信息感知通道感知复杂地形的传感与控制***模块。

作为本发明的进一步改进，所述底盘模块包括底盘、安装在底盘上的车轮驱动装置，所述车轮驱动装置分布在底盘的左右两侧，所述组合式车身减震***模块安装在底盘上。

作为本发明的进一步改进，所述底盘包括对称分布的两个L型车轮固定板、与L型车轮固定板相连且构成矩形框架的两个横梁、安装在矩形框架内的底板。

作为本发明的进一步改进，所述车轮驱动装置为四个，且分布在车身的左前、左后、右前和右后处。

作为本发明的进一步改进，所述车轮驱动装置包括安装在L型车轮固定板内侧的减速器、与减速器相连的伺服电机、安装在L型车轮固定板的外侧且与减速器相连的联轴器、与联轴器相连的车轮。所述联轴器连接有与L型车轮固定板相连的联轴器安装法兰，所述联轴器上安装有位于联轴器安装法兰内侧的轴承。

作为本发明的进一步改进，所述轴承为同轴线分布的两个。

作为本发明的进一步改进，所述车轮包括轮毂、安装在轮毂上的轮胎、安装在轮毂上的轮毂端盖，所述轮毂和轮毂端盖上共同安装有螺栓。

作为本发明的进一步改进，所述减速器上安装有与联轴器配合的减速器平键。

作为本发明的进一步改进，所述组合式车身减震***模块包括自下而上依次相连的纵向减震组件、横向减震组件、车身减震组件。

作为本发明的进一步改进，所述纵向减震组件包括对称分布的两个固定支撑架、位于两个固定支撑架之间的两个纵向支撑架、一端铰接纵向支撑架上且另一端铰接在固定支撑架上的若干个纵向连接杆。

所述横向减震组件包括位于纵向支撑架上方的横向支撑架、一端铰接在纵向支撑架上且另一端铰接在横向支撑架上的若干个横向连接杆。

所述车身减震组件包括位于横向支撑架上方的车身安装板、呈对称设置的一端铰接在车身安装板上且另一端铰接在横向支撑架上的车身安装板连接杆、两端分别与车身安装板连接杆铰接相连的板簧。

所述组合式车身减震***模块还包括两端分别与固定支撑架和纵向支撑架、纵向支撑架和横向支撑架、相邻的纵向支撑架、横向支撑架和车身安装板铰接相连的若干个减震器。

作为本发明的进一步改进，所述纵向连接杆分布在固定支撑架和纵向支撑架的前后两端，且前后两端中的任一端处所述的纵向连接杆均为呈上下分布且斜向内侧上方设置的两个。

作为本发明的进一步改进，所述横向连接杆分布在车身安装板的左右两侧，且左右两侧中任一侧处均所述的横向连接杆为呈前后分布且斜向前上方式设置的两个。

作为本发明的进一步改进，所述车身安装板连接杆沿横向连接杆的长度方向上设有两组且每组为两个。

作为本发明的进一步改进，位于固定支撑架和纵向支撑架上的减震器为两个且安装在固定支撑架和纵向支撑架的三分点处。

作为本发明的进一步改进，位于纵向支撑架和横向支撑架上的减震器为一个且安装在纵向支撑架和横向支撑架的中间处。

作为本发明的进一步改进，位于相邻的纵向支撑架上的减震器为两个且安装在纵向支撑架的三分点处。

作为本发明的进一步改进，位于横向支撑架和车身安装板上的减震器左右两侧各设有一个且位于横向支撑架和车身安装板的中间处。

作为本发明的进一步改进，所述车身与车身安装板相连。

作为本发明的进一步改进，所述传感与控制***模块包括感应机器人外部环境的传感装置、与传感装置相连且用于数据处理和控制机器人运动的控制***。

作为本发明的进一步改进，所述传感装置包括安装在车身四周的若干个超声波传感器、连接在底盘模块底部的RFID站点读卡器、连接在底盘模块前端的磁导航传感器、安装在底盘模块上的电池、安装在车身前端的显示屏，所述车身的前端安装有激光雷达、视觉传感器、GPS天线。所述激光雷达、视觉传感器、GPS天线成排分布。

作为本发明的进一步改进，所述超声波传感器为四个且分别安装在车身的前端、后端、左侧、右侧面上。且构成该机器人的避障功能块。

作为本发明的进一步改进，所述车身上固定有安装显示屏的显示屏安装架，所述车身的前侧固定有车身前端支架，所述车身前端支架的左侧连接有安装激光雷达的激光雷达支架，所述车身前端支架的中间处和右侧分别安装视觉传感器、GPS天线，所述的RFID站点读卡器安装在底板的外侧中间处，位于前端部的横梁上前端面连接有安装磁导航传感器的磁导航传感器支架，所述电池安装在底板内侧中间处。

作为本发明的进一步改进，所述控制***包括上位机控制器、连接底盘模块的伺服驱动器、与伺服驱动器相连且与上位机控制器连接的底盘控制器。

作为本发明的进一步改进，所述的上位机控制器固定在电池上。

作为本发明的进一步改进，所述伺服驱动器与底盘模块中的伺服电机相连，所述伺服驱动器为四个且分别为与车轮驱动装置中左前伺服电机相连的左前伺服驱动器、左后伺服电机相连的左后伺服驱动器、右前伺服电机相连的右前伺服驱动器、右后伺服电机相连的右后伺服驱动器。

所述伺服电机还连接有电机编码器，所述电机编码器再连接至伺服驱动器上控制车轮的运动。

所述伺服驱动器均位于底板的内侧。

所述激光雷达、GPS天线、视觉传感器构成机器人的室外移动传感器，所述激光雷达、RFID站点读卡器和磁导航传感器构成机器人的室内移动传感器。

所述车身上还安装有控制机器人启停外设功能组件，包括启动按钮、停止按钮和急停按钮。

所述上位机控制器包括：与外部手机APP进行4G或无线WIFI通讯的4G网络服务模块、与室外移动传感器相连的室外移动控制模块、与室内移动传感器相连的室内移动控制模块、与外设功能组件连接的基本外设功能块、实现与底盘控制器通讯的串口通信模块。

本发明具备自主行走和智能化作业实现手段；匹配强度与挠度的车架，优化车架、车身的强度和减震效果；拓展通用型标准接口和通讯协议的应用范围，可灵活配置信息感知与智能化作业工具等模块；为柔性制造***、智慧农业装备及其复式作业工具、火灾救援等应用领域提供应用平台。

本发明的有益效果是：

1、本发明具备模块化车身结构与减震***，采用强度与挠度匹配的车架，增强了机器人的越障能力；在外力作用下，能够大大减缓车身的震动，提高机器人在复杂地面行走的能力，该机器人整体稳定性高，定位准确且精度高，易于安装于拆卸。

2、本发明具备传感与控制***模块，使机器人具有多信息感知通道，可选择室内外定位方式，并与室外地图相匹配，使机器人可在室内外环境下自主行走，能够实现全地形移动。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1为本发明的立体图；

图2为本发明中底盘模块和组合式车身减震***模块的立体安装结构示意图；

图3为本发明中底盘模块与部分传感与控制***模块的立体结构示意图；

图4为本发明中底盘模块中车轮驱动装置的安装结构剖视图；

图5为本发明中底盘模块中车轮驱动装置的***结构示意图；

图6为本发明中车身和部分传感与控制***模块的立体安装结构示意图；

图7为本发明中组合式车身减震***模块的立体结构示意图；

图8为本发明中组合式车身减震***模块的主视图；

图9为本发明中组合式车身减震***模块的右视图；

图10为本发明中组合式车身减震***模块的俯视图；

图11为本发明中传感与控制***模块的控制框图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面对本发明进一步阐述。

如图1至图11所示，一种全地形多用途移动机器人，包括驱动机器人行走的底盘模块1、安装在底盘模块1上且连接有车身3的组合式车身减震***模块2、安装在车身3和底盘模块1上且提供多信息感知通道感知复杂地形的传感与控制***模块4。采用底盘模块、车身减震***模块、车身、传感与控制***模块这种模块化的设计，便于安装和拆卸，可以缓解由于复杂地形导致车轮震动引起的车身颠簸，同时也提高了移动机器人转弯时的车身稳定性。

所述底盘模块1包括底盘11、安装在底盘11上的车轮驱动装置12，所述车轮驱动装置12分布在底盘11的左右两侧，所述组合式车身减震***模块2安装在底盘11上。

所述底盘11包括对称分布的两个L型车轮固定板111、与L型车轮固定板111相连且构成矩形框架的两个横梁112、安装在矩形框架内的底板113。

所述车轮驱动装置12为四个，且分布在车身3的左前、左后、右前和右后处。

所述车轮驱动装置12包括安装在L型车轮固定板111内侧的减速器121、与减速器121的输入端相连的伺服电机122、安装在L型车轮固定板111的外侧且与减速器121相连的联轴器123、与联轴器123相连的车轮124。所述联轴器123连接有与L型车轮固定板111相连的联轴器安装法兰125，所述联轴器123上安装有位于联轴器安装法兰125内侧的轴承126。使用时，通过联轴器安装法兰125和联轴器123配合，伺服电机122和车轮124之间的连接阻力减小，能够降低将动力损失，提高车轮124运动的灵活性，延长整个车轮驱动装置12的使用寿命。

所述轴承126为同轴线分布的两个。

所述车轮124包括轮毂1241、安装在轮毂1241上的轮胎1242、安装在轮毂1241上的轮毂端盖1243，所述轮毂1241和轮毂端盖1243上共同安装有螺栓1244。

所述减速器121上安装有与联轴器123配合的减速器平键127。

基于上所述的底盘模块1，采用四轮驱动的方式，增强机器人的越野能力，以适应不同情况下的复杂路线运动。使用时，通过车身3的左前、左后、右前和右后四个位置处的车轮驱动装置12，通过传感与控制***模块4控制机器人，伺服电机122启动后，经减速器121以合适的转速通过联轴器123输出到车轮124上，提供机器人移动的动力，实现在路面上的行进。

所述组合式车身减震***模块2包括自下而上依次相连的纵向减震组件、横向减震组件、车身减震组件。

所述纵向减震组件包括对称分布的两个固定支撑架21、位于两个固定支撑架21之间的两个纵向支撑架22、一端铰接纵向支撑架22上且另一端铰接在固定支撑架21上的若干个纵向连接杆23。

所述横向减震组件包括位于纵向支撑架22上方的横向支撑架24、一端铰接在纵向支撑架22上且另一端铰接在横向支撑架24上的若干个横向连接杆25。

所述车身减震组件包括位于横向支撑架24上方的车身安装板26、呈对称设置的一端铰接在车身安装板26上且另一端铰接在横向支撑架24上的车身安装板连接杆27、两端分别与车身安装板连接杆27铰接相连的板簧29。

所述组合式车身减震***模块2还包括两端分别与固定支撑架21和纵向支撑架22、纵向支撑架22和横向支撑架24、相邻的纵向支撑架22、横向支撑架24和车身安装板26铰接相连的减震器28。

所述纵向连接杆23分布在固定支撑架21和纵向支撑架22的前后两端，且前后两端中的任一端处所述的纵向连接杆23均为呈上下分布且斜向内侧上方设置的两个。使用时，确保固定支撑架21和纵向支撑架22之间的连接强度和具备一定的柔性，用于消除部分地面上的作用力。

所述横向连接杆25分布在车身安装板26的左右两侧，且左右两侧中任一侧处均所述的横向连接杆25为呈前后分布且斜向前上方式设置的两个。

所述车身安装板连接杆27沿横向连接杆25的长度方向上设有两组且每组为两个。

位于固定支撑架21和纵向支撑架22上的减震器28为两个且安装在固定支撑架21和纵向支撑架22的三分点处。使用时，实现减震器28的分布均匀，确保固定支撑架21和纵向支撑架22上各处都能有效减震。

位于纵向支撑架22和横向支撑架24上的减震器28为一个且安装在纵向支撑架22和横向支撑架24的中间处。

位于相邻的纵向支撑架22上的减震器28为两个且安装在纵向支撑架22的三分点处。使用时，实现减震器28的分布均匀，确保纵向支撑架22之间各处都能有效减震。

位于横向支撑架24和车身安装板26上的减震器28左右两侧各设有一个且位于横向支撑架24和车身安装板26的中间处。

所述车身3与车身安装板26相连。

基于上所述，车身减震***模块2中，由机器人受到来自地面的作用力经底盘11传递到固定支撑架21上，通过减震器28和纵向连接杆23的作用，能够起缓冲和消除受到的来自地面在左右方向上的分力，同时，纵向支撑架22和横向支撑架24，通过减震器28和横向连接杆25配合，能够缓冲和消除受到的前后方向上的作用分力，在车身安装板连接杆27和减震器28作用下，能够缓冲和消除分布车身3受到的作用，在三个方面实现最大程度对机器人的减震作用，形成强度与挠度匹配的车架，效果显著，越障性能大大提高。

所述传感与控制***模块4包括感应机器人外部环境的传感装置、与传感装置相连且用于数据处理和控制机器人运动的控制***。

所述传感装置包括安装在车身四周的若干个超声波传感器410、连接在底盘模块1底部的RFID站点读卡器411、连接在底盘模块1前端的磁导航传感器412、安装在底盘模块1上的电池413、安装在车身前端的显示屏414，所述车身3的前端安装有激光雷达415、视觉传感器416、GPS天线417。所述激光雷达415、视觉传感器416、GPS天线417成排分布。

所述超声波传感器410为四个且分别安装在车身3的前端、后端、左侧、右侧面上。且构成该机器人的避障功能块。

所述车身3上固定有安装显示屏414的显示屏安装架421，所述车身3的前侧固定有车身前端支架422，所述车身前端支架422的左侧连接有安装激光雷达415的激光雷达支架423，所述车身前端支架422的中间处和右侧分别安装视觉传感器416、GPS天线417，所述的RFID站点读卡器411安装在底板113的外侧中间处，位于前端部的横梁112上前端面连接有安装磁导航传感器412的磁导航传感器支架424，所述电池413安装在底板113内侧中间处。

所述控制***包括上位机控制器418、连接底盘模块1的伺服驱动器419、与伺服驱动器419相连且与上位机控制器418连接的底盘控制器420。

所述的上位机控制器418固定在电池413上。

所述伺服驱动器419与底盘模块1中的伺服电机122相连，所述伺服驱动器419为四个且分别为与车轮驱动装置12中左前伺服电机相连的左前伺服驱动器、左后伺服电机相连的左后伺服驱动器、右前伺服电机相连的右前伺服驱动器、右后伺服电机相连的右后伺服驱动器。

所述伺服电机122还连接有电机编码器，所述电机编码器再连接至伺服驱动器419上控制车轮124的运动。

所述伺服驱动器419均位于底板113的内侧。

所述激光雷达415、GPS天线417、视觉传感器416构成机器人的室外移动传感器，所述激光雷达415、RFID站点读卡器411和磁导航传感器412构成机器人的室内移动传感器。

所述车身3上还安装有控制机器人启停外设功能组件，包括启动按钮、停止按钮和急停按钮。

所述上位机控制器418包括：与外部手机APP进行4G或无线WIFI通讯的4G网络服务模块、与室外移动传感器相连的室外移动控制模块、与室内移动传感器相连的室内移动控制模块、与外设功能组件连接的基本外设功能块、实现与底盘控制器420通讯的串口通信模块。

下面对本发明的工作原理作进一步阐述：

工作时，该机器人通过4G网络服务模块与外部手机端实现无线连接。

当机器人处与室内工作内，通过室内移动传感器检测进行路线识别和计算，上位机控制器418与底盘控制器420进行数据通信，启动底板113上四个方位处的车轮驱动装置12运动，驱动小车安装计算路线行走，同时上位机控制器418接收各个方位处的超声波传感器410的信号，及时规避障碍。

当机器人处于室外时，通过室外移动传感器检测机器人的位置并识别外界路线，上位机控制器418再与底盘控制器420进行数据通信，启动底板113上四个方位处的车轮驱动装置12运动，驱动小车安装计算路线行走，同时上位机控制器418接收各个方位处的超声波传感器410的信号，及时规避障碍。

手机APP上则能实时显示机器人所处的状态和各种数据信息，方便操作者观察。

本发明能够适应室内和室外各种环境下的运动，实现全地形多用途移动，大大提高了该机器人的使用范围和性能。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (9)

1.一种全地形多用途移动机器人，其特征在于：包括驱动机器人行走的底盘模块(1)、安装在底盘模块(1)上且连接有车身(3)的组合式车身减震***模块(2)、安装在车身(3)和底盘模块(1)上且提供多信息感知通道感知复杂地形的传感与控制***模块(4)。

2.根据权利要求1所述的一种全地形多用途移动机器人，其特征在于：所述底盘模块(1)包括底盘(11)、安装在底盘(11)上的车轮驱动装置(12)，所述组合式车身减震***模块(2)安装在底盘(11)上。

3.根据权利要求2所述的一种全地形多用途移动机器人，其特征在于：所述底盘(11)包括对称分布的两个L型车轮固定板(111)、与L型车轮固定板(111)相连且构成矩形框架的两个横梁(112)、安装在矩形框架内的底板(113)。

4.根据权利要求3所述的一种全地形多用途移动机器人，其特征在于：所述车轮驱动装置(12)包括安装在L型车轮固定板(111)内侧的减速器(121)、与减速器(121)相连的伺服电机(122)、安装在L型车轮固定板(111)的外侧且与减速器(121)相连的联轴器(123)、与联轴器(123)相连的车轮(124)。

5.根据权利要求1所述的一种全地形多用途移动机器人，其特征在于：所述组合式车身减震***模块(2)包括自下而上依次相连的纵向减震组件、横向减震组件、车身减震组件。

6.根据权利要求5所述的一种全地形多用途移动机器人，其特征在于：

所述纵向减震组件包括对称分布的两个固定支撑架(21)、位于两个固定支撑架(21)之间的两个纵向支撑架(22)、一端铰接在纵向支撑架(22)上且另一端铰接在固定支撑架(21)上的若干个纵向连接杆(23)；

所述横向减震组件包括位于纵向支撑架(22)上方的横向支撑架(24)、一端铰接在纵向支撑架(22)上且另一端铰接在横向支撑架(24)上的若干个横向连接杆(25)；

所述车身减震组件包括位于横向支撑架(24)上方的车身安装板(26)、呈对称设置的一端铰接在车身安装板(26)上且另一端铰接在横向支撑架(24)上的车身安装板连接杆(27)、两端分别与车身安装板连接杆(27)铰接相连的板簧(29)；

所述组合式车身减震***模块(2)还包括两端分别与固定支撑架(21)和纵向支撑架(22)、纵向支撑架(22)和横向支撑架(24)、相邻的纵向支撑架(22)、横向支撑架(24)与车身安装板(26)铰接相连的若干个减震器(28)。

7.根据权利要求1所述的一种全地形多用途移动机器人，其特征在于：所述传感与控制***模块(4)包括感应机器人外部环境的传感装置、与传感装置相连且用于数据处理和控制机器人运动的控制***。

8.根据权利要求7所述的一种全地形多用途移动机器人，其特征在于：所述传感装置包括安装在车身(3)四周的若干个超声波传感器(410)、连接在底盘模块(1)底部的RFID站点读卡器(411)、连接在底盘模块(1)前端的磁导航传感器(412)、安装在底盘模块(1)上的电池(413)、安装在车身(3)前端的显示屏(414)，所述车身(3)的前端安装有激光雷达(415)、视觉传感器(416)、GPS天线(417)。

9.根据权利要求7所述的一种全地形多用途移动机器人，其特征在于：所述控制***包括上位机控制器(418)、连接底盘模块的伺服驱动器(419)、与伺服驱动器(419)相连且与上位机控制器(418)连接的底盘控制器(420)。