CN109436090A - 一种新型全向移动平台 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型全向移动平台，属于移动平台、工业自动化领域，包括车轮、万向联轴器、直齿锥齿轮等部件。其中，转向控制机构由步进电机驱动直齿锥齿轮传动装置，将运动等速同步分配至四个轴，实现轴的同步转向功能；运动控制机构由步进电机驱动直齿锥齿轮传动装置和万向联轴器，将运动等速同步分配至四个轮，实现轮的同步驱动功能；万向联轴器连接车轮与直齿锥齿轮输出轴，实现车轮转向和升降时，车轮与直齿锥齿轮输出轴之间的自动匹配功能；运动控制机构、转向控制机构和万向联轴器组合连接能够实现平台的360°全向移动和原地转向；本发明通过机械传动装置能实现平台的360°全向移动和原地转向，具有成本低，结构简单，环境普适性等特点。

Description

一种新型全向移动平台

技术领域

本发明涉及工业自动化、机器人技术、移动平台领域，尤其是涉及传动装置协同驱动全向移动平台。

背景技术

随着工业机器人技术不断的发展，移动机器人在制造自动化、巡航等领域广泛应用，复杂的使用场景要求移动机器人的平台***具有速度快、自由度高、能源利用率高等特点。

全向移动平台是指能够实现前后、左右、旋转三个自由度运动的平面移动机构。全向移动平台可以在障碍物较多，路况狭窄的环境下自由移动，灵活方便地实现各项任务。在制造业和运输业中，全向移动平台可以作为运输材料的车辆，也可以作为装配、加工的平台。如何实现全向移动平台结构简单，承载能力强，适应环境广是当前研究中的热点问题。

目前，市场上以麦克纳姆轮、全向轮等复合式轮式结构的全向移动平台发展迅速，这类的全向移动平台在制造业、仓储、竞赛中有着良好的应用市场，但是复合式轮式结构复杂，导致***的可靠性低，还存在制造成本高，承载能力弱等问题，此外由于结构原理，多旋转轮对地面的要求苛刻，并且损坏概率也很大。

发明内容

发明目的：针对现有技术的不足，申请人经过长期的探索，设计了直齿锥齿轮传动驱动的新型全向移动平台，具有全向移动功能和原地转向功能。

技术方案：为了实现上述的目的，本发明采用的技术方案为：直齿锥齿轮传动驱动的新型全向移动平台，主要包括：车轮、万向联轴器、数字舵机、步进电机、微处理器、运动控制机构、转向控制机构、平台顶板和平台底板。

所述的运动控制机构包括直齿锥齿轮、传动轴、直流步进电机、万向联轴器机构。所述的万向联轴器机构包括两个万向联轴器，所述的两个万向联轴器通过短传动轴刚性连接。所述直流步进电机上有第一编码器，所述第一编码器由连接线与电机控制器连接。

进一步，所述直流步进电机的输出轴上安装第一直齿锥齿轮，第二直齿锥齿轮安装在第一传动轴中端。所述的第一直齿锥齿轮啮合在所述的第二直齿锥齿轮上。所述的第一传动轴前、后端安装有第一轴附属第一、第二直齿锥齿轮。第二、第三传动轴水平放置在底盘前、后端并分别与第一传动轴垂直。所述的第二传动轴两端分别安装有第一组万向联轴器机构，所述的第二传动轴两端安装有第二组万向联轴器机构。所述的第二、第三传动轴中端安装有第二、第三轴附属直齿锥齿轮，并分别与所述的第一轴附属第一、第二直齿锥齿轮啮合。所述的第一、第二、第三传动轴全部通过轴承及轴承座挂置在所述的平台底板上。所述的第一、第二组万向联轴器机构分别与所述的四个车轮刚性连接。

所述的转向控制机构包括数字舵机、直齿锥齿轮、传动轴。所述数字舵机带有第二编码器，所述第二编码器由连接线与电机控制器连接。

进一步，所述的第一、第二数字舵机背置，安装在所述的平台顶板上。所述的第一、第二数字舵机的输出轴分别与第一、第二转向传动轴共轴刚性连接。所述的第一、第二转向传动轴顶端分别安装了第一、第二转向传动轴附属直齿锥齿轮。第三、第四转向传动轴水平并排放置在所述的平台底板前端。所述的第三、第四转向传动轴一端安装有第三、第四转向传动轴附属前端直齿锥齿轮，所述的第三、第四转向传动轴附属前端直齿锥齿轮分别与第一转向传动轴附属直齿锥齿轮的左右轮齿啮合。所述的第三、第四传动轴的另一端安装有第三、第四转向传动轴附属后端直齿锥齿轮。第一、第二支撑传动轴垂直***所述的平台底板，衔接处通过轴承固定在所述的平台底板上。所述的第一、第二支撑传动轴上端安装有第一、第二支撑轴附属直齿锥齿轮。所述的第三、第四转向传动轴附属后端直齿锥齿轮分别与所述的第一、第二支撑轴附属直齿锥齿轮啮合。所述的第一、第二支撑传动轴下端通过轴承座及轴承分别与两边前部车轮连接。所述的平台底板后端与前端设置相同的结构安装在所述的两边后部车轮上。

进一步，所述的平台顶板上设有由于运动控制机构和转向控制机构的供电的电源。所述的平台顶板上设有用于避障的传感器，所述的传感器为超声波传感器。所述的平台底板背面的所述的支撑传动轴设有用于调节平台高度的弹簧，所述的弹簧为空气弹簧，所述的空气弹簧与空气弹簧控制器连接。

本发明提出一种该平台的运动控制方法，所述的主动轮有四个车轮。

所述的平台上由于运动控制机构，四个车轮的速度标量相同，由于转向控制机构，一个所述的数字舵机控制的两个车轮的转动角度相同，另一个所述的数字舵机控制的另外两个车轮的转动角度也相同。

通过前后车轮组的转动角度变化实现平台的全向移动。设直流电机提供的速度为v，通过直流电机的正反转实现v的正负变化，设θ1为前轮的转向角度，设θ2为后轮的转向角度，通过数字舵机的正反转实现角度的正负变化。通过v，θ1，θ2三者的矢量大小可以确定平台运动的方向。

当θ1＝θ2时，平台可以实现直线运动。当θ1＞θ2时，平台可以实现向右转弯运动。当θ1＜θ1时，平台可以实现向左转弯运动。转弯运动的圆心位于前后轮运动方向矢量垂直的方向的交线处。特别的，当前轮|θ1-θ2|＝180°，设定一定的转速v，使四轮的旋转中心位于平台的中心点处，可以实现平台的原地顺时针、逆时针旋转。

有益效果：本发明与现有的技术相比，有益效果如下：

1.本发明的全向移动平台通过直齿锥齿轮的传动机构带动传动轴驱动车轮转动，进而实现四个车轮的转动，通过直齿锥齿轮传动，实现了四轮同步驱动，保证了全向运动时车身运动轨迹的一致性与可靠性。具有结构简单，易于维护，成本低等的优点。

2.本发明采用了独立悬挂设计方案，悬挂轴安装有空气弹簧，进而实现底盘***的升降。当平台遇到不可避免的障碍物时，可以通过升降底盘***绕开障碍物，提高平台的灵活性。

附图说明

本发明提供如下附图说明：

图1为本发明新型全向移动平台运动时的整体结构示意图

图2为本发明新型全向移动平台主要框架的结构示意图

图3为本发明新型全向移动平台转向时的所述的平台顶板和底板之间的结构示意图

图4为本发明新型全向移动平台运动时的所述的平台底板下的结构示意图

图5为本发明新型全向移动平台转向时的运动示意图

图6为本发明新型全向移动平台四种运动方式的车轮位置示意图

具体实施方式

下面结合附图对具体实施本发明作进一步说明，便于本领域的技术人员能够更好地理解与实施本发明。

如图1所示，为本发明新型全向移动平台运动时的整体结构示意图。如图2所示，为本发明新型全向移动平台的主要框架的结构示意图。本全向移动平台，主要包括，固定安装在相同的支撑轴15上的支撑板平台顶板1，支撑轴15固定连接支撑板平台底板2再固定连接平台底板2下设有的空气弹簧。空气弹簧固定连接带有底板的支撑轴23。支撑轴23螺栓连接的固定件3，固定件3上安装有的主动轮4。平台顶板1和平台底板2之间设有具有独立动力源的，用于驱动车轮转向的平台转向控制机构，平台底板2下设有具有独立动力源的，用于驱动车轮旋转的平台运动控制机构。

如图3所示，为本发明新型全向移动平台转向时的所述的平台顶板和底板之间的结构示意图。平台顶板1和平台底板2之间为平台转向控制机构，设有包括相同的前部转向机构和后部转向机构。后部转向机构包括通过固定件7固定安装在平台顶板1上的数字舵机5，数字舵机5上固定安装设有的舵机圆盘9，舵机圆盘9上安装设有的传动轴10。传动轴10上安装设有的固定安装的直齿锥齿轮11。后部机构包括两个相同的转向机构单元，齿接在直齿锥齿轮11上。转向机构单元包括直齿锥齿轮12、14，前后固定安装设有直齿锥齿轮12、14的传动轴13，中间设有直齿锥齿轮16的支撑轴15。

如图4所示，为本发明新型全向移动平台运动时的所述的平台底板下的结构示意图。平台底板2下为平台运动控制机构，设有包括相同的前部运动机构，后部运动机构和动力机构。动力机构包括通过固定件8固定安装在平台底板2下的步进电机6，步进电机6上固定安装设有的直齿锥齿轮18，直齿锥齿轮17，中间位置设有直齿锥齿轮17的传动轴18。后部机构包括，固定安装在传动轴18的直齿锥齿轮19，直齿锥齿轮20，中间位置固定安装直齿锥齿轮20的传动轴18，固定连接传动轴21的万向联轴器机构22。

本实施的全向移动平台还包括了控制***部分，控制***部分包括安装在平台顶板1上的主控装置和与主控装置连接的数据采集装置，数据采集装置包括用于采集转向角度的陀螺仪、用于监测移动速度的编码器件、用于监测运动前方是否有障碍物的具体传感器。平台底板2上安装有用于对转向控制机构、运动控制机构和控制***部分供电的电源。

本发明的全向移动平台的行走方法为：

1)直行：

舵机不转动，转向控制机构自锁；步进电机转动，运动控制机构使得车轮同步正反转动。

实现向前直行或者向后直行。

2)横行：

舵机转动，利用转向控制机构转动使得车轮同步沿轴转动90°；步进电机转动，运动控制机构使得车轮同步正反转动。实现左行或者右行。

3)转向：

舵机转动，利用转向控制机构使得车轮同步沿轴旋转到固定角度；步进电机转动，运动控制机构使得车轮同步正反转动。实现向左转或者向右转。

4)旋转：

舵机转动，利用转向控制机构转动使得前部车轮与后部车轮沿着顺逆相反方向各沿轴转动90°；步进电机转动，运动控制机构使得车轮同步正反转动。实现平台绕中心点转动。

本实施的新型全向移动平台，通过设置的双层齿轮传动的结构，实现下层运动控制机构驱动平台移动的目的，上层转向控制机构驱动四个车轮转向，进而实现平台移动转向的功能的目的，具有结构简单，稳定性好，控制简便的优点。

本文所述的车轮的旋转中心位于固定件23的轴线上，平台的旋转中心位于平台主板1的中心点垂直于平面的轴线上。

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

Claims (9)

1.一种新型全向移动平台，包括车轮、万向联轴器、直齿锥齿轮、数字舵机、步进电机、微处理器、运动控制机构、转向控制机构、平台顶板和平台底板等部件。

2.根据权利要求1所述的新型全向移动平台，其特征在于：转向控制机构由步进电机驱动直齿锥齿轮传动装置，将运动等速同步分配至四个轴，实现轴的同步转向功能。

3.根据权利要求1所述的新型全向移动平台，其特征在于：运动控制机构由步进电机驱动直齿锥齿轮传动装置和万向联轴器，将运动等速同步分配至四个轮，实现轮的同步驱动功能。

4.根据权利要求1和所述权利要求3的新型全向移动平台，其特征在于：万向联轴器连接车轮与直齿锥齿轮输出轴，实现车轮转向和升降时，车轮与直齿锥齿轮输出轴之间的自动匹配功能。

5.根据权利要求1所述的新型全向移动平台，其特征在于：步进电机上有编码器，并由连接线与电机控制器连接，实现运动和转向的精确控制功能。

6.根据权利要求1所述的新型全向移动平台，其特征在于：平台顶板上设有由于运动控制机构和转向控制机构的供电的电源。

7.根据权利要求1所述的新型全向移动平台，其特征在于：平台顶板上设有用于避障的传感器，所述的传感器为超声波传感器。

8.根据权利要求1所述的新型全向移动平台，其特征在于：平台底板背面的支撑传动轴设有用于调节平台高度的调整弹簧。

9.根据权利要求8所述的新型全向移动平台，其特征在于：所述调整弹簧为空气弹簧，或为蝶形压缩弹簧，或为螺旋弹簧。