CN114771185A - 移动机器人及悬挂*** - Google Patents

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CN114771185A CN202210594665.4A CN202210594665A CN114771185A CN 114771185 A CN114771185 A CN 114771185A CN 202210594665 A CN202210594665 A CN 202210594665A CN 114771185 A CN114771185 A CN 114771185A
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Abstract

本申请主要是涉及移动机器人及悬挂***，移动机器人包括车体、悬挂***和第一车轮，悬挂***包括减震结构、导向结构和车轮安装座，减震结构的一端与车体连接，另一端与车轮安装座连接，导向结构与车体连接，并穿设于车轮安装座，第一车轮与车轮安装座连接；其中，导向结构与减震结构在垂直于导向结构的导向方向的方向上间隔设置。本申请提供的移动机器人越过障碍时，第一车轮受力迫使车轮安装座沿导向结构运动并压迫减震结构；且在导向结构与减震结构的配合下，车轮安装座及与连接的第一车轮仅具有沿导向结构运动的移动自由度而无转动自由度，从而有利于阻止第一车轮相对于车体前后、左右摆动，进而有利于维持相应的轴距、轮距不变。

Description

移动机器人及悬挂***
技术领域
本申请涉及轮式移动平台的技术领域，具体是涉及移动机器人及悬挂***。
背景技术
对于轮式移动平台，轮式移动平台的稳定性和动态性能关系到所载机械臂的工作精确度。因此，轮式移动平台的研究对轮式移动机器人来说十分重要，而轮式移动机器人有时需要具备越障性能，以保证机械臂姿态平稳，移动平台往往使用悬挂***来实现。
发明内容
本申请实施例提供了一种移动机器人，移动机器人包括车体、悬挂***和第一车轮，悬挂***包括减震结构、导向结构和车轮安装座，减震结构的一端与车体连接，另一端与车轮安装座连接，导向结构与车体连接，并穿设于车轮安装座，第一车轮与车轮安装座连接；其中，导向结构与减震结构在垂直于导向结构的导向方向的方向上间隔设置。
本申请实施例还提供了一种悬挂***，悬挂***包括减震结构、导向结构和车轮安装座，减震结构的一端车轮安装座连接，导向结构穿设于车轮安装座；其中，导向结构与减震结构在垂直于导向结构的导向方向的方向上间隔设置。
本申请的有益效果是：本申请提供的移动机器人越过障碍时，第一车轮受力迫使车轮安装座沿导向结构运动并压迫减震结构；且在导向结构与减震结构的配合下，车轮安装座及与连接的第一车轮的自由度得以限制，也即车轮安装座及与连接的第一车轮仅具有沿导向结构运动的移动自由度而无转动自由度，从而有利于阻止第一车轮相对于车体前后、左右摆动，进而有利于维持相应的轴距、轮距不变。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例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申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本申请提供的移动机器人一实施例的结构示意图；
图2是图1中悬挂***一实施例的拆解结构示意图；
图3是图2中悬挂***在移动机器人越障时的受力分析示意图；
图4是图1中悬挂***另一实施例的拆解结构示意图；
图5是图4中悬挂***在移动机器人越障时的受力分析示意图；
图6是图1中驱动结构一实施例的拆解结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本申请作进一步的详细描述。特别指出的是，以下实施例仅用于说明本申请，但不对本申请的范围进行限定。同样的，以下实施例仅为本申请的部分实施例而非全部实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
本申请中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本申请所描述的实施例可以与其他实施例相结合。
本申请的发明人在长期的研发过程中发现：目前，轮式移动平台的悬挂***多是参考车辆底盘的设计，包括独立悬挂***和非独立悬挂***。其中，独立悬挂***又可分为纵臂式、多连杆式及麦弗逊式悬挂***等，这些独立悬挂***的形式在汽车行业中已应用多年，其工作原理不做赘述。然而，对于纵臂式独立悬挂***方案，车轮在越过凸起障碍时，轮子受到路面冲击力抬升，轮子会绕轴前后转动，前后轮之间的轴距会随之发生改变；对于多连杆式独立悬挂***，车轮在越过凸起障碍时，轮子受到路面冲击力抬升，轮子垂直地面，前轮之间的轮距会随之发生改变；对于麦弗逊式独立悬挂***，车轮在越过凸起障碍时，轮子受到路面冲击力抬升，轮子会绕轴左右摆动，左右轮之间的轮距会随之发生改变。显然，对于轮式移动平台，轴距、轮距的变化会影响到运动参数，进而会对四个轮子的运动位置等产生影响，最终将影响到机械臂的末端精度。为此，本申请提供出了如下实施例，以期轮式移动平台在实现越障的同时，车轮仅在竖直方向上抬升或者下降，从而保证轮距、轴距始终不发生变化，进而在遇到特殊路面依然可以保证所载机械臂的精确度。
共同参阅图1至图6，图1是本申请提供的移动机器人一实施例的结构示意图，图2是图1中悬挂***一实施例的拆解结构示意图，图3是图2中悬挂***在移动机器人越障时的受力分析示意图，图4是图1中悬挂***另一实施例的拆解结构示意图，图5是图4中悬挂***在移动机器人越障时的受力分析示意图，图6是图1中驱动结构一实施例的拆解结构示意图。
本申请中，结合图1，移动机器人10可以包括车体11、与车体11连接的悬挂***12和与悬挂***12连接的第一车轮13。换言之，第一车轮13可以通过对应的悬挂***12与车体11连接，以在移动机器人10越障时减震。其中，第一车轮13可以分别作为移动机器人10的左前轮和右前轮。相应地，左前轮和右前轮可以分别通过一悬挂***12与车体11连接，也即两个前轮的悬挂***彼此独立，互不干扰。进一步地，移动机器人10还可以包括与车体11连接的第二车轮14，第二车轮14可以分别作为移动机器人10的左后轮和右后轮，并可以无悬挂。当然，第二车轮14也可以通过对应的悬挂***12与车体11连接。
进一步地，第一车轮13和第二车轮14可以为麦克纳姆轮，以增加移动机器人10对负责路况的适应能力。其中，麦克纳姆轮的具体结构为本领域的技术人员所熟知，在此不再赘述。
作为示例性地，结合图1，车体11可以包括车架111，以及与车架111的相背两侧分别连接的底板112和顶板113。其中，移动机器人10使用时，底板112相较于顶板113更贴近地面。基于此，底板112可以用于设置悬挂***12、第一车轮13和第二车轮14等结构件；顶板113则可以用于搭载机械手臂等结构件。进一步地，车架111可以为尺寸、形状等参数可定制的型材，车架111及其与底板112和顶板113之间可以在拐角处设置角码114，有利于改善车体11整体的结构强度。其中，对于四轮式移动机器人而言，底板112可以由四块子底板拼接而成，每一子底板上固定有一车轮。
作为示例性地，结合图2或者图4，悬挂***12可以包括减震结构121、导向结构122和车轮安装座123。其中，减震结构121的一端可以与车体11连接，另一端可以与车轮安装座123连接；导向结构122可以与车体11连接，并可以穿设于车轮安装座123；第一车轮13可以与车轮安装座123连接。例如：导向结构122的一端与底板112连接，另一端与顶板113连接；车轮安装座123位于底板112朝向顶板113一侧，并套设在导向结构122上；减震结构121的一端与车轮安装座123连接，远离车轮安装座123的另一端与顶板113连接。进一步地，导向结构122与减震结构121在垂直于导向结构122的导向方向(例如图3或者图5中双向箭头所示)的方向上间隔设置。其中，以移动机器人10所在地面作为参照，导向结构122的导向方向及减震结构121的伸缩方向均可以垂直于前述地面；也即导向结构122的导向方向及减震结构121的伸缩方向可以垂直于第一车轮13的轴向。如此，移动机器人10越过障碍时，第一车轮13受力迫使车轮安装座123沿导向结构122运动并压迫减震结构；且在导向结构122与减震结构121的配合下，车轮安装座123及与连接的第一车轮13的自由度得以限制，也即车轮安装座123及与连接的第一车轮13仅具有沿导向结构122运动的移动自由度而无转动自由度，从而有利于阻止第一车轮13相对于车体11前后、左右摆动，进而有利于维持相应的轴距、轮距不变。
进一步地，导向结构122与减震结构121可以在第一车轮13的轴向上间隔设置，以使得导向结构122的导向和减震结构121的减震更加平稳。
进一步地，悬挂***12还可以包括软垫124，软垫124可以为橡胶垫，并设置在车轮安装座123与底板112之间，例如橡胶垫固定于底板112。其中，对于有悬挂的车轮，软垫124可以用于避免相应的车轮安装座123与底板112刚性碰撞；而对于无悬挂的车轮，软垫124可以使得相应的车轮安装座123与底板112固定更牢靠。
在一些实施方式中，结合图2及图1，导向结构122可以包括导向杆1221和套设在导向杆1221两端的轴承座1222，导向杆1221穿设于车轮安装座123，导向杆1221两端的轴承座1222分别与车体11连接。例如：导向杆1221一端的轴承座1222与底板112连接，另一端的轴承座1222与顶板113连接；也即导向杆1221支撑在底板112与顶板113之间，车轮安装座123沿导向杆1221运动。
进一步地，导向结构122可以设置有多组，多组导向结构122可以绕减震结构121均匀分布。例如：导向结构122设置有两组，两组导向结构122在第一车轮13的轴向上分别位于减震结构121的两侧。再例如：导向结构122设置有四组，其中两组导向结构122在第一车轮13的轴向上分别位于减震结构121的两侧，剩余两组导向结构122在垂直于第一车轮13的轴向的方向上分别位于减震结构121的两侧。如此，以使得导向结构122的导向和减震结构121的减震更加平稳，以及更好地约束车轮安装组123的自由度。
进一步地，车轮安装座123可以设有诸如直线轴承、铜套等轴承125，导向杆1221则可以穿设于轴承125，有利于降低导向杆1221的磨损，进而增加移动机器人10的可靠性。
减震结构121可以包括伸缩杆1211和套设在伸缩杆1211上的弹簧1212，伸缩杆1211的一端与车体11铰接，另一端与车轮安装座123铰接，例如伸缩杆1211远离车轮安装座123的另一端与顶板113铰接。换言之，减震结构121的两端可以具有一定的自由度，使之更好地与导向结构122配合，例如减震结构121的减震方向平行于导向结构122的导向方向，有利于改善车轮安装座123与导向结构122卡死。进一步地，伸缩杆1211内还可以填充油液或者减震垫等结构，以使得减震结构121在伸缩过程中更加平稳，更好地吸收震动。
需要说明的是：导向结构122也可以包括与车体11连接的导轨和与车轮安装座123连接的滑块，滑块与导轨配合同样起到导向的作用。
结合图3，移动机器人10行驶于平整路面时，其每个车轮(例如左前轮和右前轮)都将受到地面的反作用力N1，悬挂***12中的减震结构121则受到力P1的作用被压缩，两个前轮的悬挂***12处于相同的状态，故而各个减震结构121受到力P1被压缩后状态一直是稳定的。此时，用于搭载机械手臂的顶板113也是水平稳定的状态，不会影响机械臂的工作状态。进一步地，移动机器人10行驶于障碍路面时，未遇障碍的车轮(例如左前轮)受到地面的反作用力N1不变，对应的悬挂***12中的减震结构121受到的力P1不变，遇到障碍的车轮(例如右前轮)除受到先前地面的反作用力N1之外，还受到障碍施加的额外力F1，也即右前轮受到(N1+F1)的作用力，对应的悬挂***12中的减震结构121受到的力P1增大，变为(P1+P2)，减震结构121也被进一步压缩，遇到障碍的车轮(例如右前轮)相对地面的高度进一步抬升，从而使得移动机器人10重新达到稳定状态。此时，用于搭载机械手臂的顶板113也是水平稳定的状态，同样不会影响机械臂的工作状态。在此过程中，由于第一车轮13受力迫使车轮安装座123沿导向结构122运动并压迫减震结构，且在导向结构122与减震结构121的配合下，车轮安装座123及与连接的第一车轮13的自由度得以限制，也即车轮安装座123及与连接的第一车轮13仅具有沿导向结构122运动的移动自由度而无转动自由度，从而有利于阻止第一车轮13相对于车体11前后、左右摆动，进而有利于维持相应的轴距、轮距不变。
在其他一些实施方式中，结合图4及图1，减震结构121和导向结构122可以分别设有两组。其中，每一组减震结构121可以包括弹簧1212，每一组导向结构122可以包括导向杆1221和套设在导向杆1221两端的轴承座1222。进一步地，导向杆1221可以穿设于车轮安装座123，同一导向杆1221两端的轴承座1222可以分别与车体11连接；一组导向结构122的导向杆1221可以穿设于一组减震结构121的弹簧1212，另一组导向结构122的导向杆1221可以穿设于另一组减震结构121的弹簧1212。例如：同一导向杆1221一端的轴承座1222与底板112连接，而另一端的轴承座1222与顶板113连接，也即所有导向杆1221均间隔地支撑在底板112与顶板113之间，车轮安装座123沿导向杆1221运动；所有导向杆1221分别套设一弹簧1212，弹簧1212顶持在车轮安装座123与顶板113之间。
类似地，两组减震结构121可以在第一车轮13的轴向上间隔设置，两组导向结构122也可以在第一车轮13的轴向上间隔设置，以使得导向结构122的导向和减震结构121的减震更加平稳。进一步地，导向杆1221可以穿设于车轮安装座123上的轴承125，有利于降低导向杆1221的磨损，进而增加移动机器人10的可靠性。
结合图5，移动机器人10行驶于平整路面时，其每个车轮(例如左前轮和右前轮)都将受到地面的反作用力N2，悬挂***12中的减震结构121则受到力P3的作用被压缩，两个前轮的悬挂***12处于相同的状态，故而各个减震结构121受到力P3被压缩后状态一直是稳定的。此时，用于搭载机械手臂的顶板113也是水平稳定的状态，不会影响机械臂的工作状态。进一步地，移动机器人10行驶于障碍路面时，未遇障碍的车轮(例如左前轮)受到地面的反作用力N2不变，对应的悬挂***12中的减震结构121受到的力P3不变，遇到障碍的车轮(例如右前轮)除受到先前地面的反作用力N2之外，还受到障碍施加的额外力F2，也即右前轮受到(N2+F2)的作用力，对应的悬挂***12中的减震结构121受到的力P3增大，变为(P3+P4)，减震结构121也被进一步压缩，遇到障碍的车轮(例如右前轮)相对地面的高度进一步抬升，从而使得移动机器人10重新达到稳定状态。此时，用于搭载机械手臂的顶板113也是水平稳定的状态，同样不会影响机械臂的工作状态。在此过程中，由于第一车轮13受力迫使车轮安装座123沿导向结构122运动并压迫减震结构，且在导向结构122与减震结构121的配合下，车轮安装座123及与连接的第一车轮13的自由度得以限制，也即车轮安装座123及与连接的第一车轮13仅具有沿导向结构122运动的移动自由度而无转动自由度，从而有利于阻止第一车轮13相对于车体11前后、左右摆动，进而有利于维持相应的轴距、轮距不变。
在其他另一些实施方式中，悬挂***12和第二车轮14相对于车体11的位置可调节，以使得左前轮和右前轮之间的轮距、左后轮和右后轮之间的轮距及前轮和后轮之间的轴距均可调节，从而使得移动机器人10能够搭载不同重量级别的机械手臂。例如：车体11上设有多个供悬挂***12和第二车轮14安装的固定位，用户则根据移动机器人10所要搭载的机械手臂的重量级别确定相应的轮距和轴距，进而将悬挂***12和第二车轮14安装至相应的固定位。再例如：车架111由多个伸缩杆构成，底板112和顶板113以划分为与相应的伸缩杆连接的子底板和自顶板，且伸缩杆在电机作用下可伸缩，以调节相应的轮距和轴距。
结合图6及图1，移动机器人10还可以包括与车轮安装座123连接的驱动结构15，驱动结构15设置成驱动第一车轮13。换言之，对于前驱式移动机器人10而言，左前轮和右前轮可以分别在对应的驱动结构15的驱动下转动，以增加移动机器人10对负责路况的适应能力。当然，对于后驱式移动机器人10而言，左后轮和右后轮可以分别在对应的驱动结构15的驱动下转动；对于四驱式驱式移动机器人10而言，左前轮、右前轮、左后轮和右后轮可以分别在对应的驱动结构15的驱动下转动。
作为示例性地，驱动结构15可以包括驱动电机151、法兰轴152和电机安装座153，电机安装座153与车轮安装座123连接，驱动电机151与电机安装座153连接，法兰轴152与驱动电机151的输出轴连接，第一车轮13与法兰轴152连接。其中，电机安装座153所在平面与车轮安装座123所在平面可以垂直。当然，电机安装座153与车轮安装座123也可以为一体成型结构件。
本申请所述的移动机器人10可以按照如下步骤组装：
1)通过螺栓将底板112和顶板113分别固定在车架111的相背两侧，并通过角码114在相应的拐角处进行加固，以得到车体11。
2)将软垫124固定在底板112上对应于左前轮、右前轮左后轮和右后轮的位置。
3)将电机安装座153固定在车轮安装座123上，并将驱动电机151固定在电机安装座153上，法兰轴152固定在驱动电机151的输出轴上，第一车轮13或者第二齿轮14可以固定在法兰轴152上。
4)对于有悬挂的前轮，将轴承125固定在车轮安装座123上相应的轴承孔内，并将导向杆1221穿设于轴承125；进一步将导向杆1221两端分别通过相应的轴承座1222固定在底板112和顶板113上，并将减震结构121的一端铰接于车轮安装座123，另一端铰接于顶板113。
5)对于无悬挂的后轮，通过螺栓将车轮安装座123固定在底板112上。
基于上述的相关描述，本申请中，移动机器人10的前轮和后轮具有模块化的特性，也即除了有无悬挂的区别之外，其他结构及其连接关系可以相同或者相似。因此，如果移动机器人10的后轮需要悬挂，那么将悬挂***12装设于第二车轮14与车架11之间即可。
以上所述仅为本申请的部分实施例，并非因此限制本申请的保护范围，凡是利用本申请说明书及附图内容所作的等效装置或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本申请的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种移动机器人，其特征在于，所述移动机器人包括车体、悬挂***和第一车轮，所述悬挂***包括减震结构、导向结构和车轮安装座，所述减震结构的一端与所述车体连接，另一端与所述车轮安装座连接，所述导向结构与所述车体连接，并穿设于所述车轮安装座，所述第一车轮与所述车轮安装座连接；其中，所述导向结构与所述减震结构在垂直于所述导向结构的导向方向的方向上间隔设置。
2.根据权利要求1所述的移动机器人，其特征在于，所述导向结构包括导向杆和套设在所述导向杆两端的轴承座，所述导向杆穿设于所述车轮安装座，所述导向杆两端的所述轴承座分别与所述车体连接。
3.根据权利要求2所述的移动机器人，其特征在于，所述导向结构设置有多组，多组所述导向结构绕所述减震结构均匀分布。
4.根据权利要求2所述的移动机器人，其特征在于，所述减震结构包括伸缩杆和套设在所述伸缩杆上的弹簧，所述伸缩杆的一端与所述车体铰接，另一端与所述车轮安装座铰接。
5.根据权利要求1所述的移动机器人，其特征在于，所述减震结构和所述导向结构分别设有两组，每一组所述减震结构包括弹簧，每一组所述导向结构包括导向杆和套设在所述导向杆两端的轴承座，所述导向杆穿设于所述车轮安装座，同一所述导向杆两端的所述轴承座分别与所述车体连接，一组所述导向结构的所述导向杆穿设于一组所述减震结构的所述弹簧，另一组所述导向结构的所述导向杆穿设于另一组所述减震结构的所述弹簧。
6.根据权利要求1所述的移动机器人，其特征在于，所述移动机器人还包括与所述车轮安装座连接的驱动结构，所述驱动结构设置成驱动所述第一车轮。
7.根据权利要求6所述的移动机器人，其特征在于，所述移动机器人还包括与所述车体连接的第二车轮，所述悬挂***和所述第二车轮相对于所述车体的位置可调节。
8.根据权利要求7所述的移动机器人，其特征在于，所述第一车轮和所述第二车轮均为麦克纳姆轮。
9.根据权利要求1所述的移动机器人，其特征在于，所述导向结构与所述减震结构在所述第一车轮的轴向上间隔设置。
10.一种悬挂***，其特征在于，所述悬挂***包括减震结构、导向结构和车轮安装座，所述减震结构的一端所述车轮安装座连接，所述导向结构穿设于所述车轮安装座；其中，所述导向结构与所述减震结构在垂直于所述导向结构的导向方向的方向上间隔设置。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN116811499A (zh) * 2023-05-17 2023-09-29 润芯微科技(江苏)有限公司 一种万向移动小车底盘

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