CN211223609U - 轮式机器人底盘和移动机器人 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种轮式机器人底盘和移动机器人，轮式机器人底盘包括圆形底板及连接于圆形底板上的前后两个万向轮和左右两个驱动轮，万向轮和驱动轮呈菱形布置，驱动轮连接有驱动装置，在圆形底板中心连接有用于记录轮子行走距离的位移检测轮装置，该位移检测轮装置包括与圆形底板中心连接的固定支架、通过霍肯直线机构与固定支架相连接的轮轴、转动安装在轮轴上的位移轮，在霍肯直线机构与固定支架间连接有用于推动位移轮紧贴地面布置的扭簧，在所述轮轴的端面上刚性连接有磁电编码器，在位移轮上刚性连接有与磁电编码器面对面间隙布置的强磁铁，所述轮轴、位移轮、磁电编码器、强磁铁相互同轴安装。本实用新型改动量小、成本低，通用性强。

Description

轮式机器人底盘和移动机器人

技术领域

本实用新型涉及自主移动机器人领域，尤其涉及一种轮式机器人底盘和移动机器人。

背景技术

移动机器人，是一个集环境感知、动态决策与规划、行为控制与执行等多功能于一体的综合***。它集中了传感器技术、信息处理、电子工程、计算机工程、自动化控制工程以及人工智能等多学科的研究成果，代表机电一体化的最高成就，是目前科学技术发展最活跃的领域之一。随着机器人性能不断地完善，移动机器人的应用范围大为扩展，不仅在工业、农业、医疗、服务等行业中得到广泛的应用，而且在城市安全、国防和空间探测领域等有害与危险场合得到很好的应用。因此，移动机器人技术已经得到世界各国的普遍关注。

移动机器人的研究始于60年代末期。斯坦福研究院(SRI)的Nils Nilssen和Charles Rosen等人，在1966年至1972年中研发出了取名Shakey的自主移动机器人。目的是研究应用人工智能技术，在复杂环境下机器人***的自主推理、规划和控制。

目前，机器人移动时的距离计量主要有以下两种方式：

一、直接安装惯性导航模块，通过测量机器人的加速度(惯性)，自动进行积分运算，获得机器人瞬时速度和瞬时位置数据的技术。该模块成本偏高，易受干扰，运用范围不广。

二、在机器人底盘的驱动轮或驱动电机轴上布置旋转编码器，根据旋转编码器的转动累计可换算得到机器人移动的距离，如授权公告号CN 205928686 U的中国专利、授权公告号为CN 205766098 U的中国专利等。该方案具有结构简单、改动量小、成本低的优点，被广泛应用于移动机器人。但是，由于编码器是直接布置在驱动轮或驱动电机上，一旦出现障碍阻止、地面湿滑情况，驱动轮就会出现打滑情况，从而导致编码器换算的机器人移动距离不准确。

实用新型内容

本实用新型的目的在于针对现有技术的不足之处，提供一种可适应室外各路面环境使用的、准确率高的轮式机器人底盘和移动机器人。

本实用新型提供的这种轮式机器人底盘，包括圆形底板及连接于圆形底板上的前后两个万向轮和左右两个驱动轮，万向轮和驱动轮呈菱形布置，驱动轮连接有驱动装置，在圆形底板中心连接有用于记录轮子行走距离的位移检测轮装置，该位移检测轮装置包括与圆形底板中心连接的固定支架、通过霍肯直线机构与固定支架相连接的轮轴、转动安装在轮轴上的位移轮，在霍肯直线机构与固定支架间连接有用于推动位移轮紧贴地面布置的扭簧，在所述轮轴的端面上刚性连接有磁电编码器，在位移轮上刚性连接有与磁电编码器面对面间隙布置的强磁铁，所述轮轴、位移轮、磁电编码器、强磁铁相互同轴安装。

所述驱动轮及其驱动装置通过弹性悬挂装置连接于所述圆形底板上。

圆形底板连接有碰撞检测装置，碰撞检测装置包括均布于圆形底板周缘的若干气压检测模块，气压检测模块检测到气压增大时输出碰撞信号，弹性悬挂装置使驱动轮保持与地面接触。

所述霍肯直线机构包括连杆Ⅰ、连杆Ⅱ和连杆Ⅲ，连杆Ⅰ下端与轮轴固定连接、上端通过连杆Ⅱ与固定支架铰接连接，连杆Ⅲ铰接在连杆Ⅱ下方的连杆Ⅰ与固定支架之间，连杆Ⅲ的长度大于连杆Ⅱ，扭簧安装在连杆Ⅲ与固定支架连接处的铰接轴上，连杆Ⅲ由扭簧推动绕其与固定支架的连接处向下转动，轮轴上的位移轮通过连杆Ⅰ由连杆Ⅲ驱动下压与地面紧密接触。

为进一步保证上移时不发生横向的位移，连杆Ⅰ上与连杆Ⅱ、连杆Ⅲ和轮轴连接的各轴心相互平行的共面布置，固定支架上与连杆Ⅱ、连杆Ⅲ连接的两轴心的距离为L1，连杆Ⅱ上与固定支架、连杆Ⅰ连接的两轴心的距离为L2，连杆Ⅰ上与连杆Ⅱ、连杆Ⅲ连接的两轴心的距离为L3，连杆Ⅲ上与固定支架、连杆Ⅰ连接的两轴心的距离为L4，连杆Ⅰ上与连杆Ⅲ、轮轴连接的两轴心的距离为L5，所述L2＝L1，L3＝1.25×L1，L4＝1.5×L1，L5＝2×L1。

所述位移轮包括轮毂Ⅰ、轮毂Ⅱ和轮胎，轮毂Ⅰ和轮毂Ⅱ分别通过一轴承转动安装在轮轴上，轮胎摩擦连接于两轮毂上，轮毂Ⅰ通过螺纹紧固件与轮毂Ⅱ相连，强磁铁安装在与磁电编码器面对面间隙布置的轮毂上，各轮毂均与轮轴同轴布置。

为保证同轴度，在两轮毂的对接面上设有相匹配的凸缘和凹槽，两轮毂通过凸缘与凹槽配合卡接连接。

在两轮毂的对接端上均设有一凹环，在轮胎内侧设置有用于与两凹环内壁摩擦连接的凸环，轮胎通过凸环与凹环配合夹紧安装在两轮毂上。

所述磁电编码器为霍尔式磁电编码器，磁电编码器上的霍尔元件与强磁铁同轴并间隔1mm布置。

一种移动机器人，包括上述任意一种轮式机器人底盘。

本实用新型通过在圆形底板上增设位移检测轮装置，利用霍肯直线机构将位移轮的轮轴与固定支架连接，使位移轮上移时不发生横向的位移，方便在不改变现有区域空间的前提下安装位移检测轮，使改造成本得到了有效控制；通过扭簧对霍肯直线机构上的位移轮向下施力，使位移轮与地面紧贴布置，只有在机器人移动的过程中，位移轮才能依靠与地面的摩擦力进行转动，从而有效地避免了位移轮出现打滑现象；在位移轮与其轮轴上安装对应布置的强磁铁和磁电编码器，移动时，强磁铁随位移轮绕轮轴旋转，磁电编码器根据强磁铁的转动代替现有的编码器对机器人的位移进行测量，改动量小、成本低，通用性强，广泛应用性得以保证。

附图说明

图1为本实用新型的轴侧结构示意图。

图2为本实用新型的主视示意图。

图3为图2的仰视示意图。

图4为图2的俯视示意图。

图5为图4中A-A处放大示意图。

图6为本实用新型中位移检测轮装置的轴侧结构示意图。

图7为图6中B向局部剖视结构示意图。

图8为图6使用时的运动原理图。

图中示出的标记及所对应的构件名称为：

1、位移检测轮装置；

11、固定支架；

12、霍肯直线机构；121、连杆Ⅰ；122、连杆Ⅱ；123、连杆Ⅲ；1211、通槽；

13、轮轴；131、轴孔；

14、位移轮；141、轮毂Ⅰ；142、轮毂Ⅱ；143、轮胎；1411、凸缘；1412、凹环；1421、凹槽；1431、凸环；

15、磁电编码器；16、强磁铁；17、扭簧；

2、圆形底板；3、万向轮；4、驱动轮；5、弹性悬挂装置；6、碰撞检测装置；7、底盘控制器；8、激光雷达；9、红外测距传感器；10、万向轮安装座。

具体实施方式

从图1至图5可以看出，本实用新型这种轮式机器人底盘，包括位移检测轮装置1、圆形底板2、万向轮3、驱动轮4、弹性悬挂装置5、碰撞检测装置6、底盘控制器7、激光雷达8、红外测距传感器9和万向轮安装座10。

从图1至图5可以看出，圆形底板2上连接有前、后两个万向轮3和左、右两个驱动轮4，两个万向轮2和两个驱动轮3呈菱形布置，驱动轮4连接有驱动装置，驱动装置的具体结构及其相应的连接、安装关系与授权公告考为CN208306793的中国专利中相同，属于现有技术，故不再重复赘述。

从图1至图5可以看出，万向轮安装座10、弹性悬挂装置5、底盘控制器7和红外测距传感器9均安装于圆形底板2的上侧，激光雷达8通过支架安装于前方的万向轮安装座10上。底盘控制器7布置在后方的万向轮安装座10一侧，并通过螺钉固定在圆形底板2上。在本实用新型中，底盘控制器7、激光雷达8和红外测距传感器9的具体结构、功能和作用与授权公告考为CN208306793的中国专利中的内容相同，属于现有技术，故不再重复赘述。

在本实用新型中，弹性悬挂装置5包括安装底板、支撑座、支架板、支撑轴、减速电机、输出轴、压簧、压簧安装板、平键、塞打螺栓、弹性挡圈，各部件的具体结构及其相应的连接、安装关系与授权公告考为CN208306793的中国专利中的内容相同，属于现有技术，故不再重复赘述。

在本实用新型中，碰撞检测装置6包括六个均布于圆形底板2周缘的气压检测模块，六个气压检测模块的具体结构及其相应的连接、安装关系与授权公告考为CN208306793的中国专利中的内容相同，属于现有技术，故不再重复描述。

从图6和图7可以看出，位移检测轮装置1包括固定支架11、霍肯直线机构12、轮轴13、位移轮14、磁电编码器15、强磁铁16和扭簧17，

固定支架11通过螺纹紧固件可拆卸安装在圆形底板2底部中心，

霍肯直线机构12包括连杆Ⅰ121、连杆Ⅱ122和连杆Ⅲ123，连杆Ⅱ122通过销轴铰接在连杆Ⅰ121上端与固定支架11上端之间，连杆Ⅲ123通过销轴铰接在连杆Ⅰ121中部与固定支架11下端之间，连杆Ⅲ123布置在连杆Ⅱ122下方，连杆Ⅲ23的长度大于连杆Ⅱ122，

轮轴13采用台阶轴并通过螺纹紧固件垂直固定在连杆Ⅰ121下端内侧，在轮轴13轴心处设有一轴孔131，在连杆Ⅰ121与轮轴13连接的一端上设有与轴孔131连通的通槽1211，轮轴13通过霍肯直线机构12与固定支架11相连接并可在固定支架11上上下移动，

位移轮14包括轮毂Ⅰ141、轮毂Ⅱ142和轮胎143，轮毂Ⅱ142通过一轴承可转动的套装在轮轴13的台阶与连杆Ⅰ121之间，轮毂Ⅰ141通过一轴承可转动的盖装在轮轴13台阶的内端面上，轮毂Ⅰ141的内壁与轮轴13内端面间隙布置，轮胎143利用弹性卡套在两轮毂上，轮胎143与轮毂的连接面间摩擦连接，轮胎143利用弹性与两轮毂之间的摩擦力固定连接，轮毂Ⅰ141和轮毂Ⅱ142通过螺纹紧固件可拆卸连接在一起，各轮毂均与轮轴13同轴布置，

磁电编码器15通过螺钉固定在轮轴13的内端面上，磁电编码器15的线束经过轮轴13上的轴孔131从连杆Ⅰ121上的通槽1211穿出，

强磁铁16安装在与磁电编码器15面对面间隙布置的轮毂Ⅰ141的内壁上，轮轴13、位移轮14、磁电编码器15、强磁铁16均相互同轴安装，

扭簧17套装安装在连杆Ⅲ123与固定支架11连接处的铰接轴上，连杆Ⅲ123由扭簧17推动绕其与固定支架11的连接处向下转动，

使用时，连杆1Ⅲ23在扭簧17的作用下往下摆，带动连杆Ⅰ121上的轮轴13和位移轮14往下移动，使位移轮14能紧贴在地面或所测量的物体表面；

在地面滚动时，位移轮14和强磁铁16通过轴承绕轮轴13运动，磁电编码器15可以检测强磁铁16的旋转角度，即可通过如下公式检测位移轮14的位移：

位移＝(π×位移轮的外径×旋转角度)/360。

从图8可以看出，在本实用新型中，设固定支架11与连杆Ⅱ122铰接的轴心为a、连杆Ⅱ122与连杆Ⅰ121铰接的轴心为b、连杆Ⅰ121与连杆Ⅲ123铰接的轴心为c、连杆Ⅰ121与与轮轴13固接的轴心为d、连杆Ⅲ123与固定支架11铰接的轴心为e,轴心b、轴心c和轴心d相互平行的共面布置，

固定支架11上轴心a到轴心e的距离为L1，连杆Ⅱ122上轴心a到轴心b的距离为L2，连杆Ⅰ121上轴心b到轴心c的距离为L3，连杆Ⅲ123上轴心c到轴心e的距离为L4，连杆Ⅰ121上轴心c到轴心d的距离为L5，其中，

L2＝L1；

L3＝1.25×L1；

L4＝1.5×L1；

L5＝2×L1，

通过满足上述臂长比例的霍肯直线机构12，轮轴13在2×L1的范围内上下移动时，基本呈现直上直下的直线运动，可以使位移轮轻松的上下移动，比较适合前后小空间区域安装。

从图7可以看出，为保证同轴度，在本实用新型轮毂Ⅰ141的外端面上设有一环形的凸缘1411，在轮毂Ⅱ142的内端面上设有一与凸缘1411相对应布置的凹槽1421，轮毂Ⅰ141与轮毂Ⅱ142通过凸缘1411与凹槽1421配合卡接连接。

从图7可以看出，在本实用新型的两轮毂的对接端上设有一相同的凹环1412，在轮胎143内侧设置有与两凹环1412相对应布置的凸环1431，两轮毂的凹环1412与轮胎143的凸环1431过盈配合连接，轮胎143通过凸环1431与凹环1412配合、利用弹性与两轮毂之间的摩擦力由两轮毂夹紧卡装在两轮毂上。

在本实用新型中，为保证位移轮14能可靠顺畅的旋转，阻力较小，不容易出现滑动，也可长时间承受路面不平引起的抖动，保证能可靠运动，位移轮14与轮轴13间的轴承为6005深沟球轴承。

磁电编码器是一种新型的角度或者位移测量装置，其原理是采用磁阻或者霍尔元件对变化的磁性材料的角度或者位移值进行测量，磁性材料角度或者位移的变化会引起一定电阻或者电压的变化，通过放大电路对变化量进行放大，通过单片机处理后输出脉冲信号或者模拟量信号，达到测量的目的。而本实用新型的磁电编码器15为霍尔式磁电编码器，磁电编码器15上的霍尔元件与强磁铁16同轴并间隔1mm布置。

本实用新型还提供一种设有上述轮式机器人底盘的移动机器人。

Claims (10)

1.一种轮式机器人底盘，包括圆形底板(2)及连接于圆形底板上的前后两个万向轮(3)和左右两个驱动轮(4)，万向轮和驱动轮呈菱形布置，驱动轮连接有驱动装置，其特征在于：在圆形底板中心连接有用于记录轮子行走距离的位移检测轮装置，该位移检测轮装置包括与圆形底板中心连接的固定支架(11)、通过霍肯直线机构(12)与固定支架相连接的轮轴(13)、转动安装在轮轴上的位移轮(14)，在霍肯直线机构与固定支架间连接有用于推动位移轮紧贴地面布置的扭簧(17)，在所述轮轴的端面上刚性连接有磁电编码器(15)，在位移轮上刚性连接有与磁电编码器面对面间隙布置的强磁铁(16)，所述轮轴、位移轮、磁电编码器、强磁铁相互同轴安装。

2.根据权利要求1所述的轮式机器人底盘，其特征在于：所述驱动轮及其驱动装置通过弹性悬挂装置(5)连接于所述圆形底板上。

3.根据权利要求1所述的轮式机器人底盘，其特征在于：圆形底板连接有碰撞检测装置(6)，碰撞检测装置包括均布于圆形底板周缘的若干气压检测模块，气压检测模块检测到气压增大时输出碰撞信号，弹性悬挂装置使驱动轮保持与地面接触。

4.根据权利要求1所述的轮式机器人底盘，其特征在于：所述霍肯直线机构包括连杆Ⅰ(121)、连杆Ⅱ(122)和连杆Ⅲ(123)，连杆Ⅰ下端与轮轴固定连接、上端通过连杆Ⅱ与固定支架铰接连接，连杆Ⅲ铰接在连杆Ⅱ下方的连杆Ⅰ与固定支架之间，连杆Ⅲ的长度大于连杆Ⅱ，扭簧安装在连杆Ⅲ与固定支架连接处的铰接轴上，连杆Ⅲ由扭簧推动绕其与固定支架的连接处向下转动，轮轴上的位移轮通过连杆Ⅰ由连杆Ⅲ驱动下压与地面紧密接触。

5.根据权利要求4所述的轮式机器人底盘，其特征在于：连杆Ⅰ上与连杆Ⅱ、连杆Ⅲ和轮轴连接的各轴心相互平行的共面布置，固定支架上与连杆Ⅱ、连杆Ⅲ连接的两轴心的距离为L1，连杆Ⅱ上与固定支架、连杆Ⅰ连接的两轴心的距离为L2，连杆Ⅰ上与连杆Ⅱ、连杆Ⅲ连接的两轴心的距离为L3，连杆Ⅲ上与固定支架、连杆Ⅰ连接的两轴心的距离为L4，连杆Ⅰ上与连杆Ⅲ、轮轴连接的两轴心的距离为L5，所述L2＝L1，L3＝1.25×L1，L4＝1.5×L1，L5＝2×L1。

6.根据权利要求1所述的轮式机器人底盘，其特征在于：所述位移轮包括轮毂Ⅰ(141)、轮毂Ⅱ(142)和轮胎(143)，轮毂Ⅰ和轮毂Ⅱ分别通过一轴承转动安装在轮轴上，轮胎摩擦连接于两轮毂上，轮毂Ⅰ通过螺纹紧固件与轮毂Ⅱ相连，强磁铁安装在与磁电编码器面对面间隙布置的轮毂上，各轮毂均与轮轴同轴布置。

7.根据权利要求6所述的轮式机器人底盘，其特征在于：在两轮毂的对接面上设有相匹配的凸缘和凹槽，两轮毂通过凸缘与凹槽配合卡接连接。

8.根据权利要求6所述的轮式机器人底盘，其特征在于：在两轮毂的对接端上均设有一凹环，在轮胎内侧设置有用于与两凹环内壁摩擦连接的凸环，轮胎通过凸环与凹环配合夹紧安装在两轮毂上。

9.根据权利要求1所述的轮式机器人底盘，其特征在于：所述磁电编码器为霍尔式磁电编码器，磁电编码器上的霍尔元件与强磁铁同轴并间隔1mm布置。

10.一种移动机器人，包括权利要求1至9中任一所述的轮式机器人底盘。

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