一种全向移动机器人底盘的舵轮结构

技术领域

本发明属于机械人领域，涉及一种高速移动全向机器人底盘舵轮结构，能够同时实现舵向转动和车轮转动，满足机器人底盘高加速度、高速度、全向移动的需求。

背景技术

质量小于50kg的小型机器人，需要快速响应的全方向移动来满足机器人驱动的灵活性需求。在机器人比赛中，车轮的速度和加速度是影响比赛成绩的关键之一。

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，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。

小型机器人所用的舵轮整体高度过高，装配时会占用机器人更多的上层空间，导致机器人上层机构的空间略显局促，限制机器人功能机构的布置和具体的功能活动范围。同时，这些舵轮的集成度也较低，安装过于繁琐，在维修或更换时，无法做到快速拆装。

发明内容

针对上述舵轮存在的问题，本发明提出的新型全向机器人底盘舵轮结构，拥有较高的速度和加速度，布置高度低、集成度高、安装方便。

本发明一种全向机器人底盘舵轮结构，包括车轮组件、支撑板、走线组件、舵向组件和悬挂组件5个部分。车轮组件和走线组件都安装在支撑板上；舵向组件具备内圈和外圈，支撑板与舵向组件的内圈相连接；悬挂组件与舵向组件的外圈相连接；走线组件和车轮组件均位于舵向组件的旋转中心；所述的全向移动机器人底盘舵轮结构包含两个自由度：舵向转动的车轮转动，实现水平面的全自由移动。

所述车轮组件包括：车轮驱动电机、车轮支架、车轮、减速器和编码器等。车轮驱动电机和减速器集成于车轮内部，分别位于在车轮的两侧，与车轮同轴布置，；车轮驱动电机输出连接减速器后驱动车轮，；车轮驱动电机安装车轮支架的一侧，减速器和编码器安装于车轮支架的另一侧上；车轮支架安装在支撑板上；编码器用于检测电机的转角，用于电机的闭环控制。

所述支撑板用于车轮组件和走线组件与舵向组件的结构连接。支撑板的外侧与舵向组件相连接，内侧与车轮组件和走线组件相连接。支撑板随舵向一起旋转，起到对舵轮旋转部分包括车轮组件和走线组件的支撑作用。

所述走线组件由走线支撑架、走线圈组成，走线圈与舵向轴承同心，位于舵轮的最上层，走线圈安装在走线支撑架上，走线支撑架安装在支撑板上，舵轮电机和编码器所引出的电线顺着走线支撑架穿过走线圈由舵轮的正上方引出，能够起到舵向转动时防止电线缠绕在舵轮上的作用。

所述舵向组件包括舵向驱动电机、零位传感器、舵向电机支架、感应触发螺钉、电机小齿轮、内齿圈、内舵向轴承架、外舵向轴承架、防尘板、舵向轴承等。舵向轴承实现舵向旋转，舵向轴承内外圈分别连接内外舵向轴承架，内齿圈安装在外舵向轴承架上，舵向驱动电机通过舵向电机支架安装在内舵向轴承架上，舵向驱动电机轴连接电机小齿轮与内齿圈啮合，驱动支撑板旋转，实现舵向转向；零位传感器安装在外舵向轴承架上，对应的感应触发螺钉安装在舵向电机支架上上，舵向电机支架旋转一周在相同位置触发零位传感器一次，当传感器被触发时，舵轮被视为回到初始零位；防尘板安装在内舵向轴承架底部，覆盖舵向轴承，防止异物进入舵向轴承。

所述的悬挂组件连接在外舵向轴承架上，为舵轮提供纵向减震和缓冲功能；悬挂组件包括四个方向连接梁，该连接梁具有弹性用于吸收振动和提供缓冲，四个板簧的末端留有四个正交布置的安装孔。本发明的优点为：

1、本发明的全向机器人底盘舵轮结构，舵轮舵向采用零位传感器进行归零校准，可以使舵轮在上电时自动进行初始化校准，可以在任意位置实现反复上电调试；在舵轮转动过程中，每通过零位位置均可以触发接近开关实现零位校准，有效消除舵向旋转时的累计误差。

2、本发明的全向机器人底盘舵轮结构，舵轮和车轮组件高度集成化设计，在舵向传动采用内啮合的齿轮、齿圈设计，减低舵轮的高度和投影面积，减小舵轮对机器人上层空间和底盘横向空间的需求，从而释放更多空间用于功能部件的布置。

3、本发明的全向机器人底盘舵轮结构，提供了四个位于正交位置的安装孔，安装孔位数量少、安装结构稳固，实现快速安装和维修。

4、本发明的全向机器人底盘舵轮结构，采用走线环的设计，使得电机线和编码器线在舵轮舵向旋转时在走线环内自我缠绕，防止电线缠绕到舵轮其他部件上。

附图说明

图1为一种全向移动机器人底盘的舵轮模块的结构图；

图2为一种全向移动机器人底盘的舵轮模块的车轮组件剖切图；

图3为一种全向移动机器人底盘的舵轮模块的走线组件结构图；

图4为一种全向移动机器人底盘的舵轮模块的走线组件的走线支撑架的爆炸图；

图5为一种全向移动机器人底盘的舵轮模块的舵向组件结构图；

图6为一种全向移动机器人底盘的舵轮模块的悬挂组件结构图。

图中：1为车轮组件，1-1为车轮驱动电机，1-2为车轮支架，1-3为车轮，1-4为减速器，1-5为编码器；2为支撑板，2-1主驱动电机，2-2为减速器，2-3为旋转轴，2-4为承力壳，2-5为轴承；3为走线组件，3-1为走线支撑架，3-1-1为横板，3-1-2为侧板，3-1-3为螺柱，3-2为走线圈，3-3为车轮电机线，3-4为编码器线；4为舵向组件,4-1为舵向驱动电机，4-2为零位传感器，4-2-1为传感器支架，4-3为舵向电机支架，4-4为感应触发螺钉，4-4-1为感应触发螺钉支架，4-5为电机小齿轮，4-6为内齿圈，4-7为内舵向轴承架，4-8为外舵向轴承架，4-9为防尘板，4-10为舵向轴承；5为悬挂组件，5-1为舵轮安装孔。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进一步详细的描述：

本发明一种全向移动机器人底盘的舵轮结构，包括车轮组件1、支撑板2、走线组件3、舵向组件4和悬挂组件5，如图1所示。

所述车轮组件1包括：车轮驱动电机1-1、车轮支架1-2、车轮1-3、减速器1-4和编码器1-5等。车轮驱动电机1-1和减速器1-4均安置在车轮1-3内部，呈同轴布置，分别位于轮轮辐板的两侧，三者共同构成车轮组；车轮驱动电机1-1通过减速器1-4减速后驱动车轮1-3，实现车轮1-3的转动；车轮驱动电机1-1安装在车轮支架1-2的一侧，减速器1-4和编码器1-5安装车轮支架1-2的另一侧上，共同支撑车轮组，车轮支架1-2安装在支撑板2上；编码器1-5安装在减速器1-4侧的车轮支架1-2上，用于检测车轮驱动电机1-1的转角，用来提供闭环控制的位置反馈；车轮驱动电机1-1会引出车轮电机线3-3，编码器1-5会引出编码器线3-4，如图2所示。

所述支撑板2为外圆内方的中空结构，材料为碳纤维。中空方形孔用于通过车轮组件，使车轮与地面接触。支撑板2用于车轮组件1和走线组件3与舵向组件4的结构连接。支撑板2的外侧与舵向组件4的内舵向轴承架4-6相连接，内侧与车轮组件1和走线组件3相连接。支撑板2随舵向一起旋转，起到对舵轮旋转部分包括车轮组件1和走线组件3的支撑作用。

所述走线组件3由走线支撑架3-1、走线圈3-2组成，走线圈3-2与支撑板2同心，因此与舵向轴承4-10同心，位于舵轮的最上方，走线圈3-2安装在走线支撑架3-1上。走线支撑架3-1安装在支撑板上2，车轮电机线3-3和编码器线3-4顺着走线架3-1穿过走线圈3-2从舵轮的正上方引出。电线一端在固定在走线圈3-2下方的支撑架3-1的横板3-1-1上，另一端固定在舵轮正上方，在舵轮旋转的过程中，电机线在缠绕的时候会束缚在走线圈里，防止电线缠绕到舵轮上的其他结构。同时电机线预留一定的额外长度，提供电线缠绕时所需的余量，在限定角度范围内也不会产生断线现象，如图3所示。

所述走线支撑架3-1由横板3-1-1、侧板3-1-2、螺柱3-1-3和门型的舵向电机支架4-3相互连接组成，横板3-1-1和侧板3-1-2为碳纤维材质，质量轻。侧板3-1-2为上部收窄下部等宽的门型，两侧板3-1-2的一侧门柱连接在舵向电机支架4-3的两侧，另一侧门柱通过两个螺柱3-1-3连接。横板3-1-1为内部为中空减重孔的长方形，连接在两侧板3-1-2的中上部，如图4所示。

所述舵向组件4包括舵向驱动电机4-1、零位传感器4-2、舵向电机支架4-3、感应触发螺钉4-4、电机小齿轮4-5、内齿圈4-6、内舵向轴承架4-7、外舵向轴承架4-8、防尘板4-9、舵向轴承4-10等。舵向轴承4-10承担舵向的旋转功能，轴承内外圈分别连接内舵向轴承架4-7和外舵向轴承架4-8，内齿圈4-6安装在外舵向轴承架4-8上，舵向驱动电机4-1通过舵向电机支架4-3安装在支撑板2上，支撑板2与内舵向轴承架4-7相连，舵向驱动电机4-1输出连接电机小齿轮4-5与内齿圈4-6啮合，驱动支撑板2旋转，实现舵向的转向；零位传感器安装在外舵向轴承架4-8上，触发零位传感器4-2的感应触发螺钉4-4通过感应触发螺钉支架4-4-1安装在舵向电机支架4-3上，零位传感器4-2通过传感器支架4-2-1安装在外舵向轴承架4-8上；防尘板4-9安装在内舵向轴承架4-7底部，覆盖舵向轴承，防止异物进入舵向轴承，如图4所示。

上述舵向组件4中，外舵向轴承架4-8为固定零件，内舵向轴承架4-7为旋转零件；当舵向旋转时，内舵向轴承架4-7相对外舵向轴承架4-8旋转，并带动内舵向轴承架上的其他零件包括支撑板2、车轮组件1、走线组件3和舵向电机支架4-3等旋转。

上述零位传感器4-2只能通过感应触发螺钉4-4触发，舵轮舵向旋转一周零位传感器4-2只会在同一位置触发零位传感器4-2一次，为舵向一周内的相对位置；因此，当零位传感器4-2被触发时，舵轮被视为回到初始零位；该零位触发方式下舵轮可以在任意舵向位置上电，在初始化程序的控制下，驱动舵向驱动电机4-1带动内舵向轴承架4-7单向旋转，在触发零位传感器4-2的时候停止，完成零位的舵向校准；在舵轮运行过程中，每触发一次零位传感器4-2可以对舵向完成一次零位校准，消除累计误差。

所述的悬挂组件5连接在外舵向轴承架4-8上，为舵轮提供纵向减震和缓冲功能；悬挂组件向四个方向伸出连接梁用于吸收振动和提供缓冲，在四个连接梁的末端留有四个正交布置的舵轮安装孔5-1，用于舵轮在机器人底盘的安装固定，四个舵轮安装孔5-1连线构成一个正方形，其投影的中心与舵轮的中心重叠，如图5所示。