一种集成液压制动与悬挂系统的行走和转向伺服驱动轮的制作方法

本发明涉及一种用于机器人和机动车辆行走和转向的集成了液压制动与悬挂系统的伺服驱动轮，属于机械行走和转向技术领域。

背景技术：

科技带来的硕果已经渗透到了我们生活的方方面面，特别是在汽车行业里，类似自动泊车、定速巡航，甚至自动驾驶现如今都屡见不鲜。良好的操控感、舒适的驾车环境、高级私人订制等虽然可以吸引住大多数的注意力，但是转向空间的局限、运动方式的单一确是一个汽车发展中掩盖不住的短板。

虽然现在也有很多采用麦克纳姆轮或是多轮体分散驱动的全方位移动车辆，但是大多为微型化特种载体，或者是车间用AGV(自动导引运输车)等，真正并没有进入日常民用领域。

目前亟需一种可以在停车或是行进中360°原地转向，并对于不规则坑洼路面具有坚强的稳定通过性能的行走和转向伺服驱动轮。

技术实现要素：

为了克服现有技术存在的不足，本发明提供一种集驱动、电控、刹车、减震、检测、控制装置于一体，结构紧凑，操控性好的集成液压制动与悬挂系统的行走和转向伺服驱动轮。

本发明的集成液压制动与悬挂系统的行走和转向伺服驱动轮，采用下述技术方案：

该行走和转向伺服驱动轮，包括悬挂箱、悬架、直行传动链、转向传动链、减震模组、刹车模组和控制模组；悬挂箱与悬架之间设置有回转支撑；直行传动链与减震模组连接，减震模组和刹车模组均安装在悬架上；转向传动链包括转向动力机构和转向检测机构，转向动力机构与悬挂箱以及回转支撑的外圈依次连接在一起，转向动力机构的输出端与回转支撑的内圈以及悬架依次连接在一起，转向检测机构安装在悬挂箱上并与转向动力机构通过齿轮传动连接；控制模组包括直行速度闭环控制单元、转向位置闭环控制单元及刹车控制单元；直行传动链与直行速度闭环控制单元通过控制总线连接；转向动力机构和转向检测机构与转向位置闭环控制单元通过控制总线连接；刹车模组与刹车控制单元连接。

所述转向动力机构，包括转向伺服电机和减速器，减速器连接在减速器固定法兰上，减速器固定法兰、悬挂箱和回转支撑的外圈依次连接在一起，减速器的输入端与转向伺服电机连接，减速器的输出端安装有测转角一级齿轮，测转角一级齿轮、回转支撑的内圈与悬架依次连接在一起，转向伺服电机通过控制总线与转向位置闭环控制单元连接。

所述转向检测机构，包括测转角绝对值编码器、测转角二级减速齿轮和齿轮支撑架，测转角绝对值编码器安装在齿轮支撑架上，测转角二级齿轮安装在齿轮支撑架内并与转向动力机构中的测转角一级齿轮啮合，测转角二级齿轮与测转角绝对值编码器连接，齿轮支撑架安装在悬挂箱上，测转角绝对值编码器通过控制总线与转向位置闭环控制单元连接。

所述刹车模组，包括直线电动缸、液压油泵、碟刹盘和碟刹卡钳；直线电动缸安装于悬架上，液压油泵与直线电动缸连接，液压油泵通过输油软管与碟刹卡钳连接，碟刹盘安装在直行传动链中的车轮中轴上，碟刹卡钳安装在直行传动链中的支撑盘上，直线电动缸通过控制总线与刹车控制单元连接。

所述直行传动链，包括轮胎、轮辋、轮毂电机、车轮中轴、支撑盘和直行测速绝对值编码器，轮毂电机设置在轮胎内的轮辋上，车轮中轴一端与轮毂电机连接，一端与减震模组中的直线导轨固定架连接，车轮中轴上安装有碟刹盘和直行测速一级齿轮，支撑盘固接在减震模组中的直线导轨固定架上，直行测速绝对值编码器安装在支撑盘上，直行测速绝对值编码器上安装有与直行测速一级齿轮啮合的直行测速二级齿轮，轮毂电机和直行测速绝对值编码器均通过控制总线与直行速度闭环控制单元连接。所述直行测速一级齿轮与直行测速二级齿轮的传动比为11:4。

所述减震模组，包括弹性阻尼气缸、直线轴承、直线导轨和直线导轨固定架，弹性阻尼气缸一端连接在悬架上，另一端通过销轴与直线导轨固定架连接，直线导轨固定在直线导轨固定架上，直线轴承安装在直线导轨上并固定在悬架上。

上述驱动轮的工作过程如下：

当直行时，动力源为轮毂电机，速度信号由上位机给定，通过齿轮传动将实际车轮速度反馈到直行测速编码器一端，进而将速度信号传输到控制模组直行速度闭环控制单元中，并与给定速度作比较，修正后根据误差调整速度给定。当车轮转向时，转向角度信号由上位机给定，转向动力机构直接驱动悬架转动，同时将其转角反馈到转向检测机构，进而角度信号反馈到转向位置闭环控制单元中，并与给定角度作比较，修正后根据误差调整转角给定。减震模组主要用于车轮行至坑洼地的缓冲避震。当需要刹车时，一方面控制模组中的直行速度闭环控制单元接收上位机信号断开直行传动链的轮毂电机驱动，另一方面控制模组中的刹车控制单元接收到上位机信号，控制刹车模组完成刹车动作。

本发明结构紧凑，装配简便，操控性好；具有以下特点：

1.设计紧凑，集多个功能模组于一身；由一台轮毂电机及一台转向无刷直流伺服电机提供，集驱动、电控、刹车、减震、检测、控制装置于一体。车轮与车体接口简单紧凑，速度、角度控制精准。

2.可以在停车或是行进中360°原地转向，转向域扩展至360°，直行速度及转向角度采用闭环控制，运动精确。

3.具有被动减震缓冲及液压防爆碟刹功能，对于不规则坑洼路面具有较强的稳定通过性能，其高速通过不规则坑洼地面或是高速时停车均能表现出较好的动态性及操作感。

附图说明

图1是本发明集成液压制动与悬挂系统的行走和转向伺服驱动轮的外观示意图。

图2是本发明中转向传动链的结构示意图。

图3是本发明中刹车模组的结构示意图。

图4是本发明中直行传动链的结造示意图。

图5是本发明中减震模组的结构示意图。

图中：1.悬挂箱，2.悬架，3.控制模组，4.转向动力机构，5.转向检测机构，6.刹车模组，7.直行传动链，8.减震模组；

401.转向伺服电机，402.电机固定法兰，403.谐波减速器，404.测转角一级齿轮，405.减速器固定法兰，406.回转支撑；

501.测转角绝对值编码器，502.编码器固定法兰，503.深沟球轴承，504.测转角二级齿轮，505.齿轮支撑架；

601.直线电动缸，602.液压油泵，603.碟刹盘，604.碟刹卡钳，605.输油软管；

701.轮胎，702.轮毂电机，703.轮辋，704.直行测速一级齿轮，705.车轮中轴，706.直行测速二级齿轮，707.支撑盘，708.直行测速绝对值编码器；

801.弹性阻尼气缸，802.直线导轨固定架，803.限位橡胶块，804.直线轴承，805.直线导轨。

具体实施方式

本发明的集成液压制动与悬挂系统的行走和转向伺服驱动轮，如图1所示，包括悬挂箱1、悬架2、直行传动链7、转向传动链、减震模组8、刹车模组6和控制模组3。悬挂箱1通过回转支撑406与悬架2相连接(参见图2)。转向传动链包括转向动力机构4和转向检测机构5(参见图2)。转向动力机构4和转向检测机构5均安装在悬挂箱1的上部，且置于悬挂箱1内。

控制模组3包括直行速度闭环控制单元、转向位置闭环控制单元及刹车控制单元，三个控制单元集成在控制盒内，控制盒安装在悬挂箱1上且置于悬挂箱1内部。闭环控制单元可以采用现有技术，都是模拟电路。直行速度闭环控制单元和转向位置闭环控制单元中包括信号放大器、运算器、执行器、信号采集及反馈模块。上位机给定信号可以为电压，也可以为电流，通过与车轮实际反馈信号(电压或是电流)相比较，得出的差值经放大器放大后进一步给定到运算器，通过运算器的计算将实际的控制电压或是电流施加给电动部件，进而修正直行速度和转角角度，达到直行速度伺服和转角角度伺服的效果。而刹车控制单元无需反馈，所以较比前两者缺省信号采集及反馈模块，其余部分及原理相同。

如图2所示，转向动力机构4包括转向伺服电机401、减速器403和测转角一级齿轮404。转向伺服电机401采用无刷直流伺服电机，减速器403采用精密谐波减速器。转向伺服电机401安装在电机固定法兰402上，电机固定法兰402连接在减速器403的外壳上，减速器403安装在减速器固定法兰405上，减速器403的输入端与转向伺服电机401连接，减速器403的输出端安装有测转角一级齿轮404。回转支撑406作为双向连接件，包括能够相对转动的内圈和外圈。通过螺栓将减速器固定法兰405、悬挂箱1和回转支撑406的外圈依次连接在一起，测转角一级齿轮404、回转支撑406的内圈与悬架2通过长螺栓依次连接在一起。

转向检测机构5包括测转角绝对值编码器501、编码器固定法兰502、深沟球轴承503、测转角二级减速齿轮504和齿轮支撑架505。测转角绝对值编码器501固定在编码器固定法兰502上并与测转角二级齿轮504相啮合，测转角二级齿轮504通过深沟球轴承503安装在齿轮支撑架505内并与测转角一级齿轮404啮合。测转角二级齿轮504的安装轴伸出齿轮支撑架505并通过顶丝与测转角绝对值编码器501连接。齿轮支撑架505安装在悬挂箱1的内部底面上。编码器固定法兰502固定在悬挂箱1上。

转向伺服电机401和测转角绝对值编码器501均通过数据总线与转向位置闭环控制单元连接，接受转向位置闭环控制单元的直接控制。测转角绝对值编码器501的检测信号通过控制总线直接传送到转向位置闭环控制单元之中。

转向伺服电机401通过减速器403减速后带动悬架2转动，实现车轮转向；同时转速通过测转角一级齿轮404与测转角二级齿轮504的啮合传递给测转角绝对值编码器501，实现转向检测。测转角一级齿轮404与测转角二级齿轮504的传动比为1:1。

如图3所示，刹车模组6包括直线电动缸601、液压油泵602、碟刹盘603和碟刹卡钳604；直线电动缸601安装于悬架2的一侧，液压油泵602连接在直线电动缸601上，液压油泵602通过输油软管605与碟刹卡钳604连接。碟刹盘603安装在车轮中轴705上。碟刹卡钳604安装在支撑盘707上。直线电动缸601通过控制总线与刹车控制单元连接，接受刹车控制单元的直接控制。

如图4所示，直行传动链7由轮胎701、轮毂电机702、轮辋703、车轮中轴705、直行测速一级齿轮704、直行测速二级齿轮706、支撑盘707和直行测速绝对值编码器708。轮毂电机702设置在轮胎701的轮辋703上，轮毂电机702与车胎701为一体结构。车轮中轴705与轮毂电机702连接。车轮中轴705上安装有碟刹盘603和直行测速一级齿轮704，车轮中轴705通过平键与减震模组中的直线导轨固定架802连接。参见图5，支撑盘707固接在直线导轨固定架802上。直行测速绝对值编码器708安装在支撑盘707上，直行测速绝对值编码器708上安装有与直行测速一级齿轮704啮合的直行测速二级齿轮706。直行测速一级齿轮704与直行测速二级齿轮706的传动比为11:4。轮毂电机702和直行测速绝对值编码器708均通过控制总线与直行速度闭环控制单元连接，接受直行速度闭环控制单元的直接控制。

如图5所示，减震模组8包括弹性阻尼气缸801、直线导轨固定架802、、直线轴承804和直线导轨805。弹性阻尼气缸801连接在悬架2上，直线导轨固定架802与弹性阻尼气缸801连接，直线导轨805安装在直线导轨固定架802上，直线轴承804的上端设置有限位橡胶块803。带座的直线轴承804与直线导轨805配合，并固定在悬架2上。直线导轨固定架802上连接支撑盘707。

车轮直行或是后退时，上位机给控制模组信号3信号，控制模组3中的直行速度闭环控制单元向轮毂电机发出执行信号，轮毂电机702产生驱动力矩与转速，驱动由轮胎701和轮辋703组成的车轮由前行或后退。行驶速度由直行测速一级齿轮23与直行测速二级齿轮25组成的11:4增速传动反馈到直行测速绝对值编码器708上。直行测速绝对值编码器708检测到的速度信号反馈到控制模组3中的直行速度闭环控制单元中，通过与输入信号的比较，修正后根据误差调整速度给定，从而使行驶速度与给定速度相等。

车轮转向时，上位机将转向角度信号施加在控制模组3转向位置闭环控制单元中，产生的控制信号进一步控制转向伺服电机401，转向伺服电机401输出速度与扭矩由减速器403减速增扭后施加在悬架2上，进而带动悬架2上各部分一同转向。与减速器403相连接的测转角一级齿轮404将输出的角位移传递给同其齿数相当的测转角二级齿轮504上，进而带动与其相连的测转角绝对值编码器501产生旋转角度信号，此信号通过与控制模组3转向位置闭环控制单元中的输入信号相比较，修正后根据误差进一步补偿给定，从而使实际转向角度通给定相等。

当车轮经过不平起伏地时，由直行传动链7中轮胎701与地面接触产生的地面起伏信息通过车轮中轴705反映到直线导轨固定架802上，进一步推动弹性阻尼气缸28，通过弹性阻尼气缸28弹性缓冲和能量阻尼耗散，将地面的起伏波动减弱或是消除。直线导轨805与直线轴承804主要起导向作用，一方面保证直行传动链7与悬架2的方位关系，一方面保证地面起伏波动保持竖直方向传递到弹性阻尼气缸801上。

当车轮需要急停时，一方面上位机向控制模组3中的直行速度闭环控制单元发信号，进而由直行速度闭环控制单元发信号切断控制轮毂电机703的速度与扭矩输出。同时，上位机的信号给定到控制模组3中的刹车控制单元，进而将刹车控制单元处理后的信号发送到直线电动缸601中，直线电动缸601的缸杆伸出，将液压油泵602的活塞推至最上端，活塞又将液压油通过输油软管605挤压到碟刹卡钳604中，碟刹卡钳604夹紧碟刹盘603，使轮毂电机702减速，进而将车轮行进速度减小至零，车轮停止转动。