一种轮距可调型全轮转向机器人底盘的制作方法

本发明涉及无人系统技术领域，特别涉及，一种轮距可调型全轮转向机器人底盘。

背景技术：

随着国民经济发展和智慧产业升级，机器人已经越来越多的应用于国民生产和生活领域之中，作为移动式机器人，底盘的运动能力和对各种环境的适应能力很大程度上影响了机器人整体的功能和性能。

现有的各型机器人、无人车全轮转向底盘轴距、轮距是不可调整的，因此底盘对路面的适应能力在设计后就已经确定，不具备根据使用环境进行可变的适应性调整的能力。虽然底盘在行驶过程中车轮通过颠簸路面，车轮上下跳动会产生一定的轮距变化，该变化量影响微小且为路面颠婆时的瞬时被动变化，不具备可控的大幅度调整的能力。对于同一轴两侧的两个车轮，轮距加宽或变窄过程需要两轮尽量与中心对称同步分离或靠近，否则会出现整体偏载，重心倾斜，甚至会造成调整过程受阻或结构损坏等现象。

针对上述问题，设计一种解决现有技术所存在的全轮转向底盘轴距、轮距不可调整对环境适应性调整的能力差，同一轴两侧的两个车轮不能实现同步分离或靠近导致整体偏载，重心倾斜甚至造成调整过程受阻或结构损坏的问题的底盘，从而更好的提高机器人整体的功能和性能。

技术实现要素：

针对上述缺陷，本发明解决的技术问题在于，提供一种轮距可调型全轮转向机器人底盘，以解决现在技术所存在的全轮转向底盘轴距、轮距不可调整对环境适应性调整的能力差，同一轴两侧的两个车轮不能实现同步分离或靠近导致整体偏载，重心倾斜甚至造成调整过程受阻或结构损坏的问题。

本发明提供了一种轮距可调型全轮转向机器人底盘，包括：

单轴系组件，设有单轮组件和与所述单轮组件连接的轮系调整机构，所述单轮组件设有两组，分别设置于所述轮系调整机构两端，所述轮系调整机构用于控制两组所述单轮组件的同步位移，所述单轮组件设有可自由转动的轮毂组件，所述轮毂组件自由转动实现转向、位移用于轮距调整；

整体车架，与所述轮系调整机构连接；

控制设备，设置于所述整体车架上、且与所述单轴系组件电连接。

优选地，所述轮系调整机构包括：

单轴系支架，与所述整体车架连接；

曲柄转盘，通过转盘支座与所述单轴系支架连接；

连杆组件，分别与所述曲柄转盘和所述单轴系支架铰接；

驱动器，设置于所述单轴系支架上、且与所述曲柄转盘连接。

优选地，所述连杆组件包括：

第一连杆，一端与所述单轴系支架连接；

轮组固定支架，分别与所述第一连杆另一端和所述单轮组件连接；

曲柄连杆，分别与所述曲柄转盘和所述第一连杆连接；

第二连杆，一端与所述单轴系支架连接，另一端与所述轮组固定支架连接。

优选地，所述单轮组件包括：

轮系固定支座，与所述轮系调整机构连接；

减震组件，一端与所述轮系固定支座连接；

连接支架，与所述减震组件另一端连接；

轮系主支座，与所述连接支架一体成型；

转向控制组件，与所述轮系主支座连接；

转向支架，分别与所述转向控制组件和轮毂组件连接。

优选地，所述单轮组件包括：

轮系主支座，与所述轮系调整机构连接；

转向控制组件，与所述轮系主支座连接；

转向支架，与所述转向控制组件连接；

轮系固定支座，与所述转向支架一体成型；

减震组件，一端与所述轮系固定支座连接；

连接支架，分别与所述减震组件另一端和轮毂组件连接。

优选地，所述减震组件包括：

上摆臂，一端与所述轮系固定支座连接，另一端与所述连接支架连接；

下摆臂，一端与所述轮系固定支座连接，另一端与所述连接支架连接，所述下摆臂设置于所述上摆臂下方；

减震器，一端与所述轮系固定支座连接，另一端与所述连接支架连接。

优选地，所述转向控制组件包括：

转向减速机，与所述轮系主支座连接；

转向驱动件，与所述转向减速机的输入轴连接、且与所述控制设备电连接；

转向输出轴，通过联轴器与所述转向减速机的输出轴连接，且与所述转向支架连接。

优选地，所述连杆组件设有两组，分别为第一连杆组件和第二连杆组件，所述曲柄转盘设有等角度设置的三个固定点，所述三个固定点分别与所述第一连杆组件、所述第二连杆组件和所述驱动器连接。

优选地，所述单轴系支架由2根单轴系横梁与多个单轴系纵梁组成，所述单轴系支架上设有多个机械接口。

优选地，所述轮组固定支架和所述单轴系支架水平设置，所述第一连杆和所述第二连杆长度相等。

由上述方案可知，本发明提供的一种轮距可调型全轮转向机器人底盘通过控制设备控制轮系调整机构自适应调整同组单轮组件间的距离即底盘的轮距，缩小轮距可以在狭小的环境下实现灵活的机动性能，增加轮距可以在开阔的复杂路况下增加整体的稳定性，通过轮系调整机构调整机器人轮距可以提高轮距可调型全轮转向机器人底盘整体的运动性能，轮系调整机构可以采用单动力驱动，通过机构自身实现对两侧车轮的同步驱动调整功能，更好的实现轮距调整。本发明解决现在技术所存在的全轮转向底盘轴距、轮距不可调整对环境适应性调整的能力差，同一轴两侧的两个车轮不能实现同步分离或靠近导致整体偏载，重心倾斜甚至造成调整过程受阻或结构损坏的问题，作用效果显著，适于广泛推广。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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发明的一些实施例，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为本发明实施例提供的一种轮距可调型全轮转向机器人底盘的结构示意图；

图2为图1所示的一种轮距可调型全轮转向机器人底盘的单轴系组件的主视结构示意图；

图3为图2所示的单轴系组件的侧视结构示意图；

图4为窄轮距状态时沿图2中p-p线的剖视结构图；

图5为宽轮距状态时沿图2中p-p线的剖视结构图；

图6为图2所示的单轴系组件的单轮组件的结构示意图；

图7为沿图6中a-a线的剖视结构图；

图8为本发明另一实施例提供的一种轮距可调型全轮转向机器人底盘的单轮组件的结构示意图；

图9为沿图8中b-b线的剖视结构图；

图10为图1所示的一种轮距可调型全轮转向机器人底盘的轮系调整机构的结构示意图；

图11为图1所示的一种轮距可调型全轮转向机器人底盘窄轮距状态时的结构示意图；

图12为图1所示的一种轮距可调型全轮转向机器人底盘宽轮距状态时的结构示意图；

图13为图1所示的一种轮距可调型全轮转向机器人底盘的单轴系组件间结构简图；

图14为图14所示的单轴系组件的宽、窄轮距两种状态结构简图；

图15为图1所示的一种轮距可调型全轮转向机器人底盘的轮距调整过程步骤一状态下的结构示意图；

图16为图1所示的一种轮距可调型全轮转向机器人底盘的轮距调整过程步骤二状态下的结构示意图；

图17为图1所示的一种轮距可调型全轮转向机器人底盘的轮距调整过程步骤三状态下的结构示意图；

图18为图1所示的一种轮距可调型全轮转向机器人底盘的轮距调整过程步骤四状态下的结构示意图。

图1-18中：

1、单轴系组件；2、整体车架；3、控制设备；11、单轮组件；12、轮系调整机构；21、车架纵梁；22、车架底梁；111、轮系固定支座；112、减震组件；113、连接支架；114、轮系主支座；115、转向控制组件；116、转向支架；117、轮毂组件；121、单轴系支架；122、曲柄转盘；123、连杆组件；124、驱动器；125、转盘支座；1121、上摆臂；1122、下摆臂；1123、减震器；1151、转向减速机；1152、转向驱动件；1153、转向输出轴；1154、联轴器；1211、单轴系横梁；1212、单轴系纵梁；1221、固定点；1231、第一连杆；1232、轮组固定支架；1233、曲柄连杆；1234、第二连杆。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。

实施例1

请一并参阅图1至图18，现对本发明提供的一种轮距可调型全轮转向机器人底盘的一种具体实施方式进行说明。该种轮距可调型全轮转向机器人底盘包括单轴系组件1、整体车架2和控制设备3，其中单轴系组件1设有单轮组件11和与单轮组件11连接的轮系调整机构12，单轮组件11设有两组，分别设置于轮系调整机构12两端，轮系调整机构12用于控制两组单轮组件11的同步位移，单轮组件11设有可自由转动的轮毂组件117，轮毂组件117自由转动实现转向、位移用于轮距调整；整体车架2与轮系调整机构12连接；控制设备3设置于整体车架2上、且与单轴系组件1电连接。

控制设备3包括控制设备舱和电池舱，设备舱用于存储和固定底盘运动控制设备；电池舱用于存储和固定底盘蓄电池和电源模块等供电系统。根据机器人整机对底盘外形尺寸和轮距设计要求，该种轮距可调型全轮转向机器人底盘包含多组单轴系组件1示例性的可以为2组或3组，各组单轴系组件1间进行纵向(由底盘头至尾方向)排列布置，单轴系组件1通过自身的单轴系支架121与整体车架2采用螺钉连接或焊接的方式连接固定；整体车架2包括车架纵梁21和车架底梁22，2根车架纵梁21分别位于轮系调整机构12的两侧，车架底梁22位于车架纵梁21的底部，车架底梁22采用螺钉连接或焊接的方式与车架纵梁21底平面连接牢固。整体车架2主要起支撑作用，其上设有多组机械接口，用于连接固定控制设备舱、电池舱及机器人底盘上的上装设备。

机器人底盘对于复杂路况的适应能力很大程度上由底盘的轮距和轴距确定，与现有技术相比，该种轮距可调型全轮转向机器人底盘通过控制设备3控制轮系调整机构12自适应调整同组单轮组件11间的距离即底盘的轮距，缩小轮距可以在狭小的环境下实现灵活的机动性能，增加轮距可以在开阔的复杂路况下增加整体的稳定性，通过轮系调整机构12调整机器人轮距可以提高轮距可调型全轮转向机器人底盘整体的运动性能。轮系调整机构12可以采用单动力驱动，通过机构自身实现对两侧车轮的同步驱动调整功能，更好的实现轮距调整，避免同一轴两侧的两个车轮不能实现同步分离或靠近导致整体偏载，重心倾斜甚至造成调整过程受阻或结构损坏的问题。

实施例2

作为本发明实施例的一种具体实施方式，请一并参阅图1至图18，本实施例提供的一种轮距可调型全轮转向机器人底盘的结构与实施例1基本相同，其不同之处在于，轮系调整机构12包括单轴系支架121、曲柄转盘122、连杆组件123和驱动器124，其中单轴系支架121与整体车架2连接；曲柄转盘122通过转盘支座125与单轴系支架121连接，转盘支座125处可设置轴承实现曲柄转盘122的灵活转动；连杆组件123分别与曲柄转盘122和单轴系支架121铰接；驱动器124设置于单轴系支架121上、且与曲柄转盘122连接。

驱动器124可以为电推杆，曲柄转盘122的固定点1221通过销轴连接驱动器124顶部的伸缩杆固定点，驱动器124底部固定点通过销轴与驱动器支座连接，驱动器支座通过螺钉固定在单轴系横梁1211上。驱动器124推动曲柄转盘122转动，曲柄转盘122带动其上连接的连杆组件123运动，实现轮距的调整。

在本实施例中，连杆组件123包括第一连杆1231、轮组固定支架1232、曲柄连杆1233和第二连杆1234，其中第一连杆1231一端与单轴系支架121连接；轮组固定支架1232分别与第一连杆1231另一端和单轮组件11连接；曲柄连杆1233分别与曲柄转盘122和第一连杆1231连接；第二连杆1234一端与单轴系支架121连接，另一端与轮组固定支架1232连接。第一连杆1231和第二连杆1234顶端的固定孔通过销轴连接固定在单轴系横梁1211上，轮组固定支架1232通过销轴连接在第一连杆1231和第二连杆1234底部的固定孔上。曲柄连杆1233通过销轴与第一连杆1231中间部位的固定孔连接。轮组固定支架1232和单轴系支架121水平设置，第一连杆1231和第二连杆1234长度相等，使得轮毂组件117始终保持竖直状态，整体稳定性更好。

在本实施例中，请参阅图6至图7，单轮组件11包括轮系固定支座111、减震组件112、连接支架113、轮系主支座114、转向控制组件115、转向支架116和轮毂组件117，其中轮系固定支座111与轮系调整机构12连接；减震组件112一端与轮系固定支座111连接；连接支架113与减震组件112另一端连接；轮系主支座114与连接支架113一体成型；转向控制组件115与轮系主支座114连接；转向支架116分别与转向控制组件115和轮毂组件117连接。轮毂组件117包括轮毂电机，其自身可提供正、反两向的驱动，实现整体的位移。单轮组件11采用减震组件112与转向支架116分离式的设置，轮系主支座114内部为腔体结构。转向支架116通过螺钉与转向输出轴1153固定，转向支架116底部的安装孔内连接轮毂组件117并采用螺母固定。

在本实施例中，减震组件112包括上摆臂1121、下摆臂1122和减震器1123，其中上摆臂1121一端与轮系固定支座111连接，另一端与连接支架113连接；下摆臂1122一端与轮系固定支座111连接，另一端与连接支架113连接，下摆臂1122设置于上摆臂1121下方；减震器1123一端与轮系固定支座111连接，另一端与连接支架113连接。轮系固定支座111与轮系主支座114间通过销轴连接上摆臂1121、下摆臂1122。轮系调整机构12两侧安装有减震器1123，形成双摆臂减震结构。上摆臂1121、下摆臂1122、轮系固定支座111和减震器1123形成四边形结构，减震器1123可以为弹簧，颠簸路面，减震器1123受力变形，带动上摆臂1121和下摆臂1122运动，减缓其上连接的轮系固定支座111的运动幅度，达到减震的效果。需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示单轴系组件1、整体车架2和控制设备3及其组成结构之间必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本实施例中，转向控制组件115包括转向减速机1151、转向驱动件1152和转向输出轴1153，其中转向减速机1151与轮系主支座114连接；转向驱动件1152与转向减速机1151的输入轴连接、且与控制设备3电连接；转向输出轴1153通过联轴器1154与转向减速机1151的输出轴连接固定，且与转向支架116连接。转向支架116可以通过螺钉与转向输出轴1153固定。转向减速机1151的固定座与轮系主支座114通过螺钉固定，转向输出轴1153与轮系主支座114腔体内部空间之间安装轴承，轮系主支座114的端盖通过螺钉固定，并对轴承进行限位固定。转向驱动件1152通过转向减速机1151带动转向支架116旋转配合轮系转向。对于4轮或6轮底盘，通过控制每个轮的转向驱动件1152控制每个轮毂组件117的朝向，配合每个轮毂组件117的正、反转，实现底盘整体的前进、后退、横向、斜向及原地转向等各种运动模式的控制。

在本实施例中，连杆组件123设有两组，分别为第一连杆组件和第二连杆组件，曲柄转盘122设有等角度设置的三个固定点1221即3个固定点1221间呈120°排列在曲柄转盘122上，三个固定点1221分别与第一连杆组件、第二连杆组件和驱动器124连接。固定点1221可以通过销轴连接第一连杆组件、第二连杆组件和驱动器124。

在本实施例中，单轴系支架121由2根单轴系横梁1211与多个单轴系纵梁1212组成，单轴系支架121上设有多个机械接口，用于轮系调整机构12除单轴系支架121外其余零部件的安装固定。单轴系横梁1211与单轴系纵梁1212相互间采用螺钉连接或焊接固定。每个单轴系组件1中的单轴系横梁1211采用螺钉连接或焊接的方式与车架纵梁21侧端面连接牢固。单轴系横梁1211、单轴系纵梁1212、车架纵梁21和车架底梁22可根据实际设计情况灵活的设置相应的机械接口。

实施例3

作为本发明实施例的一种具体实施方式，请一并参阅图1至图18，本实施例提供的一种轮距可调型全轮转向机器人底盘的结构与实施例2基本相同，其不同之处在于，单轮组件11包括轮系主支座114、转向控制组件115、转向支架116、轮系固定支座111、减震组件112、连接支架113和轮毂组件117，其中轮系主支座114与轮系调整机构12连接；转向控制组件115与轮系主支座114连接；转向支架116与转向控制组件115连接；轮系固定支座111与转向支架116一体成型；减震组件112一端与轮系固定支座111连接；连接支架113与减震组件112另一端和轮毂组件117连接。

在本实施例中，请参阅图8至图9，单轮组件11采用减震组件112与转向支架116集成式的设置。与实施例2中分离式的设置相比，两种状态的转向驱动件1152及转向减速机1151连接部分结构相同，转向减速机1151通过螺钉固定在转向减速机固定座上，转向驱动件1152通过螺钉固定在转向减速机1151上，转向驱动件1152的输出轴通过第二联轴器与转向减速机1151的输入端固定。在此，只要能够实现上述单轮组件11相关性能作用的均在本申请文件保护的范围之内。

在该状态下上摆臂1121、下摆臂1122一端通过销轴与转向支架116连接，另一端通过销轴与连接支架113连接，连接支架113对轮毂组件117进行固定。连接支架113底部安装孔内连接轮毂组件117并采用螺母固定。对于单轮组件11，集成式设置减震组件112与轮毂组件117间需要预留减震压缩空间，因此整体高度略高于分离式设置，在颠簸路面时集成式设置的单轴系组件1的轮毂组件117振动经减震器1123缓冲后传递至转向支架116，因此转向驱动件1152、转向减速机1151及传动部分所受冲击减小，减震效果更好。

实施例4

请一并参阅图1至图18，本实施例提供的一种轮距可调型全轮转向机器人底盘的结构与实施例2基本相同，在此对其结构设置规格进行规定，轮系调整机构12简图如图13所示，节点c、n之间为驱动器124，驱动器124通过固定点1221c连接曲柄转盘122，驱动器124的伸缩带动曲柄转盘122以o点为中心转动，曲柄转盘122上的3个固定点1221(即节点)a、b、c呈120°均匀布置，节点a连接的左侧第一连杆1231af驱动左侧的连杆组件123即左侧平行四连杆机构。节点b连接的右侧第一连杆1231bk驱动右侧的连杆组件123即右侧平行四连杆机构。

左侧及右侧的两个平行四连杆机构，只要保证曲柄dh、eg、il、jm的长度相同，连杆hg、lm与机架de、ij长度相同，且de与ij在同一水平面上，即可在结构上保证连杆hg、lm时刻保持水平状态。当单轮组件11分别安装在其底部时，能够保证轮毂组件117时刻与地面垂直。

如图11所示的窄轮距状态(驱动器124收缩状态)曲柄转盘122上oa两节点连线与水平轴夹角为α，如图12所示的宽轮距状态(驱动器124伸出状态)曲柄转盘122上oa两节点连线与初始状态的夹角为β。因此保证轮系调整机构12在宽、窄两种轮距状态下eg与il的摆动状态相对于中心对称，即可保证两种状态下两侧车轮相对于中心对称。

请参阅图14，对于左侧曲柄与连杆的结构形成的△afn，根据图中可得：

当曲柄与连杆的机构转至宽轮距状态时，对于△a’f’n’，根据图中可得：

对于右侧曲柄与连杆的结构形成的△bqk，由于连杆ik与左侧连杆ef与垂向的摆角相同，因此根据图中可得：

当曲柄与连杆的机构转至宽轮距状态时，对于△b’q’k’，根据图中可得：

根据整体结构尺寸等限制条件，可对左侧连杆机构中的α、β、r1、r2、h、d、l1等设置初值，通过方程求解出φ1、φ2，带入右侧连杆机构的方程中并求解出r3、l2两个参数值。确定支点t位置后，根据驱动器124在窄轮距状态下长度(c’t)及宽轮距状态下长度(ct)，可以选择匹配该行程的驱动器124。

实施例5

请一并参阅图1至图18，本实施例提供的一种轮距可调型全轮转向机器人底盘的结构与实施例2基本相同，在此对其具体的调整步骤进行说明(以由窄轮距调整至宽轮距为例)具体步骤可以为：

步骤一、请参阅图15，该种轮距可调型全轮转向机器人底盘在进入复杂路面前，停止在平整路面上，此时轮毂组件117的车轮纵向排列，处于正常行驶状态；

步骤二、请参阅图16，由控制设备3操控单轮组件11中的转向驱动件1152将车轮由纵向状态转向90°至横向位置，控制设备3操控轮毂组件117至自由模式，此时车轮可以自由转动；

步骤三、请参阅图17，驱动器124上电，由控制设备3根据驱动器124反馈的伸出长度控制轮距调整至所需尺寸，驱动器124伸出过程中轮系调整机构12带动左、右两侧车轮向两侧同步滚动，调整到位后驱动器124断电，驱动器124内部的丝杠螺母锁紧，实现轮系调整机构12的锁紧定位；

步骤四、请参阅图18，控制设备3将轮毂组件117由自由模式恢复至控制模式，并操控转向驱动件1152将车轮由横向状态反向转向至纵向行驶状态，完成全部调整过程，控制模式下车轮由控制设备3统一控制转动实现前进后退等运动。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似部分互相参见即可。本发明实施例中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。