家庭服务机器人底盘的制作方法

本实用新型属于机器人技术领域，涉及一种家庭服务机器人的硬件设计，特别涉及一种家庭服务机器人的底盘结构的设计。

背景技术：

机器人技术是科学技术共同发展的一个综合性的成果，随着控制理论、人工智能理论、传感器技术的不断发展，机器人行业的发展也取得了更好的成绩。家庭服务机器人是多种高新技术发展成果的综合集合，家庭服务机器人要求机器人能够在一定的范围内安全运动，自主完成任务，并且能够对未知的陌生环境进行学习和适应。家庭的可用活动空间相对较小，环境复杂，这就要求一种合理的底盘机械结构。底盘的机械机构设计包括了底盘零件的选择、底盘部件的合理排布、底盘运动件的传动等。以往的服务机器人底盘机械结构没有系统化的设计，仅仅是为了服从上位机的软件来进行的制作。因此对于软件有很大限制，并且不符合力学结构而造成一些运动不稳定的情况。

就目前出现的机器人机械结构来看，主要的移动方案有：履带式、腿式、轮式等，履带式移动机器人移动速度比较慢，而且功耗比较大；腿式机器人自由度多，机械结构复杂，所以二者均不适合在家庭室内环境下运行。与履带式、腿式机器人相比，轮式机器人结构简单，自重轻，行走速度快，在驱动和控制方面能减少电路及软件设计的复杂度，因此在本实用新型中采用轮式结构。现有技术中采用的轮式结构单轮结构、两轮结构、三轮结构、四轮结构等。单轮结构是一种动态平衡结构，静态时系统不稳定，并且控制系统复杂，稳定性低。两轮结构的实验和研究开展的比较早，但是其在不同载重时的平衡问题没有得到适当解决，对于复杂地面的适应能力及侧向稳定控制机理都存在着问题。三轮结构亦存在多种形式。第一种形式如图1所示，包括两驱动后轮和一个从动万向轮，其中两个后轮通过差速控制实现转向，这种机构稳定性好，但是会存在比较大的转弯半径。第二种形式如图2所示，把驱动和转向的功能都集中在万向轮上，这种机构相比第一种形式而言比较复杂，上位机的下发信号弱而万向轮转向灵活，所以不易控制。第三种形式如图3所示，驱动轮没有差速，转向是靠万向轮实现，所以会出现和第二种形式相同的缺点，另外又额外增加了转向的功耗。

技术实现要素：

本实用新型要解决的技术问题在于提供一种结构简单，适于家庭使用的家庭服务机器人底盘结构，以满足服务机器人能够在家庭环境中的运动。

为解决上述问题，本实用新型的家庭服务机器人底盘，包括三个在底盘以120°间隔分布的全向轮，每个全向轮通过轴承连接于转轴，每个转轴通过联轴器与电机连接，每个电机与驱动器连接，电机、驱动器以120°间隔分布。

优选地，家庭服务机器人底盘中电机采用Maxon DCX32L型号电机。

优选地，家庭服务机器人底盘中驱动器采用MLDS3610驱动器。

优选地，家庭服务机器人底盘中联轴器采用型号为

优选地，家庭服务机器人底盘中转轴分为第一部分、第二部分、第三部分、第四部分，其中第一部分长度为32mm；第二部分直径为25mm，第二部分长度为41mm；第三部分长度为32mm；第四部分直径为12mm，第四部分长度为11mm；其中第二部分设有键槽，键槽宽度为4mm，键槽深度为2.5mm。

优选地，家庭服务机器人底盘中全向轮为8寸203毫米的全向轮，全向轮轮毂的外圆周处均匀开设有多个轮毂齿，每两个轮毂齿之间装设有一从动轮，从动轮的径向方向与轮毂外圆周的切线方向垂直，全向轮与轴的配合的轮毂宽度为38.4mm。

优选地，家庭服务机器人底盘中轴承选取深沟球轴承6304，其宽度为15mm。

优选地，家庭服务机器人底盘包括上底板与下底板，全向轮、轴承、转轴、联轴器、电机安装于下底板的底部，下底板设有与电机轴对应的通孔，通孔内设有液压制动器，主动圆锥齿轮可滑动地套接在电机轴上，电机轴上还设有电磁铁，电磁铁与主动圆锥齿轮之间设有弹簧；

滚珠丝杠的螺母设于上底板的底部，螺母位置与通孔相对应，滚珠丝杠的螺杆穿过通孔内的液压制动器，螺杆的顶端设有从动圆锥齿轮。

优选地，家庭服务机器人底盘中联轴器采用离合式联轴器。

优选地，家庭服务机器人底盘中底盘底部设有倾斜传感器以及设于底盘底部中心与倾斜传感器连接的伸缩式吸盘。

采用上述结构的家庭服务机器人底盘既能够直线运动，且能够原地旋转，转弯半径下，可满足室内条件下使用要求，而且升降式底盘及伸缩式吸盘使家庭服务机器人的适用性、稳定性进一步得到提高。

附图说明

图1是现有技术中三轮结构的第一种形式。

图2是现有技术中三轮结构的第二种形式。

图3是现有技术中三轮结构的第三种形式。

图4是本实用新型第一实施例中家庭服务机器人底盘的示意图。

图5是本实用新型第一实施例中家庭服务机器人底盘中轴的示意图。

图6A、6B是本实用新型第一实施例中家庭服务机器人底盘中万向轮的示意图。

具体实施方式

下文参照附图对本实用新型的具体实施方式进行详细说明。

由于本实用新型配套的机器人在很大部分的功能上就是实现对人体目标的跟踪，需要安装Kinect摄像头作为“眼睛”，而转弯半径太大不利于其在室内活动，因此本实用新型采用三个全向轮120度分布，能够实现横向和纵向的移动，能够在保持车体方位不动的前提下在平面上任意方向移动，能够使Kinect摄像头一直保持正对着人体目标，不易丢失目标。

如图4所示，本实用新型的第一实施例中，家庭服务机器人底盘包括三个在底盘以120°间隔分布的全向轮1，每个全向轮1通过一对轴承2连接于转轴3，每个转轴3通过联轴器4与电机5连接，每个电机5与驱动器6连接，电机、驱动器也以120°间隔分布，即相邻两转轴之间的夹角为120°。这样使机器人可以原地转向，且能够减少转轴的挠曲，不至于出现悬臂梁的形式。

上述实施例所应用的家庭服务机器人整机质量m设定为40Kg，摩擦因数η为0.2，速度v设定为1.5m/s，据此计算电机需要的功率。

F＝40*10＝400N，功率P_w由以下公式计算：

代入数据计算的P_w等于6kw。输出功率P_d的计算公式为：

其中η为总效率，η_总＝η_减速机构×η_联轴器×η_轴承，通过查机械设计手册，

η_减速机构、η_联轴器、η_轴承分别选取为0.97、0.98、0.94，所以η总为0.94，代入式(2)计算得总功率P_d等于6.38kw，每个电机所需功率为3.19kw，选用Maxon DCX32L型号。

得到合适型号电机之后，需要选取电机驱动器，电机驱动器的选择时要考虑速度控制范围与速度调节的能力，对于机器人系统而言，机器人行走的位置、速度、姿态都要反馈给系统，使系统知道此刻的状态，所以伺服驱动器应该有位置控制和速度控制这两种的控制方式。电机的额定转速为7710rpm，转矩为3.78NM，需要有闭环。根据这些条件以及以往设计的经验，本实施例中选取MLDS3610驱动器，该驱动器有增量式编码器，其步宽可以通过编程来设定，采用闭环控制时不会出现“丢步”现象；转矩损失少；无震动，发热小；具有优异的动态性能。

在联轴器的选用中，需要考虑传递转矩的大小和性质、制造和装配的误差、外形尺寸和安装方法等。本实施例中电机输出功率P_o为0.102kw，电机的输出转速n为220rpm，轴径d₁为8mm，根据查取设计手册得到工况系数为K_a为1.5，输出转矩T有：

代入数据可得则计算转矩有|T_ca＝KT，代入数据可得计算转矩为T_ca＝KT＝1.5×4.42＝6.63N.m。

转轴的转速不高，启动亦频繁，联轴器需要吸收震动，对于径向、角向和轴向的偏差都要有一定的补偿，所以本实施例中选择梅花型联轴器，该联轴器重量轻，体积小，适用于步进伺服系统。根据计算结果选择的联轴器型号为：

该型号的联轴器采用夹紧式固定方式，外径为25mm，长30mm，额定的转矩为7，最大转矩为10，最高转速可达14000rpm，符合使用要求。

根据转轴的工作条件，本实施例中选择40Cr调质处理，这样确定许用应力，其抗拉伸强度为σ_b＝550MPa，按扭转强度估算最小直径d，有公式：

式中A为[τ]的计算系数可有设计手册查得，A值取为100，功率P由于电机的动力出来直接到达联轴器，中间没有减速机构，所以P值就是电机的输出功率为3.57KW，转速是电机的输出转速为220rpm。代入数据最后得出的轴径为25.31mm，取为整数d为25mm。将轴设计成阶梯轴，轴头部分要与联轴器配合，配合部分只承受扭矩，所以轴头只进行扭转强度的校核。有前文所选的联轴器可知，轴头部分的直径为d_t为12mm，长度L₁为11mm。如图5所示，转轴分为第一部分51、第二部分52、第三部分53、第四部分54，其中第一部分长度为32mm；第二部分直径即轴径为25mm，第二部分长度为41mm；第三部分长度为32mm；第四部分即轴头部分的直径为12mm，第四部分长度为11mm；其中第二部分设有键槽，键槽宽度为4mm，深度为2.5mm。

根据转轴轴颈、配合段的长度以及负荷选用8寸203毫米的全向轮，其结构如图6A、6B所示，全向轮轮毂的外圆周处均匀开设有多个的轮毂齿，每两个轮毂齿之间装设有一从动轮，该从动轮的径向方向与轮毂外圆周的切线方向垂直，全向轮与轴的配合的轮毂长度为38.4mm。轴承选取深沟球轴承6304，其宽度为15mm。

底盘上安装的家庭服务机器人有时需要较高高度作业，而机器人主体高度有限难以满足需求。在本实用新型的第二实施例中，家庭服务机器人底盘包括上底板与下底板，全向轮、轴承、转轴、联轴器、电机安装于下底板的底部，下底板设有与电机轴对应的通孔，通孔内设有液压制动器，主动圆锥齿轮可滑动地套接在电机轴上，电机轴上还设有电磁铁，电磁铁与主动圆锥齿轮之间设有弹簧；滚珠丝杠的螺母设于上底板的底部，螺母位置与通孔相对应，滚珠丝杠的螺杆穿过通孔内的液压制动器，螺杆的顶端设有从动圆锥齿轮，从动圆锥齿轮可以与套接在电机轴上的主动圆锥齿轮啮合；上底盘还设有高度传感器。

初始时主动圆锥齿轮未与从动圆锥齿轮啮合，上底板与下底板层叠在一起，需要抬高上底板时给电磁铁通电，电磁铁吸引主动圆锥齿轮靠近并与从动圆锥齿轮啮合，电机轴旋转带动螺杆旋转使上底板升起，这样就可以可调节上底板的高度，到达指定高度后电磁铁断电，主动圆锥齿轮利用弹簧的弹力与从动圆锥齿轮分离，液压制动器将螺杆抱死，从而将上底板维持在指定高度。这样可使机器人满足不同场合的需求。

在本实施例中，联轴器采用离合式联轴器，当调整上底板高度时联轴器可以停止与转轴之间的联动，使机器人可以原地调整高度。

本实施例中，通孔下端还设有毛刷，将螺杆的螺纹中灰尘等杂物除去，防止进入液压制动器内。

当机器人安装于底盘后，其重心往往较高，尤其是采用实施例二中结构的底盘时，导致机器人倾倒的可能性增大，在本实用新型的第三实施例中，底盘底部设有倾斜传感器以及设于底盘底部中心与倾斜传感器连接的伸缩式吸盘，当倾斜传感器检测到可能倾倒时，伸缩式吸盘伸出用吸盘吸附在地表，利用吸盘将机器人固定。

在本实用新型的第四实施例中，底盘设有倾斜传感器，轴承通过轴承座安装于底盘，轴承座与底盘之间设有液压油缸，倾斜传感器、液压油缸均与控制器连接，检测到倾斜时，控制器控制液压油缸伸缩使底盘保持在水平位置。

上面结合附图对本实用新型优选的具体实施方式和实施例作了详细说明，但是本实用新型并不限于上述实施方式和实施例，在本领域技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本实用新型构思的前提下作出各种变化。