一种零转弯半径抗震性强的底盘的制作方法

本发明涉及一种底盘，特别涉及一种零转弯半径抗震性强的底盘。

背景技术：

目前移动机器人通常采用差速底盘、阿克曼底盘或者全向轮底盘。

上述三种底盘中，差速底盘的结构最为简单。差速底盘的结构形式有两种，一种是两驱动轮差速加万向轮的结构形式，即：使用两个驱动轮配合一个或几个万向轮，通过差速控制方式实现机器人的转向；另一种是四轮差速的结构形式，即：四轮都具有驱动力，轮子不能转向，通过两边轮速差实现转向。

两驱动轮差速加万向轮结构形式的差速底盘，是当前服务机器人使用最广泛的一种底盘。两驱动轮差速加万向轮结构形式的差速底盘的优点是：零转弯半径(绕两驱动轮中心转动)，结构简单；缺点是：通过能力差、难以布置悬挂避震系统。造成其通过能力差、难以布置悬挂避震系统的原因在于万向轮自身结构决定了万向轮轮径一般较小，而且万向轮无动力。因此，两驱动轮差速加万向轮结构形式的差速底盘，通常轮子和底盘刚性连接，这也决定了两驱动轮差速加万向轮结构形式的差速底盘只适合室内平坦地面。

四轮差速结构形式的差速底盘也具有零转弯半径的特性。但是这种四轮差速结构形式的差速底盘通常需要增加悬挂避震系统。因为如果驱动轮直接刚性连接于车架，在室外复杂地形行走时，地面的激励将会全部传导到车身及车身上配备的各种元器件上，易造成元器件的损坏，如果有摄像头，则会因为摄像头剧烈抖动，造成成像效果差，影响执行任务。增加悬挂避震系统后，直行时的抖动可以得到大大改善；但在转弯时，首先，由于该底盘采用的是直接两侧轮差速的方式(类似坦克和履带式拖拉机)，轮胎与地面之间存在剧烈的侧向摩擦并引起振动，由此产生的振动与减震器减震方向不平行，故该部分震动不能被减震器吸收，导致转向时依然会因为剧烈抖动影响执行任务；其次，为了克服转向时滑动摩檫的阻力，必须选择更大功率的电机，由此造成能量浪费和续航里程降低；再者，对轮胎也会产生非常严重的磨损。

阿克曼底盘的结构类似于汽车的前轮转向结构，这种底盘成熟，适应性较好，但是在无人驾驶车辆和机器人领域使用时，其最大困难在于，该底盘转弯时，存在一个较大的转弯半径。较大的转弯半径的存在，造成该底盘不能原地转动，限制了其在狭小空间的使用，同时也导致对导航的路径规划和运动控制精度要求更高。

全向轮底盘，例如麦克纳轮，其利用轮子圆周的滚子的横向或斜向滚动，使底盘可以在平面上进行矢量移动。但是这种全向轮底盘，其轮子结构复杂、成本高、负载小、滚子容易卡入异物造成行走不畅，因此，全向轮底盘只适用于室内平坦地面。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种零转弯半径抗震性强的底盘，以解决现有差速底盘通过能力差、抗震性能差，现有阿克曼底盘转弯半径较大、不能在狭小空间使用、对导航的路径规划和运动控制精度要求高，以及现有全向轮底盘轮子结构复杂、成本高、负载小、只适用于室内平坦地面的技术问题。

本发明所采用的技术方案是，一种零转弯半径抗震性强的底盘，包括车架；其特殊之处在于：

还包括分别安装在车架前后的两个转向驱动桥，以及转向驱动单元；

每个所述转向驱动桥均包括对称设置在车架左右两侧的两个悬挂单元；

每个所述悬挂单元均包括驱动模组、下控制臂、平行连杆减震器以及转向拉杆；

所述驱动模组的转轴用于与行走轮连接，驱动行走轮行走；

所述下控制臂一端与驱动模组的安装壳体通过第一球铰连接，另一端与车架的下端铰接；

所述平行连杆减震器包括平行四边形机构结构的框架和阻尼避震器；

所述平行四边形机构结构的框架中的平行四边形机构所在平面，位于与驱动模组的转轴轴线平行的竖直平面内；所述平行四边形机构的连杆与驱动模组的安装壳体固连；所述平行四边形机构的机架与车架的上端通过第二球铰连接；

所述阻尼避震器上端与平行四边形机构的机架铰接，其下端与平行四边形机构的连杆铰接；

所述转向拉杆一端与平行四边形机构的机架连接；

所述转向驱动单元通过拉动转向拉杆另一端带动驱动模组转向。

进一步地，为了使平行四边形机构结构的框架结构简单，所述平行四边形机构结构的框架包括两个并排间隔设置的平行四边形机构，且两个平行四边形机构的机架、连杆分别固连，围成一个四棱柱状结构；

所述阻尼避震器设置在所述四棱柱状结构的内部。

进一步地，所述第一球铰和第二球铰中心点的连线，从下至上由驱动模组向车架方向倾斜。这样，由于内倾角的存在，转向过程中会产生一个自动回正的力矩，因此底盘直线行走稳定性更好。

进一步地，所述下控制臂与车架相连的一端为u型结构；

所述u型结构的两个端点分别与车架的下端铰接，且铰接点采用橡胶衬套结构。这样，下控制臂与车架通过两个铰链点相连，通过将两个铰链点尽量拉开距离，将能更好地承受行走过程中产生的侧向力，保证运动的确定性；同时，铰接点采用橡胶衬套结构，消隙的同时起到一定缓冲作用。

进一步地，每个所述转向驱动桥还包括防倾杆；

所述防倾杆为水平设置的弹性扭杆，其中部与车架铰接，其两端分别与转向驱动桥的两个下控制臂中部球铰连接。这样，由于防倾杆的存在，能保证在不平路面行走时及高速转弯时，底盘以上部分不容易跟随晃动，具有更好的平稳性。

进一步地，每个所述悬挂单元还包括转向阻尼器；

所述转向阻尼器一端通过球铰与下控制臂的u型结构连接，另一端通过球铰与平行四边形机构的机架连接；

转向驱动桥的防倾杆与转向阻尼器位于所述u型结构的中心线两侧。这样，由于转向阻尼器的存在，保证行走过程中行走轮受冲击时，转向阻尼器能够吸收掉大部分冲击能量，起到保护底盘的作用。

进一步地，为了结构简单，所述驱动模组为轮毂电机。

进一步地，所述转向驱动单元包括四个转向舵机；

四个所述转向舵机分别通过拉动四个转向拉杆的另一端带动四个驱动模组转向。这样，每个行走轮使用独立的转向舵机来驱动其转向，可实现四种转向状态。

进一步地，为了减少使用转向舵机的数量，降低成本，所述转向驱动单元包括两组转向驱动组件；

所述两组转向驱动组件分别位于车架的左右两侧；

每组所述转向驱动组件均包括转向舵机和转盘；所述转向舵机安装在车架上；所述转盘与转向舵机的转轴连接；位于车架同侧的两个所述转向拉杆的另一端分别与转盘球铰连接，且二者与转盘的铰接点相对于转盘的转轴对称；

或者，每组所述转向驱动组件均包括转向舵机和两个转向连杆；所述转向舵机安装在车架上；所述两个转向连杆的一端均与转向舵机的转轴连接；所述两个转向连杆的另一端分别与位于车架同侧的两个所述转向拉杆的另一端球铰连接。

进一步地，为了使行走轮可以有更大的转角，同时为了使位于同侧的两个行走轮转角同步精度更高，所述转向驱动单元包括两组转向驱动组件；

所述两组转向驱动组件分别位于车架的左右两侧；

每组所述转向驱动组件均包括转向舵机、主动齿轮、从动齿轮、两个转向舵杆，以及角度检测装置；

所述转向舵机安装在车架上；

所述主动齿轮与转向舵机的转轴连接；

所述从动齿轮与主动齿轮相啮合，且二者相对于两个转向驱动桥的对称平面呈对称设置；

所述两个转向舵杆一端分别对应地与主动齿轮和从动齿轮固连，且二者相对于两个转向驱动桥的对称平面呈对称设置；所述两个转向舵杆的另一端分别与位于车架同侧的两个所述转向拉杆的另一端球铰连接；

所述角度检测装置设置在从动齿轮上，用于检测转角。

本发明的有益效果是：

(1)本发明的零转弯半径抗震性强的底盘，采用四个驱动模组驱动四个行走轮行走，并配合转向驱动单元带动驱动模组转向，进而驱动行走轮转向；悬挂单元采用单横臂的方式，驱动模组通过下控制臂与车架下端连接，驱动模组与下控制臂通过第一球铰连接；驱动模组与车架上端通过一个平行连杆减震器连接，通过平行四边形机构保证驱动模组上下运动的稳定，同时，平行四边形机构也传递了转向力矩，平行四边形机构上下支撑一个传统的阻尼避震器结构，可以起到过滤震动和缓冲的作用，这套平行连杆减震器通过第二球铰与车架上端相连；由平行连杆减震器配合下控制臂组成的悬挂单元，使悬挂单元既有较好的避震性能，又保证了较小的簧下质量，又有较好的刚度，也能承受轮子转向的力矩；本发明的底盘，具有四轮驱动四轮转向的特征，能够原地旋转，并且通过性良好，避震性能好；本发明的底盘，与普通差速底盘相比，其既能实现原地转向，而且通过性能和抗震性能更好；与阿克曼底盘相比，其既有阿克曼底盘良好的通过性能和避震性能，又解决了阿克曼底盘较大转弯半径的问题，能够实现原地转向；与当前其他带悬挂的全向四驱底盘相比，其由于驱动、悬挂及转向的结构集中在行走轮附近，因此占用体积非常小，底盘空间利用率具有非常大的优势，悬挂单元的避震性能能够充分发挥，使底盘平稳运行，而且成本低；因此，本发明解决了解决现有差速底盘通过能力差、抗震性能差，现有阿克曼底盘转弯半径较大、不能在狭小空间使用、对导航的路径规划和运动控制精度要求高，以及现有全向轮底盘轮子结构复杂、成本高、负载小、只适用于室内平坦地面的技术问题。

(2)本发明的零转弯半径抗震性强的底盘，优选地第一球铰和第二球铰中心点的连线，从下至上由驱动模组向车架方向倾斜，这样，会存在一个内倾角，由于内倾角的存在，转向过程中会产生一个自动回正的力矩，因此底盘直线行走稳定性更好。

(3)本发明的零转弯半径抗震性强的底盘，优选地转向驱动桥还包括防倾杆，由于防倾杆的存在，能够保证在不平路面行走时及高速转弯时，底盘以上部分不容易跟随晃动，具有更好的平稳性。

(4)本发明的零转弯半径抗震性强的底盘，优选地悬挂单元还包括转向阻尼器，由于转向阻尼器的存在，能够保证行走过程中行走轮受冲击时，转向阻尼器能够吸收掉大部分冲击能量，起到保护底盘的作用。

附图说明

图1是本发明实施例1的整体结构示意图(转向驱动单元图上未示出)；

图2是本发明实施例1中转向驱动桥的主视图；

图3是图2的俯视图；

图4是本发明实施例1中平行连杆减震器、驱动模组以及下控制臂连接的三维结构示意图；

图5是本发明实施例2的结构示意图；

图6是本发明实施例3的结构示意图(行走轮处于转向状态)；

图7是本发明实施例3中的转向驱动组件与车架连接的结构示意图；

图8是本发明实施例的四种工作状态示意图，其中：

(a)第一种工作状态示意图；

(b)第二种工作状态示意图；

(c)第三种工作状态示意图；

(d)第四种工作状态示意图；

图9是本发明实施例单边越障碍的示意图。

图中各标号的说明如下：

1-车架，2-转向驱动桥，21-悬挂单元，211-驱动模组，212-下控制臂，213-平行连杆减震器，2131-平行四边形机构结构的框架，2132-阻尼避震器，214-转向拉杆，215-第一球铰，216-第二球铰，217-转向阻尼器，22-防倾杆，3-转向驱动单元，31-转向舵机，32-转盘，33-主动齿轮，34-从动齿轮，35-转向舵杆，36-角度检测装置，01-行走轮。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

参见图1，本发明一种零转弯半径抗震性强的底盘，包括车架1、分别安装在车架1前后的两个转向驱动桥2、以及转向驱动单元(转向驱动单元图1中未示出)。图1是本发明实施例1的整体结构示意图。车架1为底盘的主体结构件，是整个底盘安装的骨架，用于安装所有其他结构。

参见图2和图3，每个转向驱动桥2均包括对称设置在车架1左右两侧的两个悬挂单元21。每个悬挂单元21均包括驱动模组211、下控制臂212、平行连杆减震器213以及转向拉杆214。驱动模组211的转轴用于与行走轮01连接，驱动行走轮01行走。本实施例中优选地驱动模组211为轮毂电机。下控制臂212一端与驱动模组211的安装壳体通过第一球铰215连接，另一端与车架1的下端铰接。平行连杆减震器213包括平行四边形机构结构的框架2131和阻尼避震器2132。平行四边形机构结构的框架2131中的平行四边形机构所在平面，位于与驱动模组211的转轴轴线平行的竖直平面内；平行四边形机构的连杆与驱动模组211的安装壳体固连；平行四边形机构的机架与车架1的上端通过第二球铰216连接；阻尼避震器2132上端与平行四边形机构的机架铰接，其下端与平行四边形机构的连杆铰接。转向拉杆214一端与平行四边形机构的机架连接；转向驱动单元3通过拉动转向拉杆214另一端带动驱动模组211转向。平行连杆减震器与驱动模组连接的三维结构示意图参见图4，从图4中可以看出，本实施例的平行四边形机构结构的框架2131包括两个并排间隔设置的平行四边形机构，且两个平行四边形机构的机架、连杆分别固连，围成一个四棱柱状结构；阻尼避震器2132设置在四棱柱状结构的内部。

从图2可以看出，本实施例优选地上述第一球铰215和第二球铰216中心点的连线，从下至上由驱动模组211向车架1方向倾斜。第一球铰215和第二球铰216中心点的连线与驱动模组211呈一定夹角，该角称之为内倾角，内倾角的存在会在行走轮转向过程中产生一个回正力矩，促使行走轮回到与前进方向平行的位置，即图8中(a)图所示的直行状态，内倾角及回正力矩的存在有利于提高直线行走的稳定性。下控制臂212一端与驱动模组211的安装壳体通过第一球铰215连接，同时满足行走轮上下运动以及转向所需要的自由度。

参见图3，本实施例优选地下控制臂212与车架1相连的一端为u型结构；u型结构的两个端点分别与车架1的下端铰接，且铰接点采用橡胶衬套结构。这样，下控制臂212与车架1通过两个铰链点相连，通过将两个铰链点尽量拉开距离，将能更好地承受行走过程中产生的侧向力，保证运动的确定性；同时，铰接点采用橡胶衬套结构，消隙的同时起到一定缓冲作用。本实施例优选地每个悬挂单元21还包括转向阻尼器217；每个转向驱动桥2还包括防倾杆22。转向阻尼器217一端通过球铰与下控制臂212的u型结构连接，另一端通过球铰与平行四边形机构的机架连接；转向驱动桥2的防倾杆22与转向阻尼器217位于u型结构的中心线两侧。正常转向时，转向阻尼器217不起作用，当行走轮受到冲击导致行走轮会快速转动时，行走轮快速转动促使转向阻尼器217吸收冲击的能量，产生一个反向阻力阻止行走轮的快速转动，起到保护底盘的作用。防倾杆22为水平设置的弹性扭杆，其中部与车架1铰接，其两端分别与转向驱动桥2的两个下控制臂212中部球铰连接。防倾杆22的作用将左右两侧行走轮联系起来，使两侧行走轮有一定关联，当一侧行走轮抬起或下降时，参见图9，通过防倾杆22会对另一个侧行走轮施加一个同样运动方向的力，这样底盘就不会出现大幅度的左右晃动，大大提高了底盘在不平路面行走以及转弯时的平稳性。

本发明的零转弯半径抗震性强的底盘，其有三种转向驱动方式。在图1所示的实施例1中，每个行走轮使用独立的转向舵机来驱动转向，即转向驱动单元3包括四个转向舵机(图上未示出)；四个转向舵机分别通过拉动四个转向拉杆214的另一端带动四个驱动模组211转向。实施例1这种驱动转向的方式，可实现图8中(a)、(b)、(c)、(d)四种工作状态。图5和图6为采用中置转向舵机来驱动转向，图5是本发明实施例2的结构示意图，图6是本发明实施例3的结构示意图。实施例2和实施例3，与实施例1的区别仅在于转向驱动单元结构不同。参见图5，实施例2中，转向驱动单元3包括两组转向驱动组件；两组转向驱动组件分别位于车架1的左右两侧；每组转向驱动组件均包括转向舵机31和转盘32；转向舵机31安装在车架1上；转盘32与转向舵机31的转轴连接；位于车架1同侧的两个转向拉杆214的另一端分别与转盘32球铰连接，且二者与转盘32的铰接点相对于转盘32的转轴对称。实施例2这种驱动转向的方式，由于采用相等三角形的连杆结构，因此可以保证同侧两行走轮作镜向转向，与图1所示直接采用独立转向舵机方案相比，采用中置舵机方案可以省去两个转向舵机，可实现图8中(a)、(b)、(c)三种工作状态，不能作斜行运动，但可实现原地转向有一般的小转弯半径转向。因此仍具有非常好的适应性。实施例2中的转盘32也可以用两个转向连杆替换。即转向驱动单元3包括两组转向驱动组件；两组转向驱动组件分别位于车架1的左右两侧；每组转向驱动组件均包括转向舵机31和两个转向连杆；转向舵机31安装在车架1上；两个转向连杆的一端均与转向舵机31的转轴连接；两个转向连杆的另一端分别与位于车架1同侧的两个转向拉杆214的另一端球铰连接。实施例3与实施例2相比的区别在于，转向驱动组件结构不同。参见图6和图7，实施例3中，每组转向驱动组件均包括转向舵机31、主动齿轮33、从动齿轮34、两个转向舵杆35，以及角度检测装置36；转向舵机31安装在车架1上；主动齿轮33与转向舵机31的转轴连接；从动齿轮34与主动齿轮33相啮合，且二者相对于两个转向驱动桥2的对称平面呈对称设置；两个转向舵杆35一端分别对应地与主动齿轮33和从动齿轮34固连，且二者相对于两个转向驱动桥2的对称平面呈对称设置；两个转向舵杆35的另一端分别与位于车架1同侧的两个转向拉杆214的另一端球铰连接；角度检测装置36设置在从动齿轮34上，用于检测转角。采用实施例3的转向驱动组件结构相比于实施例2的转向驱动组件结构的优势在于：行走轮可以有更大的转角，同时位于同侧的两个行走轮转角同步精度更高。实施例3的结构也可以实现图8中(a)、(b)、(c)三种工作状态。