底盘悬挂装置、移动底盘和机器人的制作方法

1.本实用新型涉及机器人技术领域，具体涉及一种底盘悬挂装置、移动底盘和机器人。


背景技术：

2.在实际应用中，有些机器人在经过崎岖地面、爬坡、过坎或过沟槽时，机器人上的行走轮可能会与地面之间的接触压力变小或者脱离地面，导致机器人与地面之间的摩擦力变小，特别是会因行走轮中的主动轮脱离地面而无法为机器人运动提供足够的驱动力，进而导致机器人产生运动性能异常，甚至是倾倒事故。而且，相关技术中有些机器人使用了主动轮和万向轮联动的悬挂形式，但是在负重过大时底盘高度会降低，在过坡、过坎或沟槽时，存在机器人底盘与地面碰撞风险高，成本高的缺陷。


技术实现要素：

3.本实用新型旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
4.为此，本实用新型的实施例提出一种底盘悬挂装置，该底盘悬挂装置具有行走轮中主动轮与地面之间的接触压力稳定，底盘与地面碰撞风险低的优点。
5.本实用新型的实施例还提出一种移动底盘。
6.本实用新型的实施例又提出一种机器人。
7.本实用新型实施例的底盘悬挂装置包括悬挂支架、缓冲件和多个行走轮，所述悬挂支架与底盘可枢转地相连；所述缓冲件的第一端与所述底盘可枢转地相连，所述缓冲件的第二端与所述悬挂支架可枢转地相连；至少一个所述行走轮安装于所述悬挂支架，其余所述行走轮安装于所述底盘，所述悬挂支架上的所述行走轮具有高于其余所述行走轮的第一临界位置和低于其余所述行走轮的第二临界位置。
8.根据本实用新型实施例的底盘悬挂装置，在行走轮经过起伏地面时，缓冲件总会通过悬挂支架将悬挂支架上的行走轮压迫地面，由此总能够保证行走轮中的主动轮与地面之间具有足够大的接触压力，保证了具有底盘悬挂装置的移动底盘在起伏地面上的运动性能。
9.而且，安装于底盘的行走轮实现对底盘的支撑，在底盘上负重过大时，底盘的高度不会降低或降低很小，由此降低了底盘与地面碰撞的风险。而且，不需要每个行走轮均对应安装悬挂支架和缓冲件，有效降低了底盘悬挂装置的制作成本。
10.在一些实施例中，多个所述行走轮包括至少一个主动轮和至少一个从动轮，所述主动轮安装于所述悬挂支架，所述从动轮安装于所述底盘。
11.在一些实施例中，所述缓冲件绕第一枢转轴线相对所述悬挂支架枢转，所述悬挂支架绕第二枢转轴线相对所述底盘枢转，所述第一枢转轴线与所述第二枢转轴线之间的距离为d，所述第一枢转轴线与所述主动轮的中心线之间的距离为r，其中，0.2≤d:r≤5。
12.在一些实施例中，所述缓冲件绕第一枢转轴线相对所述悬挂支架枢转，所述悬挂
支架绕第二枢转轴线相对所述底盘枢转，所述主动轮和所述从动轮均与水平地面抵接时，所述第一枢转轴线、所述第二枢转轴线和所述主动轮的中心线中的至少两者沿第一方向依次排列，所述第一方向与水平地面之间的角度为e，其中，15
°
≤e≤75
°
。
13.在一些实施例中，所述第一枢转轴线、所述第二枢转轴线和相应所述主动轮的中心线共面。
14.在一些实施例中，所述从动轮为多个，多个所述从动轮包括沿所述底盘的长度方向间隔布置的至少两组，至少一组所述从动轮包括沿所述底盘的宽度方向间隔布置的至少两个从动轮。
15.在一些实施例中，至少一个所述主动轮沿所述底盘的宽度方向间隔布置，所述从动轮具有两组，两组所述从动轮在所述底盘长度方向分别位于所述主动轮的两侧。
16.在一些实施例中，所述主动轮有多个，多个所述主动轮沿所述底盘的宽度方向间隔布置，所述悬挂支架、所述缓冲件和所述主动轮的数量相等并一一对应。
17.在一些实施例中，所述底盘悬挂装置还包括电机，所述电机与所述悬挂支架一一对应，所述电机安装于相应所述悬挂支架并与所述主动轮相连。
18.在一些实施例中，所述缓冲件包括弹簧减震器和阻尼器中的至少一者。
19.根据本实用新型实施例的移动底盘包括底盘和如上述任一实施例所述的底盘悬挂装置，所述底盘悬挂装置安装于所述底盘。
20.根据本实用新型实施例的移动底盘，通过采用上述实施例的底盘悬挂装置，使得底盘在过坡、过坎或沟槽时，既保证行走轮中主动轮与地面之间的接触压力的稳定，以保证移动底盘的运行稳定性，也有效降低了底盘与地面的碰撞风险，降低了制作成本。
21.根据本实用新型实施例的机器人包括如上述实施例所述的移动底盘。
22.根据本实用新型实施例的机器人的技术优势与上述实施例的移动底盘的技术优势相同，此处不再赘述。
附图说明
23.图1是根据本实用新型实施例的移动底盘的俯视图。
24.图2是根据本实用新型实施例的移动底盘的仰视图。
25.图3是根据本实用新型实施例的移动底盘的主视图。
26.图4是根据本实用新型实施例的移动底盘的右视图。
27.图5是根据本实用新型实施例的移动底盘的示意图，其中，移动底盘位于水平地面。
28.图6是根据本实用新型实施例的移动底盘的俯视图，其中，移动底盘位于带坡起地面。
29.图7是根据本实用新型实施例的移动底盘的俯视图，其中，移动底盘位于带沟槽地面。
30.图8是根据本实用新型实施例的移动底盘在水平地面时的初始参数图。
31.图9是根据本实用新型实施例的移动底盘在起伏地面时的参数图。
32.图10是地面起伏与主动轮和地面之间的压力算例。
33.附图标记：
34.100、移动底盘；1、底盘；2、悬挂支架；3、缓冲件；31、弹簧减震器；4、行走轮；41、主动轮；42、从动轮；5、电机；6、第一转轴；61、第一枢转轴线；7、第二转轴；71、第二枢转轴线；8、第三转轴；81、第三枢转轴线；9、中心线。
具体实施方式
35.下面详细描述本实用新型的实施例，所述实施例的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。
36.下面结合图1-图9描述根据本实用新型实施例的底盘悬挂装置、移动底盘100和机器人。
37.根据本实用新型实施例的底盘悬挂装置包括悬挂支架2、缓冲件3和多个行走轮4，悬挂支架2与底盘1可枢转地相连。缓冲件3的第一端与底盘1可枢转地相连，缓冲件3的第二端与悬挂支架2可枢转地相连。至少一个行走轮4安装于悬挂支架2，其余行走轮4安装于底盘1，悬挂支架2上的行走轮4具有高于其余行走轮4的第一临界位置和低于其余行走轮4的第二临界位置。
38.安装在悬挂支架2上的行走轮4过坡时，该行走轮4能够通过悬挂支架2相对底盘1转动以压缩缓冲件3来实现上移，由此在悬挂支架2上的行走轮4未超过第一临界位置时，便于安装在底盘1上的行走轮4与地面之间具有稳定的接触压力。安装在悬挂支架2上的行走轮4过坎或沟槽时，缓冲件3推动悬挂支架2转动以使行走轮4下移压迫地面，由此在悬挂支架2上的行走轮4未超过第二临界位置时，便于安装在悬挂支架2上的行走轮4与地面之间具有足够大的接触压力。
39.根据本实用新型实施例的底盘悬挂装置，在行走轮4经过起伏地面时，缓冲件3总会通过悬挂支架2将悬挂支架2上的行走轮4压迫地面，由此总能够保证行走轮4中的主动轮41与地面之间具有足够大的接触压力，保证了具有底盘悬挂装置的移动底盘100在起伏地面上的运动性能。
40.而且，安装于底盘1的行走轮4实现对底盘1的支撑，在底盘1上负重过大时，底盘1的高度不会降低或降低很小，由此降低了底盘1与地面碰撞的风险。而且，不需要每个行走轮4均对应安装悬挂支架2和缓冲件3，有效降低了底盘悬挂装置的制作成本。
41.如图1-图7所示，根据本实用新型实施例的移动底盘100包括底盘1、悬挂支架2、缓冲件3和多个行走轮4。其中，多个行走轮4包括至少一个主动轮41和至少一个从动轮42，主动轮41安装于悬挂支架2，从动轮42安装于底盘1。缓冲件3包括弹簧减震器31和/或阻尼器。
42.以缓冲件3为弹簧减震器31为例，从动轮42实现对底盘1的支撑，此时主动轮41与地面之间的接触压力与缓冲件3的弹性力相适配。当移动底盘100经过起伏地面时，缓冲件3总能够驱动悬挂支架2相对底盘1转动，以便于将主动轮41压迫在地面上，此时缓冲件3的变形量不会过大，进而主动轮41与地面之间的接触压力不会变动过大，有效保证了移动底盘100在起伏地面的运动性能。
43.在一些实施例中，如图3所示，缓冲件3绕第一枢转轴线61相对悬挂支架2枢转，悬挂支架2绕第二枢转轴线71相对底盘1枢转。第一枢转轴线61与第二枢转轴线71之间的距离为d，第一枢转轴线61与主动轮41的中心线9之间的距离为r，其中，0.2≤d:r≤5。
44.如图3所示，可以是第二转轴7位于悬挂支架2的中部，主动轮41的中心轴和第一转轴6分别位于第二转轴7的径向的两侧。或者，也可以是主动轮41的中心轴位于悬挂支架2的中部，第一转轴6和第二转轴7分别位于主动轮41的中心轴的径向的两侧。在上述数值范围内，主动轮41与地面之间的接触压力变化总能够被限定在设定的范围内，进而保证了移动底盘100运行稳定性。
45.在一些实施例中，主动轮41和从动轮42均与水平地面抵接时，第一枢转轴线61、第二枢转轴线71和主动轮41的中心线9中的至少两者沿第一方向依次排列，第一方向与水平地面之间的角度为e，其中，15
°
≤e≤75
°
。在上述数值范围内，主动轮41与地面之间的接触压力变化总能够被限定在设定的范围内，进而保证了移动底盘100运行稳定性。
46.在一些实施例中，如图3所示，第一枢转轴线61、第二枢转轴线71和相应主动轮41的中心线9共面。
47.由此，随着缓冲件3的缓冲力的变化，主动轮41与地面之间的接触压力变化更容易通过数学函数关系计算得出，进而更容易同过调整某些参数，使得主动轮41与地面之间的接触压力变化被限定在设定的范围内，进一步保证了移动底盘100的运行稳定性。
48.具体地，如图1、图3和图4所示，缓冲件3的第一端通过第一转轴6与悬挂支架2可枢转地相连，悬挂支架2通过第二转轴7与底盘1可枢转地相连，缓冲件3的第二端通过第三转轴8与底盘1可枢转地相连，第三转轴8上成型第三枢转轴线81。
49.且此时，主动轮41和从动轮42均与水平地面抵接时，第一枢转轴线61、第二枢转轴线71和主动轮41的中心线9均沿第一方向依次排列，第一方向与水平地面之间的角度e可以为15
°
、55
°
和75
°
。
50.在一些实施例中，从动轮42为多个，多个从动轮42包括沿底盘1的长度方向间隔布置的至少两组，至少一组从动轮42包括沿底盘1的宽度方向间隔布置的至少两个从动轮42。即从动轮42的数量至少为三个，三个从动轮42实现对底盘1的支撑，保证底盘1上的负重大小不会对底盘1与地面之间的距离造成影响，有效避免底盘1与地面发生磕碰。
51.具体地，如图1和图2所示，从动轮42包括两组，每组从动轮42均包括两个从动轮42，共四个从动轮42分布在底盘1的四角位置，由此有效实现对底盘1的支撑。
52.在一些实施例中，如图1和图2所示，从动轮42为万向轮。由此便于移动底盘100在主动轮41的驱动下灵活转向，运动方便灵活。
53.在一些实施例中，如图3-图7所示，至少一个主动轮41沿底盘1的宽度方向间隔布置，从动轮42具有两组，两组从动轮42在底盘1长度方向分别位于主动轮41的两侧。
54.即主动轮41大体位于移动底盘100的中心位置，有效避免底盘1上的负重作用在主动轮41上而影响弹簧减震器31的减震性能。
55.在一些实施例中，主动轮41有多个，多个主动轮41沿底盘1的宽度方向间隔布置，悬挂支架2、缓冲件3和主动轮41的数量相等并一一对应。
56.具体地，如图1和图2所示，主动轮41、悬挂支架2和弹簧减震器31的数量均为两个，两个主动轮41可以独立应对复杂的地面路况，进而保证两个主动轮41与地面之间的接触压力均保持在设定的压力范围内，移动底盘100的运动更加灵活方便。
57.在一些实施例中，底盘悬挂装置还包括电机5，电机5与悬挂支架2一一对应，电机5安装于相应悬挂支架2并与主动轮41相连。
58.即每个主动轮41均由相应电机5独立驱动，进而便于通过两个主动轮41的转速变化来实现移动底盘100的直行和转向。
59.具体地，为便于描述设计方法，提取悬挂系统的特征参数，特征参数规定如下所述：
60.如图8所示，在地面没有起伏的平面状态时，该状态下的移动底盘100中的参数统称为初始参数。第一枢转轴线61所在枢转点记为符号q，第二枢转轴线71所在枢转点记为符号o，主动轮41的中心线9所在中心点记为符号p，第三枢转轴线81所在枢转点记为符号s，悬挂支架2的长度方向(第一方向)与地面之间的夹角记为符号e，悬挂支架2的长度方向与弹簧减震器31之间的角度记为符号a，在o、s、q三点所围成的三角形，其边os与边oq之间的三角形内角记为符号b，边so与边sq之间的三角形内角记为符号d，s与o之间的距离记为符号a，第二枢转轴线71和主动轮41中心线9之间的距离记为r，第一枢转轴线61和第二枢转轴线71之间的距离记为d，弹簧减震器31的长度即第一枢转轴线61到第三枢转轴线81之间的距离记为b，弹簧减震器31的弹簧刚度记为符号k，弹簧减震器31的弹簧变形量记为符号y，弹簧减震器31施加到悬挂支架2上的弹力记为m，主动轮41与地面之间的正压力记为n，第二转轴7在悬挂支架2上施加的约束力记为g。
61.在图8所示状态，对力m和n进行分解，m垂直于悬挂支架2方向的分力记为符号m1，m平行于悬挂支架2方向的分力记为符号m2，n垂直于悬挂支架2方向的分力记为符号n1，n平行于悬挂支架2方向的分力记为符号n2。
62.如图9所示，在地面有起伏状态时，地面的起伏量记为x(便于数学计算，规定地面凸起时x为正值，地面凹陷时x为负值)，悬挂支架2摆动后的第一枢转轴线61所在枢转点记为符号q’，主动轮41的中心线9所在中心点位置记为符号p’，悬挂支架2的长度方向与地面之间的夹角记为符号e’，悬挂支架2的长度方向与弹簧减震器31之间的角度记为符号a’，在o、s、q’三点所围成的三角形，其边os与边oq’之间的三角形内角记为符号b’，边so与边sq’之间的三角形内角记为符号d’，弹簧减震器31的长度即第一枢转轴线61到第三枢转轴线81之间的距离记为b’，弹簧减震器31的弹簧变形量记为符号y’，弹簧减震器31施加到悬挂支架2上的弹力记为m’，主动轮41与地面之间的正压力记为n’，第二转轴7在悬挂支架2上施加的约束力记为g’。
63.在图9所示状态，对力m’和n’进行分解，m’垂直于悬挂支架2方向的分力记为符号m1’，m’平行于悬挂支架2方向的分力记为符号m2’，n’垂直于悬挂支架2方向的分力记为符号n1’，n’平行于悬挂支架2方向的分力记为符号n2’。在悬挂支架2摆动过程中，o、r、d、k、s、a保持不变。
64.e、a、r、d、b、k的取值设计方法，如下所述：
65.(1)、根据工程实际需要，首先明确并给定n的目标值，令n＝n目标；
66.(2)、根据工程实际需要，确定r的取值范围，rmin≤r≤rmax；
67.(3)、根据工程实际需要，确定b的取值范围，bmin≤b≤bmax；
68.(4)、根据工程实际需要，确定k的取值范围，kmin≤k≤kmax；
69.(5)、根据工程实际需要，确定d的取值范围，dmin≤d≤dmax；
70.(6)、根据工程实际需要，确定e的取值范围，emin≤e≤emax；
71.(7)、根据工程实际需要，确定a的取值范围，amin≤a≤amax；
72.(8)、根据工程实际需要，确定x的取值范围，xmin≤x≤xmax；
73.(9)、根据图8所示的悬挂支架2受力模型，可计算出e、a、b、d、n1、m1、m、y与e、a、r、d、b、k、n目标之间的数学函数关系，如下所示：
74.式1
75.(10)、再根据图9所示的悬挂支架2受力模型，可计算出悬挂支架2摆动后，e’、e’、b’、b’、a’、y’、m’、m1’、n1’、n’与x、e、a、r、d、b、k、n目标之间的数学函数关系，如下所示：
76.式2
77.以上所述的式1与式2，完整表述了主动轮41和地面之间的正压力n’与地面起伏量x、e、a、r、d、b、k、n目标之间的函数关系，简记该函数1为：
78.n’＝f1(x,e,a,r,d,b,k,n目标)
79.为了机器人稳定运行，工程中需要的是主动轮41与地面之间的正压力相对恒定，即n’的最大值与n’的最小值的差异要尽量小，因此记函数2为：
80.n’max-n’min＝f2(x,e,a,r,d,b,k,n目标)＝f1(x,e,a,r,d,b,k,n目标)max-f1(x,e,a,r,d,b,k,n目标)min
81.因此，可以建立以下单目标、多自变量的优化数学模型：
82.min：n’max-n’min＝f2(x,e,a,r,d,b,k,n目标)
83.s.t.n＝n目标
84.rmin≤r≤rmax
85.bmin≤b≤bmax
86.kmin≤k≤kmax
87.dmin≤d≤dmax
88.emin≤e≤emax
89.amin≤a≤amax
90.xmin≤x≤xmax
91.通过成熟的商用软件及求解算法，即可确定e、a、r、d、b、k参数。
92.实际算例，在e＝45
°
、a＝80
°
、r＝80mm、d＝40mm、b＝120mm、k＝4n/mm、n目标＝300n时，n’max＝305.6n，n’min＝299.7n,n’max-n’min＝5.9n,主动轮41压力变化仅为其目标值的1.9％。n’值随x的变化曲线如图10所示。
93.具体地，在15
°
≤e≤75
°
，0.2≤d:r≤5时，实驱动轮与地面之间的正压力n的相对变化量在2％以内。
94.根据本实用新型实施例的移动底盘100包括底盘1和如上述任一实施例的底盘悬挂装置，底盘悬挂装置安装于底盘1。
95.根据本实用新型实施例的移动底盘100，通过采用上述实施例的底盘悬挂装置，使得底盘1在过坡、过坎或沟槽时，既保证行走轮4中主动轮41与地面之间的接触压力的稳定，以保证移动底盘100的运行稳定性，也有效降低了底盘1与地面的碰撞风险，降低了制作成本。
96.根据本实用新型实施例的机器人包括如上述实施例的移动底盘100。
97.根据本实用新型实施例的机器人的技术优势与上述实施例的移动底盘100的技术优势相同，此处不再赘述。
98.在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”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实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件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实用新型的限制。
99.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
100.在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或彼此可通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
101.在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
102.在本实用新型中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新
型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
103.尽管已经示出和描述了上述实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本实用新型的限制，本领域普通技术人员对上述实施例进行的变化、修改、替换和变型均在本实用新型的保护范围内。