机器人底盘和机器人的制作方法

本实用新型涉及机器人技术领域，具体而言，涉及一种机器人底盘，还涉及安装有该机器人底盘的机器人。

背景技术：

随着机器人技术的迅速发展，机器人应用越来越广泛，例如，迎宾机器人、送餐机器人以及教育机器人、仿生机器人等等。机器人是自动执行工作的机器装置，它可以接受人类指挥，也可以运行预先编排的程序，还可以依据人工智能技术制定的原则行动。随着国家宏观战略的重视，我国移动机器人的研究已经进入空前热门的时期。各种各样的移动机器人底盘逐渐地映入人们视线，在现有技术中，具有底盘的移动机器人底盘多种多样，已基本满足功能，但仍存在一些不足。

传统机器人底盘结构主要起着承载机身、衰减振动的作用，对机器人的平稳运行有着决定性意义。而近年来随着越来越多的机器人产品的普及，高的运动速度和频繁的加减速模式对底盘的操纵稳定性提出了更多的要求。在现有的机器人6轮底盘中，诸如AGV小车底盘、餐厅送餐机器人等，底盘驱动轮，随动轮不带底盘，对地面运行平整度要求较高，很难适应变负载多地形室内路面。在酒店、餐厅等硬软地面交错，电梯垂直台阶，地面坡度等运行环境中无法适应，因此需要对随动轮、驱动轮设置底盘结构，从而满足机器人在室内复杂地形的运行。即便是在现有的具有底盘整体底盘结构的机器人，在运行加减速模式时，由于速度的突变，加之有点机器人随动轮会设置单独的底盘结构，惯性会导致机器人运行姿态俯仰角严重偏大，影响机器人的平稳性，最后导致机器人无法正常运行。要想机器人在复杂的室内运行，必须去掉机器人的俯仰角转动的自由度，保证机器人底盘整体运行，只有垂直移动的1个自由度，这样才能满足机器人平稳运行条件。

针对相关技术中机器人在复杂环境运行抗俯仰和震荡能力差的问题，目前尚未提出有效的解决方案。

技术实现要素：

本实用新型的主要目的在于提供一种可以去掉机器人的俯仰角转动的自由度，保证机器人底盘整体运行，满足机器人平稳运行条件的结构，以解决相关技术中机器人在复杂环境运行抗俯仰和震荡能力差的技术问题。

为了实现上述目的，根据本实用新型的一个方面，本实用新型提供了一种机器人底盘。

该机器人底盘包括驱动轮支架、上层框架、下层框架、避震器、平衡杆、驱动轮、随动轮和外壳，所述上层框架与所述下层框架固定连接，所述随动轮安装在所述下层框架上，所述驱动轮安装在所述驱动轮支架上，其中，

所述避震器包括依次连接的上连接部、油压阻尼器和下连接部，所述油压阻尼器外套设有变刚度螺旋弹簧，所述变刚度螺旋弹簧的一端与所述上连接部连接，另一端与所述下连接部连接上连接部与所述上层框架铰接，所述下连接部与所述驱动轮支架铰接；

所述平衡杆包括无缝钢管和分别连接在所述无缝钢管两端的铰接头，所述铰接头为橡胶弹性材料，所述平衡杆倾斜设置且所述铰接头分别与所述上层框架和驱动轮支架铰接；

所述外壳上安装有多种传感器。

进一步的，所述铰接头通过连接部与所述无缝钢管连接，所述连接部与所述无缝钢管焊接连接；

所述上连接部包括上连接头和上挡板，所述下连接部包括下连接头和下挡板，所述变刚度螺旋弹簧设置在所述上挡板与下挡板之间，所述上连接头和下连接头均为橡胶接头。

进一步的，所述油压阻尼器包括与所述下连接部连接的外筒、与所述上连接部连接的活塞杆柱、设置在所述活塞杆柱端部的活塞阀片，所述活塞阀片与所述外筒内壁滑动连接，所述活塞阀片将所述外筒内部分为上工作腔和下工作腔，所述活塞阀片上形成有若干连通所述上工作腔和所述下工作腔的阻尼孔。

进一步的，所述驱动轮支架和驱动轮设置有两组，两个所述驱动轮支架之间通过支撑管刚性连接。

进一步的，所述支撑管平行设置有两根，所述支撑管的两端分别连接在所述驱动轮支架的端部，两个所述驱动轮支架和两个所述支撑管合围形成矩形结构。

进一步的，所述机器人底盘对称布局，所述传感器在所述外壳上对称布局，所述外壳上还设置有充电电极，所述充电电极设置有两个且对称安装在所述外壳的前后两侧。

进一步的，所述上层框架与每个驱动轮支架之间均设置有两个避震器，四个避震器均倾斜设置，四个避震器对称设置，且四个避震器在空间中呈倒立的四棱台形状。

进一步的，所述上层框架与每个驱动轮支架之间均设置有一个平衡杆，两个平衡杆左右对称设置。

进一步的，所述上层框架上表面凸出设置有多个负载点，且所述负载点与所述避震器在所述上层框架上的铰接位置一一对应设置

为了实现上述目的，根据本实用新型的另一个方面，本实用新型还提供了一种机器人。

该机器人包括本实用新型提供的上述机器人底盘。

在本实用新型实施例提供的机器人底盘以及机器人中应用了该平衡杆，平衡杆杆件可以依据实际底盘行程设定具体尺寸以及安装角度，可以将平衡杆转动弧线轨迹摆动来替代底盘上下的直线运动。平衡杆与上层框架、驱动轮支架铰接，当机器人在场景运行避障加减速模式，由于速度突变引起俯仰角姿态严重偏大的情况下，通过平衡杆摆动，转化为底盘的上下移动，从而保证机器人平稳的运行姿态。进而解决了相关技术中机器人在复杂环境运行抗俯仰和震荡能力差的技术问题。

附图说明

构成本实用新型的一部分的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，使得本实用新型的其它特征、目的和优点变得更明显。本实用新型的示意性实施例附图及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。在附图中：

图1是根据本实用新型实施例的一种机器人底盘的内部结构示意图；

图2是根据本实用新型一种实施例提供的机器人底盘外部结构的侧视图；

图3是根据本实用新型一种实施例提供的避震器的结构示意图；

图4是根据本实用新型一种实施例提供的平衡杆的结构示意图；

图5是根据本实用新型一种实施例的机器人底盘部分结构的俯视图；

图6是根据本实用新型一种实施例提供的机器人底盘外部结构的前视图；

图7是根据本实用新型一种实施例的机器人底盘与充电桩对接状态下的俯视图；

图8是根据本实用新型一种实施例的机器人底盘部分结构的连接框图；

图9是根据本实用新型一种实施例的机器人底盘部分结构示意图(不包含上层框架)；以及

图10是根据本实用新型一种实施例的机器人底盘部分结构示意图；

图中：

1、驱动轮支架；2、上层框架；3、下层框架；4、避震器；401、上连接部；4011、上连接头；4012、上挡板；402、油压阻尼器；4021、外筒； 4022、活塞杆柱；4023、活塞阀片；4024、上工作腔；4025、下工作腔； 4026、阻尼孔；403、下连接部；4031、下连接头；4032、下挡板；404、变刚度螺旋弹簧；5、平衡杆；501、无缝钢管；502、铰接头；503、连接部；6、驱动轮；7、随动轮；8、外壳；9、支撑管；10、充电电极；11、负载点；12、避震器铰链座；13、平衡杆座；14、框架连接柱；15、摄像头；16、超声传感器；17、充电桩。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本实用新型方案，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都应当属于本实用新型保护的范围。

需要说明的是，本实用新型的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本实用新型的实施例。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

在本实用新型中，术语“上”、“下”、“内”、“中”、“外”、“前”、“后”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。这些术语主要是为了更好地描述本实用新型及其实施例，并非用于限定所指示的装置、元件或组成部分必须具有特定方位，或以特定方位进行构造和操作。

并且，上述部分术语除了可以用于表示方位或位置关系以外，还可能用于表示其他含义，例如术语“上”在某些情况下也可能用于表示某种依附关系或连接关系。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解这些术语在本实用新型中的具体含义。

此外，术语“设置”、“连接”、“固定”应做广义理解。例如，“连接”可以是固定连接，可拆卸连接，或整体式构造；可以是机械连接，或电连接；可以是直接相连，或者是通过中间媒介间接相连，又或者是两个装置、元件或组成部分之间内部的连通。对于本领域普通技术人员而言，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。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本实用新型中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图1-10并结合实施例来详细说明本实用新型。

实施例1

如图1和2所示，本实施例提供了一种机器人底盘。该机器人底盘包括驱动轮支架1、上层框架2、下层框架3、避震器4、平衡杆5、驱动轮6、随动轮7和外壳8，上层框架2与下层框架3固定连接，随动轮7安装在下层框架 3上，驱动轮6安装在驱动轮支架1上。

上述实施例提供的底盘结构中通过上层框架2将负载分别传递给避震器4 和下层框架3，进而通过避震器4传递给驱动轮6，通过下层框架3传递给随动轮7，实现了垂直负载的轮系分配，使得驱动轮6分配负载大于随动轮7负载，保证驱动轮6输出驱动力。实现驱动轮系统和随动轮系统的负载合理分配。优选的，上层框架2与下层框架3通过框架连接柱14连接，框架连接柱14 通过螺钉分别与上层框架2与下层框架3连接。

如图3所示，避震器4包括依次连接的上连接部401、油压阻尼器402和下连接部403，油压阻尼器402外套设有变刚度螺旋弹簧404，变刚度螺旋弹簧404的一端与上连接部401连接，另一端与下连接部403连接上连接部401 与上层框架2铰接，下连接部403与驱动轮支架1铰接。

避震器结构中采用了变刚度螺旋弹簧配合油压阻尼器的结构实现减震效果，避免由于机器人运行加减速模式，产生反复震荡，从而保证机器人运动的平稳性。上述的机器人底盘通过变刚度螺旋弹簧自身结构的特定设计可以产生变刚度，能够满足负载在一定范围可调，其应用于底盘结构后，可以避免底盘定负载现象，可以满足一种规格底盘，适用于多种负载或多种场景；还可以满足初始预压力可调，可以满足同一底盘，在不同负载或不同场景下的初始预压力可调，保证底盘的平稳性。

其中，变刚度螺旋弹簧404中变刚度的实现方式可以具有多种，例如可以沿着螺旋方向自一端到另一端的节距逐渐增大来实现刚度的变化；还可以通过改变不通位置弹簧丝的粗细来实现刚度的变化。优选的，在本实用新型实施例中通过连续变化的螺旋圈的中径产生变刚度。如此设置可以实现弹簧的刚度随形变量改变而发生线性改变，可以满足负载在一定范围可调，避免定负载现象。如图3所示，在本实施例中变刚度螺旋弹簧404由中间向两端螺旋圈的中径逐渐减小。更为优选的，变刚度螺旋弹簧404的两端对称设置。上述结构可以实现变刚度螺旋弹簧为锥形布局，从而保证变刚度螺旋弹簧的稳定性。

如图1所示，上连接部401包括上连接头4011和上挡板4012，下连接部 403包括下连接头4031和下挡板4032，变刚度螺旋弹簧404设置在上挡板4012 与下挡板4032之间，其中上连接头4011用于承接上层框架上的荷载，下连接头4031用于连接驱动轮支架，上挡板4012和下挡板4032用于固定变刚度螺旋弹簧4。

为了进一步增强抗震性能，本实施例中的上连接头4011和下连接头4031 均为橡胶接头。

如图3所示，油压阻尼器402包括与下连接部403连接的外筒4021、与上连接部401连接的活塞杆柱4022、设置在活塞杆柱4022端部的活塞阀片 4023，活塞阀片4023与外筒4021内壁滑动连接，活塞阀片4023将外筒4021 内部分为上工作腔4024和下工作腔4025，活塞阀片4023上形成有若干连通上工作腔4024和下工作腔4025的阻尼孔4026。其中，上工作腔204和下工作腔205内的工作介质为液压油。

在具体工作过程中，上连接头上承载的荷载发生震动时，上连接部会靠近下连接部，变刚度螺旋弹簧压缩，由于变刚度螺旋弹簧的刚度随形变量改变而发生线性改变，使其本身具有阻尼作用，会减小变刚度螺旋弹簧的形变量，形变位移进一步传递到油压阻尼器402，活塞杆柱402下降，带动活塞阀片4023 在外筒4021内向下运动，压缩下工作腔4025，使得下工作腔4025内的液压油沿活塞阀片4023上的阻尼孔4026回到上工作腔4024内，液压油通过阻尼孔的过程中产生摩擦阻尼，从而使得变刚度螺旋弹簧404极快的停止震荡，保持设备运动过程中的平稳姿态。

如图4所示，平衡杆5包括无缝钢管501和分别连接在无缝钢管501两端的铰接头502，铰接头502为橡胶弹性材料，平衡杆5倾斜设置且铰接头502 分别与上层框架2和驱动轮支架1铰接。优选的，铰接头502通过连接部503 与无缝钢管501连接，连接部503与无缝钢管501焊接连接。

上述实施例提供的平衡杆5的铰接头502采用橡胶材质可以实现柔性连接，可以起到阻尼作用，能够实现大容差安装，将其应用于底盘结构中可以保证底盘结构的上下直线运动。具体为，机器人底盘结构应用了该平衡杆5，平衡杆5杆件可以依据实际底盘震荡行程设定具体尺寸以及安装角度，可以将平衡杆5转动弧线轨迹摆动来替代底盘上下的直线运动。平衡杆5与上层框架2、驱动轮支架1铰接，当机器人在场景运行避障加减速模式，由于速度突变引起俯仰角姿态严重偏大的情况下，通过平衡杆5摆动，转化为底盘的上下移动，从而保证机器人平稳的运行姿态，增强机器人在复杂环境运行的抗俯仰能力。

如图2所示，外壳8上安装有多种传感器。传感器采用但不限于激光传感器、超声传感器、红外传感器和摄像头中的一种或多种。传感器可以满足机器人的路径规划及用于实时避障。在本实用新型的图2和图6中，传感器包括摄像头15和超声传感器16，仅仅是一种举例，为不排他的包括，不同实施例中可以设置不同种类和数量的传感器。

在一些实施例中，如图5所示，驱动轮支架1和驱动轮6设置有两组，两个驱动轮支架1之间通过支撑管9刚性连接。采用了两个驱动轮支架与两个支撑管的连接结构形式，结构简单，刚性好，易保证两个驱动轮的同心转向，保证运行和转向的平稳性。优选的，支撑管9平行设置有两根，支撑管9的两端分别连接在驱动轮支架1的端部，两个驱动轮支架1和两个支撑管9合围形成矩形结构。两个支撑管的连接形式，使得两个驱动轮支架的连接更加牢固，且两个支撑管通过对称布局方式易于实现底盘结构的稳定性。

目前的服务机器人运行大都只有一个前进方向，对于有些特殊场景，例如比较狭窄道路空间，负载承载物品偏大大的餐厅环境，需要将机器人的外形设计为方形，这样会导致机器人转弯半径增加，且由于场景道路空间比较小，导致机器人在有限道路空间无法灵活避障。如果机器人可以前后移动，这样即可以满在有限的空间原地转向，适应上述的特殊复杂环境。其设计障碍在于，双向移动机器人对于机器人底盘的平衡性和运行平稳性要求极高，需要整体结构为全对称布局或接近于全对称布局，使其结构稳定，在运行过程中保持平稳。为实现上述目的，在一些实施例中，机器人底盘对称布局，传感器在外壳8 上对称布局。该机器人底盘为全底盘对称布局且传感器对称布局，机器人底盘可以前后平稳行走，满足道路窄的场景及人多的餐厅场景等复杂工作场景。

在一些实施例中，如图2、6和7所示，外壳8上还设置有充电电极10，充电电极10设置有两个且对称安装在外壳8的前后两侧。前后都设有充电电极，可以满足机器人双向行走情况下进行双向充电，充电时不需要转向，通过前侧或后侧均设置充电桩即可完成充电。对充电桩的放置区域灵活，受转向局限性小，特别是在餐厅的有限空间更为实用灵活。

在本实用新型中充电电极与充电桩的对接可以为人工辅助完成，也可以依托自动控制的装置来完成，下面通过举例说明通过自动控制来实现二者对接的一种实现方式：

如图8所示，机器人底盘还包括蓄电单元、定位单元、控制单元和驱动单元，其中充电电极与蓄电单元连接且设置有两个，分别位于外壳的前端和后端；定位单元发现充电桩并定位充电桩的位置，并将充电桩位置信息发送给控制单元；控制单元接收充电桩位置信息后，发送控制指令给驱动单元；驱动单元根据控制指令调整机器人底盘位置，使充电电极正对充电桩的充电片并驱动机器人底盘靠近充电桩。

本实用新型实施例提供的前后充电机器人底盘在工作过程中，机器人底盘在需要充电时开始寻找充电桩17(经过一段时间的工作后，蓄电单元已不是满电量)。机器人底盘通过其上设置的定位单元找出充电桩17的大致位置后，反馈信息至控制单元，控制单元控制驱动单元工作，调整机器人底盘位置，使充电电极正对充电桩17的充电片并驱动机器人底盘靠近充电桩，即调整路径到指定点，直行逼近充电桩17，直到充电电极与充电桩17的充电片充分接触，达到如图7所示的状态。

在一些实施例中，定位单元采用但不局限于超声传感器、射频传感器、激光传感器、超声传感器和摄像头中的一种或多种的结合。

在一些实施例中，蓄电单元采用但不局限于蓄电池或超级电容器。

在一些实施例中，控制单元采用但不局限于MCU单片机。

在本实用新型实施例中，驱动单元可以包括驱动电机和驱动轮。

上述创新之处在于在机器人底盘的前后两侧均设置充电电极，机器人充电无需转向这一结构上的革新。对于其中涉及的定位单元、控制单元机驱动单元的具体选择和工作原理均适用于现有技术，本领域技术人员可以依据现有技术做出不同的选择。例如MCU单片机可以选择为ARM32控制芯片，定位单元选择为激光传感器，在具体工作时，激光传感器实现对充电桩的大致方向寻找，激光传感器利用激光信号提取特征线匹配识别找出充电桩的大致位置并规划路径，(激光提取特征线匹配识别技术是在机器人运动时，激光传感器扫描到的特征线段的线性拟合后进行匹配处理，获得定位信息和机器人的规划路径，为现有技术，在本实施例中不赘述)，然后进行对接并将距离信号和路径信息发送给处理单元(可选择为ARM32控制芯片)，处理单元根据激光传感器对充电桩大致位置的反馈信息生成控制指令发送至驱动单元，使机器人位置调整至充电电极正对充电桩的充电片，然后向判断出的充电桩的大致位置靠近。当靠近充电桩后，处理单元控制摄像头对当前画面进行拍摄，通过计算机视觉技术对所拍摄的画面进行分析、处理，采用模糊控制思想和逐次逼近算法控制使机器人向充电桩方向移动并使充电电极精确对准充电片，完成机器人自动寻找充电桩并利用充电桩对非满电量的蓄电单元(可选择为蓄电池)进行充电，以备下次使用。

在一些实施例中，外壳上设置有与蓄电单元连接的电量状态指示灯，用于显示充电状态，例如电量状态指示灯闪烁，标志自动充电结束。

在一些实施例中，为了提高运输类机器人的承载量，提高人效，如图7 所示，机器人底盘的形状优选为方形。

为了进一步使得机器人底盘的结构接近于全对称布局，还可以对实施例做如下优化：

在一些实施例中，如图5、图9和图10所示，上层框架2与每个驱动轮支架1之间均设置有两个避震器4，四个避震器均倾斜设置，四个避震器4对称设置，且四个避震器4在空间中呈倒立的四棱台形状。避震器4倾斜设置，避震器4斜置可以再次分配驱动轮负载，同时避免了避震器垂直放置的敏感性，对于负载大、或者惯性大的运行环境，多个并联的避震器可以实现自适应调整，对底盘的平稳性有很好的调节作用。具体的，上层框架2和驱动轮支架 1相对的一侧均固定有避震器铰链座12，避震器4的两端分别与避震器铰链座 12铰接。避震器铰链座12的设置一方面可以方便实现避震器4的铰接安装，另一方面可以方便的实现避震器4的倾斜角度设置。避震器4与避震器铰链座 12之间优选通过橡胶材质的枢轴进行铰接，从而实现避震器4与上层框架2 或驱动轮支架1的柔性连接。

在一些实施例中，如图5、图9和图10所示，上层框架2与每个驱动轮支架1之间均设置有一个平衡杆5，两个平衡杆5左右对称设置。具体的，优选的，上层框架2和驱动轮支架1相对的一侧均固定有平衡杆座13，铰接头 502与平衡杆座13铰接。平衡杆座13通过螺钉固定在上层框架2或驱动轮支架1上。平衡杆座13的设置一方面可以方便实现平衡杆5的铰接安装，另一方面可以方便的实现平衡杆5的倾斜角度设置。铰接头502与平衡杆座13之间优选通过橡胶材质的枢轴进行铰接，从而实现平衡杆5与上层框架2或驱动轮支架1的柔性连接。

在一些实施例中，上层框架2上表面凸出设置有多个负载点11，且负载点11与避震器在上层框架2上的铰接位置(即避震器铰链座12)一一对应设置。负载点11与避震器铰链座对应设置，多个避震器并联布局，可以合理分配驱动轮的负载比例，且结构简单，底盘稳定。

优选的，避震器4、设置在上层框架2上的避震器铰链座12和负载点11 均设置有四个，且在空间上呈对称设置。

在一些实施例中，随动轮7和避震器4的数量均为4个。且随动轮7与下层框架3之间设置有弹簧阻尼。4个随动轮上设置的弹簧阻尼，既能减小过垂直台阶时产生的冲击力，又能承受运动惯性负载，与驱动轮支架上连接的4 个避震器的阻尼自平衡，保持底盘运行姿态的平稳。

实施例2

本实施例提供了一种机器人，该机器人包括实施例1提供的任意一种机器人底盘。

该机器人具有如下技术效果：

机器人在运行过程中，垂直负载施加在底盘底盘的上层框架上，分别传递给避震器以及框架连接柱、底层框架；完成驱动轮与随动轮的负载分配，驱动轮与大地摩擦产生牵引力，驱动机器人行走。通过上层框架与驱动轮底盘之间的避震器维持机器人平稳姿态运行；

由于支撑管的设置，机器人可以保证两个驱动轮支架同心转向；

机器人前后均设置有充电电极，充电时不需要转向，直接按点规划路径行驶，通过前侧或后侧均设置充电桩即可完成充电。对充电桩的放置区域灵活，受转向局限性小，特别是在餐厅的有限空间更为实用灵活；

机器人在重负载情况下，运行加减速模式或机器人俯仰姿态偏大时，通过其上设置的避震器可以消除反复震荡，使得机器人运行稳定。

机器人在重负载情况下，运行加减速模式或机器人俯仰姿态偏大时，通过其上设置的平衡杆配合避震器后可以消除反复震荡，通过平衡杆的摆动将俯仰运动转化为底盘的上下移动，使得机器人运行稳定；

机器人为全底盘对称布局且传感器对称布局，机器人底盘可以前后平稳行走，满足道路窄的场景及人多的餐厅场景等复杂工作场景。

以上仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。