万向轮测速装置的制作方法

本实用新型涉及机器人领域，尤其涉及万向轮测速装置。

背景技术：

随着社会的发展和科技的进步，智能家居越来越贴近人们的生活。目前，一种智能清洁机器人正在逐渐的进入普通家庭，代替人工进行地面清洁任务。这类的智能清洁机器人通常是由两个驱动轮和一个从动轮支撑，驱动轮由马达直接驱动，用以提供前进动力，从动轮一般包括万向轮和辅助轮，用以帮助保持平衡。

然而，当地面情况比较复杂时，驱动轮常会出现打滑的现象，比如地面比较光滑或者机器人被搁浅，此时，虽然驱动轮仍继续转动，但机器人无法正常行驶，驱动轮的滚动的距离和机器人滑动距离并不一致。然而，此时机器人控制系统仍默认机器人处于正常工作状态，因此，机器人会继续工作直到电量低于某个值和没电时才停止工作，从而造成电能的大量浪费。

针对这一问题，现有的清洁机器人的一般通过检测万向轮的运动状态对机器人的驱动轮是否打滑进行判断。

如专利申请号201510013410.4的一个中国实用新型专利申请，其公开了一种万向轮测速装置，其通过传动机构和万向轮连接，万向轮滚动过程中，通过万向轮上的凸轮带动联动盘上下运动，使联动盘上的凸缘触发所述检测线路板的开关开合(例如，触发红外信号的阻断和接通)，当开关一直处于闭合或断开的状态时，则判断清洁机器人发生打滑。

在另一专利申请号为201510291805.0的中国实用新型专利申请中，其公开了一种扫地机器人的万向轮运动状态检测装置，其通过传动机构和万向轮连接，卡盘和传动机构连接，万向轮滚动时通过传动装置带动卡盘水平转动，卡盘上设有多组凸齿，凸齿两侧设有射线发射器和射线接收器，当射线接收器每隔一段时间接收到射线发射器发射出来的射线时，判断卡盘为转动状态，扫地机器人处于正常移动状态；当射线接收器收不到射线或一直收到射线时，判断卡盘为停止转动状态，扫地机器人在停止移动状态或发生空转。

现有技术通过上述方法检测机器人是否打滑存在以下缺陷：

(1)上述结构仅简单判断万向轮的是否运动状态，不能区分机器人的停止移动状态和驱动轮发生空转状态，不能有效检测机器人发生打滑现象；

(2)上述结构仅能通过万向轮的停止运动状态判断检测机器人发生打滑现象，不能有效判别对万向轮的速度和驱动轮的速度不一致时的情况。这种情况发生时，机器人默认机器人处于正常工作状态，因此，机器人仍然以两个驱动轮的速度获取机器人的移动位移，造成误差；

(3)上述结构根据万向轮的转动获得的是分立的信号，对于检测机器人发生打滑现象存在延迟现象，例如，当任意时刻发生打滑，采用申请号 201510013410.4的方案进行打滑检测需等待较长时间(例如，设定的滚动轮的最长滚动周期)才能判定开关一直处于闭合或断开的状态时，从而判断机器人发生打滑并做出响应。

技术实现要素：

本实用新型实施例的目的是提供一种万向轮测速装置，能有效克服现有技术通过仅简单检测万向轮是否运动对机器人的驱动轮是否打滑进行判断存在的缺陷，能获得连续的信号并量化万向轮的速度，利于后续的应用。

为实现上述目的，本实用新型实施例提供了一种万向轮测速装置，包括万向轮、传动机构、活动杆和线性霍尔传感器，所述活动杆的一端设有磁性元件，所述活动杆的另一端通过传动机构与所述万向轮连接，所述线性霍尔传感器位于所述活动杆的一侧并与所述磁性元件相对；所述活动杆通过所述传动机构随所述万向轮的转动做往复循环运动，从而带动所述磁性元件做靠近和远离所述线性霍尔传感器的往复循环运动。

与现有技术相比，本实用新型公开的万向轮测速装置通过在活动杆的一端设置磁性元件，另一端通过传动机构与所述万向轮连接，霍尔传感器位于所述活动杆的一侧并与所述磁性元件相对，所述活动杆通过所述传动机构随所述万向轮的转动做往复循环运动，从而带动所述磁性元件做靠近和远离所述线性霍尔传感器的往复循环运动，则所述线性霍尔传感器在所述磁性元件的往复循环运动中持续输出模拟信号值，能有效克服现有技术通过仅简单检测万向轮是否运动对机器人的驱动轮是否打滑进行判断存在的缺陷，能获得连续的信号并量化万向轮的速度，利于后续的应用。

作为上述方案的改进，所述传动机构包括第一摩擦轮和第二摩擦轮，所述第一摩擦轮和第二摩擦轮通过偏心轴对称连接，所述偏心轴与所述第一摩擦轮和第二摩擦轮的轴心均不对称，所述活动杆与所述偏心轴抵接，所述第一摩擦轮和第二摩擦轮分别与所述万向轮紧密抵接，所述万向轮在转动时驱动所述第一摩擦轮和第二摩擦轮滚动，从而带动所述活动杆随所述万向轮的转动做往复循环运动。

作为上述方案的改进，所述装置还包括压紧件，所述压紧件用于压紧所述第一摩擦轮和第二摩擦轮以使得所述第一摩擦轮和第二摩擦轮分别与所述万向轮紧密抵接。

作为上述方案的改进，所述装置还包括安装座，所述安装座的下部设有容纳所述万向轮的凹槽，所述万向轮的轮轴固定卡接于所述凹槽的侧壁，所述安装座的上部设有容纳所述第一摩擦轮和第二摩擦轮的收容腔，所述凹槽上设有对称的第一开口和第二开口，所述第一摩擦轮穿过所述第一开口与所述万向轮紧密抵接，且所述第二摩擦轮穿过第二开口与所述万向轮紧密抵接。

作为上述方案的改进，所述压紧件包括安装架和扭环，所述安装架包括第一连接臂、第二连接臂和横梁，所述第一连接臂的一端和第二连接臂的一端通过所述横梁连接，且所述扭环套接在所述横梁上，所述第一摩擦轮通过其上的转轴与所述第一连接臂的另一端可转动连接，所述第二摩擦轮通过其上的转轴与所述第二连接臂的另一端可转动连接。

作为上述方案的改进，所述收容腔内设有支架，所述支架包括依次连接的第一侧壁、第二侧壁和第三侧壁，所述第一侧壁和第三侧壁相对分布，所述横梁卡接于所述第一侧壁的卡槽和第三侧壁的卡槽，所述扭环分布于所述第一侧壁和第三侧壁之间，所述第一连接臂的一端设有挡块，所述扭环的一端与所述挡块抵接，所述扭环的另一端与所述第二侧壁的内表面抵接，以使得由所述扭环发生形变并产生恢复力压紧所述第一摩擦轮和第二摩擦轮与所述万向轮紧密抵接。

作为上述方案的改进，所述装置还包括上盖，所述上盖上设有压块，所述压块用于与所述支架配合以压紧所述扭环的另一端所述第二侧壁的内表面抵接。

作为上述方案的改进，所述安装座的收容腔内还设有止转柱，所述上盖上设有止转孔，所述止转柱插入所述止转孔以防止所述压块和所述支架的位置发生偏移。

作为上述方案的改进，所述第一摩擦轮和第二摩擦轮的滚动面均为锥齿面。

作为上述方案的改进，所述上盖还设有第三开口和第四开口，所述第一摩擦轮的滚动面从所述第三开口伸出，所述第二摩擦轮的滚动面从所述第四开口伸出。

附图说明

图1是本实用新型其中一实施例中一种万向轮测速装置的分解示意图。

图2是本实用新型其中一实施例中安装座的俯视图。

图3是本实用新型其中一实施例中安装座的另一俯视图。

图4是本实用新型其中一实施例中万向轮测速装置的纵剖面图。

图5是本实用新型其中一实施例中万向轮测速装置的立体图。

图6是本实用新型其中一实施例中万向轮测速的过程示意图。

具体实施方式

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作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

参见图1至图5，本实用新型实施例提供的万向轮测速装置包括万向轮1、传动机构2、活动杆3和线性霍尔传感器4，所述活动杆3的一端设有磁性元件5，所述活动杆3的另一端通过传动机构2与所述万向轮1连接，所述线性霍尔传感器4位于所述活动杆3的一侧并与所述磁性元件5相对；所述活动杆3通过所述传动机构2随所述万向轮1的转动做往复循环运动，从而带动所述磁性元件5做靠近和3远离所述线性霍尔传感器4的往复循环运动，则所述线性霍尔传感器4 在所述磁性元件5的往复循环运动中持续输出模拟信号值。

其中，所述磁性元件5包括磁铁等，需要说明的是，只要是能产生磁场的元件均在本实用新型的保护范围之内。

基于上述方案，所述万向轮1能带动磁性元件5做靠近和远离所述线性霍尔传感器4的往复循环运动，从而所述线性霍尔传感器4在所述磁性元件5的往复循环运动中持续输出模拟信号值，该模拟信号值随时间的变化而连续变化，从而可实时计算滚动轮的速度，方便轮式移动机器人的打滑检测以及路径矫正。

如图1所示，所述万向轮测速装置还包括安装座6、上盖7和压紧件，所述传动机构2包括第一摩擦轮21和第二摩擦轮22，所述第一摩擦轮21和第二摩擦轮22通过偏心轴23对称连接，所述偏心轴23与所述第一摩擦轮21和第二摩擦轮22的轴心均不对称，所述活动杆3与所述偏心轴23抵接，所述第一摩擦轮21 和第二摩擦轮22分别与所述万向轮1的外表面紧密抵接，所述万向轮1在转动时驱动所述第一摩擦轮21和第二摩擦轮22滚动，从而带动所述活动杆3随所述万向轮1的转动做往复循环运动。如图1所示，所述万向轮1为中间宽、两边窄的鼓形轮，所述第一摩擦轮21和第二摩擦轮22优选为具有锥齿面的滚动轮以与鼓状的万向轮1配合，增大万向轮1和第一摩擦轮21、第二摩擦轮22的接触面积，从而有效带动第一摩擦轮21和第二摩擦轮22滚动。需要说明的是，只要能使第一摩擦轮21和第二摩擦轮22与万向轮1同步转动的表面均在本实用新型的保护范围内。

如图2至图3所示所示，所述安装座6的下部设有容纳所述万向轮1的凹槽 61，所述万向轮1的轮轴固定卡接于所述凹槽61的侧壁，所述安装座6的上部设有容纳所述第一摩擦轮21和第二摩擦轮22的收容腔62，所述凹槽61上设有对称的第一开口63和第二开口64，所述第一摩擦轮21穿过所述第一开口63与所述万向轮1紧密抵接，且所述第二摩擦轮22穿过第二开口64与所述万向轮1 紧密抵接。所述收容腔62内设有支架，所述支架包括依次连接的第一侧壁621、第二侧壁622和第三侧壁623，所述第一侧壁621和第三侧壁623相对分布。

参见图1至图4，所述压紧件用于压紧所述第一摩擦轮21和第二摩擦轮22 以使得所述第一摩擦轮21和第二摩擦轮22分别与所述万向轮1紧密抵接。所述压紧件包括安装架81和扭环82，所述安装架81包括第一连接臂811、第二连接臂812和横梁813，所述第一连接臂811的一端和第二连接臂812的一端通过所述横梁813连接，且所述扭环82套接在所述横梁813上，所述第一摩擦轮21通过其上的转轴与所述第一连接臂811的另一端可转动连接，所述第二摩擦轮22 通过其上的转轴与所述第二连接臂812的另一端可转动连接。所述横梁813卡接于所述第一侧壁621的卡槽和第三侧壁623的卡槽，所述扭环82分布于所述第一侧壁621和第三侧壁623之间，所述第一连接臂811的一端设有挡块，所述扭环82的一端与所述挡块抵接，所述扭环82的另一端与所述第二侧壁622的内表面抵接，从而使得所述扭环82发生形变并产生恢复力压紧所述第一摩擦轮21和第二摩擦轮22与所述万向轮1紧密抵接。

如图4所示，所述上盖7上设有压块71，所述压块71用于与所述支架配合以压紧所述扭环82的另一端所述第二侧壁622抵接。所述安装座6的收容腔62 内还设有止转柱65，所述上盖7上设有止转孔72，所述止转柱65插入所述止转孔72中，可以有效防止所述压块71和所述支架的位置发生偏移，使扭环82保持形变状态从而产生恢复力压紧第一摩擦轮21和第二摩擦轮22。

当所述上盖7与安装座6配合安装后，所述止转柱65插入所述止转孔72中，所述压块71能与所述支架配合以压紧所述扭环82的另一端所述第二侧壁622抵接，从而所述扭环82发生形变并产生恢复力压紧所述第一摩擦轮21和第二摩擦轮22与所述万向轮1紧密抵接。在万向轮1发生转动时，由于万向轮1和第一摩擦轮21、第二摩擦轮22之间的表面摩擦力会带动第一摩擦轮21和第二摩擦轮 22同步转动。而偏心轴23与所述第一摩擦轮21和第二摩擦轮22的轴心均不对称，因此，偏心轴23随第一摩擦轮21和第二摩擦轮22的转动而绕两者的轴心连线做圆周运动，进而带动与其抵接的活动杆3做往复循环运动，活动杆3的往复循环运动会带动设于其一端的磁性元件5做靠近和远离所述线性霍尔传感器4 的往复循环运动，所述线性霍尔传感器4感应到的磁场强度在逐渐变强和逐渐变弱之间循环变化，所述线性霍尔传感器4在所述磁性元件5的往复循环运动中持续输出连续变化的模拟信号值。而万向轮1停止转动时，活动杆3保持不动，设于其一端的磁性元件5也保持不动，所述线性霍尔传感器4感应到的磁场强度保持不变，则所述线性霍尔传感器4输出不变的模拟信号值。根据输出的模拟信号值和时间的变化曲线，可分析其斜率获得万向轮1的实时速度，有利于后续的打滑检测以及路径矫正。

如图5所示，所述上盖7还设有第三开口73和第四开口74，所述第一摩擦轮21的滚动面从所述第三开口73伸出，所述第二摩擦轮22的滚动面从所述第四开口74伸出，从而可压缩整个装置的体积，使所述收容腔62内的部件布局更紧凑。所述上盖7还设有导向套，活动杆3的一端从所述导向套中伸出，该设置能够使活动杆3保持平衡，不会在进行往复循环运动中发生倾倒。

基于上述结构的万向轮测速装置，所述线性霍尔传感器4能实时输出模拟信号值，根据所述线性霍尔传感器4实时输出的模拟信号值和预设的对应关系获取不同时刻所述万向轮1相对初始状态的转动角度；其中，所述对应关系为所述线性霍尔传感器4输出的模拟信号值和所述万向轮1相对初始状态的转动角度的对应关系；通过不同时刻所述万向轮1相对初始状态的转动角度实时计算所述万向轮1转动的速度。

具体的，当输出的是模拟信号值为电压值时，则可通过根据输出的模拟信号值和时间的变化曲线，可分析其斜率获得万向轮1的实时速度。在实际应用中，可通过以下公式计算万向轮1的角速度：

其中，U为所述线性霍尔传感器4实时输出的电压值，t为时刻，θ为所述万向轮1相对初始状态的转动角度，f(θ)为所述万向轮1相对初始状态的转动角度和所述线性霍尔传感器4实时输出的电压值的函数关系，w为万向轮1的角速度。

除此之外，还可通过以下公式获取计算所述万向轮转动的速度：

ω＝2π(θ2-θ1)/180T

其中，ω为万向轮1的角速度，T为检测万向轮1的转动角度的周期，θ1为上一周期检测到的万向轮的转动角度，θ2为当前周期检测到的万向轮的转动角度。需要注意的是，T远少于所述万向轮1本身的转动周期(例如，T<t/100，t为所述万向轮1的转动周期)，否则计算得到的角速度会有较大误差。

可以理解的，通过万向轮1的角速度可计算万向轮1的线速度，具体公式为：

v＝wr 公式(2)

其中，v为万向轮1的角速度，r为所述万向轮1的半径。

优选地，所述线性霍尔传感器4输出的模拟信号值和所述万向轮1相对于初始状态的转动角度的对应关系通过标定法获取，具体为：

在所述万向轮1以预设的角速度匀速运动的过程中，获取所述线性霍尔传感器4输出的模拟信号值随时间变化曲线；

截取所述线性霍尔传感器4的模拟信号值随时间变化曲线的第一个周期的曲线，以预设的频率对所述第一个周期的曲线进行采样，根据每一采样的信号值和时间的对应关系获取所述线性霍尔传感器4的模拟信号值和所述万向轮1相对于初始状态的转动角度的对应关系列表；其中，所述万向轮1相对于初始状态的转动角度等于所述角速度和时间的乘积。

除此之外，所述线性霍尔传感器4输出的模拟信号值和所述万向轮1相对于初始状态的转动角度的对应关系通过公式转换法获取，如图6所示，当万向轮1 发生转动，带动传动机构旋转，设时间Δt内磁性元件5相对于初始位置的位移d，所述线性霍尔传感器44感应到的磁场强度B与磁性元件5相对于初始位置的位移d的线性函数关系为：

d＝aB+b 公式(3)

其中，a和b为调整参数。设在时间Δt内第一摩擦轮21/第二摩擦轮22转动的角度(即万向轮1转动角度)为θ，则可得关系式为:

θ＝α+β 公式(4)

sinβ＝d/r 公式(5)

结合根据公式(3)、公式(4)和公式(5)可得：

θ＝sin^-1[(aB+b)/r]+α 公式(6)

其中，B为所述线性霍尔传感器4感应到磁铁的模拟信号值，a和b为调整参数，r为所述第一摩擦轮21/第二摩擦轮22的轴心与所述偏心轴23的轴心所在的直线与活动杆3底表面的交点到所述万向轮1的轴心的距离；在实际应用中， r可粗略估计为所述偏心轴23的半径和所述第一摩擦轮21/第二摩擦轮22的轴心到所述偏心轴23的轴心的距离的和。一般来说，B为所述线性霍尔传感器44感应到的电感强度值。

除了以上公开的方式外，还可根据以下公式获取所述线性霍尔传感器输出的模拟信号值和所述万向轮1相对于初始状态的转动角度的对应关系：

θ＝arcsin{(Hnow-Hmid)/[(Hmax-Hmin)/2)]} 公式(7)

其中，Hnow为当前磁场大小，Hmin为磁场极小值，Hmid为磁场中值，Hmax 为磁场极大值，θ为所述万向轮相对于初始状态的转动角度。

需要说明的是，万向轮1的转动会带动所述磁性元件5周期性的上下移动，所述线性霍尔传感器4可检测出磁场大小随所述磁性元件5的移动而变化，则所述线性霍尔传感器4检测到周期性变化的磁场信号。在本实用新型实施例中，所述万向轮1每转动一圈，所述线性霍尔传感器4生成一个类正弦函数曲线的磁场信号。当所述磁性元件5离所述线性霍尔传感器4最近时，磁场强度最大，为所述类正弦函数曲线的波峰，当所述磁性元件5离所述线性霍尔传感器4最远时，磁场强度最小，为所述类正弦函数曲线的波谷。因此，磁场强度的最大值和最小值与所述磁性元件5相对所述线性霍尔传感器4的距离有关，由于所述磁性元件 5相对所述线性霍尔传感器4的最大距离和最小值是确定的，因此所述磁场强度的最大值和最小值也很容易确定。在此处，Hmin为所述磁性元件5离所述线性霍尔传感器4最远时的磁场强度，Hmax为所述磁性元件5离所述线性霍尔传感器4最近时的磁场强度，Hmid为所述磁性元件5位于最远距离和最近距离的中间位置的磁场强度，Hnow为实时获取到的磁场强度。

则根据公式(6)可根据线性霍尔传感器44感应到的随时间变化的电感强度值获得不同时刻所述万向轮1相对于初始状态的转动角度，则可计算万向轮1的角速度和线速度。

需要说明的是，通过上述万向轮测速装置能实现根据连续变化的模拟信号实时获取万向轮1的速度，和现有技术通过分立的数字信号计算万向轮1的速度相比，更能准确量化万向轮1的行驶速度，以作为后续检测打滑和路径纠正的有效参考。

以上所述是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本实用新型的保护范围。