[發明專利]一種全向移動機器人的舵輪懸掛結構

有效

• 申請號: 202210341620.6
• 申請日: 2022-03-29
• 公開（公告）號: CN114537068B
• 公開（公告）日: 2023-05-05
• 發明（設計）人: 陳娟;隗靖昆;付永領
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: B60G11/10
• 分類號: B60G11/10
• 代理公司: 北京圣州專利代理事務所(普通合伙) 11818
• 代理人: 王振佳

一種全向移動機器人的舵輪懸掛結構，包括舵輪連接環、多個板簧連接梁和底盤安裝部組成，為一體化板狀結構，舵輪連接環與舵輪相連接，底盤安裝部與機器人底盤相連接，板簧連接梁連接舵輪連接環和底盤安裝部，并作為懸掛產生形變的主要部件。該懸掛結構簡單、方便安裝，質量輕、占用空間少，與舵輪裝配的一體化程度高；該懸掛在受力產生變形時，弱化徑向受力，僅有豎直方向上的位移和受力，進而保證底盤的操縱性能。

技術領域

本發明屬于移動機械人底盤懸掛領域，具體涉及一種舵輪的懸掛結構。

背景技術

在全向移動機器人底盤中，舵輪可以在滿足機器人底盤全向移動的同時還擁有很高的速度和加速度，在機器人比賽中表現卓越。

無論是機器人比賽場地，還是日常的路面，看似平整的地面實際坑洼不平，或多或少地存在凹坑或突起。因此車輪在通過非平整的位置時會導致振動的產生。尤其是對于四輪以上的機器人底盤，在通過這些凹坑或突起時有可能會導致1～2輪離地，丟失摩擦力抓地力度不夠，進而導致底盤晃動、帶載能量變小、操控性能下降，從而機器人失去控制。

在已有的機器人設計方案中，普遍采用底盤柔性設計實現車輪懸掛功能，通過撓性底盤的扭轉變形，保證運動時四輪的抓地性，但問題也是顯而易見的，集成度不高，剛度變差；另外采用彈簧結構設-計的柔性舵輪懸掛，導致裝配過程復雜，還極大占用機器人的設計負載和布置空間。

發明內容

本發明提供了一種全向移動機器人的舵輪懸掛結構，為舵輪模塊提供結構簡單的獨立懸掛方案，以解決舵輪底盤在非平整路面運行時輪子抓地能力不足和震動干擾的問題。

一種全向移動機器人的舵輪懸掛結構，包括舵輪連接環、多個板簧連接梁和底盤安裝部組成，為一體化板狀結構。所述舵輪連接環形狀與舵輪匹配，通過可拆卸的固定方式與舵輪連接。可拆卸的固定方式使該懸掛結構與舵輪緊密貼合，呈現一體化布局，并且拆裝快速方便。

所述的多個板簧連接梁為長條形板狀，從懸掛結構的中心向外延伸，受力時產生撓性變形為舵輪提供豎直方向上的位移；多個板簧連接梁對稱均布于舵輪安裝環上，對舵輪產生對稱約束、平衡徑向受力，分散舵輪懸掛所產生的集中應力形變，使得在標準負載下滿足垂直運動的限定的懸掛行程指標。舵輪運行過程中，在懸掛限定的范圍上下移動時始終保持與地面垂直的狀態，消除斜向和水平徑向的偏移，從而保證機器人底盤的操縱可靠性。

所述底盤安裝部通過可拆卸的固定方式將懸掛結構固定在底盤上；底盤安裝部位于在板簧連接梁向外的末端，其數量與板簧連接梁對應。

舵輪板簧懸掛結構力學設計：

根據底盤形狀，確定舵輪的安裝位置，設相鄰舵輪之間的中心距離為S，根據地面的平整度確定設計標準負載下的懸掛行程，設平面每米的起伏為k，設底盤懸掛行程為l，則懸掛最大行程I_max≥ks；

機器人質量為M，重力為Mg，舵輪數量為N，考慮適當安全余量，分配到每個舵輪上所受的負載力為F＝1.25Mg/N；設單個舵輪懸掛的板簧連接板的數量為n，每個板簧梁連接板的載荷P＝F/n＝1.25Mg/(Nn)

設截面為方形的板簧連接梁有m層，長度為L，寬度為b，厚度為h，則單層梁的截面慣性矩I＝b(h/m)^3/12，單層梁的受力為p＝P/m；板簧梁為懸臂梁，板簧材料的彈性模量為E，則板簧整體的撓度Y＝pL^3/(3EI)＝4P(m^2)(L^3)/(Ebh^3)，使Y＝l_max＝kS。通過有限元分析軟件進行仿真驗證。

另外，該全向移動機器人的舵輪懸掛結構的還可以采用分體結構，所述板簧連接梁與舵輪連接環分離，通過螺栓或粘接的方式連接。

另外，該全向移動機器人的舵輪懸掛結構的的材質，還可以采用碳纖維、鋁合金、鋼、鈦合金等。