[发明专利]一种全向移动机器人的舵轮悬挂结构

说明书

一种全向移动机器人的舵轮悬挂结构，包括舵轮连接环、多个板簧连接梁和底盘安装部组成，为一体化板状结构，舵轮连接环与舵轮相连接，底盘安装部与机器人底盘相连接，板簧连接梁连接舵轮连接环和底盘安装部，并作为悬挂产生形变的主要部件。该悬挂结构简单、方便安装，质量轻、占用空间少，与舵轮装配的一体化程度高；该悬挂在受力产生变形时，弱化径向受力，仅有竖直方向上的位移和受力，进而保证底盘的操纵性能。

技术领域

本发明属于移动机械人底盘悬挂领域，具体涉及一种舵轮的悬挂结构。

背景技术

在全向移动机器人底盘中，舵轮可以在满足机器人底盘全向移动的同时还拥有很高的速度和加速度，在机器人比赛中表现卓越。

无论是机器人比赛场地，还是日常的路面，看似平整的地面实际坑洼不平，或多或少地存在凹坑或突起。因此车轮在通过非平整的位置时会导致振动的产生。尤其是对于四轮以上的机器人底盘，在通过这些凹坑或突起时有可能会导致1～2轮离地，丢失摩擦力抓地力度不够，进而导致底盘晃动、带载能量变小、操控性能下降，从而机器人失去控制。

在已有的机器人设计方案中，普遍采用底盘柔性设计实现车轮悬挂功能，通过挠性底盘的扭转变形，保证运动时四轮的抓地性，但问题也是显而易见的，集成度不高，刚度变差；另外采用弹簧结构设-计的柔性舵轮悬挂，导致装配过程复杂，还极大占用机器人的设计负载和布置空间。

发明内容

本发明提供了一种全向移动机器人的舵轮悬挂结构，为舵轮模块提供结构简单的独立悬挂方案，以解决舵轮底盘在非平整路面运行时轮子抓地能力不足和震动干扰的问题。

一种全向移动机器人的舵轮悬挂结构，包括舵轮连接环、多个板簧连接梁和底盘安装部组成，为一体化板状结构。所述舵轮连接环形状与舵轮匹配，通过可拆卸的固定方式与舵轮连接。可拆卸的固定方式使该悬挂结构与舵轮紧密贴合，呈现一体化布局，并且拆装快速方便。

所述的多个板簧连接梁为长条形板状，从悬挂结构的中心向外延伸，受力时产生挠性变形为舵轮提供竖直方向上的位移；多个板簧连接梁对称均布于舵轮安装环上，对舵轮产生对称约束、平衡径向受力，分散舵轮悬挂所产生的集中应力形变，使得在标准负载下满足垂直运动的限定的悬挂行程指标。舵轮运行过程中，在悬挂限定的范围上下移动时始终保持与地面垂直的状态，消除斜向和水平径向的偏移，从而保证机器人底盘的操纵可靠性。

所述底盘安装部通过可拆卸的固定方式将悬挂结构固定在底盘上；底盘安装部位于在板簧连接梁向外的末端，其数量与板簧连接梁对应。

舵轮板簧悬挂结构力学设计：

根据底盘形状，确定舵轮的安装位置，设相邻舵轮之间的中心距离为S，根据地面的平整度确定设计标准负载下的悬挂行程，设平面每米的起伏为k，设底盘悬挂行程为l，则悬挂最大行程I_max≥ks；

机器人质量为M，重力为Mg，舵轮数量为N，考虑适当安全余量，分配到每个舵轮上所受的负载力为F＝1.25Mg/N；设单个舵轮悬挂的板簧连接板的数量为n，每个板簧梁连接板的载荷P＝F/n＝1.25Mg/(Nn)

设截面为方形的板簧连接梁有m层，长度为L，宽度为b，厚度为h，则单层梁的截面惯性矩I＝b(h/m)^3/12，单层梁的受力为p＝P/m；板簧梁为悬臂梁，板簧材料的弹性模量为E，则板簧整体的挠度Y＝pL^3/(3EI)＝4P(m^2)(L^3)/(Ebh^3)，使Y＝l_max＝kS。通过有限元分析软件进行仿真验证。

另外，该全向移动机器人的舵轮悬挂结构的还可以采用分体结构，所述板簧连接梁与舵轮连接环分离，通过螺栓或粘接的方式连接。

另外，该全向移动机器人的舵轮悬挂结构的的材质，还可以采用碳纤维、铝合金、钢、钛合金等。