本實用新型屬于機器人技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種家庭服務(wù)機器人的硬件設(shè)計，特別涉及一種家庭服務(wù)機器人的底盤結(jié)構(gòu)的設(shè)計。

背景技術(shù)：

機器人技術(shù)是科學(xué)技術(shù)共同發(fā)展的一個綜合性的成果，隨著控制理論、人工智能理論、傳感器技術(shù)的不斷發(fā)展，機器人行業(yè)的發(fā)展也取得了更好的成績。家庭服務(wù)機器人是多種高新技術(shù)發(fā)展成果的綜合集合，家庭服務(wù)機器人要求機器人能夠在一定的范圍內(nèi)安全運動，自主完成任務(wù)，并且能夠?qū)ξ粗哪吧h(huán)境進行學(xué)習(xí)和適應(yīng)。家庭的可用活動空間相對較小，環(huán)境復(fù)雜，這就要求一種合理的底盤機械結(jié)構(gòu)。底盤的機械機構(gòu)設(shè)計包括了底盤零件的選擇、底盤部件的合理排布、底盤運動件的傳動等。以往的服務(wù)機器人底盤機械結(jié)構(gòu)沒有系統(tǒng)化的設(shè)計，僅僅是為了服從上位機的軟件來進行的制作。因此對于軟件有很大限制，并且不符合力學(xué)結(jié)構(gòu)而造成一些運動不穩(wěn)定的情況。

就目前出現(xiàn)的機器人機械結(jié)構(gòu)來看，主要的移動方案有：履帶式、腿式、輪式等，履帶式移動機器人移動速度比較慢，而且功耗比較大；腿式機器人自由度多，機械結(jié)構(gòu)復(fù)雜，所以二者均不適合在家庭室內(nèi)環(huán)境下運行。與履帶式、腿式機器人相比，輪式機器人結(jié)構(gòu)簡單，自重輕，行走速度快，在驅(qū)動和控制方面能減少電路及軟件設(shè)計的復(fù)雜度，因此在本實用新型中采用輪式結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)有技術(shù)中采用的輪式結(jié)構(gòu)單輪結(jié)構(gòu)、兩輪結(jié)構(gòu)、三輪結(jié)構(gòu)、四輪結(jié)構(gòu)等。單輪結(jié)構(gòu)是一種動態(tài)平衡結(jié)構(gòu)，靜態(tài)時系統(tǒng)不穩(wěn)定，并且控制系統(tǒng)復(fù)雜，穩(wěn)定性低。兩輪結(jié)構(gòu)的實驗和研究開展的比較早，但是其在不同載重時的平衡問題沒有得到適當(dāng)解決，對于復(fù)雜地面的適應(yīng)能力及側(cè)向穩(wěn)定控制機理都存在著問題。三輪結(jié)構(gòu)亦存在多種形式。第一種形式如圖1所示，包括兩驅(qū)動后輪和一個從動萬向輪，其中兩個后輪通過差速控制實現(xiàn)轉(zhuǎn)向，這種機構(gòu)穩(wěn)定性好，但是會存在比較大的轉(zhuǎn)彎半徑。第二種形式如圖2所示，把驅(qū)動和轉(zhuǎn)向的功能都集中在萬向輪上，這種機構(gòu)相比第一種形式而言比較復(fù)雜，上位機的下發(fā)信號弱而萬向輪轉(zhuǎn)向靈活，所以不易控制。第三種形式如圖3所示，驅(qū)動輪沒有差速，轉(zhuǎn)向是靠萬向輪實現(xiàn)，所以會出現(xiàn)和第二種形式相同的缺點，另外又額外增加了轉(zhuǎn)向的功耗。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本實用新型要解決的技術(shù)問題在于提供一種結(jié)構(gòu)簡單，適于家庭使用的家庭服務(wù)機器人底盤結(jié)構(gòu)，以滿足服務(wù)機器人能夠在家庭環(huán)境中的運動。

為解決上述問題，本實用新型的家庭服務(wù)機器人底盤，包括三個在底盤以120°間隔分布的全向輪，每個全向輪通過軸承連接于轉(zhuǎn)軸，每個轉(zhuǎn)軸通過聯(lián)軸器與電機連接，每個電機與驅(qū)動器連接，電機、驅(qū)動器以120°間隔分布。

優(yōu)選地，家庭服務(wù)機器人底盤中電機采用Maxon DCX32L型號電機。

優(yōu)選地，家庭服務(wù)機器人底盤中驅(qū)動器采用MLDS3610驅(qū)動器。

優(yōu)選地，家庭服務(wù)機器人底盤中聯(lián)軸器采用型號為

優(yōu)選地，家庭服務(wù)機器人底盤中轉(zhuǎn)軸分為第一部分、第二部分、第三部分、第四部分，其中第一部分長度為32mm；第二部分直徑為25mm，第二部分長度為41mm；第三部分長度為32mm；第四部分直徑為12mm，第四部分長度為11mm；其中第二部分設(shè)有鍵槽，鍵槽寬度為4mm，鍵槽深度為2.5mm。

優(yōu)選地，家庭服務(wù)機器人底盤中全向輪為8寸203毫米的全向輪，全向輪輪轂的外圓周處均勻開設(shè)有多個輪轂齒，每兩個輪轂齒之間裝設(shè)有一從動輪，從動輪的徑向方向與輪轂外圓周的切線方向垂直，全向輪與軸的配合的輪轂寬度為38.4mm。

優(yōu)選地，家庭服務(wù)機器人底盤中軸承選取深溝球軸承6304，其寬度為15mm。

優(yōu)選地，家庭服務(wù)機器人底盤包括上底板與下底板，全向輪、軸承、轉(zhuǎn)軸、聯(lián)軸器、電機安裝于下底板的底部，下底板設(shè)有與電機軸對應(yīng)的通孔，通孔內(nèi)設(shè)有液壓制動器，主動圓錐齒輪可滑動地套接在電機軸上，電機軸上還設(shè)有電磁鐵，電磁鐵與主動圓錐齒輪之間設(shè)有彈簧；

滾珠絲杠的螺母設(shè)于上底板的底部，螺母位置與通孔相對應(yīng)，滾珠絲杠的螺桿穿過通孔內(nèi)的液壓制動器，螺桿的頂端設(shè)有從動圓錐齒輪。

優(yōu)選地，家庭服務(wù)機器人底盤中聯(lián)軸器采用離合式聯(lián)軸器。

優(yōu)選地，家庭服務(wù)機器人底盤中底盤底部設(shè)有傾斜傳感器以及設(shè)于底盤底部中心與傾斜傳感器連接的伸縮式吸盤。

采用上述結(jié)構(gòu)的家庭服務(wù)機器人底盤既能夠直線運動，且能夠原地旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)彎半徑下，可滿足室內(nèi)條件下使用要求，而且升降式底盤及伸縮式吸盤使家庭服務(wù)機器人的適用性、穩(wěn)定性進一步得到提高。

附圖說明

圖1是現(xiàn)有技術(shù)中三輪結(jié)構(gòu)的第一種形式。

圖2是現(xiàn)有技術(shù)中三輪結(jié)構(gòu)的第二種形式。

圖3是現(xiàn)有技術(shù)中三輪結(jié)構(gòu)的第三種形式。

圖4是本實用新型第一實施例中家庭服務(wù)機器人底盤的示意圖。

圖5是本實用新型第一實施例中家庭服務(wù)機器人底盤中軸的示意圖。

圖6A、6B是本實用新型第一實施例中家庭服務(wù)機器人底盤中萬向輪的示意圖。

具體實施方式

下文參照附圖對本實用新型的具體實施方式進行詳細(xì)說明。

由于本實用新型配套的機器人在很大部分的功能上就是實現(xiàn)對人體目標(biāo)的跟蹤，需要安裝Kinect攝像頭作為“眼睛”，而轉(zhuǎn)彎半徑太大不利于其在室內(nèi)活動，因此本實用新型采用三個全向輪120度分布，能夠?qū)崿F(xiàn)橫向和縱向的移動，能夠在保持車體方位不動的前提下在平面上任意方向移動，能夠使Kinect攝像頭一直保持正對著人體目標(biāo)，不易丟失目標(biāo)。

如圖4所示，本實用新型的第一實施例中，家庭服務(wù)機器人底盤包括三個在底盤以120°間隔分布的全向輪1，每個全向輪1通過一對軸承2連接于轉(zhuǎn)軸3，每個轉(zhuǎn)軸3通過聯(lián)軸器4與電機5連接，每個電機5與驅(qū)動器6連接，電機、驅(qū)動器也以120°間隔分布，即相鄰兩轉(zhuǎn)軸之間的夾角為120°。這樣使機器人可以原地轉(zhuǎn)向，且能夠減少轉(zhuǎn)軸的撓曲，不至于出現(xiàn)懸臂梁的形式。

上述實施例所應(yīng)用的家庭服務(wù)機器人整機質(zhì)量m設(shè)定為40Kg，摩擦因數(shù)η為0.2，速度v設(shè)定為1.5m/s，據(jù)此計算電機需要的功率。

F＝40*10＝400N，功率P_w由以下公式計算：

代入數(shù)據(jù)計算的P_w等于6kw。輸出功率P_d的計算公式為：

其中η為總效率，η_總＝η_{減速機構(gòu)}×η_{聯(lián)軸器}×η_軸承，通過查機械設(shè)計手冊，

η_{減速機構(gòu)}、η_{聯(lián)軸器}、η_軸承分別選取為0.97、0.98、0.94，所以η總為0.94，代入式(2)計算得總功率P_d等于6.38kw，每個電機所需功率為3.19kw，選用Maxon DCX32L型號。

得到合適型號電機之后，需要選取電機驅(qū)動器，電機驅(qū)動器的選擇時要考慮速度控制范圍與速度調(diào)節(jié)的能力，對于機器人系統(tǒng)而言，機器人行走的位置、速度、姿態(tài)都要反饋給系統(tǒng)，使系統(tǒng)知道此刻的狀態(tài)，所以伺服驅(qū)動器應(yīng)該有位置控制和速度控制這兩種的控制方式。電機的額定轉(zhuǎn)速為7710rpm，轉(zhuǎn)矩為3.78NM，需要有閉環(huán)。根據(jù)這些條件以及以往設(shè)計的經(jīng)驗，本實施例中選取MLDS3610驅(qū)動器，該驅(qū)動器有增量式編碼器，其步寬可以通過編程來設(shè)定，采用閉環(huán)控制時不會出現(xiàn)“丟步”現(xiàn)象；轉(zhuǎn)矩?fù)p失少；無震動，發(fā)熱??；具有優(yōu)異的動態(tài)性能。

在聯(lián)軸器的選用中，需要考慮傳遞轉(zhuǎn)矩的大小和性質(zhì)、制造和裝配的誤差、外形尺寸和安裝方法等。本實施例中電機輸出功率P_o為0.102kw，電機的輸出轉(zhuǎn)速n為220rpm，軸徑d₁為8mm，根據(jù)查取設(shè)計手冊得到工況系數(shù)為K_a為1.5，輸出轉(zhuǎn)矩T有：

代入數(shù)據(jù)可得則計算轉(zhuǎn)矩有|T_ca＝KT，代入數(shù)據(jù)可得計算轉(zhuǎn)矩為T_ca＝KT＝1.5×4.42＝6.63N.m。

轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速不高，啟動亦頻繁，聯(lián)軸器需要吸收震動，對于徑向、角向和軸向的偏差都要有一定的補償，所以本實施例中選擇梅花型聯(lián)軸器，該聯(lián)軸器重量輕，體積小，適用于步進伺服系統(tǒng)。根據(jù)計算結(jié)果選擇的聯(lián)軸器型號為：

該型號的聯(lián)軸器采用夾緊式固定方式，外徑為25mm，長30mm，額定的轉(zhuǎn)矩為7，最大轉(zhuǎn)矩為10，最高轉(zhuǎn)速可達(dá)14000rpm，符合使用要求。

根據(jù)轉(zhuǎn)軸的工作條件，本實施例中選擇40Cr調(diào)質(zhì)處理，這樣確定許用應(yīng)力，其抗拉伸強度為σ_b＝550MPa，按扭轉(zhuǎn)強度估算最小直徑d，有公式：

式中A為[τ]的計算系數(shù)可有設(shè)計手冊查得，A值取為100，功率P由于電機的動力出來直接到達(dá)聯(lián)軸器，中間沒有減速機構(gòu)，所以P值就是電機的輸出功率為3.57KW，轉(zhuǎn)速是電機的輸出轉(zhuǎn)速為220rpm。代入數(shù)據(jù)最后得出的軸徑為25.31mm，取為整數(shù)d為25mm。將軸設(shè)計成階梯軸，軸頭部分要與聯(lián)軸器配合，配合部分只承受扭矩，所以軸頭只進行扭轉(zhuǎn)強度的校核。有前文所選的聯(lián)軸器可知，軸頭部分的直徑為d_t為12mm，長度L₁為11mm。如圖5所示，轉(zhuǎn)軸分為第一部分51、第二部分52、第三部分53、第四部分54，其中第一部分長度為32mm；第二部分直徑即軸徑為25mm，第二部分長度為41mm；第三部分長度為32mm；第四部分即軸頭部分的直徑為12mm，第四部分長度為11mm；其中第二部分設(shè)有鍵槽，鍵槽寬度為4mm，深度為2.5mm。

根據(jù)轉(zhuǎn)軸軸頸、配合段的長度以及負(fù)荷選用8寸203毫米的全向輪，其結(jié)構(gòu)如圖6A、6B所示，全向輪輪轂的外圓周處均勻開設(shè)有多個的輪轂齒，每兩個輪轂齒之間裝設(shè)有一從動輪，該從動輪的徑向方向與輪轂外圓周的切線方向垂直，全向輪與軸的配合的輪轂長度為38.4mm。軸承選取深溝球軸承6304，其寬度為15mm。

底盤上安裝的家庭服務(wù)機器人有時需要較高高度作業(yè)，而機器人主體高度有限難以滿足需求。在本實用新型的第二實施例中，家庭服務(wù)機器人底盤包括上底板與下底板，全向輪、軸承、轉(zhuǎn)軸、聯(lián)軸器、電機安裝于下底板的底部，下底板設(shè)有與電機軸對應(yīng)的通孔，通孔內(nèi)設(shè)有液壓制動器，主動圓錐齒輪可滑動地套接在電機軸上，電機軸上還設(shè)有電磁鐵，電磁鐵與主動圓錐齒輪之間設(shè)有彈簧；滾珠絲杠的螺母設(shè)于上底板的底部，螺母位置與通孔相對應(yīng)，滾珠絲杠的螺桿穿過通孔內(nèi)的液壓制動器，螺桿的頂端設(shè)有從動圓錐齒輪，從動圓錐齒輪可以與套接在電機軸上的主動圓錐齒輪嚙合；上底盤還設(shè)有高度傳感器。

初始時主動圓錐齒輪未與從動圓錐齒輪嚙合，上底板與下底板層疊在一起，需要抬高上底板時給電磁鐵通電，電磁鐵吸引主動圓錐齒輪靠近并與從動圓錐齒輪嚙合，電機軸旋轉(zhuǎn)帶動螺桿旋轉(zhuǎn)使上底板升起，這樣就可以可調(diào)節(jié)上底板的高度，到達(dá)指定高度后電磁鐵斷電，主動圓錐齒輪利用彈簧的彈力與從動圓錐齒輪分離，液壓制動器將螺桿抱死，從而將上底板維持在指定高度。這樣可使機器人滿足不同場合的需求。

在本實施例中，聯(lián)軸器采用離合式聯(lián)軸器，當(dāng)調(diào)整上底板高度時聯(lián)軸器可以停止與轉(zhuǎn)軸之間的聯(lián)動，使機器人可以原地調(diào)整高度。

本實施例中，通孔下端還設(shè)有毛刷，將螺桿的螺紋中灰塵等雜物除去，防止進入液壓制動器內(nèi)。

當(dāng)機器人安裝于底盤后，其重心往往較高，尤其是采用實施例二中結(jié)構(gòu)的底盤時，導(dǎo)致機器人傾倒的可能性增大，在本實用新型的第三實施例中，底盤底部設(shè)有傾斜傳感器以及設(shè)于底盤底部中心與傾斜傳感器連接的伸縮式吸盤，當(dāng)傾斜傳感器檢測到可能傾倒時，伸縮式吸盤伸出用吸盤吸附在地表，利用吸盤將機器人固定。

在本實用新型的第四實施例中，底盤設(shè)有傾斜傳感器，軸承通過軸承座安裝于底盤，軸承座與底盤之間設(shè)有液壓油缸，傾斜傳感器、液壓油缸均與控制器連接，檢測到傾斜時，控制器控制液壓油缸伸縮使底盤保持在水平位置。

上面結(jié)合附圖對本實用新型優(yōu)選的具體實施方式和實施例作了詳細(xì)說明，但是本實用新型并不限于上述實施方式和實施例，在本領(lǐng)域技術(shù)人員所具備的知識范圍內(nèi)，還可以在不脫離本實用新型構(gòu)思的前提下作出各種變化。