底盘及移动机器人的制作方法

本实用新型涉及一种底盘，尤其涉及一种能够适应地面的起伏的底盘，并涉及包括了该底盘的移动机器人。

背景技术：

现有移动机器人，也叫仓储机器人，采用差速驱动控制，车体上中间布置有两个差速驱动轮，车体前后各布置有两个万向轮，整车一共有6个轮子，由于仓储机器人行驶地面存在不平的情况，为了保证驱动轮有足够的附着力不打滑，大多采用驱动轮弹簧结构，让弹簧压紧驱动轮进而保证驱动轮有足够的附着力。但是，如果弹簧力太大，移动机器人空载时就会被顶起；如果弹簧力太小，重载时驱动轮就会打滑；所以为了保证重载时不打滑，必须把移动机器人的自身重量做的很重。

也就是说，现有技术中为了保证地面不打滑，移动机器人的自身重量需要做得比较重，那么就会导致能量消耗大等弊端；而针对外形尺寸确定的移动机器人来说，工作时的重量是不可能增加很多的，所以其载重量就不可能增加太多，因此，还是难以避免会出现驱动打滑的现象。

技术实现要素：

本实用新型所要解决的技术问题是需要提供一种能够适应地面的起伏，并且能够保证驱动不打滑，有效控制能量消耗的底盘，并进一步提供包括了该底盘的移动机器人。

对此，本实用新型提供一种底盘，包括：底盘组件、万向轮组件以及相对运动连接组件，所述万向轮组件设置于所述底盘组件上，所述底盘组件包括第一底盘和第二底盘，所述相对运动连接组件设置于所述第一底盘和第二底盘之间。

本实用新型的进一步改进在于，所述相对运动连接组件包括转轴组件和转轴安装组件，所述转轴组件通过转轴安装组件设置于所述第一底盘和第二底盘之间。

本实用新型的进一步改进在于，所述转轴组件包括转轴、轴套和转轴臂，所述转轴安装组件包括转轴安装座和转轴臂安装板，所述转轴通过轴套分别与所述转轴臂和转轴安装座相连接，所述转轴安装座设置于所述第二底盘上，所述转轴臂安装板设置于所述第一底盘上，所述转轴臂通过所述转轴臂安装板与所述第一底盘相连接。

本实用新型的进一步改进在于，所述万向轮组件包括第一万向轮构件、第一销轴和第一摇臂，所述第一万向轮构件通过第一销轴与所述第一摇臂相连接，所述第一摇臂设置于所述第一底盘上。

本实用新型的进一步改进在于，所述万向轮组件包括第二万向轮构件、第二销轴和第二摇臂，所述第二万向轮构件通过第二销轴与所述第二摇臂相连接，所述第二摇臂设置于所述第二底盘上。

本实用新型的进一步改进在于，还包括弹性构件和弹性构件套筒，所述弹性构件通过所述弹性构件套筒设置于所述第一底盘和第二底盘之间。

本实用新型的进一步改进在于，所述第一底盘上设置有导向板和挡套板，所述第二底盘上设置有导柱，所述导柱穿过所述导向板与所述挡套板固定连接。

本实用新型的进一步改进在于，所述相对运动连接组件包括铰链座，所述第一底盘通过铰链座与所述第二底盘铰链连接；所述万向轮组件包括第三万向轮构件和第四万向轮构件，所述第三万向轮构件与所述第一底盘铰链连接，所述第四万向轮构件与所述第二底盘铰链连接。

本实用新型的进一步改进在于，所述第三万向轮构件包括第三万向轮、第三万向轮安装座和第三固定轴，所述第三万向轮通过第三万向轮安装座与所述第三固定轴相连接，所述第三万向轮安装座通过第三固定轴与所述第一底盘铰链连接；所述第四万向轮构件包括第四万向轮、第四万向轮安装座和第四固定轴，所述第四万向轮通过第四万向轮安装座与所述第四固定轴相连接，所述第四万向轮安装座通过第四固定轴与所述第二底盘铰链连接。

本实用新型还包括一种移动机器人，包括了驱动总成以及如上所述的底盘，所述驱动总成设置于所述底盘上。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果在于：所述底盘组件包括第一底盘和第二底盘，并且所述第一底盘和第二底盘之间通过所述相对运动连接组件能够实现相对的旋转运动或铰链运动，以此来适应地面的起伏，保证驱动轮始终着地；进一步地，通过在所述第一底盘和第二底盘之间的弹性构件能够起到缓冲减震等作用，通过导向板和挡套板等导向组件能够实现导向安装和转动限位等作用；因此，不再需要通过增加移动机器人的自身重量就能够有效实现防滑，能够有效控制能量消耗，达到节能减排的目的，且可靠性非常高。

附图说明

图1是本实用新型一种实施例的爆炸结构示意图；

图2是本实用新型一种实施例的整体结构示意图；

图3是本实用新型一种实施例的剖面结构示意图；

图4是本实用新型一种实施例的第一底盘的结构示意图；

图5是本实用新型一种实施例的第一底盘的反面结构示意图；

图6是本实用新型一种实施例的第二底盘的结构示意图；

图7是本实用新型一种实施例的导向结构的结构示意图；

图8是本实用新型一种实施例的万向轮组件的结构示意图；

图9是本实用新型一种实施例的驱动总成的结构示意图；

图10是本实用新型一种实施例在地面平整时的状态示意图；

图11是本实用新型一种实施例在万向轮下凹时的状态示意图；

图12是本实用新型一种实施例在万向轮上凸时的状态示意图；

图13是本实用新型一种实施例在驱动轮上凸时的状态示意图；

图14是本实用新型一种实施例在驱动轮下凹时的状态示意图；

图15是本实用新型一种实施例的底盘受力分析图；

图16是本实用新型一种实施例的第二底盘受力分析图；

图17是本实用新型一种实施例的第一底盘受力分析图；

图18是本实用新型另一种实施例的整体结构示意图；

图19是本实用新型另一种实施例的爆炸结构示意图；

图20是本实用新型另一种实施例的剖视图；

图21是本实用新型另一种实施例的侧视图；

图22是本实用新型另一种实施例的主视图；

图23是图22的I-I剖视图；

图24是图22的J-J剖视图；

图25是本实用新型另一种实施例的万向轮的简化工作原理图；

图26是本实用新型另一种实施例的第二底盘的简化受力图；

图27是本实用新型另一种实施例的第一底盘的简化受力图；

图28是本实用新型另一种实施例的第一简支梁和第二简支梁的结构力学示意图；

图29是本实用新型另一种实施例的底盘组件的简化工作原理图。

具体实施方式

下面结合附图，对本实用新型的较优的实施例作进一步的详细说明。

实施例1：

如图1至图17所示，本例提供一种底盘，包括：底盘组件、万向轮组件以及相对运动连接组件，所述万向轮组件设置于所述底盘组件上，所述底盘组件包括第一底盘1和第二底盘7，所述相对运动连接组件设置于所述第一底盘1和第二底盘7之间。本例所述相对运动连接组件为用于实现所述第一底盘1和第二底盘7之间相对运动的连接组件，这种相对运动可以包括旋转方式的相对运动(如本实施例)、铰链方式的相对运动(如实施例2)或上下方式的相对运动(如第一底盘1和第二底盘7在地面不平整时产生上下的相对运动来保证驱动轮和万向轮着地)等，进而在地面不平整时，通过所述第一底盘1和第二底盘7之间的相对运动来适应地面的起伏，保证驱动轮始终着地。

优选的，本例所述相对运动连接组件包括转轴组件和转轴安装组件，所述转轴组件通过转轴安装组件设置于所述第一底盘1和第二底盘7之间。所述转轴组件用于通过转轴实现所述第一底盘1和第二底盘7之间的转动运动，所述转轴安装组件用于实现所述转轴组件的安装。本例所述第一底盘1优选为上底盘，所述第二底盘7优选为下底盘。

如图1所示，本例所述转轴组件包括转轴8、轴套9和转轴臂10，所述转轴安装组件包括转轴安装座11和转轴臂安装板14，所述转轴8通过轴套9分别与所述转轴臂10和转轴安装座11相连接，所述转轴安装座11设置于所述第二底盘7上，所述转轴臂安装板14设置于所述第一底盘1上，所述转轴臂10通过所述转轴臂安装板14与所述第一底盘1相连接。

如图8所示，本例所述万向轮组件优选包括摇臂18和万向轮19，所述万向轮19通过所述摇臂18中间的孔与销轴相配合实现其安装和摆动。下面所述的第一万向轮构件51和第二万向轮构件52都是优选包括摇臂18和万向轮19。

如图1和图5所示，本例所述万向轮组件包括第一万向轮构件51、第一销轴41和第一摇臂15，所述第一万向轮构件51通过第一销轴41与所述第一摇臂15相连接，所述第一摇臂15设置于所述第一底盘1上。

如图1和图6所示，本例所述万向轮组件包括第二万向轮构件52、第二销轴42和第二摇臂16，所述第二万向轮构件52通过第二销轴42与所述第二摇臂16相连接，所述第二摇臂16设置于所述第二底盘7上。

如图1、图3和图4所示，本例还包括弹性构件6和弹性构件套筒13，所述弹性构件6通过所述弹性构件套筒13设置于所述第一底盘1和第二底盘7之间。所述弹性构件6优选为弹簧，当然，在实际应用中还可以是弹性材料制成的其他弹性件。

如图1和图7所示，本例所述第一底盘1上设置有导向板2和挡套板3，所述第二底盘7上设置有导柱17，所述导柱17穿过所述导向板2与所述挡套板3固定连接。

本例还包括一种移动机器人，包括了驱动总成12以及如上所述的底盘，所述驱动总成12设置于所述底盘上。本例所述驱动总成12的结构示意图为图9所示。所述移动机器人可以是AGV小车形式的移动机器人，也可以是仓储机器人等。

综上，本例所述底盘组件包括第一底盘1和第二底盘7，两个驱动总成12固定安装在第一底盘1上，第一底盘1上焊接有第一摇臂15，万向轮组件包括第一万向轮构件51和第二万向轮构件52，所述第一万向轮构件51与第一摇臂15通过第一销轴41装配连接在一起，所述第一万向轮构件51可绕第一销轴41转动。

本例所述第二底盘7上焊接有导柱17、第二摇臂16和转轴安装座11，转轴8通过两个轴套9分别与转轴臂10和转轴安装座11配合安装在一起，转轴臂10又与第一底盘1的转轴臂安装板14固定连接在一起。因此，所述底盘组件可以绕转轴8的转轴中心21旋转，该转轴中心21在本例通过E来表示，便于力学分析和公式计算。所述第二万向轮构件52通过第二销轴42与第二底盘7上的第二摇臂16装配连接在一起，所述第二万向轮构件52可绕第二销轴42旋转。第二底盘7上的导柱17通过第一底盘1，而导向板2固定安装在第一底盘1上，导向板2上的腰型孔与导柱17配合起到导向作用，同时，通过所述挡套板3与导柱17的上端固定连接，进而起到第二底盘7绕转轴8上下转动的限位作用。

本例弹性构件套筒13(如弹簧套筒)固定安装在第一底盘1上，通过弹性构件套筒13在第一底盘1和第二底盘7间安装有一个弹性构件6(如弹簧)，所述弹性构件6压缩起到第一底盘1和第二底盘7之间起到缓冲减震作用。

第二底盘7可绕转轴8旋转。当地面平整时，所述底盘的状态处于图10所示状态；当地面不平引起第二底盘7法人万向轮下凹时，第二底盘7绕转轴向下转动，第一底盘1不动，弹性构件6(如弹簧)压缩量减小，所述底盘的状态处于图11所示状态；当地面不平引起第二底盘7万向轮上凸时，第二底盘7绕转轴向上转动，第一底盘1不动，弹性构件6(如弹簧)压缩量增加，所述底盘的状态处于图12所示状态；当地面不平引起第一底盘1驱动轮上凸时，第一底盘1向上倾斜，而第二底盘7基本不动，弹性构件6(如弹簧)压缩量增加，所述底盘的状态处于图13所示状态；当地面不平引起第一底盘1驱动轮下凹时，第一底盘1向下倾斜，而第二底盘7基本不动，弹性构件6(如弹簧)压缩量减小，所述底盘的状态处于图14所示状态；

本例所述移动机器人及其底盘组件的受力分析分别如图15、图16和图17所示。设前万向轮与地面的接触点为A，作用力为Fa；驱动轮与地面接触点为C，作用力为Fc；后万向轮与地面的接触点为B，作用力为Fb；负载和第二底盘7重力作用在D点，作用力为Fd；第一底盘1重力作用在C点，重力为G；绞点处的作用点在E点，作用力为Fe，Fe′为作用力Fe的反作用力；弹性构件6(如弹簧)对第一底盘1作用点在H点，作用力为Fh，F′h为作用力Fh的反作用力。A、C两点距离等于B、C两点距离设为m，E、C两点距离设为n，H、C两点距离设为y，A、B两点距离为2m，根据AGV底盘受力分析有：Fa+Fb+Fc＝G+Fd、Fam＝Fbm、Fe+Fb＝Fd+Fh、Fe(m+n)＝Fdm+Fh(m-y)、Fe＝F′e、Fh＝F′h、F′e+G＝Fa+Fc+F′h以及Fam＝F′en+F′hy。

根据以上公式可得出：从公式Fe′+G＝Fa+Fc+Fh′可知，为保证驱动轮有足够的附着力，因而弹性构件6(如弹簧)的刚度会设计的比较小，初步设计弹性构件6(如弹簧)刚度为2N/mm，设初始压缩量为30mm，上下压缩变化量为10mm，则有最大Fh＝80N，因而可以把Fh近似为定值，所以根据公式可知，驱动轮上的力Fc随着负载Fd的增加而增加，因而，在移动机器人底盘自身重量轻的状态下，也可以驱动大负载而不打滑。

例如当地面不平，使第二底盘7的万向轮下凹或上凸(距离小于10mm)，弹性构件6(如弹簧)压缩量减小或增大，所述底盘的状态处于图11所示状态或图12所示状态，m、n和y数值没有改变，Fh最大减小20N或增大20N，负载Fd也没有变化，G也是固定值，根据公式因而驱动轮上的附着力会稍有增加或减小(可近似为不变，因为m+n＞n+y，所以变化值小于40N)。所以地面起伏(小于10mm)基本不会改变驱动轮的附着力。同理，当地面不平，使第一底盘1驱动轮上凸或下凹(距离小于10mm)，弹性构件6(如弹簧)压缩量减小或增大，所述底盘的状态处于图13所示状态或图14所示状态，m、n和y数值没有改变，Fh最大减小20N或增大20N，负载Fd也没有变化，G也是固定值，根据公式因而驱动轮上的附着力会稍有增加或减小(可近似为不变，因为m+n＞n+y，所以变化值小于40N)。

设m＝374mm，n＝255mm，y＝170mm，弹性构件6(如弹簧)刚度为2N/mm，第一底盘1重80kg,G＝800N,并且如受力分析，第一底盘1重心在底盘重心，负载Fd(含第二底盘7重量100kg)为6000N，且作用点在底盘中心；取最大Fh＝80N，则有所以当底盘重量不变时，负载增大，驱动轮附着力也随着增大，因而驱动轮不会出现打滑现象。

综上，本例所述底盘组件包括第一底盘1和第二底盘7，并且所述第一底盘1和第二底盘7之间通过所述相对运动连接组件能够实现相对的旋转运动，以此来适应地面的起伏，保证驱动轮始终着地；进一步地，通过在所述第一底盘1和第二底盘7之间的弹性构件能够起到缓冲减震等作用，通过导向板2和挡套板3等导向组件能够实现导向安装和转动限位等作用；因此，不再需要通过增加移动机器人的自身重量就能够有效实现防滑，能够有效控制能量消耗，达到节能减排的目的，且可靠性非常高。

实施例2：

如图18至图29所示，本例提供一种底盘，包括：底盘组件、万向轮组件以及相对运动连接组件，所述万向轮组件设置于所述底盘组件上，所述底盘组件包括第一底盘1和第二底盘7，所述相对运动连接组件设置于所述第一底盘1和第二底盘7之间。

同样的，本例所述相对运动连接组件为用于实现所述第一底盘1和第二底盘7之间相对运动的连接组件，这种相对运动可以包括旋转方式的相对运动(如实施例1)、铰链方式的相对运动(如本实施例)或上下方式的相对运动(如第一底盘1和第二底盘7在地面不平整时产生上下的相对运动来保证驱动轮和万向轮着地)等，进而在地面不平整时，通过所述第一底盘1和第二底盘7之间的相对运动来适应地面的起伏，保证驱动轮始终着地。

也就是说，本例采用了与实施例相同的设计原理，对所述底盘组件进行分级设计，进而通过所述第一底盘1和第二底盘7之间的相对运动来适应各种地面状况，以有效防止打滑；与实施例1不同的是，本例采用的相对运动为铰链方式的相对运动。

优选的，如图18至图24所示，本例所述相对运动连接组件包括铰链座20，所述第一底盘1通过铰链座20与所述第二底盘7铰链连接；所述万向轮组件包括第三万向轮构件53和第四万向轮构件54，所述第三万向轮构件53与所述第一底盘1铰链连接，所述第四万向轮构件54与所述第二底盘7铰链连接。

更进一步地，本例所述第三万向轮构件53包括第三万向轮531、第三万向轮安装座532和第三固定轴533，所述第三万向轮531通过第三万向轮安装座532与所述第三固定轴533相连接，所述第三万向轮安装座532通过第三固定轴533与所述第一底盘1铰链连接；所述第四万向轮构件54包括第四万向轮541、第四万向轮安装座542和第四固定轴543，所述第四万向轮541通过第四万向轮安装座542与所述第四固定轴543相连接，所述第四万向轮安装座542通过第四固定轴543与所述第二底盘7铰链连接。

本例的负载模块及其负载设置于所述底盘组件的中央；所述驱动总成12安装于所述底盘组件的左右两侧；万向轮组件的第三万向轮531和第四万向轮541优选通过螺丝分别与第三万向轮安装座532和第四万向轮安装座542固定；所述第三万向轮安装座532和第四万向轮安装座542分别通过第三固定轴533和第四固定轴543与底盘组件的第一底盘1和第二底盘7铰链连接。

本例所述第一底盘1通过铰链座20与第二底盘7铰链连接。

图25为万向轮组件的简化工作原理图。“A”&D””为万向轮组件与第二底盘7或第一底盘1的铰接点。当该组件一侧驱动总成12的驱动轮遇到障碍物或行驶到非水平地面时，组件发生右侧状态变化，左右万向轮仍然与地面接触。

图26为第二底盘7的简化受力图。A”点为万向轮组件与第二底盘7的铰接点，设该点支撑力为F3；C1和C2为铰链座20的铰接点，简化受力可得C”点为其合力点，合力为F1；B1和B2分别为驱动总成12的两个驱动轮的支撑点，简化受力可得B”点为其合力点，合力为F4；A”、B”、C”点都在第二简支梁上。

图27为第一底盘1的简化受力图。同上所述，C1和C2为铰链座20的铰接点，合力为F1，方向与第二底盘7上相反；D”点为万向轮组件与第一底盘1的铰接点，设该点支撑力为F2；E”点为货物载荷着力点，负载压力为F0；

图28为第一简支梁和第二简支梁组成的结构力学图形。E”点为负载着力点，C”点为第一底盘1与第二底盘7链接位置(铰链连接)，D”和A”点为万向轮组件铰接点(可视为滑动支撑)，B”点为驱动总成12的驱动轮支撑点(可视为固定支撑)。

已知L1＝L4，L3+L4＝L2，可得F1＝L2/(L1+L2)*F0、F2＝L1/(L1+L2)*F0、F3＝L4/(L3+L4)*F1＝L1/(L1+L2)*F0＝F2、F4＝L3/(L3+L4)*F1＝(L2-L1)/(L1+L2)*F0。验算：F2+F3+F4＝L1/(L1+L2)*F0+L1/(L1+L2)*F0+(L2-L1)/(L1+L2)*F0＝F0，结果成立；其中，L1为所述第一底盘1和第二底盘7之间的铰链位置C”与所述负载着力点E”之间的长度；L2为所述万向轮组件铰接点D”与所述负载着力点E”之间的长度；L3为所述第四万向轮构件54的铰接点A”与所述第一底盘1和第二底盘7之间的铰链位置C”之间的长度；L4为所述驱动总成12中驱动轮支撑点B”与所述第一底盘1和第二底盘7之间的铰链位置C”之间的长度。

图29为底盘组件的简化工作原理图；结合图25及图28，本例所述的底盘结构可在地面不平整的情况下实现A”、B”和D”三点对应的驱动轮及万向轮全部着地，不会出现轮子悬空或打滑的情况。

综上所述，本例具备以下特性：第一、可实现比例分配负载至各支撑点(驱动总成12和万向轮组件中的轮子)。负载重量越大，驱动轮所产生的摩擦力(f＝u*N*g)越大，解决了传统弹簧负载结构在高负载情况下摩擦力不够导致打滑的问题；第二、所述底盘为多级简支梁结构，可在不平整地面上行驶并保证所有轮子不悬空；第三、假设所是移动机器人的底盘尺寸设计为L1＝120，L2＝400，所述底盘组件的重量不计。移动机器人小车底盘于平整地面上行驶，根据上面的分析数据可知：F2＝F3＝L1/(L1+L2)*F0≈0.23*F0，F4＝L3/(L3+L4)*F1＝(L2-L1)/(L1+L2)*F0≈0.54*F0；当负载重量F0＝500kg时，F2＝F3＝115kg，F4＝270kg，每个万向轮承载重量为57.5kg，每个驱动轮承载重量为135kg；当负载重量F0＝1000kg时，F2＝F3＝230kg，F4＝540kg，每个万向轮承载重量为115kg，每个驱动轮承载重量为270kg。

当移动机器人行驶到图25及图27所示的复杂地面时，万向轮组件可实现图25右图所示的自适应着地。第二底盘7实现如图26所示的A”、B1和B2三点着力(三点一面)，与其连接的驱动轮可完全附着于地面。第一底盘1如图28所示，C1、C2和D”三点着力，与其铰链连接的万向轮组件上的万向轮也可同时着地。

本例所述底盘结构简单，无需其它装置即可保证驱动轮及辅助万向轮始终附着于地面；所述底盘组件采用二级简支梁结构可有效的分配车身及负载重量至各个轮胎，底盘整体结构受力分布均匀，可实现载重无限大仍不打滑的目的；而且，简单的二级简支梁结构可在无弹簧、液压缸等辅助装置的情况下保证底盘所有轮胎均附着于地面。本例所述驱动总成12的驱动轮对地附着力始终与总负载重量呈一定比例特性，负载重量越大，驱动轮对地附着力越大。在结构强度和驱动动力足够的情况下，该底盘结构可保证驱动轮始终不打滑。

值得一提的是，传统的移动机器人底盘采用弹簧结构使驱动轮附着于地面，而弹簧产生的驱动轮对地附着力为有限的固定值。当负载达到一定程度时会出现驱动轮打滑的情况，本例能够从根本上解决该问题。

以上所述之具体实施方式为本实用新型的较佳实施方式，并非以此限定本实用新型的具体实施范围，本实用新型的范围包括并不限于本具体实施方式，凡依照本实用新型之形状、结构所作的等效变化均在本实用新型的保护范围内。