一种运动底盘、装置及其机器人的制作方法

1.本技术涉及机器人技术领域，更具体地，涉及一种运动底盘、装置及其机器人。


背景技术：

2.随着技术进步，用于操作的机器人产品从工厂专业生产线走出，实现与人类共同工作和生活（协作机器人）；为了更自主、经济地工作，需要赋予操作机器人移动能力，而不是只能固定在一个点工作；市场上出现了具有移动能力的操作机器人产品，一种是轮式底盘+操作臂（单臂/多臂）的复合机器人产品，一种是足式（双足/多足）底盘+操作臂的仿生机器人。
3.轮式底盘由于固有的稳定性常用于与协作机械臂一起构成复合机器人用于多工位的灵活操作和搬运，但由于其稳定性是由较大的轮距和重量导致的，所以其仅适合于工厂等空间宽阔的场合。
4.足式底盘采用仿生设计方法，几乎可适应于任意的地面环境中，但由于足式结构需要实时平衡机器人本身的运动及外部载荷的作用，对控制方法要求较高，虽然现有基于ai的运动控制技术有了较好的发展，但其远未达到工程化和产品化的阶段，其实时平衡控制对能量的消耗亦较高，同时由于其多关节结构较为复杂，也导致成本较高。


技术实现要素：

5.基于此，本技术实施例提供一种运动底盘、装置及其机器人，以使得运动底盘的结构简化，且适用灵活。
6.第一方面，本技术实施例提供一种运动底盘，采用了如下所述的技术方案：
7.一种运动底盘， 用于带动负载运动，所述运动底盘包括：基座、驱动轮组和挂载臂；
8.所述驱动轮组设置于所述基座，以带动所述基座运动；
9.所述挂载臂包括依序串联的多个关节模组和连杆；其中，每个所述关节模组为模块化的关节动力模组，且可围绕中心轴旋转运动；
10.所述挂载臂的一端固定于所述基座，另一端为挂载端，用于挂载负载。
11.进一步的，所述多个关节模组包括：第一关节模组、第二关节模组和第三关节模组；所述多个连杆包括：第一连杆、第二连杆和第三连杆；
12.所述第一关节模组、所述第一连杆、所述第二关节模组、所述第二连杆、所述第三关节模组和所述第三连杆依序串联；
13.所述第一关节模组固定于所述基座；所述第三连杆的末端作为所述挂载端。
14.进一步的，所述第一关节模组以中心轴垂直于所述基座的角度固定于所述基座；
15.所述第二关节模组的中心轴垂直于所述第一关节模组的中心轴设置；
16.所述第三关节的中心轴与所述第二关节的中心轴平行设置；
17.所述第一连杆与所述第一关节模组的中心轴成小于90的度角度设置。
18.进一步的，所述第一关节模组固定于所述基座的几何中心或者重心所在位置。
19.进一步的，所述驱动轮组至少包括：第一动力轮、第二动力轮和万向从动轮；
20.所述第一动力轮和所述第二动力轮同轴设置；所述万向从动轮分别与所述第一动力轮和所述第二动力轮非同轴设置。
21.进一步的，所述第一动力轮和所述第二动力轮为驱控一体型的轮毂电机模块。
22.进一步的，所述万向从动轮、所述第一动力轮和所述第二动力轮呈等腰三角形布置；其中，所述万向从动轮位于所述等腰三角形的顶点。
23.进一步的，每个所述关节模组沿轴向依序包括：驱动器、制动器、电机和减速器；或驱动器、制动器和电机；和/或
24.每个所述关节模组沿轴向对应负载的一端还包括：力矩传感器；
25.所述力矩传感器固定于关节模组的所述对应负载的一端；且位于对应所述关节模组的电机的一侧。
26.第二方面，本技术实施例提供一种运动底盘装置，所述运动底盘装置包括上面任一项所述的运动底盘和控制器；
27.所述控制器分别与所述驱动轮组和所述关节模组通信连接；
28.所述控制器，用于向所述驱动轮组发送驱动运动指令，以指示所述驱动轮组带动所述运动底盘向第一方向加速运动；以及
29.向所述关节模组发送关节运动指令，以指示所述关节模组运动，从而带动所述挂载端的负载向所述第一方向运动，以通过改变重心重力产生倾覆力矩，从而平衡所述运动底盘因所述加速运动产生的后仰力矩。
30.第三方面，本技术实施例提供一种机器人，包括机器人本体和上面所述的运动底盘装置；
31.所述机器人本体作为所述负载挂载于所述底盘的所述挂载端。
32.与现有技术相比，本技术实施例主要有以下有益效果：
33.本技术实施例通过设置包括多个关节模组和连杆的挂载臂，可通过挂载臂对挂载端的姿态实时调整，以实现运动底盘的高动态动力学控制，从而提高了运动底盘的稳定性。
34.另外，通过将关节模组等关键动力部件进行模块化设计，可根据需要任意调整基座和连杆的结构尺寸以适用于不同空间尺寸要求，而不必对关节模组等进行重新设计，既简化了运动底盘的整体结构设计，还提高了运动底盘适用的灵活性和通用性。
附图说明
35.为了更清楚地说明本技术的方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作一个简单介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
36.图1为本技术提供的运动底盘的一个实施例的结构示意俯视图；
37.图2为图1提供的运动底盘的结构示意侧视图；
38.图3为本技术提供的运动底盘向左侧加速运动状态下的一个实施例的结构示意侧视图；
39.图4为本技术提供的关节模组的一个实施例的平面结构示意图。
40.附图标记：10运动底盘；11基座；12驱动轮组；13挂载臂；121第一动力轮；122第二动力轮；123万向从动轮；131关节模组；132连杆；133挂载端；1311驱动器；1312制动器；1313电机；1314减速器；1315力矩传感器；j1第一关节模组；j2第二关节模组；j3第三关节模组；l1第一连杆；l2第二连杆；l3第三连杆。
具体实施方式
41.除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本技术技术领域的技术人员通常理解的含义相同；本文中在申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本技术；本技术的说明书和权利要求书及上述附图说明中的术语“包括”和“具有”以及它们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。本技术的说明书和权利要求书或上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。
42.在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本技术的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。
43.除非另有定义，本文中提及某一个结构件“固定于”、“固定连接”另一个结构件等类似描述，包括两个结构件之间预制成一体或者通过居中件固定连接等的固定方式。
44.为了使本技术领域的人员更好地理解本技术方案，下面将结合附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
45.如图1和图2所示，图1为本技术提供的运动底盘的一个实施例的结构示意俯视图；图2为图1提供的运动底盘的结构示意侧视图。
46.本技术实施例提供一种运动底盘10，该运动底盘10包括：基座11、驱动轮组12和挂载臂13。
47.支撑轮12设置于基座11，以带动基座11运动。
48.在一个实施例中，驱动轮组中的各个轮的中心轴通过轴承与基座可转动地连接。
49.挂载臂13包括依序串联的多个关节模组131和连杆132；挂载臂的一端固定于基座，另一端为挂载端133，用于挂载负载，比如：机器人本体（图中省略）。
50.其中，每个关节模组为模块化的关节动力模组，后面实施例会有对关节模组进一步的举例说明。
51.关节模组可围绕中心轴旋转运动，并通过关节模组的输出部固定连接连杆。
52.通过设置包括多个关节模组131和连杆132的挂载臂，可通过对挂载端姿态实时调整实现运动底盘的高动态动力学控制。
53.示例性的，如图3所示，图3为本技术提供的运动底盘向左侧加速运动状态下的一个实施例的结构示意侧视图。当运动底盘向左加速运动时，第二关节j2和第三关节j3逆时针旋转，以将挂载端133的重心向左移动，由此重心重力产生倾覆力矩mg以平衡系统向左加速产生的后仰力矩ma以实现高加速稳定运动。
54.本技术实施例通过设置包括多个关节模组和连杆的挂载臂，可通过挂载臂对挂载端的姿态实时调整，以实现运动底盘的高动态动力学控制，从而提高了运动底盘的稳定性。
55.另外，通过将关节模组等关键动力部件进行模块化设计，可根据需要任意调整基座和连杆的结构尺寸以适用于不同空间尺寸要求，而不必对关节模组等进行重新设计，既简化了运动底盘的整体结构设计，还提高了运动底盘适用的灵活性和通用性。
56.继续如图1和图2所示，在一个实施例中，挂载臂13包括：第一关节模组j1、第二关节模组j2、第三关节模组j3、第一连杆l1、第二连杆l2和第三连杆l3。则第三连杆l3的末端作为挂载端133。
57.第一关节模组j1、第一连杆l1、第二关节模组j2、第二连杆l2、第三关节模组j3和第三连杆l3依序串联。
58.第一关节模组j1固定于基座11；第三连杆l3的末端作为挂载端133。
59.本技术实施例通过将第一关节模组、第一连杆、第二关节模组、第二连杆、第三关节模组和第三连杆依序串联，充分考虑三维空间的运动要求，有利于挂载臂在三维空间范围内的灵活位置调整。
60.继续如图1和图2所示，在一个实施例中，第一关节模组j1固定于基座11的几何中心或者重心所在位置处，从而可以增加整个运动底盘的稳定性。
61.继续如图1和图2所示，在一个实施例中，第一关节模组j1以中心轴垂直于基座11的角度固定于基座11；第二关节模组j2的中心轴垂直于第一关节j1的中心轴设置；第三关节模组j3的中心轴与第二关节模组j2的中心轴平行设置。
62.本技术实施例中，第二关节模组j2与第三关节模组j3构成平面连杆机构，实现挂载点二维空间平面的任意运动，加入垂直的第一关节模组j1实现笛卡尔坐标系中另一平移维度的运动进而实现三维空间的任意平移运动。
63.进一步，在一个实施例中，第一连杆l1与第一关节模组j1的中心轴0成小于90度角度设置，如此可实现第二关节模组j2与第一关节模组j1轴线的偏置以使挂载端133的重心与主动轮轴心有更大的偏移调整量以最大化紧急制动时所需的平衡力矩。
64.需要说明的是，第二连杆l2通常垂直于第二关节模组j2的中心轴设置，但也可以根据需要成其他角度设置；第三连杆l3通常垂直于第三关节模组j3的中心轴设置，但也可以根据需要成其他角度设置。
65.在本技术实施例中，通过第一关节模组j1带动第二关节模组j2围绕第一关节模组j1的中心轴旋转，从而实现挂载端133绕z轴(重力方向)转动；通过第二关节模组j2带动第三关节模组j3向左右转动，从而实现挂载端绕y轴(垂直于重力方向和前进方向)转动；第三关节模组j3带动第三连杆l3向左右旋转，从而与第二关节模组j2配合实现挂载端133在垂直于第三关节模组j3的平面内的平面运动。
66.继续如图1所示，在一个实施例中，驱动轮组12至少包括：第一动力轮121、第二动力轮122和万向从动轮123。
67.其中，第一动力轮和第二动力轮同轴设置；万向从动轮分别与第一动力轮和第二动力轮非同轴设置。
68.示例性的，如图1所示，万向从动轮123、第一动力轮121和第二动力轮122呈等腰三角形布置，其中，万向从动轮位于三角形的顶点。
69.本技术实施例通过设置万向从动轮，从而使得底盘向各个方向的运动更加顺畅。
70.在一个实施例中，第一动力轮和第二动力轮为驱控一体型的轮毂电机模块，即将
驱动件和动力轮整合为一个动力模块。
71.本技术实施例通过将驱动轮组和关节模组关键动力部件进行模块化设计，可根据需要任意调整基座和连杆的结构尺寸以适用于不同空间尺寸要求，而不必对驱动轮组和关节模组进行重新设计，既简化了运动底盘的整体结构设计，还提高了运动底盘适用的灵活性和通用性。
72.如图4所示，图4为本技术提供的关节模组的一个实施例的平面结构示意图。在一个实施例中，每个关节模组131沿轴向可以包括：驱动器1311、制动器1312、电机1313和减速器1314等。
73.在另一个实施例中，关节模组也可以为无减速器的直驱模块。则每个关节模组沿轴向可以包括：驱动器、制动器和电机等（省略附图）。
74.除上面实施例所述，关节模组也可以根据需要采用其它模块化的结构布局。
75.继续如图4所示，在一个实施例中，关节模组131沿轴向对应负载的一端还设置力矩传感器1315。
76.在一个实施例中，力矩传感器的弹性梁在受到扭转时发生形变，而应变片粘贴在弹性梁的敏感位置，应变片的敏感材料一般为金属细丝，其在受力条件下，电阻值会发生微弱变化，从而基于应变片的电阻值的微弱变化，输出相应的电压信号，进而后续分析得到关节模组的受力情况。
77.进一步，在一个实施例中，力矩传感器位于关节模组沿轴向对应负载的一端，且对应电机的一侧。
78.示例性的，力矩传感器的弹性梁可以贴附在关节模组与电机输出端固定连接的法兰盘（即关节模组沿轴向对应负载的一端）对应电机内侧的表面。
79.本技术实施例通过设置力矩传感器可实时检测负载的扭矩并相应进行位置调整以实现所挂负载的主动避震；另外，还可以基于力矩传感器测量的扭矩值生成关节运动指令（后面实施例会有进一步举例说明）。
80.基于上面实施例所述运动底盘，本技术实施例还提供一种运动底盘装置。该装置包括上面实施例所述的运动底盘和控制器（图中省略）。
81.具体地，控制器可以固定于基座，或者统一设置在挂载在运动底盘的负载端（比如：机器人本体）等等。
82.控制器分别与驱动轮组和关节模组通过有线或者无线的方式通信连接。
83.需要指出的是，上述无线连接方式可以包括但不限于3g/4g/5g连接、wifi连接、蓝牙连接、wimax连接、zigbee连接、uwb( ultra wideband )连接、以及其他现在已知或将来开发的无线连接方式。
84.控制器，用于向驱动轮组发送驱动运动指令，以指示驱动轮组带动运动底盘向第一方向加速运动；以及向关节模组发送关节运动指令，以指示关节模组带动挂载端向第一方向运动，以通过改变重心重力产生倾覆力矩，从而平衡运动底盘的加速运动产生的后仰力矩。
85.继续基于前面的示例所述，示例性的，响应于外部输入的向左加速运动的指令等，控制器生成并向驱动轮组发送驱动运动指令以指示驱动轮组带动底盘向左加速运动；同时或者在发送驱动运动指令之前，控制器还基于预设规则生成并向第二关节模组j2和第三关
节模组j3发送关节运动指令，以指示第二关节模组j2和第三关节模组j3逆时针旋转，从而将位于挂载端133的负载的重心向左移动，由此基于负载的重心重力产生倾覆力矩mg以平衡系统向左加速产生的后仰力矩ma以实现高加速稳定运动。
86.具体地，对于上述第一关节模组j1、第二关节模组j2和第三关节模组j3的关节运动指令（比如：旋转角度和方向），可以预先设计定值进行存储，比如：预先基于运动底盘为中心向前、后、左和右四个方向加速运动时，给与第一关节模组j1、第二关节模组j2和第三关节模组j3旋转运动量的预设定值，控制器基于实际的加速运动方向按照预设地址从存储器或者服务器匹配得到对应的有关关节运动指令的预设定值；除此之外，控制器也可以根据实际情况基于现在已有或将来开发的各种方法随机生成关节运动指令。比如：基于上面实施例所述的力矩传感器传递的负载扭矩值，按照预设规则迭代进行调整，具体地，对应不同的加速运动方向，控制器每次获取各关节模组预设的最小单位旋转角度和方向，并基于此迭代进行调整，直到通过力矩传感器测量得到的负载扭矩值满足预设阈值范围要求为止。
87.基于外部传感器采集的数据或者人工输入等等，采用各种现在已有或将来开发的方法生成驱动轮组和关节模组的运动指令，以指示驱动轮组和关节模组运动。
88.上述控制器可以但不限于是：计算机终端(personal computer，pc)；工业控制计算机终端(industrial personal computer， ipc)；移动终端；服务器；包括终端和服务器的系统，并通过终端和服务器的交互实现；可编程逻辑控制器(programmable logic controller，plc)；现场可编程门阵列(field-programmable gate array，fpga)；数字信号处理器(digital signalprocesser，dsp)或微控制单元(microcontroller unit，mcu)。
89.本技术实施例基于驱动轮组的运动，生成关节模组的运动控制指令，以指示挂载臂带动负载向驱动轮组运动的反方向运动等等，由此通过改变重心重力产生倾覆力矩，以平衡系统向左加速产生的后仰力矩，从而实现高加速稳定运动。
90.本技术实施例通过设置包括多个关节模组和连杆的挂载臂，可通过挂载臂对挂载端的姿态实时调整，以实现运动底盘的高动态动力学控制，从而提高了运动底盘装置的稳定性。
91.另外，通过将关节模组等关键动力部件进行模块化设计，可根据需要任意调整基座和连杆的结构尺寸以适用于不同空间尺寸要求，而不必对关节模组等进行重新设计，既简化了运动底盘的整体结构设计，还提高了运动底盘装置适用的灵活性和通用性。
92.基于上面实施例所述的运动底盘装置，本技术提供一种机器人（省略附图），机器人包括机器人本体和上面实施例所述的运动底盘装置。
93.在一个实施例中，以人形机器人为例，可以将运动底盘作为机器人的腿部，而将机器人上半身结构（即机器人本体）挂载在运动底盘的挂载端，通过运动底盘代替机器人的腿部，带动机器人运动。
94.需要说明的是，上述机器人可以为现在已有或将来开发的任何机器人，比如：人形机器人或者工业机械手，本技术不做限定。
95.本技术实施例通过设置包括多个关节模组和连杆的挂载臂，可通过挂载臂对挂载端的姿态实时调整，以实现运动底盘的高动态动力学控制，从而提高了运动底盘的稳定性，进而提高机器人运动的稳定性。
96.另外，通过将关节模组等关键动力部件进行模块化设计，可根据需要任意调整基座和连杆的结构尺寸以适用于不同空间尺寸要求，而不必对关节模组等进行重新设计，既简化了运动底盘的整体结构设计，还提高了运动底盘适用的灵活性和通用性，进而提高机器人适用的灵活性和通用性。
97.显然，以上所描述的实施例仅仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例，附图中给出了本技术的较佳实施例，但并不限制本技术的专利范围。本技术可以以许多不同的形式来实现，相反地，提供这些实施例的目的是使对本技术的公开内容的理解更加透彻全面。尽管参照前述实施例对本技术进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来而言，其依然可以对前述各具体实施方式所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等效替换。凡是利用本技术说明书及附图内容所做的等效结构，直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理在本技术专利保护范围之内。

技术特征：
1.一种运动底盘， 用于带动负载运动，其特征在于，所述运动底盘包括：基座、驱动轮组和挂载臂；所述驱动轮组设置于所述基座，以带动所述基座运动；所述挂载臂包括依序串联的多个关节模组和连杆；其中，每个所述关节模组为模块化的关节动力模组，且可围绕中心轴旋转运动；所述挂载臂的一端固定于所述基座，另一端为挂载端，用于挂载负载。2.根据权利要求1所述的运动底盘，其特征在于，所述多个关节模组包括：第一关节模组、第二关节模组和第三关节模组；所述多个连杆包括：第一连杆、第二连杆和第三连杆；所述第一关节模组、所述第一连杆、所述第二关节模组、所述第二连杆、所述第三关节模组和所述第三连杆依序串联；所述第一关节模组固定于所述基座；所述第三连杆的末端作为所述挂载端。3.根据权利要求2所述的运动底盘，其特征在于，所述第一关节模组以中心轴垂直于所述基座的角度固定于所述基座；所述第二关节模组的中心轴垂直于所述第一关节模组的中心轴设置；所述第三关节的中心轴与所述第二关节的中心轴平行设置；所述第一连杆与所述第一关节模组的中心轴成小于90的度角度设置。4.根据权利要求2或3所述的运动底盘，其特征在于，所述第一关节模组固定于所述基座的几何中心或者重心所在位置。5.根据权利要求1至3中任一项所述的运动底盘，其特征在于，所述驱动轮组至少包括：第一动力轮、第二动力轮和万向从动轮；所述第一动力轮和所述第二动力轮同轴设置；所述万向从动轮分别与所述第一动力轮和所述第二动力轮非同轴设置。6.根据权利要求5所述的运动底盘，其特征在于，所述第一动力轮和所述第二动力轮为驱控一体型的轮毂电机模块。7.根据权利要求5所述的运动底盘，其特征在于，所述万向从动轮、所述第一动力轮和所述第二动力轮呈等腰三角形布置；其中，所述万向从动轮位于所述等腰三角形的顶点。8.根据权利要求1或2所述的运动底盘，其特征在于，每个所述关节模组沿轴向依序包括：驱动器、制动器、电机和减速器；或驱动器、制动器和电机；和/或每个所述关节模组沿轴向对应负载的一端还包括：力矩传感器；所述力矩传感器固定于关节模组的所述对应负载的一端；且位于对应所述关节模组的电机的一侧。9.一种运动底盘装置，其特征在于，所述运动底盘装置包括权利要求1至8中任一项所述的运动底盘和控制器；所述控制器分别与所述驱动轮组和所述关节模组通信连接；所述控制器，用于向所述驱动轮组发送驱动运动指令，以指示所述驱动轮组带动所述运动底盘向第一方向加速运动；以及向所述关节模组发送关节运动指令，以指示所述关节模组运动，从而带动所述挂载端的负载向所述第一方向运动，以通过改变重心重力产生倾覆力矩，从而平衡所述运动底盘因所述加速运动产生的后仰力矩。
10.一种机器人，其特征在于，包括机器人本体和权利要求9所述的运动底盘装置；所述机器人本体作为所述负载挂载于所述底盘的所述挂载端。

技术总结
本申请实施例属于机器人技术领域，涉及一种运动底盘，用于带动负载运动，运动底盘包括：基座、驱动轮组和挂载臂；驱动轮组设置于基座，以带动基座运动；挂载臂包括依序串联的多个关节模组和连杆；其中，每个关节模组为模块化的关节动力模组，且可围绕中心轴旋转运动；挂载臂的一端固定于基座，另一端为挂载端，用于挂载负载。本申请还涉及一种运动底盘装置及机器人。本申请提供的技术方案能够使得运动底盘结构简化，且适用灵活。且适用灵活。且适用灵活。


技术研发人员：胡万权 许晋诚
受保护的技术使用者：帕西尼感知科技（张家港）有限公司
技术研发日：2023.06.08
技术公布日：2023/9/20