一种麦克纳姆轮全向车用主动悬架装置

1.本发明属于智能全向车配套设备领域，涉及一种麦克纳姆轮全向车用主动悬挂装置。


背景技术：

2.基于麦克纳姆轮的全向车由于其灵活的机动性，在智能搬运、加工、装配等领域得到了广泛应用。麦克纳姆轮全向车实现全向移动依靠四个麦克纳姆轮的协同配合，要求在运行过程中保证四个轮子与地面的可靠接触，同时，全向移动的运动学性能与轮距、轴距直接相关。因此悬架系统对于麦克纳姆轮全向车必不可少，并且悬架工作时应尽不改变整车轮距、轴距。
3.现有的全向车悬架装置大多基于传统汽车的悬架形式，采用被动弹簧、阻尼器来实现缓和冲击，保证轮子的接地性。该类形式的悬架装置在面对凸凹不平的路面时，虽能被动使车轮抬高或降低，在一定程度上保证了车轮与地面的可靠接触。但在智能全向车上应用也存在以下问题：整车轮距或轴距发生变化，影响麦克纳姆轮全向车的运行精度；底盘高度无法主动调节，面对过高障碍时，车辆无法顺利通过；车体会发生倾斜，降低了运载过程中整车的稳定性，易发生侧翻、搬运物品损坏；悬架装置达到稳定耗时长，弹簧及阻尼器缓和、吸收振动过程中，振动强度随时间衰减，导致车体不平稳时间较长。


技术实现要素：

4.为解决以上问题，本发明提供一种麦克纳姆轮全向车用主动悬架装置，旨在解决麦克纳姆轮在一定条件下与地面的接触不良及车体倾斜、现有悬架工作时带来的轴距和轮距产生变化的问题。
5.为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：
6.一种麦克纳姆轮全向车用主动悬架装置，所述主动悬架装置包括主动悬架、激光传感器5和位姿传感控制器8。所述的激光传感器5与位姿传感控制器8通信，位姿传感控制器8与主动悬架相通信，并且位姿传感控制器8的优先级优先于激光传感器5信号，保证全向车上坡时不触发激光传感器5，以避免与位姿传感控制器调节车架7水平的过程相冲突。所述位姿传感控制器8由位姿传感器和控制芯片组成，安装于车架7中心位置，用于实时监测由于麦克纳姆轮61接触地面不良引起的车体倾斜状态，并可主动下发主动悬架控制信号，以实时监测麦克纳姆轮61与地面的接触情况，在麦克纳姆轮61未可靠接地时，及时调整主动悬挂。所述激光传感器5安装在车架7最底部中心位置，能够检测到前后左右的障碍物，激光传感器5在监测到全向车行驶方向上高于最小离地间隙的障碍物时，发送信号调整主动悬挂使车架最小离地间隙增大，以顺利越障。所述主动悬架共四组，每组主动悬挂通过支架安装座4分别连接一个麦克纳姆轮驱动轮组6，并通过l型板架1连接固定在车架7的左前侧、左后侧、右前侧、右后侧。所述主动悬架包括导向机构2、升降传感机构3、固定在车架7上的l型板架1、支架安装座4。所述升降传感机构3包括作动器31、位移计34、作动器底部连接端支
架32、位移计底部连接端支架35、作动器推杆伸缩端支架33、位移计活动端支架36。所述作动器31与位移计34轴向平行安装，所述作动器31底部连接端、位移计34底部连接端分别连接到均固定于l型板架1顶板底面上的作动器底部连接端支架32、位移计底部连接端支架35，所述作动器31推杆伸缩端安装在固定于导向机构2上的支架安装座4上，位移计34活动端安装在固定于支架安装座4上的位移计活动端支架36；所述支架安装座4底部连接电机支架64以实现与麦克纳姆轮驱动轮组6的连接，而背部则连接导向机构2。
7.所述导向机构2包括滑块22、u型覆板23、橡胶垫块24、限位块25及导轨21。所述导向机构2的导轨21两个顶端即末端安装限位块25，用于限制作动器3及位移计5的极限伸出长度，防止零件损坏；所述限位块25正对滑块22的位置安装橡胶垫块24，防止滑块22与限位块25发生刚性碰撞；所述u型覆板23与滑块22连接并固定在支架安装座4上，所述滑块22安装在导轨21的柱形槽中；所述导轨21垂直固定在l型板架1上；所述主动悬架的作动器31伸缩端伸缩时，能协同带动位移计34、麦克纳姆轮驱动轮组6在导向机构2的约束下在竖直方向做往复直线运动，并带动主动悬架所连接的车架7一侧在竖直方向升高或降低，以保证主动调节主动悬挂时带动麦克纳姆轮61升降来可靠接地，并协同带动车架7回到水平位置。
8.进一步的，所述l型板架1的直角处由直角加固支架9辅助加固。
9.进一步的，所述导向机构2的导轨21通过连接l型板架1竖直固定在车架7上，所述导轨21与导轨21中放置的固定在u型覆板23上的滑块22形成间隙配合，滑块22在导轨21的限制下，只能使导向机构2带动固定在导向机构2上的作动器2推杆伸缩端在竖直方向做往复直线运动，以使主动悬架工作时不会影响全向车的轴距、轮距。
10.进一步的，所述l型板架1由相互垂直的立板和顶板组成，所述l型板架1的立板竖直方向开有若干直槽，且立板所开的直槽轴线均在同一竖直面；所述l型板架的顶板沿所述竖直面对称开有若干组直槽，所述l型板架1的立板和顶板开有若干通孔，并与车架7的通孔相互对应；所述导向机构2的导轨21竖直安装在l型板架立板1的直槽中，所述作动器底部连接端支架32、位移计底部连接端支架35通过螺栓紧固件连接到l型板架1顶板的底面对应的通孔或直槽中。
11.进一步的，所述作动器3底部连接端有径向连接孔且其轴线与作动器底部连接端支架31轴线相互垂直；所述位移计5底部连接端有径向连接孔且其轴线与位移计底部连接端支架51轴线相互垂直；所述作动器底部连接端支架31、位移计底部连接端支架51的顶板均水平固定在l型架板1的顶板下侧，以使作动器底部连接端支架31连接的作动器3与位移计底部连接端支架51连接的位移计5的轴向平行，保证位移计5所测位移值即为作动器3推杆伸缩值，以精准反馈、控制作动器3的伸缩，保证能够准确的控制并监测主动悬挂的位移调整量。
12.进一步，所述作动器31底部连接端、作动器31推杆伸缩端、位移计底34部连接端、位移计34活动端均开有径向通孔；所述作动器底部连接端支架32、位移计底部连接端支架35、作动器推杆伸缩端支架33、位移计活动端支架36均为“π”型结构，均包括顶板与两立板，所述顶板与两立板相互垂直，在两立板中心位置开有水平方向的通孔，两立板所开通孔同轴。所述作动器底部连接端支架、位移计底部连接端支架的顶板均安装在l型板架顶部的底面上。
13.进一步，所述作动器31底部连接端、作动器31推杆伸缩端、位移计34底部连接端、
位移计34活动端的径向通孔分别对应作动器底部连接端支架32、位移计底部连接端支架35、作动器推杆伸缩端支架33、位移计活动端支架36的两立板通孔并通过销轴连接；所述作动器底部连接端支架32、位移计底部连接端支架35的顶板均安装在l型板架1顶板的底面上；所述作动器推杆伸缩端支架36侧板竖直放置，顶板与导向机构2的u型覆板23正面的下端开有若干同轴通孔，使用螺栓紧固件穿入通孔将二者连接；所述位移计34活动端安装到固定于安装座支架上4的位移计活动端支架36；所述安装座支架4为u型结构，包括相互垂直的一个宽立板、一个窄立板、一个底板，且宽立板与窄立板相互平行并在底板同侧，所述窄立板在竖直方向开有一组对称的若干通孔，所述宽立板在竖直方向开有两组对称的若干通孔，其中宽立板外侧的一组通孔与侧板竖直放置的位移计活动端支架36的顶板通孔通过螺栓连接。
14.进一步，所述u型覆板23由相互垂直的两个侧板、一个立板构成，所述两个侧板底部开有同轴对称的通孔，所述安装座支架4宽立板另一组通孔与窄立板的通孔固定安装在上述u型覆板23的侧面底部通孔上；所述u型覆板23的立板上侧在竖直轴线对称开有若干通孔，所述滑块22在长轴对称开有若干对应的螺纹孔，所述u型覆板23的立板上侧的背部开有通孔的位置与滑块22的螺纹孔通过螺钉固定连接；所述滑块22放置在竖直安装在l型板架1的导轨21柱形槽内形成间隙配合，并能沿着导轨21往复直线运动；所述导轨21在两端安装限位块25，所述限位块25面对滑块22一侧安装橡胶垫块24。
15.进一步，所述麦克纳姆轮驱动轮组6包括麦克纳姆轮61、联轴器62、伺服减速驱动电机63、电机支架64、辅助加固支架65。所述麦克纳姆轮61通过联轴器62与伺服减速驱动电机63连接，所述伺服减速驱动电机63通过辅助加固支架固定在电机支架64上，所述电机支架64安装在支架安装座4底板的上侧；所述辅助加固支架65包括辅助加固支架上板651、辅助加固支架下板652及螺栓紧固件；所述辅助加固支架65通过螺栓螺母组件加紧卡住伺服减速驱动电机63，以抵抗服减速驱动电机63工作时产生的力矩，即用来抵抗由麦克纳姆轮61传递给伺服减速驱动电机63及电机支架64的弯矩，提高结构刚度。
16.本发明申请一种麦克纳姆轮全向车用主动悬架装置，与麦克纳姆轮驱动轮组6相连接后，安装在全向车的车架7上，由安装在车架7上的位姿传感控制器8实时监测由麦克纳姆轮61与地面接触不良产生的车体7倾斜状态，在麦克纳姆轮61与地面接触不良时，主动悬架在垂向做往复直线运动，主动调整悬架作动器31推杆长度并监测车体倾斜度，直至麦克纳姆轮61与地面可靠接触并带动车架7回到水平状态，整个过程全向车的轴距及轮距不发生改变，以同时保证全向车的全向运动性能和运行精度，以及运载物品或搭载设备的稳定。另外，在全向车运行时，当激光传感器5检测到有无法跨越的障碍物时，位姿传感控制器8控制主动悬架自主调节车架的离地高度，调高车架7离地间隙，使全向车顺利通过，而越障后降低离地间隙，以降低整车重心位置，兼顾全向车的通过性与行驶稳定性。此外，导向机构2的限位块25及橡胶垫块24的设立，可防止主动悬架各零件因超量程损坏及产生刚性碰撞。
17.本发明的有益效果如下：
18.(1)本发明麦克纳姆轮全向车用主动悬架装置中的导向机构2在垂向直线做往复运动，能够保证悬挂装置在工作过程中，整车轮距和轴距不发生变化，不会因轴距、轮距的改变影响全向车的运行精度。
19.(2)本发明麦克纳姆轮全向车用主动悬架装置中的位姿传感控制器8能够实时监
测麦克纳姆轮6与地面的接触情况，在麦克纳姆轮6接地不良时，主动控制主动悬架，以使麦克纳姆轮61可靠接地，并带动车体7回到水平状态。
20.(3)本发明麦克纳姆轮全向车用主动悬架装置中的激光传感器5在检测到超过车架最底部的障碍物时，位姿传感控制器8控制四组主动悬架协同伸长，使车架最小离地间隙增大，在全向车顺利越障后的平台路面，使车架7最小离地间隙降低，降低整车重心，以提高运行稳定性。
21.(4)本发明麦克纳姆轮全向车用主动悬架装置中的辅助加固支架65通过螺栓螺母加紧卡住伺服减速驱动电机63，以便抵抗由麦克纳姆轮61传递给伺服减速驱动电机63及电机支架64的弯矩，提高结构刚度。
22.(5)本发明麦克纳姆轮全向车用主动悬架装置中的直角加固支架9固定在所述l型板架1的直角处，用于增强主动悬架的结构刚度。
23.(6)本发明麦克纳姆轮全向车用主动悬架装置中的作动器31与位移计34轴向平行安装，位移计34的测量值便为作动器31的实时长度，无需复杂解算即可准确测量反馈作动器31长度值，进一步提高了作动器31推杆伸出量的控制精度。
24.(7)本发明麦克纳姆轮全向车用主动悬架装置中的导向机构2安装限位块25，限制作动器31及位移计34的极限伸出长度，防止零件损坏。所述限位块25正对滑块22位置安装橡胶垫块24，防止滑块22与限位块24发生刚性碰撞。
附图说明
25.图1是包括麦克纳姆轮组件和主动悬架机构的悬架总成的结构示意图，此时悬架处于完全缩回的状态；
26.图2是图1的左视图；
27.图3是图1的正等轴测图；
28.图4是悬架总成的结构示意图，为便于观察，图中隐去了麦克纳姆轮；
29.图5是麦克纳姆轮驱动轮组的结构示意图；
30.图6是导轨滑块以及覆板组件的爆炸视图；
31.图7是支架安装座的三视图；图(a)为主视图；图(b)为侧视图；图(c)为俯视图；图(d)为结构整体示意图；
32.图8是主动悬架机构完全伸出时的结构示意图；图(a)为结构整体示意图；图(b)为主视图；图(c)为侧视图；图(d)为俯视图；
33.图9是采用该种悬架总成的麦克纳姆轮车的实施例的结构示意图；
34.图10是图9的三视图；
35.图11是采用该种悬架总成的麦克纳姆轮车的实施例在坑洼路面上调平的示意图，视图方向为麦克纳姆轮车侧面；
36.图12是图11是采用该种悬架总成的麦克纳姆轮车的实施例在斜坡上调平的示意图，视图方向为麦克纳姆轮车正面。
37.图13是采用该种悬架总成的麦克纳姆轮车的实施例主动调节车架离地间隙的示意图，此时悬架处于缩回状态；
38.图14是采用该种悬架总成的麦克纳姆轮车的实施例主动调节车架离地间隙的示
意图，此时悬架处于伸长状态。
39.图中：1-l型板架；2-导向机构；21-导轨；22-滑块；23-u型覆板，24-橡胶垫块；25-限位块；3升降传感机构31-作动器；32-作动器底部连接端支架；33-作动器推杆伸缩端支架；34-位移计；35-位移计底部连接端支架；36-位移计活动端支架；4-支架安装座；5-激光传感器；6-麦克纳姆轮驱动轮组；61-麦克纳姆轮；62-联轴器；63-伺服减速驱动电机；64-电机支架；65-辅助加固支架；651-辅助加固支架上板；652-辅助加固支架下板；7-车架；71-前后方向方管梁架；72-左右方向方管梁架；73-用于垫高的方管梁架；74-底板方管管架；75-底板；8-位姿传感控制器；9-直角加固支架。
具体实施方式
40.需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
41.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是焊接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
42.下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
43.本发明提供的一种麦克纳姆轮全向车用主动悬架装置，如图1至图6所示，包括l型板架1、直角加固支架9、导向机构2、升降传感机构3、支架安装座4、激光传感器5、麦克纳姆轮驱动轮组6、车架7、位姿传感控制器8、直角加固支架9，所述升降传感机构3包括：作动器31、作动器底部连接端支架32、作动器推杆伸缩端支架33、位移计34、位移计底部连接端支架35、位移计活动端支架36。所述位姿传感控制器8由位姿传感器和控制芯片组成，安装于车架中心位置，在全向车运行时，实时监测因麦克纳姆轮与地面接触不良时导致的车体倾斜状态，在轮子与地面接触不良时，能够下发控制主动悬挂控制信号，所述主动悬挂便会升降，直至麦克纳姆轮61完全与地面接触并带动车架7回到水平状态。所述激光传感器5安装在车架最底部中心位置，能够检测到前后左右的方向的障碍物，在全向车运行时，若行驶方向有高于激光传感器所在位置，即高于车架最小离地间隙的障碍物，所述激光传感器发送信号至位姿传感控制器，控制所述四个主动悬挂协同伸长，带动所述车体水平升高高度，增大离地间隙。
44.如图1至图4所示，所述l型板架1包括直角加固支架9，所述l型板架9一侧切削去一部分，避免安装时与所述的麦克纳姆轮组件发生干涉。
45.如图6所示，导向机构2由导轨21、滑块22、u型覆板23、橡胶垫块24、限位块25组成，所述u型覆板23与滑块22通过四根沉头螺钉连接，所述导轨21与l型板架1通过三对螺栓螺母连接，固定在l型板架1立板背面的三个直槽口中，所述滑块22安装在导轨21的柱形槽中；所述导轨21顶部及底部安装限位块25，限制滑块22的极限位移；所述限位块25正对滑块22位置安装橡胶垫块24，防止滑块22与限位块25发生刚性碰撞。
46.如图2、图4所示，所述作动器31底部连接端通过销轴与作动器底部连接端支架32铰接，作动器底部连接端32使用螺栓紧固件固定在l型板架1上，作动器31推杆伸缩端与作
动器推杆伸缩端支架32铰接，作动器推杆伸缩端支架32使用螺栓紧固件固定在u型覆板23上。
47.如图1、图2、图4所示，所述位移计34底部连接端通过销轴连接于位移计底部连接端支架35，位移计底部连接端支架35使用螺栓螺母固定在l型板架1上，位移计31的活动端通过销轴连接于位移计活动端支架36上，位移计活动端支架36通过螺栓螺母件固定在支架安装座4上，支架安装座4通过螺栓螺母安装固定在u型覆板23下端侧面。
48.如图1、图5所示，所述麦克纳姆轮驱动轮组包括麦克纳姆轮61、联轴器62、伺服减速驱动电机63、电机支架64、辅助加固支架65，所述辅助加固支架65包括辅助加固支架上板651和辅助加固支架下板652，所述辅助加固支架65通过螺栓螺母组件加紧卡住伺服减速驱动电机63，所述麦克纳姆轮61通过联轴器62与伺服减速驱动电机63进行连接。
49.如图8所示，所述作动器31推杆伸长，带动u型覆板23、滑块22、支架安装座4、位移计活动端支架36以及位移计34活动端、麦克纳姆轮驱动轮组6在导轨21上做往复直线移动。
50.如图9、图10所示，本发明所述的一种主动悬架麦克纳姆轮车实施例，包括四组主动悬架装置，所述主动悬架装置安置于车架两侧。四组主动悬架装置通过车架7连接，车架7包括前后方向方管梁架71、左右方向方管梁架72、用于垫高的方管梁架73、底板方管管架74和底板75。前后方向的主动悬架装置通过前后方向方管梁架71连接，l型板架1与前后方向方管梁架71设有对应的通孔，可以通过螺栓螺母进行固定。左右方向的主动悬架装置首先与用于垫高的方管梁架73通过螺栓螺母连接，用于垫高的方管梁架73与左右方向方管梁架72通过螺栓螺母连接。底板方管管架74架在前后两根左右方向方管梁架72上，与左右方向方管梁架72通过螺栓螺母连接。底板75与底板方管管架74通过螺栓螺母连接，用于承载位姿传感器等车载电子元器件。所述位姿传感器8安装在车架7的底板75上侧正中心位置，所述激光传感器5安装在车架7的底板75下侧正中心位置。
51.实施例1：根据权利要求1所述的一种麦克纳姆轮全向车用主动悬架装置。其在坑洼路面主动调节使车体水平及麦克纳姆轮驱动轮组可靠接地的实施方案如图11、图12所示。当麦克纳姆轮全向车行驶在坑洼不平路面时，车架会发生倾斜。此时安装在车架7上的位姿传感控制器8检测到车架倾斜后，计算得出四组悬架装置应升高或降低的位移，并将位移指令不断传递至作动器31，四组悬架装置的作动器31收到指令后，主动调节作动器31的推杆伸出长度，作动器31的推杆会带动带动u型覆板23、滑块22、支架安装座4、位移计活动端支架36以及位移计34的活动端、麦克纳姆轮驱动轮组6在导轨21上产生垂向位移，麦克纳姆轮驱动轮组6接触地面之后，在地面支持力的作用下，带动与该组主动悬架装置相连的车架7一端升高或降低，同时，与作动器31平行安装的位移计34实时监测反馈作动器的长度量，以保证对作动器31推杆长度的精确控制。直至位姿传感控制器8检测到回到车架7水平状态，作动器停止工作，主动悬架装置对车体7的调节结束。
52.实施例2：根据权利要求1所述的一种麦克纳姆轮全向车用主动悬架装置。其主动调节车架离地间隙的实施方案如图13、图14所示。当麦克纳姆轮全向车车架底部搭载的激光传感器5检测到比当时车架离地间隙更高的障碍物时，向位姿传感控制器8发送信号，所述位姿传感控制器8协同调节四组主动悬架装置的作动器31的推杆，此时车体垂向的运动过程与实施例1一致，但在麦克纳姆轮61触障碍物前，先控制四组主动悬架装置的作动器31的推杆产生一致的位移，以使车架7水平升高，提高车架7的离地间隙，保证麦克纳姆轮全向
车能顺利通过障碍物，待全向车完全通过障碍物后，所述四组主动悬架装置的作动器31收缩，主动悬架回到调整前状态，车架7最小离地间隙恢复，以降低整车重心，提高全向车行驶的稳定性。
53.以上所述仅是本发明的一种优选实施方式。应当说明，利用本发明所述的技术方案，或本领域的技术人员在本发明技术方案启发下，设计出类似的技术方案，从而达到上述技术效果的，均应当纳入本发明的保护范围。