本發(fā)明涉及一種用于機(jī)器人和機(jī)動車輛行走和轉(zhuǎn)向的集成了液壓制動與懸掛系統(tǒng)的伺服驅(qū)動輪，屬于機(jī)械行走和轉(zhuǎn)向技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

科技帶來的碩果已經(jīng)滲透到了我們生活的方方面面，特別是在汽車行業(yè)里，類似自動泊車、定速巡航，甚至自動駕駛現(xiàn)如今都屢見不鮮。良好的操控感、舒適的駕車環(huán)境、高級私人訂制等雖然可以吸引住大多數(shù)的注意力，但是轉(zhuǎn)向空間的局限、運(yùn)動方式的單一確是一個汽車發(fā)展中掩蓋不住的短板。

雖然現(xiàn)在也有很多采用麥克納姆輪或是多輪體分散驅(qū)動的全方位移動車輛，但是大多為微型化特種載體，或者是車間用AGV(自動導(dǎo)引運(yùn)輸車)等，真正并沒有進(jìn)入日常民用領(lǐng)域。

目前亟需一種可以在停車或是行進(jìn)中360°原地轉(zhuǎn)向，并對于不規(guī)則坑洼路面具有堅(jiān)強(qiáng)的穩(wěn)定通過性能的行走和轉(zhuǎn)向伺服驅(qū)動輪。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了克服現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本發(fā)明提供一種集驅(qū)動、電控、剎車、減震、檢測、控制裝置于一體，結(jié)構(gòu)緊湊，操控性好的集成液壓制動與懸掛系統(tǒng)的行走和轉(zhuǎn)向伺服驅(qū)動輪。

本發(fā)明的集成液壓制動與懸掛系統(tǒng)的行走和轉(zhuǎn)向伺服驅(qū)動輪，采用下述技術(shù)方案：

該行走和轉(zhuǎn)向伺服驅(qū)動輪，包括懸掛箱、懸架、直行傳動鏈、轉(zhuǎn)向傳動鏈、減震模組、剎車模組和控制模組；懸掛箱與懸架之間設(shè)置有回轉(zhuǎn)支撐；直行傳動鏈與減震模組連接，減震模組和剎車模組均安裝在懸架上；轉(zhuǎn)向傳動鏈包括轉(zhuǎn)向動力機(jī)構(gòu)和轉(zhuǎn)向檢測機(jī)構(gòu)，轉(zhuǎn)向動力機(jī)構(gòu)與懸掛箱以及回轉(zhuǎn)支撐的外圈依次連接在一起，轉(zhuǎn)向動力機(jī)構(gòu)的輸出端與回轉(zhuǎn)支撐的內(nèi)圈以及懸架依次連接在一起，轉(zhuǎn)向檢測機(jī)構(gòu)安裝在懸掛箱上并與轉(zhuǎn)向動力機(jī)構(gòu)通過齒輪傳動連接；控制模組包括直行速度閉環(huán)控制單元、轉(zhuǎn)向位置閉環(huán)控制單元及剎車控制單元；直行傳動鏈與直行速度閉環(huán)控制單元通過控制總線連接；轉(zhuǎn)向動力機(jī)構(gòu)和轉(zhuǎn)向檢測機(jī)構(gòu)與轉(zhuǎn)向位置閉環(huán)控制單元通過控制總線連接；剎車模組與剎車控制單元連接。

所述轉(zhuǎn)向動力機(jī)構(gòu)，包括轉(zhuǎn)向伺服電機(jī)和減速器，減速器連接在減速器固定法蘭上，減速器固定法蘭、懸掛箱和回轉(zhuǎn)支撐的外圈依次連接在一起，減速器的輸入端與轉(zhuǎn)向伺服電機(jī)連接，減速器的輸出端安裝有測轉(zhuǎn)角一級齒輪，測轉(zhuǎn)角一級齒輪、回轉(zhuǎn)支撐的內(nèi)圈與懸架依次連接在一起，轉(zhuǎn)向伺服電機(jī)通過控制總線與轉(zhuǎn)向位置閉環(huán)控制單元連接。

所述轉(zhuǎn)向檢測機(jī)構(gòu)，包括測轉(zhuǎn)角絕對值編碼器、測轉(zhuǎn)角二級減速齒輪和齒輪支撐架，測轉(zhuǎn)角絕對值編碼器安裝在齒輪支撐架上，測轉(zhuǎn)角二級齒輪安裝在齒輪支撐架內(nèi)并與轉(zhuǎn)向動力機(jī)構(gòu)中的測轉(zhuǎn)角一級齒輪嚙合，測轉(zhuǎn)角二級齒輪與測轉(zhuǎn)角絕對值編碼器連接，齒輪支撐架安裝在懸掛箱上，測轉(zhuǎn)角絕對值編碼器通過控制總線與轉(zhuǎn)向位置閉環(huán)控制單元連接。

所述剎車模組，包括直線電動缸、液壓油泵、碟剎盤和碟剎卡鉗；直線電動缸安裝于懸架上，液壓油泵與直線電動缸連接，液壓油泵通過輸油軟管與碟剎卡鉗連接，碟剎盤安裝在直行傳動鏈中的車輪中軸上，碟剎卡鉗安裝在直行傳動鏈中的支撐盤上，直線電動缸通過控制總線與剎車控制單元連接。

所述直行傳動鏈，包括輪胎、輪輞、輪轂電機(jī)、車輪中軸、支撐盤和直行測速絕對值編碼器，輪轂電機(jī)設(shè)置在輪胎內(nèi)的輪輞上，車輪中軸一端與輪轂電機(jī)連接，一端與減震模組中的直線導(dǎo)軌固定架連接，車輪中軸上安裝有碟剎盤和直行測速一級齒輪，支撐盤固接在減震模組中的直線導(dǎo)軌固定架上，直行測速絕對值編碼器安裝在支撐盤上，直行測速絕對值編碼器上安裝有與直行測速一級齒輪嚙合的直行測速二級齒輪，輪轂電機(jī)和直行測速絕對值編碼器均通過控制總線與直行速度閉環(huán)控制單元連接。所述直行測速一級齒輪與直行測速二級齒輪的傳動比為11:4。

所述減震模組，包括彈性阻尼氣缸、直線軸承、直線導(dǎo)軌和直線導(dǎo)軌固定架，彈性阻尼氣缸一端連接在懸架上，另一端通過銷軸與直線導(dǎo)軌固定架連接，直線導(dǎo)軌固定在直線導(dǎo)軌固定架上，直線軸承安裝在直線導(dǎo)軌上并固定在懸架上。

上述驅(qū)動輪的工作過程如下：

當(dāng)直行時，動力源為輪轂電機(jī)，速度信號由上位機(jī)給定，通過齒輪傳動將實(shí)際車輪速度反饋到直行測速編碼器一端，進(jìn)而將速度信號傳輸?shù)娇刂颇＝M直行速度閉環(huán)控制單元中，并與給定速度作比較，修正后根據(jù)誤差調(diào)整速度給定。當(dāng)車輪轉(zhuǎn)向時，轉(zhuǎn)向角度信號由上位機(jī)給定，轉(zhuǎn)向動力機(jī)構(gòu)直接驅(qū)動懸架轉(zhuǎn)動，同時將其轉(zhuǎn)角反饋到轉(zhuǎn)向檢測機(jī)構(gòu)，進(jìn)而角度信號反饋到轉(zhuǎn)向位置閉環(huán)控制單元中，并與給定角度作比較，修正后根據(jù)誤差調(diào)整轉(zhuǎn)角給定。減震模組主要用于車輪行至坑洼地的緩沖避震。當(dāng)需要剎車時，一方面控制模組中的直行速度閉環(huán)控制單元接收上位機(jī)信號斷開直行傳動鏈的輪轂電機(jī)驅(qū)動，另一方面控制模組中的剎車控制單元接收到上位機(jī)信號，控制剎車模組完成剎車動作。

本發(fā)明結(jié)構(gòu)緊湊，裝配簡便，操控性好；具有以下特點(diǎn)：

1.設(shè)計(jì)緊湊，集多個功能模組于一身；由一臺輪轂電機(jī)及一臺轉(zhuǎn)向無刷直流伺服電機(jī)提供，集驅(qū)動、電控、剎車、減震、檢測、控制裝置于一體。車輪與車體接口簡單緊湊，速度、角度控制精準(zhǔn)。

2.可以在停車或是行進(jìn)中360°原地轉(zhuǎn)向，轉(zhuǎn)向域擴(kuò)展至360°，直行速度及轉(zhuǎn)向角度采用閉環(huán)控制，運(yùn)動精確。

3.具有被動減震緩沖及液壓防爆碟剎功能，對于不規(guī)則坑洼路面具有較強(qiáng)的穩(wěn)定通過性能，其高速通過不規(guī)則坑洼地面或是高速時停車均能表現(xiàn)出較好的動態(tài)性及操作感。

附圖說明

圖1是本發(fā)明集成液壓制動與懸掛系統(tǒng)的行走和轉(zhuǎn)向伺服驅(qū)動輪的外觀示意圖。

圖2是本發(fā)明中轉(zhuǎn)向傳動鏈的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3是本發(fā)明中剎車模組的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4是本發(fā)明中直行傳動鏈的結(jié)造示意圖。

圖5是本發(fā)明中減震模組的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖中：1.懸掛箱，2.懸架，3.控制模組，4.轉(zhuǎn)向動力機(jī)構(gòu)，5.轉(zhuǎn)向檢測機(jī)構(gòu)，6.剎車模組，7.直行傳動鏈，8.減震模組；

401.轉(zhuǎn)向伺服電機(jī)，402.電機(jī)固定法蘭，403.諧波減速器，404.測轉(zhuǎn)角一級齒輪，405.減速器固定法蘭，406.回轉(zhuǎn)支撐；

501.測轉(zhuǎn)角絕對值編碼器，502.編碼器固定法蘭，503.深溝球軸承，504.測轉(zhuǎn)角二級齒輪，505.齒輪支撐架；

601.直線電動缸，602.液壓油泵，603.碟剎盤，604.碟剎卡鉗，605.輸油軟管；

701.輪胎，702.輪轂電機(jī)，703.輪輞，704.直行測速一級齒輪，705.車輪中軸，706.直行測速二級齒輪，707.支撐盤，708.直行測速絕對值編碼器；

801.彈性阻尼氣缸，802.直線導(dǎo)軌固定架，803.限位橡膠塊，804.直線軸承，805.直線導(dǎo)軌。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明的集成液壓制動與懸掛系統(tǒng)的行走和轉(zhuǎn)向伺服驅(qū)動輪，如圖1所示，包括懸掛箱1、懸架2、直行傳動鏈7、轉(zhuǎn)向傳動鏈、減震模組8、剎車模組6和控制模組3。懸掛箱1通過回轉(zhuǎn)支撐406與懸架2相連接(參見圖2)。轉(zhuǎn)向傳動鏈包括轉(zhuǎn)向動力機(jī)構(gòu)4和轉(zhuǎn)向檢測機(jī)構(gòu)5(參見圖2)。轉(zhuǎn)向動力機(jī)構(gòu)4和轉(zhuǎn)向檢測機(jī)構(gòu)5均安裝在懸掛箱1的上部，且置于懸掛箱1內(nèi)。

控制模組3包括直行速度閉環(huán)控制單元、轉(zhuǎn)向位置閉環(huán)控制單元及剎車控制單元，三個控制單元集成在控制盒內(nèi)，控制盒安裝在懸掛箱1上且置于懸掛箱1內(nèi)部。閉環(huán)控制單元可以采用現(xiàn)有技術(shù)，都是模擬電路。直行速度閉環(huán)控制單元和轉(zhuǎn)向位置閉環(huán)控制單元中包括信號放大器、運(yùn)算器、執(zhí)行器、信號采集及反饋模塊。上位機(jī)給定信號可以為電壓，也可以為電流，通過與車輪實(shí)際反饋信號(電壓或是電流)相比較，得出的差值經(jīng)放大器放大后進(jìn)一步給定到運(yùn)算器，通過運(yùn)算器的計(jì)算將實(shí)際的控制電壓或是電流施加給電動部件，進(jìn)而修正直行速度和轉(zhuǎn)角角度，達(dá)到直行速度伺服和轉(zhuǎn)角角度伺服的效果。而剎車控制單元無需反饋，所以較比前兩者缺省信號采集及反饋模塊，其余部分及原理相同。

如圖2所示，轉(zhuǎn)向動力機(jī)構(gòu)4包括轉(zhuǎn)向伺服電機(jī)401、減速器403和測轉(zhuǎn)角一級齒輪404。轉(zhuǎn)向伺服電機(jī)401采用無刷直流伺服電機(jī)，減速器403采用精密諧波減速器。轉(zhuǎn)向伺服電機(jī)401安裝在電機(jī)固定法蘭402上，電機(jī)固定法蘭402連接在減速器403的外殼上，減速器403安裝在減速器固定法蘭405上，減速器403的輸入端與轉(zhuǎn)向伺服電機(jī)401連接，減速器403的輸出端安裝有測轉(zhuǎn)角一級齒輪404?；剞D(zhuǎn)支撐406作為雙向連接件，包括能夠相對轉(zhuǎn)動的內(nèi)圈和外圈。通過螺栓將減速器固定法蘭405、懸掛箱1和回轉(zhuǎn)支撐406的外圈依次連接在一起，測轉(zhuǎn)角一級齒輪404、回轉(zhuǎn)支撐406的內(nèi)圈與懸架2通過長螺栓依次連接在一起。

轉(zhuǎn)向檢測機(jī)構(gòu)5包括測轉(zhuǎn)角絕對值編碼器501、編碼器固定法蘭502、深溝球軸承503、測轉(zhuǎn)角二級減速齒輪504和齒輪支撐架505。測轉(zhuǎn)角絕對值編碼器501固定在編碼器固定法蘭502上并與測轉(zhuǎn)角二級齒輪504相嚙合，測轉(zhuǎn)角二級齒輪504通過深溝球軸承503安裝在齒輪支撐架505內(nèi)并與測轉(zhuǎn)角一級齒輪404嚙合。測轉(zhuǎn)角二級齒輪504的安裝軸伸出齒輪支撐架505并通過頂絲與測轉(zhuǎn)角絕對值編碼器501連接。齒輪支撐架505安裝在懸掛箱1的內(nèi)部底面上。編碼器固定法蘭502固定在懸掛箱1上。

轉(zhuǎn)向伺服電機(jī)401和測轉(zhuǎn)角絕對值編碼器501均通過數(shù)據(jù)總線與轉(zhuǎn)向位置閉環(huán)控制單元連接，接受轉(zhuǎn)向位置閉環(huán)控制單元的直接控制。測轉(zhuǎn)角絕對值編碼器501的檢測信號通過控制總線直接傳送到轉(zhuǎn)向位置閉環(huán)控制單元之中。

轉(zhuǎn)向伺服電機(jī)401通過減速器403減速后帶動懸架2轉(zhuǎn)動，實(shí)現(xiàn)車輪轉(zhuǎn)向；同時轉(zhuǎn)速通過測轉(zhuǎn)角一級齒輪404與測轉(zhuǎn)角二級齒輪504的嚙合傳遞給測轉(zhuǎn)角絕對值編碼器501，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向檢測。測轉(zhuǎn)角一級齒輪404與測轉(zhuǎn)角二級齒輪504的傳動比為1:1。

如圖3所示，剎車模組6包括直線電動缸601、液壓油泵602、碟剎盤603和碟剎卡鉗604；直線電動缸601安裝于懸架2的一側(cè)，液壓油泵602連接在直線電動缸601上，液壓油泵602通過輸油軟管605與碟剎卡鉗604連接。碟剎盤603安裝在車輪中軸705上。碟剎卡鉗604安裝在支撐盤707上。直線電動缸601通過控制總線與剎車控制單元連接，接受剎車控制單元的直接控制。

如圖4所示，直行傳動鏈7由輪胎701、輪轂電機(jī)702、輪輞703、車輪中軸705、直行測速一級齒輪704、直行測速二級齒輪706、支撐盤707和直行測速絕對值編碼器708。輪轂電機(jī)702設(shè)置在輪胎701的輪輞703上，輪轂電機(jī)702與車胎701為一體結(jié)構(gòu)。車輪中軸705與輪轂電機(jī)702連接。車輪中軸705上安裝有碟剎盤603和直行測速一級齒輪704，車輪中軸705通過平鍵與減震模組中的直線導(dǎo)軌固定架802連接。參見圖5，支撐盤707固接在直線導(dǎo)軌固定架802上。直行測速絕對值編碼器708安裝在支撐盤707上，直行測速絕對值編碼器708上安裝有與直行測速一級齒輪704嚙合的直行測速二級齒輪706。直行測速一級齒輪704與直行測速二級齒輪706的傳動比為11:4。輪轂電機(jī)702和直行測速絕對值編碼器708均通過控制總線與直行速度閉環(huán)控制單元連接，接受直行速度閉環(huán)控制單元的直接控制。

如圖5所示，減震模組8包括彈性阻尼氣缸801、直線導(dǎo)軌固定架802、、直線軸承804和直線導(dǎo)軌805。彈性阻尼氣缸801連接在懸架2上，直線導(dǎo)軌固定架802與彈性阻尼氣缸801連接，直線導(dǎo)軌805安裝在直線導(dǎo)軌固定架802上，直線軸承804的上端設(shè)置有限位橡膠塊803。帶座的直線軸承804與直線導(dǎo)軌805配合，并固定在懸架2上。直線導(dǎo)軌固定架802上連接支撐盤707。

車輪直行或是后退時，上位機(jī)給控制模組信號3信號，控制模組3中的直行速度閉環(huán)控制單元向輪轂電機(jī)發(fā)出執(zhí)行信號，輪轂電機(jī)702產(chǎn)生驅(qū)動力矩與轉(zhuǎn)速，驅(qū)動由輪胎701和輪輞703組成的車輪由前行或后退。行駛速度由直行測速一級齒輪23與直行測速二級齒輪25組成的11:4增速傳動反饋到直行測速絕對值編碼器708上。直行測速絕對值編碼器708檢測到的速度信號反饋到控制模組3中的直行速度閉環(huán)控制單元中，通過與輸入信號的比較，修正后根據(jù)誤差調(diào)整速度給定，從而使行駛速度與給定速度相等。

車輪轉(zhuǎn)向時，上位機(jī)將轉(zhuǎn)向角度信號施加在控制模組3轉(zhuǎn)向位置閉環(huán)控制單元中，產(chǎn)生的控制信號進(jìn)一步控制轉(zhuǎn)向伺服電機(jī)401，轉(zhuǎn)向伺服電機(jī)401輸出速度與扭矩由減速器403減速增扭后施加在懸架2上，進(jìn)而帶動懸架2上各部分一同轉(zhuǎn)向。與減速器403相連接的測轉(zhuǎn)角一級齒輪404將輸出的角位移傳遞給同其齒數(shù)相當(dāng)?shù)臏y轉(zhuǎn)角二級齒輪504上，進(jìn)而帶動與其相連的測轉(zhuǎn)角絕對值編碼器501產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)角度信號，此信號通過與控制模組3轉(zhuǎn)向位置閉環(huán)控制單元中的輸入信號相比較，修正后根據(jù)誤差進(jìn)一步補(bǔ)償給定，從而使實(shí)際轉(zhuǎn)向角度通給定相等。

當(dāng)車輪經(jīng)過不平起伏地時，由直行傳動鏈7中輪胎701與地面接觸產(chǎn)生的地面起伏信息通過車輪中軸705反映到直線導(dǎo)軌固定架802上，進(jìn)一步推動彈性阻尼氣缸28，通過彈性阻尼氣缸28彈性緩沖和能量阻尼耗散，將地面的起伏波動減弱或是消除。直線導(dǎo)軌805與直線軸承804主要起導(dǎo)向作用，一方面保證直行傳動鏈7與懸架2的方位關(guān)系，一方面保證地面起伏波動保持豎直方向傳遞到彈性阻尼氣缸801上。

當(dāng)車輪需要急停時，一方面上位機(jī)向控制模組3中的直行速度閉環(huán)控制單元發(fā)信號，進(jìn)而由直行速度閉環(huán)控制單元發(fā)信號切斷控制輪轂電機(jī)703的速度與扭矩輸出。同時，上位機(jī)的信號給定到控制模組3中的剎車控制單元，進(jìn)而將剎車控制單元處理后的信號發(fā)送到直線電動缸601中，直線電動缸601的缸桿伸出，將液壓油泵602的活塞推至最上端，活塞又將液壓油通過輸油軟管605擠壓到碟剎卡鉗604中，碟剎卡鉗604夾緊碟剎盤603，使輪轂電機(jī)702減速，進(jìn)而將車輪行進(jìn)速度減小至零，車輪停止轉(zhuǎn)動。