本發(fā)明屬于自動化控制技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種移動式四輪全方位轉(zhuǎn)向機器人底盤的控制方法。

背景技術(shù)：

近年來，機器人的使用正在我國掀起一股熱潮，深刻影響著我國生產(chǎn)制造、科學(xué)研究和服務(wù)行業(yè)。移動機器人的種類很多，陸地移動機器人有移動式、腿式、履帶式、跳躍式等幾種。其中，輪式移動機器人以移動方便、定位準確、控制方便等優(yōu)點，使移動式機器人得到了廣泛的應(yīng)用。移動式機器人常見的有三輪、四輪兩種結(jié)構(gòu)形式。三輪式機器人結(jié)構(gòu)簡單，但穩(wěn)定性低，常在低速狀態(tài)下運行。四輪式機器人也有兩輪轉(zhuǎn)向兩輪驅(qū)動、四輪轉(zhuǎn)向四輪驅(qū)動等結(jié)構(gòu)。總體來說，四輪式的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，但轉(zhuǎn)向靈活，且在高速運行情況下具有良好的穩(wěn)定性。但兩輪轉(zhuǎn)向、兩輪驅(qū)動結(jié)構(gòu)的最小轉(zhuǎn)彎半徑收到限制，且兩個驅(qū)動輪在轉(zhuǎn)彎時處于滑動狀態(tài)，降低了機器人的穩(wěn)定性。

本發(fā)明在分析各種結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，研發(fā)了一種四輪驅(qū)動、四輪轉(zhuǎn)向的底盤結(jié)構(gòu)，可使四個車輪在轉(zhuǎn)彎時處于純滾動狀態(tài)，大大機器人的穩(wěn)定性，而且能實現(xiàn)兩輪轉(zhuǎn)向兩輪驅(qū)動無法實現(xiàn)的橫行、原地回轉(zhuǎn)的功能，大大提高了機器人的運動靈活性。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

發(fā)明目的：本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種移動式四輪全方位轉(zhuǎn)向機器人底盤的控制方法，該機器人底盤不但能使機器人實現(xiàn)直行、斜行，而且能實現(xiàn)橫行、原地回轉(zhuǎn)的功能，克服了一般的機器人不能做原地回轉(zhuǎn)和橫行的不足，增強機器人的運動靈活性。

技術(shù)方案：本發(fā)明所述的一種移動式四輪全方位轉(zhuǎn)向機器人底盤的控制方法，包括：

正常直線行駛：plc不發(fā)出控制信號至伺服驅(qū)動器，即伺服電機保持在0°的角度位置；同時速度控制通過plc發(fā)出控制信號給模擬量輸入輸出模塊，通過模擬量輸入輸出模塊四個輸出通道輸出的電壓值分別控制四個輪轂電機的轉(zhuǎn)速；

一定角度斜線行駛：plc發(fā)出控制角度信號至伺服驅(qū)動器，通過伺服驅(qū)動器驅(qū)動伺服電機轉(zhuǎn)動一定的角度；同時速度控制通過plc發(fā)出控制信號給模擬量輸入輸出模塊，通過模擬量輸入輸出模塊四個輸出通道輸出的電壓值分別控制四個輪轂電機的轉(zhuǎn)速；

轉(zhuǎn)彎或原地轉(zhuǎn)動：由轉(zhuǎn)彎半徑大小，依據(jù)數(shù)學(xué)模型，通過plc程序，計算出四個車輪的偏轉(zhuǎn)角度，由plc控制芯片控制相應(yīng)的伺服電機，實現(xiàn)車輪的轉(zhuǎn)動。

上述的一種移動式四輪全方位轉(zhuǎn)向機器人底盤，包括車架、車輪組和plc控制系統(tǒng)，所述車架上對稱設(shè)置有四個軸承孔用于安裝所述車輪組，每組車輪組包括減速箱、轉(zhuǎn)向軸、伺服電機、聯(lián)軸器、減震器、輪轂電機；

所述減速箱包括箱體、蝸輪、鍵、蝸桿、軸承、角度軸承、感應(yīng)塊、感應(yīng)開關(guān)，所述蝸輪安裝在轉(zhuǎn)向軸上，所述蝸桿安裝在箱體上且與蝸輪嚙合，用于驅(qū)動蝸輪運轉(zhuǎn)，所述鍵安裝在蝸輪和轉(zhuǎn)向軸之間，保證蝸輪與轉(zhuǎn)向軸同步運轉(zhuǎn)；所述軸承安裝在蝸桿的一端，用于支持蝸桿，所述角度軸承安裝在蝸桿的另一端，所述蝸輪上還安裝有感應(yīng)塊且隨蝸輪一起轉(zhuǎn)動，所述箱體上安裝有與所述感應(yīng)塊適配的感應(yīng)開關(guān)；

所述伺服電機安裝在所述箱體上，通過聯(lián)軸器與蝸桿相連接，用于驅(qū)動蝸桿轉(zhuǎn)動，最終控制轉(zhuǎn)向軸的轉(zhuǎn)動角度，所述轉(zhuǎn)向軸下方設(shè)有輪轂電機，且輪轂電機與轉(zhuǎn)向軸之間還設(shè)有減震器；

所述plc控制系統(tǒng)包括plc、伺服驅(qū)動器和模擬量輸入輸出模塊，所述plc控制芯片通過伺服驅(qū)動器與所述伺服電機電連接，所述plc通過模擬量輸入輸出模塊與所述輪轂電機電連接。

進一步的，所述伺服電機采用單相交流型電機，電機型號通過車輪轉(zhuǎn)動扭矩來選擇。

進一步的，所述plc采用三菱fx3u型plc。

進一步的，所述伺服驅(qū)動器采用單相交流型驅(qū)動器，每個伺服電機均設(shè)置有伺服驅(qū)動器，plc向每個伺服電機的伺服驅(qū)動器發(fā)出脈沖信號，由伺服驅(qū)動器進行功率放大，控制伺服電機的運行。

進一步的，所述模擬量輸入輸出模塊采用具有四個通道的fx2n-4da模塊。

進一步的，每個輪轂電機均由模擬量輸入輸出模塊的其中一個通道進行速度控制。

進一步的，還包括電源，所述電源包括蓄電池和逆變器，經(jīng)過逆變器將蓄電池的電源轉(zhuǎn)換成交流220v的電壓，供控制機器人底盤的plc、伺服驅(qū)動器、及其控制電路使用。

進一步的，所述蓄電池包括兩組，一組提供給輪轂電機使用，另一組給伺服驅(qū)動器使用，且給伺服驅(qū)動器使用的蓄電池容量大于提供給輪轂電機使用的蓄電池容量，保證在車輪不轉(zhuǎn)動時仍可以轉(zhuǎn)向，提高安全性。

有益效果：本發(fā)明采用四輪轉(zhuǎn)向、四輪驅(qū)動，使機器人轉(zhuǎn)向靈活、可實現(xiàn)一般機器人無法實現(xiàn)的橫行、原地回轉(zhuǎn)等；機器人在轉(zhuǎn)向時，四個車輪均做純滾動運動，沒有滑動，提高機器人的運動穩(wěn)定性，本發(fā)明尤其適用于餐廳等服務(wù)業(yè)。

附圖說明

圖1為本發(fā)明機器人底盤的結(jié)構(gòu)主視圖；

圖2為本發(fā)明機器人底盤的結(jié)構(gòu)俯視圖；

圖3為本發(fā)明減速箱的結(jié)構(gòu)主視圖；

圖4為本發(fā)明減速箱的結(jié)構(gòu)俯視圖；

圖5為本發(fā)明車輪的轉(zhuǎn)動示意圖；

圖6為本發(fā)明輪胎與地面摩擦原理示意圖；

圖7為本發(fā)明車輪轉(zhuǎn)角計算原理圖；

圖8為本發(fā)明plc控制系統(tǒng)原理框圖；

圖9為本發(fā)明電源模塊原理框圖。

具體實施方式

下面結(jié)合具體實施例和附圖對本發(fā)明的技術(shù)方案作進一步詳細說明：

如圖1到圖4以及圖8所示的一種移動式四輪全方位轉(zhuǎn)向機器人底盤，包括車架1、車輪組和plc控制系統(tǒng)，所述車架1上對稱設(shè)置有四個軸承孔用于安裝所述車輪組，每組車輪組包括減速箱2、轉(zhuǎn)向軸3、伺服電機4、聯(lián)軸器5、減震器6、輪轂電機7；

所述減速箱2包括箱體21、蝸輪22、鍵23、蝸桿24、軸承25、角度軸承26、感應(yīng)塊27、感應(yīng)開關(guān)28，所述蝸輪22安裝在轉(zhuǎn)向軸3上，所述蝸桿24安裝在箱體21上且與蝸輪22嚙合，用于驅(qū)動蝸輪22運轉(zhuǎn)，所述鍵23安裝在蝸輪22和轉(zhuǎn)向軸3之間，保證蝸輪與轉(zhuǎn)向軸同步運轉(zhuǎn)；所述軸承25安裝在蝸桿24的一端，用于支持蝸桿24，所述角度軸承26安裝在蝸桿24的另一端，所述蝸輪22上還安裝有感應(yīng)塊27且隨蝸輪22一起轉(zhuǎn)動，所述箱體21上安裝有與所述感應(yīng)塊27適配的感應(yīng)開關(guān)28。當感應(yīng)塊27在感應(yīng)開關(guān)28正前方時，感應(yīng)開關(guān)28發(fā)出電信號，通過該電信號，確定轉(zhuǎn)向軸的初始位置。當轉(zhuǎn)動蝸輪，使車輪相對于車架的轉(zhuǎn)向角度為0°時，將感應(yīng)塊固定在蝸輪上，使感應(yīng)塊在感應(yīng)開關(guān)的正前方。此時蝸輪和轉(zhuǎn)向軸的位置為初始位置。采用蝸輪蝸桿減速的原理，除了可以獲得較大的傳動比、減小所需伺服電機功率以外，還有一個有利之處就是蝸輪蝸桿可以形成自鎖，即在伺服電機不旋轉(zhuǎn)時，蝸輪被鎖住，使轉(zhuǎn)向軸保持原有轉(zhuǎn)動角度。

所述伺服電機4安裝在所述箱體21上，通過聯(lián)軸器5與蝸桿24相連接，用于驅(qū)動蝸桿24轉(zhuǎn)動，最終控制轉(zhuǎn)向軸3的轉(zhuǎn)動角度，伺服電機采用單相交流型，精度高，能應(yīng)用于精確控制速度和位置的環(huán)境，比其他電機更精確，通過車輪轉(zhuǎn)動扭矩來選擇電機的型號。所述轉(zhuǎn)向軸3下方設(shè)有輪轂電機7，且輪轂電機7與轉(zhuǎn)向軸3之間還設(shè)有減震器6；所述輪轂電機7將驅(qū)動電機和車輪融為一體，大大簡化了結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度。通過輪轂電機本身做滾動運動，使機器人移動，通過旋轉(zhuǎn)軸使車輪相對于車架做偏擺，實現(xiàn)機器人本體的轉(zhuǎn)彎等運動，如圖5所示。

所述plc控制系統(tǒng)包括plc、伺服驅(qū)動器和模擬量輸入輸出模塊，所述plc通過伺服驅(qū)動器與所述伺服電機4電連接，所述plc通過模擬量輸入輸出模塊與所述輪轂電機7電連接。

本發(fā)明中，機器人的移動通過伺服電機進行車輪偏轉(zhuǎn)和輪轂電機實現(xiàn)車輪滾動。伺服電機和輪轂電機均由plc實施控制。

本發(fā)明選用三菱fx3u型plc，該類plc最多可以8個伺服電機。其控制原理為：plc向每個伺服電機的驅(qū)動器發(fā)出脈沖信號，由驅(qū)動器進行功率放大，控制伺服電機的運行。其中，本發(fā)明中伺服驅(qū)動器為單相交流型，電壓為220v。

本發(fā)明中選用的輪轂電機的旋轉(zhuǎn)由直流電壓控制，轉(zhuǎn)速與電壓大小成正比。機器人運動時，由plc根據(jù)運動軌跡，計算出各車輪的轉(zhuǎn)速，并計算出每個輪轂電機的電壓值對應(yīng)的數(shù)值，通過da模塊，將直流電壓輸出，供給輪轂電機。其中，da模塊為一種將數(shù)值量轉(zhuǎn)化成模擬量的元件，其功能是將plc計算出來的數(shù)字量自動轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電壓信號。本發(fā)明中，選用型號為fx2n-4da的模塊，該模塊有四個通道，每個通道控制一個輪轂電機，可以滿足本發(fā)明的要求。

本發(fā)明輪轂電機的選擇：

車輪與地面接觸不是點接觸，可以視為一個圓形表面接觸，如圖6所示。積分接觸面的摩擦力，得到在旋轉(zhuǎn)方向時的轉(zhuǎn)矩。

當車輪與地面相對轉(zhuǎn)動時，扭矩計算公式為：

式中：mf為總的摩擦力矩；m為承受的質(zhì)量；g為重力加速度；r為接觸圓半徑；f為滑動摩擦系數(shù)。

所述減震器與車架和輪轂電機相連接，是滿足設(shè)計要求中需要能在非平坦路面上運動，進行減振。根據(jù)實際情況，采用了帶一定阻尼的彈簧，這種減震器價格便宜、便于更換，而且能有效衰減振動性能優(yōu)越，符合使用需求。

所述輪轂電機與減震器相連，它的最大優(yōu)點就是將轉(zhuǎn)動與動力都整合起來，簡化驅(qū)動系統(tǒng)的機械部分。在選擇輪轂電機時，將機器人移動速度設(shè)定為1.5m/s(與人的正常步行速度相當)，移動機器人的質(zhì)量設(shè)定為100kg。

機器人在平整路面上運動時，受到滾動、空氣、加速的阻力等。驅(qū)動力與行駛阻力之間的平衡方程為:

ft＝ff+fw+fi+fj

式中：ft為移動機器人驅(qū)動力；ff為移動機器人車輪受到的滾動阻力；fw為移動機器人受到的空氣阻力；fi為移動機器人受到的坡道阻力；fj為移動機器人受到的加速阻力。

車輪受到的滾動阻力ff計算公式為：

ff＝m×g×f

式中：m為移動機器人的質(zhì)量；g為重力加速度；f為車輪與地面的滾動摩擦系數(shù)。

考慮到移動機器人有可能在非鋪裝路面上移動，所以選擇最大值0.037，每一個車輪承重25kg。

代入計算得：

ff＝25×9.8×0.037

空氣阻力fw計算公式：

fw＝cd*a*v²/21.15

式中：fw為受到的空氣阻力；cd為空氣阻力系數(shù)；v為移動機器人速度；a為迎風(fēng)面積。

根據(jù)扭矩公式：

m＝f×l

式中：m為力矩；f為作用力；l為徑向矢量。

根據(jù)扭矩與動率的公式：

p＝t*n/9550

式中：n＝v/(2*3.14*r)。

由此式可計算出輪轂電機的轉(zhuǎn)矩。

在得到了電機選擇依據(jù)后，根據(jù)實際情況乘以一個1.5左右的系數(shù)，依據(jù)輪轂電機制造商參數(shù)，選擇滿足要求的輪轂電機。

四個車輪之間的角度偏擺和滾動速度的相互協(xié)調(diào)方法：

在運動的過程中，四個車輪必須在偏轉(zhuǎn)角度和滾動速度兩個方面相互協(xié)調(diào)，才能使機器人按照所需軌跡運行。在機器人轉(zhuǎn)彎時，采用前后輪反向偏轉(zhuǎn)的方式進行。這樣可以達到原地回轉(zhuǎn)的程度。

如圖7所示，機器人的轉(zhuǎn)彎半徑定義為：外側(cè)轉(zhuǎn)向輪的中心的軌跡圓半徑。圖7中，l為軸距，w為前后輪距，a1為外側(cè)前車輪偏轉(zhuǎn)角度，a2為內(nèi)側(cè)前車輪偏轉(zhuǎn)角度，a3為外側(cè)后車輪偏轉(zhuǎn)角度，a4為內(nèi)側(cè)后車輪偏轉(zhuǎn)角度。n1為外側(cè)前車輪轉(zhuǎn)速，n2為內(nèi)側(cè)前車輪轉(zhuǎn)速，n3為外側(cè)后車輪轉(zhuǎn)速，n4為內(nèi)側(cè)后車輪轉(zhuǎn)速。

各車輪轉(zhuǎn)彎半徑與各車輪的轉(zhuǎn)速成正比。

依據(jù)三角函數(shù)關(guān)系，可以推導(dǎo)出相關(guān)量之間的關(guān)系。

(1)各車輪轉(zhuǎn)角計算：

設(shè)轉(zhuǎn)彎半徑r1和前外側(cè)車輪的偏轉(zhuǎn)角度a1為已知條件。

通過三角函數(shù)關(guān)系，得到其它三個車輪的偏轉(zhuǎn)角度：

當時，機器人做原地回轉(zhuǎn)運動。

(2)各車輪的轉(zhuǎn)速計算

設(shè)轉(zhuǎn)彎外側(cè)前車輪的轉(zhuǎn)速n1為已知條件。

由于車輪轉(zhuǎn)速與對應(yīng)車輪的轉(zhuǎn)彎半徑成正比，得到其它三個車輪的轉(zhuǎn)速：

移動機器人的控制系統(tǒng)所需電源必須是安裝在機器人內(nèi)部，隨機器人移動。本發(fā)明中，如圖9所示，選用蓄電池作為電源的源泉，經(jīng)過逆變器，將蓄電池的電源轉(zhuǎn)換成交流220v的電壓，供控制機器人的plc、伺服驅(qū)動器、及其控制電路使用。

蓄電池采用鋰電池電源。鋰電池能量密度高，重量輕，使用壽命長，自放電率低無記憶效應(yīng)。本發(fā)明配備兩組電池，一組提供給輪轂電機使用，容量為20a.h，另一組給伺服驅(qū)動器使用，伺服驅(qū)動器使用的容量更大一些，為40a.h。當輪轂電機電量不足時，保證仍可調(diào)整車輪方向，可以使其移動。

由于交流伺服電機需要220v交流電源，同時，逆變器需要輸出純正弦波。所以逆變器選擇索爾fpc-2000b。這種逆變器有兩個220v交流輸出插座和一個usb輸出，將一個220v插座加上插線排為負載供電。

上述一種移動式四輪全方位轉(zhuǎn)向機器人底盤的控制方法，包括：

正常直線行駛：plc不發(fā)出控制信號至伺服驅(qū)動器，即伺服電機保持在0°的角度位置；同時速度控制通過plc發(fā)出控制信號給模擬量輸入輸出模塊，通過模擬量輸入輸出模塊四個輸出通道輸出的電壓值分別控制四個輪轂電機的轉(zhuǎn)速；

一定角度斜線行駛：plc發(fā)出控制角度信號至伺服驅(qū)動器，通過伺服驅(qū)動器驅(qū)動伺服電機轉(zhuǎn)動一定的角度；同時速度控制通過plc發(fā)出控制信號給模擬量輸入輸出模塊，通過模擬量輸入輸出模塊四個輸出通道輸出的電壓值分別控制四個輪轂電機的轉(zhuǎn)速；

轉(zhuǎn)彎或原地轉(zhuǎn)動：由轉(zhuǎn)彎半徑大小，依據(jù)數(shù)學(xué)模型，通過plc程序，計算出四個車輪的偏轉(zhuǎn)角度，由plc控制芯片控制相應(yīng)的伺服電機，實現(xiàn)車輪的轉(zhuǎn)動。

以上所述，僅是本發(fā)明的較佳實施例而已，并非對本發(fā)明作任何形式上的限制，雖然本發(fā)明已以較佳實施例揭露如上，然而并非用以限定本發(fā)明，任何熟悉本專業(yè)的技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明技術(shù)方案范圍內(nèi)，當可利用上述揭示的技術(shù)內(nèi)容作出些許更動或修飾為等同變化的等效實施例，但凡是未脫離本發(fā)明技術(shù)方案的內(nèi)容，依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實質(zhì)對以上實施例所作的任何簡單修改、等同變化與修飾，均仍屬于本發(fā)明技術(shù)方案的范圍內(nèi)。