專利名稱：六輪步進式機器人全向移動平臺的制作方法
技術領域：
本實用新型屬于機器人技術領域，具體涉及一種機器人全向移動平臺。
背景技術：
機器人全向移動是指移動機構(gòu)能夠不受任何約束地，從當前位置向工作平面上的任何位置和任意方向運動，能夠?qū)崿F(xiàn)完美的運動性能，比非全向機構(gòu)系統(tǒng)有著明顯的優(yōu)勢。例如，全向移動機構(gòu)因其零回轉(zhuǎn)半徑的特點，可以在擁擠狹窄的場所內(nèi)，使機器人本體靈活自如地穿行；可以對自己所處位置進行細微調(diào)整，實現(xiàn)精確定位和高精度軌跡跟蹤等。因此，機器人全向移動平臺也是當前機器人研究和制造的熱點問題。傳統(tǒng)的機器人全向移動采用全向輪，其主要缺點是輥子之間存在間隙，使得輪子在轉(zhuǎn)動過程中同地面接觸點的高度不斷變化，從而導致機器人車體的震動或打滑，因而增加了運動計算的誤差。同時傳統(tǒng)的全向機器人底盤具有負載力較小的不足。
發(fā)明內(nèi)容本實用新型的目的在于提供一種控制簡便、負載力大、安裝使用方便、車體振動小、運動定位精度高的機器人全向移動平臺。本實用新型提供機器人全向移動平臺，采用六個步進電機作為驅(qū)動，故稱其為六輪步進式機器人全向移動平臺。其中涉及機械結(jié)構(gòu)、步進電機的驅(qū)動和細分控制以及運動控制方法的設計等。具體說來，機器人全向移動平臺包括頂板、底板，以及均勻布置于頂板和底板之間的六個步進電機；相鄰兩個步進電機之間的軸向夾角為60度，每個步進電機轉(zhuǎn)軸上連接一組互補全向車輪。本實用新型兩個軸向夾角為180度的步進電機定為一組，六個步進電機分成三組。傳統(tǒng)兩輪驅(qū)動機構(gòu)的機器人移動平臺是非完整約束系統(tǒng)，向一個方向做直線運動時通常需要事先做旋轉(zhuǎn)運動以調(diào)整姿態(tài)。而本實用新型設計的六輪步進式機器人全向移動平臺不存在非完整約束，它可以向任意方向做直線運動，而不需要事先作旋轉(zhuǎn)運動，并且在以直線運動到達目標點的過程中，同時可以做自身旋轉(zhuǎn)運動以調(diào)整機器人的姿態(tài)，從而達到終態(tài)所需的姿態(tài)角。通過具體控制，可以實現(xiàn)各種運動，具體介紹如下運動情況一當6個步進電機沿著各自的轉(zhuǎn)軸向同一方向(順時針或逆時針)以相同角速度轉(zhuǎn)動時，六輪步進式機器人全向移動平臺將在原地以自己的中心為軸做自身旋轉(zhuǎn)運動，可以用來任意調(diào)整機器人的姿態(tài)角度。運動情況二 當6個步進電機沿著各自的轉(zhuǎn)軸向同一方向(順時針或逆時針)以不同的角速度轉(zhuǎn)動時，六輪步進式機器人全向移動平臺做自身旋轉(zhuǎn)運動，但旋轉(zhuǎn)速度可能變慢，并且由于和地面摩擦力的不同，有可能不在原地旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)軸也有可能偏離步進式機器人全向移動平臺的中心，但也可以用來任意調(diào)整機器人的姿態(tài)角度。運動情況三當6個步進電機中只有某幾個步進電機沿著各自的轉(zhuǎn)軸向同一方向(順時針或逆時針)以相同角速度轉(zhuǎn)動時，六輪步進式機器人全向移動平臺做自身旋轉(zhuǎn)運動，但旋轉(zhuǎn)速度較慢，并且由于和地面摩擦力的不同，有可能不在原地旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)軸也有可能偏離步進式機器人全向移動平臺的中心，但也可以用來任意調(diào)整機器人的姿態(tài)角度。運動情況四當6個步進電機中只有某幾個步進電機沿著各自的轉(zhuǎn)軸向同一方向(順時針或逆時針)，另外幾個步進電機沿著各自的轉(zhuǎn)軸向相反方向(逆時針或順時針)以相同角速度轉(zhuǎn)動時，六輪步進式機器人全向移動平臺做自身旋轉(zhuǎn)運動，但旋轉(zhuǎn)速度較慢，并且由于和地面摩擦力的不同，有可能不在原地旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)軸也有可能偏離步進式機器人全向移動平臺的中心，但也可以用來任意調(diào)整機器人的姿態(tài)角度。運動情況五當三組步進電機中的一組，即轉(zhuǎn)軸呈180度的兩個相對的步進電機，分別沿著各自的轉(zhuǎn)軸向相反方向(一個為順時針，另一個為逆時針)以相同角速度轉(zhuǎn)動時，另外兩組4個步進電機不加驅(qū)動信號，4組互補全向車輪呈隨動狀態(tài)，六輪步進式機器人全向移動平臺做和提供驅(qū)動力的那組步進電機軸向方向垂直的直線運動，運動方向和與兩個提供驅(qū)動力的步進電機相連的互補全向車輪的線速度方向一致。運動情況六當三組步進電機中的一組，即轉(zhuǎn)軸呈180度的兩個相對的步進電機，分別沿著各自的轉(zhuǎn)軸向相反方向(一個為順時針，另一個為逆時針)以不相同角速度轉(zhuǎn)動時，另外兩組4個步進電機不加驅(qū)動信號，4組互補全向車輪呈隨動狀態(tài)，六輪步進式機器人全向移動平臺做曲線運動，在每一極短時間內(nèi)，運動方向和提供驅(qū)動力的那組步進電機軸向方向垂直，曲線向著與兩個提供驅(qū)動力的步進電機相連的互補全向車輪中線速度小的那組車輪彎曲。運動情況七當三組步進電機中的一組，即轉(zhuǎn)軸呈180度的兩個相對的步進電機(提供主驅(qū)動力)，分別沿著各自的轉(zhuǎn)軸向相反方向(一個為順時針，另一個為逆時針)以相同角速度轉(zhuǎn)動時，另外剩下兩組4個步進電機也加驅(qū)動信號，并且要求同組兩個相對的步進電機分別沿著各自的轉(zhuǎn)軸向相反方向(一個為順時針，另一個為逆時針)以相同角速度轉(zhuǎn)動，同時剩下兩組4個步進電機中轉(zhuǎn)軸呈60度的兩個相鄰的步進電機分別沿著各自的轉(zhuǎn)軸向相反方向(一個為順時針，另一個為逆時針)以相同角速度轉(zhuǎn)動，六輪步進式機器人全向移動平臺做和提供驅(qū)動力的那組步進電機軸向方向垂直的直線運動，運動方向和與兩個提供主驅(qū)動力的步進電機相連的互補全向車輪的線速度方向一致。運動情況八當三組步進電機中的一組，即轉(zhuǎn)軸呈180度的兩個相對的步進電機(提供主驅(qū)動力)，分別沿著各自的轉(zhuǎn)軸向相反方向(一個為順時針，另一個為逆時針)以相同角速度轉(zhuǎn)動時，另外剩下兩組4個步進電機也加驅(qū)動信號，并且要求同組兩個相對的步進電機分別沿著各自的轉(zhuǎn)軸向相同方向(均為順時針或均為逆時針)以相同角速度轉(zhuǎn)動，同時剩下兩組4個步進電機中轉(zhuǎn)軸呈60度的兩個相鄰的步進電機分別沿著各自的轉(zhuǎn)軸向相反方向(一個為順時針，另一個為逆時針)以相同角速度轉(zhuǎn)動，六輪步進式機器人全向移動平臺做和提供驅(qū)動力的那組步進電機軸向方向垂直的直線運動，運動方向和與兩個提供主驅(qū)動力的步進電機相連的互補全向車輪的線速度方向一致。運動情況九當6個步進電機中的某幾個步進電機沿著各自的轉(zhuǎn)軸向某一方向以大小相同或不同的角速度轉(zhuǎn)動時，六輪步進式機器人全向移動平臺的運動將是旋轉(zhuǎn)運動和直線運動的合成運動。本實用新型中，互補全向車輪采用有機玻璃板作為輪框架，并以激光雕刻的方式進行精確加工。每塊輪框架板材外緣開有8個凹槽，用于安放側(cè)向輥子。側(cè)向輥子的轉(zhuǎn)軸夾緊在輪框架外緣。另外，適度鏤空輪框以減少車輪重量。側(cè)向輥子及其轉(zhuǎn)軸可外購，在每個側(cè)向輥子外套硅膠管，以增大輪子和室內(nèi)地板之間的摩擦力。車輪中心有圓孔(有一側(cè)是平的)，用以與步進電機轉(zhuǎn)軸連接。該加工制作方案降低加工難度、避開昂貴的開模工藝、同時也保證了車輪加工的精度及必要的強度。本實用新型中，所述互補全向車輪，是指兩個全向車輪錯開角度并列安裝而形成互補結(jié)構(gòu)，保證輪組在轉(zhuǎn)動過程中至少有一個側(cè)向輥子與地面保持接觸，減少了震動和打滑情況的發(fā)生。同時，相比于傳統(tǒng)三輪全向驅(qū)動平臺，本實用新型設計的六輪步進式機器人全向移動平臺能更好的減少機器人運動時的振動，并且大大提高承載能力。考慮在實際應用環(huán)境中，地面的不平整或車架的細微形變等因素將導致六個車輪無法同時著地，從而導致車輪空轉(zhuǎn)的情況出現(xiàn)，對此本實用新型進行了相應的輔助設計。即在步進電機和機器人全向移動平臺的頂板之間的懸掛裝置上安裝彈簧，使得六組互補全向車輪處于預緊狀態(tài)，這樣可以解決六個輪子不同時著地的問題，同時可為車體減震。本實用新型中，選取混合式兩相42H4602型步進電機作為六輪步進式機器人全向移動平臺的動力源，基于L298N設計步進電機控制信號放大電路，來驅(qū)動步進電機。為了減弱或消除步進電機的低頻振動，并提高其運轉(zhuǎn)精度，本實用新型對步進電機進行細分控制。系統(tǒng)由芯片(Cyclone II EP2C8Q208C8N)充當?shù)讓舆\動控制器，利用FPGA芯片的硬件并行特性，采用Verilog HDL描述實現(xiàn)同時產(chǎn)生4路PWM信號，根據(jù)不同的細分要求，分別存儲不同的細分參數(shù)列表，再按系統(tǒng)要求的電機轉(zhuǎn)動方向及轉(zhuǎn)動速度的要求，動態(tài)的從循環(huán)列表中讀取PWM參數(shù)，從而使生成的4路PWM信號，既滿足細分要求，又達到步進電機轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向控制要求。其中，步進電機轉(zhuǎn)向、轉(zhuǎn)速控制信號來自系統(tǒng)上層，F(xiàn)PGA芯片通過改變參數(shù)列表讀取方向來實現(xiàn)電機轉(zhuǎn)向，并用控制PWM參數(shù)更新節(jié)奏的方式實現(xiàn)轉(zhuǎn)速控制，用到軟件延時。FPGA芯片給出的四路PWM信號經(jīng)由驅(qū)動模塊進行電流放大后，可直接驅(qū)動步進電機的四個抽頭。本實用新型的全向移動平臺控制簡便，運行平穩(wěn)，負載力大，安裝使用方便，車體振動小，運動定位精度高，可廣泛應用于各種機器人中。

圖I普通移動平臺力學分析。圖2全向移動平臺力學分析。圖3全向移動平臺運動學分析。圖4全向移動平臺動力學分析。圖5L298N驅(qū)動步進電機的原理圖。圖6細分情況下，步進電機AB相和⑶相上的控制信號。圖7步進電機控制信號生成。圖8互補全向輪框架CAD圖紙。圖9互補全向輪實物圖。圖10六輪步進式機器人全向移動平臺3D視圖。圖11六輪步進式機器人全向移動平臺底盤懸掛系統(tǒng)預緊減震結(jié)構(gòu)3D視圖。
具體實施方式
(I)理論分析全向移動平臺的力學分析全向輪的基本結(jié)構(gòu)是在大輪邊緣裝有軸向垂直的側(cè)向輥子，這樣每一個全向輪即使是橫向移動時，也始終保持與地面為滾動摩擦。采用全向輪，使得步進式機器人在向任意方向移動時，都可以大大減少移動阻力。下面對此做出力學分析，首先給出兩個前提假設I.每個輪組是完全一樣的，不考慮由于加工精度導致各輪組之間的細微差異。2.滑動摩擦力要遠遠大于滾動摩擦力，即在下面的力學分析中，主要考慮滑動摩擦力對于步進式機器人的影響。 考慮六輪全向步進式機器人在一組步進電機為驅(qū)動，另外兩組步進電機隨動的情況下，做驅(qū)動方向的直線運動。假設每臺步進電機提供的驅(qū)動力為^ ,每個輪組受到的滑動摩擦力為/ ,則每個驅(qū)動輪組提供的驅(qū)動力F滿足(O當不采用全向輪組，即使用普通的未裝側(cè)向輥子的車輪組時，步進式機器人在前進方向上的驅(qū)動力為2# ,四個與前進方向呈60度角的隨動輪組將是前進的阻力，受
到的阻力大小為4/ ,則此種情況下，步進式機器人所受合力滿足 ^, βΙ = Faw — Fwal =2F f(2)當采用全向輪組時，由于大輪邊緣裝有軸向垂直的側(cè)向輥子，隨動輪組受到的阻力會使得側(cè)向輥子沿軸轉(zhuǎn)動，所以將隨動全向輪組所受的滑動摩擦力分解到和輪組軸垂直方向和平行方向，如附圖2所示。此時隨動全向輪組所受的滑動摩擦力在輪組軸平行方向上的分量作為側(cè)向輥子的驅(qū)動力，使得滑動摩擦力變?yōu)闈L動摩擦力。對于整個步進式機器人來說，前進過程中受到的阻力主要是滑動摩擦力在輪組軸垂直方向上的分量。對于每一個輪組來說，滑動摩擦
力/f = /CoS6Cf =//2 ,對于整個步進式機器人來說，阻力為這四個隨動輪組受到的阻力的合力，因此，阻力=4/^08 60° = /。而步進式機器人在前進方向上的驅(qū)動力FLM為W ,則此種情況下，步進式機器人所受合力滿足Kial = FL· — Ksist = ^ - f⑶由此可見，采用全向輪組可以大大減少步進式機器人在移動過程中受到的阻力。全向移動平臺的運動學分析步進式機器人的運動空間為一個平面，建立如附圖3所示的絕對坐標系ZaOFa和機器人坐標系XyOJ,。其中機器人坐標系原點q與步進式機器人中心重合，&為1與
的夾角，#為輪組與A的夾角(如圖中所標，取銳角)“力步進式機器人中心到輪組中心的
距離，η ( =1,2,3,4.5.6)為輪組:提供的沿著驅(qū)動方向的速度。[0048]根據(jù)如附圖3所示的幾何關系，可得步進式機器人系統(tǒng)的運動學方程
權(quán)利要求1.一種六輪步進式機器人全向移動平臺，其特征在于包括頂板、底板，以及均勻布置于頂板和底板之間的六個步進電機；相鄰兩個步進電機之間的軸向夾角為60度，每個步進電機轉(zhuǎn)軸上連接一組互補全向車輪；兩個軸向夾角為180度的步進電機定為一組，六個步進電機分成三組； 所述互補全向車輪采用有機玻璃板作為輪框架，每塊輪框架板材外緣等間距地開有8個凹槽，每個凹槽中均安裝側(cè)向輥子，側(cè)向輥子的轉(zhuǎn)軸夾緊在輪框架外緣。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的六輪步進式機器人全向移動平臺，其特征在于在所述步進電機和所述頂板之間的懸掛系統(tǒng)上設置有彈簧，使得六組互補全向車輪處于預緊狀態(tài)。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的六輪步進式機器人全向移動平臺，其特征在于所述步進電機采用混合式兩相42H4602型步進電機。
專利摘要本實用新型屬于機器人技術領域，具體涉為一種六輪步進式機器人全向移動平臺。該全向移動平臺包括頂板、底板，以及均勻布置于頂板和底板之間的六個步進電機；相鄰兩個步進電機之間的軸向夾角為60度，每個步進電機轉(zhuǎn)軸上連接一組互補全向車輪；兩個軸向夾角為180度的步進電機定為一組；在步進電機和頂板之間的懸掛裝置上安裝彈簧，使六個車輪處于預緊狀態(tài)；整個系統(tǒng)采用細分控制，以消除步進電機的低頻振動并提高運轉(zhuǎn)精度，并由FPGA芯片充當?shù)讓舆\動控制器，同時產(chǎn)生4路PWM信號，達到轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向控制要求。本實用新型的全向移動平臺控制簡便，運行平穩(wěn)，負載力大，安裝使用方便，車體振動小，運動定位精度高，可廣泛應用于各種機器人中。
文檔編號B62D57/02GK202703736SQ20122020850
公開日2013年1月30日 申請日期2012年5月10日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月10日
發(fā)明者余翀, 邱其文 申請人:復旦大學