一種具有相對(duì)位姿檢測功能的全方位輪式移動(dòng)機(jī)器人的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種具有相對(duì)位姿檢測功能的全方位 輪式移動(dòng)機(jī)器人，適用于在城區(qū)環(huán)境中進(jìn)行定位和導(dǎo)航。
【背景技術(shù)】
[0002] 輪式移動(dòng)機(jī)器人在城區(qū)環(huán)境中行駛時(shí)，傳統(tǒng)的差速轉(zhuǎn)向方式控制簡單，但機(jī) 器人在轉(zhuǎn)彎時(shí)受底盤重量、地面摩擦力等影響，控制精度低；如果采用汽車的阿克曼 (Ackerman)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，由于轉(zhuǎn)彎半徑大，限制了機(jī)器人的機(jī)動(dòng)性?，F(xiàn)有的月球、火星探測車 通常使用具有多輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)和轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的移動(dòng)底盤。例如："好奇號(hào)"火星車使用了六個(gè)車 輪，每個(gè)車輪均有獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，兩個(gè)前輪和兩個(gè)后輪還配有獨(dú)立的轉(zhuǎn)向電機(jī)；另外，采 用搖桿式轉(zhuǎn)向懸掛系統(tǒng)，具有較好的越障、防傾覆等特點(diǎn)，但這種移動(dòng)底盤結(jié)構(gòu)復(fù)雜，更適 用于低速移動(dòng)機(jī)器人。
[0003] 近些年，出現(xiàn)了一種新型車輪結(jié)構(gòu)一一全向輪，具體實(shí)現(xiàn)類型包括瑞士輪和麥克 納姆（Mecanum)輪等。在全向輪的圓周方向上，均勾分布了多個(gè)小輪，其轉(zhuǎn)軸軸線方向與全 向輪的圓周相切，當(dāng)受到側(cè)向摩擦力后可以自由轉(zhuǎn)動(dòng)，因此，即使當(dāng)全向輪側(cè)向移動(dòng)時(shí)，與 地面仍然保持為滾動(dòng)摩擦。然而，當(dāng)使用全向輪作為移動(dòng)機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)輪時(shí)，機(jī)器人行走 的控制精度受到全向輪上多個(gè)小輪與地面的接觸輪廓影響，可能引起移動(dòng)底盤產(chǎn)生速度波 動(dòng)，并且由于小輪對(duì)地面的摩擦力有限，因此移動(dòng)性能不夠理想。另外，全向輪的承載能力 相對(duì)較弱，當(dāng)搬運(yùn)重型貨物時(shí)，不宜使用全向輪作為驅(qū)動(dòng)輪。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明結(jié)合獨(dú)立驅(qū)動(dòng)和轉(zhuǎn)向車輪、全向輪的優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種具有相對(duì)位姿檢測 功能的全方位輪式移動(dòng)機(jī)器人。該移動(dòng)機(jī)器人的底盤由主動(dòng)輪系和從動(dòng)輪系共同組成：四 個(gè)主動(dòng)輪使用輪轂電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)輪，并且具有獨(dú)立轉(zhuǎn)向功能；三個(gè)從動(dòng)輪使用全向輪，專門 用于檢測移動(dòng)機(jī)器人的相對(duì)運(yùn)動(dòng)位姿。該移動(dòng)機(jī)器人主要用于在城區(qū)環(huán)境中行駛。
[0005] 本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的：
[0006] 一種具有相對(duì)位姿檢測功能的全方位輪式移動(dòng)機(jī)器人，包括底盤，其特征在于：所 述底盤上安裝有四個(gè)主動(dòng)輪機(jī)構(gòu)和三個(gè)從動(dòng)輪機(jī)構(gòu)，所述主動(dòng)輪機(jī)構(gòu)對(duì)稱安裝在底盤兩側(cè) 作為機(jī)器人的行走機(jī)構(gòu)，采用輪轂電機(jī)技術(shù)，包括集成在主動(dòng)輪上的輪轂電機(jī)、減震器、減 速器以及伺服電機(jī)，所述伺服電機(jī)經(jīng)過減速器減速帶動(dòng)輪轂電機(jī)繞其豎直中心軸在± 90 ° 范圍內(nèi)水平旋轉(zhuǎn)方向，通過程序協(xié)調(diào)控制四個(gè)輪轂電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度以及四個(gè)伺服電機(jī)的轉(zhuǎn) 角，使機(jī)器人具有直行、斜行和轉(zhuǎn)向等多種復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)功能；所述從動(dòng)輪機(jī)構(gòu)分別安裝在 底盤兩側(cè)中間位置和尾部中間位置，用于檢測移動(dòng)機(jī)器人的相對(duì)位姿變化，均包括全向輪， 左、右兩側(cè)從動(dòng)輪機(jī)構(gòu)與尾部從動(dòng)輪機(jī)構(gòu)的全向輪的轉(zhuǎn)軸相互垂直，每個(gè)全向輪的轉(zhuǎn)軸上 安裝編碼器，通過三個(gè)編碼器的測量數(shù)據(jù)組合，計(jì)算機(jī)器人的相對(duì)運(yùn)動(dòng)位姿增量。
[0007] 所述輪轂電機(jī)的兩側(cè)設(shè)有減震器，所述減震器的頂端固定安裝有水平支撐板，所 述支撐板上連接有減速器的輸出法蘭，所述減速器通過支架垂直安裝在機(jī)器人底盤的側(cè) 面，所述減速器的輸入端還連接有伺服電機(jī)，所述伺服電機(jī)經(jīng)過減速器帶動(dòng)支撐板轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn) 而改變車輪的轉(zhuǎn)向角；所述四個(gè)主動(dòng)輪機(jī)構(gòu)的伺服電機(jī)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)和轉(zhuǎn)向，通過協(xié)調(diào)控制，實(shí) 現(xiàn)機(jī)器人的靈活運(yùn)動(dòng)。
[0008] 所述左、右兩側(cè)從動(dòng)輪機(jī)構(gòu)包括全向輪、增量式光電編碼器以及減震器，所述全向 輪兩側(cè)設(shè)有減震器，中心軸上設(shè)有帶座軸承一和增量式光電編碼器，且中心軸貫穿于帶座 軸承一內(nèi)圈孔中，和帶座軸承一外圈、增量式光電編碼器的轉(zhuǎn)軸固定連接；所述減震器的底 端經(jīng)過帶座軸承一與全向輪連接，所述增量式光電編碼器的外殼經(jīng)支架固定安裝于減震器 的底端，所述減震器的頂端固定安裝有水平支撐板，所述水平支撐板上固定有立式支撐架， 所述立式支撐架上固定連接有水平轉(zhuǎn)軸，所述水平轉(zhuǎn)軸的另一端連接有豎直連接桿的底 端，所述豎直連接桿底端還設(shè)有帶座軸承二，所述水平轉(zhuǎn)軸可以圍繞帶座軸承二的軸線轉(zhuǎn) 動(dòng)，所述帶座軸承二的軸承座固定安裝在機(jī)器人底盤的側(cè)面，所述豎直連接桿的頂端經(jīng)過 拉伸彈簧與機(jī)器人底盤側(cè)面相連，所述豎直連接桿上還設(shè)有限位擋塊限制全向輪繞水平軸 向前旋轉(zhuǎn)的極限位置。
[0009] 所述尾部從動(dòng)輪機(jī)構(gòu)包括括全向輪、增量式光電編碼器以及減震器，所述全向輪 兩側(cè)設(shè)有減震器，中心軸上設(shè)有帶座軸承一和增量式光電編碼器，且中心軸貫穿于帶座軸 承一內(nèi)圈孔中，和帶座軸承一外圈、增量式光電編碼器的轉(zhuǎn)軸固定連接；所述減震器的底端 經(jīng)過帶座軸承一與全向輪連接，所述增量式光電編碼器的外殼經(jīng)支架固定安裝于減震器的 底端，所述減震器的頂端固定安裝有水平支撐板，所述水平支撐板上固定有兩個(gè)立式支撐 架，所述兩個(gè)立式支撐架之間固定連接有水平轉(zhuǎn)軸，所述水平轉(zhuǎn)軸上方設(shè)有兩個(gè)帶座軸承 二，所述水平轉(zhuǎn)軸和兩個(gè)帶座軸承二內(nèi)圈固定連接；所述帶座軸承二上方設(shè)有水平支架，所 述帶座軸承二底座安裝在水平支架上，所述水平支架固定安裝于機(jī)器人底盤的尾部中間； 所述水平轉(zhuǎn)軸上還套有扭力彈簧，所述扭力彈簧包括水平端和豎直端，所述水平支架上還 設(shè)有豎直擋塊限制扭力彈簧的豎直端。
[0010] 所述從動(dòng)輪機(jī)構(gòu)上的水平旋轉(zhuǎn)軸使得當(dāng)路面上有凸起物體時(shí)，全向輪可以繞該旋 轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)并抬起一定的高度，避免從動(dòng)輪被物體卡住，對(duì)復(fù)雜的路面具有自適應(yīng)性，所述減 震器，確保機(jī)器人在不平整的路面上平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)。
[0011] 所述全向輪為雙排瑞士輪。
[0012] 所述的四個(gè)主動(dòng)輪機(jī)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)的機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)模式主要包括：直行、斜行和轉(zhuǎn) 向；
[0013] (1)直行時(shí)，四個(gè)主動(dòng)輪的轉(zhuǎn)速相同，轉(zhuǎn)向角均為零；
[0014] (2)斜行時(shí)，四個(gè)主動(dòng)輪的轉(zhuǎn)速相同，轉(zhuǎn)向角也相同，但不為零；
[0015] (3)轉(zhuǎn)向時(shí)，模式可以細(xì)分為：前輪轉(zhuǎn)向、后輪轉(zhuǎn)向、四輪轉(zhuǎn)向和原地轉(zhuǎn)向；根據(jù)轉(zhuǎn) 向模式、轉(zhuǎn)彎半徑和機(jī)器人幾