CN100436080C - 机器人移动平台及其移动感测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种机器人移动平台及其移动感测方法，其利用两个相互垂直的全向米轮计模块以及一磁性感测模块，监测移动平台在平面运动时的运动状态，再通过一信号处理装置计算出移动平台的位置、速度、角位置及角速度。

Description

机器人移动平台及其移动感测方法

技术领域

本发明涉及机器人移动平台及其移动感测方法，特别是涉及有关于一种利用两个相互垂直的全向米轮计模块以及一磁性感测模块的机器人移动平台及其移动感测方法。

背景技术

一般而言，通过传感器得知移动平台的各项移动信息，其采用的感测方式通常为：编码、光束、方位与加速等。

编码感测方式为移动平台常用的运动感测方式，采用的组件为旋转编码器，应用时必须将编码器安装在移动平台的轮轴，通过两轮的转速差可计算移动平台运动时的位置、速度、角位置、角速度等物理量，但由于该方法为通过平台几何机构计算推论，因而容易受外界环境因素的影响，如轮轴打滑而造成极大的估测误差，因此需要进行定时定点的计算调校。

以光束作为感测方式可由移动平台上的光束发射器与接受器实现，所应用的组件大多为雷射线或红外线，该方法可感测移动平台与标的物间的距离，对于移动平台的速度也可得知，但如想得到平台运动时的绝对位置，则必须通过其它传感器辅助。

移动平台方位的估测可通过电子罗盘或惯性规等组件实现，但该方法仅用于移动平台转动方位的测量。此外，应用加速规也可进行移动平台的运动感测，但要获得位置与速度的信息，须分别通过二次积分与一次积分实现，因此易造成误差累积。

鉴于此，本发明提出了一种机器人移动平台及其移动感测方法，其可同时提供移动平台在平面运动时的速度、位置、角速度与角位置等物理量，降低各种可能因素所引起的误差，提高测量时的正确性，并降低系统应用复杂度。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种机器人移动平台及其移动感测方法，可同时测量出移动平台在平面运动时的速度、位置、角速度以及角位置等物理量。

本发明的另一个目的在于提供一个特殊设计的单轴全向米轮计模块(Monoaxial omni-directional meter wheel)，利用单一全向轮(Omni-directionalwheel)的直向转动与侧向滑动特性，搭载一旋转式编码器，可测量移动平台在移动时的直线距离与速度。

本发明的另一个目的在于提供一组互相垂直的双轴全向米轮计模块(Biaxial omni-directional meter wheel)，其由两个单轴全向米轮计模块所组成，利用两个全向轮的直向转动与侧向滑动特性，搭载两组旋转式编码器，可测量移动平台在移动时各轴的直线距离与速度，以及直线运动的行进角度。

为实现上述目的，本发明提出一种机器人移动平台，其包括一平台主体、至少一个全向米轮计模块、一磁性感测模块以及一信号处理装置。该全向米轮计模块设置在该平台主体上，并设有一全向轮以及一可根据该全向轮的旋转运动而输出一脉冲信号的旋转编码器；该磁性感测模块设置在该平台主体上，并根据地磁变动量强度而输出一位信号；该信号处理装置用于处理该脉冲信号及该位信号。该信号处理装置包括至少一个解码器、至少一个差分器、一位置计算单元以及一速度计算单元。该解码器可对该脉冲信号进行解码计算以产生一计数信号；该差分器可对该计数信号进行差分计算以产生一差分信号；该位置计算单元可对该计数信号进行位置计算以产生一位置信号；该速度计算单元可对该差分信号进行速度计算以产生一速度信号。该信号处理装置包括至少一个解码器、至少一个差分器、一角位置计算单元以及一角速度计算单。该解码器可对该位信号进行解码计算以产生一数字信号；该差分器可对该数字信号进行差分计算以产生一差分信号；该角位置计算单元可对该数字信号进行角位置计算以产生一角位置信号；该角速度计算单元可对该数字信号进行角速度计算以产生一角速度信号。该信号处理装置包括一中央控制单元，用于监控该平台主体的运动状况。

此外，该平台主体上可设置多个无动力驱动的转动轮或是有动力驱动的转动轮，所述多个转动轮可由一动力驱动装置来驱动。该全向米轮计模块可设置一弹性组件，用于缓冲该全向轮在转动时接触地面所造成的震动。该磁性感测模块可为一电子罗盘。

为实现上述目的，本发明还提出一种机器人移动平台的移动感测方法，包括下列步骤：提供一第一全向米轮计模块及一第二全向米轮计模块；对该第一全向米轮计模块所输出的脉冲信号及该第二全向米轮计模块所输出的脉冲信号，分别进行一解码计算以产生一第一计数信号及一第二计数信号；对该第一计数信号及该第二计数信号，进行一位置计算以产生一位置信号；对该第一计数信号及该第二计数信号，进行一差分计算以产生一第一差分信号及一第二差分信号；对该第一差分信号及该第二差分信号，进行一速度计算以产生一速度信号。该移动感测方法还包括下列步骤：提供一磁性感测模块；对该磁性感测模块输出的位信号，进行一解码运算以产生一数字信号；对该数字信号，进行一角位置计算以产生一角位置信号；对该数字信号，进行一差分计算以产生一差分信号；对该差分信号，进行一角速度计算以产生一角速度信号。该第一全向米轮计模块、该第二全向米轮计模块及该磁性感测模块设置在一平台主体上，该第一全向米轮计模块及该第二全向米轮计模块相互垂直，该磁性感测模块为一电子罗盘。该平台主体上设置有一信号处理装置，用于接收该第一全向米轮计模块输出的脉冲信号、该第二全向米轮计模块输出的脉冲信号及该磁性感测模块输出的位信号。该信号处理装置包括至少一个解码器、至少一个差分器、一位置计算单元、一速度计算单元、一角位置计算单元、一角速度计算单元以及一中央控制单元。该解码器用于提供所述解码运算；该差分器用于提供所述差分运算；该位置计算单元可计算该平台主体的位置；该速度计算单元可计算该平台主体的速度；该角位置计算单元可计算该平台主体的角位置；该角速度计算单元可计算该平台主体的角速度；该中央控制单元可接收该位置信号、该速度信号、该角位置信号及该角速度信号，并监控该平台主体的运动状况。

附图说明

图1为本发明优选实施方式的全向米轮计模块的立体分解图。

图2为本发明优选实施方式的全向米轮计模块的立体组合图。

图3为本发明优选实施方式的全向米轮计模块在独立运作时的信号处理流程图。

图4为本发明优选实施方式的两个全向米轮计模块同时搭配运作的信号处理流程图。

图5为本发明优选实施方式的机器人移动平台的示意图。

图6为本发明优选实施方式的机器人移动平台的信号处理流程图。

其中，附图标记：

100：全向米轮计模块          101：全向轮         102：旋转编码器

103、104：轴承               105、106：侧支撑架  107：上支撑架

108：支撑组件                109：弹性组件       301：全向米轮计模块

302：脉冲信号                303：解码器         304：计数信号

305：差分器                  306：差分信号       307：速度计算单元

308：位置计算单元            401：全向米轮计模块 402：全向米轮计模块

403：脉冲信号                404：解码器         405：计数信号

406：差分器                  407：差分信号       408：脉冲信号

409：解码器                  410：计数信号       411：差分器

412：差分信号                413：速度计算单元   414：位置计算单元

500：移动平台                510：全向米轮计模块 515：支撑架

520：全向米轮计模块          525：支撑架         530：磁性感测模块

540：转动轮                  550：信号处理装置   610：全向米轮计模块

615：脉冲信号                620：全向米轮计模块 625：脉冲信号

630：磁性感测模块            635：位信号         640：信号处理装置

641：解码器                  6415：计数信号      642：差分器

6425：差分信号               643：解码器         6435：计数信号

644：差分器                  6445：差分信号      645：速度计算单元

6455：速度信号               646：位置计算单元   6465：位置信号

647：解码器                  6475：数字信号      648：差分器

6485：差分信号               649：角速度计算单元 6495：角速度信号

650：角位置计算单元          6505：角位置信号    651：中央控制单元

具体实施方式

下面，将结合附图对本发明的特征、目的及其功能做进一步的详细说明。

请参考图1及图2，其分别为本发明优选实施方式的全向米轮计模块的立体分解图与立体组合图。全向米轮计模块100主要包括一具有直向转动与侧向滑动特性的全向轮101与一旋转编码器102，其中，全向轮101的两侧分别通过轴承103及104固定到侧支撑架105及106；旋转编码器102通过轴承103与全向轮101相连。当全向轮101的直向转动侧与地面接触而产生向前或向后的转动时，可带动旋转编码器102对应输出一具有全向轮101转动距离及转动速度等相关信息的脉冲信号，以用于后续运算处理。此外，侧支撑架105及106上方固定有一上支撑架107，固定在上支撑架107的支撑组件108可搭配另一支撑架(未示出)以便将全向米轮计模块10架设到一移动平台(未示出)。位于支撑组件108与上支撑架107间的弹性组件109可有效缓冲移动平台在颠簸环境下产生上下晃动的情形，降低全向轮101在转动时接触地面所造成的震动，进而提高旋转编码器102输出脉冲信号的正确度。

请参考图3，图3为本发明优选实施方式的全向米轮计模块在独立运作时的信号处理流程图。当全向米轮计模块301在独立运作时，附于全向米轮计模块301上的旋转编码器可输出一具有全向轮转动距离及转动速度等相关信息的脉冲信号302，通过解码器303解码后可产生计数信号304，差分器305可将计数信号304进行差分运算以产生差分信号306。速度计算单元307可根据差分信号306计算出移动平台在直线移动时的速度，位置计算单元308可根据计数信号304计算出移动平台在直线移动时的距离。

请参考图4，图4为本发明优选实施方式的两个全向米轮计模块同时搭配运作的信号处理流程图。全向米轮计模块401与全向米轮计模块402的直向转动方向相互垂直。全向米轮计模块401上的旋转编码器可输出脉冲信号403，经由解码器404解码后可产生计数信号405，差分器406对计数信号405进行差分运算以产生差分信号407。同样地，全向米轮计模块402上的旋转编码器可输出脉冲信号408，经由解码器409解码后可产生计数信号410，差分器411将计数信号410进行差分运算以产生差分信号412。速度计算单元413根据差分信号407及差分信号412计算出移动平台在移动时的速度，位置计算单元414根据计数信号405及计数信号410计算出移动平台在移动时的位置。由于使用了两个相互垂直的全向米轮计模块401及402，因此可获得移动平台在平面上两个相互垂直的轴向移动速度与移动距离，以便计算出移动平台在平面上的位置。

请参考图5，图5为本发明优选实施方式的移动平台的示意图。一移动平台500上分别设置有全向米轮计模块510及520，全向米轮计模块510及520分别通过支撑架515及525固定在移动平台500上，彼此之间相互垂直。此外，移动平台500上另设置有一磁性感测模块530与多个转动轮540，磁性感测模块530可为一电子罗盘，其根据地磁变动量强度，提供移动平台500相关的方位信息，转动轮540可选择使用各种轮子。移动平台500上也可附设一动力驱动装置(未示出)，例如马达，用于驱动转动轮540转动。

当移动平台500移动时，全向米轮计模块510上的旋转编码器可根据其附设的全向轮的转动情形，输出脉冲信号；同样地，全向米轮计模块520上的旋转编码器也可根据其附设的全向轮的转动情形，输出脉冲信号，磁性感测模块530则输出一具有定位信息的位信号。此时，设置在动平台500上的信号处理装置550可接收全向米轮计模块510及520所输出的脉冲信号以及磁性感测模块530所输出的位信号，经过运算处理后，即可得到移动平台500移动时的各项运动信息，例如：速度、位置、角速度及角位置等。

请参考图6，图6为本发明优选实施方式的移动平台的信号处理流程图。当平台移动时，第一全向米轮计模块610上的旋转编码器输出一脉冲信号615，第二全向米轮计模块620上的旋转编码器输出一脉冲信号625，磁性感测模块630输出一位信号635。

信号处理装置640可接收脉冲信号615、脉冲信号625及位信号635，脉冲信号615经解码器641解码后可产生计数信号6415，差分器642可对计数信号6415进行差分运算产生差分信号6425，同样地，脉冲信号625经解码器643解码后可产生计数信号6435，差分器644可对计数信号6435进行差分运算产生差分信号6445。速度计算单元645对差分信号6425及差分信号6445进行一速度计算，以计算出平台的速度并输出一速度信号6455，位置计算单元646对计数信号6415及计数信号6435进行一位置计算，以计算出平台的位置并输出一位置信号6465。

位信号635经解码器647解码后可产生数字信号6475，差分器648可对数字信号6475进行差分运算产生差分信号6485。角速度计算单元649对差分信号6485进行一角速度计算，以计算出平台的角速度并输出一角速度信号6495。角位置计算单元650对数字信号6475进行一位置计算，以计算出平台的角位置并输出一角位置信号6505。

中央控制单元651则接收速度信号6455、位置信号6465、角速度信号6495与角位置信号6505，以监控平台的运动状况，或作为平台反馈控制使用及管理使用。

综上所述，本发明所提出的机器人移动平台及其操作方法，可同时测量出移动平台在平面运动时的速度、位置、角速度以及角位置等物理量。本发明所设计的全向米轮计模块不仅具有高稳定性、低应用复杂度与低调校特性，搭配电子罗盘后，可更加准确取得移动平台的运动状况，却不会大幅提升系统的复杂性。

以上所述为本发明的优选实施方式，然而其并非用于限定本发明。凡根据本发明所附权利要求及其等同物所做的各种变形和改进，均不脱离本发明的精神和范围，因此都应属于本发明的范围。

Claims (15)

1、一种机器人移动平台，其特征在于，包括：

一平台主体；

至少一个全向米轮计模块，设置在所述平台主体上，其中每一所述全向米轮计模块，包括：

一全向轮；以及

一旋转编码器，根据所述全向轮的旋转运动，输出一脉冲信号；

一磁性感测模块，设置在所述平台主体上，根据地磁变动量强度，输出一位信号；以及

一信号处理装置，用于处理所述脉冲信号及所述位信号；

其中，该信号处理装置包括：

至少一个解码器，对所述脉冲信号进行解码计算以产生一计数信号；

至少一个差分器，对所述计数信号进行差分计算以产生一差分信号；

一位置计算单元，对所述计数信号进行位置计算以产生一位置信号；

一速度计算单元，对所述差分信号进行速度计算以产生一速度信号；

至少一个解码器，对所述位信号进行解码计算以产生一数字信号；

至少一个差分器，对所述数字信号进行差分计算以产生一差分信号；

一角位置计算单元，对所述数字信号进行角位置计算以产生一角位置信号；

一角速度计算单元，对所述差分信号进行角速度计算以产生一角速度信号；以及

一中央控制单元，用于接收所述位置信号、所述速度信号、所述角位置信号及所述角速度信号，以监控所述平台主体的运动状况。

2、根据权利要求1所述的机器人移动平台，其特征在于，所述平台主体上设置有多个转动轮。

3、根据权利要求2所述的机器人移动平台，其特征在于，所述平台主体上设置有一动力驱动装置，用于驱动所述多个转动轮进行转动。

4、根据权利要求1所述的机器人移动平台，其特征在于，每一所述全向米轮计模块包括一弹性组件，用于缓冲所述全向轮在转动时接触地面所造成的震动。

5、根据权利要求1所述的机器人移动平台，其特征在于，所述磁性感测模块为一电子罗盘。

6、一种机器人移动平台的移动感测方法，其特征在于，包括下列步骤：

提供一第一全向米轮计模块及一第二全向米轮计模块，所述第一全向米轮计模块及所述第二全向米轮计模块相互垂直；

利用一解码器对所述第一全向米轮计模块输出的脉冲信号及所述第二全向米轮计模块输出的脉冲信号，分别进行一解码计算以产生一第一计数信号及一第二计数信号；

利用一位置计算单元对所述第一计数信号及所述第二计数信号，进行一位置计算以产生一位置信号；

利用一差分器对所述第一计数信号及所述第二计数信号，进行一差分计算以产生一第一差分信号及一第二差分信号；

利用一速度计算单元对所述第一差分信号及所述第二差分信号，进行一速度计算以产生一速度信号；

提供一磁性感测模块；

利用一解码器对所述磁性感测模块输出的位信号，进行一解码运算以产生一数字信号；

利用一角位置计算单元对所述数字信号，进行一角位置计算以产生一角位置信号；

利用一差分器对所述数字信号，进行一差分计算以产生一差分信号；以及

利用一角速度计算单元对所述差分信号，进行一角速度计算以产生一角速度信号；以及

将所述位置信号、速度信号、角位置信号、角速度信号发送至一中央控制单元。

7、根据权利要求6所述的机器人移动平台的移动感测方法，其特征在于，所述第一全向米轮计模块、所述第二全向米轮计模块及所述磁性感测模块设置在一平台主体上。

8、根据权利要求7所述的机器人移动平台的移动感测方法，其特征在于，所述磁性感测模块为一电子罗盘。

9、根据权利要求7所述的机器人移动平台的移动感测方法，其特征在于，所述平台主体上设置有一信号处理装置，用于接收所述第一全向米轮计模块输出的脉冲信号、所述第二全向米轮计模块输出的脉冲信号及所述磁性感测模块输出的位信号。

10、根据权利要求9所述的机器人移动平台的移动感测方法，其特征在于，所述信号处理装置包括所述解码器、所述差分器、所述位置计算单元、所述速度计算单元、所述角位置计算单元、所述角速度计算单元以及所述中央控制单元。

11、根据权利要求10所述的机器人移动平台的移动感测方法，其特征在于，所述位置计算单元计算所述平台主体的位置。

12、根据权利要求10所述的机器人移动平台的移动感测方法，其特征在于，所述速度计算单元计算所述平台主体的速度。

13、根据权利要求10所述的机器人移动平台的移动感测方法，其特征在于，所述角位置计算单元计算所述平台主体的角位置。

14、根据权利要求10所述的机器人移动平台的移动感测方法，其特征在于，所述角速度计算单元计算所述平台主体的角速度。

15、根据权利要求10所述的机器人移动平台的移动感测方法，其特征在于，所述中央控制单元用于接收所述位置信号、所述速度信号、所述角位置信号及所述角速度信号，以监控所述平台主体的运动状况。

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