CN102495632A - 基于球轮全向驱动的运动平台 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种能够自主运动的智能运动平台，特别涉及一种通过控制三个球轮的运动从而实现平台整体的全向运动的机构，属于电机驱动、传感器测距、无线通讯和自动控制技术领域；具体包括三套同样的球轮驱动机械结构和三个电机驱动器、环境感知系统和平台控制系统；环境感知系统对周围环境探测后，将得到的环境信息传递给平台控制系统的平台主控制模块；平台主控制模块处理得出控制指令，发给电机驱动器控制模块，球轮在驱动电机的控制下滚动，实现平台的运动。本发明基于球体滚动的全向性原理，可实现人工操控与自主运行两种工作模式，以及单平台运行和多平台运行方式，具有体积小，平衡性好，运动行为表现力突出，快速机动和全向运动性的特点。

Description

基于球轮全向驱动的运动平台

技术领域

本发明涉及一种能够自主运动的智能运动平台，特别涉及一种通过控制三个球轮的运动从而实现平台整体的全向运动的机构，属于电机驱动、传感器测距、无线通讯和自动控制技术领域。

背景技术

随着社会的进步与科学技术的发展，运动平台技术的研究方兴未艾。人们在关注运动平台在科学研究中多用途的同时也在研究运动平台本身的发展，例如运动平台的运动形式，运动平台的智能性等。美国卡麦基梅隆大学的机器人研究所就研究出了一款机器人，它的整个机器人躯体都立于一个球体之上，通过两个正交的驱动轮轴摩擦球体，使其在二维平面内移动来调节自身的倾斜角度来保持静态稳定和向着目标方位移动。这款机器人是利用单球保持平衡，其上的机器人躯体可能存在晃动和摇摆。

发明内容

本发明的目的是提出一种具有新的运动形式的运动平台及其控制系统，同时解决相关现有技术中晃动和摇摆的问题。

一种基于球轮全向驱动的运动平台，包括球轮驱动系统、环境感知系统、平台控制系统。

1、所述的球轮驱动系统包括三套同样的球轮驱动机械结构和三个电机驱动器。其中，每套球轮驱动机械结构包括球轮、球轮支架、橡胶摩擦轮、驱动电机、驱动电机支架、钢制卡箍、万向轮、平台顶板和控制盒；钢制卡箍的内圈直径小于球轮直径，内圈上安装万向轮，二者一起卡在球轮之上；球轮支架安装于钢制卡箍上，用于支撑球轮上方的平台；橡胶摩擦轮位于球轮上方表面，用于驱动球轮滚动；驱动电机安装于橡胶摩擦轮背后，驱动电机支架安装在驱动电机上，用于连接驱动电机和球轮支架；平台顶板位于三套球轮支架的上方；控制盒通过平台顶板接入运动平台中。

所述电机驱动器安装在控制盒内，在平台控制系统的指令下控制驱动电机，对各个球轮的驱动由驱动电机一对一实现，三个驱动电机协作实现运动平台的任意转向性。

所述的三套球轮驱动机械结构分别位于等腰三角形的三个顶点，相邻两套之间由固定的板件连接。

2、所述的环境感知系统包括摄像头、多个二维激光雷达、非接触式光电测速仪、姿态传感器、传感器数据处理模块；根据任务需要可增装其他种类传感器，如触碰开关，热释电传感器等。

所述的摄像头安装的朝向为平台运动初始的前进方向，用来采集平台环境信息数据，并传输给传感器数据处理模块。所述的二维激光雷达用来采集平台在运动过程中的周围环境距离信息数据，并传输给传感器数据处理模块；安装于平台顶板上，朝向为平台运动初始的前进方向和后退方向，其扫描角度为240-260度。所述的非接触式光电测速仪采用光电反射式测速原理，用来检测平台行进过程中的运动速度，其安装方式为倒置，朝向为地面。所述的姿态传感器用来检测平台的倾斜信息与姿态信息，将数据传输给传感器数据处理模块。所述的传感器数据处理模块负责采集传感器数据进行处理，对平台的运行环境信息进行认知；具有可扩展传感器接口，能够根据任务需要接入其他类型传感器数据。

上述的姿态传感器、传感器数据处理模块均集成于平台控制盒内。

3、所述的平台控制系统是整个系统的中枢，包括平台主控制模块、电机驱动器控制模块、电源管理模块、无线通讯模块。所述的平台主控制模块接收传感器数据处理模块的环境认知信息和无线通讯模块的数据信息，在确定任务要求后，结合所接收到的环境与通讯信息，自主规划平台的行驶路径，发送指令给电机驱动器控制模块；同时，还可以接收驱动电机的转速反馈信息和平台的运动状态反馈信息，从而控制平台稳定地行驶。所述的电机驱动器控制模块能够接收平台主控制模块的命令，并转换为电机驱动器的指令来控制驱动电机的动作，使其实现不同的运动轨迹和全向运动性。所述的电源管理模块接收电源监控信息，具体包括可充电电池组与电源控制系统。所述的可充电电池组提供机器人平台运行所需的电能；所述的电源控制系统对可充电电池组工作状态进行监控，将监控数据发送平台主控制模块，同时，接收平台主控制模块电源控制指令，控制可充电电池组的输出电压。所述的无线通讯模块负责整个平台与外界的数据通讯，包括平台与操作人员(人机交互)、多平台之间(机机交互)、平台与其他设备的数据通讯；当运动平台处于人工操控或者多平台自主运动模式时，该模块将接收到的通讯数据发送给平台主控制模块，同时将平台主控制模块的通讯数据发出。

所述的平台控制系统安装于平台控制盒内。

本发明的运动平台的工作流程为：环境感知系统对周围环境进行探测，并将传感器数据处理模块分析处理后得到的环境信息传递给平台控制系统的平台主控制模块；平台主控制模块根据环境信息，结合预置程序处理得出控制指令，下发给电机驱动器控制模块，球轮在驱动电机的控制下滚动，从而实现平台的运动。

本发明提出的新型运动平台的工作模式包括人工操控与自主运行。所述的人工操控其特征在于操作人员能够通过发送无线通讯指令控制机器人运动平台运动；所述的自主运行其特征在于机器人平台能够根据环境感知信息与自身运动状态信息实现自主路径规划与运动控制功能。

本发明提出的新型运动平台的运行方式包括单平台运行方式与多平台运行方式。所述的单平台运行方式其特征在于只有一个平台运行，在此运行方式下，平台的主要任务是对行驶环境进行认知，以及控制自身运动行为表现力的展现。所述的多平台运行方式其特征在于除单平台的运行特点外，还包括多平台间的数据通讯、环境信息共享、群体运动行为表现力的控制与展现，只需改变平台控制系统中的预置程序即可实现。

有益效果

本发明的运动平台基于球体滚动的全向性原理，将球体滚动的运动形式应用于平台的运动控制研究领域，能实现全方位的移动而不需要改变平台本身的朝向，并可根据实际情况选择平动还是转动，方便控制，对复杂环境下或空间有限的区域具有很强的适应能力。

相比于现有的运动平台体积大、平衡性差和难操控的特点，本运动平台具有体积小，平衡性好，快速机动和全向运动性的诸多特点。其行为动作细节丰富，实验展现度高，运动灵巧轻便，速度快，具有机械结构紧凑合理，智能性、实用性、稳定性、节能性、经济性和通用性好等特点。

本发明通过控制驱动球的滚动实现机器人的运动驱动，与现有的移动机器人常规运动方式不同，运动行为表现力更为突出，可作为多机器人协同编队、运载机器人运动原型等多个研究领域的实验与验证平台；为以后的运载平台研究打下基础，对运动平台的进一步发展，具有相当重要的实用价值。

附图说明

图1是本发明的基于球轮全向驱动的运动平台构成框图；

图2是本具体实施方式中基于球轮全向驱动的运动平台的侧视图；

图3是本具体实施方式中基于球轮全向驱动的运动平台的后视图；

图4是本具体实施方式中基于球轮全向驱动的运动平台的底视图。

标号说明：

具体实施方式

为了更好地说明本发明的目的和优点，下面结合附图和实施例对本发明内容做进一步说明。

本发明所述的新型运动平台如图1所示，包括球轮驱动系统、环境感知系统、平台控制系统。环境感知系统对周围环境进行探测、分析处理后得到的环境信息传递给平台控制系统；平台控制系统控制驱动电机驱动球轮滚动，从而实现平台的运动。

本实施方式中，基于球轮全向驱动的运动平台如图2、图3、图4所示。其中，球轮驱动系统包括三套相同的球轮驱动机械结构和三个电机驱动器。任意一套球轮驱动机械结构其特征在于包括球轮8、球轮支架7、橡胶摩擦轮6、驱动电机10、驱动电机支架15、钢制卡箍16、六个万向轮9、平台顶板2和控制盒13。钢制卡箍16内圈直径小于球轮8的直径，内圈上安装六个相同的万向轮9，钢制卡箍16卡在球轮9上；球轮支架7为安装在钢制卡箍16上的三个支柱支撑的平板结构，平板下为驱动电机支架15和驱动电机10，驱动电机10安装在橡胶摩擦轮6背后，橡胶摩擦轮6与球轮8的上表面接触。此球轮驱动机械结构有三套，呈等腰三角形摆放，每套位于三角形的顶点；平台顶板2和平台支架12安装于球轮支架上，将三套球轮驱动机械结构连接成为一体。

图中控制盒13内含有电机驱动器、环境感知系统的传感器数据处理模块和姿态传感器、平台控制系统(包括平台主控制模块、电机驱动器控制模块、电源管理模块、无线通讯模块)。

电机驱动器接受平台控制系统的指令使得球轮在驱动电机控制下运动，可由单个驱动电机驱动单个球轮，也可由多个驱动电机协作驱动多个球轮实现运动平台的任意转向性。电机驱动器采用德国冯哈伯公司的MCDC3006S型电机驱动器。

本实施方式中，环境感知系统包括摄像头11、两个二维激光雷达1、非接触式光电测速仪14、姿态传感器、传感器数据处理模块；同时，还能够根据任务需要增装其他种类传感器，例如触碰开关，热释电传感器等。所述的摄像头11通过摄像头支架17安装在其中一套球轮支架7上，朝向为平台运动的初始前进方向。所述的两个相同的二维激光雷达1安装在平台顶板2下方边缘处，每个的扫描角度为240度，其朝向分别为平台运动初始的前进方向和后退方向。所述的非接触式光电测速仪14采用光电反射式测速原理，用来检测平台行进过程中的运动速度，朝向地面倒置安装在电池组支架下5。所述的姿态传感器用来检测平台的倾斜信息与姿态信息，将数据传输给传感器数据处理模块。所述的传感器数据处理模块负责采集传感器数据进行处理，对平台的运行环境信息进行认知，且具有可扩展传感器接口，能够根据任务需要接入其他类型传感器数据，本实施方式中的二维激光雷达采用日本HOKUYO公司的URG-04LX-UG01，姿态传感器采用美国AD公司的ADIS16405三轴加速度计，磁力计和陀螺仪。

本实施方式中，平台控制系统包括平台主控制模块、电机驱动器控制模块、电源管理模块、无线通讯模块。所述的平台主控制模块是整个系统的中枢，本实施方式采用PC104总线设计的PCM-3364嵌入式处理器，接收传感器数据处理模块的环境认知信息和无线通讯模块的数据信息，在确定任务要求后，根据所接收到的环境与通讯信息，自主规划平台的行驶路径，发送指令给电机驱动器控制模块；同时，平台主控制模块接收驱动电机的转速反馈信息和平台的运动状态反馈信息，并调整平台运动状态实现稳定行驶；所述的电机驱动控制器模块采用飞思卡尔MC9S12XS128单片机预置处理程序，将平台主控制模块的命令转换为电机驱动器的指令来控制驱动电机的动作，使其实现不同的运动轨迹和全向运动性。所述的平台主控制模块还能够接收电源管理模块的电源监控信息，控制电源管理模块安全、合理使用电源。所述的电源管理模块包括可充电电池组4与电源控制系统；所述的可充电电池组4通过电池组支架5安装在球轮支架7上，提供机器人平台运行所需的电能；所述的电源控制系统对可充电电池组4工作状态进行监控，将监控数据发送平台主控制模块，同时，接收平台主控制模块电源控制指令；所述的电源控制系统对可充电电池组4的输出电压进行控制。所述的无线通讯模块负责整个平台与外界的数据通讯，包括平台与操作人员(人机交互)、多平台之间(机机交互)、平台与其他设备的数据通讯；将接收到的通讯数据发送给平台主控制模块，同时将平台主控制模块的通讯数据发出。

本发明提出新型运动平台的工作模式包括人工操控与自主运行。所述的人工操控其特征在于操作人员能够通过发送无线通讯指令控制机器人运动平台运动；所述的自主运行其特征在于机器人平台能够根据环境感知信息与自身运动状态信息实现自主路径规划与运动控制功能。

本发明提出新型运动平台的运行方式包括单平台运行方式与多平台运行方式。所述的单平台运行方式其特征在于只有一个平台运行，在此运行方式下，平台的主要任务是对行驶环境进行认知，以及控制自身运动行为表现力的展现。所述的多平台运行方式其特征在于除单平台的运行特点外，还包括多平台间的数据通讯、环境信息共享、群体运动行为表现力的控制与展现。

本发明提出新型运动平台的运行环境为平坦陆地。同时，其独特的运动属性也开启了一系列实际应用。它可以应用于繁杂干扰的动态环境中，像是轮船，火车和拥挤的地区。它的全方位运动性可以适用于快速机动的用途，而且球轮运动平台上可搭载人机交互设备或作为机器人的底盘。在公共场合，日常援助，服务类机器人或者是娱乐事业的应用中，球轮运动平台被认为是最有潜力的。

以上结合附图对本发明的具体实施方式作了说明，但这些说明不能被理解为限制了本发明的范围，本发明的保护范围由随附的权利要求书限定，任何在本发明权利要求基础上的改动都是本发明的保护范围。

Claims (10)

1.基于球轮全向驱动的运动平台，其特征在于：包括球轮驱动系统、环境感知系统、平台控制系统；

所述的球轮驱动系统包括三套同样的球轮驱动机械结构和三个电机驱动器；其中，每套球轮驱动机械结构包括球轮、球轮支架、橡胶摩擦轮、驱动电机、驱动电机支架、钢制卡箍、万向轮、平台顶板和控制盒；

所述电机驱动器在平台控制系统的指令下控制驱动电机，对各个球轮的驱动由驱动电机一对一实现；

所述的环境感知系统包括摄像头、多个二维激光雷达、非接触式光电测速仪、姿态传感器、传感器数据处理模块；

所述的平台控制系统包括平台主控制模块、电机驱动器控制模块、电源管理模块、无线通讯模块；

上述的电机驱动器、环境感知系统的传感器数据处理模块和姿态传感器、平台控制系统均集成在控制盒内。

2.根据权利要求1所述的基于球轮全向驱动的运动平台，其特征在于：所述的钢制卡箍内圈直径小于球轮直径，内圈上安装万向轮，二者一起卡在球轮之上；球轮支架安装于钢制卡箍上；橡胶摩擦轮位于球轮上方表面；驱动电机安装于橡胶摩擦轮背后，驱动电机支架安装在驱动电机上，用于连接驱动电机和球轮支架；平台顶板位于三套球轮支架的上方；控制盒通过平台顶板接入运动平台中。

3.根据权利要求1所述的基于球轮全向驱动的运动平台，其特征在于：所述的三套球轮驱动机械结构分别位于等腰三角形的三个顶点，相邻两套之间由固定的板件连接。

4.根据权利要求1所述的基于球轮全向驱动的运动平台，其特征在于：所述的摄像头安装的朝向为平台运动初始的前进方向，用来采集平台环境信息数据，并传输给传感器数据处理模块。

5.根据权利要求1所述的基于球轮全向驱动的运动平台，其特征在于：所述的平台主控制模块接收传感器数据处理模块的环境认知信息和无线通讯模块的数据信息，在确定任务要求后，结合所接收到的环境与通讯信息，自主规划平台的行驶路径，发送指令给电机驱动器控制模块；同时，还可以接收驱动电机的转速反馈信息和平台的运动状态反馈信息，从而控制平台稳定地行驶。

6.根据权利要求1所述的基于球轮全向驱动的运动平台，其特征在于：所述的二维激光雷达安装于平台顶板上，朝向为平台运动初始的前进方向和后退方向，用来采集平台在运动过程中的周围环境距离信息数据，并传输给传感器数据处理模块。

7.根据权利要求1所述的基于球轮全向驱动的运动平台，其特征在于：所述的非接触式光电测速仪采用光电反射式测速原理，检测平台行进过程中的运动速度，朝向地面倒置安装。

8.根据权利要求1所述的基于球轮全向驱动的运动平台，其特征在于：所述的传感器数据处理模块负责对平台的运行环境信息进行认知；具有可扩展传感器接口，能够根据任务需要接入其他类型传感器数据。

9.根据权利要求1所述的基于球轮全向驱动的运动平台，其特征在于：所述的电源管理模块接收电源监控信息，具体包括可充电电池组与电源控制系统；可充电电池组提供机器人平台运行所需的电能；电源控制系统对可充电电池组工作状态进行监控，将监控数据发送平台主控制模块，同时，接收平台主控制模块电源控制指令，控制可充电电池组的输出电压。

10.根据权利要求1所述的基于球轮全向驱动的运动平台，其特征在于：所述的无线通讯模块负责整个平台与外界的数据通讯，当运动平台处于人工操控或者多平台自主运动模式时，该模块将接收到的通讯数据发送给平台主控制模块，同时将平台主控制模块的通讯数据发出。

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