CN102680724B - 用于移动机器人小车的两自由度测速机构及其测速方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于移动机器人小车的两自由度测速机构及其测速方法，该测速机构包括测速机构支架、第一轴承、第二轴承、转轴和连杆，第一轴承安装在测速机构支架的中部，第一轴承与转轴啮合在一起，转轴的一端通过转轴联轴器与转轴编码器相连接，转轴的另一端与第二轴承啮合在一起；在转轴上径向安装一连杆轴，该连杆轴的外端与连杆的一端铰装在一起，在连杆与转轴之间设有一个弹簧使连杆沿连杆轴转动，该连杆的另一端安装有随动轮支架、随动轮、随动轮编码器；该方法计算随动轮的线速度V轮，进而计算车体速度V车。本发明设计合理，将其安装在小车的底部，解决了车轮空转情况下不能准确测速的问题，实现了对车体的精确测速功能。

Description

用于移动机器人小车的两自由度测速机构及其测速方法

技术领域

本发明属于移动机器人小车技术领域，尤其是一种用于移动机器人小车的两自由度测速机构及其测速方法。

背景技术

目前,移动机器人小车测速方法通常是在主动轮上安装光电编码器，当电机旋转时，光栅盘与电机同速旋转，利用光电转换原理直接将位移或角度的模拟信号转换成相应的电脉冲或数字量，通过计算每秒光电编码器输出脉冲的个数就能反映当前电机的转速。这种将光电编码器安装在主动轮上的方法虽然可以测速电机速度，但是，当移动机器人小车遇到特殊情况，如地面上存在油渍和冰雪都会使地面摩擦力小于正常值，由于地面摩擦力小于正常范围而不足以推动车辆前进，致使移动机器人小车车轮出现打滑空转现象，此时，安装在主动轮上的光电编码器虽然依旧能够正常输出脉冲并反映车轮的转速，但是，整个车体并没有发生任何移动，因此，会出现车体速度为零而车轮的速度大于零的车速测速的错误结论，不能真实地反映出移动机器人小车的真实行进速度。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种用于移动机器人小车的两自由度测速机构及其测速方法，解决了车轮空转情况下不能准确测速的问题。

本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：

一种用于移动机器人小车的两自由度测速机构，包括测速机构支架、第一轴承、第二轴承、转轴、转轴编码器、连杆、随动轮、随动轮支架、随动轮转轴和随动轮编码器，第一轴承安装在测速机构支架的中部，第一轴承与转轴啮合在一起，转轴的一端通过第一轴承、转轴联轴器与转轴编码器相连接，转轴的另一端与第二轴承啮合在一起；在转轴上径向安装一连杆轴，该连杆轴的外端与连杆的一端铰装在一起，在连杆与转轴之间设有一个弹簧使连杆沿连杆轴转动，该连杆的另一端安装在随动轮转轴的两端，该随动轮安装在随动轮转轴上，该随动轮转轴一侧通过随动轮联轴器与随动轮编码器相连接，该随动轮编码器安装随动轮支架上，该随动轮支架与连杆的下端固装在一起。

而且，所述的测速机构支架由第一横架、第二横架和纵架连接构成，第一横架安装在纵架一侧的中部并与第一轴承固装，第二横架安装在纵架的一侧的底部。

而且，所述的第二轴承啮合安装在转轴的上端，所述的转轴编码器通过转轴联轴器安装在测速机构下端的第二横架上。

而且，所述的第二轴承安装在测速机构下端的第二横架上，所述的转轴编码器通过第一轴承、转轴联轴器安装在转轴的上端。

而且，所述的转轴编码器、随动轮编码器还与测速电路相连接，该测速电路包括微处理器、转轴编码器接口、随动轮编码器接口和通信接口，转轴编码器接口的输出端、随动轮编码器接口的输出端与微处理器相连接，微处理器根据两个编码器采集的信息进行速度计算并通过通信接口将测速结果进行输出。

而且，所述的通信接口采用RS232接口、485接口或网口。

一种用于移动机器人小车的两自由度测速方法，包括以下步骤：

步骤1：通过转轴编码器得到车体转弯时车体运动方向和测速机构之间的夹角θ值，通过随动轮编码器得到随动轮的角速度ω_转弯；

步骤2：通过下式计算随动轮的线速度V_轮：

V_轮=R_随动轮*ω_转弯

上式中，R_随动轮为随动轮的半径,ω_转弯为随动轮的角速度；

步骤3：通过下式计算车体速度V_车：

V_车=V_轮/COSθ

上式中，V_轮为随动轮的线速度。

本发明的优点和积极效果是：

本发明安装在车体底部，通过转轴和随动轮上的编码器实时采集转轴和随动轮编码器的数据，由于随动轮的动力来自于车体，车体移动随动轮才能转动，所以随动轮编码器读出的数据能够真实反映车体的速度，当地面摩擦力小于正常范围致使车辆打滑时，由于此时车体未能发生移动，随动轮也将不会转动，安装在随动轮上的编码器也将不会产生输出脉冲，解决了车轮空转情况下不能准确测速的问题，实现了对车体速度的精确测速功能。

附图说明

图1是测速机构的结构示意图；

图2是测速机构的随动轮部分结构示意图；

图3是测速机构与移动机器人小车的连接示意图；

图4是测速机构的测速电路方框图；

图5是测速机构与移动机器人小车运动方向一致的状态示意图；

图6是测速机构与移动机器人小车运动方向不一致的状态示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明实施例做进一步详述：

一种用于移动机器人小车的两自由度测速机构，如图1及图2所示，包括测速机构支架1、第一轴承6、第二轴承2、转轴3、转轴联轴器7、转轴编码器8、弹簧5、连杆9、随动轮11、随动轮支架10、随动轮转轴15、随动轮联轴器16和随动轮编码器17。测速机构支架包括第一横架13、第二横架12和纵架14，第一横架安装在纵架一侧的中部，第二横架安装在纵架的一侧的底部，第一横架的外侧与第一轴承固装在一起，第一轴承与转轴啮合在一起，转轴的一端通过第一轴承6、转轴联轴器安装转轴编码器，转轴的另一端与第二轴承啮合在一起；第二轴承既可以安装在转轴的上端，也可以安装在转轴的下端，具体形式为：第二轴承安装在转轴的上端，与此同时，转轴编码器通过转轴联轴器安装在测速机构第二横架上；或者，第二轴承安装在测速机构下端的第二横架上，与此同时，转轴编码器通过第一轴承6、转轴联轴器安装在转轴的上端。在转轴上径向安装一连杆轴4，该连杆轴的外端与连杆的一端铰装在一起，在连杆与转轴之间设有一个弹簧使连杆可以沿连杆轴转动，该连杆的另一端安装在随动轮转轴的两端，随动轮安装在随动轮转轴上，该随动轮和地面之间的距离靠弹簧调节，当地面凸起时，弹簧被缩短，当地面凹陷时，弹簧被伸长，随动轮转轴一侧通过随动轮联轴器与随动轮编码器相连接，该随动轮编码器安装随动轮支架上，该随动轮支架与连杆的下端固装在一起。

本发明安装在移动机器人小车18下表面的中心位置上，实现对移动机器人小车的速度进行测速，如图3所示，移动机器人小车的车轮19及其随动轮均与地面紧密接触。由于本测速机构的第二轴承可以设在转轴的上端或下端，因此，本测速机构与移动机器人小车的方式有两种，一种安装方式是：纵杆与移动机器人车体的底部固装在一起，同时将第二轴承与移动机器人车体的底部固装在一起；另一种安装方式是：纵杆与移动机器人车体的底部固装在一起，同时将转轴编码器与移动机器人车体的底部固装在一起。

本测速机构还包括一个测速电路，如图4所示，测速电路包括微处理器、转轴编码器接口、随动轮编码器接口和通信接口，转轴编码器、随动轮编码器均可以采用绝对值编码器，上述绝对编码器通过电源输入接口、数据接口和时钟接口与转轴编码器接口、随动轮编码器接口相连接，转轴编码器接口的输出端、随动轮编码器接口的输出端与微处理器相连接，微处理器根据两个编码器采集的信息进行速度计算并通过通信接口将测速结果进行输出,该通信接口可以采用RS232接口、485接口或网口。

下面对本发明的工作原理进行说明：

本测速机构有两个自由度，第一个自由度是指连杆和转轴的连杆轴处，第二个自由度是指连杆和随动轮转轴处。当车体转弯时，测速机构车轴在扭矩的作用下产生转动，这个扭矩来自于地面的摩擦力：由于测速机构的车轴、连杆、随动轮在同一个平面内，当车体前进方向和测速机构平面不在同一直线上时，其随动轮方向和车体前进方向互为一个角度，由于这个角度的存在，使地面给随动轮产生一个摩擦阻力，这个摩擦阻力将沿着车体转动方向产生一个扭矩，扭矩作用在转轴上使转轴转动，并带动随动轮也跟着转动。由于测速机构随动轮、转轴、连杆始终保持在同一个平面内运动，当移动机器人小车作直线运动时，转轴、连杆、随动轮排列为一条直线并且和车体运动方向一致，如图5所示；当车体转弯运动时，由于地面无法立即提供随动轮的转弯力矩，连杆与车体将会产生一个夹角θ，如图6所示，车体和测速机构都会产生一个瞬时半径和瞬时圆心，其中，圆心是共同的，角速度ω_转弯相同，而车体的转弯半径L2和测速机构的转弯半径L1是不相同的，由于车体转弯线速度V_车=L2*ω_转弯，随动轮转弯线速度V_轮=L1*ω_转弯，因此V车=V轮/COSθ，其中，V轮=L1*ω_转弯=R*ω_随动轮，最终通过V车=R*ω_随动轮/COSθ计算出车体的运行速度。

一种用于移动机器人小车的两自由度测速方法，通过计算随动轮的线速度V_轮，进而计算车体的线速度V_车，具体包括以下步骤：

步骤1、通过转轴编码器得到车体转弯时车体运动方向和测速机构之间的夹角θ值，通过随动轮编码器得到随动轮的角速度ω_转弯；

步骤2、通过下式计算随动轮的线速度V_轮：

V_轮=R_随动轮*ω_转弯

由于随动轮转弯线速度V_轮=L1*ω_转弯，其中L1和ω_转弯为动态值将无法获取，而事实上随动轮转弯时的线速度和随动轮的线速度是相等的，因此，随动轮转弯线速度V_轮可用随动轮的线速度V_随动轮代替即可，即：V_轮=V_随动轮

由于随动轮的线速度V_随动轮=R_随动轮*ω_随动轮，R为随动轮的半径，为已知条件，ω_随动轮为随动轮的角速度，也为已知条件，因此，随动轮的线速度V_轮=V_随动轮=R_{随 动轮}*ω_转弯。

步骤3、通过下式计算车体速度V_车：

V_车=V_轮/COSθ

上述关系式可通过以下过程推导得出：

1、分别定义车体和随动轮的转弯半径L1和L2：通过随动轮中心点并且与连杆互为垂直的一条线为随动轮的转弯半径L1；通过车体中心点并且与车体前进方向互为垂直的一条线为车体的转弯半径L2；

2、定义车体和随动轮瞬时共有转弯圆心A，将以上L1、L2两个转弯半径的交点作为瞬时圆心A。

3、获取随动轮转弯线速度V_轮=L1*ω_转弯，其中L1为随动轮转弯半径，ω_{转 弯}为随动轮和车体转弯时共同的角速度；

4、获取车体转弯线速度V_车=L2*ω_转弯，其中L2为车体转弯半径，ω_转弯为随动轮和车体转弯时共同的角速度；

5、由以上导出：V_车=L2*ω_转弯=L2*V_轮/L1=V_轮/COSθ，

上述公式V_车=V_轮/COSθ对于图5及图6所示的两种状态的测速机构均为适用：当第一种状态时，L1=L2，由于V_车=V_轮/COSθ，COSθ=1，所以，V_车=V_轮；

由于步骤2中已经计算得到了计算随动轮的线速度V_轮，因此即可计算出车体转弯线速度V_车。

需要强调的是，本发明所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明并不限于具体实施方式中所述的实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本发明保护的范围。

Claims (7)

1.一种用于移动机器人小车的两自由度测速机构，其特征在于：包括测速机构支架、第一轴承、第二轴承、转轴、转轴编码器、连杆、随动轮、随动轮支架、随动轮转轴和随动轮编码器，第一轴承安装在测速机构支架的中部，第一轴承与转轴啮合在一起，转轴的一端通过第一轴承、转轴联轴器与转轴编码器相连接，转轴的另一端与第二轴承啮合在一起；在转轴上径向安装一连杆轴，该连杆轴的外端与连杆的一端铰装在一起，在连杆与转轴之间设有一个弹簧使连杆沿连杆轴转动，该连杆的另一端安装在随动轮转轴的两端，该随动轮安装在随动轮转轴上，该随动轮转轴一侧通过随动轮联轴器与随动轮编码器相连接，该随动轮编码器安装随动轮支架上，该随动轮支架与连杆的下端固装在一起。

2.根据权利要求1所述的用于移动机器人小车的两自由度测速机构，其特征在于：所述的测速机构支架由第一横架、第二横架和纵架连接构成，第一横架安装在纵架一侧的中部并与第一轴承固装，第二横架安装在纵架的一侧的底部。

3.根据权利要求2所述的用于移动机器人小车的两自由度测速机构，其特征在于：所述的第二轴承啮合安装在转轴的上端，所述的转轴编码器通过第一轴承、转轴联轴器安装在测速机构下端的第二横架上。

4.根据权利要求2所述的用于移动机器人小车的两自由度测速机构，其特征在于：所述的第二轴承安装在测速机构下端的第二横架上，所述的转轴编码器通过转轴联轴器安装在转轴的上端。

5.根据权利要求1至4任一项所述的用于移动机器人小车的两自由度测速机构，其特征在于：所述的转轴编码器、随动轮编码器还与测速电路相连接，该测速电路包括微处理器、转轴编码器接口、随动轮编码器接口和通信接口，转轴编码器接口的输出端、随动轮编码器接口的输出端与微处理器相连接，微处理器根据两个编码器采集的信息进行速度计算并通过通信接口将测速结果进行输出。

6.根据权利要求5所述的用于移动机器人小车的两自由度测速机构，其特征在于：所述的通信接口采用RS232接口、485接口或网口。

7.一种使用如权利要求1至6任一项所述测速机构的测速方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：通过转轴编码器得到车体转弯时车体运动方向和测速机构之间的夹角θ值，通过随动轮编码器得到随动轮的角速度ω_转弯；

步骤2：通过下式计算随动轮的线速度V_轮：

V_轮=R_随动轮×ω_转弯

上式中，R_随动轮为随动轮的半径,ω_转弯为随动轮的角速度；

步骤3：通过下式计算车体速度V_车：

V_车=V_轮/COSθ

上式中，V_轮为随动轮的线速度。

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