CN103196685A - 一种重心位置可调的两轮差速轮式移动机器人实验平台 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种重心位置可调的两轮差速轮式移动机器人实验平台，其特征在于，包括底板，底板上设置有驱动系统，底板上方向上均布设置有三根支撑杆，三根支撑杆顶部各设置有一根向中间横向延伸后交接固定为一体的横杆，横杆中间位置设置有提升机构，支杆中部位置设置有二维平台，二维平台上设置有配重块，以及用于带动配重块沿二维平台水平面运动的二维运动机构，所述提升机构用于带动二维平台做提升运动。本发明具有结构简单，重心移动在三维方向上迅速，灵敏，精确可控的优点，特别适合用于对机器人重心移动情况与机器人移动情况之间的影响关系进行研究。
Description
技术领域
本发明是一种机器人试验平台，尤其涉及一种重心位置可调的两轮差速轮式移动机器人实验平台。
背景技术
随着社会发展和科技进步，移动机器人在工业、军事和航天领域发挥着越来越重要的作用。机器人中，两轮差速轮式移动机器人具有成本低，结构简单可靠等特点，在移动机器人领域应用最为广泛。两轮差速轮式移动机器人普遍采用左右两个对称驱动轮和一个万向轮的结构，依靠左右驱动轮速度差来实现机器人车体的不同半径转向。机器人的重心位置会直接影响移动机器人的运动性能，研究机器人重心位置对机器人运动性能的影响，有利于更好地对机器人进行控制。精确快速调整重心的装置对于改善机器人的运动性能具有重要意义,其研究结果可推广应用于汽车、以及其他移动机器人领域。
针对重心位置对移动机器人运动控制影响研究中，许松清、吴海彬、杨兴裕在《两轮驱动移动机器人的运动学研究》中从移动机器人运动学模型上分析了移动机器人重心位置对机器人转弯最小半径的影响；程福在《双轮驱动足球机器人加速性能的研究》中分析了重心位置对移动机器人加速性能的影响；李艳萍在《基于自主学习的移动机器人质心偏移控制策略》中利用线性规划的方法对质心偏移时电机牵引力进行了分配。但上述研究仅仅限于理论研究，现阶段的研究缺乏一种实物平台来研究重心位置改变对机器人运动轨迹的影响。
故申请人考虑设计一种机器人试验平台，专门用于方便研究重心改变与机器人运动状况之间的关系，以更好地了解和认识机器人重心改变情况对机器人运动的影响关系，以设计出更科学的机器人。
公开号CN201058238Y《重心动态可调式足球机器人》中提出用位于底盘中央的重心动态平衡块和足球机器人的惯性动态调整车体重心位置，一定程度上可以解决移动机器人的定向运动准确性，但是不可精确调节。
公开号CN202243772《一种可变重心的机器人电动行走装置》给出一种二维调整重心的机构，但不可以进行高度的调节。采用两组丝杆和驱动装置进行调节，不能保证重心调整的快速性。
公开号CN102145740《一种水下机器人重心调节装置》将轴向调节系统、横滚调节系统和被调重块三部分集成到同一个重心调节机构中。所述轴向调节系统和横滚调节系统分别通过丝杠螺母机构和行星齿轮机构实现。调节水下机器人重心的轴向位置和横滚位置，实现水下机器人两个方向的重心调节，但调节过程缓慢、范围小。
现有的上述专利虽然设计了相关重心可调装置，但均是从实用要求出发，均为定性调节，且要求重心较低以保障机器人运动的稳定，不能满足试验研究时，对于重心调整在定量、速度、范围等多方面的要求。故上述专利的重心调整装置，可以用于实际机器人应用，但不适合用于试验研究。故如何设计一种重心能够在三维方向大范围内精确快速调节的移动机器人实验平台，以方便进行研究，方便分析移动机器人在运动过程中重心位置对机器人运动轨迹的影响，成为需要考虑解决的问题。
发明内容
针对上述问题和不足，本发明所要解决的技术问题是：怎样提供一种结构简单，重心移动在三维方向上迅速，灵敏，精确可控的重心位置可调的两轮差速轮式移动机器人实验平台，以便于对机器人重心移动情况与机器人移动情况之间的影响关系进行研究。
为了解决上述问题，本发明采用了以下的技术方案。
一种重心位置可调的两轮差速轮式移动机器人实验平台，其特征在于，包括底板，底板上设置有驱动系统，底板上方向上均布设置有三根支撑杆，三根支撑杆顶部各设置有一根向中间横向延伸后交接固定为一体的横杆，横杆中间位置设置有提升机构，支杆中部位置设置有二维平台，二维平台上设置有配重块，以及用于带动配重块沿二维平台水平面运动的二维运动机构，所述提升机构用于带动二维平台做提升运动。
其中，所述驱动系统包括支撑设置于底板下方的滚轮，以及位于底板上方的驱动控制模块，所述驱动控制模块用于控制和带动滚轮转动。
其中，所述提升机构包括提升电机和钢丝绳，所述提升电机固定在三横杆交接处，提升电机输出轴上设置有绞线盘，所述钢丝绳一端绕接在绞线盘上，另一端向下可滑动地穿过位于横杆交接处中部的竖孔并连接在二维平台中部。
其中，所述二维平台包括三个可滑动地套设在三根支撑杆上的套筒，三套筒之间上端靠由三根连接杆构成的上支架连接为一体，上支架中部与提升机构相连；三套筒下端内侧水平设置有一环形件，环形件上方沿直径方向设置有一条形导轨，条形导轨两端靠滚珠可滑动地卡接在环形件上表面的一环形滑槽内，条形导轨中部下方设置有舵机，舵机靠下支架固定在三根支撑杆上，舵机与条形导轨连接并用于带动条形导轨旋转；条形导轨的两侧面顺长度方向设置有卡接滑槽，所述配重块靠配合在卡接滑槽内的卡接凸起可滑动地卡接在条形导轨上，条形导轨的上端面沿长度方向设置有齿条带，配重块内部设置有行走电机，行走电机输出端设置有与齿条带啮合的行走齿轮。
本发明的实验平台使用时，靠计算机进行控制，计算机分别与驱动控制模块、提升电机、舵机以及行走电机通讯连接并进行智能控制。能够分别控制平台行走以及重心在三维空间内的移动。进而就可以便于研究重心移动对平台行走之间的影响关系。其中，靠控制驱动控制模块驱动滚轮转动，带动平台行走。靠提升电机通过钢丝绳带动二维平台升降，实现重心上下方向的运动，靠舵机带动条形导轨旋转同时行走电机带动配重块在条形导轨上行走，实现重心在水平二维方向的运动。同时，本平台独特的结构设计，使得驱使重心在三维方向移动时，能够更加迅速，灵敏和精确可控，有利于扩大实验数据范围，得出更好的实验结果。
具体地说，本发明中，平台采用柱坐标系设计，相对于直角坐标系，调整范围大，调整过程更为迅速。且只使用了一根导轨，更节省材料并使结构更简洁。
同时，本发明在二维平台中采用了舵机带动旋转和行走电机带动径向行走相结合的方式来完成重物块在水平方向的快速调节。重物块采用滑槽配合的方式与导轨相契合，保证了重物块滑道的可靠性。导轨放置在带有滑槽的圆环上，圆环镂空，减轻重量。通过滚珠，润滑等方式减小摩擦，并由位于圆环中心位置的舵机控制旋转角度θ，实现圆面范围内重物的任意位置调节，相较于丝杆以及齿轮等机构具有快速性且有很好的精确度。行走电机可以自带电池作为重物块的一部分，节省了材料，提高了空间的利用率，减轻了平台的重量。配置块可以优选采用箱体结构，这样可根据需要添加不同大小的质量块放入其中，实现了质量可调。
本发明中，垂向调节的提升机构采用绞箱的结构，在底板上端垂直安装三根等高的圆柱形支撑杆，在三支撑杆上端架以横杆形成横梁，横梁上放置用于提升的驱动电机，钢绳通过位于横梁中心的圆孔来提升二维平台以改变其高度。二维平台边沿设有分别穿过三个支撑杆的三个套筒，套筒可以在圆柱上上下自由滑动，也可有效防止在小车运动过程中圆环随意摆动，使机构更稳定，保证了实验的精确性和安全性。
本发明可以采用智能控制，当操作者向PC机输入期望的（x，y，z）值时，通过直角坐标与柱坐标的换算，得出（θ，R，H）的值，按重心调整程序流程图执行驱动机构，使重物块迅速运动到指定位置，精确迅速，便于操作。
本实验平台能对轮式移动机器人的重心位置在较大范围内进行任意位置的快速精确调节，利用该平台不仅可以研究重心位置的不同对轮式机器人运动轨迹的影响，而且可以实时调整机器人的重心位置以保证机器人运动的稳定性。从中总结出的相关规律，可以推广应用于汽车、以及其他移动机器人等领域。
综上所述，本发明具有结构简单，重心移动在三维方向上迅速，灵敏，精确可控的优点，特别适合用于对机器人重心移动情况与机器人移动情况之间的影响关系进行研究。
说明书附图
图1是本发明结构示意图。
图2是图1中单独支撑杆以及支撑杆上设置的结构的示意图。
图3是单独配重块和条形导轨的结构示意图。
图4是本实验平台具体操作实施时的程序流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。
具体实施时，如图1-图3所示，一种重心位置可调的两轮差速轮式移动机器人实验平台，包括底板，底板上设置有驱动系统，底板上方向上均布设置有三根支撑杆7，三根支撑杆7顶部各设置有一根向中间横向延伸后交接固定为一体的横杆5，横杆5中间位置设置有提升机构，支杆中部位置设置有二维平台，二维平台上设置有配重块12，以及用于带动配重块12沿二维平台水平面运动的二维运动机构，所述提升机构用于带动二维平台做提升运动。其中，所述驱动系统包括支撑设置于底板下方的滚轮，滚轮包括一个前滚轮2和一对后滚轮1，以及位于底板上方的驱动控制模块3，所述驱动控制模块用于控制和带动滚轮转动，一般包括滚轮驱动电机和电机控制模块。其中，所述提升机构包括提升电机4和钢丝绳10，所述提升电机固定在三横杆交接处，提升电机输出轴上设置有绞线盘，所述钢丝绳10一端绕接在绞线盘上，另一端向下可滑动地穿过位于横杆5交接处中部的竖孔6并连接在二维平台9中部。其中，所述二维平台9包括三个可滑动地套设在三根支撑杆7上的套筒8，三套筒8之间上端靠由三根连接杆构成的上支架11连接为一体，上支架11中部与提升机构相连；三套筒下端内侧水平设置有一环形件16，环形件16上方沿直径方向设置有一条形导轨14，条形导轨14两端靠滚珠可滑动地卡接在环形件上表面的一环形滑槽13内，条形导轨14中部下方设置有舵机17，舵机17靠下支架固定在三根支撑杆上，舵机与条形导轨连接并用于带动条形导轨旋转；条形导轨的两侧面顺长度方向设置有卡接滑槽18，所述配重块12靠配合在卡接滑槽18内的卡接凸起19可滑动地卡接在条形导轨14上，条形导轨的上端面沿长度方向设置有齿条带15，配重块内部设置有行走电机，行走电机输出端设置有与齿条带15啮合的行走齿轮。
本发明的实验平台具体使用时，靠计算机进行控制，计算机分别与驱动控制模块、提升电机、舵机以及行走电机通讯连接并进行智能控制。通过操作者或控制算法发送期望的（x，y，z）值时，通过直角坐标与柱坐标的换算，得出（θ，R，H）的值，可以按照重心调整程序流程图4执行驱动机构，使重物块迅速运动到指定位置。
本实验平台能对轮式移动机器人的重心位置在较大范围内进行任意位置的快速精确调节，利用该平台不仅可以研究重心位置的不同对轮式机器人运动轨迹的影响，而且可以实时调整机器人的重心位置以保证机器人运动的稳定性。从中总结出的相关规律，可以推广应用于汽车、以及其他移动机器人等领域。
Claims (4)
1. 一种重心位置可调的两轮差速轮式移动机器人实验平台，其特征在于，包括底板，底板上设置有驱动系统，底板上方向上均布设置有三根支撑杆，三根支撑杆顶部各设置有一根向中间横向延伸后交接固定为一体的横杆，横杆中间位置设置有提升机构，支杆中部位置设置有二维平台，二维平台上设置有配重块，以及用于带动配重块沿二维平台水平面运动的二维运动机构，所述提升机构用于带动二维平台做提升运动。
2.如权利要求1所述的重心位置可调的两轮差速轮式移动机器人实验平台，其特征在于，所述驱动系统包括支撑设置于底板下方的滚轮，以及位于底板上方的驱动控制模块，所述驱动控制模块用于控制和带动滚轮转动。
3.如权利要求1所述的重心位置可调的两轮差速轮式移动机器人实验平台，其特征在于，所述提升机构包括提升电机和钢丝绳，所述提升电机固定在三横杆交接处，提升电机输出轴上设置有绞线盘，所述钢丝绳一端绕接在绞线盘上，另一端向下可滑动地穿过位于横杆交接处中部的竖孔并连接在二维平台中部。
4.如权利要求1所述的重心位置可调的两轮差速轮式移动机器人实验平台，其特征在于，所述二维平台包括三个可滑动地套设在三根支撑杆上的套筒，三套筒之间上端靠由三根连接杆构成的上支架连接为一体，上支架中部与提升机构相连；三套筒下端内侧水平设置有一环形件，环形件上方沿直径方向设置有一条形导轨，条形导轨两端靠滚珠可滑动地卡接在环形件上表面的一环形滑槽内，条形导轨中部下方设置有舵机，舵机靠下支架固定在三根支撑杆上，舵机与条形导轨连接并用于带动条形导轨旋转；条形导轨的两侧面顺长度方向设置有卡接滑槽，所述配重块靠配合在卡接滑槽内的卡接凸起可滑动地卡接在条形导轨上，条形导轨的上端面沿长度方向设置有齿条带，配重块内部设置有行走电机，行走电机输出端设置有与齿条带啮合的行走齿轮。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20150401 Termination date: 20160304 |
|
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |