CN104590414A - 一种具有相对位姿检测功能的全方位轮式移动机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有相对位姿检测功能的全方位轮式移动机器人，其特征在于：底盘由四个主动轮和三个从动轮组成，每个主动轮能够独立驱动和转向，通过协调控制，实现机器人的灵活运动；底盘移动时带动三个从动轮转动，通过三个全向轮的组合转速测量，可以检测机器人的相对位姿变化。本发明移动机器人机械设计结构紧凑，平台具有灵活的运动性能，可以自动检测平台的运动位姿增量，并且能够在复杂的路面上平稳行驶。通过增加车载外部传感器，该移动机器人平台可以用于在城区环境中进行环境探测、自主定位和导航，还可以进行地球外星体探测等。从动轮系的组合设计，为移动平台的快速智能化和机器人化改造提供了一种低成本、易于计算的位姿检测信息。

Description

一种具有相对位姿检测功能的全方位轮式移动机器人

技术领域

本发明属于移动机器人技术领域，具体涉及一种具有相对位姿检测功能的全方位轮式移动机器人，适用于在城区环境中进行定位和导航。

背景技术

轮式移动机器人在城区环境中行驶时，传统的差速转向方式控制简单，但机器人在转弯时受底盘重量、地面摩擦力等影响，控制精度低；如果采用汽车的阿克曼(Ackerman)转向机构，由于转弯半径大，限制了机器人的机动性。现有的月球、火星探测车通常使用具有多轮独立驱动和转向机构的移动底盘。例如：“好奇号”火星车使用了六个车轮，每个车轮均有独立的驱动电机，两个前轮和两个后轮还配有独立的转向电机；另外，采用摇杆式转向悬挂系统，具有较好的越障、防倾覆等特点，但这种移动底盘结构复杂，更适用于低速移动机器人。

近些年，出现了一种新型车轮结构——全向轮，具体实现类型包括瑞士轮和麦克纳姆(Mecanum)轮等。在全向轮的圆周方向上，均匀分布了多个小轮，其转轴轴线方向与全向轮的圆周相切，当受到侧向摩擦力后可以自由转动，因此，即使当全向轮侧向移动时，与地面仍然保持为滚动摩擦。然而，当使用全向轮作为移动机器人的驱动轮时，机器人行走的控制精度受到全向轮上多个小轮与地面的接触轮廓影响，可能引起移动底盘产生速度波动，并且由于小轮对地面的摩擦力有限，因此移动性能不够理想。另外，全向轮的承载能力相对较弱，当搬运重型货物时，不宜使用全向轮作为驱动轮。

发明内容

本发明结合独立驱动和转向车轮、全向轮的优点，设计了一种具有相对位姿检测功能的全方位轮式移动机器人。该移动机器人的底盘由主动轮系和从动轮系共同组成：四个主动轮使用轮毂电机作为驱动轮，并且具有独立转向功能；三个从动轮使用全向轮，专门用于检测移动机器人的相对运动位姿。该移动机器人主要用于在城区环境中行驶。

本发明是通过以下技术方案来实现的：

一种具有相对位姿检测功能的全方位轮式移动机器人，包括底盘，其特征在于：所述底盘上安装有四个主动轮机构和三个从动轮机构，所述主动轮机构对称安装在底盘两侧作为机器人的行走机构，采用轮毂电机技术，包括集成在主动轮上的轮毂电机、减震器、减速器以及伺服电机，所述伺服电机经过减速器减速带动轮毂电机绕其竖直中心轴在±90°范围内水平旋转方向，通过程序协调控制四个轮毂电机的转动速度以及四个伺服电机的转角，使机器人具有直行、斜行和转向等多种复杂的运动功能；所述从动轮机构分别安装在底盘两侧中间位置和尾部中间位置，用于检测移动机器人的相对位姿变化，均包括全向轮，左、右两侧从动轮机构与尾部从动轮机构的全向轮的转轴相互垂直，每个全向轮的转轴上安装编码器，通过三个编码器的测量数据组合，计算机器人的相对运动位姿增量。

所述轮毂电机的两侧设有减震器，所述减震器的顶端固定安装有水平支撑板，所述支撑板上连接有减速器的输出法兰，所述减速器通过支架垂直安装在机器人底盘的侧面，所述减速器的输入端还连接有伺服电机，所述伺服电机经过减速器带动支撑板转动进而改变车轮的转向角；所述四个主动轮机构的伺服电机独立驱动和转向，通过协调控制，实现机器人的灵活运动。

所述左、右两侧从动轮机构包括全向轮、增量式光电编码器以及减震器，所述全向轮两侧设有减震器，中心轴上设有带座轴承一和增量式光电编码器，且中心轴贯穿于带座轴承一内圈孔中，和带座轴承一外圈、增量式光电编码器的转轴固定连接；所述减震器的底端经过带座轴承一与全向轮连接，所述增量式光电编码器的外壳经支架固定安装于减震器的底端，所述减震器的顶端固定安装有水平支撑板，所述水平支撑板上固定有立式支撑架，所述立式支撑架上固定连接有水平转轴，所述水平转轴的另一端连接有竖直连接杆的底端，所述竖直连接杆底端还设有带座轴承二，所述水平转轴可以围绕带座轴承二的轴线转动，所述带座轴承二的轴承座固定安装在机器人底盘的侧面，所述竖直连接杆的顶端经过拉伸弹簧与机器人底盘侧面相连，所述竖直连接杆上还设有限位挡块限制全向轮绕水平轴向前旋转的极限位置。

所述尾部从动轮机构包括括全向轮、增量式光电编码器以及减震器，所述全向轮两侧设有减震器，中心轴上设有带座轴承一和增量式光电编码器，且中心轴贯穿于带座轴承一内圈孔中，和带座轴承一外圈、增量式光电编码器的转轴固定连接；所述减震器的底端经过带座轴承一与全向轮连接，所述增量式光电编码器的外壳经支架固定安装于减震器的底端，所述减震器的顶端固定安装有水平支撑板，所述水平支撑板上固定有两个立式支撑架，所述两个立式支撑架之间固定连接有水平转轴，所述水平转轴上方设有两个带座轴承二，所述水平转轴和两个带座轴承二内圈固定连接；所述带座轴承二上方设有水平支架，所述带座轴承二底座安装在水平支架上，所述水平支架固定安装于机器人底盘的尾部中间；所述水平转轴上还套有扭力弹簧，所述扭力弹簧包括水平端和竖直端，所述水平支架上还设有竖直挡块限制扭力弹簧的竖直端。

所述从动轮机构上的水平旋转轴使得当路面上有凸起物体时，全向轮可以绕该旋转轴转动并抬起一定的高度，避免从动轮被物体卡住，对复杂的路面具有自适应性，所述减震器，确保机器人在不平整的路面上平稳运动。

所述全向轮为双排瑞士轮。

所述的四个主动轮机构可以实现的机器人的运动模式主要包括：直行、斜行和转向；

(1)直行时，四个主动轮的转速相同，转向角均为零；

(2)斜行时，四个主动轮的转速相同，转向角也相同，但不为零；

(3)转向时，模式可以细分为：前轮转向、后轮转向、四轮转向和原地转向；根据转向模式、转弯半径和机器人几何参数，可以计算每个车轮的转向角，再换算成相应的伺服电机的转角；另外，根据机器人的运动速度，计算每个轮毂电机的转速。

以机器人使用四轮转向模式右转弯为例，此时瞬时转动中心位于两侧中点之间连线的延长线上，记机器人几何中心的运动速度为V，转弯半径为R，则主动轮1的转速和转向角分别为：

$V_1=V\·\frac{\sqrt{{(R+d_0)}^2+{l_0}^2}}{R}---\left(1\right)$

${\mathrm{\θ}}_1=a\tan \left(\frac{l_0}{R+d_0}\right)---\left(2\right)$

式中，d₀、l₀分别为四个主动轮的横向、纵向安装距离的一半值。与此类似，可以分别计算得到其他主动轮的运动参数，从而进行运动控制。

从动轮机构由位于机器人两侧和尾部的三个全向轮组成，每个全向轮采用双排瑞士轮，其圆周上的多个小轮交错安装，使机器人在运动过程中，双排瑞士轮始终与地面保持滚动摩擦。与双排瑞士轮同轴安装的增量式光电编码器，用于检测从动轮的转动速度V₅～V₇。通过三个全向轮及其编码器的组合，不仅可以推测移动机器人的运动模式，还可以检测机器人的相对位姿变化。

移动机器人在不同运动模式下，三个全向轮的速度关系分析过程如下：

(1)直行时，两侧全向轮的转速相同，尾部全向轮的转速为零。

V₅＝V₆，V₇＝0  (3)

此时，机器人的运动速度的估计值等于两侧全向轮的转速，方向角的增量为零。

(2)斜行时，两侧全向轮的转速相同，尾部全向轮的转速不为零。

V₅＝V₆，V₇≠0  (4)

此时，机器人的运动速度、方向角的增量的估计值分别为

$\hat{V}=\sqrt{{V_5}^2+{V_7}^2}---\left(5\right)$

$\mathrm{\Δ}\widehat{\mathrm{\ψ}}=a\tan \left(\frac{V_7}{V_5}\right)---\left(6\right)$

斜行的一种特殊情况是机器人做侧向直线运动，此时，两侧全向轮的转速均为零，机器人的运动速度估计值等于尾部全向轮的转速，方向角的增量为零。

(3)转向时，两侧全向轮的转速不同，尾部全向轮的转速不为零。

下面分别分析原地转向、前轮转向、后轮转向、四轮转向等不同转向模式。

(i)原地转向时，两侧全向轮的转速相同、但方向相反，尾部全向轮的转速不为零。此时，瞬时转动中心与机器人几何中心重合，即转弯半径为零。以机器人顺时针原地转向为例，两侧、尾部全向轮的转速之间有如下关系：

$V_5=-V_6,\frac{V_7}{V_5}=\frac{l_1}{d_1}---\left(7\right)$

式中，d₁、l₁分别为两侧、尾部从动轮相对于机器人几何中心的安装距离。

机器人原地转动时的角速度的估计值为：

$\widehat{\mathrm{\ω}}=\frac{V_5}{d_1}---\left(8\right)$

(ii)前轮转向时，两侧全向轮的转速不同，尾部全向轮的转速不为零。此时，瞬时转动中心位于后排两个主动轮中心连线的延长线上。以机器人右转弯为例(V₅>V₆)，转弯半径R的估计值为：

$\hat{R}=d_1\·\frac{V_5+V_6}{V_5-V_6}---\left(9\right)$

$\hat{R}=d_1+(l_1-l_0)\·\frac{V_6}{V_7}---\left(10\right)$

通常，在安装尾部从动轮时，使l₁>l₀。此时，三个从动轮的转速存在如下关系：

$\frac{V_5-V_6}{V_7}=\frac{{2d}_1}{l_1-l_0}---\left(11\right)$

后排两个主动轮中心连线的中点的运动速度V_B的估计值为：

${\hat{V}}_B=\frac{1}{2}\·(V_5+V_6)---\left(12\right)$

(iii)后轮转向时，两侧全向轮的转速不同，尾部全向轮的转速不为零。此时，瞬时转动中心位于前排两个主动轮中心连线的延长线上。以机器人右转弯为例(V₅>V₆)，转弯半径R的估计值为：

$\hat{R}=d_1\·\frac{V_5+V_6}{V_5-V_6}---\left(13\right)$

$\hat{R}=d_1+(l_0+l_1)\·\frac{V_6}{V_7}---\left(14\right)$

此时，三个从动轮的转速存在如下关系：

$\frac{V_5-V_6}{V_7}=\frac{2d_1}{l_0+l_1}---\left(15\right)$

前排两个主动轮中心连线的中点的运动速度V_F的估计值为：

${\hat{V}}_F=\frac{1}{2}\·(V_5+V_6)---\left(16\right)$

(iv)四轮转向时，瞬时转动中心位于两侧中点连线的延长线上。以机器人右转弯为例(V₅>V₆)，转弯半径R的估计值为：

$\hat{R}=d_1\·\frac{V_5+V_6}{V_5-V_6}---\left(17\right)$

$\hat{R}=d_1+l_1\·\frac{V_6}{V_7}---\left(18\right)$

此时，三个从动轮的转速存在如下关系：

$\frac{V_5-V_6}{V_7}=\frac{2d_1}{l_1}---\left(19\right)$

机器人几何中心的运动速度V的估计值为：

$\hat{V}=\frac{1}{2}\·(V_5+V_6)---\left(20\right)$

根据上述分析，不同运动模式下，三个从动轮转速之间的关系不同。因此，根据公式(7)、(11)、(15)和(19)，可以判别移动机器人的转向模式。

当已知移动机器人的运动模式后，根据测程法(Odometry)，计算单位时间间隔内移动机器人的位姿增量的估计值。

以四轮转向运动模式为例，移动机器人几何中心在当前采样时刻k的位姿向量估计值为其中为机器人几何中心在参考坐标系XOY中的位置估计值，为机器人的方向角估计值。在采样时间间隔Δt内，机器人位移、方向角增量的估计值分别为：

$\mathrm{\Δ}{\hat{S}}_k=\frac{(V_5+V_6)\·\mathrm{\Δt}}{2}---\left(21\right)$

$\mathrm{\Δ}{\widehat{\mathrm{\ψ}}}_k=\frac{(V_6-V_5)\·\mathrm{\Δt}}{2b_1}---\left(22\right)$

则可以利用测程法计算移动机器人几何中心在下一采样时刻(k+1)的位姿向量估计值 $\hat{x}(k+1)={({\hat{x}}_{k+1},{\hat{y}}_{k+1},{\widehat{\mathrm{\ψ}}}_{k+1})}^T:$

${\hat{x}}_{k+1}={\hat{x}}_k+\mathrm{\Δ}{\hat{S}}_k\·\cos ({\widehat{\mathrm{\ψ}}}_k+\frac{\mathrm{\Δ}{\widehat{\mathrm{\ψ}}}_k}{2})---\left(23\right)$

${\hat{y}}_{k+1}={\hat{y}}_k+\mathrm{\Δ}{\hat{S}}_k\·\sin ({\widehat{\mathrm{\ψ}}}_k+\frac{\mathrm{\Δ}{\widehat{\mathrm{\ψ}}}_k}{2})---\left(24\right)$

${\widehat{\mathrm{\ψ}}}_{k+1}={\widehat{\mathrm{\ψ}}}_k+\mathrm{\Δ}{\widehat{\mathrm{\ψ}}}_k---\left(25\right)$

根据公式(23)～(25)估计移动机器人几何中心的相对位姿时，直行、斜行、原地转向运动模式均可看成是四轮转向时的特殊情况。而在前轮转向模式下，瞬时转动中心位于后排两个主动轮中心连线的延长线上。因此，根据主动轮安装的位置关系，首先计算后排两个主动轮中心连线的中点位置处的位姿估计值然后利用测程法计算公式，计算得到新的位姿估计值后，再换算成移动机器人几何中心的位姿。后排两个主动轮中心连线的中点位置与移动机器人几何中心的位置之间的关系如下：

${\hat{x}}_{B,k}={\hat{x}}_k-l_0\·\cos {\widehat{\mathrm{\ψ}}}_k---\left(26\right)$

${\hat{y}}_{B,k}={\hat{y}}_k-l_0\·\sin {\widehat{\mathrm{\ψ}}}_k---\left(27\right)$

在后轮转向模式下，移动机器人位姿估计方法与前轮转向模式类似。

本发明的优点是：

本发明的全方位轮式移动机器人由主动轮和从动轮组成，分别用于作为移动机器人的行走驱动、位置检测装置。通过将驱动、检测装置分离，防止在主动轮打滑的情况下影响位姿测量精度。

本发明利用全向轮的运动特点——当全向轮沿水平转轴方向侧向运动时，仅有圆周上与地面保持接触的小轮转动，而全向轮并不转动；同时，结合全方位轮式移动机器人的行走功能和特点，使用三组全向轮和编码器的组合，即可计算移动机器人在不同运动模式下的从动轮转速之间的关系，从而得到简洁、易算的运动模式判别公式。最后，利用测程法可以估计机器人的相对位姿。

为了使从动轮对地面具有自适应性，避免被不平整的路面上的凸起物体卡住，除了安装减震器外，还设计了弹性被动旋转机构，使从动轮具有柔顺的特点。

当某个移动平台具有与本发明的全方位轮式移动机器人类似的运动功能时，可以在该移动平台的两侧和尾部安装三组全向轮和编码器，测量移动平台的相对位姿，从而为移动平台的快速智能化和机器人化改造提供一种低成本、易于计算的位姿检测信息。

附图说明

图1为本发明的主视图；

图2为本发明的俯视图；

图3(a)为本发明主动轮结构的安装结构主视图；

图3(b)为本发明主动轮结构的安装结构左视图；

图4(a)为本发明左、右两侧从动轮的安装结构主视图；

图4(b)为本发明左、右两侧从动轮的安装结构左视图；

图5(a)为本发明尾部从动轮的安装结构主视图；

图5(b)为本发明尾部从动轮的安装结构右视图；

图6为本发明从动轮的位置自适应变化图；

图7为本发明的车轮位置安装示意图；

图8为本发明四轮转向运动模式下移动机器人主动轮的转向角和转速示意图；

图9为本发明前轮转向运动模式下移动机器人从动轮的转速示意图；

图10为本发明四轮转向运动模式下使用测程法估计移动机器人的位姿示意图。

具体实施方式

参见附图1、2，一种具有相对位姿检测功能的全方位轮式移动机器人，包括底盘，所述底盘上安装有四个主动轮机构和三个从动轮机构，所述主动轮机构对称安装在底盘两侧作为机器人的行走机构，包括轮毂电机，减震器、减速器以及伺服电机，所述伺服电机经过减速器减速带动轮毂电机绕其竖直中心轴在±90°范围内水平旋转方向，通过程序协调控制四个轮毂电机的转动速度以及四个转向伺服电机的转角，使机器人具有直行、斜行和转向等多种复杂的运动功能；所述从动轮机构分别安装在底盘两侧中间位置和尾部中间位置检测移动机器人的相对位姿变化，左、右两侧从动轮机构与尾部从动轮机构的转轴相互垂直，包括全向轮，每个全向轮的转轴上安装编码器，通过三个编码器的测量数据组合，计算机器人的相对运动位姿增量。

参见附图3，所述主动轮机构的驱动轮使用轮毂电机1，其水平转轴3与位于两侧的减震器2的底端固定连接，减震器2的顶端固定安装在水平支撑板4上，支撑板4与减速器5底部的输出法兰连接，减速器5通过支架6垂直安装于机器人底盘8的侧面，支架6上方的伺服电机7经过减速器5带动支撑板4转动，用于改变车轮1的转向角。

参见附图4，所述从动轮机构的全向轮为全向轮1，经过水平中心转轴3，与增量式光电编码器2的转轴连接，编码器2的外壳经支架4固定安装于减震器5的底端。减震器5的底端经过带座轴承6与全向轮1连接。由于转轴3恰好贯穿于带座轴承6内圈的孔中，并与全向轮1固定连接，当全向轮1转动时，带座轴承6的外圈、转轴3、编码器2的转轴也一起转动，而减震器5和与其固定连接的带座轴承6的内圈不转动。减震器5的顶端与水平支撑板7固定连接，支撑板7经上方固定连接的立式支撑架8，与水平转轴9固定连接。转轴9可以绕带座轴承二10的轴线转动，带座轴承二10的轴承座固定安装于机器人底盘14的侧面。水平转轴9与垂直连接杆11的底端固定连接，连接杆11的顶端经拉伸弹簧13与底盘14的侧面相连。限位挡块12用于限制从动轮绕水平转轴向前旋转的极限位置。在两侧从动轮不受外力的情况下，垂直连接杆11处于竖直状态。一旦从动轮受到前方路面上凸起物体的阻力，从动轮上方的拉伸弹簧13伸长，从动轮绕水平转轴逆时针旋转，从而使从动轮抬高一定的高度，以减小凸起物体的阻力。当越过凸起物体后，在拉伸弹簧的作用下，从动轮又恢复到原先的状态。

参见附图5，尾部从动轮使用的全向轮、编码器和减震器的安装方式与附图4类似。在减震器上方的水平支撑板1的上方，固定安装了两个立式支撑架2，它们与水平转轴3固定连接，水平转轴3与上方的两个带座轴承5的内圈固定连接，两个带座轴承5的底座与上方的水平支架6固定连接，水平支架6固定安装于机器人底盘9的尾部。在水平转轴3上，套有扭力弹簧4，弹簧4的水平端与上方的挡块7保持接触，挡块7与水平支架6固定连接；弹簧4的垂直端与侧面的挡块8保持接触，挡块8与水平支撑板1固定连接。在尾部从动轮不受外力的情况下，弹簧4的垂直端与水平端呈90°夹角，挡块8的顶部与水平支架6保持接触，起到限位作用。一旦受到前方路面上凸起物体的阻力，扭力弹簧4受到扭转变形，其垂直端与水平端的夹角减小，从动轮被迫绕水平转轴3转动而抬高一定高度，从而减小凸起物体的阻力。当越过凸起物体后，在扭力弹簧的作用下，尾部从动轮又恢复到原先的状态。

参见附图6，当两侧、尾部从动轮受到地面上凸起物体的阻力后，从动轮可以绕自身转轴被动转动，从而抬高一定的高度，起到跨越障碍物的功能，对不平的路面具有自适应性。

以机器人使用四轮转向模式右转弯为例，此时瞬时转动中心位于两侧中点之间连线的延长线上，记机器人几何中心的运动速度为V，转弯半径为R，则主动轮1的转速和转向角分别为：

$V_1=V\·\frac{\sqrt{{(R+d_0)}^2+{l_0}^2}}{R}---\left(1\right)$

${\mathrm{\θ}}_1=a\tan \left(\frac{l_0}{R+d_0}\right)---\left(2\right)$

式中，d₀、l₀分别为四个主动轮的横向、纵向安装距离的一半值。与此类似，可以分别计算得到其他主动轮的运动参数，从而进行运动控制。

从动轮机构由位于机器人两侧和尾部的三个全向轮组成，每个全向轮采用双排瑞士轮，其圆周上的多个小轮交错安装，使机器人在运动过程中，双排瑞士轮始终与地面保持滚动摩擦。与双排瑞士轮同轴安装的增量式光电编码器，用于检测从动轮的转动速度V₅～V₇。通过三个全向轮及其编码器的组合，不仅可以推测移动机器人的运动模式，还可以检测机器人的相对位姿变化。

移动机器人在不同运动模式下，三个全向轮的速度关系分析过程如下：

(1)直行时，两侧全向轮的转速相同，尾部全向轮的转速为零。

V₅＝V₆，V₇＝0  (3)

此时，机器人的运动速度的估计值等于两侧全向轮的转速，方向角的增量为零。

(2)斜行时，两侧全向轮的转速相同，尾部全向轮的转速不为零。

V₅＝V₆，V₇≠0  (4)

此时，机器人的运动速度、方向角的增量的估计值分别为

$\hat{V}=\sqrt{{V_5}^2+{V_7}^2}---\left(5\right)$

$\mathrm{\Δ}\widehat{\mathrm{\ψ}}=a\tan \left(\frac{V_7}{V_5}\right)---\left(6\right)$

斜行的一种特殊情况是机器人做侧向直线运动，此时，两侧全向轮的转速均为零，机器人的运动速度估计值等于尾部全向轮的转速，方向角的增量为零。

(3)转向时，两侧全向轮的转速不同，尾部全向轮的转速不为零。

下面分别分析原地转向、前轮转向、后轮转向、四轮转向等不同转向模式。

(i)原地转向时，两侧全向轮的转速相同、但方向相反，尾部全向轮的转速不为零。此时，瞬时转动中心与机器人几何中心重合，即转弯半径为零。以机器人顺时针原地转向为例，两侧、尾部全向轮的转速之间有如下关系：

$V_5=-V_6,\frac{V_7}{V_5}=\frac{l_1}{d_1}---\left(7\right)$

式中，d₁、l₁分别为两侧、尾部从动轮相对于机器人几何中心的安装距离。

机器人原地转动时的角速度的估计值为：

$\widehat{\mathrm{\ω}}=\frac{V_5}{d_1}---\left(8\right)$

(ii)前轮转向时，两侧全向轮的转速不同，尾部全向轮的转速不为零。此时，瞬时转动中心位于后排两个主动轮中心连线的延长线上。以机器人右转弯为例(V₅>V₆)，转弯半径R的估计值为：

$\hat{R}=d_1\·\frac{V_5+V_6}{V_5-V_6}---\left(9\right)$

$\hat{R}=d_1+(l_1-l_0)\·\frac{V_6}{V_7}---\left(10\right)$

通常，在安装尾部从动轮时，使l₁>l₀。此时，三个从动轮的转速存在如下关系：

$\frac{V_5-V_6}{V_7}=\frac{{2d}_1}{l_1-l_0}---\left(11\right)$

后排两个主动轮中心连线的中点的运动速度V_B的估计值为：

${\hat{V}}_B=\frac{1}{2}\·(V_5+V_6)---\left(12\right)$

(iii)后轮转向时，两侧全向轮的转速不同，尾部全向轮的转速不为零。此时，瞬时转动中心位于前排两个主动轮中心连线的延长线上。以机器人右转弯为例(V₅>V₆)，转弯半径R的估计值为：

$\hat{R}=d_1\·\frac{V_5+V_6}{V_5-V_6}---\left(13\right)$

$\hat{R}=d_1+(l_0+l_1)\·\frac{V_6}{V_7}---\left(14\right)$

此时，三个从动轮的转速存在如下关系：

$\frac{V_5-V_6}{V_7}=\frac{2d_1}{l_0+l_1}---\left(15\right)$

前排两个主动轮中心连线的中点的运动速度V_F的估计值为：

${\hat{V}}_F=\frac{1}{2}\·(V_5+V_6)---\left(16\right)$

(iv)四轮转向时，瞬时转动中心位于两侧中点连线的延长线上。以机器人右转弯为例(V₅>V₆)，转弯半径R的估计值为：

$\hat{R}=d_1\·\frac{V_5+V_6}{V_5-V_6}---\left(17\right)$

$\hat{R}=d_1+l_1\·\frac{V_6}{V_7}---\left(18\right)$

此时，三个从动轮的转速存在如下关系：

$\frac{V_5-V_6}{V_7}=\frac{2d_1}{l_1}---\left(19\right)$

机器人几何中心的运动速度V的估计值为：

$\hat{V}=\frac{1}{2}\·(V_5+V_6)---\left(20\right)$

根据上述分析，不同运动模式下，三个从动轮转速之间的关系不同。因此，根据公式(7)、(11)、(15)和(19)，可以判别移动机器人的转向模式。

当已知移动机器人的运动模式后，根据测程法(Odometry)，计算单位时间间隔内移动机器人的位姿增量的估计值。

以四轮转向运动模式为例，移动机器人几何中心在当前采样时刻k的位姿向量估计值为其中为机器人几何中心在参考坐标系XOY中的位置估计值，为机器人的方向角估计值。在采样时间间隔Δt内，机器人位移、方向角增量的估计值分别为：

$\mathrm{\Δ}{\hat{S}}_k=\frac{(V_5+V_6)\·\mathrm{\Δt}}{2}---\left(21\right)$

$\mathrm{\Δ}{\widehat{\mathrm{\ψ}}}_k=\frac{(V_6-V_5)\·\mathrm{\Δt}}{2b_1}---\left(22\right)$

则可以利用测程法计算移动机器人几何中心在下一采样时刻(k+1)的位姿向量估计值 $\hat{x}(k+1)={({\hat{x}}_{k+1},{\hat{y}}_{k+1},{\widehat{\mathrm{\ψ}}}_{k+1})}^T:$

${\hat{x}}_{k+1}={\hat{x}}_k+\mathrm{\Δ}{\hat{S}}_k\·\cos ({\widehat{\mathrm{\ψ}}}_k+\frac{\mathrm{\Δ}{\widehat{\mathrm{\ψ}}}_k}{2})---\left(23\right)$

${\hat{y}}_{k+1}={\hat{y}}_k+\mathrm{\Δ}{\hat{S}}_k\·\sin ({\widehat{\mathrm{\ψ}}}_k+\frac{\mathrm{\Δ}{\widehat{\mathrm{\ψ}}}_k}{2})---\left(24\right)$

${\widehat{\mathrm{\ψ}}}_{k+1}={\widehat{\mathrm{\ψ}}}_k+\mathrm{\Δ}{\widehat{\mathrm{\ψ}}}_k---\left(25\right)$

根据公式(23)～(25)估计移动机器人几何中心的相对位姿时，直行、斜行、原地转向运动模式均可看成是四轮转向时的特殊情况。而在前轮转向模式下，瞬时转动中心位于后排两个主动轮中心连线的延长线上。因此，根据主动轮安装的位置关系，首先计算后排两个主动轮中心连线的中点位置处的位姿估计值然后利用测程法计算公式，计算得到新的位姿估计值后，再换算成移动机器人几何中心的位姿。后排两个主动轮中心连线的中点位置与移动机器人几何中心的位置之间的关系如下：

${\hat{x}}_{B,k}={\hat{x}}_k-l_0\·\cos {\widehat{\mathrm{\ψ}}}_k---\left(26\right)$

${\hat{y}}_{B,k}={\hat{y}}_k-l_0\·\sin {\widehat{\mathrm{\ψ}}}_k---\left(27\right)$

在后轮转向模式下，移动机器人位姿估计方法与前轮转向模式类似。

Claims (7)

1.一种具有相对位姿检测功能的全方位轮式移动机器人，包括底盘，其特征在于：所述底盘上安装有四个主动轮机构和三个从动轮机构，所述主动轮机构对称安装在底盘两侧作为机器人的行走机构，采用轮毂电机技术，包括集成在主动轮上的轮毂电机、减震器、减速器以及伺服电机，所述伺服电机经过减速器带动轮毂电机绕其竖直中心轴在±90o范围内水平旋转方向，通过程序协调控制四个轮毂电机的转动速度以及四个伺服电机的转角，使机器人具有直行、斜行和转向等多种复杂的运动功能；所述从动轮机构分别安装在底盘两侧中间位置和尾部中间位置，用于检测移动机器人的相对位姿变化，均包括全向轮，左、右两侧从动轮机构与尾部从动轮机构的全向轮的转轴相互垂直，每个全向轮的转轴上安装编码器，通过三个编码器的测量数据组合，计算机器人的相对运动位姿增量。

2.根据权利要求1所述的一种具有相对位姿检测功能的全方位轮式移动机器人，其特征在于：所述轮毂电机的两侧设有减震器，所述减震器的顶端固定安装有水平支撑板，所述支撑板上连接有减速器的输出法兰，所述减速器通过支架垂直安装在机器人底盘的侧面，所述减速器的输入端还连接有伺服电机，所述伺服电机经过减速器带动支撑板转动进而改变车轮的转向角；所述四个主动轮机构的伺服电机独立驱动，通过协调控制，实现机器人的灵活转向运动。

3.根据权利要求1所述的一种具有相对位姿检测功能的全方位轮式移动机器人，其特征在于：所述左、右两侧从动轮机构包括全向轮、增量式光电编码器以及减震器，所述全向轮两侧设有减震器，中心轴上设有带座轴承一和增量式光电编码器，且中心轴贯穿于带座轴承一内圈孔中，和带座轴承一外圈、增量式光电编码器的转轴固定连接；所述减震器的底端经过带座轴承一与全向轮连接，所述增量式光电编码器的外壳经支架固定安装于减震器的底端，所述减震器的顶端固定安装有水平支撑板，所述水平支撑板上固定有立式支撑架，所述立式支撑架上固定连接有水平转轴，所述水平转轴的另一端连接有竖直连接杆的底端，所述竖直连接杆底端还设有带座轴承二，所述水平转轴可以围绕带座轴承二的轴线转动，所述带座轴承二的轴承座固定安装在机器人底盘的侧面，所述竖直连接杆的顶端经过拉伸弹簧与机器人底盘侧面相连，所述竖直连接杆上还设有限位挡块限制全向轮绕水平轴向前旋转的极限位置。

4.根据权利要求1所述的一种具有相对位姿检测功能的全方位轮式移动机器人，其特征在于：所述尾部从动轮机构包括括全向轮、增量式光电编码器以及减震器，所述全向轮两侧设有减震器，中心轴上设有带座轴承一和增量式光电编码器，且中心轴贯穿于带座轴承一内圈孔中，和带座轴承一外圈、增量式光电编码器的转轴固定连接；所述减震器的底端经过带座轴承一与全向轮连接，所述增量式光电编码器的外壳经支架固定安装于减震器的底端，所述减震器的顶端固定安装有水平支撑板，所述水平支撑板上固定有两个立式支撑架，所述两个立式支撑架之间固定连接有水平转轴，所述水平转轴上方设有两个带座轴承二，所述水平转轴和两个带座轴承二内圈固定连接；所述带座轴承二上方设有水平支架，所述带座轴承二底座安装在水平支架上，所述水平支架固定安装于机器人底盘的尾部中间；所述水平转轴上还套有扭力弹簧，所述扭力弹簧包括水平端和竖直端，所述水平支架上还设有竖直挡块限制扭力弹簧的竖直端。

5.根据权利要求3或4所述的一种具有相对位姿检测功能的全方位轮式移动机器人，其特征在于：所述从动轮机构上的水平旋转轴使得当路面上有凸起物体时，全向轮可以绕该旋转轴转动并抬起一定的高度，避免从动轮被物体卡住，对复杂的路面具有自适应性。

6.根据权利要求1-5任一项权利要求所述的一种具有相对位姿检测功能的全方位轮式移动机器人，其特征在于：所述全向轮为双排瑞士轮。

7.根据权利要求1所述的一种具有相对位姿检测功能的全方位轮式移动机器人，其特征在于：所述的四个主动轮机构可以实现的机器人的运动模式主要包括：直行、斜行和转向；

(1) 直行时，四个主动轮的转速相同，转向角均为零；

(2) 斜行时，四个主动轮的转速相同，转向角也相同，但不为零；

(3) 转向时，模式可以细分为：前轮转向、后轮转向、四轮转向和原地转向；根据转向模式、转弯半径和机器人几何参数，可以计算每个车轮的转向角，再换算成相应的伺服电机的转角；另外，根据机器人的运动速度，计算每个轮毂电机的转速。