CN104843103A - 一种新型楼宇环境下的作业机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型楼宇环境下的作业机器人，目的在于针对客运中心、物流仓储基地、大型会议中心、住宅小区等楼宇环境的特点，提供一种适应楼宇环境下的越障机器人，尤其是全方位移动越障机器人。本发明的越障机器人通过双曲柄与弹簧耦合组成的越障结构能够实现很好的陡坡越障功能，能够高效地的被动适应跨越的障碍物的高度，实现机器人越障能力的最大化，越过驱动轮半径3~4倍的障碍物，具有较强的越障能力。同时，本发明还提供基于该结构的全方位移动越障机器人，通过对驱动轮及其布局的优化设计，能够实现全方位越障。本发明结构简单，安装维护方便，可靠性强，能够满足楼宇环境下作业的需求，适应性强，适用范围广，具有较好的市场应用前景。

Description

一种新型楼宇环境下的作业机器人

技术领域

本发明涉及机械领域，尤其是越障机器人领域，具体为一种新型楼宇环境下的作业机器人。本发明的越障机器人具有较强的越障功能，还可进一步实现全方位移动，能够得到具有全方位移动和越障功能的新型机器人。

背景技术

随着机器人技术的快速发展，在大型客运中心、物流仓储基地、住宅小区、会议中心、超市、酒店等楼宇环境下采用机器人进行安全巡检、服务、动态监测等作业变得日渐可行，并将成为机器人技术服务于人类的重要应用领域之一。这些楼宇环境的典型特征是，地面光洁、平整，但环境中的人/物动态随机分布、地面空间利用率高、巡视通道狭窄，并伴有一定的小型障碍物等。因此，这就要求在此环境下工作的机器人移动平台最好能够满足平面内的3自由度全方位移动，并具有一定的越障功能。

当前，国、内外在楼宇环境下作业的机器人的移动方式主要有履带式、腿式、蛇形式、轮式和复合式等(参见：程刚.非结构化环境中移动机器人系统越障运动机理的研究[D].合肥:中国科学技术大学,2006.)。其中，履带式(参见：段星光,黄强,李科杰.小型轮履腿复合式机器人设计及运动特性分析[J].机械工程学报,2008,8(41):108-113)具有对地压力小，在松软的地面附着能力和通过性能好，爬楼梯、越障平稳性高，良好的自复位能力等特点；但履带运动的速度较慢、机动性较差、功耗较大，且转向时对地面有一定破坏性。腿式机器人(参见：R.P.Kukillaya and P.Holmes,“A hexapedal jointed-leg model for insectlocomotion in the horizontal plane,”Biol.Cyber.,vol.91,pp.76–90,2007等)虽能够满足某些特殊的性能要求，但其结构自由度较多、机构复杂、难以控制、功耗大、成本高、不便于推广。蛇形式(参见：D.Zarrouk,I.Sharf,and M.Shoham,“Conditions for worm-robotlocomotion in flexible environment:Theory and experiments,”IEEE,Trans.Biomed.Eng.,vol.59,no.4,pp.1057–1067,Apr.2012等)和跳跃式(参见：N.J.Kohut,A.Pullin,D.Haldane,D.Zarrouk,and R.S.Fearing,“Precise dynamic turning of a 10cm legged robot on a low frictionsurface using a tail,”in Proc.IEEE Int.Conf.Robot.Autom.,2013,pp.3299–3306等)虽然在某些方面(如复杂环境、特殊环境、机动性等)具有独特的优越性，但也存在一些明显的缺陷，如承载能力和运动平稳性差等。复合式机器人能够适应复杂环境或某些特殊环境，有的甚至还可以变形，但其结构及控制都比较复杂，生产成本较高。轮式机器人(参见：曹其新,张蕾.轮式自主移动机器人[M].上海:上海交通大学出版社,2012)具有承重大、机构简单、驱动和控制相对方便、行走速度快、工作效率高等特点，但其越障效果不如前面的几种，越障效率较低。

因此，迫切需要一种新的越障机器人，以解决上述问题。

发明内容

本发明的发明目的在于：针对大型客运中心、物流仓储基地、住宅小区、会议中心、超市、酒店等楼宇环境的特点，提供一种新型楼宇环境下的作业机器人。本发明的越障机器人通过双曲柄与弹簧耦合组成的越障结构能够实现很好的陡坡越障功能，能够高效地的被动适应跨越的障碍物的高度，实现机器人越障能力的最大化，越过驱动轮半径3～4倍的障碍物，具有较强的越障能力。同时，本发明还提供基于该结构的全方位移动越障机器人，通过对驱动轮及其布局的优化设计，能够实现全方位越障。本发明结构简单，安装维护方便，可靠性强，能够满足楼宇环境下作业的需求，适应性强，适用范围广，具有较好的市场应用前景。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种新型楼宇环境下的作业机器人，包括机架、设置在机架两侧的越障机构，所述越障机构包括V型杆、能带动越障机构相对接触面运动的行进机构、第一连杆、第二连杆、弹性支撑回复件，所述行进机构、第一连杆、第二连杆、弹性支撑回复件分别为一组，所述行进机构、第一连杆、第二连杆、弹性支撑回复件分别对称设置在V型杆两侧，所述V型杆包括两根摆臂，所述摆臂相交的一端为V型端，所述V型端与机架相连，所述V型杆的开口朝上，所述第一连杆与V型杆的一端相连，所述行进机构设置在第一连杆的底端，所述第二连杆的两端分别与第一连杆、机架相连，所述弹性支撑回复件的两端分别与摆臂、第二连杆相连；

以第一连杆与V型杆的连接点为第一端点，以第一连杆与第二连杆的连接点为第二端点，以第二连杆与机架相连的连接点为第三端点，以第一端点与V型端连线间的中点为第一中点，以第二端点与第三端点连线间的中点为第二中点，所述弹性支撑回复件与V型杆的连接点位于第一中点与V型端之间，所述弹性支撑回复件与第二连杆之间的连接点位于第二端点与第二中点之间；所述第三端点之间构成的平面与水平面平行时，第二连杆与水平面之间的夹角为锐角且第二端点位于第三端点上方。

所述越障机构对称设置在机架两侧。

所述第三端点之间构成的平面与水平面平行时，第一连杆与摆臂的夹角为钝角。

所述V型端与机架之间、第一连杆与V型杆之间、第一连杆与第二连杆之间、第二连杆与机架之间分别采用平面轴承相连。

所述弹性支撑回复件为拉簧；或所述弹性支撑回复件包括支撑杆、设置在支撑杆上的压簧。

所述机架包括底板、设置在底板两侧的侧板，所述越障机构与侧板相连。

进一步，V型端与同侧的第三端点间呈等腰三角形分布。

进一步，V型端与同侧的第三端点间呈等边三角形分布。

所述行进机构包括驱动轮、用于使驱动轮工作的动力装置，所述驱动轮与第一连杆的底端相连。

所述驱动轮为Mecanum驱动轮，所述动力装置包括用于驱动Mecanum驱动轮的驱动电机、用于控制驱动电机的控制系统，所述Mecanum驱动轮与第一连杆的底端相连。

所述Mecanum驱动轮的小轮的旋转轴线与其大轮的旋转轴线成45°夹角。

所述Mecanum驱动轮为四个且对称设置在机架两侧，机架的单侧设置两个Mecanum驱动轮，四个Mecanum驱动轮的中心点呈矩形分布，单个Mecanum驱动轮的小轮与距离最近的两个Mecanum驱动轮的小轮相互垂直。

所述Mecanum驱动轮为四个且对称设置在机架两侧，机架的单侧设置两个Mecanum驱动轮，四个Mecanum驱动轮的中心点呈矩形分布，Mecanum驱动轮的小轮形成的逆雅可比矩阵满秩。

还包括设置在机架或越障机构上的附加装置，所述附加装置为摄像头、超声避障装置、温度探测器、湿度探测器中的一种或多种。

针对前述问题，本发明提供一种新型楼宇环境下的作业机器人，其包括机架、设置在机架两侧的越障机构。其中，越障机构包括V型杆、行进机构、第一连杆、第二连杆、弹性支撑回复件，行进机构、第一连杆、第二连杆、弹性支撑回复件分别为一组，行进机构、第一连杆、第二连杆、弹性支撑回复件分别以V型杆为中心且对称设置在V型杆两侧，构成双曲柄弹簧耦合机构。V型杆包括两根摆臂，摆臂相交的一端为V型端，V型杆的开口朝上。V型端与机架相连，第一连杆与V型杆的一端相连，行进机构设置在第一连杆的底端，行进机构能带动越障机构相对接触面运动。第二连杆的两端分别与第一连杆、机架相连，弹性支撑回复件的两端分别与摆臂、第二连杆相连。以第一连杆与V型杆的连接点为第一端点，以第一连杆与第二连杆的连接点为第二端点，以第二连杆与机架相连的连接点为第三端点，以第一端点与V型端连线间的中点为第一中点，以第二端点与第三端点连线间的中点为第二中点，弹性支撑回复件与V型杆的连接点位于第一中点与V型端之间，弹性支撑回复件与第二连杆之间的连接点位于第二端点与第二中点之间；第三端点之间构成的平面与水平面平行时，第二连杆与水平面之间的夹角为锐角且第二端点位于第三端点上方。V型杆的两根摆臂间呈钝角，设置在机架两侧的越障机构一共形成四个第三端点，第三端点之间构成的平面与水平面平行时，第二连杆与水平面之间的夹角为锐角。

本发明通过对越障机构的设计优化，各部件之间的相互配合，能够实现机器人越障能力的最大化，具有较强的越障能力，能够满足楼宇环境下作业的需求，具有较强的适应性和市场应用前景。

本发明中，各部件的相互配是实现本申请发明目的的关键和核心。对此，进一步说明如下。

本发明的越障机构以V型杆为中心，在保障本发明具有双向越障功能的前提下，有效提高本发明的越障能力。当越障机构的前行进机构进行越障时，其会通过V型杆向下压与之相配合的后行进机构，增大后行进机构与接触面之间的摩擦，从而提升本发明的越障能力；当前行进机构越障完成后，其会通过V型杆带动后行进机构向上升起，从而使后行进机构轻松完成越障。

当第三端点之间构成的平面与水平面平行时，第二连杆与水平面之间的夹角为0°，即形成机构死点，推动本发明反向运行，无法满足越障要求。当第三端点之间构成的平面与水平面平行时，若第二端点位于第三端点下方，本发明运动时，V型杆的作用力会带动相应的行进机构向下走，而非向上运动，因而也无法满足越障要求。

弹性支撑回复件与V型杆的连接点位于第一中点与V型端之间，弹性支撑回复件与第二连杆之间的连接点位于第二端点与第二中点之间。弹性支撑回复件的采用、其与其他部件间的相互配合关系也是实现本申请发明目的的关键，其优选为拉簧，在越障完成后，其能够起到复位作用，并能更大的减少爬升机构的压力；并且保证本发明在越障时，避免越障机构产生奇变；并确保行进机构与地面的摩擦力，增加稳定机构的压力，保障越障机构的正常运行，使整个机器人顺利越过障碍。如果没有弹性支撑回复件，越障机构在越障时，会发生异常变形，无法完成越障运动。若弹性支撑回复件与V型杆的连接点位于第一中点与第一端点之间，弹性支撑回复件与第二连杆之间的连接点位于第三端点与第二中点之间，弹性支撑回复件反而会阻碍越障的进行，无法满足越障要求。

本发明中提供了两种弹性支撑回复件方案，一种为拉簧；另一种包括支撑杆、设置在支撑杆上的压簧。申请人采用虚位移原理对有、无弹簧的力学分析进行了比较，定量地分析验证了弹簧在越障过程中的作用。以弹性支撑回复件采用拉簧为例，通过实物样机测试发现，弹簧对本发明移动性能的提升有重要作用：(1)在越障的时候，其能约束双曲柄机构的摆动幅度在合理范围内，有利于越障；(2)在越障之后，确保机构能及时恢复到原始状态；(3)增加轮子与接触面间的压力，从而增大摩擦力，有利于越障。

进一步，越障机构对称设置在机架两侧，本发明的V型端与机架之间、第一连杆与V型杆之间、第一连杆与第二连杆之间、第二连杆与机架之间分别采用平面轴承相连，采用平面轴承有利于减小部件间的摩擦，保证整体的灵活性。

进一步，机架包括底板、设置在底板两侧的侧板，越障机构与侧板相连，V型端与同侧的第三端点间呈等腰三角形分布，优选为呈等边三角形分布。

本发明通过双曲柄与弹簧耦合的高架连杆机构能够实现很好的陡坡越障功能，并且能够高效地的被动适应跨越的障碍物的高度，越障效率高。整个系统机械结构简单可靠，易于控制。由于该新型机器人侧面的越障机构看起来很像字母“M”，同时也是为了下文叙述方便，文中将该机器人简称为“M-robot”。经测定，本发明能够越过驱动轮半径3～4倍的障碍物，具有较强的越障能力。同时，本发明结构简单，安装维护方便，可靠性强，适用范围广，具有较好的应用前景。

进一步，行进机构包括驱动轮、用于使驱动轮工作的动力装置，驱动轮与第一连杆的底端相连；作为优选，驱动轮为Mecanum驱动轮，动力装置包括用于驱动Mecanum驱动轮的驱动电机、用于控制驱动电机的控制系统，Mecanum驱动轮与第一连杆的底端相连。Mecanum驱动轮的小轮的旋转轴线与其大轮的旋转轴线成±45°夹角。Mecanum驱动轮为四个且对称设置在机架两侧，机架的单侧设置两个Mecanum驱动轮，四个Mecanum驱动轮的中心点呈矩形分布，单个Mecanum驱动轮的小轮与距离最近的两个Mecanum驱动轮的小轮相互垂直，即Mecanum驱动轮的小轮形成的逆雅可比矩阵满秩。采用该结构，越障机器人的前排Mecanum驱动轮成外八字型时，后排Mecanum驱动轮成内八字型；越障机器人的前排Mecanum驱动轮成内八字型时，后排Mecanum驱动轮成外八字型。即M-robot机器人采用四个Mecanum驱动轮矩形布置，并分别安装在车体两侧双曲柄、弹簧耦合的越障机构上。四个驱动电机轴心分别安装在四个Mecanum轮的旋转轴上，并与连杆机构固定连接。

通过该结构，本发明的四个Mecanum轮、越障机构、机架的位置固定无需独立转向机构，仅仅利用各轮之间转速、转向配合，即可实现平台的全方位运动。全方位移动是指运动系统在不改变自身位姿的情况下具有向任意方向进行移动的运动特性，即在平面内可同时独立的在前后、左右(横向移动)和原地旋转三个方向上运动。本发明有效克服了传统机构无法横向移动和原地旋转的缺陷，可以方便的穿梭于狭窄拥挤且障碍较多的空间中，灵活方便地完成多种任务，特别适合在楼宇环境中移动。

本发明基于Mecanum四轮系统的运动学模型，并得到其实现全方位运动的必要条件是逆雅可比矩阵满秩，最终得到了本发明四轮全方位运动系统的最佳结构布局形式。申请人对本发明的越障机器人进行了运动学建模以及结构参数的优化，最后，对整个机器人系统在平面内的直行、横行、原地转弯以及复杂地形环境下的越障等功能进行了虚拟样机系统仿真和实物样机功能测试。测试结果表明，本发明的越障机器人具有平面内3自由度全方位移动的能力，并且能够在45度陡坡范围内被动适应跨越轮子半径4倍高度障碍，具有较强的越障能力。

同时，本发明还包括设置在机架或越障机构上的附加装置，附加装置可以为摄像头、超声避障装置、温度探测器、湿度探测器中的一种或多种。本发明通过附加装置的添加，能够实现实时监控、避障、探测等功能，从而更好适应实际环境的需求。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

(1)本发明的越障机器人是一种适合在楼宇环境下作业的机器人移动平台，该机器人通过采用四个Mecanum驱动轮矩形布置，并分别安装在车体两侧双曲柄、弹簧耦合的高架连杆机构上，使本发明具有平面内全方位移动和越障的功能；

(2)本发明通过各组件的之间的相互配合，有效实现了越障能力的最大化，能在45度斜坡内通过轮子半径3至4倍的高度，具有极强的越障能力；

(3)申请人通过虚拟样机仿真验证、实物样机功能测试，验证了本发明的机器人具有优秀的被动自适应越障能力和平面内的全向移动能力，特别适于用作大型会议中心、物流仓储基地、客运中心、超市、酒店等环境下进行安全巡检、服务、动态监测等作业用的移动平台，具有较广的适用范围和极强的适应性，值得大规模推广和应用。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1为本发明的主视图。

图2为本发明中越障机构的示意图。

图3为图1的侧视图。

图4为图1的俯视图。

图5为图1的立体状态示意图。

图6为三维模型图。

图7为轮i在机架坐标系中的位姿图。

图8为轮i结构原理图。

图9为六种四轮系统结构布局形图。

图10为虚拟样机其他移动功能仿真轮子转向简图。

图中标记：1为机架，2为越障机构，3为V型杆，4为第一连杆，5为第二连杆，6为摆臂，7为V型端，8为第一端点，9为第二端点，10为第三端点，11为拉簧，12为底板，13为侧板，14为Mecanum驱动轮，15为驱动电机。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

实施例1

如图所示，本发明的越障机器人包括机架1、对称设置在机架1两侧的越障机构2、设置在机架1或越障机构2上的附加装置。其中，机架1包括底板12、设置在底板12两侧的侧板13，越障机构2与侧板13相连。越障机构2包括V型杆3、行进机构、第一连杆4、第二连杆5、弹性支撑回复件，V型杆3包括两根摆臂6，摆臂6相交的一端为V型端7。越障机构2以V型杆3为中心，行进机构、第一连杆4、第二连杆5、弹性支撑回复件分别对称设置在V型杆3两侧。V型杆3的开口朝上，V型端7与机架1相连，第一连杆4与V型杆3的一端相连，行进机构设置在第一连杆4的底端，第二连杆5的两端分别与第一连杆4、机架1相连，弹性支撑回复件的两端分别与摆臂6、第二连杆5相连。以第一连杆4与V型杆3的连接点为第一端点8，以第一连杆4与第二连杆5的连接点为第二端点9，以第二连杆5与机架1相连的连接点为第三端点10，以第一端点8与V型端7连线间的中点为第一中点，以第二端点9与第三端点10连线间的中点为第二中点，弹性支撑回复件与V型杆3的连接点位于第一中点与V型端7之间，弹性支撑回复件与第二连杆5之间的连接点位于第二端点9与第二中点之间；第三端点10之间构成的平面与水平面平行时，第二连杆5与水平面之间的夹角为锐角且第二端点9位于第三端点10上方。V型端7与同侧的第三端点10间呈等边三角形分布，四个第三端点10之间构成的平面与水平面平行时，第一连杆4与摆臂6的夹角为钝角。

本实施例中，弹性支撑回复件采用拉簧11，V型端7与机架1之间、第一连杆4与V型杆3之间、第一连杆4与第二连杆5之间、第二连杆5与机架1之间分别采用平面轴承相连。

行进机构包括Mecanum驱动轮14、用于驱动Mecanum驱动轮14的驱动电机15、用于控制驱动电机15的控制系统，Mecanum驱动轮14与第一连杆4的底端相连。Mecanum驱动轮14的小轮的旋转轴线与其大轮的旋转轴线成±45°夹角。本实施例中，四个Mecanum驱动轮14的中心点呈矩形分布，单个Mecanum驱动轮14的小轮与距离最近的两个Mecanum驱动轮14的小轮相互垂直，即Mecanum驱动轮14的小轮形成的逆雅可比矩阵满秩。

本实施例中，附加装置可采用摄像头、超声避障装置、温度探测器、湿度探测器。

二实物验证

1.按实施例1将本发明制作成实物，将实物记为样机。其中，四个Mecanum轮的直径为150mm，并且小轮的旋转轴线与大轮子的旋转轴线成±45度。车体同一侧的双曲柄、弹簧耦合的高架连杆机构通过V型杆3相互耦合，并且侧面越障机构2各杆之间以及与车体之间的连接都是通过转动副约束。M-robot机器人的总体尺寸为长×宽×高＝850mm×500mm×450mm。其中，拉簧11的长度优选为130mm，第二连杆5与拉簧11的连接点到第二端点9的长度为132mm，第一连杆4与拉簧11的连接点到第一端点8的长度为140mm，第一端点8到第二端点9的长度为165mm，第二端点9到Mecanum驱动轮14中心轴的长度为250mm；样机水平静置时，拉簧11与竖直方向的夹角为34°。

2对样机进行平面内全方位移动理论分析

2.1Mecanum轮系统运动解析

不失一般性(参见王一治,钱晋武,常德功.不平地面上Mecanum轮全方位系统运动学通用模型[J].机械工程学报,2009,09(45):77-81.；王一治.适于楼宇环境的全方位移动技术研究[D].上海大学博士学位论文，2009.；贾官帅.基于Mecanum轮全方位移动平台的理论和应用研究[D].浙江大学硕士学位论文,2012.)，以任意Mecanum轮上任意小轮i作为三维模型。该三维模型如图6所示。

图7、8中，oxy为固联于机架的坐标系；o'x'y'是固联于Mecanum轮轮毂中心o'的坐标系；(l_ix l_iy θ_i)表示o'x'y'对oxy的位姿；r_i、α_i分别表示轮i轮毂半径及辊子偏置角v_ir表示轮i着地辊子中心速度矢量；β_i表示轮i的安装角度；ω_i表示轮i的旋转速度。

设(v_x v_y ω)^T表示点o在oxy中广义速度；(v′_ix v'_iy ω′_i)^T表示点o'在o'x'y'中广义速度；(v_ix v_iy ω_i)^T表示点o'在oxy中广义速度。

根据图7有

$\left(\begin{array}{c}{v}_{\mathrm{ix}}\\ v_{\mathrm{iy}}\end{array}\right)=\left(\begin{array}{cc}\cos {\mathrm{\θ}}_i& -\sin {\mathrm{\θ}}_i\\ \sin {\mathrm{\θ}}_i& \cos {\mathrm{\θ}}_i\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{v^{\′}}_{\mathrm{ix}}\\ {v^{\′}}_{\mathrm{iy}}\end{array}\right)=R_2\left(\begin{array}{c}{v^{\′}}_{\mathrm{ix}}\\ {v^{\′}}_{\mathrm{iy}}\end{array}\right)---\left(1\right)$

根据图8有

$\left(\begin{array}{c}{v^{\′}}_{\mathrm{ix}}\\ {v^{\′}}_{\mathrm{iy}}\end{array}\right)=\left(\begin{array}{cc}0& \sin {\mathrm{\α}}_i\\ r_i& \cos {\mathrm{\α}}_i\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{\mathrm{\ω}}_i\\ v_{\mathrm{ir}}\end{array}\right)=R_1\left(\begin{array}{c}{\mathrm{\ω}}_i\\ v_{\mathrm{ir}}\end{array}\right)---\left(2\right)$

因机器人做平面运动，有

$\left(\begin{array}{c}{v}_{\mathrm{ix}}\\ v_{\mathrm{iy}}\end{array}\right)=\left(\begin{array}{ccc}1& 0& -l_{\mathrm{iy}}\\ 0& 1& l_{\mathrm{ix}}\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{v}_x\\ v_y\\ \mathrm{\ω}\end{array}\right)=R_3\left(\begin{array}{c}{v}_x\\ v_y\\ \mathrm{\ω}\end{array}\right)---\left(3\right)$

由式(1)～(3)有

$R_3\left(\begin{array}{c}{v}_x\\ v_y\\ \mathrm{\ω}\end{array}\right)=R_2{R}_1\left(\begin{array}{c}{\mathrm{\ω}}_i\\ v_{\mathrm{ir}}\end{array}\right),i=\mathrm{1,2,3,4}---\left(4\right)$

其中

$\begin{array}{cc}{R}_1=\left(\begin{array}{cc}0& \sin {\mathrm{\α}}_i\\ r_i& \cos {\mathrm{\α}}_i\end{array}\right)& R_2\end{array}=\left(\begin{array}{cc}\cos {\mathrm{\θ}}_i& -\sin {\mathrm{\θ}}_i\\ \sin {\mathrm{\θ}}_i& \cos {\mathrm{\θ}}_i\end{array}\right)$

$R_3=\left(\begin{array}{ccc}1& 0& -l_{\mathrm{iy}}\\ 0& 1& l_{\mathrm{ix}}\end{array}\right)$

因r_i≠0,0＜|a_i|＜π/2,det(R₁)≠0,det(R₂)≠0,则系统运动中心到轮毂转速映射关系为

$\left(\begin{array}{c}{\mathrm{\ω}}_i\\ v_{\mathrm{ir}}\end{array}\right)=R_2^{-1}{R}_1^{-1}{R}_3\left(\begin{array}{c}{v}_x\\ v_y\\ \mathrm{\ω}\end{array}\right),i=\mathrm{1,2,3,4}---\left(5\right)$

令由式(1)～(3)有

$R=-\frac{1}{r\sin {\mathrm{\α}}_i}{R}^{\′}$

$R^{\′}=\left(\begin{array}{ccc}\cos ({\mathrm{\θ}}_i-{\mathrm{\α}}_i)& \sin ({\mathrm{\θ}}_i-a_i)& -l_{\mathrm{iy}}\cos ({\mathrm{\θ}}_i-{\mathrm{\α}}_i)+l_{\mathrm{ix}}\sin ({\mathrm{\θ}}_i-{\mathrm{\α}}_i)\\ r\cos {\mathrm{\θ}}_i& -r\sin {\mathrm{\θ}}_i& -l_{\mathrm{iy}}r\cos \left({\mathrm{\θ}}_i\right)-l_{\mathrm{ix}}r\sin \left({\mathrm{\θ}}_i\right)\end{array}\right)$

对于四轮系统，如果忽略辊子与地面打滑，辊子中心速度v_ir与轮毂旋转速度ω_i具有确定关系，因此系统中独立驱动变量只有四个轮毂转速ω₁，ω₂，ω₃，ω₄，设l_ix＝l_i cosβ_i，l_iy＝l_i sinβ_i，r＝r₁＝r₂＝r₃＝r₄，根据式(5)可求得系统逆运动学方程为

$\left(\begin{array}{c}{\mathrm{\ω}}_1\\ {\mathrm{\ω}}_2\\ {\mathrm{\ω}}_3\\ {\mathrm{\ω}}_4\end{array}\right)=-\frac{1}{r}B\left(\begin{array}{c}{v}_x\\ v_y\\ \mathrm{\ω}\end{array}\right)---\left(6\right)$

$B=\left(\begin{array}{ccc}\frac{\cos ({\mathrm{\θ}}_1-a_1)}{\sin a_1}& \frac{\sin ({\mathrm{\θ}}_1-a_1)}{\sin a_1}& \frac{l_1\sin ({\mathrm{\θ}}_1-a_1-{\mathrm{\β}}_1)}{\sin a_1}\\ \frac{\cos ({\mathrm{\θ}}_2-a_2)}{\sin a_2}& \frac{\sin ({\mathrm{\θ}}_2-a_2)}{\sin a_2}& \frac{l_1\sin ({\mathrm{\θ}}_2-a_2-{\mathrm{\β}}_2)}{\sin a_2}\\ \frac{\cos ({\mathrm{\θ}}_3-a_3)}{\sin a_3}& \frac{\sin ({\mathrm{\θ}}_3-a_3)}{\sin a_3}& \frac{l_1\sin ({\mathrm{\θ}}_3-a_3-{\mathrm{\β}}_3)}{\sin a_3}\\ \frac{\cos ({\mathrm{\θ}}_4-a_4)}{\sin a_4}& \frac{\sin ({\mathrm{\θ}}_4-a_4)}{\sin a_4}& \frac{l_1\sin ({\mathrm{\θ}}_4-a_4-{\mathrm{\β}}_4)}{\sin a_4}\end{array}\right)$

令则R₀就是Mecanum轮四轮系统逆运动方程的速度逆雅可比矩阵。由机器人运动学可知(参考：熊有伦.机器人技术基础[M].武汉：华中科技大学出版社，1996)，系统速度逆雅可比矩阵列不满秩时，系统存在奇异位形。对于平面3自由度全方位运动系统，存在奇异位形，系统就失去了全方位运动能力，因而Mecanum四轮全方位系统的轮组结构形式必须满足速度雅可比矩阵R₀列满秩。即满足式(7)

rank(R₀)＝3        (7)

对于Mecanum四轮全方位运动系统，因逆运动学解的雅可比矩阵R₀反映系统关节速度与系统中心速度之间的映射关系，因而逆雅可比矩阵的性质能够充分反映系统解的结构。

(1)逆雅可比矩阵R₀满秩，即rank(R₀)＝3是系统实现全方位运动的必要条件。

(2)系统能否实现全方位运动与系统四个轮之间的结构布局相关。对实际的驱动系统而言，不是任意一组关节速度都能实现系统的有效驱动。如关节速度为(0 0 0 ω₄)^T时，系统的驱动轮只有一个，其它三轮均处于被动滑动摩擦状态，显然系统难以有效运动。这说明系统不仅要求有逆解存在，且要求逆解合理。JEFRI等的试验就证明了这个结论，对于试验中的四轮系统，当系统沿轮对角线运动时，驱动轮只有两个。

(3)当rank(R₀)≤2时，系统不能实现全方位运动，此时系统具有奇异位形。

2.2轮组布局结构形式分析与优选

对于四轮结构，为使系统运行平稳，支撑结构稳定，一般合理地轮组布局结构形式为矩形，类似小型汽车的轮组结构形式。但由于Mecanum轮的特殊结构，轮行走平面可以与行走方向垂直安装。实际应用中，为使制造经济合理，一般四个轮结构参数取相同值，在安装时采取正反向两种安装方式，则实用系统中轮的辊子偏置角只有±α两种(大部分系统中取α＝45°)。当轮布局结构形式为矩形，存在四轮安装角关系为β₃＝180°+β₁，β₄＝180°+β₂。因此系统逆雅可比矩阵可以求得。

六种典型四轮布局结构形式如图9，图9中标号1、2、3、4的方框表示四个轮子，方框中斜线表示各轮中接触地面时辊子偏置角方向。六种布局结构参数及相应的逆运动学解中雅可比矩阵R₀的秩rank(R₀)，列于表1。

由表1可知，六种结构中只有图9a、9b两种结构的逆雅可比矩阵的秩rank(R₀)＝3，对应系统具有全方位运动的条件。其他4种结构形式的逆雅可比矩阵均不满秩，因而不能实现全方位运动。

表1六种布局结构参数与逆雅可比矩阵秩

3虚拟样机仿真和实物样机功能测试

3.1虚拟样机仿真

图10给出了虚拟样机其它移动功能仿真轮子转向简图。其中，图10a、10b、10c、10d、10e、10f、10g、10h依次为前进、后退、右移、左移、右对角前进、左对角前进、逆时针旋转、顺时针旋转。

同时，申请人进行了非结构环境综合越障虚拟样机仿真，实验结果表明：本发明具有较好的越障能力。

3.2实物样机功能测试

根据以上分析与设计，研制出实物样机。通过实物样机测试验证该机器人具有优秀的横向移动、原地转弯和越障功能。经测定，该M-Robot机器人进行垂直高度为300mm，倾角为44度的斜坡越障实验，机器人可以轻松越过。如前所述，该M-Robot机器人的Mecanum轮的直径为150mm，越障高度为其半径的4倍，这表明本发明具有极强的越障能力。

在实物样机测试中发现Mecanum轮有“敲地”现象。通过分析发现，这是由于Mecanum轮上面的小轮毂排列间隙不够紧密,造成整个轮子的外轮廓圆柱度不够，与地面接触不够连续。这种敲地现象在慢速移动的时候影响不大，但是随着移动速度的加快，整个车体的抖动越来越明显，导致噪声和振动都很大，这会影响控制系统的稳定性，必须解决。

多次实验之后，发现较好地解决办法是将小轮毂由15个增加到16个，即将小轮毂旋转轴间距缩小，使小轮毂之间的间距更加紧密，与地面接触的连续性较好，很好地解决了“敲地”问题。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (10)

1.一种新型楼宇环境下的作业机器人，其特征在于，包括机架（1）、设置在机架（1）两侧的越障机构（2），所述越障机构（2）包括V型杆（3）、能带动越障机构（2）相对接触面运动的行进机构、第一连杆（4）、第二连杆（5）、弹性支撑回复件，所述行进机构、第一连杆（4）、第二连杆（5）、弹性支撑回复件分别为一组，所述行进机构、第一连杆（4）、第二连杆（5）、弹性支撑回复件分别对称设置在V型杆（3）两侧，所述V型杆（3）包括两根摆臂（6），所述摆臂（6）相交的一端为V型端（7），所述V型端（7）与机架（1）相连，所述V型杆（3）的开口朝上，所述第一连杆（4）与V型杆（3）的一端相连，所述行进机构设置在第一连杆（4）的底端，所述第二连杆（5）的两端分别与第一连杆（4）、机架（1）相连，所述弹性支撑回复件的两端分别与摆臂（6）、第二连杆（5）相连；

以第一连杆（4）与V型杆（3）的连接点为第一端点（8），以第一连杆（4）与第二连杆（5）的连接点为第二端点（9），以第二连杆（5）与机架（1）相连的连接点为第三端点（10），以第一端点（8）与V型端（7）连线间的中点为第一中点，以第二端点（9）与第三端点（10）连线间的中点为第二中点，所述弹性支撑回复件与V型杆（3）的连接点位于第一中点与V型端（7）之间，所述弹性支撑回复件与第二连杆（5）之间的连接点位于第二端点（9）与第二中点之间；所述第三端点（10）之间构成的平面与水平面平行时，第二连杆（5）与水平面之间的夹角为锐角且第二端点（9）位于第三端点（10）上方。

2.根据权利要求1所述新型楼宇环境下的作业机器人，其特征在于，所述V型端（7）与机架（1）之间、第一连杆（4）与V型杆（3）之间、第一连杆（4）与第二连杆（5）之间、第二连杆（5）与机架（1）之间分别采用平面轴承相连。

3.根据权利要求1或2所述新型楼宇环境下的作业机器人，其特征在于，所述弹性支撑回复件为拉簧（11）；或所述弹性支撑回复件包括支撑杆、设置在支撑杆上的压簧。

4.根据权利要求1-3任一项所述新型楼宇环境下的作业机器人，其特征在于，所述机架（1）包括底板（12）、设置在底板（12）两侧的侧板（13），所述越障机构（2）与侧板（13）相连。

5.根据权利要求1所述新型楼宇环境下的作业机器人，其特征在于，V型端（7）与同侧的第三端点（10）间呈等腰三角形分布。

6.根据权利要求1-5任一项所述新型楼宇环境下的作业机器人，其特征在于，所述行进机构包括驱动轮、用于使驱动轮工作的动力装置，所述驱动轮与第一连杆（4）的底端相连。

7.根据权利要求6所述新型楼宇环境下的作业机器人，其特征在于，所述驱动轮为Mecanum驱动轮（14），所述动力装置包括用于驱动Mecanum驱动轮（14）的驱动电机（15）、用于控制驱动电机（15）的控制系统，所述Mecanum驱动轮（14）与第一连杆（4）的底端相连。

8.根据权利要求7所述新型楼宇环境下的作业机器人，其特征在于，所述Mecanum驱动轮（14）的小轮的旋转轴线与其大轮的旋转轴线成45°夹角。

9.根据权利要求6或7所述新型楼宇环境下的作业机器人，其特征在于，所述Mecanum驱动轮（14）为四个且对称设置在机架（1）两侧，机架（1）的单侧设置两个Mecanum驱动轮（14），四个Mecanum驱动轮（14）的中心点呈矩形分布，单个Mecanum驱动轮（14）的小轮与距离最近的两个Mecanum驱动轮（14）的小轮相互垂直。

10.根据权利要求1-9任一项所述新型楼宇环境下的作业机器人，其特征在于，还包括设置在机架（1）或越障机构（2）上的附加装置，所述附加装置为摄像头、超声避障装置、温度探测器、湿度探测器中的一种或多种。