CN106276009B - 全向移动搬运机器人 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种全向移动搬运机器人，包括底座、升降台、升降装置以及万向轮，万向轮安装于底座的底部，升降装置安装于底座上，升降台具有与底座配合的形状并由升降装置支撑于底座上，升降台在升降装置的作用下进行上升和下降，其中，升降装置包括升降臂，升降臂可以沉入底座内以降低机器人的整体高度。本发明的全向移动搬运机器人简化了机构的设计将升降臂与机器人本体融为一体，结构紧凑，使得机器人能够直接进入货物底部利用升降机构实现直接搬运，占用仓库的空间小。

Description

全向移动搬运机器人
技术领域
本发明涉及机器人领域，具体涉及一种全向移动搬运机器人。
背景技术
新型的制造业对仓储物流的信息化和智能化程度要求越来越高，传统的物流搬运机器人体积较大，并且采用了差动的驱动方式，在进行搬运时往往需要采用后退-转向-前进等三个步骤才能实现将货物运送到指定位置，这就要求仓库的可用空间足够大并且搬运过程中的灵活度和效率非常低下，导致物流成本增加，智能化程度低。
发明内容
本发明的目的是提供一种全向移动搬运机器人，整个机器人在不改变自身姿态的条件下沿着平面内任意方向运动，实现全向移动。
为了解决上述问题，根据本发明的一个方面，提供了一种全向移动搬运机器人，包括底座、升降台、升降装置以及万向轮，所述万向轮安装于所述底座的底部，所述升降装置安装于所述底座上，所述升降台具有与所述底座配合的形状并由所述升降装置支撑于所述底座上，所述升降台在所述升降装置的作用下进行上升和下降，其中，所述升降装置包括升降臂，所述升降臂可以沉入所述底座内以降低机器人的整体高度。
较佳地，所述升降臂的40％-80％可以沉入所述底座内。
较佳地，所述升降装置采用液压驱动。
较佳地，所述升降装置还包括支撑座，所述支撑座设置于所述升降台的底部，所述升降臂通过所述支撑座与所述升降台连接。
较佳地，所述底座包括两条臂和一条横梁，所述两条臂从所述横梁沿大致垂直于所述横梁的方向一体同向伸出，从而形成一个“U”形结构。
较佳地，所述底座的高度位于20cm-50cm之间。
较佳地，所述底座的高度位于20cm-40cm之间。
较佳地，所述底座的底部设有万向轮安装孔，所述万向轮安装于所述万向轮安装孔内，其中，所述万向轮安装孔的深度与所述万向轮的高度配合，从而使得当所述万向轮安装于所述万向轮安装内以后，所述万向轮的高度的80％-90％容纳于所述万向轮安装孔内。
较佳地，所述底座的底部安装有至少三个万向轮，该三个万向轮中至少有两个是主动轮，以及所述全向移动搬运机器人还包括控制系统，所述控制系统设置于所述底座内并与所述升降装置和所述主动轮信号连接，从而对所述升降装置和所述主动轮进行控制。
较佳地，还包括供电装置，所述供电装置安装于所述底座内并与所述控制系统和主动轮电连接从而给所述控制系统和主动轮供电。
较佳地，所述供电装置为电池。
较佳地，所述主动轮为动力万向轮，所述动力万向轮包括滚轮并具有绕竖直轴线的转向运动和绕所述滚轮的转动轴线的驱动运动，所述转向运动和所述驱动运动分别由驱动电机和转向电机独立控制，使得所述转向运动与所述驱动运动之间无耦合。
较佳地，所述动力万向轮包括：上架体；下架体，所述下架体可转动地连接于所述上架体；滚轮，所述滚轮可转动地安装于所述下架体；第一电机，所述第一电机安装于所述上架体并用于驱动所述下架体转动；以及第二电机，所述第二电机与所述滚轮关联以驱动所述滚轮滚动。
较佳地，所述下架体的转动与所述滚轮的滚动分别通过所述第一电机和所述第二电机独立控制。
较佳地，所述动力万向轮还包括第一传动机构和第二传动机构，其中所述第一电机的输出轴连接于所述第一传动机构的输入端，所述第一传动机构的输出端与所述下架体连接；所述第二电机的输出轴连接于所述第二传动机构的输入端，所述第二传动机构的输出端与一转动轴连接，且所述滚轮安装于该转动轴上；以及所述第一传动机构和所述第二传动机构相互独立；
较佳地，所述第一传动机构和所述第二传动机构分别为第一齿轮组和第二齿轮组，其中所述第一齿轮组包括与所述第一电机的输出轴连接的第一齿轮和与所述下架体连接的第二齿轮；以及所述第二齿轮组包括与所述第二电机的输出轴连接的第三齿轮和与所述转动轴连接的第四齿轮。
较佳地，所述控制系统通过以下控制方法控制动力万向脚轮的运动，该控制方法包括：
控制系统读取编码器的数值并做处理，根据运动学公式进行正向运动学求解运算，得到机器人的移动速度和旋转速度；
控制系统获得机器人的移动速度和旋转速度指令，根据运动学公式进行逆向运动学求解运算，得到所要控制的驱动电机和转向电机的运动参数，并通过控制器和放大器对驱动电机和转向电机进行控制；
其中，所述运动学公式为：
Figure GFW0000020496170000031
式中：αi为转向电机的关节角位移；θi为驱动电机的关节角位移，vcx为机器人的x轴方向的速度，vcy机器人的y轴方向的速度，ω为机器人绕中心轴方向旋转的速度，r为万向轮的半径，h为底座中心到滚轮的距离。
较佳地，所述运动参数包括速度和加速度。
较佳地，还包括定位导航系统、摄像头和传感器，所述摄像头和传感器安装于所述底座上并与所述控制系统以及定位导航系统信号连接，在所述控制系统和定位导航系统的控制下，所述机器人实现自主定位导航和自主移动避障。
较佳地，所述传感器包括超声波传感器或红外传感器，所述传感器包括超声波传感器或红外传感器与所述控制系统和定位导航系统信号连接，当遇到紧急状态时，在所述控制系统和定位导航系统的控制下的控制下，所述机器人可以立即减速至停止并切断电源。
较佳地，所述控制系统和定位导航系统包括编码器模块、多传感器融合算法模块、全局轨迹规划模块、惯性位置测量模块、全局地图建立模块、激光传感器或图像输入模块、局部地图建立模块、局部轨迹规划及壁障模块以及底层运动学控制模块；其中
编码器模块用于读取万向轮的编码器数据，惯性位置测量模块用于测量机器人的实时惯性位置信号，并通过多传感器融合模块实现数据的优化，最后算出最优的位置，
全局轨迹规划模块读取全局地图数据，规划出全局路径，
局部轨迹规划和避障模块实现实时的障碍检测和局部轨迹调整，
局部地图建立模块实时检测机器人所在的局部环境地图，并与全局模块通讯，实现地图的实时更新，
激光传感器或图像输入模块用于检测机器人与障碍物之间的距离，作为地图模块的输入，底层运动学和动力学控制模块用于配合万向脚轮实现全向移动功能并接受上层轨迹规划数据。
较佳地，所述机器人包括四个升降装置、四个万向轮和控制系统，所述两条臂上分别安装两个万向轮和两个升降装置，所述控制系统安装于所述横梁内，所述控制系统控制四个升降臂同时升降，从而保证所述机器人上的货物的平稳运输。
本发明的全向移动搬运机器人，首先简化了机构的设计将升降臂与机器人本体融为一体，结构紧凑，使得机器人能够直接进入货物底部利用升降机构实现直接搬运，占用仓库的空间小，另外，机器人采用动力万向轮实现全向移动功能，与传统的全向移动方式不同，它能够实现无滑转滑移运动，对物流车间地面的磨损小，运动平稳可靠，而配合基于解耦全向移动的定位导航方法可以实现机器人的自主定位和导航功能，使得机器人在车间中不依赖于标志物便可实现自我的定位和行驶，具备智能移动功能。本发明不仅仅适用于狭窄的工厂货物运输和仓储物流的货物运输环节，还可以应用于汽车立体仓库等需要高效灵活智能运输的场合，该发明具备结构紧凑，快速高效的特点，解决了目前物流搬运的核心问题，具有非常重大的应用前景。
附图说明
图1是全向移动搬运机器人的主视图；
图2是装载有货物的全向移动搬运机器人的主视图；
图3是是另一视觉的装载有货物的全向移动搬运机器人的主视图；
图4是全向移动搬运机器人的立体图；
图5-8示出升降臂处于缩回状态时的全向移动搬运机器人；其中
图5-6是全向移动搬运机器人不同视觉的视图；
图7是全向移动搬运机器人的平面结构示意图；
图8是全向移动搬运机器人的立体图；
图9是动力万向轮的立体图；
图10是图9的动力万向轮的侧视图；
图11是沿图10的剖面线A-A剖切的剖视图；以及
图12是控制系统和定位导航系统的框图。
具体实施方式
以下将结合附图对本发明的较佳实施例进行详细说明，以便更清楚理解本发明的目的、特点和优点。应理解的是，附图所示的实施例并不是对本发明范围的限制，而只是为了说明本发明技术方案的实质精神。
本发明总体上涉及一种全向移动搬运机器人，包括底座、升降装置以及万向轮，万向轮安装于底座的底部，升降装置安装于底座上，其中，升降装置包括升降臂，升降臂可以沉入底座内以降低整个机器人的高度，从而整个机器人可以进入货物的底部搬运货物。
下面参照附图对本发明的较佳实施例进行详细说明。
图1-4示出在升降状态(即将货物举高的状态)的全向移动搬运机器人100，其中，图1是全向移动搬运机器人100的主视图，图2是装载有货物70的全向移动搬运机器人100的主视图，图3是是另一视觉的装载有货物70的全向移动搬运机器人100的主视图，图4是全向移动搬运机器人100的立体图。
如图1-4所示，全向移动搬运机器人(下文简称机器人)100包括底座10、升降台20、升降装置30以及万向轮40。升降台20设置于底座10上，升降装置30设置于底座10和升降台20之间并用于支撑升降台20，万向轮40设置于底座10的下部。
如图4所示，底座10包括横梁11和两条臂12，两条臂12从横梁11一体向外伸出形成，从而底座11呈“U”字形结构，通过将底座11设置成“U”字形结构，可以便于机器人100进入到各种货物底部执行搬运工作。
在底座10的底部设置有万向轮安装孔11，万向轮40安装于万向轮安装孔11内。其中，万向轮安装孔的深度与万向轮的高度配合，即万向轮为潜入式设计，万向轮在进行回转和滚动运动时，其不会与底座干扰，并且大部分结构潜入在底座内中，并且万向轮的高度略高于底座的下部，这既能够使万向轮与地面保持持续接触，又能够使得机器人的总体高度降低。例如，设置成当万向轮40安装于万向轮安装孔11内以后，万向轮的高度的80％-90％容纳于万向轮安装孔11内。
在本发明中，在两条臂11上分别设置两个万向轮40，然而在本发明的另一个实施中，也可以在两条臂40上各设置一个万向轮40，在横梁10设置一个万向轮40。针对万向轮40，其中至少有两个万向轮40是主动轮，主动轮40的数目当然也可以多余两个，例如全是主动轮，然而这样会增加成本，因此，优选的是设置两个主动轮。有关万向轮中的主动轮的实施例请参照下文的描述。
升降装置30包括升降臂31，在升降台20的底部设有支撑座50，升降臂31的上端连接于支撑座50上，升降臂31的下端容纳于底座10内，升降臂31可以进行升降和缩回动作，在工作的时候可以向上将升降台20上的货物70举起，在不工作的时候可以缩回并存储在底座10的内部，从而降低机器人的整体高度。使得本发明的机器人的总体尺寸小，便于实现灵活运动，可以直接潜入货物底部通过升降臂31托起货物，优选的，机器人10的升降臂31采用液压驱动，从而具有较大的承载能力。
本发明的机器人100还包括控制系统以及定位导航系统(图未示)，该控制系统以及定位导航系统安装于底座10内。在底座10上还设有摄像头和传感器(图未示)，该摄像头和传感器与控制系统和定位导航系统信号连接，从而在控制系统和定位导航系统的控制下，实现机器人的自主定位导航和自主移动避障。较佳地，传感器包括超声波传感器或红外传感器，当遇到紧急状态时，在控制系统的控制下，所述机器人可以立即减速至停止并切断电源。
本发明的机器人100通过控制系统进行升降的控制，控制系统包括了主动轮的控制算法和系统供电装置以及其它电气控制装置。控制系统的电气元件安装在底座10的横梁11内部。通过机器人的控制系统能够实现在室内环境的自主定位导航，并且能够实现360度零转弯半径的自主移动。详细情况请参见下文有关主动轮部分的描述。
在本发明中，作为一种优选的方式，底座10的高度大于或等于20cm并小于或等于50cm，更佳地，底座10的高度大于或等于20cm并小于或等于40cm，从而保证机器人的整体结构小巧紧凑，同时升降装置30采用液压驱动，保证具有较大的承载能力，并通过将升降臂31设置成在缩回状态容纳于底座10内，从而保证整个机器人100不仅结构小巧，同时还具有较大的承载能力。
图5-8示出升降臂处于缩回状态时的全向移动搬运机器人100，其中，图5-6是全向移动搬运机器人100不同视觉的视图，图7是全向移动搬运机器人100的平面结构示意图，图8是全向移动搬运机器人100的立体图。
如图5-8所示，当全向移动搬运机器人100的升降臂31缩回到底座10内时，升降台20降落到底座10的上表面，从而整个机器人的高度降低，占用空间小，并通过万向轮11实现全向移动，在应用于汽车智能化仓库等需要在狭窄空间内时，能够实现灵活移动的搬运，并直接潜入货物底部托起货物，并能够实现360无转弯半径的全向移动，并且该由于采用了万向轮，相对于其它的全向移动方式，其对地面基本无摩擦或者摩擦程度非常小，适合应用于工厂环境。
如图7所示，机器人100还包括供电装置60，供电装置60安装于底座10的横梁11内并与控制系统和主动轮电连接从而给控制系统和主动轮供电。
在本实施例中，机器人100包括四个升降装置30、四个万向轮40，两条臂11上分别安装两个万向轮40和两个升降装置30。
下满结合图9-11详细描述本方发明的全向移动搬运机器人100的主动轮的一种实施例，在该实施例中，主动轮为动力万向轮200。动力万向轮200为机器人提供动力驱动以及实现转向运动，从而使整个机器人实现直行、侧行、斜行以及原地旋转等运动。本申请的动力万向轮的主要特点是具有两个转动自由度，这两个运动自由度之间无耦合运动产生，并且可控。通过动力万向轮上的各电机协同控制就可以使得整个机器人在不改变自身姿态的条件下沿着平面内任意方向运动，实现全向移动。
下面以前置式动力万向轮为例描述本申请的动力万向轮。前置式动力万向轮具备两个转动自由度，分别是绕转向装置竖直轴线的转向运动和绕滚轮水平轴线的驱动运动。这两个运动分别由安装在它上面的两个电机通过内部传动系统进行控制。因此，只需要对这两个电机进行运动控制就可以完全实现对整个动力万向轮的运动控制，进而实现对装备该动力万向轮的移动机器人或车辆的控制，使机器人或车辆可以沿着给定的路线实现直行、侧行、斜行以及原地旋转等运动。前置式动力万向轮内部通过结构设计使得驱动系统传动链可以同转向装置一起转动，这样可以保证它的转向运动与驱动运动之间保持无耦合，从而保证装备有该动力万向轮的移动机器人或车辆在执行转向动作时无额外的滚轮滚动运动输出，使得该移动机器人或车辆在运行过程中无侧滑，保证运行平稳，并且可以得到精确的运动控制。另外，由于转向运动和驱动运动之间不存在运动耦合，所以无需为了运动平稳采用专门的机构去解耦，使得动力万向轮整个结构得到简化。
如图9-11所示，前置式动力万向轮200包括壳体1001(或称上架体)、下架体1002以及滚轮1003，其中下架体1002可转动地连接于壳体1001，滚轮1003可转动地下架体1002。电机1004安装于壳体1001的一侧上并通过置于壳体1001内部的传动系统带动下架体1002转动，实现转向运动。电机1005安装于壳体的另一侧上并通过相应的传动系统带动滚轮1003滚动，实现平移运动。
具体地，前置式动力万向轮200主要由以下零件所组成，分别是：电机座101，压盖102，锁紧螺母103，轴承104，轴套105，轴承106，轴承套107，壳体1001，压盖109，轴承1010，压盖1011，下架体1002，轴承1013，轴承1014，传动轴1015，轴套1016，滚轮1003，传动轴1018，轴套1019，轴承1020，轴套1021，齿轮1022，锁紧螺母1023，传动轴1024，齿轮1025，锁紧螺母1026，轴承1027，齿轮1028，锁紧螺母1029，轴套1030，轴承1031，轴套1032，齿轮1033，轴套1034，锁紧螺母1035，锁紧螺母1036，轴承1037，齿轮1038，齿轮1039，轴承1040，支撑套1041，轴承1042，锁紧螺母1043，传动轴1044，轴套1045，轴承1046，电机座1047，压盖1048，齿轮1049以及光电开关1050。
转向电机1005通过螺钉与轴承座101相连接。转向电机1005通过平键与齿轮1049相连接。压盖102通过螺钉与轴承座101相连接。齿轮1049通过轴承104、轴套105、轴承106及锁紧螺母103与轴承座101相连接。轴承座101通过螺钉与壳体1001相连接。驱动电机1004通过螺钉与电机座1047相连接。支撑轴1041通过螺钉与电机座1047相连接。电机座1047通过轴承1042与壳体1001相连接。压盖1048通过螺钉与壳体1001相连接。传动轴1044通过轴承1046、轴套1045、锁紧螺母1043与电机座1047相连接。支承座1041通过螺钉与齿轮1039相连接。齿轮1039与齿轮1049啮合。传动轴1044通过轴承1040、锁紧螺母1036、压盖1011与齿轮1039相连接。齿轮1039通过轴承1010、轴承1037、压盖109及螺钉与壳体1001相连接。齿轮1038通过平键、锁紧螺母1035与传动轴1044相连接。下架体1002通过螺钉与压盖1011相连接。传动轴1018通过轴承1013、轴承1031、锁紧螺母1029与下架体1002相连接。轴套1034、轴套1032、轴套1030空套于传动轴1018上。齿轮1033、齿轮1028分别通过平键与传动轴1018相连接。传动轴1024通过轴承1027、锁紧螺母1026与下架体1002连接。齿轮1025通过平键与传动轴1024相连接。传动轴1015通过轴承1014、轴承1020、锁紧螺母1023与下架体1002相连接。轴套1016、轴套1019、轴套1021空套于传动轴1015上。滚轮1003、齿轮1022分别通过平键与传动轴1015相连接。上述齿轮中，除了齿轮1033、1038、1039以及1049为锥齿轮外，其余齿轮均为圆柱齿轮。各个齿轮之间的传动比可根据需要设置，在此不再详述。
转向电机1005和驱动电机1004可以是交流电机、直流电机、异步电机或同步电机。
如图11所示，下架体1002包括相互间隔开预定距离的两个支臂10021和10022。两个轴承1014和1020分别固定于两个支臂10021和10022上。传动轴1015的两端分别固定安装于两个轴承1014和1020的内圈，从而传动轴能够相对于支臂转动。
还如图11所示，下架体1002的两个支臂外侧还分别设置有盖体1006和1007。盖体1006和1007可起到对安装于两个支臂上的轴承和齿轮等进行保护的作用，防止灰尘等进入。壳体1001的下端设有从壳体的下端径向向外凸出的法兰10011。法兰上设有多个连接孔，这些连接孔用于将动力万向轮安装至底座上，下文将进一步说明。
如图10所示，在动力万向轮200的滚轮1003的滚动轴线与下架体的转动轴线之间设置一偏置距离e1。优选地，偏置距离e1为：1/6*D1＜e1＜2/3*D1，其中D1为滚轮1003的直径。应理解的是，根据需要，偏置距离e1也可以采用其他任何合适的数值。下架体的转动轴线与滚轮的滚动轴线之间的偏置可以通过将下架体的两个支臂做成特定的形状，例如类似L形来实现。
动力万向轮200上的光电开关1050通过螺钉安装于支架上，该支架通过螺钉安装于壳体1001上。光电开关1050的作用是确定下架体的初始零点位置。
工作时，滚轮1003的滚动运动由驱动电机1004通过传动轴1044把运动传递给齿轮1038，齿轮1038通过与齿轮1033啮合带动传动轴1018转动，传动轴1018通过平键带动齿轮1028转动，齿轮1028与齿轮1025啮合，齿轮1025与齿轮1022啮合，齿轮1022通过平键带动传动轴1015转动，传动轴1015通过平键带动滚轮1003进行转动，完成主驱动运动。整个动力万向轮的转向运动由转向电机通过平键带动齿轮1049转动，齿轮1049与齿轮1039啮合，通过齿轮1039带动与它相连的下架体1002及滚轮1003完成转向动作。
以上仅仅描述了本发明的主动轮的一种实施方式，本发明的主动轮还可以具有其他形式，在此不再详细描述。
下面介绍该机器人实现全向运动的单个动力万向轮的运动学控制方法，该控制方法包括以下步骤：
控制系统读取编码器的数值并做处理，根据运动学公式(1)进行正向运动学求解运算，得到机器人的移动速度和旋转速度；
控制系统获得机器人的移动速度和旋转速度指令，根据运动学公式(1)进行逆向运动学求解运算，得到所要控制的驱动电机1004和转向电机1005的运动参数(包括速度和加速度)，并通过控制器和放大器对驱动电机1004和转向电机1005进行控制；
对于任意一个动力万向轮的运动学公式为：
Figure GFW0000020496170000111
式中：αi为转向电机的关节角位移；θi为滚动电机的关节角位移，vcx为机器人的x轴方向的速度，vcy机器人的y轴方向的速度，ω为机器人的绕中心轴方向旋转的速度，r为滚轮的半径，h为机器人中心到滚轮的距离。
对于多个动力万向轮，需要确定动力万向轮在底座上安装的位置关系，求解万向脚轮对于机器人中心坐标的转移矩阵，根据其在底座的位置关系，利用转移矩阵最终得到不同位置上的动力万向轮的转动轮的角速度α和滚动轮的角速度的值θ，分别将对应的转动角速度α值和滚动角速度的值θ，发送到执行电机端，控制相应的驱动电机和转向电机的速度，便可以让平台实现在三维空间的设定运动速度vcx，vcy和转动速度w，例如以两个主动万向脚轮，按180分布安装，公式(1)可以分别写成：
Figure GFW0000020496170000112
Figure GFW0000020496170000113
其中脚标α1，和α2分别表示主动万向脚轮1和2的转动电机的角度，θ1和θ2分别表示主动万向脚轮1和2的滚动电机角度。
图12是控制系统和定位导航系统的框图。如图12所示，控制系统和定位导航系统包括编码器模块、多传感器融合算法模块、全局轨迹规划模块、惯性位置测量模块、全局地图建立模块、激光传感器或图像输入模块、局部地图建立模块、局部轨迹规划及壁障模块以及底层运动学控制模块。
编码器模块与多传感器融合算法模块连接，多传感器融合算法模块、惯性位置测量模块以及激光传感器或图像输入模块与全局轨迹规划模块连接，激光传感器或图像输入模块还与局部地图建立模块连接从而信息可以在激光传感器或图像输入模块还与局部地图建立模块之间双向船速，编码器模块、惯性位置测量模块以及全局轨迹规划模块与局部轨迹规划及壁障模块连接。
其中编码器模块用于读取全向叉车的四个轮子编码器数据，惯性位置测量模块用于测量全向叉车的实时惯性位置型号，通过多传感器融合模块实现数据的优化，最后估算出最优的位姿，此外全局轨迹规划模块读取全局地图数据，规划出全局的路径，局部轨迹规划和避障模块实现实时的障碍检测和局部轨迹调整，局部地图建立模块实时检测叉车所在的局部环境地图，并与全局模块通讯，实现地图的实时更新，激光传感器或图像输入模块用于检测机器人与障碍物之间的距离，作为地图模块的输入，底层运动学和动力学控制模块用于配合万向脚轮实现全向移动功能并接受上层轨迹规划数据。
控制系统和定位导航系统的主要特征是在运动学模块采用了新型的配合动力万向轮的运动学算法，在地图建立和轨迹规划时均采用了基于全向移动原理的方法，接收和输出全向移动机器人的速度和位置信号。
由于机器人的底座上安装有紧急避障用的超声波传感器或红外线传感器，如果遇到紧急状态可以马上减速至停止并切断电源。
本发明结构紧凑，承载能力强，运动灵活，具有自主运动的特征，可以直接潜入货物底部进行搬运，能够广泛应用与物流及搬运行业，提升工厂在物流环节的智能化程度并提高其货物搬运的效率。
以上已详细描述了本发明的较佳实施例，但应理解到，在阅读了本发明的上述讲授内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改。这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

Claims (18)

1.一种全向移动搬运机器人，其特征在于，包括底座、升降台、升降装置以及万向轮，所述万向轮安装于所述底座的底部，所述升降装置安装于所述底座上，所述升降台具有与所述底座配合的形状并由所述升降装置支撑于所述底座上，所述升降台在所述升降装置的作用下进行上升和下降，其中，所述升降装置包括升降臂，所述升降臂可以沉入所述底座内以降低机器人的整体高度，其中
所述底座的底部安装有至少三个万向轮，该三个万向轮中至少有两个是主动轮，以及所述全向移动搬运机器人还包括控制系统，所述控制系统设置于所述底座内并与所述升降装置和所述主动轮信号连接，从而对所述升降装置和所述主动轮进行控制，以及
所述主动轮为动力万向轮，所述动力万向轮包括滚轮并具有绕竖直轴线的转向运动和绕所述滚轮的转动轴线的驱动运动，所述转向运动和所述驱动运动分别由安装于所述动力万向轮上的驱动电机和转向电机独立控制，以及
所述动力万向轮包括：上架体；下架体，所述下架体可转动地连接于所述上架体；滚轮，所述滚轮可转动地安装于所述下架体；第一电机，所述第一电机安装于所述上架体并用于驱动所述下架体转动；以及第二电机，所述第二电机与所述滚轮关联以驱动所述滚轮滚动；所述下架体的转动与所述滚轮的滚动分别通过所述第一电机和所述第二电机独立控制，使得所述下架体的转动与所述滚轮的滚动之间无耦合；
所述控制系统对动力万向轮的控制方法包括：控制系统获得机器人的移动速度和旋转速度指令，根据运动学公式进行逆向运动学求解运算，得到所要控制的第一电机和第二电机的运动参数，并通过控制器和放大器对第一电机和转向电机进行控制；
其中，所述运动学公式为：
Figure FDA0002385841100000011
式中：αi为转向电机的关节角位移；θi为驱动电机的关节角位移，νcx为机器人的x轴方向的速度，νcy机器人的y轴方向的速度，ω为机器人绕中心轴方向旋转的速度，r为万向轮的半径，h为底座中心到滚轮的距离。
2.根据权利要求1所述的全向移动搬运机器人，其特征在于，所述升降臂的40％-80％可以沉入所述底座内。
3.根据权利要求1所述的全向移动搬运机器人，其特征在于，所述升降装置采用液压驱动。
4.根据权利要求1所述的全向移动搬运机器人，其特征在于，所述升降装置还包括支撑座，所述支撑座设置于所述升降台的底部，所述升降臂通过所述支撑座与所述升降台连接。
5.根据权利要求1所述的全向移动搬运机器人，其特征在于，所述底座包括两条臂和一条横梁，所述两条臂从所述横梁沿大致垂直于所述横梁的方向一体同向伸出，从而形成一个“U”形结构。
6.根据权利要求1所述的全向移动搬运机器人，其特征在于，所述底座的高度位于20cm-50cm之间。
7.根据权利要求1所述的全向移动搬运机器人，其特征在于，所述底座的高度位于20cm-40cm之间。
8.根据权利要求1所述的全向移动搬运机器人，其特征在于，所述底座的底部设有万向轮安装孔，所述万向轮安装于所述万向轮安装孔内，其中，所述万向轮安装孔的深度与所述万向轮的高度配合，从而使得当所述万向轮安装于所述万向轮安装内以后，所述万向轮的高度的80％-90％容纳于所述万向轮安装孔内。
9.根据权利要求1所述的全向移动搬运机器人，其特征在于，还包括供电装置，所述供电装置安装于所述底座内并与所述控制系统和主动轮电连接从而给所述控制系统和主动轮供电。
10.根据权利要求9所述的全向移动搬运机器人，其特征在于，所述供电装置为电池。
11.根据权利要求1所述的全向移动搬运机器人，其特征在于，所述下架体的转动与所述滚轮的滚动分别通过所述第一电机和所述第二电机独立控制。
12.根据权利要求1所述的全向移动搬运机器人，其特征在于，所述动力万向轮还包括第一传动机构和第二传动机构，其中所述第一电机的输出轴连接于所述第一传动机构的输入端，所述第一传动机构的输出端与所述下架体连接；所述第二电机的输出轴连接于所述第二传动机构的输入端，所述第二传动机构的输出端与一转动轴连接，且所述滚轮安装于该转动轴上；以及所述第一传动机构和所述第二传动机构相互独立。
13.根据权利要求12所述的全向移动搬运机器人，其特征在于，所述第一传动机构和所述第二传动机构分别为第一齿轮组和第二齿轮组，其中所述第一齿轮组包括与所述第一电机的输出轴连接的第一齿轮和与所述下架体连接的第二齿轮；以及所述第二齿轮组包括与所述第二电机的输出轴连接的第三齿轮和与所述转动轴连接的第四齿轮。
14.根据权利要求1所述的全向移动搬运机器人，其特征在于，控制系统读取编码器的数值并做处理，根据运动学公式进行正向运动学求解运算，得到机器人的移动速度和旋转速度；
较佳地，所述运动参数包括速度和加速度。
15.根据权利要求1所述的全向移动搬运机器人，其特征在于，还包括定位导航系统、摄像头和传感器，所述摄像头和传感器安装于所述底座上并与所述控制系统以及定位导航系统信号连接，在所述控制系统和定位导航系统的控制下，所述机器人实现自主定位导航和自主移动避障。
16.根据权利要求15所述的全向移动搬运机器人，其特征在于，所述传感器包括超声波传感器或红外传感器，所述传感器包括超声波传感器或红外传感器与所述控制系统和定位导航系统信号连接，当遇到紧急状态时，在所述控制系统和定位导航系统的控制下的控制下，所述机器人可以立即减速至停止并切断电源。
17.根据权利要求14所述的全向移动搬运机器人，其特征在于，所述控制系统和定位导航系统包括编码器模块、多传感器融合算法模块、全局轨迹规划模块、惯性位置测量模块、全局地图建立模块、激光传感器或图像输入模块、局部地图建立模块、局部轨迹规划及壁障模块以及底层运动学控制模块；其中
编码器模块用于读取万向轮的编码器数据，惯性位置测量模块用于测量机器人的实时惯性位置信号，并通过多传感器融合模块实现数据的优化，最后算出最优的位置，
全局轨迹规划模块读取全局地图数据，规划出全局路径，
局部轨迹规划和避障模块实现实时的障碍检测和局部轨迹调整，
局部地图建立模块实时检测机器人所在的局部环境地图，并与全局模块通讯，实现地图的实时更新，
激光传感器或图像输入模块用于检测机器人与障碍物之间的距离，作为地图模块的输入，底层运动学和动力学控制模块用于配合万向脚轮实现全向移动功能并接受上层轨迹规划数据。
18.根据权利要求5所述的全向移动搬运机器人，其特征在于，所述机器人包括四个升降装置、四个万向轮和控制系统，所述两条臂上分别安装两个万向轮和两个升降装置，所述控制系统安装于所述横梁内，所述控制系统控制四个升降臂同时升降，从而保证所述机器人上的货物的平稳运输。
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