CN106695744A - 一种基于球形轮的自主导航机器人 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于球形轮的自主导航机器人，基于球形轮的自主导航机器人包括距离探测器、主控制器、可充电锂电池、微型计算机、控制平台、驱动电机、全向轮、球形轮胎、轮胎支架、缓冲机构、牛眼轮。球形轮胎、机器人支架、轮胎驱动机构、主控制器和距离探测器，机器人支架包括轮胎支架和控制平台，轮胎支架套装在球形轮胎外侧，控制平台设置在轮胎支架上方，轮胎驱动机构包括至少三组驱动轮和驱动电机，驱动轮分别与对应的驱动电机连接，驱动电机与主控制器连接，距离探测器与主控制器连接，主控制器和距离探测器设置在控制平台上，至少三组驱动轮设置在球形轮胎表面与球形轮胎表面转动连接。

Description

一种基于球形轮的自主导航机器人

技术领域

本发明涉及机器人制造技术领域，特别是指一种基于球形轮的自主导航机器人。

背景技术

近年来，随着21世纪电子技术及自动控制技术的发展，机器人技术进展迅猛，已经成为现代社会、工业、农业、国防、医疗等领域内关键技术之一。但传统机器人的移动方式主要基于轮式差速，轮式机器人虽然应用广泛，但也有十分严重的缺点。例如：机器人身躯庞大，运动区域有很大限制，在自主导航情况下的转弯及避障的算法十分复杂且运行效率非常低下。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种基于球形轮的自主导航机器人，能够适应狭小空间环境，移动更为灵活。

为解决上述技术问题，本发明的实施例提供一种基于球形轮的自主导航机器人，所述基于球形轮的自主导航机器人包括球形轮胎、机器人支架、轮胎驱动机构、主控制器和距离探测器，所述机器人支架包括轮胎支架和控制平台，所述轮胎支架套装在所述球形轮胎外侧，所述控制平台设置在所述轮胎支架上方，所述轮胎驱动机构包括至少三组驱动轮和驱动电机，所述驱动轮分别与对应的驱动电机连接，所述驱动电机与所述主控制器连接，所述距离探测器与所述主控制器连接，所述主控制器和距离探测器设置在所述控制平台上，所述至少三组驱动轮设置在所述球形轮胎表面与所述球形轮胎表面转动连接；

所述距离探测器，用于采用激光三角测距技术进行距离检测、2D扫描、模型构建和障碍物检测；

所述主控制器，用于采用PID闭环调速算法控制驱动电机调节驱动轮转动控制球形轮胎转动，控制驱动控制器进行移动控制，获取距离探测器的检测信息，采用二维激光雷达的SLAM算法进行实时地图构建与定位。

优选的，所述主控制器为单片机，所述单片机设置有6个可以输出PWM的定时器，用于带动各驱动轮以不同方向转动其中2个定时器输各出7路PWM，另外4个定时器各输出4路PWM，所述单片机具有输入捕获的功能，用于捕捉驱动电机的信号实现PID调速。

优选的，所述单片机设置有5个通用同步异步收发器，用于同时与远端遥控器、激光雷达通信和远端计算机进行。

优选的，所述单片机为单片机STM32F103。

优选的，所述距离探测器每次测距过程中，激光雷达将发射经过调制的红外激光信号，该激光信号在照射到目标物体后产生的反光将被视觉采集系统接收，经过距离探测器内部的DSP处理器实时解算，被照射到的目标物体与激光雷达的距离值以及当前的夹角信息将从通讯接口中输出。

优选的，所述距离探测器为激光雷达扫描测距仪。

优选的，所述驱动电机为带编码器的减速电机。

优选的，所述机器人支架底部设置有牛眼轮安装环，所述牛眼轮安装环底部均匀的设置有牛眼轮和缓冲机构，所述牛眼轮通过所述缓冲机构与所述牛眼轮安装环底部连接。

优选的，所述机器人支架有为铝型材机器人支架或碳纤维机器人支架。

优选的，所述控制平台上还设置有微型计算机，所述微型计算机与所述主控制器连接，所述微型计算机采用基于LINUX的ROS操作系统。

本发明的上述技术方案的有益效果如下：

上述方案中，设置球形轮胎、机器人支架、轮胎驱动机构、主控制器和距离探测器，能够保证基于球形轮的平稳移动，并对周围环境进行距离探测，提高了机器人的移动灵活性，采用PID闭环调速算法，能够更加精确控制机器人的移动方向与移动速度，在进入不同路面，如上坡下坡等情况都能很好的排除干扰因素，使速度快速达到理想稳定的状态。采用二维激光雷达的SLAM算法可在无GPS信号的情况下在密闭空间内进行实时地图构建，自主定位与导航。

附图说明

图1为本发明的基于球形轮的自主导航机器人结构示意图；

图2为本发明的基于球形轮的自主导航机器人顶部结构示意图。[主要元件符号说明]

球形轮胎1；

机器人支架2；

轮胎驱动机构3；

主控制器4；

距离探测器5；

轮胎支架6；

控制平台7；

驱动轮8；

驱动电机9；

驱动电机10；

牛眼轮安装环11；

牛眼轮12；

缓冲机构13；

微型计算机14；

充电电池15。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

如图1和2所示，本发明实施例的一种基于球形轮的自主导航机器人，所述基于球形轮的自主导航机器人包括球形轮胎1、机器人支架2、轮胎驱动机构3、主控制器4和距离探测器5，所述机器人支架2包括轮胎支架6和控制平台7，所述轮胎支架6套装在所述球形轮胎1外侧，所述控制平台7设置在所述轮胎支架6上方，所述轮胎驱动机构3包括至少三组驱动轮8和驱动电机9，所述驱动轮8分别与对应的驱动电机10连接，所述驱动电机10与所述主控制器4连接，所述距离探测器5与所述主控制器4连接，所述主控制器4和距离探测器5设置在所述控制平台7上，所述至少三组驱动轮8设置在所述球形轮胎1表面与所述球形轮胎1表面转动连接；

所述距离探测器5，用于采用激光三角测距技术进行距离检测、2D扫描、模型构建和障碍物检测；

所述主控制器4，用于采用PID闭环调速算法控制驱动电机调节驱动轮转动控制球形轮胎转动，控制驱动控制器进行移动控制，获取距离探测器的检测信息，采用二维激光雷达的SLAM算法进行实时地图构建与定位。

其中，球形轮胎驱动轮作为本机器人机械部分的核心，其作用为驱动球形轮胎，它们是确保机器人能够流畅运行的保障。全向轮的尺寸要根据球形轮胎的大小而确定，装配时全向轮和球形轮胎的角度要调节好，确保处于最佳角度。

本发明实施例的基于球形轮的自主导航机器人，设置球形轮胎、机器人支架、轮胎驱动机构、主控制器和距离探测器，能够保证基于球形轮的平稳移动，并对周围环境进行距离探测，提高了机器人的移动灵活性，采用PID闭环调速算法，能够更加精确控制机器人的移动方向与移动速度，在进入不同路面，如上坡下坡等情况都能很好的排除干扰因素，使速度快速达到理想稳定的状态。采用二维激光雷达的SLAM算法可在无GPS信号的情况下在密闭空间内进行实时地图构建，自主定位与导航。实现方式采用功耗低，效率高，成本低的激光雷达。

优选的，所述主控制器4为单片机，所述单片机设置有6个可以输出PWM的定时器，用于带动各驱动轮以不同方向转动其中2个定时器输各出7路PWM，另外4个定时器各输出4路PWM，所述单片机具有输入捕获的功能，用于捕捉驱动电机的信号实现PID调速。

其中，为降低程序编写难度，机器人各个部件之间采用CAN总线技术进行通信。

本实施例中，由于采用了闭环调速，整个下位机程序在同一块单片机中需要使用到多个定时器，会使多个程序中断服务进行嵌套，出现错误时非常难排查。所以本项目采用多台单片机组成下位机，之间通过CAN总线进行通信。这样每台单片机只需完成特定任务，每台单片机程序的漏洞也极易排查，而且这样设计使各个程序员编写的程序之间不会发生任何冲突。

优选的，所述单片机设置有5个通用同步异步收发器，用于同时与远端遥控器、激光雷达通信和远端计算机进行。

优选的，所述单片机为单片机STM32F103。

优选的，所述距离探测器5每次测距过程中，激光雷达将发射经过调制的红外激光信号，该激光信号在照射到目标物体后产生的反光将被视觉采集系统接收，经过距离探测器内部的DSP处理器实时解算，被照射到的目标物体与激光雷达的距离值以及当前的夹角信息将从通讯接口中输出。

优选的，所述距离探测器5为激光雷达扫描测距仪。

优选的，所述驱动电机10为带编码器的减速电机。

其中，该球形机器人采用12V或24V的带编码器减速电机，其额定转速与额定力矩要合适，且电机的速度可调，带动全向轮转动，全向轮再带动球形轮胎转动，使球形轮胎的滚动方向、滚动速度任意变换，做到高效率，高机动性运行，采用PID调速法可使驱动轮的转速得到精准控制。电机驱动要能够长时间驱动电机运行，保证其能在运行中不会烧毁。

优选的，所述机器人支架底部设置有牛眼轮安装环11，所述牛眼轮安装环11底部均匀的设置有牛眼轮12和缓冲机构13，所述牛眼轮12通过所述缓冲机构13与所述牛眼轮12安装环底部连接。

本实施例中，机械系统设计中结合了轮式机器人控制简单和球形机器人苗条灵活的优点，添加三个牛眼轮均布在球外的圆周上，对机器人有支撑作用，使机器人与地面形成四个点接触，大大简化了此机器人的控制难度，简单实用，降低了机器人总体成本。

优选的，所述机器人支架有为铝型材机器人支架或碳纤维机器人支架。本实施例中，铝型材和碳纤维板构成本机器人的主要骨架。铝型材和碳纤维板均属硬度强度较高，且质量不大的材料。采用这两种材料作为骨架，可以在满足机器人所需强度的条件下，尽可能减轻机器人重量，从而降低其耗能，加长其工作时间。

优选的，所述控制平台上还设置有微型计算机14，所述微型计算机与所述主控制器连接，所述微型计算机采用基于LINUX的ROS操作系统。

优选的，控制平台上设置有充电电池15，可以使用可充电锂电池或其他可充电电池供电。

本实施例中，ROS操作系统是当今机器人领域最成熟的机器人操作系统。使用方便，开源性强。

本发明实施例的基于球形轮的自主导航机器人，以此球形轮自主导航机器人为基础，我们还可以开发一款医疗服务型机器人“老人伴侣-医疗陪护系统”，该系统以我们自己研发的新型全向移动球形机器人为平台，搭载相关软硬件从而实现以下功能。

球形轮自主导航机器人基于物联网技术，当老人在家时，老人或者子女可以提前设置好未来的日常注意事项，比如老人需要在什么时间服药，需要在什么时间进行医疗检测等，同时，子女也可以随时通过机器人了解家里的情况(视频和图片均可)，并对机器人发送命令。当老人发生意外时，机器人会马上向子女报警，并且及时拨打急救电话，确保老人第一时间得到救助。此医疗服务机器人同时可以与老人进行简单的互动，使老人的生活更加丰富。

当老人入院时，我们的机器人可以完成对老人必要的照顾。一大亮点是“滴点陪护”功能，当点滴快结束时，可以自动提醒护士更换，并且在输液过程中，老人如果需要上厕所，机器人可以悬挂药瓶定距跟随老人，无需专门找人看护。医生可以通过网络，把老人需要注意的事项，需要做的相关医疗检测，每天需要服用的药物药量等信息发送给机器人，由机器人定时定点进行提醒，确保老人每天按照医嘱进行相关活动。

总的来说，该系统以自主研发的全向移动球形机器人为平台，结合其他相关控制技术，可以基于物联网技术，完成对老人的陪护工作。

本发明实施例的基于球形轮的自主导航机器人，球形轮机器人躯体瘦小，更能适应狭小空间环境，可在自主导航情况下进行无转弯半径的移动，颠覆传统轮式机器人分头和尾的理念，能有效地抵抗外界的扰动，因此对复杂地形的适应能力更强，并且在自主导航情况下的算法大大简化，且运行效率也有很大的提高。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于球形轮的自主导航机器人，其特征在于，所述基于球形轮的自主导航机器人包括球形轮胎、机器人支架、轮胎驱动机构、主控制器和距离探测器，所述机器人支架包括轮胎支架和控制平台，所述轮胎支架套装在所述球形轮胎外侧，所述控制平台设置在所述轮胎支架上方，所述轮胎驱动机构包括至少三组驱动轮和驱动电机，所述驱动轮分别与对应的驱动电机连接，所述驱动电机与所述主控制器连接，所述距离探测器与所述主控制器连接，所述主控制器和距离探测器设置在所述控制平台上，所述至少三组驱动轮设置在所述球形轮胎表面与所述球形轮胎表面转动连接；

所述距离探测器，用于采用激光三角测距技术进行距离检测、2D扫描、模型构建和障碍物检测；

所述主控制器，用于采用PID闭环调速算法控制驱动电机调节驱动轮转动控制球形轮胎转动，控制驱动控制器进行移动控制，获取距离探测器的检测信息，采用二维激光雷达的SLAM算法进行实时地图构建与定位。

2.根据权利要求1所述的基于球形轮的自主导航机器人，其特征在于，所述主控制器为单片机，所述单片机设置有6个可以输出PWM的定时器，用于带动各驱动轮以不同方向转动其中2个定时器输各出7路PWM，另外4个定时器各输出4路PWM，所述单片机具有输入捕获的功能，用于捕捉驱动电机的信号实现PID调速。

3.根据权利要求2所述的基于球形轮的自主导航机器人，其特征在于，所述单片机设置有5个通用同步异步收发器，用于同时与远端遥控器、激光雷达通信和远端计算机进行。

4.根据权利要求2所述的基于球形轮的自主导航机器人，其特征在于，所述单片机为单片机STM32F103。

5.根据权利要求1所述的基于球形轮的自主导航机器人，其特征在于，所述距离探测器每次测距过程中，激光雷达将发射经过调制的红外激光信号，该激光信号在照射到目标物体后产生的反光将被视觉采集系统接收，经过距离探测器内部的DSP处理器实时解算，被照射到的目标物体与激光雷达的距离值以及当前的夹角信息将从通讯接口中输出。

6.根据权利要求5所述的基于球形轮的自主导航机器人，其特征在于，所述距离探测器为激光雷达扫描测距仪。

7.根据权利要求1所述的基于球形轮的自主导航机器人，其特征在于，所述驱动电机为带编码器的减速电机。

8.根据权利要求1所述的基于球形轮的自主导航机器人，其特征在于，所述机器人支架底部设置有牛眼轮安装环，所述牛眼轮安装环底部均匀的设置有牛眼轮和缓冲机构，所述牛眼轮通过所述缓冲机构与所述牛眼轮安装环底部连接。

9.根据权利要求1所述的基于球形轮的自主导航机器人，其特征在于，所述机器人支架有为铝型材机器人支架或碳纤维机器人支架。

10.根据权利要求1所述的基于球形轮的自主导航机器人，其特征在于，所述控制平台上还设置有微型计算机，所述微型计算机与所述主控制器连接，所述微型计算机采用基于LINUX的ROS操作系统。