CN107088869A - 一种用于环境感知的模块化全方位移动机器人 - Google Patents

一种用于环境感知的模块化全方位移动机器人 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种用于环境感知的模块化全方位移动机器人，包括机器人本体、Mecanum轮式运动模块、传感模块、可交互模块和控制器。所述Mecanum轮式运动模块支撑机器人本体。所述传感模块包含位姿估算子模块、立体环境感知子模块、电源管理模块。所述控制器用于接收所述传感模块信号，经数据处理后向Mecanum轮式运动模块发送运动控制指令实现所述机器人本体的运动。所述可交互模块包含无线路由器和手机终端，用于实现手机终端对于所述机器人本体的运动控制和状态监控。本发明解决了安装麦克纳姆轮的移动机器人在越障时存在的单侧车轮悬空问题，避免进而引起的车轮加速磨损问题。

Description

一种用于环境感知的模块化全方位移动机器人
技术领域
本发明属于机器人技术领域，特别涉及一种用于环境感知的模块化全方位移动机器人。
背景技术
工作在空间狭窄拥挤和障碍较多环境中的移动机器人，要求有较好的灵活性，目前多数移动机器人采用两轮差速的方式来实现零转弯半径来保证机器人的灵活性。但是，这种方式也只能实现旋转和前后移动两个自由度，无法实现真正意义上的三自由度全方位移动。基于麦克纳姆轮的移动机器人平台可以实现全方位移动的功能，但是由于麦克纳姆轮采用硬质橡胶材料，不容易发生形变，采用多个麦克纳姆轮底盘结构时，如果遇到不平路况会出现单个车轮悬空现象，这样会导致机器人的运动跑偏，并且会引起单侧轮受压严重，加速磨损，进而影响到车轮的寿命。
伴随着技术的发展和进步，移动机器人会逐渐走进大众家庭，因此要求机器人对环境有足够的理解能力，现有的单一传感器对环境理解获取数据量少、精度较差，并且要求便捷高效的可交互性能，正常情况下通常采用电脑终端对机器人进行管理和操控，这种方法操作较为繁琐，操作的灵活性和便捷性较差。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供了一种用于环境感知的模块化全方位移动机器人，采用模块化的设计思想，解决了安装麦克纳姆轮的移动机器人在越障时存在的单侧车轮悬空问题，避免进而引起的车轮加速磨损问题，同时也解决了目前通过电脑和机器人交互所存在的操作繁琐、便捷性差的问题。
本发明的目的通过以下技术方案实现：一种用于环境感知的模块化全方位移动机器人，包括机器人本体、Mecanum轮式运动模块、传感模块、可交互模块和控制器5；所述Mecanum轮式运动模块支撑机器人本体，所述控制器5分别与传感模块、可交互模块和Mecanum轮式运动模块相连接；所述控制器5用于接收所述传感模块信号，经过数据处理以后对所述Mecanum轮式运动模块发送运动控制指令实现所述机器人本体的运动；所述可交互模块用于向控制器5发送控制指令，所述控制器5向可交互模块反馈所述机器人本体当前的状态。
进一步地，所述机器人本体包括车身总成、车架1、两个独立悬架模块2、四个轮系模块3，所述四个轮系模块3包括两个前轮系模块和两个后轮系模块，其中两个前轮系模块直接固定到车架1上，两个后轮系模块通过独立悬架模块2固定到车架1，车身总成固连到车架1上。
进一步地，所述独立悬架模块2包括连接支架2-3、角板2-4、升降螺板2-2、升降调节杆2-1、导向杆2-7、自润滑轴承2-8、弹簧轴2-10、减震弹簧2-9、导向套筒2-6和限位组件2-5；其中连接支架2-3用于连接所述车架1和所述独立悬架模块2，并且所述连接支架2-3用于固定升降螺板2-2，同时所述连接支架2-3通过U形槽连接角板2-4；所述升降调节杆2-1连接升降螺板2-2和角板2-4；所述弹簧轴2-10上部连接限位组件2-5和锁紧螺母，底部平面用于连接独立悬架模块2和轮系模块3；所述导向套筒2-6固定在角板2-4上；所述减震弹簧2-9放置在角板2-4和弹簧轴2-10之间；所述导向杆2-7固连到弹簧轴2-10底部的平面上；所述自润滑轴承2-8固连到角板2-4上。
进一步地，所述Mecanum轮式运动模块包括USB-CAN单元13和4套伺服驱动模块，所述Mecanum轮式运动模块总体采用CAN总线串接模式，4套伺服驱动模块挂载到CAN总线上，USB-CAN单元13连接CAN总线和控制器5，控制器5发送执行指令到CAN总线，伺服驱动模块执行总线控制指令做出响应；所述伺服驱动模块向控制器5发送状态数据，控制器5对所述状态数据进行处理。
进一步地，所述伺服驱动模块包括伺服驱动器、电机、码盘、减速器和Mecanum轮，所述Mecanum轮、减速器、电机和码盘依次串联连接，伺服驱动器集成到机械结构上，构成机电一体化模块，伺服驱动器接收CAN总线上发布的速度控制指令，通过控制电机实现指定的速度控制，并且结合码盘数据构成稳定的速度闭环控制。
进一步地，所述传感模块包括电源管理模块4、立体环境感知子模块和位姿估算子模块；所述电源管理模块4用于监控所述机器人本体的电池工作状况，将电池的信息通过转换器发送到所述控制器5；所述位姿估算子模块由惯性测量单元14和里程计组成，共同完成所述机器人在工作环境中的位姿推算；所述立体环境感知子模块由视觉传感器10、激光传感器9及传感器支撑11共同组成；所述视觉传感器10和激光传感器9安装于传感器支撑11，激光传感器9数据通过以太网发送到控制器5，视觉传感器10数据通过USB发送到控制器5；所述立体环境感知子模块提供统一的对外通信接口和机械安装接口。
进一步地，所述位姿估算子模块由惯性测量单元14和里程计组成，共同完成所述机器人在工作环境中的位姿推算，具体为：里程计数据由伺服驱动模块的码盘数据解算得到，由里程计数据推算得到所述机器人本体纵向和横向的直线位移，利用惯性测量单元14的旋转角位移作为所述机器人本体转动方向角位移，将惯性测量单元14和里程计数据融合得到所述机器人本体的位姿数据，里程计数据通过CAN总线发送到控制器5，惯性测量单元14通过USB发送到控制器5。
进一步地，所述电池的信息包括电池的电压、放电电流和所剩电量百分比信息，将电池的信息隔1分钟通过RS485-USB转换器发送到所述控制器5，实现对电池的工作状况进行实时监控。
进一步地，所述可交互模块包括手机终端和无线路由器6，无线路由器6构建局域网，手机终端和控制器5均连接到局域网；手机终端集成可视化操作界面APP，用于显示当前机器人本体工作状态，并且向控制器5发送控制指令，使得所述机器人本体执行规划任务；控制器5向手机终端反馈所述机器人本体当前的状态，并接收手机终端的控制指令。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：
1.本发明所述机器人具备纵向移动、横向移动和旋转运动三个自由度，可以实现在狭窄环境中的全方位运动，具备良好的环境自适应能力，可以应用到狭窄或者复杂环境的任务执行。
2.本发明采取模块化的设计思想，其中独立悬架模块、立体环境感知子模块、Mecanum轮式运动模块、伺服驱动模块、位姿估算子模块、电源管理模块都提供简单便捷的对外接口，可互换性程度高，并且方便进行维护。
3.本发明采取前独立悬架和后非独立悬架的组合悬架形式，一方面可以解决路面不平导致的车轮悬空问题，避免车轮的磨损不均匀现象；另一方面保证所述机器人的轮距和轴距不发生变化，增加其控制精度，避免出现跑偏现象；还可以提高所述机器人的平台垂直定位精度，方便搭载机械臂或传感器保证定位精度。
4.本发明的独立悬架结构属于高度可调节悬架结构，通过旋转升降调节杆可以调节角板高度，进而调节独立悬架的高度，以此来适应不同的负载条件。
5.本发明采用轻量化的设计思路，车架采用骨架结构可以有效减轻整机质量，节约空间，增加整机的强度和负载能力，而且骨架结构方便搭载其他设备。
6.本发明的传感模块采用多传感器融合的设计思路，融合里程计数据和惯性测量单元的数据可以提高机器人的位姿和定位精度，融合激光传感器和视觉传感器可以增强所述机器人对外界环境的感知能力，对于导航或任务执行可以提供充足的数据参数。
7.本发明的电源管理模块可以实时对电池的工作状况做出判断，可以在电池电量不足20％、电池放电不均匀、电池短路、电池发热等情况下及时发出报警信息，能够对电池进行很好的管理和维护。
8.本发明的可交互模块构建局域网，可以通过手机终端实现机器人任务规划、状态监控，具有简单、方便、易于操作的特点，而且避免了适用电脑终端存在的繁琐问题。
附图说明
图1是本发明的整体组成示意图；
图2是机器人总体示意图；
图3是机器人拆解结构示意图；
图4是独立悬架模块的结构示意图；
图5是轮系模块的结构示意图；
图6是Mecanum轮式运动模块的结构示意图；
图7是本发明的机器人移动范例示意图；
图8是传感模块的组成示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
结合图1、图2、图3、图4、图6、图7及图8，一种用于环境感知的模块化全方位移动机器人，包括机器人本体、Mecanum轮式运动模块、传感模块、可交互模块和控制器5；所述Mecanum轮式运动模块支撑机器人本体，且在地表面控制机器人运动。所述控制器5分别与传感模块、可交互模块和Mecanum轮式运动模块相连接；所述控制器5是一台工业控制计算机，所述控制器5用于接收所述传感模块信号，经过数据处理以后对所述Mecanum轮式运动模块发送运动控制指令实现所述机器人本体的运动；所述可交互模块用于向控制器5发送控制指令，所述控制器5向可交互模块反馈所述机器人本体当前的状态。所述可交互模块包含无线路由器6和手机终端，用于实现手机终端对于所述机器人的控制和管理。
所述机器人本体包括车身总成、车架1、两个独立悬架模块2、四个轮系模块3，所述四个轮系模块3包括两个前轮系模块和两个后轮系模块，其中两个前轮系模块直接固定到车架1上，两个后轮系模块通过独立悬架模块2固定到车架1，车身总成固连到车架1上。
所述车身总成包括操控面板7、外壳8、传感器支撑11、防撞条12，传感器支撑11布置在外壳8上边，用于安装激光传感器9和视觉传感器10，可以充分发挥激光传感器9360°测量范围的优势；操控面板7布置在外壳8的侧面，并且有15°倾角，便于操作，防撞条12布置在外壳8的前、后位置，防止机器人发生刚性碰撞。
所述车架1是由方形钢管焊接而成，用于安装轮系模块3和独立悬架模块2，是整车的骨架部分，起到整车零部件的支撑和布置作用。
所述独立悬架模块2包括连接支架2-3、角板2-4、升降螺板2-2、升降调节杆2-1、导向杆2-7、自润滑轴承2-8、弹簧轴2-10、减震弹簧2-9、导向套筒2-6和限位组件2-5；其中连接支架2-3用于连接所述车架1和所述独立悬架模块2，并且所述连接支架2-3用于固定升降螺板2-2，同时所述连接支架2-3通过U形槽连接角板2-4；所述升降调节杆2-1连接升降螺板2-2和角板2-4，用来调节角板2-4的位置高度，进而调整悬架高度；所述弹簧轴2-10上部连接限位组件2-5和锁紧螺母，用于悬架运动的上限位，底部平面用于连接独立悬架模块2和轮系模块3；弹簧轴2-10和导向套筒2-6保持滑动摩擦关系，可以实现相对轴向运动；所述导向套筒2-6固定在角板2-4上；所述减震弹簧2-9放置在角板2-4和弹簧轴2-10之间，是受压型弹簧，用于自适应地面调节轮系模块3高度，而且起到缓冲减压的功能；所述导向杆2-7固连到弹簧轴2-10底部的平面上；所述自润滑轴承2-8固连到角板2-4上；导向杆2-7固连到弹簧轴2-10底部的平面上，与固连到角板2-4上的自润滑轴承2-8之间保持滑动摩擦关系，用于防止弹簧轴2-10圆周方向转动和提高悬架总体刚度。
所述独立悬架模块2属高度可调节悬架，通过旋转升降调节杆可以调节角板高度，进而调节独立悬架的高度，以此来适应不同的负载条件；模块化设计具备很好的通用性，可以适用于多种移动设备悬架结构。
结合图5，所述轮系模块3包括麦克纳姆轮3-1、连接法兰轴3-2、车轮架3-3、电机安装板3-4和电机组件3-5，通过法兰轴3-2将麦克纳姆轮3-1和电机组件3-5连接到一起，电机组件3-5通过电机安装板3-4连接到车轮架3-3，前车轮架3-3直接固连到车架1上，后车轮架3-3连接到独立悬架模块2弹簧轴2-10。
所述控制器5主要用于对传感模块数据处理及运动控制，传感模块数据主要是对外界环境感知、所述机器人自身状态监测所获取的数据，运动控制是将所述机器人的目标行驶速度转化成每个车轮对应的转速，然后通过USB-CAN单元13发送到伺服驱动模块；运动控制是将所述机器人的目标行驶速度vx、vy和w0通过变换矩阵K解算成每个车轮对应的转速w1、w2、w3和w4，然后通过USB-CAN单元发送到伺服驱动子模块；
其中，vx是纵向速度，vy是横向速度，w0是旋转角速度；w1、w2、w3和w4是Mecanum轮转速。
所述Mecanum轮式运动模块包括USB-CAN单元13和4套伺服驱动模块，所述Mecanum轮式运动模块总体采用CAN总线串接模式，4套伺服驱动模块挂载到CAN总线上，USB-CAN单元13连接CAN总线和控制器5，控制器5发送执行指令到CAN总线，伺服驱动模块执行总线控制指令做出响应；所述伺服驱动模块向控制器5发送状态数据，控制器5对所述状态数据进行处理，可以使所述机器人具备纵向移动、横向移动和旋转运动三个自由度，可以实现在狭窄环境中的全方位运动，具备良好的环境自适应能力，可以应用到狭窄或者复杂环境的任务执行。
所述伺服驱动模块包括伺服驱动器、电机、码盘、减速器和Mecanum轮，所述Mecanum轮、减速器、电机和码盘依次串联连接，伺服驱动器集成到机械结构上，构成机电一体化模块，伺服驱动器接收CAN总线上发布的速度控制指令，通过控制电机实现指定的速度控制，并且结合码盘数据构成稳定的速度闭环控制。4个伺服驱动模块的组合运动可以实现所述机器人的全方位运动，模块化设计互换性程度高，通用性强。
所述传感模块包括电源管理模块4、立体环境感知子模块和位姿估算子模块；所述电源管理模块4用于监控所述机器人本体的电池工作状况，将电池的信息通过转换器发送到所述控制器5；所述位姿估算子模块由惯性测量单元14和里程计组成，共同完成所述机器人在工作环境中的位姿推算；所述立体环境感知子模块由视觉传感器10、激光传感器9及传感器支撑11共同组成；所述视觉传感器10和激光传感器9安装于传感器支撑11，激光传感器9数据通过以太网发送到控制器5，视觉传感器10数据通过USB发送到控制器5；所述立体环境感知子模块提供统一的对外通信接口和机械安装接口。
所述位姿估算子模块由惯性测量单元14和里程计组成，共同完成所述机器人在工作环境中的位姿推算，具体为：里程计数据由伺服驱动模块的码盘数据解算得到，由里程计数据推算得到所述机器人本体纵向和横向的直线位移，利用惯性测量单元14的旋转角位移作为所述机器人本体转动方向角位移，将惯性测量单元14和里程计数据融合得到所述机器人本体的位姿数据，里程计数据通过CAN总线发送到控制器5，惯性测量单元14通过USB发送到控制器5。
所述立体环境感知子模块由激光传感器9、视觉传感器10和传感器支撑组成，对所述机器人所处外界环境进行感知，激光传感器9采用平面360°激光传感器9，可以扫描平面70m范围内物体特征，为所述机器人地图构建和导航提供数据支持，视觉传感器10包含图像信息和红外深度信息，可以用于对人等动态目标进行识别，为机器人动态环境下导航以及可交互提供数据支持，将激光传感器9和视觉传感器10数据进行融合可以为所述机器人提供完整的环境信息数据，激光传感器9数据通过Ethernet(以太网)发送到控制器5，视觉传感器10数据通过USB发送到控制器5；采用多传感器融合策略，融合里程计数据和惯性测量单元14的数据可以提高机器人的位姿和定位精度，融合激光传感器9和视觉传感器10可以增强所述机器人对外界环境的感知能力，对于导航或任务执行可以提供充足的数据参数。
所述电池的信息包括电池的电压、放电电流和所剩电量百分比信息，将电池的信息隔1分钟通过RS485-USB转换器发送到所述控制器5，实现对电池的工作状况进行实时监控。
所述可交互模块包括手机终端和无线路由器6，无线路由器6构建局域网，手机终端和控制器5均连接到局域网；手机终端集成可视化操作界面APP，用于显示当前机器人本体工作状态，并且向控制器5发送控制指令，使得所述机器人本体执行规划任务；控制器5向手机终端反馈所述机器人本体当前的状态，并接收手机终端的控制指令。
本发明采取前独立悬架和后非独立悬架的组合悬架形式，一方面可以解决路面不平导致的车轮悬空问题，避免车轮的磨损不均匀现象；另一方面保证所述机器人的轮距和轴距不发生变化，增加其控制精度，避免出现跑偏现象；还可以提高所述机器人的平台垂直定位精度，方便搭载机械臂或传感器保证定位精度。
本发明的原理为：
可交互式系统利用手机终端APP向所述机器人发送任务执行指令和监测所述机器人状态，控制器对任务执行指令进行解析，并且通过传感模块获取的外界环境数据和所述机器人内部传感数据，对传感模块数据处理以后向Mecanum轮式运动模块发送运动控制指令，由Mecanum轮式运动模块执行运动操作，可以实现纵向、横向和旋转3自由度全方位运动。
以上对本发明所提供的一种用于环境感知的模块化全方位移动机器人，进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (9)

1.一种用于环境感知的模块化全方位移动机器人，其特征在于：包括机器人本体、Mecanum轮式运动模块、传感模块、可交互模块和控制器(5)；所述Mecanum轮式运动模块支撑机器人本体，所述控制器(5)分别与传感模块、可交互模块和Mecanum轮式运动模块相连接；所述控制器(5)用于接收所述传感模块信号，经过数据处理以后对所述Mecanum轮式运动模块发送运动控制指令实现所述机器人本体的运动；所述可交互模块用于向控制器(5)发送控制指令，所述控制器(5)向可交互模块反馈所述机器人本体当前的状态。
2.根据权利要求书1所述的机器人，其特征在于，所述机器人本体包括车身总成、车架(1)、两个独立悬架模块(2)、四个轮系模块(3)，所述四个轮系模块(3)包括两个前轮系模块和两个后轮系模块，其中两个前轮系模块直接固定到车架(1)上，两个后轮系模块通过独立悬架模块(2)固定到车架(1)，车身总成固连到车架(1)上。
3.根据权利要求书2所述的机器人，其特征在于，所述独立悬架模块(2)包括连接支架(2-3)、角板(2-4)、升降螺板(2-2)、升降调节杆(2-1)、导向杆(2-7)、自润滑轴承(2-8)、弹簧轴(2-10)、减震弹簧(2-9)、导向套筒(2-6)和限位组件(2-5)；其中连接支架(2-3)用于连接所述车架(1)和所述独立悬架模块(2)，并且所述连接支架(2-3)用于固定升降螺板(2-2)，同时所述连接支架(2-3)通过U形槽连接角板(2-4)；所述升降调节杆(2-1)连接升降螺板(2-2)和角板(2-4)；所述弹簧轴(2-10)上部连接限位组件(2-5)和锁紧螺母，底部平面用于连接独立悬架模块(2)和轮系模块(3)；所述导向套筒(2-6)固定在角板(2-4)上；所述减震弹簧(2-9)放置在角板(2-4)和弹簧轴(2-10)之间；所述导向杆(2-7)固连到弹簧轴(2-10)底部的平面上；所述自润滑轴承(2-8)固连到角板(2-4)上。
4.根据权利要求书1所述的机器人，其特征在于，所述Mecanum轮式运动模块包括USB-CAN单元(13)和4套伺服驱动模块，所述Mecanum轮式运动模块总体采用CAN总线串接模式，4套伺服驱动模块挂载到CAN总线上，USB-CAN单元(13)连接CAN总线和控制器(5)，控制器(5)发送执行指令到CAN总线，伺服驱动模块执行总线控制指令做出响应；所述伺服驱动模块向控制器(5)发送状态数据，控制器(5)对所述状态数据进行处理。
5.根据权利要求书4所述的机器人，其特征在于，所述伺服驱动模块包括伺服驱动器、电机、码盘、减速器和Mecanum轮，所述Mecanum轮、减速器、电机和码盘依次串联连接，伺服驱动器集成到机械结构上，构成机电一体化模块，伺服驱动器接收CAN总线上发布的速度控制指令，通过控制电机实现指定的速度控制，并且结合码盘数据构成稳定的速度闭环控制。
6.根据权利要求书1所述的机器人，其特征在于，所述传感模块包括电源管理模块(4)、立体环境感知子模块和位姿估算子模块；所述电源管理模块(4)用于监控所述机器人本体的电池工作状况，将电池的信息通过转换器发送到所述控制器(5)；所述位姿估算子模块由惯性测量单元(14)和里程计组成，共同完成所述机器人在工作环境中的位姿推算；所述立体环境感知子模块由视觉传感器(10)、激光传感器(9)及传感器支撑(11)共同组成；所述视觉传感器(10)和激光传感器(9)安装于传感器支撑(11)，激光传感器(9)数据通过以太网发送到控制器(5)，视觉传感器(10)数据通过USB发送到控制器(5)；所述立体环境感知子模块提供统一的对外通信接口和机械安装接口。
7.根据权利要求书6所述的机器人，其特征在于，所述位姿估算子模块由惯性测量单元(14)和里程计组成，共同完成所述机器人在工作环境中的位姿推算，具体为：里程计数据由伺服驱动模块的码盘数据解算得到，由里程计数据推算得到所述机器人本体纵向和横向的直线位移，利用惯性测量单元(14)的旋转角位移作为所述机器人本体转动方向角位移，将惯性测量单元(14)和里程计数据融合得到所述机器人本体的位姿数据，里程计数据通过CAN总线发送到控制器(5)，惯性测量单元(14)通过USB发送到控制器(5)。
8.根据权利要求书6所述的机器人，其特征在于，所述电池的信息包括电池的电压、放电电流和所剩电量百分比信息，将电池的信息隔1分钟通过RS485-USB转换器发送到所述控制器(5)，实现对电池的工作状况进行实时监控。
9.根据权利要求书1所述的机器人，其特征在于，所述可交互模块包括手机终端和无线路由器(6)，无线路由器(6)构建局域网，手机终端和控制器(5)均连接到局域网；手机终端集成可视化操作界面APP，用于显示当前机器人本体工作状态，并且向控制器(5)发送控制指令，使得所述机器人本体执行规划任务；控制器(5)向手机终端反馈所述机器人本体当前的状态，并接收手机终端的控制指令。
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