CN109263754A - 轮系自适应调节的麦克纳姆轮全方位移动小车及其方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种轮系自适应调节的麦克纳姆轮全方位移动小车及其方法。车身框架四角均安装有麦克纳姆轮轮系，三个轮系均固定，一个轮系通过轮系自适应调节机构固定于车身框架底部；麦克纳姆轮轮系包括轮系固定板以及辅助带座轴承、主动带座轴承和电机座；轮系自适应调节机构包括压力传感器、三根光轴以及螺杆和阶梯轴组合、小齿轮、从动同步带轮、大齿轮；通过轮系自适应调节机构自适应控制调节一个轮系，进而控制四个麦克纳姆轮轮系与地面的四个接触点处于同一平面。本发明能实时及时控制机器人小车底部全向移动的四个麦克纳姆轮同时着地，调整四个麦克纳姆轮的受力均匀，避免打滑、空转等现象，使得运动与预期一致，实现精准移动。

Description

轮系自适应调节的麦克纳姆轮全方位移动小车及其方法
技术领域
本发明涉及一种麦克纳姆轮全方位移动小车，尤其是一种轮系自适应调节的麦克纳姆轮全方位移动小车及其方法。
背景技术
现有情况下，多数物流仓储机器人需要负载货架并移动工作区域，最终通过人来完成分拣货物的工作，工作效率不高。若通过机械臂来分拣货物，则一般需要将机械臂安装在固定工位，当生产线或者仓库环境发生调整，就需要重新规划机械臂的工位，生产周期较长。
同时，机器人全向移动的实现较多采用四个麦克纳姆轮组合的形式，但是由于三点确定一个平面，四点就处于过约束。所以四轮的形式会存在受到压力不均的情况，也就是受到的地面摩擦力不同，会导致打滑甚至空转的严重现象，使得机器人的运动与预期不一致，无法实现精准移动。
机器人是移动小车的情况下，一般可以采用弹簧等类型减震器的形式保证四个轮子的受力均匀性。但是如果移动小车上搭载有机械臂，那么减震器产生的车身晃动会大大降低机械臂的执行精度，导致机械臂的功能失效。
发明内容
为解决背景技术中存在的问题，本发明提供了一种轮系自适应调节的麦克纳姆轮全方位移动小车及其方法。
本发明采用的技术方案是：
一、一种轮系自适应调节的麦克纳姆轮全方位移动小车：
移动小车主体为车身框架，车身框架四角均安装有麦克纳姆轮轮系，其中三角的三个麦克纳姆轮轮系均固定于车身框架底部，另角的一个麦克纳姆轮轮系通过轮系自适应调节机构固定于车身框架底部；麦克纳姆轮轮系包括轮系固定板以及安装于轮系固定板上设有的辅助带座轴承、主动带座轴承和电机座，麦克纳姆轮轮系通过轮系固定板和车身框架配合安装，轮系固定板中部开设通槽，通槽内安装麦克纳姆轮，麦克纳姆轮两端的辅助法兰轴、主动法兰轴分别通过辅助带座轴承、主动带座轴承配合安装在通槽两侧，实现支承和定位；直流无刷减速电机通过电机座固定在轮系固定板侧部，直流无刷减速电机的输出轴经联轴器和主动法兰轴固连。
轮系自适应调节机构包括调节机构固定板，调节机构固定板的底部四角通过各自的压力传感器和车身框架固连，压力传感器实际测拉力也是压力，调节机构固定板靠近四角处分别设有三个直线轴承座和法兰轴承座组，三个直线轴承座中套装有竖直布置的光轴，法兰轴承座组包括两个法兰轴承座，两个法兰轴承座分别安装有螺杆和阶梯轴，螺杆、三根光轴向下通过光轴固定座的定位锁紧和麦克纳姆轮轮系的轮系固定板固定连接；阶梯轴上同轴固定套装有小齿轮和从动同步带轮，螺杆上通过内螺纹阶梯轴同轴固定套装有大齿轮，大齿轮和小齿轮啮合连接，调节电机通过电机固定板和双通螺柱固定在调节机构固定板上，调节电机的电机轴上同轴固定套装有主动同步带轮，同步带张紧安装在主动同步带轮和从动同步带轮之间。
所述的光轴上端和直线轴承座轴向活动配合，光轴和螺杆的下端均与光轴固定座固定连接配合，螺杆和法兰轴承座之间通过螺纹活动连接，阶梯轴和法兰轴承座之间活动铰接。
所述的车身框架上固定有主控板，主控板连接四个压力传感器和调节电机。
二、一种麦克纳姆轮全方位移动小车的轮系自适应调节方法：
采用上述小车结构，在四个麦克纳姆轮轮系由于零件的加工精度或者实际装配误差导致过约束的情况其轮系与地面的四个接触点不在同一平面的情况下，通过轮系自适应调节机构自适应控制调节一个麦克纳姆轮轮系作为可调节轮系，进而控制四个麦克纳姆轮轮系与地面的四个接触点处于同一平面，控制算法为：
首先，移动小车通过压力传感器测量轮系所承受的实际压力Fr，设置预期压力Fi为移动小车总重量M的四分之一计算预期压力Fi和实际压力Fr二者的压力差值ΔF＝Fr-Fi；利用压力差值ΔF采用以下公式计算电机预期所转圈数Ci：
其中，Cr表示调节电机实际转动圈数，f(ΔF)表示压力差值函数，S表示螺杆的导程，d表示移动小车上从三轮三点支撑到四轮四点支撑的转换微调距离；
接着，通过调节电机实时的实际转动圈数Cr结合电机预期所转圈数Ci计算圈数差值ΔC＝Cr-Ci，将圈数差值ΔC通过计算转换为电机速度参考值，将电机速度参考值结合调节电机实时的实际电机速度作差计算获得速度差值；
然后，将速度差值通过计算转换为参考电流值，将参考电流值结合调节电机实时的实际电流作相减计算获得控制速度值，控制速度值转换为电流控制量输入到调节电机中进行控制。
所述的转换微调距离d具体选取过程为：
当移动小车的可调节轮系受到的实际压力为0，另外三个轮系受到的实际压力为此时移动小车所处的状态称为三轮三点支撑方式，具体表现为若使可调节轮系向下微调，则可调轮系受到的实际压力会逐渐增大，其余三个轮系受到的实际压力会逐渐减小，此时可调节轮系处于三轮三点支撑方式下轮心到地面的高度为h0；再可调节轮系向下调节直至四个轮系受到的实际压力相等，均为此时移动小车所处的状态称为四轮四点支撑方式，记此时可调节轮系处于四轮四点支撑方式下轮心到地面的高度为h1，则计算转换微调距离d＝h0-h1。
本发明的有益效果是：
本发明能实时及时控制机器人小车底部全向移动的四个麦克纳姆轮同时着地，调整四个麦克纳姆轮的受力均匀，避免打滑、空转等现象，使得运动与预期一致，实现精准移动。同时可以将移动小车作为平台，设置机械臂，保证机械臂的执行精度，综合二者的优点实现移动抓取的功能。本发明解决了麦克纳姆轮全方位移动小车由于轮子不同时着地、受力不均和机械臂由于减震器导致移动小车车身晃动而带来的技术问题。
附图说明
图1为本发明实施例中移动小车的轮式移动机构结构图；
图2为本发明实施例中移动小车的麦克纳姆轮轮系结构图；
图3为本发明实施例中移动小车的轮系自适应调节机构图；
图4为本发明实施例中移动小车的轮系自适应调节控制算法框图。
图5为本发明实施例中移动小车搭载机械臂的结构图。
图中，1-车身框架；2-主控板；31-轮系固定板；32-辅助带座轴承；33-辅助法兰轴；34-主动法兰轴；35-联轴器；36-直流无刷减速电机；37-电机座；38-主动带座轴承；39-麦克纳姆轮；401-调节机构固定板；402-调节电机；403-压力传感器；404-光轴固定座；405-光轴；406-直线轴承座；407-法兰轴承座；408-大齿轮；409-内螺纹阶梯轴；410-螺杆；411-小齿轮；412-阶梯轴；413-从动同步带轮；414-同步带；415-主动同步带轮；416-电机固定板；417-双通螺柱。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步详细的说明。
如图1所示，具体实施的移动小车主体为车身框架1，车身框架1四角均安装有麦克纳姆轮轮系，其中三角的三个麦克纳姆轮轮系均固定于车身框架1底部，另角的一个麦克纳姆轮轮系通过轮系自适应调节机构固定于车身框架1底部。
如图2所示，麦克纳姆轮轮系包括轮系固定板31以及安装于轮系固定板31上设有的辅助带座轴承32、主动带座轴承38和电机座37，麦克纳姆轮轮系通过轮系固定板31和车身框架1配合安装，轮系固定板31中部开设通槽，通槽内安装麦克纳姆轮，麦克纳姆轮39两端的辅助法兰轴33、主动法兰轴34分别通过辅助带座轴承32、主动带座轴承38配合安装在通槽两侧，实现支承和定位；直流无刷减速电机36通过电机座37固定在轮系固定板31侧部，直流无刷减速电机36的输出轴经联轴器35和主动法兰轴34固连，从而直流无刷减速电机36运行带动麦克纳姆轮旋转进行运动的传递。
如图3所示，轮系自适应调节机构包括调节机构固定板401，调节机构固定板401的底部四角通过各自的压力传感器403和车身框架1固连，调节机构固定板401靠近四角处分别设有三个直线轴承座406和法兰轴承座组，三个直线轴承座406中套装有竖直布置的光轴406，法兰轴承座组包括两个法兰轴承座407，两个法兰轴承座407分别安装有螺杆410和阶梯轴412，螺杆410、三根光轴405向下通过光轴固定座404的定位锁紧和麦克纳姆轮轮系的轮系固定板31固定连接；阶梯轴412上同轴固定套装有小齿轮411和从动同步带轮413，螺杆410上通过内螺纹阶梯轴409同轴固定套装有大齿轮408，大齿轮408和小齿轮411啮合连接，调节电机402通过电机固定板416和双通螺柱417固定在调节机构固定板401上，调节电机402的电机轴上同轴固定套装有主动同步带轮415，同步带414张紧安装在主动同步带轮415和从动同步带轮413之间。
光轴406上端和直线轴承座406轴向活动配合，光轴406和螺杆410的下端均与光轴固定座404固定连接配合，螺杆410和法兰轴承座407之间通过螺纹活动连接，阶梯轴412和法兰轴承座407之间活动铰接。
车身框架1上固定有主控板2，主控板2连接四个压力传感器和调节电机402。主控板2用来接收和处理传感器数据，进行电机控制。
本发明的具体实施工作过程如下：
机器人是移动小车的情况下，一般可以采用弹簧等类型减震器的形式保证四个轮子的受力均匀性。但是如果移动小车上搭载有机械臂，那么移动小车的减震器产生的车身晃动会大大降低机械臂的执行精度，导致机械臂的功能失效。
在四个麦克纳姆轮轮系由于零件的加工精度或者实际装配误差导致过约束的情况其轮系与地面的四个接触点不在同一平面的情况下，通过轮系自适应调节机构自适应控制调节一个麦克纳姆轮轮系，进而控制四个麦克纳姆轮轮系与地面的四个接触点处于同一平面。控制过程具体为：
首先，移动小车通过压力传感器403测量轮系所承受的实际压力Fr，设置预期压力Fi为移动小车总重量M的四分之一计算预期压力Fi和实际压力Fr二者的压力差值ΔF＝Fr-Fi；利用压力差值ΔF采用以下公式计算电机预期所转圈数Ci：
其中，Cr表示调节电机实际转动圈数，f(ΔF)表示压力差值函数，S表示螺杆410的导程，d表示移动小车上从三轮三点支撑到四轮四点支撑的转换微调距离，三轮三点支撑是指除了轮系自适应调节机构控制调节的一个麦克纳姆轮轮系以外的其他三个麦克纳姆轮轮系共同支撑小车的情况，四轮四点支撑是指四个麦克纳姆轮轮系共同支撑小车的情况，实际为移动小车上通过轮系自适应调节机构安装装配后的麦克纳姆轮轮系的轴心到其他三个麦克纳姆轮轮系的轴心所构成平面之间的距离。
转换微调距离d具体选取为：当移动小车的可调节轮系受到的实际压力为0，另外三个轮系受到的实际压力为此时移动小车所处的状态称为三轮三点支撑方式，具体表现为若使可调节轮系向下微调，则可调轮系受到的实际压力会逐渐增大，其余三个轮系受到的实际压力会逐渐减小，此时可调节轮系处于三轮三点支撑方式下轮心到地面的高度为h0；再可调节轮系向下调节直至四个轮系受到的实际压力相等，均为此时移动小车所处的状态称为四轮四点支撑方式，记此时可调节轮系处于四轮四点支撑方式下轮心到地面的高度为h1，则计算转换微调距离d＝h0-h1。
接着，通过调节电机402实时的实际转动圈数Cr结合电机预期所转圈数Ci计算圈数差值ΔC＝Cr-Ci，将圈数差值ΔC通过计算转换为电机速度参考值，将电机速度参考值结合调节电机402实时的实际电机速度作差计算获得速度差值；
然后，将速度差值通过计算转换为参考电流值，将参考电流值结合调节电机402实时的实际电流作相减计算获得控制速度值，控制速度值转换为电流控制量输入到调节电机402中进行控制。
由此通过上述方法形成闭环控制，使轮系能够准确地进行上下微调，进而保证移动小车的四个轮系受到的压力相同、处于同一平面上，其运动能够满足预期要求。

Claims (5)

1.一种轮系自适应调节的麦克纳姆轮全方位移动小车，其特征在于：移动小车主体为车身框架(1)，车身框架(1)四角均安装有麦克纳姆轮轮系，其中三角的三个麦克纳姆轮轮系均固定于车身框架(1)底部，另角的一个麦克纳姆轮轮系通过轮系自适应调节机构固定于车身框架(1)底部；麦克纳姆轮轮系包括轮系固定板(31)以及安装于轮系固定板(31)上设有的辅助带座轴承(32)、主动带座轴承(38)和电机座(37)，麦克纳姆轮轮系通过轮系固定板(31)和车身框架(1)配合安装，轮系固定板(31)中部开设通槽，通槽内安装麦克纳姆轮，麦克纳姆轮(39)两端的辅助法兰轴(33)、主动法兰轴(34)分别通过辅助带座轴承(32)、主动带座轴承(38)配合安装在通槽两侧，实现支承和定位；直流无刷减速电机(36)通过电机座(37)固定在轮系固定板(31)侧部，直流无刷减速电机(36)的输出轴经联轴器(35)和主动法兰轴(34)固连；
轮系自适应调节机构包括调节机构固定板(401)，调节机构固定板(401)的底部四角通过各自的压力传感器(403)和车身框架(1)固连，调节机构固定板(401)靠近四角处分别设有三个直线轴承座(406)和法兰轴承座组，三个直线轴承座(406)中套装有竖直布置的光轴(406)，法兰轴承座组包括两个法兰轴承座(407)，两个法兰轴承座(407)分别安装有螺杆(410)和阶梯轴(412)，螺杆(410)、三根光轴(405)向下通过光轴固定座(404)的定位锁紧和麦克纳姆轮轮系的轮系固定板(31)固定连接；阶梯轴(412)上同轴固定套装有小齿轮(411)和从动同步带轮(413)，螺杆(410)上通过内螺纹阶梯轴(409)同轴固定套装有大齿轮(408)，大齿轮(408)和小齿轮(411)啮合连接，调节电机(402)通过电机固定板(416)和双通螺柱(417)固定在调节机构固定板(401)上，调节电机(402)的电机轴上同轴固定套装有主动同步带轮(415)，同步带(414)张紧安装在主动同步带轮(415)和从动同步带轮(413)之间。
2.根据权利要求1所述的一种轮系自适应调节的麦克纳姆轮全方位移动小车，其特征在于：所述的光轴(406)上端和直线轴承座(406)轴向活动配合，光轴(406)和螺杆(410)的下端均与光轴固定座(404)固定连接配合，螺杆(410)和法兰轴承座(407)之间通过螺纹活动连接，阶梯轴(412)和法兰轴承座(407)之间活动铰接。
3.根据权利要求1所述的一种轮系自适应调节的麦克纳姆轮全方位移动小车，其特征在于：所述的车身框架(1)上固定有主控板(2)，主控板(2)连接四个压力传感器和调节电机(402)。
4.一种麦克纳姆轮全方位移动小车的轮系自适应调节方法，其特征在于：采用权利要求1-3任一所述的小车，在四个麦克纳姆轮轮系由于零件的加工精度或者实际装配误差导致过约束的情况其轮系与地面的四个接触点不在同一平面的情况下，通过轮系自适应调节机构自适应控制调节一个麦克纳姆轮轮系作为可调节轮系，进而控制四个麦克纳姆轮轮系与地面的四个接触点处于同一平面，控制算法为：
首先，移动小车通过压力传感器(403)测量轮系所承受的实际压力Fr，设置预期压力Fi为移动小车总重量M的四分之一计算预期压力Fi和实际压力Fr二者的压力差值ΔF＝Fr-Fi；利用压力差值ΔF采用以下公式计算电机预期所转圈数Ci：
其中，Cr表示调节电机实际转动圈数，f(ΔF)表示压力差值函数，S表示螺杆(410)的导程，d表示移动小车上从三轮三点支撑到四轮四点支撑的转换微调距离；
接着，通过调节电机(402)实时的实际转动圈数Cr结合电机预期所转圈数Ci计算圈数差值ΔC＝Cr-Ci，将圈数差值ΔC通过计算转换为电机速度参考值，将电机速度参考值结合调节电机(402)实时的实际电机速度作差计算获得速度差值；
然后，将速度差值通过计算转换为参考电流值，将参考电流值结合调节电机(402)实时的实际电流作相减计算获得控制速度值，控制速度值转换为电流控制量输入到调节电机(402)中进行控制。
5.根据权利要求1所述的一种麦克纳姆轮全方位移动小车的轮系自适应调节方法，其特征在于：
所述的转换微调距离d具体选取过程为：
当移动小车的可调节轮系受到的实际压力为0，另外三个轮系受到的实际压力为此时移动小车所处的状态称为三轮三点支撑方式，具体表现为若使可调节轮系向下微调，则可调轮系受到的实际压力会逐渐增大，其余三个轮系受到的实际压力会逐渐减小，此时可调节轮系处于三轮三点支撑方式下轮心到地面的高度为h0；再可调节轮系向下调节直至四个轮系受到的实际压力相等，均为此时移动小车所处的状态称为四轮四点支撑方式，记此时可调节轮系处于四轮四点支撑方式下轮心到地面的高度为h1，则计算转换微调距离d＝h0-h1。
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