CN109263756A - 基于两个轮毂电机的全向轮式agv机器人及其运行方式 - Google Patents

Abstract

本发明基于两个轮毂电机的全向轮式AGV机器人及其运行方式，涉及电动车辆上控制设备的配置，该机器人由车架、轮组和电子控制系统构成，其中，车架包括车架本体和四个万向从动轮，轮组包括D型轴、四齿耙形支架和两个直流无刷轮毂电机，电子控制系统包括主控制核心模块、电磁离合器、角度传感器、直流无刷电机控制器和电池组，其中控制核心模块上集成有控制芯片、电子罗盘和继电器，其运行方式是用主控制核心模块对两个轮毂电机进行快速控制，同时控制电磁离合器的离与合，控制轮组相对于车架的角度，从而实现AGV机器人的全向移动，本发明克服了现有技术的麦克纳姆轮式AGV小车存在侧向滑移、成本高昂、路面适应能力差和负载能力差的缺陷。

Description

基于两个轮毂电机的全向轮式AGV机器人及其运行方式

技术领域

本发明的技术方案涉及电动车辆上控制设备的配置，具体地说是基于两个轮毂电机的全向轮式AGV机器人及其运行方式。

背景技术

当前，物流行业规模正在以每年40％的速度快速增长，是典型的劳动密集型行业。传统的物流行业严重依赖于人力，但近些年随着电商企业迅速崛起，一些电商开始投入巨资自建高科技物流系统，物流机器人技术得以迅速崛起。早先的物流机器人是采用传统电机结构，例如，CN206590458U公开了一种物流机器人，采用传统电机结构，需要复杂的传动系统。随着物流机器人技术的进一步发展，现有技术研发出了轮毂电机为动力的轮式AGV机器人，由于其分布式的驱动方式，完全可以取代早先的物流机器人冗杂的传动系统。

CN205880660U公开了一种采用轮毂电机的驱动的AGV小车，采用轮毂电机差速转向，其存在受限于传统的车体结构，无法实现原地转向，车体只能全向平移灵活性受限的缺陷。CN107140029A公开了一种基于麦克纳姆轮的消防机器人底盘和CN106741299A公开了一种基于麦克纳姆轮的物流机器人车身结构，两者在麦克纳姆轮本身结构上均存在以下缺陷：1)从麦克纳姆轮周边轮轴的设计来看，根本不适合大载重或颠簸，如果使用高强度钢材制造的轮轴骨架和优质的轴承，则必然会大大增加生产成本；2)轮子的结构决定它不能使用在一般环境，诸如毛发，胶质，灰尘沙粒等，周边轮轴很容易被卡住，当周边轮被卡住力矢量的方向就会发生改变从而出现出轨异常；3)麦克拉姆轮在AGV运行过程中急停时的惯性冲击会让AGV瞬间变向，由于是四轮驱动配置，还需要为适应路面的不平设计双滑动轴浮动支撑机构以使四轮同时触地，此机构中的两个矩形弹簧在不同压力下实现上下浮动，而横向布置的两对导向轴、轴承实现上下滑动导向，又会增加生产成本。CN106394715A公开了一种全向移动轮式机器人平台及控制方法,采用三个电机控制三个麦克纳姆轮作为主动轮，其存在路面适应能力差和负载能力差的缺陷。CN106114898B公开了一种电控式滑撬直升机自动移库装置,所述凹形平台底部的四个角均安装有所述麦克纳姆轮，其存在成本高昂、路面适应能力差的缺陷

总之，现有技术的麦克纳姆轮式AGV小车存在侧向滑移、成本高昂、路面适应能力差和负载能力差的缺陷。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供基于两个轮毂电机的全向轮式AGV机器人及其运行方式，选用轮毂电机简化传动结构，用主控制核心模块对两个轮毂电机进行快速控制，同时控制电磁离合器的离与合，控制轮组相对于车架的角度，从而实现AGV机器人的全向移动，克服了现有技术的麦克纳姆轮式AGV小车存在侧向滑移、成本高昂、路面适应能力差和负载能力差的缺陷。

本发明解决该技术问题所采用的技术方案是：基于两个轮毂电机的全向轮式AGV机器人，由车架、轮组和电子控制系统构成，其中，车架包括车架本体和四个万向从动轮，轮组包括D型轴、四齿耙形支架和两个直流无刷轮毂电机，电子控制系统包括主控制核心模块、电磁离合器、角度传感器、直流无刷电机控制器和电池组，其中控制核心模块上集成有控制芯片、电子罗盘和继电器；上述部件的连接方式是：车架部分的车架本体设置为上、中、下三层，车架本体的上层和中层的架体中间各设置有一个轴承座，四个万向从动轮作为左右前轮和左右后轮分别固定安置在车架本体下层下面的四角，轮组部分的上部为D型轴，下部为四齿耙形支架，轮组的上部的D型轴部分穿过车架本体的上层和中层的轴承座安装在车架本体上，两个直流无刷轮毂电机分别固定安置在D型轴的下部的四齿耙形支架的两边的耙齿中，轮组能够相对于车架本体做自由旋转，控制核心模块安置在车架本体的中层，电磁离合器中的外部定子固定安装在车架本体的架体中层设置的一个轴承座的上方处，角度传感器中的外部定子固定安装在车架本体的架体上层设置的一个轴承座的上方处，电磁离合器通过自身上的D型缺口固定在D型轴中部，同时使电磁离合器的转子与定子的工作部接触，角度传感器中的内部转子固定安装在轮组的上部的D型轴顶部，电磁离合器中的转子和角度传感器中的内部转子均能够随D型轴自由旋转，直流无刷电机控制器安置在轮组四齿耙形支架的中间的耙齿中，电池组安置在车架本体的控制核心模块旁边，电子控制系统中的控制核心模块、电磁离合器、角度传感器、直流无刷电机控制器与电池组之间通过控制电路连接，直流无刷电机控制器与直流无刷轮毂电机通过导线连接。

上述基于两个轮毂电机的全向轮式AGV机器人，所述控制核心模块中选用的控制芯片为意法半导体公司推出的STM32F407ZET6单片机。

上述基于两个轮毂电机的全向轮式AGV机器人，所述控制核心模块中选用的电子罗盘的型号为霍尼韦尔HMC5883L。

上述基于两个轮毂电机的全向轮式AGV机器人，所述电磁离合器为24V电磁离合器，为磁粉式电磁离合器。

上述基于两个轮毂电机的全向轮式AGV机器人的运行方式，其程序流程如下：

两个轮毂电机的全向轮式AGV机器人中的控制核心模块通过上位机指令和系统初始化，进入选择运行模式如下：

全向平移模式：断开电磁离合器供电，轮组中的D型轴与车架本体分离，此时控制芯片读取角度传感器电压，判断轮组与车身相对角度，之后通过双轮同速反向转动控制轮组相对于车身角度，达到控制目标后接通电磁离合器供电，轮组D型轴与车架接合，读取电子罗盘读数，记为A，此时为传统轮式AGV结构，轮组带动车身前进、后退、左转、右转或原地转向，运行时AGV机器人航向由车载的电子罗盘测得，控制核心模块每10ms读取一次电子罗盘传感器读数，并与A比较，通过PI算法控制两个直流无刷轮毂电机转速对车辆航向进行一次修正，轮组带动车身前进、后退、左转、右转、原地转向或全向平移；

正常运行模式：接通电磁离合器供电，轮组中的D型轴与车架本体接合，读取电子罗盘读数，记为A，运行时AGV机器人航向由车载的电子罗盘测得，控制核心模块每10ms读取一次电子罗盘读数，并与A比较，通过PI算法控制两个直流无刷轮毂电机转速对车辆航向进行一次修正，轮组带动车身前进、后退、左转、右转、原地转向或全向平移；

当电磁离合器锁定D型轴时，左中轮正转右中轮反转且二轮转速相同,平台原地转向；当电磁离合器锁定D型轴时，左中轮正转右中轮正转且二轮转速相同,平台正向向前运动；当电磁离合器锁定D型轴时，左中轮正转右中轮反转且二轮转速不同,平台会向左或向右转向；当电磁离合器解锁D型轴时，左中轮正转右中轮反转且二轮转速相同,轮组原地转向，车架本体保持静止，即改变轮组相对于车架本体的位置；当角度传感器角度达到要求后锁定D型轴，同时左右中轮同向同速转动，从而实现任意方向的平移；当不满足上述几种控制方式时,AGV机器人移动平台通过轮组产生的其他方向的合力和扭矩,使AGV机器人平台能够实现沿其他方向运动或转弯运动。

上述基于两个轮毂电机的全向轮式AGV机器人的运行方式，所述PID算法是本技术领域的公知技术。

本发明的有益效果是：与现有技术相比，本发明具有的突出的实质性特点和显著进步如下：

(1)本发明基于两个轮毂电机的全向轮式AGV机器人中的电子罗盘集成在控制核心上，控制核心模块安置在车架本体的中层，为AGV机器人运行提供一个绝对方向，从而控制AGV平台航向，其输出角度数值为0度到360。电子罗盘通过I2S总线与控制核心模块中的控制芯片连接。在控制芯片接收到控制信号后，先采集十次数据，去掉最高和最低值之后8次数据求平均值，此数值即为方向控制目标，结合PID算法即可实现双轮同步运行

(2)本发明基于两个轮毂电机的全向轮式AGV机器人通过增加自由度的方式提高AGV机器人运行的灵活性，采用轮组与车架本体分离的设计，电磁离合器的转子以及角度传感器的转子均固定在D型轴上，电磁离合器的定子和角度传感器的定子均固定在车架本体上，使二者转子可以随D型轴自由旋转。继电器为常开状态，当继电器控制端口为低时，继电器吸合，24V电源接通，电磁离合器的转子与定子接合，轮组相对于车架本体位置锁定；当继电器控制端口为高时，24V电源断开，电磁离合器的定子与转子分离，轮组相对于车架本体位置解锁，轮组差速转动，控制轮组改变相对于车架本体的角度，角度传感器的定子和转子的相对位置改变，从而改变角度传感器输出电压，控制核心模块ADC输入接口将输入电压转化为数值进行判断，当角度达到目标后停止，由于电池组以及控制核心模块安装在车架本体上，作为驱动装置的直流无刷电机控制器安装在轮组上，电子控制系统中的控制核心模块和直流无刷电机控制器与电池组之间通过导线连接，为了防止发生导线线路缠绕，轮组相对于车架本体旋转角度由程序限定为180度，如需要转动的角度超过180度，则由轮组反转达到此目的。

(3)本发明基于两个轮毂电机的全向轮式AGV机器人中的直流无刷轮毂电机数量为二个，从动万向轮数量为四个，两个直流无刷轮毂电机组成的轮组通过D型轴以及轴座与车架本体连接，当电磁离合器接合时轮组车架本体相对角度不变，轮组带动车架运动，当电磁离合器分离时通过控制两个轮毂电机转速，在保持架体姿态不变的情况下改变轮组相对于车架本体的角度，再次使电磁离合器接合即实现AGV机器人的全方向平移。

(4)为了使本发明基于两个轮毂电机的全向轮式AGV机器人适用于重载场合，驱动轮采用传统轮式结构，选用轮毂电机大大简化了传动结构，同时传统轮式结构也能够更好地适应诸如毛发、胶质、灰尘沙粒存在的复杂环境。

(5)本发明基于两个轮毂电机的全向轮式AGV机器人的运行方式，具有适应性强；鲁棒性强，其控制品质对被控对象的变化不太敏感，非常适用于环境恶劣的工业生产现场的特点。

(6)本发明基于两个轮毂电机的全向轮式AGV机器人中，控制核心模块中的控制芯片为STM32F407ZET6单片机，该单片机自带12位ADC输入，使角度精度可达0.1度以上；控制核心模块中的电子罗盘的型号为霍尼韦尔HMC5883L，为带有数字接口的弱磁传感器芯片，应用于低成本罗盘和磁场检测领域，其包括最先进的高分辨率HMC118X系列磁阻传感器，并附带霍尼韦尔专利的集成电路包括放大器、自动消磁驱动器、偏差校准、能使罗盘精度控制在1°～2°的12位模数转换器，简易的I2C系列总线接口，符合RoHS标准传感器能在强磁场环境中罗盘航向精度达到1°～2°，其主要功能为控制车身航向，能够进行罗盘航向、硬磁、软磁以及自动校准，能应用于个人导航系统，由公式即得到车身航向角，其中y、x为传感器x轴y轴读数。

(7)本发明基于两个轮毂电机的全向轮式AGV机器人中的角度传感器的主要功能为读取轮组相对于车架本体相对角度，所选用的角度传感器为精密线性电阻角度传感器，轮组转动带动该角度传感器定子转动，从而改变该角度传感器本身阻值，进而改变其输出电压。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1为本发明基于两个轮毂电机的全向轮式AGV机器人的整体构成示意图。

图2为本发明基于两个轮毂电机的全向轮式AGV机器人的运行方式的主要程序流程示意图。

图中，1.D型轴，2.车架本体，2-1.车架本体的上层架体中间的轴承座，2-2.车架本体的中层架体中间的轴承座，3.万向从动轮，4.直流无刷轮毂电机，5.电磁离合器，6.角度传感器，7.控制核心模块，8.直流无刷电机控制器，9.四齿耙形支架,10.电池组。

具体实施方式

图1所示实施例表明，本发明基于两个轮毂电机的全向轮式AGV机器人的整体构成包括，D型轴1、车架本体2、车架本体2的上层架体中间的轴承座2-1、车架本体2的中层架体中间的轴承座2-2、四个万向从动轮3、二个直流无刷轮毂电机4、电磁离合器5、角度传感器6、控制核心模块7、直流无刷电机控制器8、四齿耙形支架9和电池组10。

图2所示实施例表明，本发明基于两个轮毂电机的全向轮式AGV机器人的运行方式的主要程序流程是：两个轮毂电机的全向轮式AGV机器人中的控制核心模块通过上位机指令→系统初始化→选择运行模式→(全向平移模式)断开电磁离合器供电，轮组中的D型轴与车架分离→读取角度传感器电压，判断轮组与车身相对角度，确定轮组的转向方向→左转或右转→接通电磁离合器供电，轮组D型轴与车架接合，读取电子罗盘读数，记为A→10ms读取一次电子罗盘读数，并与A比较，确定车体的运行方向→直行、左转或右转；两个轮毂电机的全向轮式AGV机器人中的控制核心模块通过上位机指令→系统初始化→选择运行模式→(正常运行模式)接通电磁离合器供电，轮组中的D型轴与车架接合，读取电子罗盘读数，记为A→10ms读取一次电子罗盘读数，并与A比较，确定车体的运行方向→直行、左转或右转。

车身的后退、原地转向或全向平移的程序在此图中未显示。

实施例1

本实施例的基于两个轮毂电机的全向轮式AGV机器人，由车架、轮组和电子控制系统构成，其中，车架包括车架本体2和四个万向从动轮3，轮组包括D型轴1、四齿耙形支架9和两个直流无刷轮毂电机4，电子控制系统包括控制核心模块7、电磁离合器5、角度传感器6、直流无刷电机控制器8和电池组10，其中控制核心模块7上集成有控制芯片、电子罗盘和继电器；上述部件的连接方式是：车架部分的车架本体2设置为上、中、下三层，车架本体的上层和中层的架体中间各设置有一个轴承座，即车架本体2的上层架体中间的轴承座2-1和车架本体2的中层架体中间的轴承座2-2，四个万向从动轮3作为左右前轮和左右后轮分别固定安置在车架本体2下层下面的四角，轮组部分的上部为D型轴1，下部为四齿耙形支架9，轮组的上部的D型轴1部分穿过车架本体2的上层架体中间的轴承座2-1和车架本体2的中层架体中间的轴承座2-2安装在车架本体2上，两个直流无刷轮毂电机4分别固定安置在D型轴1的下部的四齿耙形支架9的两边的耙齿中，轮组能够相对于车架本体2做自由旋转，控制核心模块7安置在车架本体2的中层，电磁离合器5中的外部定子固定安装在车架本体2的中层架体中间的轴承座2-2的上方处，角度传感器6中的外部定子固定安装在车架本体2的上层架体中间的轴承座2-1的上方处，电磁离合器5通过自身上的D型缺口固定在D型轴1中部，同时使电磁离合器5的转子与定子的工作部接触，角度传感器6中的内部转子固定安装在轮组的上部的D型轴1顶部，电磁离合器5中的转子和角度传感器6中的内部转子均能够随D型轴1自由旋转，直流无刷电机控制器8安置在轮组四齿耙形支架的中间的耙齿中，电池组10按置在车架本体2的控制核心模块7旁边，电子控制系统中的控制核心模块7、电磁离合器5、角度传感器6、直流无刷电机控制器8与电池10组之间通过控制电路连接，直流无刷电机控制器8与直流无刷轮毂电机4通过导线连接；

上述控制核心模块7中选用的控制芯片为意法半导体公司推出的STM32F407ZET6单片机；上述控制核心模块7中选用的电子罗盘的型号为霍尼韦尔HMC5883L；上述电磁离合器5为24V电磁离合器，是磁粉式电磁离合器。

实施例2

本实施例的基于两个轮毂电机的全向轮式AGV机器人的运行方式，其程序流程如下：

两个轮毂电机的全向轮式AGV机器人中的控制核心模块7通过上位机指令和系统初始化，进入选择运行模式如下：

全向平移模式：断开电磁离合器5供电，轮组中的D型轴1与车架本体2分离，此时控制芯片读取角度传感器6电压，判断轮组与车身相对角度，确定轮组的左转或右转，之后通过双轮同速反向转动控制轮组相对于车身角度，达到控制目标后接通电磁离合器5供电，轮组D型轴1与车架本体2接合，读取电子罗盘读数，记为A，此时为传统轮式AGV结构，轮组带动车身前进、后退、左转、右转或原地转向，运行时AGV机器人航向由车载的电子罗盘测得，控制核心模块7每10ms读取一次电子罗盘读数，并与A比较，通过PI算法控制两个直流无刷轮毂电机4转速对车辆航向进行一次修正，轮组带动车身前进、后退、左转、右转、原地转向或全向平移；

正常运行模式：接通电磁离合器5供电，轮组中的D型轴1与车架本体2接合，读取电子罗盘读数，记为A，运行时AGV机器人航向由车载的电子罗盘测得，控制核心模块7每10ms读取一次电子罗盘读数，并与A比较，通过PI算法控制两个直流无刷轮毂电机4转速对车辆航向进行一次修正，轮组带动车身前进、后退、左转、右转、原地转向或全向平移；

当电磁离合器5锁定D型轴1时，左中轮正转右中轮反转且二轮转速相同,平台原地转向；当电磁离合器5锁定D型轴1时，左中轮正转右中轮正转且二轮转速相同,平台正向向前运动；当电磁离合器5锁定D型轴1时，左中轮正转右中轮反转且二轮转速不同,平台会向左或向右转向；当电磁离合器5解锁D型轴1时，左中轮正转右中轮反转且二轮转速相同,轮组原地旋转，车架本体2保持静止，即改变轮组相对于车架本体2的位置；当角度传感器6角度达到要求后锁定D型轴1，同时左右中轮同向同速转动，从而实现任意方向的平移；当不满足上述几种控制方式时,AGV机器人移动平台通过轮组产生的其他方向的合力和扭矩,使AGV机器人平台能够实现沿其他方向运动或转弯运动。

上述实施例中，所述PID算法是本技术领域的公知技术。

Claims (5)

1.基于两个轮毂电机的全向轮式AGV机器人，其特征在于：由车架、轮组和电子控制系统构成，其中，车架包括车架本体和四个万向从动轮，轮组包括D型轴、四齿耙形支架和两个直流无刷轮毂电机，电子控制系统包括主控制核心模块、电磁离合器、角度传感器、直流无刷电机控制器和电池组，其中控制核心模块上集成有控制芯片、电子罗盘和继电器；上述部件的连接方式是：车架部分的车架本体设置为上、中、下三层，车架本体的上层和中层的架体中间各设置有一个轴承座，四个万向从动轮作为左右前轮和左右后轮分别固定安置在车架本体下层下面的四角，轮组部分的上部为D型轴，下部为四齿耙形支架，轮组的上部的D型轴部分穿过车架本体的上层和中层的轴承座安装在车架本体上，两个直流无刷轮毂电机分别固定安置在D型轴的下部的四齿耙形支架的两边的耙齿中，轮组能够相对于车架本体做自由旋转，控制核心模块安置在车架本体的中层，电磁离合器中的外部定子固定安装在车架本体的架体中层设置的一个轴承座的上方处，角度传感器中的外部定子固定安装在车架本体的架体上层设置的一个轴承座的上方处，电磁离合器通过自身上的D型缺口固定在D型轴中部，同时使电磁离合器的转子与定子的工作部接触，角度传感器中的内部转子固定安装在轮组的上部的D型轴顶部，电磁离合器中的转子和角度传感器中的内部转子均能够随D型轴自由旋转，直流无刷电机控制器安置在轮组四齿耙形支架的中间的耙齿中，电池组安置在车架本体的控制核心模块旁边，电子控制系统中的控制核心模块、电磁离合器、角度传感器、直流无刷电机控制器与电池组之间通过控制电路连接，直流无刷电机控制器与直流无刷轮毂电机通过导线连接。

2.根据权利要求所上述基于两个轮毂电机的全向轮式AGV机器人，其特征在于：所述控制核心模块中选用的控制芯片为意法半导体公司推出的STM32F407ZET6单片机。

3.根据权利要求所上述基于两个轮毂电机的全向轮式AGV机器人，其特征在于：所述控制核心模块中选用的电子罗盘的型号为霍尼韦尔HMC5883L。

4.根据权利要求所上述基于两个轮毂电机的全向轮式AGV机器人，其特征在于：所述电磁离合器为24V电磁离合器，为磁粉式电磁离合器。

5.权利要求1所述基于两个轮毂电机的全向轮式AGV机器人的运行方式，其特征在于

其程序流程如下：

两个轮毂电机的全向轮式AGV机器人中的控制核心模块通过上位机指令和系统初始化，进入选择运行模式如下：

全向平移模式：断开电磁离合器供电，轮组中的D型轴与车架本体分离，此时控制芯片读取角度传感器电压，判断轮组与车身相对角度，之后通过双轮同速反向转动控制轮组相对于车身角度，达到控制目标后接通电磁离合器供电，轮组D型轴与车架接合，读取电子罗盘读数，记为A，此时为传统轮式AGV结构，轮组带动车身前进、后退、左转、右转或原地转向，运行时AGV机器人航向由车载的电子罗盘测得，控制核心模块每10ms读取一次电子罗盘传感器读数，并与A比较，通过PI算法控制两个直流无刷轮毂电机转速对车辆航向进行一次修正，轮组带动车身前进、后退、左转、右转、原地转向或全向平移；

正常运行模式：接通电磁离合器供电，轮组中的D型轴与车架本体接合，读取电子罗盘读数，记为A，运行时AGV机器人航向由车载的电子罗盘测得，控制核心模块每10ms读取一次电子罗盘读数，并与A比较，通过PI算法控制两个直流无刷轮毂电机转速对车辆航向进行一次修正，轮组带动车身前进、后退、左转、右转、原地转向或全向平移；

当电磁离合器锁定D型轴时，左中轮正转右中轮反转且二轮转速相同,平台原地转向；当电磁离合器锁定D型轴时，左中轮正转右中轮正转且二轮转速相同,平台正向向前运动；当电磁离合器锁定D型轴时，左中轮正转右中轮反转且二轮转速不同,平台会向左或向右转向；当电磁离合器解锁D型轴时，左中轮正转右中轮反转且二轮转速相同,轮组原地转向，车架本体保持静止，即改变轮组相对于车架本体的位置；当角度传感器角度达到要求后锁定D型轴，同时左右中轮同向同速转动，从而实现任意方向的平移；当不满足上述几种控制方式时, AGV机器人移动平台通过轮组产生的其他方向的合力和扭矩,使AGV机器人平台能够实现沿其他方向运动或转弯运动。