CN109624607A - 一种球轮式全向移动平台 - Google Patents

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黄剑
张梦诗
熊蔡华
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60B—VEHICLE WHEELS; CASTORS; AXLES FOR WHEELS OR CASTORS; INCREASING WHEEL ADHESION
    • B60B19/00—Wheels not otherwise provided for or having characteristics specified in one of the subgroups of this group
    • B60B19/14—Ball-type wheels
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B62—LAND VEHICLES FOR TRAVELLING OTHERWISE THAN ON RAILS
    • B62D—MOTOR VEHICLES; TRAILERS
    • B62D61/00—Motor vehicles or trailers, characterised by the arrangement or number of wheels, not otherwise provided for, e.g. four wheels in diamond pattern
    • B62D61/06—Motor vehicles or trailers, characterised by the arrangement or number of wheels, not otherwise provided for, e.g. four wheels in diamond pattern with only three wheels

Abstract

本发明属于移动机器人基础机构设计领域，更具体地，涉及一种球轮式全向移动平台。包括三个球轮运动机构，三个球轮运动机构按120°间隔圆周均布安装于该安装支架上；每一个球轮由两个半球轮组成，被动轴的两端穿过所述两个半球轮，且被动轴的端点与半球轮的顶点重合，并且该被动轴的两个端点处各设有一个钢珠滚轮；该被动轴的中部还与主动轴垂直连接；主动轴与动力源相连；该动力源安装在安装支架上，通过动力源带动主动轴转动，以此实现球轮的主动旋转。通过在球轮被动轴的两端安装钢珠滚轮，有效地解决自身奇点问题；该球轮采用塑料和橡胶材料交替逐层叠加制作，极大地增加了球面的粗糙度与摩擦力，可有效防止球轮运动过程中发生滑动。

Description

一种球轮式全向移动平台
技术领域
本发明属于移动机器人基础机构设计领域，更具体地，涉及一种球轮式全向移动机器人平台。
背景技术
随着机器人技术的发展，机器人的应用领域愈加的广泛，不再局限于传统的制造业、军事应用，而是逐步扩展到服务业、空间探索等。能够在空间中运动的移动机器人作为机器人学中繁荣发展的一个分支，在各个领域都受到了广泛的青睐，尤其是全向移动机器人。目前这些移动机器人主要是作为各种关键技术的载体，如地图构建、传感器技术、运动规划与控制、机器人导航等。全向移动机器人机构本身多年以来没有明显的发展，但其作为机器人运动控制的底层技术，直接关系到机器人本身的有效性与稳定性。因此，全向移动机器人的机械结构也同样值得关注。
目前全向移动平台使用的运动机构一般为麦克纳姆轮，瑞典轮等传统的全向轮，也有少量使用一般形式球轮。在球轮全向移动机器人的运动学建模中，存在奇点问题，即当轮子的三个轴(一个主动轴，两个被动轴)共面，并且这个平面与地面相垂直时轮子着地的点即为奇点。此时球轮主动旋转角度为90°，90°的正切值(tan(90°))在数学中无解，其对应的球轮状态即奇点着地的情况。对于现在已有的研究，并没有发现对球轮平台进行动力学建模的研究，而实际应用的球轮全向移动平台，也忽视了这个问题，一般做跳过奇点及附近较小范围角度的处理。即现有的球轮全向移动平台没有完整动力学模型，缺乏理论分析，无法完成球轮平台有模型的精确控制。尤其是当地面不平或地面有障碍物等恶劣环境下，球轮移动到奇点位置时，越障困难，甚至导致平台失去控制。
另外，目前使用最为广泛的全向轮麦克纳姆轮，瑞典轮结构复杂，测距不准，越障困难；使用球轮的全向移动机器人球轮表面没有经过特殊处理，表面光滑，容易发生滑动。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种球轮式全向移动平台，其三个球轮运动机构按120°间隔圆周均布安装于安装支架上，每个球轮以两个半球作为被动轮，同时，在球轮被动轴的两端安装钢珠滚轮，由此解决传统全向轮尺寸小、越障困难，球轮运动至奇点运动方向不可控等技术问题。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种球轮式全向移动平台，包括安转支架和三个球轮运动机构，三个球轮运动机构按120°间隔圆周均布安装于该安装支架上；其中，
所述球轮运动结构包括球轮、被动轴、主动轴和动力源；
每一个球轮由两个半球轮组成，所述被动轴的两端穿过所述两个半球轮，且所述被动轴的端点与所述半球轮的顶点重合，并且该被动轴的两个端点处各设有一个钢珠滚轮；该被动轴的中部还与所述主动轴垂直连接；所述主动轴与所述动力源相连；该动力源安装在所述安装支架上，通过动力源带动所述主动轴转动，以此实现球轮的主动旋转。
优选地，所述钢珠滚轮为压入式万向钢珠滚轮，其以压入方式设置于所述半球轮的顶点处，用于增加球轮处于奇点时的自由度。
优选地，所述球轮外壁由塑料和橡胶材料交替逐层叠加制作而成。
优选地，所述被动轴上安装多个轴承，用于将被动轴与两个半球轮固定连接。
优选地，所述动力源为电机，所述电机通过联轴器与主动轴相连。
优选地，所述球轮直径不小于90mm。
优选地，该全向移动平台由平台控制系统控制，所述平台控制系统包含主控制模块，所述主控制模块包含所述球轮处于不同运动状态时的动力学模型，所述运动状态包括任意一个球轮处于奇点位置时的运动状态。
优选地，所述安装支架通过3D打印得到。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
(1)本移动平台由三个球轮以120°间隔圆周均布安装于平台上，并采用三个电机分别控制三个球轮的主动旋转。通过分析机器人运动学，进行机器人平面移动的速度分解以实现全向移动。
(2)区别于传统全向移动平台，运动机构使用新型球轮替代麦克纳姆轮，瑞典轮等传统全向轮。由于麦克纳姆轮这类传统全向轮在转动的过程中，每个小滚轮依次着地，而相邻小滚轮距离机器人中心的距离不相同，因此在机器人运动的过程中，车轮转动会导致机器人运动半径一直在两个不同半径中切换从而导致机器人测距不准确，使其精确的运动轨迹难以绘制。而采用的球轮具有尺寸大，越障性能好的特点，且可避免机器人测距不准的问题，为机器人运动学提供了良好的基础研究平台。
(3)本移动平台的每一个新型球轮由两个半球，一个主动旋转轴，两个被动旋转轴及被动轴两端的两个钢珠滚轮组成。球轮主动旋转由电机驱动，两个半球被动旋转相互独立。相比于传统的全向轮，这种球轮式全向轮的结构更为简单，但是这种结构有一个奇点，即当轮子的三个轴(一个主动轴，两个被动轴)共面，并且这个平面与地面相垂直时轮子着地的点即为奇点。奇点着地时，球轮无法实现主动轴所在方向的运动。在奇点处安装一个钢珠滚轮则很好的解决了奇点的问题，在奇点处补上丢失的自由度。
(4)本发明在平台控制系统的主控制器中输入了该球轮全向平台处于各种运动状态时的动力学模型，包括球轮运动至奇点位置时的动力学模型，这样，相对于传统的球轮全向平台控制系统，当球轮运动至奇点位置时，其运动状态仍然可控。
(5)本发明球轮尺寸较大，在地面不平或有障碍物时，尺寸较大的球轮更稳定，且由于钢珠滚轮的设置，增加了球轮处于奇点位置的自由度，同时借助于主控制模块输入的各种不同状态的动力学模型，能够实现对本发明全向移动平台的精准、连续控制，且该平台越障能力强，运动状态连续稳定。
(6)本发明的球轮由两个半球轮组成，两个半球轮相互独立，当一个球轮着地时，不着地的球轮不会发生被动转动，此时它没有被动转动惯量，对于整个全向移动平台来说，总共减少了3个半球的转动惯量，如此设计使得整个全向移动平台更加灵活轻巧，易于控制。
(7)本发明中球轮的制作使用塑料和橡胶材料交替逐层叠加，极大地增加了与地面的摩擦力，防止运动过程中出现滑动，增强了全向移动平台的稳定性。而若完全使用橡胶等材料，虽然增大了球轮与地面摩擦力，但也同时增加了球轮的质量，过大的负载会使电流增大，过大的电流会对电机造成损害。过载严重时能造成电机堵转，烧毁电机。
附图说明
图1是本发明实例提供的机器人立体组装图；
图2是单个球轮及内部结构；
图3是球轮二维正视图；
图4球轮二维侧视图；
图5是奇点着地情况的二维示意图；
图6是球轮全向移动机器人平台被要求沿着y方向运动时机器人的位置仿真信息。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1、球轮，2、联轴器，3、钢珠滚轮，4、电机支架，5、电机，6、底盘，7、主动轴，8、电机驱动模块，9、轴承，10、被动轴，11、橡胶层，12、塑料层。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明提供的一种球轮式全向移动平台，通常用于机器人领域，故也可称作球轮式全向移动机器人平台，包括安转支架和三个球轮运动机构，三个球轮运动机构按120°间隔圆周均布安装于该安装支架上；其中，所述球轮运动结构包括球轮、被动轴、主动轴和动力源。
每一个球轮由两个半球轮组成，所述被动轴的两端穿过所述两个半球轮，且所述被动轴的端点与所述半球轮的顶点重合，并且该被动轴的两个端点处各设有一个钢珠滚轮；该被动轴的中部还与所述主动轴垂直连接；所述主动轴与所述动力源相连；该动力源安装在所述安装支架上，通过动力源带动所述主动轴转动，以此实现球轮的主动旋转。
一些实施例中，所述动力源为电机，所述电机通过联轴器与球轮的主动轴相连。
一些实施例中，该全向移动平台有平台控制系统控制，平台控制系统包含主控制模块，所述主控制模块包含所述球轮处于不同运动状态时的动力学模型；其中包括任意一个球轮处于奇点位置的运动状态的动力学模型。充分考虑到球轮处于奇点位置时的机器人状态，对所有可能发生的不同状态分别进行动力学建模。根据初始状态选定一种模型，并在运动过程中自动切换模型，保证每一时刻都有模型与当前机器人运动状态相对应以进行精确完整控制。平台控制系统根据需求发出PWM信号，电机驱动模块中的电机驱动电路接收到该信号后，控制电机转动。
一些实施例中，所述钢珠滚轮为压入式万向钢珠滚轮，其以压入方式设置于所述半球轮的顶点处，用于增加球轮处于奇点时的自由度。
一些实施例中，为了增加与地面的摩擦力，防止运动过程中出现滑动，增强全向移动平台的稳定性，本发明在所述球轮外壁或球轮整体使用塑料和橡胶材料交替逐层叠加制作而成。
一些实施例中，被动轴上安装多个轴承，比如通过安装四个轴承，用于将被动轴与两个半球轮固定连接。
一些实施例中，所述球轮直径不小于90mm，大尺寸球轮越障更容易。
所述电机安装在安装支架上，一些实施例中，该安装支架通过3D打印得到。
如图1所示，一个优选实施例中，本发明提供的全向移动机器人平台机构主要包括：三个球轮1、三个电机联轴器2、六个钢珠滚轮3(每个球轮上安装两个钢珠滚轮3)、三个电机支架4、三个直流电机5、一个全向移动平台底盘6、三个球轮主动轴7、电机驱动模块8。其中，球轮直径为90mm，通过3D打印的电机支架4，将直流电机5固定在全向移动平台底盘6上。每一个直流电机通过联轴器2与一个球轮1的主动轴7相连，当直流电机5转动，带动球轮的主动轴7转动，从而实现球轮的主动旋转。
球轮的结构如图2所示，通过改变其中一个半球的透明度来展示球轮的内部结构。每一个球轮由两个半球1通过与主动轴7垂直穿过的被动轴10相连。被动轴10上安装四个轴承9，将被动轴10与两个半球轮1固定，并在被动轴10的两端安装两个钢珠滚轮3，以弥补由于球轮奇点问题而失去的自由度。图3是球轮二维正视图；图4是球轮二维侧视图。球轮沿着主动轴旋转的方向转动。
球轮外壁或球轮整体使用塑料层12和橡胶层11两种不同材料层交替逐层叠加制作而成。
平台控制系统包含主控制模块，主控制模块包含球轮处于不同运动状态时的动力学模型；其中包括任意一个球轮处于奇点位置的运动状态的动力学模型。充分考虑到球轮处于奇点位置时的机器人状态，对所有可能发生的不同状态分别进行动力学建模。根据初始状态选定一种模型，并在运动过程中自动切换模型，保证每一时刻都有模型与当前机器人运动状态相对应以进行精确完整控制。
本发明球轮式全向移动平台的工作原理：
1.当所述新型球轮式全向移动平台实现固定速度的旋转运动时，控制器调制出一定占空比的PWM(脉冲宽度调制)，实现电机转动，电机转动驱动球轮的主动轴旋转，从而实现球轮的主动旋转。在球轮的主动旋转过程中，两个半球轮及两个奇点处的钢珠滚轮轮流着地。安装在电机上的编码器通过读取码盘脉冲数，计算每个球轮的旋转速度，将编码器得到的实际速度与设定速度相比较，得到速度差值。利用速度差值负反馈，调节输出PWM值，使速度误差达到零。三个球轮同时以相同的设定速度旋转，最终实现本发明中的全向平台的固定速度旋转运动。
2.所述新型球轮式全向移动平台实现任意方向的固定速度直线运动:
a.所要求的运动方向与三个电机轴线方向都存在夹角时，通过速度分解分别计算三个球轮上的分速度，同时使用三个速度闭环使分速度，合速度都达到设定值。运动过程中，三个球轮半球和奇点轮流着地。
b.所要求的运动方向与其中一个电机轴线方向重合时，如图5箭头所示的运动方向。在这个前提下，若此球轮被动轴的端点着地，则所要求运动不能通过电机驱动的主动旋转实现，同时着地的半球也不能被动转动，此时则为一般球轮的奇点问题，球轮只能以这个姿势停在地面上，而在本发明中，在球轮的两个奇点处安装钢珠滚轮，奇点着地时，钢珠滚轮能够继续滚动，带动轮子的移动。运动过程中，电机轴线方向与运动方向相同的球轮，奇点一直着地，滚轮带动该轮子移动，另两个轮子则半球和奇点轮流着地。
图6反映的是该球轮全向移动机器人平台被要求沿着y方向运动时机器人的位置仿真信息。从图6中可以看出，机器人在y方向上的位移不断增加，在x方向的位移及旋转的角度基本不变。表明整个仿真过程，机器人是按照预期控制进行的。并且运动过程中，包括了奇点着地的运动状态，仿真依然能顺利完成，表明奇点问题得以解决。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种球轮式全向移动平台，其特征在于，包括安转支架和三个球轮运动机构，三个球轮运动机构按120°间隔圆周均布安装于该安装支架上；其中，
所述球轮运动结构包括球轮、被动轴、主动轴和动力源；
每一个球轮由两个半球轮组成，所述被动轴的两端穿过所述两个半球轮，且所述被动轴的端点与所述半球轮的顶点重合，并且该被动轴的两个端点处各设有一个钢珠滚轮；该被动轴的中部还与所述主动轴垂直连接；所述主动轴与所述动力源相连；该动力源安装在所述安装支架上，通过动力源带动所述主动轴转动，以此实现球轮的主动旋转。
2.如权利要求1所述的全向移动平台，其特征在于，所述钢珠滚轮为压入式万向钢珠滚轮，其以压入方式设置于所述半球轮的顶点处，用于增加球轮处于奇点时的自由度。
3.如权利要求1所述的全向移动平台，其特征在于，所述球轮外壁由塑料和橡胶材料交替逐层叠加制作而成。
4.如权利要求1所述的全向移动平台，其特征在于，所述被动轴上安装多个轴承，用于将被动轴与两个半球轮固定连接。
5.如权利要求1所述的全向移动平台，其特征在于，所述动力源为电机，所述电机通过联轴器与主动轴相连。
6.如权利要求1所述的全向移动平台，其特征在于，所述球轮直径不小于90mm。
7.如权利要求1所述的全向移动平台，其特征在于，该全向移动平台由平台控制系统控制，所述平台控制系统包含主控制模块，所述主控制模块包含所述球轮处于不同运动状态时的动力学模型，所述运动状态包括任意一个球轮处于奇点位置时的运动状态。
8.如权利要求1所述的全向移动平台，其特征在于，所述安装支架通过3D打印得到。
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