CN110181540A - 全方位移动机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了全方位移动机器人，包括驱动机构和机械框架；所述驱动机构供有多组，每一组均包括电机和与电机连接的减速器，所述减速器上连接有万向轮；所述驱动机构的电机通过导线连接控制器；所述机械框架包括底部的圆形底盘，所述底盘开设有多个通孔，底盘边缘连接有环形挡板，所述环形挡板上方连接有挡圈；所述多组驱动机构通过多个驱动挡板连接，所述驱动挡板与所述挡圈卡接；所述驱动挡板竖直中间连接有电池固定架，电池固定架内侧设置有电池；所述电池上方通过设置的电池支架连接有控制器，控制器侧面设置有摄像头；所述控制器对立侧的驱动挡板上设置有抓取机构；本发明确定了最佳配合模式，机器人移动速度范围，相互配合距离范围。

Description

全方位移动机器人

技术领域

本发明属于机器人领域，尤其涉及全方位移动机器人。

背景技术

随着信息化进程、人工智能、计算机科学与技术、信号处理理论与方法等的迅速发展，在国内逐渐盛行的RoboCup足球机器人竞赛的参赛机器人也更加智能化，并且更多的开始注重双机器人相互配合工作；移动机器人的机械结构是其良好机动能力的基础，控制系统的设计是机器人精确控制，智能运动的核心[4]。在比赛中需要很优秀的运动控制系统，控制机器人的运动轨迹，姿态和相应的执行机构。在其决策系统需要实时根据情况判断场地边缘，进行避障，需要判断足球的位置并且根据此做出合理的判断进行相应动作。同时需要一个良好的通信系统，支持无线局域网通信和蓝牙通信，使其可以在机器人之间通信，也可以使其可以和电脑服务器之间通信，方便实时控制；因此随着技术的进步，比赛水平的提高，需要优化研究机器人的机械设计结构，提高智能控制精度，适应复杂运动要求。

在现有技术中，采用移动机器人的技术方案有以下几种：

中国专利申请201810580138.1公开了一种移动机器人控制器，包括定位模块，用于获取移动机器人的当前位置坐标及移动机器人与预设正方向的当前夹角；导航模块，用于通过由当前位置坐标、当前夹角及目标位置坐标、目标夹角得到的移动机器人的移动路径，确定移动机器人在移动路径上的目标速度，其中，目标速度不大于移动路径允许的最大速度；可编程逻辑控制器PLC模块，用于根据目标速度得到移动机器人的各个驱动单元的转速，并分别通过每个驱动单元的转速控制与该驱动单元对应的驱动器。本发明不受移动机器人导航方式的限制，通用性强，适用范围广。本发明还公开了一种移动机器人，具有上述有益效果。

中国专利申请201620114430.0公开了一种自移动机器人系统，包括基座(200)和自移动机器人(100)，所述自移动机器人设有控制单元和行走单元，所述行走单元包括两个驱动轮(110)和驱动电机，所述基座包括背板(210)及贴地面设置的底板(220、220’)，所述底板上对应驱动轮位置设有用于限位的挡止部(231、231’)。该实用新型通过在基座设置挡止部，使得自移动机器人回到基座后，能够对自移动机器人的方向进行校准，其结构简单，实用性高。

但是上述现有技术中，均为单系统机器人，个体能力完善，但与多系统机器人之间的互相配合完成任务存在着差距；利用多个结构不复杂的机器人间接或直接的交换信息或互相协作，以群体的优势来弥补个体能力的不足。

发明内容

针对现有技术不足，本发明的目的在于提供全方位移动机器人高度集成距离传感器，碰撞传感器，采用无线自组网进行相互通信；在此基础上设计研究了两机器人相互配合运动模式。

本发明提供如下技术方案：

全方位移动机器人，包括驱动机构和机械框架；所述驱动机构供有多组，每一组均包括电机和与电机连接的减速机构，所述减速机构连接有万向轮；所述驱动机构的电机通过导线连接控制器；所述机械框架包括底部的圆形底盘，所述底盘开设有多个通孔，底盘边缘连接有环形挡板，所述环形挡板上方连接有挡圈；所述多组驱动机构通过多个驱动挡板连接，所述驱动挡板与所述挡圈卡接；所述驱动挡板竖直中间连接有电池固定架，电池固定架内侧设置有电池；所述电池上方通过设置的电池支架连接有控制器，控制器侧面设置有摄像头；所述控制器对立侧的驱动挡板上设置有抓取机构。

优选的，所述全位移机器人整体控制系统结构分为四层：主要分为用户层、决策控制层、底层决策层、运动执行层，层层间均有标准物理层；用户可以通过无线局域网的方式和机器人进行沟通，同时机器人也可以通过无线局域网进行通信；用户通过RobotinoView3进行编程，和Robotino Sim进行模拟仿真，然后通过无线以太网将程序下载到机器人储存器中；通过RS232总线和传感器模块进行通讯，将传感器数据返回AMD 芯片中进行分析，然后控制电机；在两个机器人之间的配合中， AMD控制器之间可以通过无线以太网进行数据交换，以实现机器人之间的配合。

优选的，所述摄像头采用标准摄像头，可以通过滑道进行高度和倾斜度的调节；摄像头可将采集到的信号通过USB接口传输到嵌入式PC处理器进行处理，并可以通过软件进行读取。

优选的，图像识别过程为：首先摄取的图像被细分成有限的小格(Segmentierer)，然后软件对图像进行分析，找出拥有相同颜色的小格，由此计算出由若干小格组成的小模块 (segment)的位置和大小；这样可以识别图像中的直线，并可以用于物体的定位和沿某轨迹的运动控制。

优选的，所述控制器上设置有多个USB接口、VGA接口、 RS232引脚接口等。

优选的，所述减速机构包括减速器，减速器一端连接有行星齿轮，另一端连接万向轮，所述行星齿轮通过齿形同步带与所述电机的齿轮连接。

优选的，所述减速机构由电机和行星传动齿轮、同步带组成的传动系统；所述电机轴的输入功率为P(单位为：瓦特W)；电机转速n(单位rpm)；转矩为T(单位为N/cm)；则所述P、n、T满足以下关系式：

P＝α*(n/T)；

上述表达式α为关系因子，取值范围为0.036-6.761。

通过上述表达式控制传递功率的范围大小，提高传动效率，传递功率范围大，轴向尺寸小。而同步带传动比准确，对轴作用力小，结构紧凑，耐磨性、抗老化性好。

优选的，所述万向轮贯穿底盘开设的通孔；所述驱动机构设置为三组，既包括三个万向轮、三个减速机构、三个电机；所述驱动架构相互呈120度夹角连接在所述底盘上。

优选的，所述单个万向轮在两个轴向的合成速度最大为V，在横轴向的速度表示为Vx，在纵轴向的速度表示为Vy，则合成速度满足以下关系表达式：

速度单位为m/s；

通过上式可知，当机器人的运动方向与横轴向的夹角α在0 到2π之间变化时，其速度可达域正好形成一个正六边形，通过上式可以有效控制单个万向轮的转速，进而精确控制万向轮的转向，缩小转向范围实现原地转向。

优选的，整个机器人的最大设计质量为17Kg，设计最大线速度为6km/h，选用80mm直径的双排连续切换轮，总减速比初定1:16；单个轮子最大转速为225rpm。

优选的，所述万向轮由一个轮盘和固定在轮盘外周的辊子构成；轮盘轴心与辊子轴心垂直，轮盘由电机通过减速机构驱动，绕着其轴心转动，辊子依次与地面接触，并绕自身轴心自由转动。

优选的，所述控制器的控制模式采用PC+ARM单片机，通过总线和传感器通讯，通过接口传输到嵌入式PC处理器进行处理，且能够通过软件进行读取。

优选的，所述抓取机构包括连接在所述驱动挡板上的托板，托板上方连接有“U”型固定块，所述固定块内连接有卡块，所述卡块前端对称连接有一对“L”型卡爪。

优选的，所述控制器前侧，竖直连接有滑道，所述滑道上通过滑块连接有摄像头；所述控制器后侧连接有信号接收器；所述控制器上方设置有显示屏。

优选的，所述电池采用蓄电池或者锂电池；所述电机采用直流电机。

优选的，所属机器人还配备了视频采集系统，距离采集系统，防碰撞安全系统；距离采集系统包括红外传感器、距离传感器，碰撞传感器。

优选的，所述防碰撞安全系统采用底盘安装距离传感器，之后将采集的数据通过设计程序，经函数调整后输入到电机的转动角度中进行转向控制。

另外，所述机器人的核心是利用视频采集系统和距离检测传感器共同协作完成；视频采集系统识别轨迹线和另一个机器人识别色卡；识别过程通过程序控制，自动规划行走路线。

程序主要逻辑关系是通过调用传感器识别模块，导入储存器进行分析处理，运算出控制器的转速，通过调整三个电机的不同转速，实现方向的改变。在配合距离传感器，定义两个机器人之间的距离；由此可以实现机器人可以通过识别色卡和轨迹线，进行队列行走。

在识别轨迹线程序中，首先调用移动机器人视频模块，将视频模块分别输出到线型识别模块和图像分析模块；通过这两个模块对数据的处理，输入到移动机器人电机的角速度模块。定义电机线速度为70mm/s；在通过电机驱动模块，把数据分别分配到三个电机上。

在色卡识别程序中，首先在主程序中定义了当前颜色和到达目标的循环；定义了当机器人检测到当前颜色后，可以执行继续识别，或者寻找下一个定义颜色；到达目标循环是定义了，当机器人识别颜色大于定义定义范围之后，机器人判定为到达寻找色卡目标，跳出循环执行暂停动作，或者继续循环利用距离传感器，判定距离，执行跟随；在子程序中，首先调用视频采集模块，然后输入到颜色区分模块，进行颜色的识别定义；然后输出至颜色提取模块和图像信息模块；在颜色提取模块中定义最大识别面积，用于执行到达目标循环；在颜色信息模块中，输出处理数据到机器人电机驱动系统角速度模块；当前颜色循环输入到颜色提取模块中，用于判定一个颜色或者多个颜色识别循环；定义电机线速度为100mm/s；并且分别分配到三个电机中。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)本发明全方位以机器人，采用三个全向轮作为驱动原件，可实现机器人原地转向，三个电机独立驱动，使得机器人的运动有其他运动结构难以达到的灵活性。

(2)本发明全方位以机器人，采用图像识别技术，机器人可通过前部摄像头识别纯色物体，使得机器人更加智能。

(3)本发明全方位以机器人，采用单片机作为控制核心，搭载无线发射接收装置，可实现两个，甚至多个机器人的通讯与交流，从何使得机器人能够协同工作。

(4)本发明全方位以机器人，通过对电机轴的输入功率为 P，电机转速n，转矩为T进行关系限定，控制传递功率的范围大小，提高传动效率，传递功率范围大，轴向尺寸小。而同步带传动比准确，对轴作用力小，结构紧凑，耐磨性、抗老化性好。

(5)本发明全方位以机器人，通过单个万向轮的合成速度公式可以有效控制单个万向轮的转速，进而精确控制万向轮的转向，缩小转向范围实现原地转向。

(6)本发明全方位以机器人，全方位移动机器人结构设计紧凑，试验机可灵活在实验台上沿着黑线的轨迹进行移动，机器人传动平稳，具有缓冲、减振能力，噪声低传动效率高。

(7)本发明全方位以机器人，整体采用整体采用圆盘式底座，采用三轮独立驱动，相较于方形机器人，该形状更为节省空间和材料，更易于在狭小空间中移动；三轮独立驱动既简化了传动系统的设计，更加便于程序控制。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施方式的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1是本发明的爆炸图。

图2是本发明的正视图。

图3是本发明的轴测图。

图4是本发明的底盘图。

图5是本发明的驱动单元示意图。

图6是本发明的减速机构示意图。

图7是本发明的控制系统硬件结构示意图。

图8是本发明的控制系统流程示意图。

图9是本发明的控制系统构成示意图。

图10是本发明的控制系统原理框图。

图11是发明的硬件集线卡示意图。

图中：1、万向轮；2、电机；3、减速机构；4、控制器；5、电池；6、底盘；7、环形挡板；8、挡圈；9、驱动挡板；10、电池固定架；11、电池支架；12、滑道；13、摄像头；14、信号接收器；15、托板；16、固定块；17、卡块；18、卡爪；19、同步带；20、行星齿轮。

具体实施方式

为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。

实施例一：

请参阅图1-11，全方位移动机器人，包括驱动机构和机械框架；所述驱动机构供有多组，每一组均包括电机2和与电机2 连接的减速机构3，所述减速机构3连接有万向轮1；所述驱动机构的电机2通过导线连接控制器4；所述机械框架包括底部的圆形底盘6，所述底盘6开设有多个通孔，底盘6边缘连接有环形挡板7，所述环形挡板7上方连接有挡圈8；所述多组驱动机构通过多个驱动挡板9连接，所述驱动挡板9与所述挡圈8卡接；所述驱动挡板9竖直中间连接有电池固定架10，电池固定架10内侧设置有电池5；所述电池5上方通过设置的电池支架 11连接有控制器4，控制器4侧面设置有摄像头13；所述控制器4对立侧的驱动挡板9上设置有抓取机构；整体采用整体采用圆盘式底座，采用三轮独立驱动，相较于方形机器人，该形状更为节省空间和材料，更易于在狭小空间中移动；三轮独立驱动既简化了传动系统的设计，更加便于程序控制；全方位移动机器人的机械结构合控制系统，机器人紧凑，试验机可灵活在实验台上沿着黑线的轨迹进行移动，机器人传动平稳，具有缓冲、减振能力，噪声低传动效率高。

所述全位移机器人整体控制系统结构分为四层：主要分为用户层、决策控制层、底层决策层、运动执行层，层层间均有标准物理层；用户可以通过无线局域网的方式和机器人进行沟通，同时机器人也可以通过无线局域网进行通信；用户通过 Robotino View3进行编程，和Robotino Sim进行模拟仿真，然后通过无线以太网将程序下载到机器人储存器中；通过RS232 总线和传感器模块进行通讯，将传感器数据返回AMD芯片中进行分析，然后控制电机2；在两个机器人之间的配合中，AMD控制器4之间可以通过无线以太网进行数据交换，以实现机器人之间的配合。

所述摄像头13采用标准摄像头13，可以通过滑道12进行高度和倾斜度的调节；摄像头13可将采集到的信号通过USB接口传输到嵌入式PC处理器进行处理，并可以通过软件进行读取；采用图像识别技术，机器人可通过前部摄像头13识别纯色物体，使得机器人更加智能。

图像识别过程为：首先摄取的图像被细分成有限的小格 (Segmentierer)，然后软件对图像进行分析，找出拥有相同颜色的小格，由此计算出由若干小格组成的小模块(segment) 的位置和大小；这样可以识别图像中的直线，并可以用于物体的定位和沿某轨迹的运动控制。

所述控制器4上设置有多个USB接口、VGA接口、RS232引脚接口等。

所述减速机构3包括减速器，减速器一端连接有行星齿轮 20，另一端连接万向轮1，所述行星齿轮20通过齿形同步带19 与所述电机2的齿轮连接。

所述万向轮1贯穿底盘6开设的通孔；所述驱动机构设置为三组，既包括三个万向轮1、三个减速机构3、三个电机2；所述驱动架构相互呈120度夹角连接在所述底盘6上。

整个机器人的最大设计质量为17Kg，设计最大线速度为 6km/h，选用80mm直径的双排连续切换轮，总减速比初定1:16；单个轮子最大转速为225rpm。

所述万向轮1由一个轮盘和固定在轮盘外周的辊子构成；轮盘轴心与辊子轴心垂直，轮盘由电机2通过减速机构3驱动，绕着其轴心转动，辊子依次与地面接触，并绕自身轴心自由转动。

所述控制器4的控制模式采用PC+ARM单片机，通过总线和传感器通讯，通过接口传输到嵌入式PC处理器进行处理，且能够通过软件进行读取；采用单片机作为控制核心，搭载无线发射接收装置，可实现两个，甚至多个机器人的通讯与交流，从何使得机器人能够协同工作。

所述抓取机构包括连接在所述驱动挡板9上的托板15，托板15上方连接有“U”型固定块16，所述固定块16内连接有卡块17，所述卡块17前端对称连接有一对“L”型卡爪18。

所述控制器4前侧，竖直连接有滑道12，所述滑道12上通过滑块连接有摄像头13；所述控制器4后侧连接有信号接收器 14；所述控制器4上方设置有显示屏。

所述电池5采用蓄电池或者锂电池；所述电机2采用直流电机。

所属机器人还配备了视频采集系统，距离采集系统，防碰撞安全系统；距离采集系统包括红外传感器、距离传感器，碰撞传感器。

所述防碰撞安全系统采用底盘6安装距离传感器，之后将采集的数据通过设计程序，经函数调整后输入到电机2的转动角度中进行转向控制。

实施例二：

与实施例一不同之处在于所述减速机构3由电机2和行星传动齿轮、同步带19组成的传动系统；所述电机2轴的输入功率为P(单位为：瓦特W)；电机2转速n(单位rpm)；转矩为T(单位为N/cm)；则所述P、n、T满足以下关系式：

P＝α*(n/T)；

上述表达式α为关系因子，取值范围为0.036-6.761。

通过上述表达式控制传递功率的范围大小，提高传动效率，传递功率范围大，轴向尺寸小。而同步带19传动比准确，对轴作用力小，结构紧凑，耐磨性、抗老化性好。

优选的，所述万向轮1贯穿底盘6开设的通孔；所述驱动机构设置为三组，既包括三个万向轮1、三个减速机构3、三个电机2；所述驱动架构相互呈120度夹角连接在所述底盘6上。

优选的，所述单个万向轮1在两个轴向的合成速度最大为 V，在横轴向的速度表示为Vx，在纵轴向的速度表示为Vy，则合成速度满足以下关系表达式：

速度单位为m/s；

通过上式可知，当机器人的运动方向与横轴向的夹角α在0 到2π之间变化时，其速度可达域正好形成一个正六边形，通过上式可以有效控制单个万向轮1的转速，进而精确控制万向轮1 的转向，缩小转向范围实现原地转向。

实施例三：

与实施例一和二的不同之处在于，所述机器人的是利用视频采集系统和距离检测传感器共同协作完成；视频采集系统识别轨迹线和另一个机器人识别色卡；识别过程通过程序控制，自动规划行走路线。

程序主要逻辑关系是通过调用传感器识别模块，导入储存器进行分析处理，运算出控制器4的转速，通过调整三个电机2 的不同转速，实现方向的改变。在配合距离传感器，定义两个机器人之间的距离；由此可以实现机器人可以通过识别色卡和轨迹线，进行队列行走。

在识别轨迹线程序中，首先调用移动机器人视频模块，将视频模块分别输出到线型识别模块和图像分析模块；通过这两个模块对数据的处理，输入到移动机器人电机2的角速度模块。定义电机2线速度为70mm/s；在通过电机2驱动模块，把数据分别分配到三个电机2上。

在色卡识别程序中，首先在主程序中定义了当前颜色和到达目标的循环；定义了当机器人检测到当前颜色后，可以执行继续识别，或者寻找下一个定义颜色；到达目标循环是定义了，当机器人识别颜色大于定义定义范围之后，机器人判定为到达寻找色卡目标，跳出循环执行暂停动作，或者继续循环利用距离传感器，判定距离，执行跟随；在子程序中，首先调用视频采集模块，然后输入到颜色区分模块，进行颜色的识别定义；然后输出至颜色提取模块和图像信息模块；在颜色提取模块中定义最大识别面积，用于执行到达目标循环；在颜色信息模块中，输出处理数据到机器人电机2驱动系统角速度模块；当前颜色循环输入到颜色提取模块中，用于判定一个颜色或者多个颜色识别循环；定义电机2线速度为100mm/s；并且分别分配到三个电机2中。

通过上述技术方案得到的装置是全方位移动机器人高度集成距离传感器，碰撞传感器，采用无线自组网进行相互通信；在此基础上设计研究了两机器人相互配合运动模式。

以上所述仅为本发明的优选实施方式而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化；凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.全方位移动机器人，包括驱动机构和机械框架；其特征在于，所述驱动机构供有多组，每一组均包括电机(2)和与电机(2)连接的减速机构(3)，所述减速机构(3)连接有万向轮(1)；所述驱动机构的电机(2)通过导线连接控制器(4)；所述机械框架包括底部的圆形底盘(6)，所述底盘(6)开设有多个通孔，底盘(6)边缘连接有环形挡板(7)，所述环形挡板(7)上方连接有挡圈(8)；所述多组驱动机构通过多个驱动挡板(9)连接，所述驱动挡板(9)与所述挡圈(8)卡接；所述驱动挡板(9)竖直中间连接有电池固定架(10)，电池固定架(10)内侧设置有电池(5)；所述电池(5)上方通过设置的电池支架(11)连接有控制器(4)，控制器(4)侧面设置有摄像头(13)；所述控制器(4)对立侧的驱动挡板(9)上设置有抓取机构。

2.根据权利要求1所述全方位移动机器人，其特征在于，所述减速机构(3)包括减速器，减速器一端连接有行星齿轮(20)，另一端连接万向轮(1)，所述行星齿轮(20)通过齿形同步带(19)与所述电机(2)的齿轮连接。

3.根据权利要求1或2所述全方位移动机器人，其特征在于，所述万向轮(1)贯穿底盘(6)开设的通孔；所述驱动机构设置为三组，既包括三个万向轮(1)、三个减速机构(3)、三个电机(2)；所述驱动架构相互呈120度夹角连接在所述底盘(6)上。

4.根据权利要求1-3所述全方位移动机器人，其特征在于，所述万向轮(1)由一个轮盘和固定在轮盘外周的辊子构成；轮盘轴心与辊子轴心垂直，轮盘由电机(2)通过减速机构(3)驱动，绕着其轴心转动，辊子依次与地面接触，并绕自身轴心自由转动。

5.根据权利要求1或4所述全方位移动机器人，其特征在于，所述控制器(4)的控制模式采用PC+ARM单片机，通过总线和传感器通讯，通过接口传输到嵌入式PC处理器进行处理，且能够通过软件进行读取。

6.根据权利要求1-6所述全方位移动机器人，其特征在于，所述抓取机构包括连接在所述驱动挡板(9)上的托板(15)，托板(15)上方连接有“U”型固定块(16)，所述固定块(16)内连接有卡块(17)，所述卡块(17)前端对称连接有一对“L”型卡爪(18)。

7.根据权利要求1所述全方位移动机器人，其特征在于，所述控制器(4)前侧，竖直连接有滑道(12)，所述滑道(12)上通过滑块连接有摄像头(13)；所述控制器(4)后侧连接有信号接收器(14)；所述控制器(4)上方设置有显示屏。

8.根据权利要求1所述全方位移动机器人，其特征在于，所述电池(5)采用蓄电池或者锂电池；所述电机(2)采用直流电机。

9.根据权利要求1-9任一项所述全方位移动机器人，其特征在于，所属机器人还配备了视频采集系统，距离采集系统，防碰撞安全系统；距离采集系统包括红外传感器、距离传感器，碰撞传感器。

10.根据权利要求9所述全方位移动机器人，其特征在于，所述防碰撞安全系统采用底盘(6)安装距离传感器，之后将采集的数据通过设计程序，经函数调整后输入到电机(2)的转动角度中进行转向控制。