CN110606136B - 一种具备全向移动和越障能力的物流机器人及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种具备全向移动和越障能力的物流机器人，包括：底盘，其径向两侧对称且可旋转支撑设置有多个麦克纳姆轮组；支撑架，其为直角三棱柱结构，且直角边一面与所述底盘固定连接；一对第一连接臂，其对称设置在所述底盘径向两侧，并与所述支撑架的斜边一面交叉设置，且一端与所述支撑架的直角处铰接；一对滑轨，其对称设置在所述底盘径向两侧，并与所述支撑架的斜边一面交叉设置，且相背侧设置有滑槽；第一导向杆，其轴向两端分别与位于所述底盘径向两侧的所述第一连接臂垂直固定连接；第二导向杆，其轴向两端分别与位于所述底盘径向两侧的所述滑轨垂直固定连接。本发明还公开一种具备全向移动和越障能力的物流机器人的控制方法。
Description
技术领域
本发明涉及物流机器人技术领域，更具体的是，本发明涉及一种具备全向移动和越障能力的物流机器人及其控制方法。
背景技术
近年来，物流行业成为科技发展热点，由于网络购物等活动的火热，使得物流行业逐渐走进千家万户。如何增加运输效率，降低运输成本成为了行业内的难题。目前市场上已经出现可实用的物流无人机，用于特定场合的快递运输。但是目前还是没有一种实用的可在楼梯等复杂环境下进行运输作业的无人装置，而恰恰楼梯等环境下的快递运输是物流行业内的短板，其工作方式还是依赖人工，效率较低。
发明内容
本发明设计开发了一种具备全向移动和越障能力的物流机器人，通过伸缩机构驱动滑轨沿第一连接臂的轴向运动，能够调整载物台的倾斜角度，大大降低了机器人越障时物品掉落的可能。
本发明还在底盘两侧对称可旋转支撑设置有多个麦克纳姆轮组，并在麦克纳姆轮组中设置有二自由度行星轮系，使得底盘可以并能够在地面上进行各种姿态的运动，提高机器人翻越障碍物的能力。
本发明还设计开发了一种具备全向移动和越障能力的物流机器人的控制方法，能够根据行驶路面状况，控制每个麦克纳姆轮组的行驶状态，并在越障时根据机器人的倾斜状态控制滑轨沿第一连接臂轴向运动的距离，降低了机器人越障时物品掉落的可能。
本发明还能根据行驶路面状况以及机器人的行驶状态，控制前后轴两侧的动力机构的转矩以及分配系数，提高机器人行驶稳定性。
本发明提供的技术方案为：
一种具备全向移动和越障能力的物流机器人，包括：
底盘，其径向两侧对称且可旋转支撑设置有多个麦克纳姆轮组；
支撑架，其为直角三棱柱结构，且直角边一面与所述底盘固定连接；
一对第一连接臂，其对称设置在所述底盘径向两侧，并与所述支撑架的斜边一面交叉设置，且一端与所述支撑架的直角处铰接；
一对滑轨，其对称设置在所述底盘径向两侧，并与所述支撑架的斜边一面交叉设置，且相背侧设置有滑槽；
其中，所述第一连接臂的另一端可滑动设置在对应所述滑槽内，且所述滑轨能够沿所述第一连接臂轴向运动；
第一导向杆，其轴向两端分别与位于所述底盘径向两侧的所述第一连接臂垂直固定连接；
第二导向杆，其轴向两端分别与位于所述底盘径向两侧的所述滑轨垂直固定连接；
载物台，其间隔支撑设置在所述底盘上方，且轴向一侧与所述支撑架铰接，另一侧与位于所述底盘径向两侧的所述滑轨铰接；
伸缩机构，其设置在所述第一导向杆和所述第二导向杆之间，且一端与所述第一导向杆连接，另一端与所述第二导向杆连接，用于驱动所述滑轨沿所述第一连接臂轴向运动。
优选的是，所述伸缩机构包括：
固定架，其固定设置在所述第一导向杆上；
丝杠螺母，其一端可旋转设置在所述固定架上；
丝杠，其一端与所述第二导向杆固定连接，另一端与所述丝杠螺母螺纹连接；
外齿圈，其固定套设在所述丝杠螺母另一端；
驱动电机，其输出齿轮与所述外齿圈啮合，用于驱动所述丝杠螺母旋转；
其中，当所述驱动电机正转时，所述丝杠靠近所述丝杠螺母运动；当所述驱动电机反转时，所述丝杠远离所述丝杠螺母运动。
优选的是，所述麦克纳姆轮组包括：
行星架；
太阳轮，其设置在所述行星架一侧中心，且能够沿自身轴向旋转；
多个行星轮，其均匀设置在所述太阳轮周向，且与所述太阳轮啮合，所述行星轮能够绕所述太阳轮轴向公转并带动所述行星架旋转，也能够绕自身轴向旋转；
多个第一链轮，其设置在所述行星架另一侧，且与所述行星轮一一对应并同轴设置，所述第一链轮与对应的所述行星轮同步运动；
多个第二链轮，其分别设置在所述第一链轮之间的所述行星架另一侧，且能够绕自身轴向旋转；
链条，其依次连接所述第一链轮和所述第二链轮，并处于张紧状态；
其中，所述第一链轮和所述第二链轮分别位于所述链条两侧；
多个麦克纳姆轮，其设置在所述行星架另一侧，且与所述第二链轮一一对应并同轴设置，所述麦克纳姆轮与对应的所述第二链轮同步运动；
动力机构，其输出端与所述太阳轮同轴固定连接，用于驱动所述太阳轮旋转。
优选的是，所述行星架包括：
第一架板；
第二架板，其与所述第一架板平行间隔设置；
其中，所述第一架板和所述第二架板的结构一致，均为三角形板状结构；以及
所述太阳轮和行星轮设置在所述第一架板外侧面，所述第一链轮、第二链轮和链条设置在所述第一架板和所述第二架板之间，所述麦克纳姆轮设置在所述第二架板外侧。
优选的是，还包括：
太阳轮轴，其固定穿过所述太阳轮，且一端可旋转设置在所述第一架板外侧面中心，另一端与所述动力机构的输出端固定连接；
多个行星轴，其可旋转穿过所述第一架板和所述第二架板，并与所述行星轮一一对应；
其中，所述行星轮同轴固定设置在位于所述第一架板外侧的所述行星轴上，所述第一链轮同轴固定设置在位于所述第一架板和所述第二架板之间的所述行星轴上；
多个链轮轴，其可旋转穿过所述第一架板和所述第二架板，并与所述第二链轮一一对应；
其中，所述第二链轮同轴固定设置在位于所述第一架板和所述第二架板之间的所述链轮轴上，所述麦克纳姆轮固定设置在位于所述第二架板外侧的所述链轮轴上。
优选的是，所述支撑架包括：
第一固定杆和第二固定杆，其对称固定设置在所述底盘轴向两侧；
支撑柱，其垂直固定设置在所述第一固定杆中部；
支撑杆，其垂直设置在所述支撑柱上，且与所述第一固定杆对称；
一对第二连接臂，其对称设置在所述底盘径向两侧，且一端与所述支撑杆固定连接，另一端与所述第二固定杆固定连接；
其中，所述第一连接臂与所述第二连接臂交叉设置，所述载物台轴向一侧与所述支撑杆轴向两端铰接。
优选的是，所述动力机构还包括：
轴承座，其间隔设置在所述第一架板外侧，且中心可旋转穿过所述动力机构的输出端；
其中，所述太阳轮和所述行星轮设置在所述第一架板和所述轴承座之间，所述行星轴可旋转穿过所述轴承座。
优选的是，所述麦克纳姆轮组为4个，且对称可旋转支撑设置在所述底盘上；每个所述麦克纳姆轮组设置有3个麦克纳姆轮，并围成等边三角形。
一种具备全向移动和越障能力的物流机器人的控制方法，包括：
当物流机器人无障碍物平地行驶时，驱动电机不工作，行星轮仅绕自身轴向旋转，并通过第一链轮和第二链轮驱动麦克纳姆轮自转，驱动机器人行驶；
当物流机器人遇障碍物行驶时，行星轮绕自身轴向旋转的同时也绕太阳轮轴向公转，驱动行星架带动麦克纳姆轮组旋转，驱动机器人前进并翻越障碍物，同时，驱动电机工作，并控制滑轨沿第一连接臂轴向运动的距离为：
式中，d为滑轨沿第一连接臂轴向运动的距离，D为载物台的轴向长度，H为支撑柱的高度，ζ为校正系数，α为机器人行驶方向与水平路面的夹角，μ为载物台内部底面的摩擦系数，L0为机器人处于水平状态时，第一连接臂和滑轨配合后的总长度，π为弧度；
其中，当所述物流机器人行驶时，每个麦克纳姆轮组中有且仅有2个麦克纳姆轮同时接地。
优选的是，当物流机器人无障碍物平地匀速行驶时，控制前后轴两侧的动力机构的转矩满足：
其中，为机器人在水平方向上的倾角，H为机器人水平放置时质心高度；L为机器人前后轴间距；b为水平放置时质心在水平方向上与后轴轴线之间的距离；G为机器人工作时的总重力，MA1、MA2分别为前轴左右侧动力机构的转矩；MB1、MB2分别为后轴左右侧动力机构的转矩；rc为行星轮系公转时麦克纳姆轮轴线绕行星轮系中心回转半径；
并控制前后轴扭矩分配系数s满足：
其中，所述机器人的最大爬坡能力满足：
其中，ig为行星齿轮组传动比；is为链轮组传动比；d为麦克纳姆轮直径；
当物流机器人无障碍物平地起步或者加速行驶时，控制前后轴两侧的动力机构的转矩满足：
其中，L为机器人前后轴间距；G为机器人工作时的总重力，MA1、MA2分别为前轴左右侧动力机构的转矩；MB1、MB2分别为后轴左右侧动力机构的转矩；rc为行星轮系公转时麦克纳姆轮轴线绕行星轮系中心回转半径，d为麦克纳姆轮直径，ig为行星齿轮组传动比；is为链轮组传动比，H为机器人水平放置时质心高度；
并控制前后轴扭矩分配系数s满足：
并控制机器人的加速度a满足：
其中，m0为机器人工作时的总质量。
优选的是，当物流机器人平地匀速、或者加速行驶时，控制麦克纳姆轮组的转速满足：
ωi＝ωi1＝ωi2＝ωi3，i＝1,2,3,4；
其中，ω1为左前麦克纳姆轮组的转速，ω2为右前麦克纳姆轮组的转速、ω3为左后麦克纳姆轮组的转速、ω4为右后麦克纳姆轮组的转速；R为麦克纳姆轮接地半径；Y为前后轴距的一半；X为左右侧车轮接地点间距的一半，ωi＝ωi1＝ωi2＝ωi3为第i个麦克纳姆轮组的转速，ωi＝ωi1＝ωi2＝ωi3为第i个麦克纳姆轮组中第一个麦克纳姆轮的转速，ωi＝ωi1＝ωi2＝ωi3为第i个麦克纳姆轮组中第二个麦克纳姆轮的转速，ωi＝ωi1＝ωi2＝ωi3为第i个麦克纳姆轮组中第三个麦克纳姆轮的转速，VX为机器人横向行驶速度，VY为机器人纵向行驶速度，ωo为机器人自旋角速度。
优选的是，当物流机器人遇障碍物行驶时，控制前后轴两侧的动力机构的转矩满足：
其中，为机器人在水平方向上的倾角，H为机器人水平放置时质心高度；L为机器人前后轴间距；b为水平放置时质心在水平方向上与后轴轴线之间的距离；G为机器人工作时的总重力，MA1、MA2分别为前轴左右侧动力机构的转矩；MB1、MB2分别为后轴左右侧动力机构的转矩；rc为行星轮系公转时麦克纳姆轮轴线绕行星轮系中心回转半径；
并控制前后轴扭矩分配系数s满足：
本发明所述的有益效果：
(1)本发明设计开发的具备全向移动和越障能力的物流机器人，能够通过伸缩机构驱动滑轨沿第一连接臂的轴向运动，能够调整载物台的倾斜角度，大大降低了机器人越障时物品掉落的可能。
(2)本发明在底盘两侧对称可旋转支撑设置有多个麦克纳姆轮组，使得底盘可以并能够在地面上进行各种姿态的运动，包括前后平移、自旋、横移、斜行、转弯等，提高机器人翻越障碍物的能力，实现在良好路面、楼梯、废墟等复杂环境下移动。
(3)本机器人底盘通过搭载二自由度行星轮系连接麦克纳姆轮组，以行星轮系自身的机械特性，实现平地正常行驶，遇到障碍物自动识别并支撑起底盘越障的功能，无需冗杂的传感器及控制系统。
(4)本发明设计开发的具备全向移动和越障能力的物流机器人的控制方法，能够根据行驶路面状况，控制每个麦克纳姆轮组的行驶状态，并在越障时根据机器人的倾斜状态控制滑轨沿第一连接臂轴向运动的距离，降低了机器人越障时物品掉落的可能。
(5)本发明还能根据行驶路面状况以及机器人的行驶状态，控制前后轴两侧的动力机构的转矩以及分配系数，提高机器人行驶稳定性。
附图说明
图1为本发明所述具备全向移动和越障能力的物流机器人的结构示意图。
图2为本发明所述具备全向移动和越障能力的物流机器人越障时的结构示意图。
图3为本发明所述伸缩机构的结构放大示意图。
图4为本发明所述滑轨远离第一连接臂运动时载物台的位置示意图。
图5为本发明所述麦克纳姆轮组的结构示意图。
图6为本发明所述太阳轮和行星轮的布置结构示意图。
图7为本发明所述链轮组的布置结构示意图。
图8为本发明所述底盘麦克纳姆轮运动分析坐标系示意图。
图9为本发明所述底盘麦克纳姆轮运动分析坐标系示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
如图1、2所示，本发明提供一种具备全向移动和越障能力的物流机器人，本机器人底盘100中共有四个动力机构110，由于采用麦克纳姆轮驱动，为了精确控制车身姿态，动力机构选为伺服电机。电机上集成有传动比合适的减速箱。电源，采用锂电池组，固定于车架上。在底盘100上还设置有坡脚传感器，用于检测机器人行驶的路面坡度。
本机器人底盘100中，动力传递路线为电机-行星轮系-麦克纳姆轮。共有4组电机110及行星轮系120；每组行星轮系120上连接有3个麦克纳姆轮130(合称为麦克纳姆轮组)，三个麦克纳姆轮130围成等边三角形，底盘100上共有12个麦克纳姆轮130。行星轮系120中包含行星齿轮组和链轮组，两者分别布的置在相邻且平行的两个平面上，两平面之间存在有行星架140。
如图5所示，所述的行星架140包括相互平行间隔设置的第一架板141和第二架板142，两者结构一致，均为三角形板状结构。
所述的行星轮系120包括太阳轮121，其通过太阳轮轴122可旋转设置在第一架板141外侧中心，太阳轮轴122固定穿过太阳轮121的中心，且一端可旋转设置在第一架板141外侧面中心，多个行星轮123，其通过行星轴124均匀设置在太阳轮121周向的第一架板141同侧，并与121太阳轮啮合，行星轮123能够绕太阳轮121轴向公转并带动行星架140旋转，也能够绕自身轴向旋转。所述的行星轴124可旋转穿过第一架板141和第二架板142，所述的行星轮123同轴固定设置在位于第一架板141外侧的行星轴124上，如图6所示。
所述的行星轮系120还包括链轮组，如图7所示，具体包括多个第一链轮125，其设置在第一架板141和第二架板142之间，且与行星轮123一一对应并同轴固定位于第一架板141和第二架板142之间的行星轴124上，所述的第一链轮125与对应行星轮123同步运动；多个第二链轮126，其通过链轮轴127分别设置在第一链轮125之间的行星架140另一侧(即第一架板141和第二架板142之间)，且能够绕自身轴向旋转。所述的链轮轴127可旋转穿过第一架板141和第二架板142，并与第二链轮126一一对应，所述的第二链轮136同轴固定设置在位于第一架板141和第二架板142之间的链轮轴127上，所述的麦克纳姆轮130固定设置在位于第二架板142外侧的链轮轴127上，与对应第二链轮126同步运动。链条128，其依次连接第一链轮125和第二链轮126，并处于张紧状态，并且第一链轮125和第二链轮126位于链条128两侧。
伺服电机110的输出轴111与太阳轮轴122花键连接，用于驱动太阳轮121旋转。本实施例中，还包括轴承座129，其间隔设置在第一架板141外侧，且中心可旋转穿过伺服电机110的输出轴，输出轴能够在轴承座129内自由旋转；所述的行星轴124位于第一架板141外侧的一端可旋转穿过轴承座129。所述的太阳轮121和行星轮123设置在第一架板141和轴承座129之间。
本机器人底盘上搭载的行星轮系120在驱动时具有行星轮123自转与行星轮123公转两个自由度。驱动时动力自电机减速箱输出轴输入至太阳轮121，太阳轮121与行星轮123啮合，行星轮121自转或公转两个自由度都没有刚性约束。行星轮123公转会带动行星架140旋转，同时带动外围的三个麦克纳姆轮130绕行星轮系120中心轴线公转；行星轮123自转会带动同轴的第一链轮125，经链条128驱动三个第二链轮126旋转，第二链轮126又通过链轮轴127带动与之相连的麦克纳姆轮绕轮130绕自身轴线自转。
故当机器人平地行进时，由于电机输出转矩较低，行星轮公转转矩小于由于车身重力带来的约束，故行星轮无法公转，行星轮自转经链传动驱动麦克纳姆轮自转，驱动机器人向前行驶。当机器人遇到障碍物时，电机输出转矩增大，行星轮公转转矩也增大，当大于由机器人重力带来的约束时，行星齿轮开始公转，同时带动行星架、麦克纳姆轮公转，驱动机器人前进并翻越障碍物。
本机器人的底盘100上固定设置有支撑架150，其为直角三棱柱结构，且直角边一面与底盘100固定连接。所述的支撑架150包括第一固定杆151和第二固定杆152，其对称固定设置在底盘100轴向两侧；在第一固定杆151中部垂直固定设置有支撑柱153，在支撑柱上垂直固定设置有支撑杆154，该支撑杆154与第一固定杆151对称。一对第二连接臂156其对称设置在底盘100径向两侧，且一端与支撑杆154固定连接，另一端与第二固定杆152固定连接；一对第一连接臂155，其对称设置在底盘100径向两侧，并与第二连接臂156交叉设置，且一端与第一固定杆151铰接；一对滑轨157，其对称设置在底盘100径向两侧，并与第二连接臂156交叉设置，且相背侧设置有滑槽1571；所述的第一连接臂155的另一端可滑动设置在对应滑槽1571内，且滑轨157能够沿第一连接臂155轴向运动；在位于底盘100径向两侧的第一连接臂155之间垂直固定连接有第一导向杆158，在位于底盘100径向两侧的滑轨157之间垂直固定连接有第二导向杆159。在底盘100的上方间隔支撑设置有载物台160，其轴向一侧与第一固定杆151轴向两侧铰接，另一侧与位于底盘100径向两侧的滑轨157铰接。在第一导向杆158和第二导向杆159之间设置有伸缩机构170，其一端与第一导向杆158连接，另一端与第二导向杆159连接，用于驱动滑轨157沿第一连接臂156轴向运动。
如图3所示，所述的伸缩机构170包括固定架171，其固定设置在第一导向杆158上；在固定架171上通过轴承可旋转设置有丝杠螺母172，与丝杠螺母172螺纹连接有丝杠173，其与第二导向杆159固定连接。在丝杠螺母172上套设有外齿圈174，驱动电机175的输出齿轮1751与外齿圈174啮合，用于驱动丝杠螺母172旋转。当驱动电机175正转时，丝杠173靠近丝杠螺母172运动，进而带动滑轨157靠近第一连接臂155运动；当驱动电机175反转时，丝杠173远离丝杠螺母172运动，进而带动滑轨157远离第一连接臂155运动。
当滑轨157沿第一连接臂155轴向远离第一连接臂155运动时，能够将载物台160相对于底盘100升起，当物流机器人爬坡时，虽然底盘100相对于水平面是倾斜的，但是载物台170相对于水平面则是趋于水平的，能够避免载物台170上物品掉落，如图4所示。同理，当滑轨157沿第一连接臂155轴向靠近第一连接臂156运动时，能够将载物台160相对于底盘100降落，当物流机器人下坡时，虽然底盘100相对于水平面是倾斜的，但是载物台170相对于水平面则是趋于水平的，也能够避免载物台170上物品掉落。
麦克纳姆轮130由轮辐和固定在外周的许多小辊子组成，轮子和辊子之间的夹角为45°。每个轮子具有三个自由度，一个是绕轮子轴心转动，第二个是绕辊子轴心转动，第三个是绕轮子和地面的接触点转动。轮子由行星轮系中的第二链轮的链轮轴驱动，故其余下两个自由度自由运动。每组行星轮系上装有三个选项相同的麦克纳姆轮，三个轮子由各自相连的第二链轮经链条固连。平地使用时每组行星轮系有两个麦克纳姆轮接地，另一个悬空。故机器人在平地行进时有八个行进轮接地。相邻的两组行星轮系上的麦克纳姆轮有不同的旋向。由于麦克纳姆轮独特的结构，可以在路面良好的环境下进行全向移动，任意切换直行、横移、斜行等运动状态。而在泥地、沙地等附着系数差的路面上行驶时，每个麦克纳姆轮上的接地的多个辊子又构成了深刻的轮胎纹路，可以增大附着系数。
本发明设计开发的应用复杂地形的小型机器人底盘结构，能够通过伸缩机构驱动滑轨沿第一连接臂的轴向运动，能够调整载物台的倾斜角度，大大降低了机器人越障时物品掉落的可能；在底盘两侧对称可旋转支撑设置有多个麦克纳姆轮组，使得底盘可以并能够在地面上进行各种姿态的运动，包括前后平移、自旋、横移、斜行、转弯等，提高机器人翻越障碍物的能力，实现在良好路面、楼梯、废墟等复杂环境下移动。本机器人底盘通过搭载二自由度行星轮系连接麦克纳姆轮组，以行星轮系自身的机械特性，实现平地正常行驶，遇到障碍物自动识别并支撑起底盘越障的功能，无需冗杂的传感器及控制系统。
本发明还提供一种具备全向移动和越障能力的物流机器人的控制方法，包括：
(1)当机器人无障碍物平地行进时，驱动电机不工作，行星轮仅绕自身轴向旋转，并通过第一链轮和第二链轮驱动麦克纳姆轮自转，驱动机器人行驶；
(2)当机器人遇障碍物行驶时(如图2所示)，行星轮绕自身轴向旋转的同时也绕太阳轮轴向公转，驱动行星架带动麦克纳姆轮组旋转，驱动机器人前进并翻越障碍物，同时，驱动电机工作，并控制滑轨沿第一连接臂轴向运动的距离为：
式中，d为滑轨沿第一连接臂轴向运动的距离，d大于0时，滑轨远离第一连接臂运动，d小于0时，滑轨靠近第一连接臂运动，D为载物台的轴向长度，H为支撑柱的高度，ζ为校正系数，α为机器人行驶方向与水平路面的夹角，上坡时，α大于0，下坡时，α小于0，μ为载物台内部底面的摩擦系数，L0为机器人处于水平状态时，第一连接臂和滑轨配合后的总长度，π为弧度；
其中，当所述机器人行驶时，每个麦克纳姆轮组中有且仅有2个麦克纳姆轮同时接地。
由于机器人底盘行进时，行星轮系同时具有自转和公转两个自由度，其中自转自由度无约束，公转自由度受机器人自身重力与地面间的反作用力约束。当底盘行星轮系的公转转矩大于由机器人自身重力与地面间的反作用力产生的力矩时，行星轮系即开始公转。
当需要机器人平地行驶时，为保证行进平稳，需要令行星轮系的公转自由度被约束，仅由行星齿轮自转带动麦克纳姆轮驱动机器人前进。故平地行进时需要限制(控制)机器人四个电机的输出转矩，以免个别电机输出转矩过大导致行星轮系公转扭矩过大，使得对应行星轮系公转，机器人行驶变得颠簸。
为保证使用安全，在崎岖地貌下坡行进时，前轴电机应驱动，后轴电机应轻微制动，为机器人提供向后翻转的力矩，避免机器人前翻下去。
(1.1)当机器人无障碍物匀速平地行驶时，假设地面附着系数良好，麦克纳姆轮与地面间不发生滑动摩擦，机器人平地行进时的速度v为：
其中：n为电机输出轴转速；ig为行星齿轮组传动比；is为链轮组传动比；d为麦克纳姆轮直径。
由于要限制(控制)机器人平地行进时的电机输出转矩，而良好路面上电机输出扭矩主要取决于地面坡度与机器人加速度(匀速行驶加速度为0)，则还需探究机器人在行星轮系不发生公转的情况下的最大爬坡能力，以及为满足尽可能大的爬坡度所需的前后轴电机协同工作方式。
在坡路上，路面倾斜程度对机器人前后轴路面压力的影响为：
其中：为机器人在水平方向上的倾角，FA为地面对前轴的法向压力；FB为地面对后轴的法向压力；H为机器人水平放置时质心高度；L为机器人前后轴间距；b为水平放置时质心在水平方向上与后轴轴线之间的距离；G为机器人工作时的总重力。
经化简整理后可得：
而前后轴行星轮系在发生公转时的临界值时，电机转矩与对应轴的法向压力之间的关系为：
其中：MA1max、MA2max分别为前轴左右侧电机在行星轮系开始公转时的临界转矩；MB1max、MB2max分别为后轴左右侧电机在行星轮系开始公转时的临界转矩；rc为行星轮系公转时，麦克纳姆轮轴线绕行星轮系中心回转半径。
因此，若已知机器人在水平方向上的倾角即可算出前后轴电机在行星轮系不公转时的可以发出的最大转矩。
当角达到机器人所能攀爬的最大值时，即当时，机器人驱动力与延坡道的下滑力相等：
经整理可得：
综上，可代表机器人的最大爬坡能力。且为了充分利用机器人的驱动力，在避免行星轮系公转的前提下尽可能大的增加驱动力，需要协同控制前后电机，以前后轴电机最佳扭矩分配系数s为控制目标，以参数s控制前后轴电机扭矩输出。s的计算过程为：
因此，在机器人无障碍物平地匀速行驶时，应当控制前后轴两侧的动力机构(伺服电机)的转矩满足：
其中，MA1、MA2分别为前轴左右侧动力机构的转矩；MB1、MB2分别为后轴左右侧动力机构的转矩；
并控制前后轴扭矩分配系数s满足：
(1.2)当机器人无障碍物平地加速行驶或者起步时，电动机的输出转矩还和机器人的加速度有关，为避免行星轮系发生公转产生颠簸，还需要限制机器人的最大加速度，并控制机器人加速时的前后轴电机转矩。
当机器人以加速度a向前方加速行驶时，其前后轴与地面间的法向压力关系为：
其中：m0为机器人工作时的总质量。
加速度a与电机驱动转矩之间的关系为：
前后轴行星架发生公转前的极限状态时，电动机转矩与对应轴的法向压力之间的关系为：
经整理带入可得在行星轮系即将发生公转的临界情况下：
综上，在机器人平地行进状态起步或者加速工况下，协同控制前后轴电机，以前后轴扭矩分配系数s为控制目标，s为：
即可充分利用电机扭矩，在行星架不公转的情况下，满足机器人可以最大加速度a起步前进。amax为：
因此，当机器人无障碍物平地起步或者加速行驶时，应当控制前后轴两侧的动力机构的转矩满足：
并控制前后轴扭矩分配系数s满足：
(1.3)当机器人平地匀速或者加速行驶时，共有四组共八个麦克纳姆轮接地，麦克纳姆轮可以使机器人底盘全向移动。麦克纳姆轮按O型进行排布，通过控制四组轮的转速，使机器人达到前进、横移、斜行、自旋等状态，如图8、9所示。控制麦克纳姆轮组的转速满足：
ωi＝ωi1＝ωi2＝ωi3，i＝1,2,3,4；
其中，ω1为左前麦克纳姆轮组的转速，ω2为右前麦克纳姆轮组的转速、ω3为左后麦克纳姆轮组的转速、ω4为右后麦克纳姆轮组的转速；R为麦克纳姆轮接地半径；Y为前后轴距的一半；X为左右侧车轮接地点间距的一半，ωi＝ωi1＝ωi2＝ωi3为第i个麦克纳姆轮组的转速，ωi＝ωi1＝ωi2＝ωi3为第i个麦克纳姆轮组中第一个麦克纳姆轮的转速，ωi＝ωi1＝ωi2＝ωi3为第i个麦克纳姆轮组中第二个麦克纳姆轮的转速，ωi＝ωi1＝ωi2＝ωi3为第i个麦克纳姆轮组中第三个麦克纳姆轮的转速，VX为机器人纵向行驶速度，VY为机器人横向行驶速度，ωo为机器人自旋角速度。
进而确定对应电机输出轴的转速为麦克纳姆轮转速乘上链轮和齿轮的传动比。
上式为本底盘在理想情况下运动的逆解方程式，只需已知机器人运动中心向各个方向的平移速度和转动速度即可求出理想情况下机器人各组麦克纳姆轮的角速度。故在控制机器人行进时，需要以机器人在X轴(横向)和Y轴(纵向)上的行进速度和自旋角速度为控制目标，确定好目标之后控制器用上式计算出各个麦克纳姆轮组的目标转速及对应电机的目标转速，并向各个电机输出控制信号。
(2.1)当机器人遇障碍物行驶时(在越障的时候是低速低加速度的状态，故不考虑加速度的影响)，动力机构(伺服电机)需要提供足够的转矩令行星轮系公转越障，应当控制前后轴两侧的动力机构的转矩满足：
其中，为机器人在水平方向上的倾角，H为机器人水平放置时质心高度；L为机器人前后轴间距；b为水平放置时质心在水平方向上与后轴轴线之间的距离；G为机器人工作时的总重力，MA1、MA2分别为前轴左右侧动力机构的转矩；MB1、MB2分别为后轴左右侧动力机构的转矩；rc为行星轮系公转时麦克纳姆轮轴线绕行星轮系中心回转半径；
为避免前后轴电机互相干涉，控制前后轴扭矩分配系数s满足：
本发明设计开发的具备全向移动和越障能力的物流机器人的控制方法，能够根据行驶路面状况，控制每个麦克纳姆轮组的行驶状态，并在越障时根据机器人的倾斜状态控制滑轨沿第一连接臂轴向运动的距离，降低了机器人越障时物品掉落的可能。本发明还能根据行驶路面状况以及机器人的行驶状态，控制前后轴两侧的动力机构的转矩以及分配系数，提高机器人行驶稳定性。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。
Claims (7)
1.一种具备全向移动和越障能力的物流机器人的控制方法，使用具备全向移动和越障能力的物流机器人，其特征在于，包括：
当物流机器人无障碍物平地行驶时，驱动电机不工作，行星轮仅绕自身轴向旋转，并通过第一链轮和第二链轮驱动麦克纳姆轮自转，驱动机器人行驶；
当物流机器人遇障碍物行驶时，行星轮绕自身轴向旋转的同时也绕太阳轮轴向公转，驱动行星架带动麦克纳姆轮组旋转，驱动机器人前进并翻越障碍物，同时，驱动电机工作，并控制滑轨沿第一连接臂轴向运动的距离为：
式中，d为滑轨沿第一连接臂轴向运动的距离，D为载物台的轴向长度，H为支撑柱的高度，ζ为校正系数，α为机器人行驶方向与水平路面的夹角，μ为载物台内部底面的摩擦系数，L0为机器人处于水平状态时，第一连接臂和滑轨配合后的总长度，π为弧度；
其中，当所述物流机器人行驶时，每个麦克纳姆轮组中有且仅有2个麦克纳姆轮同时接地；
所述具备全向移动和越障能力的物流机器人，包括：
底盘，其径向两侧对称且可旋转支撑设置有多个麦克纳姆轮组；
支撑架，其为直角三棱柱结构，且直角边一面与所述底盘固定连接；
一对第一连接臂，其对称设置在所述底盘径向两侧，并与所述支撑架的斜边一面交叉设置，且一端与所述支撑架的直角处铰接；
一对滑轨，其对称设置在所述底盘径向两侧，并与所述支撑架的斜边一面交叉设置，且相背侧设置有滑槽；
其中，所述第一连接臂的另一端可滑动设置在对应所述滑槽内，且所述滑轨能够沿所述第一连接臂轴向运动；
第一导向杆，其轴向两端分别与位于所述底盘径向两侧的所述第一连接臂垂直固定连接；
第二导向杆，其轴向两端分别与位于所述底盘径向两侧的所述滑轨垂直固定连接；
载物台，其间隔支撑设置在所述底盘上方，且轴向一侧与所述支撑架铰接，另一侧与位于所述底盘径向两侧的所述滑轨铰接；
伸缩机构，其设置在所述第一导向杆和所述第二导向杆之间，且一端与所述第一导向杆连接，另一端与所述第二导向杆连接，用于驱动所述滑轨沿所述第一连接臂轴向运动；
所述伸缩机构包括：
固定架，其固定设置在所述第一导向杆上；
丝杠螺母，其一端可旋转设置在所述固定架上；
丝杠，其一端与所述第二导向杆固定连接，另一端与所述丝杠螺母螺纹连接；
外齿圈，其固定套设在所述丝杠螺母另一端；
驱动电机，其输出齿轮与所述外齿圈啮合，用于驱动所述丝杠螺母旋转；
其中，当所述驱动电机正转时，所述丝杠靠近所述丝杠螺母运动；当所述驱动电机反转时，所述丝杠远离所述丝杠螺母运动；
所述麦克纳姆轮组包括：
行星架；
太阳轮，其设置在所述行星架一侧中心，且能够沿自身轴向旋转；
多个行星轮，其均匀设置在所述太阳轮周向，且与所述太阳轮啮合，所述行星轮能够绕所述太阳轮轴向公转并带动所述行星架旋转，也能够绕自身轴向旋转；
多个第一链轮，其设置在所述行星架另一侧，且与所述行星轮一一对应并同轴设置，所述第一链轮与对应的所述行星轮同步运动；
多个第二链轮，其分别设置在所述第一链轮之间的所述行星架另一侧，且能够绕自身轴向旋转；
链条，其依次连接所述第一链轮和所述第二链轮，并处于张紧状态；
其中，所述第一链轮和所述第二链轮分别位于所述链条两侧；
多个麦克纳姆轮，其设置在所述行星架另一侧，且与所述第二链轮一一对应并同轴设置，所述麦克纳姆轮与对应的所述第二链轮同步运动；
动力机构，其输出端与所述太阳轮同轴固定连接，用于驱动所述太阳轮旋转。
2.如权利要求1所述的具备全向移动和越障能力的物流机器人的控制方法，其特征在于，所述行星架包括：
第一架板；
第二架板，其与所述第一架板平行间隔设置；
其中，所述第一架板和所述第二架板的结构一致，均为三角形板状结构；以及
所述太阳轮和行星轮设置在所述第一架板外侧面，所述第一链轮、第二链轮和链条设置在所述第一架板和所述第二架板之间，所述麦克纳姆轮设置在所述第二架板外侧。
3.如权利要求2所述的具备全向移动和越障能力的物流机器人的控制方法，其特征在于，所述具备全向移动和越障能力的物流机器人还包括：
太阳轮轴，其固定穿过所述太阳轮，且一端可旋转设置在所述第一架板外侧面中心，另一端与所述动力机构的输出端固定连接；
多个行星轴，其可旋转穿过所述第一架板和所述第二架板，并与所述行星轮一一对应；
其中，所述行星轮同轴固定设置在位于所述第一架板外侧的所述行星轴上，所述第一链轮同轴固定设置在位于所述第一架板和所述第二架板之间的所述行星轴上；
多个链轮轴，其可旋转穿过所述第一架板和所述第二架板，并与所述第二链轮一一对应；
其中，所述第二链轮同轴固定设置在位于所述第一架板和所述第二架板之间的所述链轮轴上，所述麦克纳姆轮固定设置在位于所述第二架板外侧的所述链轮轴上。
4.如权利要求1、2或3所述的具备全向移动和越障能力的物流机器人的控制方法，其特征在于，所述支撑架包括：
第一固定杆和第二固定杆，其对称固定设置在所述底盘轴向两侧；
支撑柱，其垂直固定设置在所述第一固定杆中部；
支撑杆，其垂直设置在所述支撑柱上，且与所述第一固定杆对称；
一对第二连接臂，其对称设置在所述底盘径向两侧，且一端与所述支撑杆固定连接，另一端与所述第二固定杆固定连接；
其中，所述第一连接臂与所述第二连接臂交叉设置，所述载物台轴向一侧与所述支撑杆轴向两端铰接。
5.如权利要求4所述的具备全向移动和越障能力的物流机器人的控制方法，其特征在于，当物流机器人无障碍物平地匀速行驶时，控制前后轴两侧的动力机构的转矩满足：
其中，为机器人在水平方向上的倾角，H为机器人水平放置时质心高度；L为机器人前后轴间距；b为水平放置时质心在水平方向上与后轴轴线之间的距离；G为机器人工作时的总重力，MA1、MA2分别为前轴左右侧动力机构的转矩；MB1、MB2分别为后轴左右侧动力机构的转矩；rc为行星轮系公转时麦克纳姆轮轴线绕行星轮系中心回转半径；
并控制前后轴扭矩分配系数s满足：
其中，所述机器人的最大爬坡能力满足：
其中，ig为行星齿轮组传动比；is为链轮组传动比；d为麦克纳姆轮直径；
当物流机器人无障碍物平地起步或者加速行驶时，控制前后轴两侧的动力机构的转矩满足：
其中，L为机器人前后轴间距；G为机器人工作时的总重力，MA1、MA2分别为前轴左右侧动力机构的转矩；MB1、MB2分别为后轴左右侧动力机构的转矩；rc为行星轮系公转时麦克纳姆轮轴线绕行星轮系中心回转半径，d为麦克纳姆轮直径，ig为行星齿轮组传动比；is为链轮组传动比，H为机器人水平放置时质心高度；
并控制前后轴扭矩分配系数s满足：
并控制机器人的加速度a满足：
其中，m0为机器人工作时的总质量。
6.如权利要求5所述的具备全向移动和越障能力的物流机器人的控制方法，其特征在于，当物流机器人平地匀速、或者加速行驶时，控制麦克纳姆轮组的转速满足：
ωi＝ωi1＝ωi2＝ωi3，i＝1,2,3,4；
其中，ω1为左前麦克纳姆轮组的转速，ω2为右前麦克纳姆轮组的转速、ω3为左后麦克纳姆轮组的转速、ω4为右后麦克纳姆轮组的转速；R为麦克纳姆轮接地半径；Y为前后轴距的一半；x为左右侧车轮接地点间距的一半，ωi＝ωi1＝ωi2＝ωi3为第i个麦克纳姆轮组的转速，ωi＝ωi1＝ωi2＝ωi3为第i个麦克纳姆轮组中第一个麦克纳姆轮的转速，ωi＝ωi1＝ωi2＝ωi3为第i个麦克纳姆轮组中第二个麦克纳姆轮的转速，ωi＝ωi1＝ωi2＝ωi3为第i个麦克纳姆轮组中第三个麦克纳姆轮的转速，VX为机器人横向行驶速度，VY为机器人纵向行驶速度，ωo为机器人自旋角速度。
7.如权利要求6所述的具备全向移动和越障能力的物流机器人的控制方法，其特征在于，当物流机器人遇障碍物行驶时，控制前后轴两侧的动力机构的转矩满足：
其中，为机器人在水平方向上的倾角，H为机器人水平放置时质心高度；
L为机器人前后轴间距；b为水平放置时质心在水平方向上与后轴轴线之间的距离；G为机器人工作时的总重力，MA1、MA2分别为前轴左右侧动力机构的转矩；MB1、MB2分别为后轴左右侧动力机构的转矩；rc为行星轮系公转时麦克纳姆轮轴线绕行星轮系中心回转半径；
并控制前后轴扭矩分配系数s满足：
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