CN113733052B - 一种全向移动机器人及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种全向移动机器人及其控制方法，六轴机械臂包括第一关节轴、第二关节轴、第三关节轴、第四关节轴、第五关节轴和第六关节轴，第一关节轴连接在全向移动平台上，第一关节轴的输出端连接第二关节轴，第二关节轴的输出端连接第三关节轴，第三关节轴的输出端连接第四关节轴，第四关节轴的输出端连接第五关节轴，第五关节轴的输出端连接第六关节轴，相邻关节轴的旋转轴互相垂直；全向移动平台的自转旋转轴、第一关节轴的旋转轴和第二关节轴的旋转轴的轴线交于同一点构成球形腕结构，第四关节轴的旋转轴、第五关节轴的旋转轴和第六关节轴的旋转轴的轴线交于同一点构成球形腕结构。本发明能够消除当前全向移动机器人存在的无效自由度。

Description

一种全向移动机器人及其控制方法
技术领域
本发明涉及机器人领域，具体涉及一种全向移动机器人及其控制方法。
背景技术
伴随自动化技术发展，机械臂可完成多种工作，被广泛应用于不同场合，传统机械臂安装于静止平台或固定导轨，只能运行在特定区域，对于户外工作、室内清扫等工作范围大，运动路线复杂的工作难以胜任。目前通过将机械臂安装于移动平台，使机械臂获得更大的工作空间和更灵活的运动规划，其中全向移动底盘因其可实现任意方向移动，绕任意点转动等特点被广泛采用。
现有的全向移动机器人，其机械臂与全向移动平台均为单独设计开发，通过系统集成组成整体。其机械臂部分，采用现有的协作机械臂或工业机械臂，为保证位姿灵活性，主要为六轴或七轴机械臂。现有机械臂产品构型第一关节轴主流为垂直于基座，即垂直于全向移动平台的运动平面，而全向移动平台自转的旋转轴为垂直于运动平面的任意轴，当两部分的旋转运动互相重合时，会产生一个无效的自由度，导致多余的能耗与成本。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供了一种全向移动机器人及其控制方法，其目的在于消除当前全向移动机器人存在无效自由度的问题，不损失灵活度，同时降低成本与功耗。
为了解决上述技术问题，本发明通过以下技术方案予以实现：
一种全向移动机器人，包括六轴机械臂和全向移动平台，所述六轴机械臂包括第一关节轴、第二关节轴、第三关节轴、第四关节轴、第五关节轴和第六关节轴，所述第一关节轴连接在所述全向移动平台上，所述第一关节轴的输出端连接所述第二关节轴，所述第二关节轴的输出端连接所述第三关节轴，所述第三关节轴的输出端连接所述第四关节轴，所述第四关节轴的输出端连接所述第五关节轴，所述第五关节轴的输出端连接所述第六关节轴；所述第一关节轴的旋转轴分别与所述全向移动平台的自转旋转轴和所述第二关节轴的旋转轴垂直，所述第三关节轴的旋转轴分别与所述第二关节轴的旋转轴和所述第四关节轴的旋转轴垂直，所述第五关节轴的旋转轴分别与所述第四关节轴的旋转轴和所述第六关节轴的旋转轴垂直；所述全向移动平台的自转旋转轴、所述第一关节轴的旋转轴和所述第二关节轴的旋转轴的轴线交于同一点构成球形腕结构，所述第四关节轴的旋转轴、所述第五关节轴的旋转轴和所述第六关节轴的旋转轴的轴线交于同一点构成球形腕结构。
进一步地，所述第一关节轴的输出端与所述第二关节轴之间、所述第二关节轴的输出端与所述第三关节轴之间、所述第三关节轴的输出端与所述第四关节轴之间、所述第四关节轴的输出端与所述第五关节轴之间以及所述第五关节轴的输出端与所述第六关节轴之间均通过连杆连接。
进一步地，还包括机械臂连接座，所述机械臂连接座固定在所述全向移动平台上，所述第一关节轴连接在所述机械臂连接座上。
进一步地，所述全向移动平台采用麦克纳姆轮作为驱动形式。
进一步地，所述全向移动平台采用全向轮作为驱动形式。
进一步地，所述全向移动平台采用舵轮作为驱动形式。
进一步地，所述第六关节轴的输出端用于连接执行机构。
一种全向移动机器人的控制方法，包括：
依次将所述全向移动平台的自转旋转轴、所述六轴机械臂的第一关节轴、第二关节轴、第三关节轴、第四关节轴、第五关节轴和第六关节轴定义为第一轴至第七轴，建立等效七轴机械臂逆运动学模型；
将所述六轴机械臂在全局坐标系下的末端任务轨迹，分解为在等效七轴机械臂坐标系下的等效七轴机械臂末端任务轨迹和在全局坐标系下的所述全向移动平台的平移运动轨迹；对于等效七轴机械臂坐标系，其姿态与全局坐标系始终一致，位置固定于所述全向移动平台自转旋转轴上任意点；
将所述在等效七轴机械臂坐标系下的等效七轴机械臂末端任务轨迹作为所述等效七轴机械臂逆运动学模型的输入，输出所述全向移动平台的自转旋转轴、六轴机械臂的第一关节轴、第二关节轴、第三关节轴、第四关节轴、第五关节轴和第六关节轴的运动轨迹；
根据所述全向移动平台的构型，建立全向移动平台逆运动学模型；
根据所述全向移动平台的平移运动轨迹和所述全向移动平台的自转旋转轴的运动轨迹，相加得到所述全向移动平台的实际运动轨迹；
将所述全向移动平台的实际运动轨迹作为所述全向移动平台逆运动学模型的输入，输出所述全向移动平台的每个驱动轮的运动轨迹。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
1，本发明消除了传统全向移动机器人中全向移动平台自转旋转轴与传统机械臂第一关节轴的轴线均为竖直方向，当两轴线重合时出现一个无效自由度的问题。通过整体设计全向移动机器人结构，取消传统机械臂的第一关节轴，以全向移动平台自转的旋转轴替代，消除了无效自由度。
2，本发明相较传统搭载六轴机械臂的全向移动机器人，在机械臂轴数不变的情况下，优化机械臂构型，将全向移动平台的的旋转运动作为机械臂的一个外部关节轴，使六轴机械臂等效为七轴机械臂，可实现更灵活的操作，适应更复杂的工作环境。
3，本发明相较传统搭载七轴机械臂的全向移动机器人，将全向移动平台的的旋转轴作为等效七轴机械臂第一关节轴，原有七轴运动学算法依旧适用，同时，减少的一个关节轴可有效降低系统自身重量、运行能耗和制造成本。
4，本发明将全向移动平台的自转旋转轴作为等效七轴机械臂第一关节轴，此关节轴负载极大，更拥有无限的运动范围，较传统七轴机械臂有更大的灵活度和负载。
为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式中的技术方案，下面将对具体实施方式描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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的附图。
图1为本发明的全向移动机器人结构示意图；
图2为本发明的全向移动机器人机构运动简图；
图3为本发明的控制流程图。
图中：1-六轴机械臂；101-第一关节轴；102-第二关节轴；103-第三关节轴；104-第四关节轴；105-第五关节轴；106-第六关节轴；2-全向移动平台；3-机械臂连接座。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
作为本发明的某一具体实施方式，结合图1和图2所示，一种全向移动机器人，包括六轴机械臂1和全向移动平台2，六轴机械臂1包括第一关节轴101、第二关节轴102、第三关节轴103、第四关节轴104、第五关节轴105和第六关节轴106，第一关节轴101连接在全向移动平台2上，第一关节轴101的输出端连接第二关节轴102，第二关节轴102的输出端连接第三关节轴103，第三关节轴103的输出端连接第四关节轴104，第四关节轴104的输出端连接第五关节轴105，第五关节轴105的输出端连接第六关节轴106，在使用时，第六关节轴106的输出端用于连接执行机构，也就是说，可根据具体任务类型安装不同的末端执行机构。具体地说，第一关节轴101的输出端与第二关节轴102之间、第二关节轴102的输出端与第三关节轴103之间、第三关节轴103的输出端与第四关节轴104之间、第四关节轴104的输出端与第五关节轴105之间以及第五关节轴105的输出端与第六关节轴106之间均通过连杆连接，连杆长度、外形、结构等特征根据实际工况选择。
第一关节轴101的旋转轴分别与全向移动平台2的自转旋转轴和第二关节轴102的旋转轴垂直，第三关节轴103的旋转轴分别与第二关节轴102的旋转轴和第四关节轴104的旋转轴垂直，第五关节轴105的旋转轴分别与第四关节轴104的旋转轴和第六关节轴106的旋转轴垂直。
全向移动平台2的自转旋转轴、第一关节轴101的旋转轴和第二关节轴102的旋转轴的轴线交于同一点构成球形腕结构，第四关节轴104的旋转轴、第五关节轴105的旋转轴和第六关节轴106的旋转轴的轴线交于同一点构成球形腕结构。即两个球形腕结构通过第三关节轴103连接，上述两个球形腕结构配合连接两球形腕结构的第三关节轴103，可形成等效七轴机械臂。
优选的，在全向移动平台2上固定有机械臂连接座3，第一关节轴101连接在机械臂连接座3上。也就是说，机械臂连接座3实现全向移动平台2与六轴机械臂1的第一关节轴101的位姿固定，机械臂连接座3一端固定全向移动平台2上，另一端固定六轴机械臂1的第一关节轴101，保证第一关节轴101的旋转轴与全向移动平台2平移的运动平面平行，即保证第一关节轴101的旋转轴与全向移动平台2的自转旋转轴垂直。同时，因为全向移动平台2的自转旋转轴、第一关节轴101的旋转轴和第二关节轴102的旋转轴的轴线交于同一点构成球形腕结构，全向移动平台2的自转旋转轴在全向移动平台上的位置也被确定。
优选的，全向移动平台2采用麦克纳姆轮、全向轮或舵轮作为驱动形式，相关的驱动电机有m个，具体实施依据实际工况选择。
本发明的一种全向移动机器人共九个自由度，九个自由度具体包括：全向移动平台2有两个平移自由度，其余为七个旋转自由度，即全向移动平台2自转的旋转自由度、第一关节轴101的旋转自由度、第二关节轴102的旋转自由度、第三关节轴103的旋转自由度、第四关节轴104的旋转自由度、第五关节轴105的旋转自由度和第六关节轴106的旋转自由度。
如图2和图3所示，本发明一种全向移动机器人的控制方法，具体包括以下步骤：
S1、依次将全向移动平台2的自转旋转轴、六轴机械臂1的第一关节轴101、第二关节轴102、第三关节轴103、第四关节轴104、第五关节轴105和第六关节轴106定义为第一轴至第七轴，建立等效七轴机械臂逆运动学模型。
S2、将六轴机械臂1在全局坐标系下的末端任务轨迹分解为在等效七轴机械臂坐标系下的等效七轴机械臂末端任务轨迹/>和在全局坐标系下的全向移动平台2的平移运动轨迹/>对于等效七轴机械臂坐标系，其位置固定于全向移动平台2自转旋转轴上任意点，姿态始终与全局坐标系一致。
S3、将在等效七轴机械臂坐标系下的等效七轴机械臂末端任务轨迹作为等效七轴机械臂逆运动学模型的输入，输出等效七轴机械臂各关节轴运动轨迹θjoint1(t)到θjoint7(t)对应全向移动平台2的自转旋转轴的运动轨迹、六轴机械臂1的第一关节轴101、第二关节轴102、第三关节轴103、第四关节轴104、第五关节轴105和第六关节轴106的运动轨迹。
S4、根据全向移动平台2的实际构型，建立全向移动平台逆运动学模型。
S5、根据全向移动平台2的平移运动轨迹和全向移动平台2的自转旋转轴的运动轨迹θjoint1(t)，相加得到全向移动平台2的实际运动轨迹。
S6、将全向移动平台2的实际运动轨迹作为全向移动平台逆运动学模型的输入，输出全向移动平台2的m个驱动轮的运动轨迹
S7、根据六轴机械臂1各关节和全向移动平台2各驱动轮的运动轨迹和输出各关节和驱动轮的的实际位置控制指令。
最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种全向移动机器人，其特征在于，包括六轴机械臂(1)和全向移动平台(2)，所述六轴机械臂(1)包括第一关节轴(101)、第二关节轴(102)、第三关节轴(103)、第四关节轴(104)、第五关节轴(105)和第六关节轴(106)，所述第一关节轴(101)连接在所述全向移动平台(2)上，所述第一关节轴(101)的输出端连接所述第二关节轴(102)，所述第二关节轴(102)的输出端连接所述第三关节轴(103)，所述第三关节轴(103)的输出端连接所述第四关节轴(104)，所述第四关节轴(104)的输出端连接所述第五关节轴(105)，所述第五关节轴(105)的输出端连接所述第六关节轴(106)；所述第一关节轴(101)的旋转轴分别与所述全向移动平台(2)的自转旋转轴和所述第二关节轴(102)的旋转轴垂直，所述第三关节轴(103)的旋转轴分别与所述第二关节轴(102)的旋转轴和所述第四关节轴(104)的旋转轴垂直，所述第五关节轴(105)的旋转轴分别与所述第四关节轴(104)的旋转轴和所述第六关节轴(106)的旋转轴垂直；所述全向移动平台(2)的自转旋转轴、所述第一关节轴(101)的旋转轴和所述第二关节轴(102)的旋转轴的轴线交于同一点构成球形腕结构，所述第四关节轴(104)的旋转轴、所述第五关节轴(105)的旋转轴和所述第六关节轴(106)的旋转轴的轴线交于同一点构成球形腕结构。
2.根据权利要求1所述的一种全向移动机器人，其特征在于，所述第一关节轴(101)的输出端与所述第二关节轴(102)之间、所述第二关节轴(102)的输出端与所述第三关节轴(103)之间、所述第三关节轴(103)的输出端与所述第四关节轴(104)之间、所述第四关节轴(104)的输出端与所述第五关节轴(105)之间以及所述第五关节轴(105)的输出端与所述第六关节轴(106)之间均通过连杆连接。
3.根据权利要求1所述的一种全向移动机器人，其特征在于，还包括机械臂连接座(3)，所述机械臂连接座(3)固定在所述全向移动平台(2)上，所述第一关节轴(101)连接在所述机械臂连接座(3)上。
4.根据权利要求1所述的一种全向移动机器人，其特征在于，所述全向移动平台(2)采用麦克纳姆轮作为驱动形式。
5.根据权利要求1所述的一种全向移动机器人，其特征在于，所述全向移动平台(2)采用全向轮作为驱动形式。
6.根据权利要求1所述的一种全向移动机器人，其特征在于，所述全向移动平台(2)采用舵轮作为驱动形式。
7.根据权利要求1所述的一种全向移动机器人，其特征在于，所述第六关节轴(106)的输出端用于连接执行机构。
8.根据权利要求1至7任一项所述的一种全向移动机器人的控制方法，其特征在于，包括：
依次将所述全向移动平台(2)的自转旋转轴、所述六轴机械臂(1)的第一关节轴(101)、第二关节轴(102)、第三关节轴(103)、第四关节轴(104)、第五关节轴(105)和第六关节轴(106)定义为第一轴至第七轴，建立等效七轴机械臂逆运动学模型；
将所述六轴机械臂(1)在全局坐标系下的末端任务轨迹，分解为在等效七轴机械臂坐标系下的等效七轴机械臂末端任务轨迹和在全局坐标系下的所述全向移动平台(2)的平移运动轨迹；对于等效七轴机械臂坐标系，其姿态与全局坐标系始终一致，位置固定于所述全向移动平台(2)自转旋转轴上任意点；
将所述在等效七轴机械臂坐标系下的等效七轴机械臂末端任务轨迹作为所述等效七轴机械臂逆运动学模型的输入，输出所述全向移动平台(2)的自转旋转轴、六轴机械臂(1)的第一关节轴(101)、第二关节轴(102)、第三关节轴(103)、第四关节轴(104)、第五关节轴(105)和第六关节轴(106)的运动轨迹；
根据所述全向移动平台(2)的构型，建立全向移动平台逆运动学模型；
根据所述全向移动平台(2)的平移运动轨迹和所述全向移动平台(2)的自转旋转轴的运动轨迹，相加得到所述全向移动平台(2)的实际运动轨迹；
将所述全向移动平台(2)的实际运动轨迹作为所述全向移动平台逆运动学模型的输入，输出所述全向移动平台(2)的每个驱动轮的运动轨迹。
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