CN115043356A - 一种全向移动的运载装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种全向移动的运载装置及其控制方法，其中运载装置包括移动座，所述移动座的底部安装有驱动模组；所述驱动模组具备能够沿竖向轴旋转的转动座，所述转动座上安装有两个驱动轮；两个所述驱动轮相对于所述转动座自身的转轴对称安装，且两个所述驱动轮能够各自相对于所述转动座主动转动。控制方法中通过对运载对象进行识别以确定运载装置的运动参数，通过对每组驱动模组的两个驱动轮的差速控制，即可实现对机器人前进方向的控制，可以使机器人进行全向运动。整个运载装置结构简单，运动灵活；对运载装置的控制方法智能化程度高。

Description

一种全向移动的运载装置及其控制方法

技术领域

本发明涉及运载工具领域，特别涉及一种全向移动的运载装置及其控制方法。

背景技术

如叉取机器人、搬运机器人等运载装置是物流搬运系统中重要的搬运工具，承担了大量的搬运工作；为了最大限度的提升仓储车间的存储效率，需尽可能的缩小货架之间巷道的宽度；由于巷道的宽度缩小，对运载装置的使用条件要求变高，要求叉运载装置运动更加灵活，因此全向移动成了新一代运载装置最重要的设计目标。

以叉取机器人为例，目前，市面上的技术方案较多为叉车舵轮驱动方式，舵轮位于叉车前侧，从动轮位于叉车叉齿侧；该种方案比较成熟，但叉车不具备横向移动能力，且需要的堆垛空间过大，不适用于窄巷道、高存放效率的仓储空间使用。

近年，已经出现了少量的全向叉车；专利CN209778193U公开了一种可全向移动的叉车，该叉车为四个单轮驱动结构，其前后驱动轮通过齿条实现同步转向；但该模组虽然解决了叉车的横向移动问题，但无法实现原地自转，运动能力上不足；且该方案中没有对应的悬挂系统，会使叉车的路面适应能力较差，在工厂仓库或不平度较大的路面上常出线车轮打滑或车体失去控制等现象，无法准确的执行工作命令。

专利CN214823578U公开了一种全向叉车转向机构，该结构类似于车辆转向所用的齿条传动结构；该专利只解决了局部的全转向问题，没有解决叉车整体全转向的问题且暂不能实现完全自动化。

因此需要一种具备全向移动能力，能够适应窄巷道的工作场景的全向移动的运载装置及其控制方法。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种具备全向移动功能的，能够适应窄巷道等工作场景的全向移动的运载装置及其控制方法。

技术方案：为实现上述目的，本发明的全向移动的运载装置，其包括移动座，所述移动座的底部安装有驱动模组；

所述驱动模组具备能够沿竖向轴旋转的转动座，所述转动座上安装有两个驱动轮；两个所述驱动轮相对于所述转动座自身的转轴对称安装，且两个所述驱动轮能够各自相对于所述转动座主动转动。

采用上述结构，转动座相对所述移动座的转动运动由两个驱动轮进行差速运动实现，转动座转向后，移动座的运动方向发生改变；当驱动轮的转动轴线垂直于前后方向时，在该姿态下，所有驱动模组的驱动轮同向等速旋转可以带动运载装置向前或者向后运动；当驱动轮的转动轴线平行于前后方向时，在该姿态下，所有驱动模组的驱动轮同向等速旋转可以带动运载装置横向移动；当所有转动座相对于移动座的倾斜角度相同时，在该姿态下，所有驱动模组的驱动轮同向等速旋转可以带动运载装置沿倾斜直线移动。

进一步地，所述驱动模组的数量为多个，所有所述驱动模组分散安装在所述移动座的底部。

采用该结构，通过设置多个驱动模组可以实现运载装置的原地回转。当需要控制驱动模组原地回转时，分别控制每个驱动模组的两个驱动轮等速反向转动，以使转动座相对于移动座旋转到达预设角度，此时在俯视方向上驱动轮的旋转轴线穿过运载装置的回转中心，在该姿态下，所有驱动模组的驱动轮同向旋转可以带动运载装置原地旋转，可以使运载装置的移动更加灵活，能够适应较窄的巷道。优选地，上述驱动模组的数量为四个，四个驱动模组分布在同一个长方形的四角位置，上述回转中心即为长方形的中心，此时，所有运载装置的转动座到达预设角度后，所有驱动轮同向等速转动即可实现运载装置的原地回转。在俯视方向上，回转中心位于运载装置的几何中心，当运载装置的俯视外轮廓不规则时，可选取将运载装置的俯视外轮廓包含在内的最小多边形(长方形或正多边形)或圆形的中心或中心附近设定范围内的点作为回转中心，如此可保证运载装置原地回转时所需的空间最小。

进一步地，部分或全部的所述驱动模组通过悬挂装置连接所述移动座。

进一步地，所述悬挂装置包括悬挂横臂，所述悬挂横臂的中部铰接在所述移动座上，两个所述驱动模组对称设置在所述悬挂横臂的两端；所述横臂支架与所述移动座固定连接。

通过上述结构，运载装置具有较好的路面适应能力。

进一步地，所述移动座上安装有能够主动升降的举升单元。

进一步地，所述驱动轮由安装在所述转动座上的驱动元件驱动运转。

一种运载装置的控制方法，其基于上述的运载装置，所述移动座上安装有感知模块，所述感知模块与执行所述控制方法的控制系统通讯连接，所述控制方法包括：

通过所述感知模块采集运载对象的数据；

根据所述运载对象的数据以及对象识别模型得到运载对象的位姿信息；

根据所述运载对象的位姿信息控制所述运载装置作用于所述运载对象。

上述控制方法中，通过预训练的对象识别模型对感知模块采集的数据进行识别，使得控制系统能够获知运载对象的属性并据此控制运载对象运动并作用于运载对象，使得运载装置具有较高的智能化，无需人工远程操控接驳货物。

进一步地，所述通过所述感知模块采集运载对象的数据之前还包括：

控制所述运载装置运动至靠近所述运载对象的预备点位。运载装置到达预备点位后再通过感知模块采集运载对象的数据。

进一步地，所述根据所述运载对象的位姿信息控制所述运载装置对运载对象进行叉取包括：

根据所述运载对象的位姿信息得到所述运载装置的整体运动参数，所述整体运动参数包括第一线速度、角速度以及第一航向角；此步骤由上位机实施，并将得到的整体运动参数发给下位机；

根据所述整体运动参数得到对应于所述驱动模组的模组运动参数，所述模组运动参数包括第二线速度与第二航向角；此步骤由下位机实施，下位机根据所述整车运动模型参数进行运动模型解析，得到对应于各所述驱动模组的模组运动参数；

根据所述模组运动参数控制所述驱动模组运转。

进一步地，所述控制方法还包括：

对不同型号的运载对象样品进行数据采集得到样品数据集；

利用训练模型对所述样品数据集进行训练得到所述对象识别模型；此处，使用PVN3D网络训练模型对样品数据进行训练，能够得到用于3D相机识别的对象识别模型。

有益效果：本发明的全向移动的运载装置及其控制方法，通过对每组驱动模组的两个驱动轮的差速控制，即可实现对驱动模组姿态的控制；通过控制驱动模组的姿态，实现对机器人前进方向的控制，可以使机器人进行全向运动；整个运载装置结构简单，运动灵活；同时该运载装置配备感知模块，能够识别运载对象并调节运载装置的运动参数，使运载装置更加智能、自动化程度更高。

附图说明

图1为全向移动的叉取机器人整体结构斜视图；

图2为驱动模组局部视图；

图3为全向移动的叉取机器人整体结构正视图；

图4为悬架组件局部放大图；

图5为叉取机器人的控制方法流程图；

图6为叉取机器人具体控制步骤示图。

图中：1、控制系统；2、感知模块；3、支撑架；4、底盘单元；5、举升装置；21、激光雷达；22、识别相机；41、驱动模组；42、移动座；43、悬架组件；411、转动座；412、驱动轮；413、驱动元件；414、轴承；415、编码器；431、悬挂横臂；横432、臂支架；51、举升单元。

具体实施方式

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明中涉及的运载装置的形式可以是叉取机器人、搬运AGV、牵引AGV等常见的运载装置，本实施例中以叉取机器人为例进行说明。

如图1所示的叉取机器人，其包括底盘单元4以及举升装置5；所述举升装置5包括举升单元51，所述举升单元51能够相对所述底盘单元4做升降运动，以便对运载对象进行搬运，本实施例中，举升单元51为货叉。

此外，叉取机器人上安装有控制系统1与感知模块2。

所述底盘单元4包括移动座42以及四组驱动模组41，所述移动座42的俯视投影的形状为U形，具有两个相互平行的纵向设置的固定纵座以及与固定纵座垂直设置的固定横座；四组所述驱动模组41呈矩形布置在所述移动座42底端，分别设置在两个固定纵座的两端，采用分布式设计方式，能够使底盘单元4具有更好的支撑运动效果；如图2所示，所述驱动模组41包括转动座411以及两个驱动轮412；所述转动座411相对所述移动座42转动安装，且所述转动座411的转轴沿竖直方向延伸，该结构能够使驱动模组41的姿态发生变化；两个所述驱动轮412同轴转动安装在所述转动座411上，其轴心与所述转轴交叉且垂直，两个所述驱动轮412相对所述转轴对称安装。

该实施例中，转动座411相对所述移动座42的转动运动由两个驱动轮412进行差速运动实现，转动座411转向后，底盘单元4的运动方向发生改变；当驱动轮412的转动轴线与固定纵座的延伸方向垂直时，在该姿态下，所有驱动模组的驱动轮412同向等速旋转可以带动叉取机器人向前或者向后(固定纵座的延伸方向为前后方向)运动；当驱动轮412的转动轴线与固定纵座的延伸方向平行时，在该姿态下，所有驱动模组的驱动轮412同向等速旋转可以带动叉取机器人横向移动；当所有转动座411相对于移动座42的角度相同时，在该姿态下，所有驱动模组41的驱动轮412同向等速旋转可以带动叉取机器人沿倾斜直线移动。

当需要控制驱动模组41原地回转时，分别控制每个驱动模组41的两个驱动轮412等速反向转动，以使转动座411相对于移动座旋转到达预设角度，此时在俯视方向上驱动轮412的旋转轴线穿过叉取机器人的回转中心，在俯视方向上，回转中心位于叉取机器人的几何中心，当叉取机器人的俯视外轮廓不规则时，可选取将叉取机器人的俯视外轮廓包含在内的最小多边形或圆形的中心或中心周围设定范围内的点作为回转中心，如此可保证叉取机器人原地回转时所需的空间最小；在该姿态下，所有驱动模组41的驱动轮412同向旋转可以带动叉取机器人原地旋转，可以使叉取机器人的移动更加灵活，能够适应较窄的巷道。优选地，上述四个驱动模组41分布在同一个长方形的四角位置，上述回转中心也是该长方形的中心，此时，所有叉取机器人的转动座到达预设角度后，所有驱动轮同向等速转动即可实现叉取机器人的原地回转。

优选地，每个所述驱动轮412均对应一个驱动元件413，所述驱动元件413能够驱动其对应的所述驱动轮412相对所述转动座411转动；该实施例中驱动轮412与驱动元件413可以为一体式的，即轮毂电机形式；驱动轮412与驱动元件413也可以为分体式的(如图2所示)；所述驱动模组41还包括轴承414以及编码器415；所述轴承414设置在所述转动座411与所述移动座42之间，所述轴承414为平面轴承；每个所述转轴均具有对应的编码器415，所述编码器415用于检测所述转轴的旋转角度，即驱动模组41的姿态。

该实施例中，对两个所述驱动元件413采用差速控制方式，驱动两个驱动轮412转动，以实现对两个驱动轮412相对移动座42旋转角度的控制；编码器415用于实时反馈转动座411与移动座42之间的角度，即驱动轮412与移动座42之间的角度，如此对于每个驱动模组41的前进方向均可以单独控制，运动灵活，自由度高。

优选地，如图3-4所示，所述叉取机器人还包括垂直设置在所述移动座42一端的支撑架3；靠近所述支撑架3一侧的两个所述驱动模组41通过悬架组件43与所述移动座42连接；所述悬架组件43包括悬挂横臂431以及横臂支架432，所述悬挂横臂431通过铰接轴433与所述横臂支架432转动连接；两个所述驱动模组41对称设置在所述悬挂横臂431的两端；所述横臂支架432与所述移动座42固定连接。该实施例中，悬挂横臂431能够相对横臂支架432旋转，其旋转角度为0°～5°，其单个的驱动模组41的越障能力能够达到15mm，该越障能力可满足通常的仓库、工厂等路面要求，具有较好的路面适应能力。

优选地，所述感知模块2包括激光雷达21以及识别相机22；所述移动座42两侧以及所述支撑架3均设置有所述激光雷达21；所述识别相机22均设置在所述支撑架3上，所述激光雷达21用于进行SLAM导航，可将叉取机器人导航至指定地点，所述识别相机22用于对托盘位姿进行识别，以实现对整个环境的感知。

本发明还提供了一种全向移动的运载装置的控制方法，其基于上述的叉取机器人，该方法由控制系统实施，控制系统包括上位机以及下位机；所述方法包括步骤S101-S104，如图5所示：

步骤S101，控制所述运载装置运动至靠近所述运载对象的预备点位；该步骤中，由上位机控制，采用激光雷达21进行导航的方式，激光雷达21将扫描的环境数据发送至上位机，上位机向下位机发送数据，控制叉取机器人移动到预备点位，准备对托盘进行叉取。

步骤S102，通过所述感知模块2采集运载对象的数据；

本步骤中，识别相机22为3D相机，通过识别相机22对运载对象进行扫描得到数据。

步骤S103，根据所述运载对象的数据以及对象识别模型得到运载对象的位姿信息；

本步骤中，对象识别模型为预训练得到。

步骤S104，根据所述运载对象的位姿信息控制所述运载装置作用于所述运载对象。

该控制方法中，运载对象为托盘，托盘可以是空托盘，托盘上也可以装有货物。应用激光雷达21以及识别相机22能够精确的对机器人进行控制，以便对托盘进行叉取；运动精度高，且具有自动导航、自动识别叉取功能，智能化程度高。

优选地，步骤S103中所述托盘识别模型的获得方式包括步骤S201-S202：

步骤S201，对不同型号的运载对象样品进行数据采集得到样品数据集；具体地可以通过识别相机22对大量的不同信号的托盘进行扫描、采集，为后续的托盘识别做准备；

步骤S202，利用训练模型对所述样品数据集进行训练得到所述对象识别模型。该步骤中，使用PVN3D网络训练模型对托盘样品数据进行训练，能够得到用于3D相机识别的托盘识别模型。

优选地，每个所述驱动轮412均对应设置一个驱动元件413，所述驱动元件413能够驱动其对应的所述驱动轮412相对所述转动座411转动；每个转动座411的转轴均对应设置有编码器415，所述编码器415用于检测所述转轴旋转角度；

所述步骤S104中根据所述运载对象的位姿信息控制所述运载装置作用于所述运载对象包括步骤S301-S305，如图6所示：

步骤S301，根据所述运载对象的位姿信息得到所述运载装置的整体运动参数，所述整体运动参数包括第一线速度、角速度以及第一航向角；

本步骤由上位机计算得到，上位机将上述整体运动参数发送至下位机；

步骤S302，根据所述整体运动参数得到对应于所述驱动模组的模组运动参数，所述模组运动参数包括第二线速度与第二航向角；

本步骤由下位机实施，根据所述整车运动模型参数，下位机进行运动模型解析，得到对应于各所述驱动模组41的模组运动参数；

步骤S303，根据所述模组运动参数控制所述驱动模组运转。

本步骤中，每个所述驱动模组41均具有模组驱动器，所述模组驱动器用于解算下位机发送的模组运动参数，根据所述动模组运动参数得到各所述驱动元件413的转速。另外，驱动模组41通过所述编码器415采集所述驱动模组41的姿态信息，将该姿态信息回传给模组驱动器，以便模组驱动器对驱动元件413的转速进行控制；模组驱动器根据各所述驱动元件413的转速以及所述姿态信息，控制各所述驱动元件413转动。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种全向移动的运载装置，其特征在于，其包括移动座，所述移动座的底部安装有驱动模组；

所述驱动模组具备能够沿竖向轴旋转的转动座，所述转动座上安装有两个驱动轮；两个所述驱动轮相对于所述转动座自身的转轴对称安装，且两个所述驱动轮能够各自相对于所述转动座主动转动。

2.根据权利要求1所述的全向移动的运载装置，其特征在于，所述驱动模组的数量为多个，所有所述驱动模组分散安装在所述移动座的底部。

3.根据权利要求2所述的全向移动的运载装置，其特征在于，部分或全部的所述驱动模组通过悬挂装置连接所述移动座。

4.根据权利要求1所述的全向移动的运载装置，其特征在于，所述悬挂装置包括悬挂横臂，所述悬挂横臂的中部铰接在所述移动座上，两个所述驱动模组对称设置在所述悬挂横臂的两端；所述横臂支架与所述移动座固定连接。

5.根据权利要求1所述的全向移动的运载装置，其特征在于，所述移动座上安装有能够主动升降的举升单元。

6.根据权利要求1所述的全向移动的运载装置，其特征在于，所述驱动轮由安装在所述转动座上的驱动元件驱动运转。

7.一种运载装置的控制方法，其基于权利要求1-6任一项所述的运载装置，其特征在于，所述移动座上安装有感知模块，所述感知模块与执行所述控制方法的控制系统通讯连接，所述控制方法包括：

通过所述感知模块采集运载对象的数据；

根据所述运载对象的数据以及对象识别模型得到运载对象的位姿信息；

根据所述运载对象的位姿信息控制所述运载装置作用于所述运载对象。

8.根据权利要求7所述的控制方法，其特征在于，所述通过所述感知模块采集运载对象的数据之前还包括：

控制所述运载装置运动至靠近所述运载对象的预备点位。

9.根据权利要求7所述的控制方法，其特征在于，所述根据所述运载对象的位姿信息控制所述运载装置对运载对象进行叉取包括：

根据所述运载对象的位姿信息得到所述运载装置的整体运动参数，所述整体运动参数包括第一线速度、角速度以及第一航向角；

根据所述整体运动参数得到对应于所述驱动模组的模组运动参数，所述模组运动参数包括第二线速度与第二航向角；

根据所述模组运动参数控制所述驱动模组运转。

10.根据权利要求7所述的控制方法，其特征在于，所述控制方法还包括：

对不同型号的运载对象样品进行数据采集得到样品数据集；

利用训练模型对所述样品数据集进行训练得到所述对象识别模型。

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