CN1289268C - 一种移动机器人平台的驱动结构和驱动方法 - Google Patents

Abstract

一种用于轮式移动机器人平台的驱动结构，采用协调的驱动方式，它包括一个主动导向轮和两个独立的驱动轮。主动导向轮由小功率带较高减速比的电机驱动，控制导向轮的转角；两个驱动后轮分别由两个低控制精度的扁平电机或轮毂式电机驱动。平台驱动控制器按照本体电机协调算法把移动平台的运动要求分解为对三个电机的控制命令，然后控制导向轮的转动和两个后轮的差动以完成本体的运动。即使后轮差动存在误差，也能保证本体的运动方向。利用这种驱动方式设计的机器人没有使用高精度的伺服电机就可实现本体的灵活运动，方向控制精度高，能满足普通服务型机器人或智能轮椅等移动平台的控制精度要求。且具备结构简洁，可维护性强、构造成本低的优点。

Description

一种移动机器人平台的驱动结构和驱动方法

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，特别是轮式移动机器人本体的驱动结构和驱动方法。可应用于移动机器人、智能轮椅，特别是导游、迎宾、助残、清洁等服务机器人驱动平台。

背景技术

随着移动机器人技术的发展和人们生活水平的提高，智能型移动机器人受到了人们越来越多的关注。在科研界人们常常利用移动机器人进行自主感知、决策以及多智能机器人的协作研究。而在人们的日常生活中，移动型服务机器人也将进入导购导游、迎宾礼仪、护理清洁、巡视保安等场合。

从目前的市场状况来看，制约移动型智能机器人推广的主要因素是机器人平台的成本居高不下，其中平台的机器人平台驱动结构复杂、伺服驱动系统成本高昂是主要原因。移动机器人平台的驱动方式有车轮式、多足式、履带式等多种。轮式移动机器人控制简单，每运动单位距离消耗的能量最小，通常比履带式和步行式平台运动速度快，因此应用的最多。轮式移动平台大体上又可分为：方向—驱动式和差分驱动式；在方向—驱动式移动平台上，方向的控制和驱动分别采用不同的驱动器。对方向的控制和驱动可能在相同的轮子上完成(如前轮驱动车)，但速度和方向是分别控制的。差分驱动式移动平台采用相同的轮子和驱动器来驱动和控制方向，运动方向的改变是通过有比例地控制每个轮子的速度来实现。而在具体实现方面，方向—驱动式和差分驱动式又有多种实现方法。

以下就具有各种驱动结构的本体，在灵活性、稳定性、结构复杂性、重量、体积、成本、控制方式等方面进行简单地对比分析。

最常用的一种是利用两个高精度驱动轮和一个随动轮的结构，如附图1所示，两个驱动轮4分别由两个电机3经过减速器5分别驱动，随动轮1可置于本体前部，可也置于本体后部。机器人移动平台的行进方向由两个驱动轮的速度差决定，通过对两个电机施加不同的速度控制量可实现任意方向的运动(如0半径转动)。这种结构的特点是运动灵活，但对于伺服系统要求较高，如进行严格的直线运动则要求两只轮子运动速度完全一致，且在加减速的时候动态特性也完全一致，因此，这种移动机器人平台对伺服驱动系统本身的精度和动态特性要求非常高，从而带来机器人成本的增加。

移动机器人平台的第二种结构如图2所示。导向轮控制电机8通过减速器5控制前导向轮7，决定了本体6的运动方向。机器人后驱动轮4的驱动是由驱动轮控制电机9直接与驱动齿轮箱中减速器5连接，在箱体中装有全部传动系统的减速齿轮、差速器等传动零件，然后通过装在两端的半轴带动驱动轮4转动。差速器控制驱动轮4在转弯时左右驱动轮4能够有不同的转速。这种驱动系统可以利用一些通用的传动系统的零部件，其传动效率较高，制造成本较低，但在传动模式上还是机械传动的模式。结构比较复杂，体积较大，质量也较重，同时运动不灵活，不能实现小的回转半径。

第三种方式如图3所示。前轮7即是驱动轮又是操舵轮，需要有两个单独的电机控制。导向控制电机8控制前轮7的摆角、电机3控制前轮7的驱动，因此通过这个两自由度复合的前轮7既能控制本体6的方向又能控制本体6的运动，两个被动后轮没有电机控制，完全是随动轮1。该方式的特点控制比较方便，对于伺服系统和制造装配精度要求不太高；能耗低，但复合运动结构设计复杂，车体6本身运动并不灵活。

移动机器人平台的第四种结构如图4所示，这是一种同步驱动的配置方式。该配置将三个轮子成120度放置，用齿轮或链条将轮子与分别控制方向和驱动的电机相连。电机3通过减速器5控制轮子4的驱动，导向控制电机8通过减速器5控制轮子4的转角。因此每个轮子4既能转动方向又能向前驱动控制，结构类似于驱动结构三的前轮7。当三个轮子4保持初始位置以相同速度转动时，车体6保持原地转动，当三个轮子4转角相同并以相同速度驱动时，车体6按照该转角方向直线运动。施加适当的控制，车体能够按照任意指定的轨迹运动，因此具有很高的运动灵活性。但是该平台整体结构比较复杂，完成每个动作都要对六个伺服电机进行控制因此控制比较复杂，对于方向控制和驱动控制的伺服控制精度有较高要求，整个系统的成本也很高。

采用四个轮子的移动机器人平台在结构上也有类似于采用三轮结构的移动机器人平台的各种配置方式，如方向—驱动复合控制和方向驱动分别控制等。与采用三轮的移动机器人平台相比，四轮结构虽然更稳定，但回转半径较大，转向不灵活，因而采用四轮结构的移动机器人并不多见。如图5给出了一种使用Mecanum(全方位)轮子10的四轮驱动结构。在这种结构中常见的类型为滚子轴线与轮子轴线成90°和45°角。车轮10同时具有两个自由度：绕轮子轴线的转动以及沿滚子轴线方向的平动。每个轮子10是一个电机3通过减速器5驱动。四个轮子10的单独驱动进行四个运动向量的合成，可以实现平面上的任意方向移动。但此装置结构复杂，成本较高，而能源利用效率低，因而并不适合移动机器人平台。

综上所述，目前的移动机器人平台结构都各有优缺点，还很难兼顾结构的简单性、控制的灵活性和低成本实现。使用的驱动系统都是采用了通用的伺服系统，但是对于普通的移动型智能机器人上的驱动控制要求与传统的加工制造过程中对于控制性能的要求有很大的不同。比如移动机器人上一般对于位置控制精度大于几mm就足够，对于速度控制精度要求不高，调速范围也窄的多，而对于方向控制精度较为敏感，运动过程中常常更注重运动的平稳性，而不是定位的快速性。所以，用通用的伺服控制系统直接移植到普通移动机器人平台上会带来性能的不匹配和部分资源的浪费。

因此，设计开发一种新型的移动机器人平台驱动结构和驱动方法，能很好的解决当前存在的这些问题，使机器人移动平台的运动有较高的灵活性，能实现0半径回转，且整个机构不能过于复杂以减少体积和重量，保持更好的机动性，满足移动机器人平台产业化的需要，已成为急需解决的课题。

发明内容

本发明的目的是提供一种可用于轮式移动机器人平台的驱动结构，利用该种驱动方式设计的机器人本体运动灵活，可实现零回转半径，方向控制精度高，结构简洁，可维护性强。并且具备构造成本低的突出优点。

为达到上述目的，本发明的技术解决方案是提供一种移动机器人平台的驱动结构，为用于轮式移动机器人平台的三轮协调式驱动结构，其包括：

一本体、一个导向轮和两个驱动轮；

主动导向轮置于本体前部，由控制电机单独驱动；

两驱动轮并列在本体后部，为分别单独驱动的后轮，采用盘式电机或轮毂式电机进行控制；

使用安装在运动的车轮轮辐和固定的轮轴上的简易轴角编码器或空心轴式码盘获取后轮速度和位置信息，进行后轮的闭环控制；

一控制器，对三个电机进行同步控制，合成本体的运动。

所述的驱动结构，其所述的导向轮由一电机通过减速装置进行控制，来实现较高精度的位置控制。

所述的驱动结构，其所述的盘式电机或轮毂式电机，不必实现较高精度的速度和位置控制。

所述的驱动结构，其本体的精确运动方向主要由导向轮来控制，同时两后轮通过差动给予配合，而本体的运动速度标量由两个后轮的速度合成，本体的运动距离由两个后轮的位置控制决定。

所述的驱动结构，其所述控制器根据三轮协调算法对三个驱动装置进行同步控制，三个控制轮的协调关系与本体的几何参数有关。

所述的驱动结构，其还可在四轮移动平台上实施，将两前轮中，一个前轮作为导向轮，另一个前轮为自由轮。

一种移动机器人平台的驱动方法：平台驱动控制器按照本体电机协调算法把移动平台的运动要求分解为对三个电机的控制命令，然后控制导向轮的转动和两个后轮的差动以完成本体的运动。

所述的驱动方法，即使后轮差动存在误差，也能保证本体的运动方向。

本发明由于没有使用高精度伺服系统，三个驱动环节对于驱动组件和检测组件的特性要求都不高。导向轮电机减速器减速比较高，使用低成本码盘就能实现足够高精度的角度控制，从而使运动本体有足够好的方向控制。三轮的协调控制既能实现车体的平滑运动，又具有较好的动特性。实验证明了该驱动方式的有效性。

整个系统没有使用大功率的高精度伺服电机而使成本大大降低。整个平台驱动系统以极低的造价实现了高性能的控制。整个驱动系统体积小，重量轻、结构紧凑，成本大大降低，从而提高了整个机器人产品的性能价格比，使其具有极强的市场竞争力。

这种三轮协调的驱动方式在某型智能轮椅的开发中也得到了应用。

附图说明

图1是已有驱动结构1；

图2是已有驱动结构2；

图3是已有驱动结构3；

图4是已有驱动结构4；

图5是驱动结构5；

图6是本发明的使用盘式电机的三轮协调式驱动结构；

图7是本发明的使用轮毂电机的三轮协调式驱动结构；

图8是采用了本发明的三轮协调式驱动结构的本体实物简图；

图9是本发明的驱动结构中的三轮协调关系；

图10是本发明的驱动结构在四轮移动平台中的应用。

具体实施方式

本发明结构是一种三轮协调的驱动方式，见图6和图7，其特征包括：

驱动装置包括一本体6、一个主动导向轮7和两个主动驱动轮4；

两个后轮4a、4b分别采用盘式电机11或轮毂式电机12单独驱动。

主动导向轮7由小功率带较高减速比的电机8驱动，控制导向轮7的转角，从而决定整个本体6的运动方向；

两个驱动后轮4a、4b的控制是由两个大功率电机11(或12)和低精度码盘组成的低精度伺服系统实现，两者没有机械联系；

利用安装在运动的车轮轮辐和固定的轮轴上的简易轴角编码器或空心轴式码盘来检测获取车轮的速度和位置信息。

两驱动后轮4a、4b并列在本体6后部，主动导向轮7置于本体6前部。

平台驱动控制器把本体6的运动要求分解为三个电机的运动量，按照本体电机协调算法分别控制导向轮7的转动和两个后轮4a、4b的差动，通过对三个电机的同步控制实现本体6的运动。导向轮7角度位置控制精度高，而驱动后轮的控制精度相对较低，根据三个车轮的相对位置关系，即使两后轮的差动控制存在一定的误差，移动平台仍能按导向轮7控制的角度运动。可以保证本体6运动的灵活性和方向的准确性。而平台的运动速度取决于两驱动后轮4a、4b的运动速度。

本发明主要由四部分组成：导向轮控制部分、两个驱动轮控制部分和总体控制器。导向轮控制部分见图8，包括：导向轮7，导向轮控制电机8、减速器5和低分辩率码盘2。导向轮7经固定在车体6上的轴承连接到减速器5输出轴上，码盘2则直接与电机8输出轴的另一端相联。选择有合适减速比的减速器5，使只要使用低分辩率的码盘2就可以实现精度低于0.1～0.5度的轮盘角度检测。而导向轮7的角度位置控制精度则要控制在小于1～2度。导向轮控制电机8所需功率不大，在一般移动型服务机器人上，如车体6总重约50kg，则功率大于20～30w即可满足要求。

驱动轮4不采用普通精密伺服电机，而采用盘式电机11或轮毂电机12加简易码盘2的结构(此结构已申请国家专利，专利号：02231208.0)。见图8，两只电机11(或12)分别驱动两个后轮4，通过两个驱动轮4a、4b的配合形成本体6前进的合力。控制电机11(或12)的功率依本体6总重和性能要求而定，在一般移动型服务机器人上，如车体6总重约50kg，驱动功率需大于50～80w。车轮4的速度和位置检测依靠成本低廉的低精度码盘2或轴角检测装置(该装置安装在运动的轮辐和固定的轮轴上，在专利02231208.0中有详细说明)。在一般的服务型移动机器人上行进速度控制范围一般在0～200cm/s。而速度检测精度只需小于±0.1cm/s；位置检测精度只需小于0.1～0.3cm；速度控制精度小于1％、位置控制精度小于1cm即可满足普通服务型机器人的运动要求。而这种要求在不使用高精度伺服系统时也是比较容易实现的。

如果采用三轮的平台结构，导向轮7控制装置须置于车体6正前端，两驱动轮4a、4b对称分别安装在车体6的中后部。如图9所示，计量三个轮子之间的位置参数：两后轮之间的间距W和导向轮与两后轮连线之间的距离L，该参数直接影响三个轮子的运动协调关系。运动—伺服控制器按照机器人的运动指令对三个电机进行同步控制，首先要根据各车轮间的位置关系给出某一时刻三个伺服电机的运动控制量。三个车轮的运动关系如图9所示。其中V1为右驱动电机运动速度；V2为左驱动电机运动速度；φ为导向轮转向角度；V为车体平均速度(V＝0.5*(V1+V2))；θ为以两轮中心为机器人本体质点的车体转向；W为本体中两后轮的中心间距；L为两后轮中心至导向轮轴心的长度。

各运动量有如下关系：

V1＝V+W/2*tgθ；(-π/2＜θ＜π/2)；

V2＝V-W/2*tgθ；(-π/2＜θ＜π/2)；

φ＝arctg(L/V*tgθ)；(-π/2＜θ＜π/2)；

或：

tgφ＝L/V*tgθ；(-π/2＜θ＜π/2)；

θ＝arctg(tgφ*V/L)；(-π/2＜φ＜π/2)；

V1＝V+W/2*tgφ*V/L；(-π/2＜φ＜π/2)；

V2＝V-W/2*tgφ*V/L；(-π/2＜φ＜π/2)；

当移动平台需要相对正前方成θ角以本体平均速度V前进时，控制需要对该控制指令进行换算按照上述关系求解出与各个电机相关的运动量，给导向轮7施加φ角的控制量，同时对右轮4a控制以V1、左轮4b控制以V2的速度量。导向轮7角度控制量较为精确，根据三个车轮运动关系，即使两后轮4的差动控制存在一定的误差，移动平台仍能按导向轮7控制的角度运动。在同一时刻，控制器既要采集来自导向轮角度位置信息对导向轮7进行角度控制，又要采集后轮速度位置信息，对两个驱动轮4a、4b进行速度控制。各车轮具体的运动性能指针依所采用的具体电机8、11或12和码盘2的规格及特性而有所不同，但只要满足以上对于各驱动装置的较低要求，并且进行合适的同步控制，即可实现平台的任意运动。

对于四轮移动平台要采取这种驱动方式同样也可以实现，如图10所示，移动平台有两个前轮，一个前轮可以作为导向轮7控制，另外一个前轮为自由轮13。在该平台上也是对三个电机进行同步控制，后轮驱动装置和导向轮驱动装置的选择与三轮平台结构相同，但三个控制轮的协调关系有所不同。在图10中：V1是左轮4b的控制速度；V2是右轮4a的控制速度；W为本体中两后轮4a、4b的中心间距；L为两后轮4a、4b中心至导向轮7轴心所在水平线的长度。V是车体平均速度。θ是导向轮7的控制角度。两后轮之间有关系：

V1＝(1+W*tan(θ)/L)*V2；(-π/2＜θ＜π；θ≠PI/2)

V＝(V1+V2)/2；

根据此关系，控制器要把平台的运动要求转化为两个后轮4a、4b的运动速度V1，V2和导向轮7的摆动角度θ。对三个伺服电机进行同步，完成本体的运动。

实施例：

在服务机器人的开发中，上述三轮协调式驱动结构得到了应用。整个机器人平台的设计要求有：体积为60×50×70cm³；总重为30kg；运动速度范围为：0～200cm/s；定位精度＜1cm；速度环控制误差＜2％；并要求本体加速度＞30cm/s²。参考以上指针，选取导向轮控制电机直流电机30w；额定转速200rpm；导向轮电机减速器减速比55.4∶1；驱动轮采用盘式直流电机加简易码盘的结构，该装置是在普通车轮上利用光电或磁电方式检测车轮轮盘的转角并利用后续电路进行车轮转速和车轮角度位置的提取(该装置已申请国家专利，专利号02231208.0)。参照市面容易获得的且性能价格比较好的产品，驱动轮采用了180w盘式直流电机驱动(实际上功率＞80w即可满足要求)；磁电式简易码盘速度轮盘角度检测实现了3.75°的分辨率；速度检测范围：0～240rpm，可实现静态测速；速度检测精度＜1％，较好的满足了普通服务机器人对于行程定位和速度控制的要求。以DSP或MCU为核心的平台驱动控制器按本体协调算法对三个电机进行同步控制。

Claims (7)

1.一种移动机器人平台的驱动结构，是用于轮式移动机器人平台的三轮协调式驱动结构，其特征在于，包括：

一本体、一个导向轮和两个驱动轮；

主动导向轮置于本体前部，由控制电机单独驱动；

两驱动轮并列在本体后部，为分别单独驱动的后轮，采用盘式电机或轮毂式电机进行控制；

使用安装在运动的车轮轮辐和固定的轮轴上的简易轴角编码器或空心轴式码盘获取后轮速度和位置信息，进行后轮的闭环控制；

一控制器，对三个电机进行同步控制，合成本体的运动。

2.如权利要求1所述的驱动结构，其特征在于，所述的导向轮由一电机通过减速装置进行控制，来实现较高精度的位置控制。

3.如权利要求1所述的驱动结构，其特征在于，所述的盘式电机或轮毂式电机，不必实现较高精度的速度和位置控制。

4.如权利要求1所述的驱动结构，其特征在于，所述本体的精确运动方向主要由导向轮来控制，同时两后轮通过差动给予配合，而本体的运动速度标量由两个后轮的速度合成，本体的运动距离由两个后轮的位置控制决定。

5.如权利要求1所述的驱动结构，其特征在于，所述控制器根据三轮协调算法对三个驱动装置进行同步控制，三个控制轮的协调关系与本体的几何参数有关。

6.如权利要求1所述的驱动结构，其特征在于，还可在四轮移动平台上实施，将两前轮中，一个前轮作为导向轮，另一个前轮为自由轮。

7.一种如权利要求1所述的移动机器人平台的驱动方法，其特征在于，所述平台驱动控制器按照本体电机协调算法把移动平台的运动要求分解为对三个电机的控制命令，然后控制导向轮的转动和两个后轮的差动以完成本体的运动。

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