CN202703736U

CN202703736U - 六轮步进式机器人全向移动平台

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Publication number: CN202703736U
Application number: CN 201220208507
Authority: CN
Inventors: 余翀; 邱其文
Original assignee: Fudan University
Current assignee: Fudan University
Priority date: 2012-05-10
Filing date: 2012-05-10
Publication date: 2013-01-30
Anticipated expiration: 2022-05-10

Abstract

本实用新型属于机器人技术领域，具体涉为一种六轮步进式机器人全向移动平台。该全向移动平台包括顶板、底板，以及均匀布置于顶板和底板之间的六个步进电机；相邻两个步进电机之间的轴向夹角为60度，每个步进电机转轴上连接一组互补全向车轮；两个轴向夹角为180度的步进电机定为一组；在步进电机和顶板之间的悬挂装置上安装弹簧，使六个车轮处于预紧状态；整个系统采用细分控制，以消除步进电机的低频振动并提高运转精度，并由FPGA芯片充当底层运动控制器，同时产生4路PWM信号，达到转速和转向控制要求。本实用新型的全向移动平台控制简便，运行平稳，负载力大，安装使用方便，车体振动小，运动定位精度高，可广泛应用于各种机器人中。

Description

六轮步进式机器人全向移动平台

技术领域

本实用新型属于机器人技术领域，具体涉及一种机器人全向移动平台。

背景技术

机器人全向移动是指移动机构能够不受任何约束地，从当前位置向工作平面上的任何位置和任意方向运动，能够实现完美的运动性能，比非全向机构系统有着明显的优势。例如，全向移动机构因其零回转半径的特点，可以在拥挤狭窄的场所内，使机器人本体灵活自如地穿行；可以对自己所处位置进行细微调整，实现精确定位和高精度轨迹跟踪等。因此，机器人全向移动平台也是当前机器人研究和制造的热点问题。

传统的机器人全向移动采用全向轮，其主要缺点是：辊子之间存在间隙，使得轮子在转动过程中同地面接触点的高度不断变化，从而导致机器人车体的震动或打滑，因而增加了运动计算的误差。同时传统的全向机器人底盘具有负载力较小的不足。

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种控制简便、负载力大、安装使用方便、车体振动小、运动定位精度高的机器人全向移动平台。

本实用新型提供机器人全向移动平台，采用六个步进电机作为驱动，故称其为六轮步进式机器人全向移动平台。其中涉及机械结构、步进电机的驱动和细分控制以及运动控制方法的设计等。具体说来，机器人全向移动平台包括顶板、底板，以及均匀布置于顶板和底板之间的六个步进电机；相邻两个步进电机之间的轴向夹角为60度，每个步进电机转轴上连接一组互补全向车轮。本实用新型两个轴向夹角为180度的步进电机定为一组，六个步进电机分成三组。

传统两轮驱动机构的机器人移动平台是非完整约束系统，向一个方向做直线运动时通常需要事先做旋转运动以调整姿态。而本实用新型设计的六轮步进式机器人全向移动平台不存在非完整约束，它可以向任意方向做直线运动，而不需要事先作旋转运动，并且在以直线运动到达目标点的过程中，同时可以做自身旋转运动以调整机器人的姿态，从而达到终态所需的姿态角。通过具体控制，可以实现各种运动，具体介绍如下：

运动情况一：当6个步进电机沿着各自的转轴向同一方向（顺时针或逆时针）以相同角速度转动时，六轮步进式机器人全向移动平台将在原地以自己的中心为轴做自身旋转运动，可以用来任意调整机器人的姿态角度。

运动情况二：当6个步进电机沿着各自的转轴向同一方向（顺时针或逆时针）以不同的角速度转动时，六轮步进式机器人全向移动平台做自身旋转运动，但旋转速度可能变慢，并且由于和地面摩擦力的不同，有可能不在原地旋转，旋转轴也有可能偏离步进式机器人全向移动平台的中心，但也可以用来任意调整机器人的姿态角度。

运动情况三：当6个步进电机中只有某几个步进电机沿着各自的转轴向同一方向（顺时针或逆时针）以相同角速度转动时，六轮步进式机器人全向移动平台做自身旋转运动，但旋转速度较慢，并且由于和地面摩擦力的不同，有可能不在原地旋转，旋转轴也有可能偏离步进式机器人全向移动平台的中心，但也可以用来任意调整机器人的姿态角度。

运动情况四：当6个步进电机中只有某几个步进电机沿着各自的转轴向同一方向（顺时针或逆时针），另外几个步进电机沿着各自的转轴向相反方向（逆时针或顺时针）以相同角速度转动时，六轮步进式机器人全向移动平台做自身旋转运动，但旋转速度较慢，并且由于和地面摩擦力的不同，有可能不在原地旋转，旋转轴也有可能偏离步进式机器人全向移动平台的中心，但也可以用来任意调整机器人的姿态角度。

运动情况五：当三组步进电机中的一组，即转轴呈180度的两个相对的步进电机，分别沿着各自的转轴向相反方向（一个为顺时针，另一个为逆时针）以相同角速度转动时，另外两组4个步进电机不加驱动信号，4组互补全向车轮呈随动状态，六轮步进式机器人全向移动平台做和提供驱动力的那组步进电机轴向方向垂直的直线运动，运动方向和与两个提供驱动力的步进电机相连的互补全向车轮的线速度方向一致。

运动情况六：当三组步进电机中的一组，即转轴呈180度的两个相对的步进电机，分别沿着各自的转轴向相反方向（一个为顺时针，另一个为逆时针）以不相同角速度转动时，另外两组4个步进电机不加驱动信号，4组互补全向车轮呈随动状态，六轮步进式机器人全向移动平台做曲线运动，在每一极短时间内，运动方向和提供驱动力的那组步进电机轴向方向垂直，曲线向着与两个提供驱动力的步进电机相连的互补全向车轮中线速度小的那组车轮弯曲。

运动情况七：当三组步进电机中的一组，即转轴呈180度的两个相对的步进电机（提供主驱动力），分别沿着各自的转轴向相反方向（一个为顺时针，另一个为逆时针）以相同角速度转动时，另外剩下两组4个步进电机也加驱动信号，并且要求同组两个相对的步进电机分别沿着各自的转轴向相反方向（一个为顺时针，另一个为逆时针）以相同角速度转动，同时剩下两组4个步进电机中转轴呈60度的两个相邻的步进电机分别沿着各自的转轴向相反方向（一个为顺时针，另一个为逆时针）以相同角速度转动，六轮步进式机器人全向移动平台做和提供驱动力的那组步进电机轴向方向垂直的直线运动，运动方向和与两个提供主驱动力的步进电机相连的互补全向车轮的线速度方向一致。

运动情况八：当三组步进电机中的一组，即转轴呈180度的两个相对的步进电机（提供主驱动力），分别沿着各自的转轴向相反方向（一个为顺时针，另一个为逆时针）以相同角速度转动时，另外剩下两组4个步进电机也加驱动信号，并且要求同组两个相对的步进电机分别沿着各自的转轴向相同方向（均为顺时针或均为逆时针）以相同角速度转动，同时剩下两组4个步进电机中转轴呈60度的两个相邻的步进电机分别沿着各自的转轴向相反方向（一个为顺时针，另一个为逆时针）以相同角速度转动，六轮步进式机器人全向移动平台做和提供驱动力的那组步进电机轴向方向垂直的直线运动，运动方向和与两个提供主驱动力的步进电机相连的互补全向车轮的线速度方向一致。

运动情况九：当6个步进电机中的某几个步进电机沿着各自的转轴向某一方向以大小相同或不同的角速度转动时，六轮步进式机器人全向移动平台的运动将是旋转运动和直线运动的合成运动。

本实用新型中，互补全向车轮采用有机玻璃板作为轮框架，并以激光雕刻的方式进行精确加工。每块轮框架板材外缘开有8个凹槽，用于安放侧向辊子。侧向辊子的转轴夹紧在轮框架外缘。另外，适度镂空轮框以减少车轮重量。侧向辊子及其转轴可外购，在每个侧向辊子外套硅胶管，以增大轮子和室内地板之间的摩擦力。车轮中心有圆孔（有一侧是平的），用以与步进电机转轴连接。该加工制作方案降低加工难度、避开昂贵的开模工艺、同时也保证了车轮加工的精度及必要的强度。

本实用新型中，所述互补全向车轮，是指两个全向车轮错开角度并列安装而形成互补结构，保证轮组在转动过程中至少有一个侧向辊子与地面保持接触，减少了震动和打滑情况的发生。同时，相比于传统三轮全向驱动平台，本实用新型设计的六轮步进式机器人全向移动平台能更好的减少机器人运动时的振动，并且大大提高承载能力。

考虑在实际应用环境中，地面的不平整或车架的细微形变等因素将导致六个车轮无法同时着地，从而导致车轮空转的情况出现，对此本实用新型进行了相应的辅助设计。即在步进电机和机器人全向移动平台的顶板之间的悬挂装置上安装弹簧，使得六组互补全向车轮处于预紧状态，这样可以解决六个轮子不同时着地的问题，同时可为车体减震。

本实用新型中，选取混合式两相42H4602型步进电机作为六轮步进式机器人全向移动平台的动力源，基于L298N设计步进电机控制信号放大电路，来驱动步进电机。

为了减弱或消除步进电机的低频振动，并提高其运转精度，本实用新型对步进电机进行细分控制。系统由芯片（Cyclone II EP2C8Q208C8N）充当底层运动控制器，利用FPGA芯片的硬件并行特性，采用Verilog HDL描述实现同时产生4路PWM信号，根据不同的细分要求，分别存储不同的细分参数列表，再按系统要求的电机转动方向及转动速度的要求，动态的从循环列表中读取PWM参数，从而使生成的4路PWM信号，既满足细分要求，又达到步进电机转速和转向控制要求。其中，步进电机转向、转速控制信号来自系统上层，FPGA芯片通过改变参数列表读取方向来实现电机转向，并用控制PWM参数更新节奏的方式实现转速控制，用到软件延时。FPGA芯片给出的四路PWM信号经由驱动模块进行电流放大后，可直接驱动步进电机的四个抽头。

本实用新型的全向移动平台控制简便，运行平稳，负载力大，安装使用方便，车体振动小，运动定位精度高，可广泛应用于各种机器人中。

附图说明

图1 普通移动平台力学分析。

图2 全向移动平台力学分析。

图3 全向移动平台运动学分析。

图4 全向移动平台动力学分析。

图5 L298N驱动步进电机的原理图。

图6 细分情况下，步进电机AB相和CD相上的控制信号。

图7 步进电机控制信号生成。

图8 互补全向轮框架CAD图纸。

图9 互补全向轮实物图。

图10 六轮步进式机器人全向移动平台3D视图。

图11 六轮步进式机器人全向移动平台底盘悬挂系统预紧减震结构3D视图。

具体实施方式

（1）理论分析：

全向移动平台的力学分析：

全向轮的基本结构是在大轮边缘装有轴向垂直的侧向辊子，这样每一个全向轮即使是横向移动时，也始终保持与地面为滚动摩擦。采用全向轮，使得步进式机器人在向任意方向移动时，都可以大大减少移动阻力。下面对此做出力学分析，首先给出两个前提假设：

1.每个轮组是完全一样的，不考虑由于加工精度导致各轮组之间的细微差异。

2.滑动摩擦力要远远大于滚动摩擦力，即在下面的力学分析中，主要考虑滑动摩擦力对于步进式机器人的影响。

考虑六轮全向步进式机器人在一组步进电机为驱动，另外两组步进电机随动的情况下，做驱动方向的直线运动。假设每台步进电机提供的驱动力为，每个轮组受到的滑动摩擦力为

，则每个驱动轮组提供的驱动力

满足：

（1）

当不采用全向轮组，即使用普通的未装侧向辊子的车轮组时，步进式机器人在前进方向上的驱动力

为

，四个与前进方向呈60度角的随动轮组将是前进的阻力，受到的阻力

大小为

，则此种情况下，步进式机器人所受合力满足：

（2）

当采用全向轮组时，由于大轮边缘装有轴向垂直的侧向辊子，随动轮组受到的阻力会使得侧向辊子沿轴转动，所以将随动全向轮组所受的滑动摩擦力分解到和轮组轴垂直方向和平行方向，如附图2所示。

此时随动全向轮组所受的滑动摩擦力在轮组轴平行方向上的分量作为侧向辊子的驱动力，使得滑动摩擦力变为滚动摩擦力。对于整个步进式机器人来说，前进过程中受到的阻力主要是滑动摩擦力在轮组轴垂直方向上的分量。对于每一个轮组来说，滑动摩擦力

，对于整个步进式机器人来说，阻力为这四个随动轮组受到的阻力的合力，因此，阻力。而步进式机器人在前进方向上的驱动力仍为

Figure DEST_PATH_525967DEST_PATH_IMAGE007

，则此种情况下，步进式机器人所受合力

满足：

（3）

由此可见，采用全向轮组可以大大减少步进式机器人在移动过程中受到的阻力。

全向移动平台的运动学分析：

步进式机器人的运动空间为一个平面，建立如附图3所示的绝对坐标系

和机器人坐标系

。其中机器人坐标系原点

与步进式机器人中心重合，

为与的夹角，为轮组与

的夹角（如图中所标，取锐角），

为步进式机器人中心到轮组中心的距离，

为轮组

提供的沿着驱动方向的速度。

根据如附图3所示的几何关系，可得步进式机器人系统的运动学方程：

（4）

（5）

（6）

（7）

（8）

（9）

根据机器人坐标系的建立情况和步进式机器人的实际结构可知，

，将其代入（4）、（5）、（6）、（7）、（8）、（9）式中，并写成矩阵形式，可得步进式机器人的运动学模型：

（10）

令

，

，，则（10）式可以简写为：

（11）

式中：

为全向轮组线速度矢量，

为变换矩阵，为步进式机器人期望速度矢量。

对比两轮驱动机构的移动平台，机器人是非完整约束系统，向一个方向做直线运动通常需要事先做旋转运动以调整姿态。

而采用本实用新型设计的全向移动平台，步进式机器人不存在非完整约束，它可以向任意方向做直线运动，而不需要事先作旋转运动，并且在以直线运动到达目标点的过程中，同时可以做自身旋转运动以调整机器人的姿态，从而达到终态所需的姿态角。同时，相比于三轮全向驱动平台，我们设计的六轮全向移动平台能更好的减少机器人运动时的振动，并且大大提高承载能力。

全向移动平台的动力学分析：

建立如附图4所示的绝对坐标系

和机器人坐标系

。

设

为步进式机器人质量，

为第

个电机提供给机器人的驱动力，在绝对坐标系

下，设绕步进式机器人中心的转动惯量为

，根据牛顿第二定律有：

，

Figure DEST_PATH_877774DEST_PATH_IMAGE055

，

（12）

根据各驱动力方向及步进式机器人的姿态，可以写出具体的动力学方程如下：

（13）

Figure DEST_PATH_239616DEST_PATH_IMAGE059

（14）

（15）

由几何关系可知，式中

为驱动力

Figure DEST_PATH_125849DEST_PATH_IMAGE050

与相应驱动轮组线速度的夹角，根据步进式机器人全向轮结构可知，

Figure DEST_PATH_652646DEST_PATH_IMAGE037

。

第

个轮组的动力学模型可描述为：

（16）

式中：

，

——常数

——轮组绕其轴线的转动惯量

——轮组半径

，

——第个轮组的角速度和角加速度

——第

个电机的驱动电压

在（16）式中，轮组的转动惯量

Figure DEST_PATH_584064DEST_PATH_IMAGE071

很小，

相对于所消耗的扭矩很小，在实际问题中，可以采用简化计算形式，（16）式可近似写为：

（17）

则六轮全向步进式机器人系统的动力学模型方程为：

（18）。

（2）电机选型：

步进电机是和同步电机类似的电动机。其转子由永久磁铁和定子由绕组构成。与同步电机不同的是，步进电机一般带有多个绕组，采用单磁极或者单步跳转的运动方式。有较强的爆发力、稳定输出扭矩较大且方便于控制。在许多场合，应用步进电机还可省去昂贵的控制反馈，节约系统成本。由以下约束条件选取混合式两相42H4602型步进电机作为六轮步进式机器人全向移动平台的动力源，其固有“步距角”为1.8°。

1．确定所需的定位精度和分辨率。

2．确定惯量m和所有部分的瞬间惯性J。

3．计算由被移动的惯量引起的瞬间所需要的加速度大小。

4．计算惯量，瞬间的惯性的大小，以及分别对应的加速度大小。

42H4602两相四线制步进电机技术参数如下表1所示。

表1 42H4602步进电机技术参数

（3）电机驱动：

L298N是ST公司生产的一种高电压、大电流电机驱动芯片。该芯片采用15脚封装。主要特点是：工作电压高，最高工作电压可达24V；输出电流大，瞬间峰值电流可达3A，持续工作电流为2A；最大功率25W。内含两个H桥的高电压大电流全桥式驱动器，可以用来驱动直流电动机和步进电动机、继电器线圈等感性负载；采用标准逻辑电平信号控制；具有两个使能控制端，在不受输入信号影响的情况下允许或禁止器件工作；有一个逻辑电源输入端，使内部逻辑电路部分在低电压下工作；可以外接检测电阻，将变化量反馈给控制电路。使用L298N芯片驱动电机，该芯片可以驱动一台两相步进电机或四相步进电机，也可以驱动两台直流电机。系统基于L298N设计步进电机控制信号放大电路的原理图如附图5所示。其中P1端为控制器接口，P2为驱动器输出口。

用Altium Designer 6软件绘制的L298N驱动步进电机的PCB板图。

在L298N驱动步进电机的PCB板图中，后端钳制8个IN5822二极管，在步进电机逆向输送能量时，用于保护驱动模块，被钳制的四个放大信号分别连接步进电机的A+、A-、B+、B-四个抽头，对电机进行驱动。前端四个信号来自控制芯片，为脉宽调制信号，即PWM信号。为了保护控制芯片，可在L298N与控制器之间的信号连接中加入电器隔离，如光电耦合装置。

（4）电机细分控制：

在步进电机实用时，若电机步进角较大，则电机在受驱运转时会引起系统的明显振动。因此，必要时系统为防止共振得添加振荡挡，以及为了增加精确度而采用减少传动齿轮等这样的机械措施，这将增加系统开发成本和复杂度。但通过细分技术和相关参数值的控制，减小电机步进角、提高系统运行定位精度，有效的避免转子运动时带来的低频振动影响，提高系统运行的平稳性，同时能够实现转子快速整定。

将步进电机用作移动机器人动力源时，这点尤为重要。相对于环境，移动机器人无任何固定安装点，处于自由状态，电机振动将引起机体振动，甚至共振。对电机进行细分控制，不但可以减小来自电机振动，同时，可对机器人进行更精确的运动控制及定位，使其相对环境的运动更加细腻，更有利于机器人任务的执行。

步进电机细分控制是一种电子阻尼技术，其主要目的就为了减弱或消除步进电机的低频振动，而提高其运转精度只是一个附带功能。实质上，是通过对步进电机励磁绕组中电流的控制，使步进电机内部的合成磁场表现为均匀的圆形旋转磁场，从而实现步进电机步距角的细分，一般情况下，合成磁场矢量的幅值决定了步进电机旋转力矩的大小，相邻两合成磁场矢量之间的夹角大小决定了步距角的大小。因此，细分控制器的动作方式及供给驱动电流的精度会影响步进电机输出力矩及转角精度。附图6为对两相步进电机进行细分控制时，加到各相上的控制信号波形。

（5）控制信号产生：

系统由芯片（Cyclone II EP2C8Q208C8N）充当底层运动控制器，利用FPGA芯片的硬件并行特性同时产生4路PWM信号，有利于各驱动电机的同步。采用Verilog HDL描述实现4路PWM信号，程序框图如附图7所示，根据不同的细分要求，分别存储不同的细分参数列表，再按系统要求的电机转动方向及转动速度的要求，动态的从循环列表中读取PWM参数，从而使生成的4路PWM信号，既满足细分要求，又达到电机转速、转向控制要求。其中电机转向、转速控制信号来自系统上层，FPGA通过改变参数列表读取方向来实现电机转向，并用控制PWM参数更新节奏的方式实现转速控制，其中用到软件延时。

FPGA给出的四路PWM信号经由驱动模块进行电流放大后，可直接驱动步进电机的四个抽头。

（6）细分参数设置：

在满足减振及步进精度要求的情况下，为了保证电机输出扭矩及简化控制，系统采取4细分的控制方式。实践证明，对42H4602电机进行4细分控制后，“步距角”近似为0.45°，已取得十分平滑的转动效果，电机振动对机体的影响可以忽略。

传统无细分控制方法中，给定A、B、C、D四抽头的驱动电平以4为周期变化，如下表2所示。可看出，I相和II相电压变化相位差为90°。观察附图6中信号的波形可知，4细分控制时，两相信号亦相差90°。64细分控制时，各相电压均较平滑，按正弦规划变化。

故在进行细分参数设置时，遵循两个规律：

（1）所设置数值应使I相、II相的电压变化存在90°相位差；

（2）所设置数据应使I相、II相各自电压按近似正弦规划变化；

所述的相电压为步进电机单相的两个抽头分别所加电压的差值。

表2 无细分时PWM参数列表

。

明确相电压数值分配规律后，因为相电压为抽头电压差，由此可进行抽头电压的配置。以I相的两个抽头：A、B电压配置为例，表3同时给出两个方案。两方案中，A-B结果为同一数值系列，但实践中发现，使用方案1中的数值进行电机控制时，电机运行有较大抖动，不甚平稳。观察可知，方案1中，A、B抽头电压在单周期内变化不均匀，高、低电平维持时间不等，不像方案2种，A、B抽头电压分布均匀，过度平稳。所以选取方案2所示配置参数。

由此可得出PWM参数配置应遵循的另一个原则：

（3）各抽头电压应分布均匀合理，周期内高低电平对称。

表3 四细分情况下，一个周期内A、B两相上所给电平取值对比

。

按照上述两个规律及一个原则，给出步进电机四细分控制的PWM参数配置，见表4，需将所将参数整形化后，可应用于所选FPGA进行PWM波形生成。

表4 四细分时PWM参数列表

（7）机械设计：

在估算机器人载重之后，自行设计车轮时，选用有机玻璃板当作轮框架材料，并以激光雕刻的方式进行精确加工。每块轮框板材外缘开有8个凹槽，用于安放侧向辊子。侧向辊子的转轴夹紧在轮框架外缘。另外，适度镂空轮框以减少车轮重量。购置侧向辊子及其转轴，并在辊子外套硅胶管，以增大轮子和室内地板之间的摩擦力。车轮中心有圆孔（有一侧是平的），用以同步进电机转轴连接。该加工制作方案降低加工难度、避开昂贵的开模工艺、同时也保证了车轮加的精度及必要的强度。附图8所示为车轮框架CAD图纸，附图9所示为互补全向车轮体实物图。

经典的全方位轮一个主要缺点是：辊子之间存在的间隙使得轮子在转动过程中同地面接触点的高度不断变化，从而导致机器人车体的震动或打滑，因而增加了运动计算的误差。为弥补不足，本系统将两个全方位轮错开角度并列安装，形成互补结构，保证轮组在转动过程中至少有一个侧向辊子与地面保持接触，减少了震动和打滑情况的发生。

附图10所示为六轮步进式机器人全向移动平台机械结构，底盘均匀布置三组六个步进电机，两两轴向夹角为60度。所示平台可方便实现全向步进功能，并且可以提供较大驱动力。

考虑在实际应用环境中，地面的不平整或车架的细微形变等因素将导致六个车轮无法同时着地，从而导致车轮空转的情况出现，对此本实用新型进行了相应的辅助设计。附图11所示红框位置安装弹簧，使得六个车轮处于预紧状态，这样可以有效的解决六个轮子不同时着地的问题，同样这一措施也起到为车体减震的效果。

Claims

1. 一种六轮步进式机器人全向移动平台，其特征在于包括顶板、底板，以及均匀布置于顶板和底板之间的六个步进电机；相邻两个步进电机之间的轴向夹角为60度，每个步进电机转轴上连接一组互补全向车轮；两个轴向夹角为180度的步进电机定为一组，六个步进电机分成三组；

所述互补全向车轮采用有机玻璃板作为轮框架，每块轮框架板材外缘等间距地开有8个凹槽，每个凹槽中均安装侧向辊子，侧向辊子的转轴夹紧在轮框架外缘。

2. 根据权利要求1所述的六轮步进式机器人全向移动平台，其特征在于在所述步进电机和所述顶板之间的悬挂系统上设置有弹簧，使得六组互补全向车轮处于预紧状态。

3. 根据权利要求1所述的六轮步进式机器人全向移动平台，其特征在于所述步进电机采用混合式两相42H4602型步进电机。