[发明专利]一种具有相对位姿检测功能的全方位轮式移动机器人

说明书

技术领域

本发明属于移动机器人技术领域，具体涉及一种具有相对位姿检测功能的全方位轮式移动机器人，适用于在城区环境中进行定位和导航。

背景技术

轮式移动机器人在城区环境中行驶时，传统的差速转向方式控制简单，但机器人在转弯时受底盘重量、地面摩擦力等影响，控制精度低；如果采用汽车的阿克曼(Ackerman)转向机构，由于转弯半径大，限制了机器人的机动性。现有的月球、火星探测车通常使用具有多轮独立驱动和转向机构的移动底盘。例如：“好奇号”火星车使用了六个车轮，每个车轮均有独立的驱动电机，两个前轮和两个后轮还配有独立的转向电机；另外，采用摇杆式转向悬挂系统，具有较好的越障、防倾覆等特点，但这种移动底盘结构复杂，更适用于低速移动机器人。

近些年，出现了一种新型车轮结构——全向轮，具体实现类型包括瑞士轮和麦克纳姆(Mecanum)轮等。在全向轮的圆周方向上，均匀分布了多个小轮，其转轴轴线方向与全向轮的圆周相切，当受到侧向摩擦力后可以自由转动，因此，即使当全向轮侧向移动时，与地面仍然保持为滚动摩擦。然而，当使用全向轮作为移动机器人的驱动轮时，机器人行走的控制精度受到全向轮上多个小轮与地面的接触轮廓影响，可能引起移动底盘产生速度波动，并且由于小轮对地面的摩擦力有限，因此移动性能不够理想。另外，全向轮的承载能力相对较弱，当搬运重型货物时，不宜使用全向轮作为驱动轮。

发明内容

本发明结合独立驱动和转向车轮、全向轮的优点，设计了一种具有相对位姿检测功能的全方位轮式移动机器人。该移动机器人的底盘由主动轮系和从动轮系共同组成：四个主动轮使用轮毂电机作为驱动轮，并且具有独立转向功能；三个从动轮使用全向轮，专门用于检测移动机器人的相对运动位姿。该移动机器人主要用于在城区环境中行驶。

本发明是通过以下技术方案来实现的：

一种具有相对位姿检测功能的全方位轮式移动机器人，包括底盘，其特征在于：所述底盘上安装有四个主动轮机构和三个从动轮机构，所述主动轮机构对称安装在底盘两侧作为机器人的行走机构，采用轮毂电机技术，包括集成在主动轮上的轮毂电机、减震器、减速器以及伺服电机，所述伺服电机经过减速器减速带动轮毂电机绕其竖直中心轴在±90°范围内水平旋转方向，通过程序协调控制四个轮毂电机的转动速度以及四个伺服电机的转角，使机器人具有直行、斜行和转向等多种复杂的运动功能；所述从动轮机构分别安装在底盘两侧中间位置和尾部中间位置，用于检测移动机器人的相对位姿变化，均包括全向轮，左、右两侧从动轮机构与尾部从动轮机构的全向轮的转轴相互垂直，每个全向轮的转轴上安装编码器，通过三个编码器的测量数据组合，计算机器人的相对运动位姿增量。

所述轮毂电机的两侧设有减震器，所述减震器的顶端固定安装有水平支撑板，所述支撑板上连接有减速器的输出法兰，所述减速器通过支架垂直安装在机器人底盘的侧面，所述减速器的输入端还连接有伺服电机，所述伺服电机经过减速器带动支撑板转动进而改变车轮的转向角；所述四个主动轮机构的伺服电机独立驱动和转向，通过协调控制，实现机器人的灵活运动。

所述左、右两侧从动轮机构包括全向轮、增量式光电编码器以及减震器，所述全向轮两侧设有减震器，中心轴上设有带座轴承一和增量式光电编码器，且中心轴贯穿于带座轴承一内圈孔中，和带座轴承一外圈、增量式光电编码器的转轴固定连接；所述减震器的底端经过带座轴承一与全向轮连接，所述增量式光电编码器的外壳经支架固定安装于减震器的底端，所述减震器的顶端固定安装有水平支撑板，所述水平支撑板上固定有立式支撑架，所述立式支撑架上固定连接有水平转轴，所述水平转轴的另一端连接有竖直连接杆的底端，所述竖直连接杆底端还设有带座轴承二，所述水平转轴可以围绕带座轴承二的轴线转动，所述带座轴承二的轴承座固定安装在机器人底盘的侧面，所述竖直连接杆的顶端经过拉伸弹簧与机器人底盘侧面相连，所述竖直连接杆上还设有限位挡块限制全向轮绕水平轴向前旋转的极限位置。