主动动力脚轮组件、全向移动平台及其控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及移动机器人技术领域，特别是涉及一种主动动力脚轮组件，含有上述 主动动力脚轮组件的全向移动平台，以及上述全向移动平台的控制方法。
【背景技术】
[0002] 随着机器人技术的迅速发展，移动机器人已经广泛地应用于机械制造、电商物流、 服务、军事等各个领域。基于各个行业的需要，很多场合都要求移动机器人具有运动快速响 应能力，运动的灵活性以及在各种狭窄的区域共行进的能力。这就需要有一种具备全向移 动能力的平台来帮助移动机器人实现这个功能，因而这个全向移动平台的设计就成为移动 机器人设计工作的重点。
[0003] 为设计全向轮式移动平台，一般可以考虑三种类型的轮子：日常所见的应用于车 辆上的普通轮子；目前移动式机器人所广泛采用的麦克纳姆轮；球形轮。然而这三种轮子 的形式都有各自的不足之处。普通轮结构简单，但是它比较难以实现移动式机器人需要的 全向移动；麦克纳姆轮能实现全向移动，但它的效率较低，并且采用麦克纳母轮的全向移动 平台，因每个麦克纳母轮只有一个电机和它相连接，因此只能对一个自由度的运动进行控 制，全向移动平台的侧行、转向运动是通过调整各个轮子的转速和转向来实现，因而在全向 移动平台侧行、转向等运动时不连续，容易产生打滑以及产生噪音；球形轮可以看成特殊的 麦克纳姆轮，同样存在着低效率和运转噪声的缺点，并且普通轮子、麦克纳姆轮以及球形轮 在运动时控制不准确，易打滑。
【发明内容】
[0004] 基于此，有必要针对滚轮运转效率低、易打滑且噪音大的问题，提供一种能够提高 滚轮运转效率、减少打滑现象的主动动力脚轮组件，含有上述主动动力脚轮组件的全向移 动平台，以及上述全向移动平台的控制方法。
[0005] 上述目的通过下述技术方案实现：
[0006] -种主动动力脚轮组件，包括滚轮、轮轴和轮架，所述轮轴穿过所述滚轮安装在所 述轮架上，且所述轮轴带动所述滚轮滚动，所述主动动力脚轮组件还包括驱动装置、转向装 置和差速装置，所述驱动装置、所述差速装置与所述转向装置分别安装在所述轮架上；
[0007] 所述驱动装置包括驱动电机和驱动齿轮组，所述驱动电机带动所述驱动齿轮组转 动控制所述滚轮滚动；
[0008] 所述转向装置包括转向电机和转向齿轮组，所述转向电机带动所述转向齿轮组转 动控制所述滚轮转向；
[0009] 所述差速装置包括行星齿轮系，所述行星齿轮系包括第一齿轮、第二齿轮、行星架 和辅助齿轮组，所述第一齿轮安装在所述驱动电机的输出轴上，所述第二齿轮安装在所述 转向电机的输出轴上，所述行星架的一端与所述驱动齿轮组连接，所述行星架的另一端与 所述辅助齿轮组连接，所述第一齿轮、所述第二齿轮分别与所述辅助齿轮组啮合。
[0010] 在其中一个实施例中，所述辅助齿轮组包括第三齿轮和第四齿轮，所述第三齿轮 分别与所述第一齿轮、所述第二齿轮啮合，所述第四齿轮也分别与所述第一齿轮、所述第二 齿轮啮合，所述第三齿轮与所述第四齿轮分别安装在所述行星架上。
[0011] 在其中一个实施例中，所述转向齿轮组包括第五齿轮、第六齿轮、第七齿轮和第八 齿轮，所述第五齿轮通过连接件安装在所述第二齿轮的轮毂上，所述转向电机带动所述第 二齿轮与所述第五齿轮同步转动，所述第七齿轮通过所述连接件固定安装在所述轮架上， 所述第六齿轮通过所述连接件安装在所述第七齿轮的轮毂上，所述第八齿轮通过所述连接 件和第一轴承安装在所述轮架上。
[0012] 在其中一个实施例中，所述滚轮的竖直直径线与所述第八齿轮的竖直直径线之间 存在预设距离。
[0013] 在其中一个实施例中，所述主动动力脚轮组件还包括第一传动轴和第二传动轴， 所述第一传动轴和所述第二传动轴分别通过第一轴承安装到所述轮架上。
[0014] 在其中一个实施例中，所述驱动齿轮组包括第九齿轮、第十齿轮、第^^一齿轮、第 十二齿轮、第十三齿轮、第十四齿轮和第十五齿轮，所述第九齿轮套装在所述第一齿轮的轮 毂上，所述驱动电机带动所述第一齿轮与所述第五齿轮同步转动，所述第十齿轮通过两个 第二轴承安装在所述第八齿轮的内孔中，所述第十一齿轮通过所述连接件安装在所述第十 齿轮的轮毂上，所述第十二齿轮安装在所述第一传动轴上，所述第十三齿轮安装在所述第 一传动轴上，所述第十二齿轮与所述第十三齿轮同步转动，所述第十四齿轮安装在所述第 二传动轴上，所述第十五齿轮安装在所述轮轴上。
[0015] 在其中一个实施例中，所述第一齿轮、所述第二齿轮、所述第三齿轮、所述第四齿 轮、所述第七齿轮、所述第八齿轮、所述第九齿轮、所述第十齿轮、所述第十一齿轮与所述第 十二齿轮均为锥齿轮，所述第五齿轮、所述第六齿轮、所述第十三齿轮、所述第十四齿轮与 所述第十五齿轮均为圆柱齿轮。
[0016] 在其中一个实施例中，所述第一轴承为深沟球轴承，所述第二轴承为角接触球轴 承。
[0017] 在其中一个实施例中，所述主动动力脚轮组件还包括驱动减速器和转向减速器， 所述驱动减速器安装在所述驱动电机的输出轴上，所述转向减速器安装在所述转向电机的 输出轴上。
[0018] 还涉及一种全向移动平台，包括车架和上述任一技术特征所述的主动动力脚轮组 件，所述主动动力脚轮组件设置在所述车架上。
[0019] 在其中一个实施例中，所述主动动力脚轮组件的轮架包括上架体和下架体，所述 上架体和所述下架体转动连接，所述滚轮设置在所述下架体上。
[0020] 在其中一个实施例中，所述全向移动平台还包括第一悬架结构，每个所述主动动 力脚轮组件对应至少两个所述第一悬架结构，所述上架体通过相应的所述第一悬架结构安 装在所述车架上；
[0021] 其中，所述第一悬架结构包括第一螺杆、第一螺母和第一压缩弹簧，所述第一压缩 弹簧套置在所述第一螺杆上，所述第一压缩弹簧置于所述上架体与所述车架之间，所述第 一螺母与所述第一螺杆配合。
[0022] 在其中一个实施例中，所述全向移动平台还包括导向装置，所述导向装置包括销 轴、滑动轴承套和第三螺母，所述销轴为阶梯轴，所述销轴包括第一段轴和第二段轴，所述 车架上设置销轴孔，所述销钉孔的直径大于所述第一段轴的直径，所述销轴孔的直径小于 所述第二段轴的直径，所述第一段轴贯穿所述销钉孔，所述第一段轴与所述第三螺母配合， 使得所述销轴被固定在所述车架上，所述上架体上设置有对所述第二段轴进行导向的所述 滑动轴承套，所述第二段轴置于所述滑动轴承套内。
[0023] 在其中一个实施例中，所述全向移动平台还包括至少一个被动辅助脚轮，所述至 少一个被动辅助脚轮设置在所述下架体上。
[0024] 在其中一个实施例中，所述至少一个被动辅助脚轮均为万向脚轮。
[0025] 在其中一个实施例中，所述全向移动平台还包括第二悬架结构，所述第二悬架结 构的数量等于所述被动辅助脚轮的数量，所述被动辅助脚轮通过相应的所述第二悬架结构 安装在所述车架上；
[0026] 所述第二悬架结构包括安装座、第二螺杆、第二压缩弹簧和第二螺母，所述安装座 固定在所述车架上，所述安装座为阶梯轴状，所述安装座内设有阶梯孔，所述第二螺杆贯穿 所述阶梯孔，所述第二压缩弹簧套置在所述第二螺杆上，所述第二螺杆的下端部设置有用 于对所述第二压缩弹簧限位的凸缘，所述第二压缩弹簧置于所述安装座与所述凸缘之间， 所述第二螺杆的下端部与所述被动辅助脚轮的竖轴螺纹配合，所述第二螺杆的上端与所述 第二螺母配合。
[0027] 在其中一个实施例中，所述主动动力脚轮组件与所述被动辅助脚轮的数量均为两 个，且所述主动动力脚轮组件与所述被动辅助脚轮分别呈对角线对称设置。
[0028] 在其中一个实施例中，所述全向移动平台还包括控制装置，所述控制装置分别与 所述转向电机和所述驱动电机电连接；
[0029] 其中，所述控制装置包括控制器、放大器和编码器，所述控制器用于运动控制算法 计算，所述控制器分别与所述放大器和所述编码器电连接，所述控制器可以通过转接模块 接收所述编码器的值，并且针对所述放大器发出控制指令；所述放大器用于读取控制信号 并且驱动所述转向电机和所述驱动电机的运转；所述编码器用于读取所述转向电机和所述 驱动电机的实际位置值用于运动控制算法计算。
[0030] 在其中一个实施例中，所述全向移动平台还设置有用于连接激光测距仪、陀螺仪、 超声传感器和视觉传感器中至少一个的接口。
[0031 ] 在其中一个实施例中，所述车架采用聚甲醛材料制成。
[0032] 还涉及一种全向移动平台的控制方法，所述全向移动平台为上述技术特征所述的 全向移动平台，包括以下步骤：
[0033] 关节空间驱动电机、转向电机的转向速度和滚动速度与工作空间的速度关系由以 下逆运动学公式得到
[0035] 其中是全向移动平台在工作空间X方向上的速度，其中Vtiy是全向移动平台在 工作空间y方向上的速度，w是全向移动平台在工作空间旋转的角速度，士是转向电机的运 动速度，表是驱动电机的速度，0是全向移动平台的坐标系与全局坐标系的夹角，b是滚轮 的偏移距离，h是全向移动平台中心到滚轮的距离，r是滚轮的半径；
[0036] 工控机通过计算将全向移动平台的工作空间速度vx，vy，w映射成关节空间的速 度，A，A，處*:A最终通过给控制