全向轮、包括全向轮的机器人移动平台及移动机器人的制作方法

本发明涉及全向行走机构领域，更具体地，涉及一种全向轮、包括该全向轮的机器人移动平台及移动机器人。

背景技术：

移动机器人在环境中无约束的运动需要一个能够实现全向移动和旋转的机器人移动平台。现有机器人移动平台大多采用底盘与全向轮组合的结构，以实现移动机器人的任意方向的平移和旋转。

全向轮的优势在于可以原地转向和横向移动，能够实现机器人移动平台在狭小空间内的灵活运动。具体到全向轮的结构，常见的主要为两种，一种为Mecanum轮：其轮缘上斜向分布着许多小滚子，当轮子绕着固定的轮心轴转动时，各个小滚子的包络线为圆柱面，所以该轮能够连续地向前滚动；同时由于小滚子的作用，轮子可以横向滑移；通过多个轮子(常见的为四个)驱动力的矢量合成，实现移动平台的原地转向和横向移动。

另一种为Omni轮，其轮缘上横向分布着许多小滚子，当轮子绕着固定的轮心轴转动时，各个小滚子的包络线也为圆柱面，所以该轮能够连续地向前滚动；同时由于小滚子的作用，可以实现横向的被动运动；通过多个轮子(常见的为三个或四个)驱动力的矢量合成，实现移动平台的原地转向和横向移动。

以上两种全向轮的优势是结构紧凑，但是由于轮上有多个滚子，在轮子滚动时，滚子会依次与地面接触，由于滚子与地面的接触面不是连续的，每次滚子接触地面时会发生振动。而为了减少振动，以上两种全向轮结构在使用时往往会尽量增加滚子数量，由于每个滚子需要一对轴承，多个滚子会导致组装复杂，成本较高。因此导致传统全向轮组装复杂，成本较高。

公开于本发明背景技术部分的信息仅仅旨在加深对本发明的一般背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。

技术实现要素：

本发明的目的是提出一种全向轮，所述全向轮能够克服现有技术的缺点，实现震动小、组装方便、成本低的效果。本发明的目的还在于提供一种包括该全向轮的机器人移动平台以及移动机器人。

本发明的一方面提出一种全向轮，包括：

全向轮轴，用于将所述全向轮进行外部连接；

支架，用于在所述全向轮内部进行刚性支承，连接于所述全向轮轴；

第一轮组，所述第一轮组通过支架连接于所述全向轮轴，包括分别对称设置于所述支架两侧的两个半球形滚轮；

第二轮组，所述第二轮组包括分别对称设置于所述第一轮组的半球形滚轮顶端的两个第二滚轮，且通过所述支架连接于所述全向轮轴；

第三轮组，所述第三轮组包括相对于所述第一轮组对应的第一转轴分别对称设置于所述支架的两侧的两个第三滚轮，且通过所述支架连接于所述全向轮轴；

其中，所述全向轮轴、所述第一转轴及所述第二滚轮对应的第二转轴彼此垂直。

优选地，所述第一转轴、所述第二转轴和所述第三滚轮对应的第三转轴共面设置。

优选地，在所述第一转轴、所述第二转轴、所述第三转轴所在的平面上，所述第一轮组、所述第二轮组和所述第三轮组的外轮廓组合形成圆形。

优选地，所述第一转轴平行于所述第三转轴。

优选地，所述第二滚轮、所述第三滚轮均为纺锤形，且所述第二滚轮、所述第三滚轮对应的弧度分别与所述半球形滚轮对应的弧度一致。

优选地，所述第一轮组、所述第二轮组和所述第三轮组分别通过轴承连接于所述支架。

优选地，所述半球形滚轮、所述第二滚轮和所述第三滚轮的至少其中之一的外表面由橡胶、硅胶或尼龙制成。

优选地，所述半球形滚轮的顶端形成端面，所述第二滚轮设置于所述端面处。

优选地，所述半球形滚轮能够绕所述第一转轴转动，所述第二滚轮能够绕所述第二转轴转动，所述第三滚轮能够绕所述第三滚轮对应的第三转轴转动。

本发明的另一方面提供一种机器人移动平台，包括底盘和设置于所述底盘的至少三个上述的全向轮。

优选地，所述全向轮的个数为三个，且三个全向轮均布于所述底盘的底部。

优选地，每个全向轮分别连接至一台驱动装置，所述驱动装置用于驱动所述全向轮的全向轮轴进行转动。

优选地，所述机器人移动平台还包括：

计算模块，用于基于所述机器人移动平台的当前位置和姿态以及目标位置和姿态计算目标运动矢量；

控制模块，用于根据所述目标运动矢量分别控制每台驱动装置进行驱动。

优选地，通过以下公式计算所述目标运动矢量：

其中，表示所述目标运动矢量，x_t、y_t分别表示所述机器人移动平台的目标位置的水平x坐标和y坐标，θ_t表示所述机器人移动平台的绕竖直方向的目标角度，x₀、y₀分别表示所述机器人移动平台的当前位置的水平x坐标和y坐标，θ₀表示所述机器人移动平台的绕竖直方向的当前角度。

优选地，所述控制模块根据所述目标运动矢量分别控制每台驱动装置进行驱动时，将所述目标运动矢量转化为每台驱动装置对应的转动速度和转动方向。

优选地，所述控制模块根据所述目标运动矢量分别控制每台驱动装置进行驱动时，通过所述驱动装置分别驱动两个全向轮相向或相背滚动，根据两个全向轮的滚动速度产生的受力差异控制所述机器人移动平台进行所述两个全向轮对应方向上的水平移动，通过所述驱动装置分别驱动三个全向轮同向滚动进行绕所述机器人移动平台的轴线的转动。

本发明的再一方面提供一种移动机器人，包括上述的机器人移动平台。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

通过连接于全向轮轴的三个轮组实现全向轮的全向转动和移动，结构简单，便于组装；

全向轮的第一轮组、第二轮组和第三轮组的滚轮的几何旋转轴共面设置，在该平面上，第一轮组、第二轮组和第三轮组的外轮廓组合形成圆形，使得全向轮与地面的接触面是一个几乎连续的球面，仅在轮组交界处有8处不连续，但其不连续的距离较小，由此可以减小工作时的振动；

全向轮使用的滚轮数较少，大大降低了制造成本；

采用本发明全向轮的机器人移动平台能够方便地实现任意方向的直线运动、绕平台轴线的旋转运动、以及由直线和旋转运动合成的复杂运动。

本发明的装置具有其它的特性和优点，这些特性和优点从并入本文中的附图和随后的具体实施例中将是显而易见的，或者将在并入本文中的附图和随后的具体实施例中进行详细陈述，这些附图和具体实施例共同用于解释本发明的特定原理。

附图说明

通过结合附图对本发明示例性实施例进行更详细的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本发明示例性实施例中，相同的参考标号通常代表相同部件。

图1示出了根据本发明示例性实施例的全向轮的俯视图；

图2示出了根据本发明示例性实施例的全向轮沿剖面7的剖面图；

图3示出了根据本发明示例性实施例的全向轮的立体图；

图4示出了根据本发明示例性实施例的机器人移动平台的立体图；

图5示出了根据本发明示例性实施例的机器人移动平台的直线运动示意图；

图6示出了根据本发明示例性实施例的机器人移动平台的旋转运动示意图。

主要附图标记说明：

1、第一轮组；101、半球形滚轮；102、近端面；103、端面；2、第二轮组；3、第三轮组；4、第一转轴；5、第二转轴；6、第三转轴；7、剖面；8、全向轮轴；9、支架；2001、全向轮；2002、全向轮；2003、全向轮；201、驱动装置；202、底盘；203、轴线。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本发明。虽然附图中显示了本发明的优选实施例，然而应该理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了使本发明更加透彻和完整，并且能够将本发明的范围完整地传达给本领域的技术人员。

本发明实施例提供一种全向轮，包括：

全向轮轴，用于将全向轮进行外部连接；

支架，用于在全向轮内部进行刚性支承，连接于全向轮轴；

第一轮组，第一轮组通过支架连接于全向轮轴，包括分别对称设置于支架两侧的两个半球形滚轮；

第二轮组，第二轮组包括分别对称设置于第一轮组的半球形滚轮顶端的两个第二滚轮，且通过支架连接于全向轮轴；

第三轮组，第三轮组包括相对于第一轮组对应的第一转轴分别对称设置于支架的两侧的两个第三滚轮，且通过支架连接于全向轮轴；

其中，全向轮轴、第一转轴及第二滚轮对应的第二转轴彼此垂直。

全向轮轴和各轮组按本发明实施例所述的位置设置，全向轮可以绕着全向轮轴滚动，三个轮组的滚轮也可以绕着各自的几何旋转轴被动滚动，从而可以实现全向轮沿各个方向的滚动。

作为优选方案，第一转轴、第二转轴和第三滚轮对应的第三转轴共面设置，以提高滚动效率。

作为优选方案，第一转轴平行于第三转轴，更利于全向轮的全向转动和移动。

作为优选方案，在第一转轴、第二转轴、第三转轴所在的平面上，第一轮组、第二轮组和第三轮组的外轮廓组合形成圆形，使得全向轮与地面的接触面是一个连续的球面，仅在轮组交界处有8处不连续，但其不连续的距离较小，由此可以减小工作时的振动，工作过程更顺畅。

作为优选方案，第二滚轮、第三滚轮均为纺锤形，且第二滚轮、第三滚轮对应的弧度分别与半球形滚轮对应的弧度一致，易于滚动。

作为优选方案，第一轮组、第二轮组和第三轮组分别通过轴承连接于支架，每个滚轮可使用两个轴承。与现有全向轮相比，本发明实施例的全向轮使用的轴承相对较少，能够大大节省成本。

作为优选方案，半球形滚轮、第二滚轮、第三滚轮的外表面可以采用橡胶、硅胶、尼龙等材料，能够防止滑轮。

作为优选方案，半球形滚轮的顶端形成端面，第二滚轮设置于端面处，以便与半球形滚轮组合形成连续球面。

作为优选方案，半球形滚轮能够绕第一转轴转动，第二滚轮能够绕第二转轴转动，第三滚轮能够绕第三滚轮对应的第三转轴转动，从而能够实现全向轮沿各个方向的全向滚动。

本发明实施例还提供一种机器人移动平台，包括底盘和设置于底盘的至少三个全向轮。这样的机器人移动平台结构简单、便于组装，且能够实现全向转动和移动。优选地，全向轮的个数为三个，且三个全向轮均布于底盘的底部。

每个全向轮可连接至一台驱动装置，驱动装置用于驱动全向轮的全向轮轴转动，从而带动全向轮以全向轮轴为转轴进行转动。驱动装置例如是电机。

作为优选方案，机器人移动平台还包括：

计算模块，用于基于机器人移动平台的当前位置和姿态以及目标位置和姿态计算目标运动矢量；

控制模块，用于根据目标运动矢量分别控制每台驱动装置进行驱动。

在确定了机器人移动平台的当前位置和姿态以及目标位置和姿态的情况下，计算模块可以计算目标运动矢量，其用于表示机器人移动平台的目标运动方向。目标运动矢量可以表示为机器人移动平台的目标位置和姿态以及当前位置和姿态的矢量差，如以下公式所示：

其中，表示目标运动矢量，x_t、y_t、z_t分别表示机器人移动平台的目标位置的x坐标、y坐标、z坐标，α_t、β_t、θ_t分别表示机器人移动平台的绕x轴方向、y轴方向、z轴方向的目标角度，x₀、y₀、z₀分别表示机器人移动平台的当前位置的x坐标、y坐标、z坐标，α₀、β₀、θ₀分别表示机器人移动平台的绕x轴方向、y轴方向、z轴方向的当前角度。

根据目标运动矢量，控制模块分别控制每台驱动装置的驱动，从而使得机器人移动平台沿着指定的运动方向运动，达到目标位置和姿态。根据目标运动矢量，基于机器人移动平台的全向轮布局，计算每个全向轮所对应的驱动装置的驱动方向和驱动速度并进行相应的控制，属于本领域的常规技术手段，其不是本发明的重点，在此不再赘述。

在大多数情况下，机器人移动平台在水平面内移动和转动，因此，控制模块通过以下公式计算目标运动矢量：

其中，表示目标运动矢量，x_t、y_t分别表示机器人移动平台的目标位置的水平x坐标和y坐标，θ_t表示机器人移动平台的绕竖直方向的目标角度，x₀、y₀分别表示机器人移动平台的当前位置的水平x坐标和y坐标，θ₀表示机器人移动平台的绕竖直方向的当前角度。

在这种情况下，对于最常见的机器人移动平台结构，即机器人移动平台包括三个均布的全向轮时，控制模块根据目标运动矢量分别控制每台驱动装置进行驱动时，通过驱动装置分别驱动两个全向轮相向或相背滚动，根据两个全向轮的滚动速度产生的受力差异控制机器人移动平台进行两个全向轮对应方向上的水平移动，通过驱动装置分别驱动三个全向轮同向滚动进行绕机器人移动平台的轴线的转动。

本发明实施例还提供一种移动机器人，包括上述的机器人移动平台。

实施例

图1示出了根据本发明示例性实施例的全向轮的俯视图，图2示出了根据本发明示例性实施例的全向轮沿剖面7的剖面图，图3示出了根据本发明示例性实施例的全向轮的立体图。

如图1-3所示，剖面7为全向轮的几何对称面，垂直于全向轮轴8，第一轮组1的半球形滚轮101对应的第一转轴4、第二轮组2的第二滚轮对应的第二转轴5及第三轮组3的第三滚轮对应的第三转轴6均位于剖面7上。沿着剖面7切开可以得到全向轮的剖面图。

根据示例性实施例的全向轮包括：

全向轮轴8，用于将全向轮进行外部连接，例如可连接至机器人移动平台的底盘；

支架9，用于在全向轮内部进行刚性支承，其可转动地连接于全向轮轴8；

第一轮组1，第一轮组1通过支架9连接于全向轮轴8，第一轮组1包括分别对称设置于支架9两侧的两个半球形滚轮101，半球形滚轮101的顶端形成端面103，半球形滚轮101能够绕第一转轴4转动；

第二轮组2，第二轮组2包括分别设置于第一轮组1的端面103处的两个第二滚轮，且第二轮组2通过支架9连接于全向轮轴8，第二滚轮能够绕第二转轴5转动，第二滚轮的外表面与半球形滚轮101的外表面形成几乎连续的圆弧，有利于工作时减少振动；

第三轮组3，第三轮组3包括相对于第一转轴4分别对称设置于支架9的两侧的两个第三滚轮，且第三轮组3通过支架9连接于全向轮轴8，第三滚轮能够绕第三转轴6转动，第三滚轮设置于近端面102(近端面102是两个半球形滚轮101相对的端面)处，第三滚轮的外表面与半球形滚轮101的外表面形成几乎连续的圆弧，可以减少工作时的振动；

其中，全向轮轴8、第一转轴4及第二转轴5彼此垂直。

如图3所示，第二滚轮和第三滚轮均为纺锤形，第二滚轮和第三滚轮的外表面可以采用橡胶、硅胶、尼龙等材料，防止滑轮。

第一轮组1、第二轮组2和第三轮组3的外表面组合形成球形外表面，换言之，第一轮组1、第二轮组2和第三轮组3的外轮廓在剖面7上组合形成圆形。第一轮组1、第二轮组2、第三轮组3均通过轴承连接于支架9。

图4示出了根据本发明示例性实施例的机器人移动平台的立体图，图5示出了根据本发明示例性实施例的机器人移动平台的直线运动示意图，图6示出了根据本发明示例性实施例的机器人移动平台的旋转运动示意图。

根据本发明示例性实施例的机器人移动平台包括底盘202和均布于底盘202底部的三个全向轮，即全向轮2001、全向轮2002和全向轮2003。每个全向轮连接至一台驱动装置201，驱动装置201可以驱动全向轮的全向轮轴转动。通过控制器可以基于机器人移动平台的当前位置和姿态以及目标位置和姿态计算目标运动矢量，并根据目标运动矢量分别控制每台驱动装置的驱动速度和驱动方向，即转化为每台驱动装置对应的转动速度和转动方向，从而控制每个全向轮的全向轮轴的转动方向和转动速度。通过三个全向轮的运动矢量合成，可以实现机器人移动平台沿任意方向的直线运动、绕机器人移动平台的对称轴线203的旋转运动、以及由直线和旋转运动合成的复杂运动。

以下参考图4、图5和图6举例说明在示例性实施例中控制机器人移动平台在水平面内的移动和转动的方法。

当需要机器人移动平台沿图5中箭头方向(该方向与全向轮2003的全向轮轴8平行，此时目标运动矢量)移动时，控制器通过与全向轮2001连接的驱动装置控制全向轮2001沿T1方向的反方向滚动，通过与全向轮2002连接的驱动装置控制全向轮2002沿T2方向滚动，且两者速度向同。在滚动时，全向轮2001和2002中的第一轮组、第二轮组、第三轮组按照前述的排布位置分别与地面接触；此时，全向轮2003做被动滚动，其第一轮组、第二轮组、第三轮组中的一个或两个滚轮将始终与地面接触，并绕其转轴旋转。在其他实施例中，控制器通过与全向轮2001连接的驱动装置控制全向轮2001沿T1方向的反方向滚动，通过与全向轮2002连接的驱动装置控制全向轮2002沿T2方向滚动，全向轮2001沿T1方向的反方向滚动的速度大于全向轮2002沿T2方向滚动的速度时，则全向轮2001与地面产生的摩擦力大于全向轮2002与地面产生的摩擦力，机器人移动平台沿图5中箭头方向偏下移动，具体角度与两者的滚动速度差相关。

当需要机器人移动平台沿图6中箭头方向绕底盘202的轴线203旋转时(此时目标运动矢量)，控制器通过分别与全向轮2001、2002、2003连接的驱动装置控制全向轮2001、2002、2003分别沿着T1、T2、T3的反方向进行同向滚动。在滚动时，全向轮2001、2002、2003中的第一轮组、第二轮组、第三轮按照前述的排布位置分别与地面接触。

机器人移动平台其他更复杂的运动可以分解为以上两种运动的组合，其控制方式对于本领域技术人员也是显而易见的。

本领域技术人员应理解，上面对本发明的实施例的描述的目的仅为了示例性地说明本发明的实施例的有益效果，并不意在将本发明的实施例限制于所给出的任何示例。

以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术的改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。