一种全向移动轮式机器人平台及控制方法与流程

本发明涉及一种全向移动轮式机器人平台及控制方法。

背景技术：

麦克纳姆轮的概念是由瑞典麦克纳姆公司提出的，其主要由两部分组成，一部分为电机控制的轮毂，另一部分为沿着轮毂外缘按照一定角度均匀分布的多个被动辊子。麦克纳姆轮结构紧凑，运动灵活，是很成功的一种全方位轮，但是现有技术中，为了实现全方位移动功能，需至少采用4个麦克纳姆轮进行组合，比如，专利号201010145736.X公开了一种多功能智能助立助行机器人，采用四个麦克纳姆轮，专利号201610725467.1公开了一种电控式滑撬直升机自动移库装置，所述凹形平台底部的四个角均安装有所述麦克纳姆轮。

采用4个麦克纳姆轮进行组合，轮子分布面积过大而无法减小移动平台的尺寸，并且轮子的分布也导致了系统缺乏灵活性，不适合小尺寸机器人的平台设计，不仅成本高、结构复杂，而且控制精度低。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明提供一种全向移动轮式机器人平台及控制方法，采用三个电机控制三个麦克纳姆轮作为主动轮，无从动轮，能够灵活的完成全向运动，具有适应性强、灵敏度高、稳定性好、转动灵活等优点，满足系统运动对复杂环境的要求。

为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明通过以下技术方案实现：

一种全向移动轮式机器人平台，包括设置有安装孔的底盘平台，其特征在于，还包括三个均匀排列的麦克纳姆轮且两两之间夹角为120°，每个麦克纳姆轮通过电机驱动，每个电机通过驱动器与控制器相连，控制器输出信号给电机驱动器分别控制三个电机的转速。

优选，设三个均匀排列的麦克纳姆轮的中心为O点，第i个麦克纳姆轮的转动中心为O_i′，i＝1,2,3，xoy是中心为O的直角坐标系，x′o_i′y′是圆心为轮毂中心O_i′的直角坐标系，r为麦克纳姆轮的半径，α_i是第i个麦克纳姆轮的辊子的偏向角，β_i是与x轴的夹角，(l_ix,l_iy,θ_i)是x′o_i′y′坐标系在xoy中的位姿描述，l_ix＝l_i cosβ_i,l_iy＝l_i sinβ_i，θ_i是第i个麦克纳姆轮的轮子轴线与x轴方向夹角，则全向移动平台的运动的速度矢量即为O点的速度矢量，设为[v_x,v_y,ω]^T，v_x是x轴速度,v_y是y轴速度,ω是转向速度，则三个电机的转速矢量[ω₁,ω₂,ω₃]^T：

控制器输出PWM脉冲信号给电机驱动器分别控制三个电机的转速。

优选，所述底盘平台呈圆形。

优选，所述传感器单元包括霍尔电流传感器、陀螺仪传感器、角度传感器和超声波传感器。

相对应的，一种全向移动轮式机器人平台的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1、输入全向移动平台的运动的速度矢量[v_x,v_y,ω]^T，v_x是x轴速度,v_y是y轴速度,ω是转向速度；

步骤2、计算三个电机的转速矢量[ω₁,ω₂,ω₃]^T：

式中，设三个均匀排列的麦克纳姆轮的中心为O点，第i个麦克纳姆轮的转动中心为O_i′，i＝1,2,3，xoy是中心为O的直角坐标系，x′o_i′y′是圆心为轮毂中心O_i′的直角坐标系，r为麦克纳姆轮的半径，α_i是第i个麦克纳姆轮的辊子的偏向角，β_i是与x轴的夹角，(l_ix,l_iy,θ_i)是x′o_i′y′坐标系在xoy中的位姿描述，l_ix＝l_icosβ_i,l_iy＝l_isinβ_i，θ_i是第i个麦克纳姆轮的轮子轴线与x轴方向夹角；

步骤3、控制器根据三个电机的转速矢量[ω₁,ω₂,ω₃]^T，输出对应频率的PWM脉冲信号给电机驱动器；

步骤4、电机驱动将其转换成控制电机转速的双相四线式脉冲信号输出到电机。

本发明的有益效果是：

第一、在结构上：突破了移动平台传统的四轮式(双驱动+双万向)及三轮式(双驱动+单万向)结构，采用三轮完全对称式驱动。相比较之下，传统的四轮式结构有着轮子分布面积过大而无法减小平台尺寸的缺陷，并且轮子的分布也导致了系统缺乏灵活性，不适合小尺寸机器人的平台设计；传统的三轮式结构是目前机器人平台应用较为广泛的一种结构，但在复杂的环境中，由于结构的限制也会导致运动缺乏灵活性，对于一些紧急事故，无法做到完全有效避免或解决；而本申请的基于麦克纳姆轮的三轮式结构，三个驱动模块采用完全均匀对称式分布，其平台占用面积可以大大缩小，可以作为小型机器人平台设计开发的一个优秀选择方案，而麦克纳姆轮独特的运动结构，也保证了系统运动上的灵活性。

第二、在运动上：通过对本设计的系统运动学方程分析可知，系统可以在不改变正面方向的状态下，完成任意方向的运动，且不需要转向行为，这就避免了传统运动结构遇到障碍或其他紧急情况需要花时间转向来躲避障碍的问题，实现了事故的灵活处理。另一方面，本设计不同于传统结构在转向时会发生一定位移，并且占用较长时间，在转向过程中，基于均匀对称分布的驱动结构，系统可以完成绕自身中心的转动，这就大大的缩短了转向时间，消除了转向过程中遇到障碍的问题，提高了系统的灵活性。

第三、在控制上：由于系统结构的限制，本设计在控制上要比传统结构复杂得多，但同时控制精度也要高得多。通过对系统运动学方程的分析可知，只要给定系统的目标速度矢量或转向角速度，系统就可以按照设定的速度及方向运动，结合角度传感器及控制器的定时器，就可以让系统实现任意方向前进指定距离或者任意方向转动指定角度，加上系统采用的是步进电机驱动，控制精度也将大大提高，这就使得系统具有了完全可控性，让后期平台的拓展开发更加方便灵活。

附图说明

图1是麦克纳姆轮的结构示意图；

图2是本发明一种全向移动轮式机器人平台的结构示意图；

图3是本发明第i个麦克纳姆轮与系统运动中心的运动关系示意图；

图4是本发明第i个麦克纳姆轮的部分参数关系示意图；

图5是本发明实施例中一种全向移动轮式机器人平台的具体结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体的实施例对本发明技术方案作进一步的详细描述，以使本领域的技术人员可以更好的理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。

一种全向移动轮式机器人平台，包括设置有安装孔的底盘平台，优选，底盘平台呈圆形，底盘平台通过安装孔安装其他配件。还包括三个均匀排列的麦克纳姆轮且两两之间夹角为120°，如图1和2所示，麦克纳姆轮主要包括两部分，一部分为电机控制的轮毂，另一部分为沿着轮毂外缘按照一定角度均匀分布的多个被动辊子。

每个麦克纳姆轮通过电机驱动，系统采用三个电机控制三个麦克纳姆轮作为主动轮，无从动轮，三个麦克纳姆轮按照圆周方向均匀排列，三个电机安装时轴心交于底盘中心，且两两之间夹角为120°。该结构在运动过程中，适应性强、灵敏度高、稳定性好、转动灵活等优点，在此基础上，该结构还可以在不改变前视角度的情况下，实现任意方向的运动，具有极大的灵活性，满足系统运动对复杂环境的要求。具体的控制通过控制器实现，即每个电机通过驱动器与控制器相连，控制器输出信号给电机驱动器分别控制三个电机的转速。

下面进行具体的运动学分析：

在本设计中，为了得到一般情况下的三轮全方位系统运动学方程，设三个麦克纳姆轮的布局形式是任意的，每个轮子在系统中既有相对于系统中心的位置，也有各自的姿态角度。如图3和4所示，图中各参数及系统各部分运动参数定义如下：

设三个均匀排列的麦克纳姆轮的中心(也即系统运动中心)为O点，第i个麦克纳姆轮的转动中心为O_i′，i＝1,2,3，xoy是中心为O的直角坐标系，x′o_i′y′是圆心为轮毂中心O_i′的直角坐标系，r为麦克纳姆轮的半径，α_i是第i个麦克纳姆轮的辊子的偏向角，β_i是与x轴的夹角，(l_ix,l_iy,θ_i)是x′o_i′y′坐标系在xoy中的位姿描述，l_ix＝l_icosβ_i,l_iy＝l_isinβ_i，θ_i是第i个麦克纳姆轮的轮子轴线与x轴方向夹角，v_ir是第i个麦克纳姆轮的辊子的中心速度矢量，[v_x,v_y,ω]^T是O点相对于地面的运动速度，[v_i′_x,v_i′_y,ω_i′]^T是O_i′点在x′o_i′y′坐标系中的运动速度，[v_ix,v_iy,ω_i]^T是O_i′点在xoy坐标系中的运动速度，ω_i是电机的转速，由图4可知：

将轮毂的中心速度转换到xoy坐标系中，可得：

因为系统在做平面运动，可得：

由公式(2)、(3)可得系统逆运动学方程：

∵det(K_i1)≠0,det(K_i2)≠0

令Ki＝[K_i2]^-1[K_i1]^-1*K_i3,l_ix＝l_icosβ_i,l_iy＝l_isinβ_i

得第i个轮子的逆运动学方程：

轮子转速到系统中心的逆运动学解为：

系统逆运动学方程的雅克比矩阵为：

其中，公式(6)即为系统的运动学方程，然而，对全方位运动结构，如果系统的逆运动学方程雅克比矩阵列处于不满秩状态，系统轮子布局就会存在奇异位形，从而系统的运动自由度就会降低，即系统无法实现全方位运动。由此可知三轮全方位运动系统实现全方位运动的必要条件如为：雅克比矩阵R列满秩，即rank(R)＝3，此时系统运动自由度高，能够实现全方位运动。

则根据全向移动平台的运动的速度矢量(即为O点的速度矢量)[v_x,v_y,ω]^T，v_x是x轴速度,v_y是y轴速度,ω是转向速度，则三个电机的转速矢量[ω₁,ω₂,ω₃]^T：

控制器据此输出PWM脉冲信号给电机驱动器分别控制三个电机的转速。

一般的，为了实现更好的移动效果，全向移动平台还需要设置传感器单元用来检测系统移动过程中的部分参数，比如，霍尔电流传感器、陀螺仪传感器、角度传感器和超声波传感器等，比如，可采用ACS712TELC霍尔式电流传感器，MPU6050陀螺仪传感器以及US-100超声波传感器。其中电流传感器是用来监测系统总的工作电流，在电路中为电流保护控制程序提供有效数据；陀螺仪用作采集系统的震动数据以及转向角；超声波传感器主要用来实现系统的避障保护功能。这三种传感器在系统运行过程中协同工作，辅助系统实现各项基本功能。

相对应的，一种全向移动轮式机器人平台的控制方法，包括如下步骤：

步骤1、输入全向移动平台的运动的速度矢量[v_x,v_y,ω]^T，v_x是x轴速度,v_y是y轴速度,ω是转向速度；

步骤2、计算三个电机的转速矢量[ω₁,ω₂,ω₃]^T：

式中，设三个均匀排列的麦克纳姆轮的中心为O点，第i个麦克纳姆轮的转动中心为O_i′，i＝1,2,3，xoy是中心为O的直角坐标系，x′o_i′y′是圆心为轮毂中心O_i′的直角坐标系，r为麦克纳姆轮的半径，α_i是第i个麦克纳姆轮的辊子的偏向角，β_i是与x轴的夹角，(l_ix,l_iy,θ_i)是x′o_i′y′坐标系在xoy中的位姿描述，l_ix＝l_i cosβ_i,l_iy＝l_i sinβ_i，θ_i是第i个麦克纳姆轮的轮子轴线与x轴方向夹角；

步骤3、控制器根据三个电机的转速矢量[ω₁,ω₂,ω₃]^T，输出对应频率的PWM脉冲信号给电机驱动器；

步骤4、电机驱动将其转换成控制电机转速的双相四线式脉冲信号输出到电机。

如图5所示，其采用的麦克纳姆轮是则是由成都航发液压工程有限公司推出的CL系列轻载90°全向轮CL-10。如图1所示，轮子外径101.6mm，共有16个从动侧轮(辊子)，每个辊子的转动方向与轮毂的转动方向垂直，而这些辊子外侧所形成的包络线刚好构成一个圆柱面，使得轮子能够实现前后连续转动，保证了系统运动的稳定性。在每个辊子内部装有两个尼龙滑动轴承，使得轮子具有很好的耐磨性及灵活性。对于单个轮子可承受高达50kg的负载，因此，该型号麦克纳姆轮对于轻载全向移动平台来说是一个很好的选择方案。由图5可知，本设计运动结构中各轮的结构参数，如表1所示。

表1各轮结构参数表

对公式(6)有，r＝50.8mm，l₁＝l₂＝l₃＝163.52mm，将表1中参数代入(6)化简得：

其雅克比矩阵化简得：

有rank(R)＝3，因此该系统能够实现全方位运动。

在系统速度及方向控制过程中，通过给定系统运动的速度矢量[v_x,v_y,ω]^T，代入到公式(8)中，从而得到三个电机的转速矢量[ω₁,ω₁,ω₂]^T，然后通过控制器的PWM输出功能，分别给三个电机输出相应频率的PWM速度控制信号，即可实现系统速度及方向的控制。

本发明的有益效果是：

第一、在结构上：突破了移动平台传统的四轮式(双驱动+双万向)及三轮式(双驱动+单万向)结构，采用三轮完全对称式驱动。相比较之下，传统的四轮式结构有着轮子分布面积过大而无法减小平台尺寸的缺陷，并且轮子的分布也导致了系统缺乏灵活性，不适合小尺寸机器人的平台设计；传统的三轮式结构是目前机器人平台应用较为广泛的一种结构，但在复杂的环境中，由于结构的限制也会导致运动缺乏灵活性，对于一些紧急事故，无法做到完全有效避免或解决；而本申请的基于麦克纳姆轮的三轮式结构，三个驱动模块采用完全均匀对称式分布，其平台占用面积可以大大缩小，可以作为小型机器人平台设计开发的一个优秀选择方案，而麦克纳姆轮独特的运动结构，也保证了系统运动上的灵活性。

第二、在运动上：通过对本设计的系统运动学方程分析可知，系统可以在不改变正面方向的状态下，完成任意方向的运动，且不需要转向行为，这就避免了传统运动结构遇到障碍或其他紧急情况需要花时间转向来躲避障碍的问题，实现了事故的灵活处理。另一方面，本设计不同于传统结构在转向时会发生一定位移，并且占用较长时间，在转向过程中，基于均匀对称分布的驱动结构，系统可以完成绕自身中心的转动，这就大大的缩短了转向时间，消除了转向过程中遇到障碍的问题，提高了系统的灵活性。

第三、在控制上：由于系统结构的限制，本设计在控制上要比传统结构复杂得多，但同时控制精度也要高得多。通过对系统运动学方程的分析可知，只要给定系统的目标速度矢量或转向角速度，系统就可以按照设定的速度及方向运动，结合角度传感器及控制器的定时器，就可以让系统实现任意方向前进指定距离或者任意方向转动指定角度，加上系统采用的是步进电机驱动，控制精度也将大大提高，这就使得系统具有了完全可控性，让后期平台的拓展开发更加方便灵活。

以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或者等效流程变换，或者直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。