专利名称：机器人移动平台的驱动和换向机构的制作方法
技术领域：
本发明属于机器人技术领域，具体涉及一种轮式移动机器人本体驱动和换向机构。可应用于机器人研究以及场馆导游、家庭助理等服务机器人的驱动和换向平台。
背景技术：
随着传感器、控制和计算机等技术的发展，智能机器人系统首先在制造领域之外的服务行业，开辟了机器人应用的新领域。机器人已成为人类的助手，提高了人们的生活质量。在研究领域，开发出类似人类一样思维的机器人也不再是深不可测、遥遥无期的事情。
机器人移动(包括驱动和换向)的灵活性、实时性和稳定性是考核机器人性能的重要指标。移动功能不仅需要满足各类智能算法的需要，而且要考虑产业化方面的成本要求。一个理想化完善的移动式服务机器人系统通常由3个部分组成移动机构、感知系统和控制系统。移动机构是机器人的本体，决定机器人的运动空间，主要有步行机构、轮式机构、履带式机构和混合机构等几种。轮式机构控制简单，相对于步行机构和履带式机构耗能较少、运动速度快，因而应用较多。轮式机构根据方向控制的方式可以分为差分驱动式和分离驱动式两种。差分驱动式采用相同的轮子和驱动器来驱动和控制方向，方向的改变是通过控制每个轮子的速度差来实现的。分离驱动式是在相同的轮子上分别采用不同的方向和驱动控制器，运动速度和方向是分别控制的。
轮式移动平台的结构主要有三轮式和四轮式结构。三轮式结构最常用，其典型的结构是利用两个高精度的驱动轮和一个随动轮结构。两个驱动轮分别由两个电机经过减速器后进行驱动，随动轮可置于本体的前部或后部。移动平台的换向由两个驱动轮的速度差决定，通过对两个电机施加不同的速度控制量可以实现任意方向的运动。也有一种单轮驱动和换向的结构形式，即前轮既是驱动轮也是操舵轮，它需要两个单独的电机进行导向和驱动控制。还有一种同步驱动的配置方式，三个轮子均匀分布，用齿轮或链条将轮子与分别控制方向和驱动的电机相连，驱动电机驱动轮子行进，导向电机控制轮子换向。四轮结构也有类似于三轮结构的各种配置方式，如驱动-换向复合控制和分别控制等方式。但是，由于传统的四轮机构回转半径较大，换向不灵活，因而采用四轮结构的移动机器人并不多见。
总之，目前的移动机器人平台结构各有优缺点，还很难兼顾结构的简单性和控制的灵活性。另外，要开发出象人一样进行自主学习的智能机器人，其移动特性需要满足发育算法的需要，比如整个机构自由度需要全约束和全控制，能进行原地转向，且换向灵活等，而传统的机器人移动结构难于满足上述要求。
发明内容
本发明的目的是提供一种可用于机器人移动平台的驱动和换向机构，利用该驱动和换向结构设计的机器人本体可具有运动灵活、控制精度高、可维护性强等特点，并可实现整个移动平台的原地转身等功能。
本发明设计的可用于机器人移动平台的驱动和换向机构，采用四轮协调式结构，包括一个本体和四个集驱动与转向于一体的轮子；每个轮子的驱动和换向均由单独的伺服电机控制，其中，控制轮子前后运动的驱动机构由一个伺服电机、蜗轮蜗杆减速器、与蜗轮同轴的链轮、与运动轮子同轴的链轮和用于两个链轮间传动的链条组成；控制轮子转向的换向机构由另一个伺服电机、一个小齿轮和一个大齿轮组成的减速器构成，大齿轮与用于安装轮子的支架柱为直齿连接。该伺服电机转动，经过小齿轮和大齿轮的传动，带动轮子的支架柱转动，实现转子的换向。
本发明，还包括一个控制系统。该控制系统对每个轮子上用于驱动和换向的伺服电机进行同步控制，合成本体在前后移动与各个角度等方向上的运动。
本发明中，所述轮子可采用橡胶轮子，并且为偏心结构，以增强整个系统换向灵活性。
本发明采用四轮协调式结构，每个轮子的驱动和换向分别由一个伺服电机控制，因此，共有8个伺服电机。其控制系统采用FDCX08实时多任务操作系统，由CAN的一个节点来控制一个伺服电机。主要的任务就是接受上位机的命令，控制电机、开关或者查询电机、采样点的状态，具有体积小、实时性强、用户接口简单等特点。该控制系统包括一个CAN接口卡，用于与PC主控板通讯连接，CAN总线同步控制8个伺服电机运动，8个伺服电机均采用独立的PID闭环回路控制。每个伺服电机控制系统包括一个控制器、一个驱动器和一个光电编码器，光电编码器通过光电转换将伺服电机输出轴上的机构几何位移量转换成脉冲或数字量，并将电机的速度和位置的信息实时地发送给控制器，再通过脉宽调制(PWM)和微处理器一起控制加在电机上的电压，将相关信息输送给驱动器，最终驱动伺服电机按要求的速度和方向运行。
上述控制器根据四轮协调算法对每个轮子的驱动装置和换向装置进行实时的同步控制，四个轮子的协调关系与本体机构的几何尺寸有关。
本发明的电源部分采取铅酸蓄电池直流供电为主、交流供电为辅的方案。正常情况下，机器人平台由直流电源提供动力。当直流电源供电不足时，可改为交流供电，同时对直流蓄电池进行充电。驱动结构和换向结构均可采用24V的直流伺服电机，内置大减速比的行星齿轮减速器以提高驱动扭矩，外接1000线的编码器实现伺服电机和控制器之间的信息反馈。
本发明的整个系统驱动和换向结构非常紧凑，体积小。系统平台运行平稳，驱动方式可靠、有效，非常适合于研究领域和各类服务领域机器人的移动平台。
图1本发明四轮协调运动示意图。
图2本发明驱动机构和换向机构传动原理图。
图3本发明的控制原理图。
图中标号1为底盘，2为第1个轮子，3为第2个轮子，4为第3个轮子，5为第4个轮子，6为驱动机构电机，7为蜗杆，8为蜗轮，9为换向机构电机，10为链轮，11为链条，12为齿轮，13为橡胶轮，14为链轮，15为支撑架，16为轴承，17为齿轮，18为CAN接口卡，19为主控板，20为电机闭环控制，21为直流伺服电机，22为编码器，23为驱动器，24为控制器。
具体实施例方式
下面结合附图和实施例进一步描述本发明。
本发明结构是一种四轮协调的驱动和换向结构，见图1，在底盘1的四角均匀分布着轮子2、3、4和5。每个轮子的偏心距离为b，具有两个互相独立的运动自由度，即驱动自由度θ和换向自由度ω。
驱动由直流伺服电机经过蜗轮蜗杆减速器和链轮传动方式实现，并完成较高精度的位置控制。
换向由直流伺服电机经过减速装置和高效率的齿轮传动方式实现，并完成较高精度的位置控制。
每个橡胶轮子均具备驱动和换向等功能，均采用偏心结构。
控制系统根据四轮协调算法把移动平台的运动要求分解为对8个伺服电机的控制命令，控制每个轮子的移动或转动以完成本体的运动。其中，对四个驱动和四个换向装背进行同步控制，四个轮子的协调关系与本体的结合参数有关。
图2是每个轮子驱动机构和换向机构原理示意图。
驱动机构由直流伺服电机6驱动。由于传统的锥齿轮传动方式对装配要求较高，本发明采用蜗杆7、蜗轮8减速机构作为第一级传动。再经过链轮10、链条11和链轮14实现第二级传动，最终带动橡胶轮13实现前后方向的滚动。
换向机构由直流伺服电机9驱动，经过小齿轮12和大齿轮17的传动，带动橡胶轮子的支撑架15实现换向运动。整个换向机构通过轴承16支撑在底盘1上，电机6和9也都与底盘16固定在一起。
图3是伺服电机的控制原理图。控制系统通过CAN接口卡18实现与PC主控板19的通讯连接，并同步控制8个伺服电机的运动。8个伺服电机控制均采用独立的PID闭环回路控制20，在伺服电机21的前端，装有光电编码器22，它是一种通过光电转换将电机输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器。通过计算每秒光电编码器输出脉冲的个数就能反映当前电机的转速。编码器22将电机的速度或位置信息实时地发送给控制器24，通过脉宽调制(PWM)技术和微处理器一起控制加在电机上的电压，将相关信息输送给具有过流保护功能的驱动器23，最终驱动伺服电机21以要求的速度和方便同运行，以达到理想的位置。
权利要求
1.一种机器人移动平台的驱动和换向机构，采用四轮协调式的结构，其特征在于该机构包括一个本体和四个集驱动与换向于一体的轮子，每个轮子的驱动和换向均可单独控制；其中，控制轮子前后运动的驱动机构由一个伺服电机、蜗轮蜗杆减速器与蜗轮同轴的链轮、与运动轮子同轴的链轮和用于两个链轮间传动的链条组成；控制轮子转向的换向机构由另一个伺服电机、一个小齿轮和一个大齿轮组成的减速器构成，大齿轮与用于安装轮子的支架柱为直齿连接，该伺服电机转动，经过小齿轮和大齿轮的传动，带动轮子的支架柱转动，实现转子的换向。
2.根据权利要求1所述的机器人移动平台的驱动和换向机构，其特征在于还包括一控制系统，该控制系统对每个轮子上用于驱动和换向的伺服电机进行同步控制，合成本体在前后移动与各个角度方向上的运动。
3.根据权利要求2所述的机构器移动平台的驱动和换向机构，其特征在于所述的控制系统包括一个控制器、一个驱动器和一个光电编码器，光电编码器通过光电转换将伺服电机输出轴上的机构几何位移量转换成脉冲或数字量，并将电机的速度和位置的信息实时地发送给控制器，再通过脉宽调制技术和微处理器一起控制加在电机上的电压，将相关信息输送给驱动器，最终驱动伺服电机按要求的速度和方向运行。
4.根据权利要求2所述的机构器移动平台的驱动和换向机构，其特征在于每个轮子采用橡胶轮，并为偏心结构。
全文摘要
本发明属于机器人技术领域，具体提供一种可用于移动机器人平台的驱动和换向机构，该机构采用四轮协调式结构，包括一个本体和四个集驱动和换向于一体的轮子，每个轮子的驱动和换向均可单独控制。其中，驱动由直流伺服电机经过蜗轮蜗杆减速器和链轮传动方式实现，换向由直流伺服电机经过减速装置和高效率的齿轮传动方式实现，并完成高精度的位置控制。系统采用PID反馈控制，能够精确控制伺服电机的速度，从而控制本体运动的速度、方向和位置。利用该驱动和换向机构的机器人本体具有运动灵活、控制精度高、可维护性强等特点，并可实现整个移动平台的原地转身等功能。本发明可应用于自主发育机器人研究以及场馆导游、家庭助理等服务机器人的驱动和换向平台。
文档编号B25J5/00GK1864941SQ20061002719
公开日2006年11月22日 申请日期2006年6月1日 优先权日2006年6月1日
发明者张文强, 翁巨扬, 唐志强, 薛向阳, 张睿 申请人:复旦大学