专利名称：一种具有主动驱动装置的万向脚轮的制作方法
技术领域：
本发明涉及万向轮，特别是机器人用具有电子控制装置以及驱动装置的主动式万向脚轮。
背景技术：
在各种需要移动设备的地方，如仓库中的货物搬运机器人、足球比赛机器人等， 轮式移动机器人得到了广泛的应用。作为轮式移动机器人的基础运动部件，运动轮的形式决定了轮式移动机器人的运动特性及运动轨迹。在现有轮式移动机器人使用的运动部件中，从机构的简单性及驱动实施的方便性考虑，定向脚轮得到了最为广泛的应用。但是，由于定向脚轮相对于运动平面只有两个运动自由度，因此，采用定向脚轮的移动机器人相对于运动平面也只有两个运动自由度。其运动轨迹在一般情况下为曲线，导致移动机器人所需的运动空间较大。这一缺点使其在一些空间较为狭窄的地方的应用受到一定的限制。为实现移动机器人的在其运动平面上的三自由度运行，必须使每个运动轮具有三个自由度，从而使移动机器人的运动轨迹在所有情况下均为直线，实现节省运动空间的目标。目前，常用的具有三自由度的运动轮有三种形式球轮、万向轮和万向脚轮。但是， 球轮、万向轮的主动驱动装置结构复杂，实现较为困难；并且，带有主动驱动装置的球轮和万向轮的维护工作量很大。而万向脚轮的结构简单，易于实现。但是，为实现移动机器人的三自由度运动，需要对传统的被动运动式的万向轮进行改进，才能满足应用需求。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有主动驱动装置的万向脚轮，在保持传统万向轮具有三个运动自由度的特征的基础上，能对车轮的转动速度以及转向角度进行控制，以实现对三个运动自由度的控制。本发明的目的是这样实现的一种具有主动驱动装置的万向脚轮，包括车轮固定在轮轴上，支撑臂固定在转向轴上，所述支撑臂上安装有电机，电机轴与所述轮轴连接；还具有驱动控制装置角度传感器经由数字信号接口与电子控制单元的CPU连接，CPU与脉冲宽度调节器连接，脉冲宽度调节的信号输出端连接在电机供电电源回路中，转速传感器与 (PU连接，电机的控制信号线、转速传感器的信号线以及电机供电电源线均连接到集流环； 上述转速传感器安装在车轮上或水平设置的轮轴上，集流环和角度传感器均安装在呈竖向设置的转向轴上，且角度传感器位于集流环下方。上述角度传感器采用绝对编码器，转速传感器采用增量编码器。上述电机为无刷直流电机。与现有技术相比，本发明的有益效果是为满足万向轮式移动机器人的应用需要， 针对传统万向脚轮不能进行转速及运动方向检测及控制的缺点，本发明采用机电一体化技术，设计了一种具有主动驱动装置的万向脚轮。此种新设计的万向脚轮既保持了传统万向脚轮具有三个运动自由度的特征，又能对脚轮的转动速度及脚轮的转向角进行检测和控制，从而实现对脚轮三个运动自由度的控制，满足实际应用的需要。为验证本发明的效果，进行了安装有三个具有主动驱动装置的万向脚轮的轮式移动机器人的运动学仿真分析。结果显示安装了本发明所设计的具有主动驱动装置的万向脚轮轮式移动机器人，能够在运动平面上实现三个自由度的运行，并且机器人的运行轨迹为直线，克服了只具有两个自由度的轮式移动机器人的运行轨迹一般情况下为曲线，需要较大运行空间的缺点。同时，仿真结果也表明了 两种不同的运行模式，即推动或拉动模式，均能使轮式移动机器人产生相同的运行结果，可根据实际应用情况选用不同的模式。
图I是传统万向脚轮的结构图。图2、图2-1分别是本发明的主视图和左视图。图3是本发明驱动控制装置的硬件结构框图。图4是轮式移动机器人在推动运行模式下的运动轨迹(vx = O. lm/s, vy = Om/s, ω = Orad/s)。图5是轮式移动机器人在推动运行模式下的运动轨迹(vx = Vy = O. 05m/s, ω = O. 2rad/s)。图6是轮式移动机器人在拉动运行模式下的运动轨迹(vx = O. lm/s, vy = Om/s, ω = Orad/s)。
具体实施例方式从图I可见传统万向脚轮具有三个运动自由度①它可以绕轮轴(A)旋转；②它可以绕脚轮与运动平面的接触点(C)垂直于运动平面旋转；③它可以绕转向轴与机器人运动平台的接触点(S)，平行于运动平面旋转。由于传统万向脚轮具有上述三个运动自由度，因此，在轮式移动机器人上得到了广泛地应用。但是，由于传统万向脚轮的转动速度和转向角均是不可控的，因此，在轮式移动机器人上，传统万向脚轮仅仅是作为被动轮使用，不具备转动速度和转向角的可控性和可检测性。为解决传统万向脚轮不具备转动速度和转向角的可控性和可检测性的问题，本专利在分析万向脚轮运动学方程的基础上，根据万向脚轮运动学原理，提出一种机电一体化的解决方案，设计了具有主动驱动装置的万向脚轮，实现对万向脚轮的转动速度和转向角的检测及控制。本发明所设计的具有主动驱动装置的万向脚轮如图2、图2-1所示。由(运动)车轮、(驱动)电机、转速传感器、角度传感器(即转向角传感器)、集流环、支撑臂等零部件构成。本具有主动驱动装置的万向脚轮，车轮7固定在轮轴6上，支撑臂3固定在转向轴 8上，支撑臂3上安装有电机4，电机4轴与所述轮轴6连接；还具有驱动控制装置角度传感器2经由数字信号接口与电子控制单元的CPU连接，CPU与脉冲宽度调节器连接，脉冲宽度调节的信号输出端连接在电机供电电源回路中，转速传感器5与CPU连接，电机4的控制信号线、转速传感器5的信号线以及电机供电电源线均连接到集流环I ;上述转速传器5 安装在车轮7上或水平设置的轮轴6上，集流环I和角度传感器2均安装在呈竖向设置的转向轴8上，且角度传感器2位于集流环下方。从轮式移动机器人的运动学分析可知只有当每一个连接到机器人的运动轮都具有三个运动自由度时，一台轮式移动机器人才具有在运动平面上的三个运动自由度。如果一台轮式移动机器人使用三个万向脚轮，则可以通过控制三个万向脚轮的转速实现对移动机器人在运动平面上三个运动自由度的完备控制。根据轮式移动机器人运动学分析可知 机器人的运行速度除与各运动轮的转动速度有关外，还与各运动轮在移动机器人运动平台上的安装位置以及各运动轮的转向角有关。因此，作为具有主动驱动装置的万向脚轮需要具有对脚轮的转动速度进行监测及控制的功能，以及对脚轮的转向角进行检测的功能。基于上述分析，本发明所设计的具有主动驱动装置的万向脚轮采用电机作为脚轮转动速度的驱动装置，以转速传感器作为脚轮转动速度的检测装置，以角度传感器作为脚轮转向角的检测装置。同时，考虑到脚轮与机器人的移动平台间存在相对运动，因此，采用集流环实现从机器人移动平台(固定位置)到脚轮转向轴(旋转位置)传送控制及检测数据的功能。具有主动驱动装置的万向脚轮控制系统框图如图3所示。在此控制系统中，角度传感器检测运动轮的转向角，所检测的信号通过电子控制单元的数字信号接口进入CPU ；电机直接驱动车轮的轮轴，而转速传感器则将车轮的转动速度经由频率信号接口实时反馈给电子控制单元；电子控制单元的CPU根据机器人的运行状态、车轮的转向角以及车轮当前的转速，产生控制直流电机转动的控制信号，通过脉冲宽度调节(PWM)装置单元(或电路)实施对电机的控制。由于车轮与机器人平台间存在相对运动，因此，采用集流环作为控制及检测数据传送的中间环节。由于采用了机电一体化技术，本发明所设计的具有主动驱动装置的万向脚轮在实际应用过程中，可以对运行模式进行主动控制。通过对采用脚轮的移动机器人的运动学分析可知，在满足移动机器人运行的条件下，脚轮的转向角可以有两种不同的取值。其中一种取值，使各脚轮处于移动机器人运行方向的后方，可使移动机器人的运行状态处于被“推动”的模式；而另一种取值，使各脚轮处于移动机器人运行方向的前方，可使移动机器人的运行状态处于被“拉动”的模式。图4、5、6分别展示了不同运行模式下，移动机器人的运动轨迹以及各运动轮的运行轨迹，图4表示当机器人在X方向上的运行速度为O. lm/s，而Y方向上及旋转速度为O时， 机器人处于推动运行模式时的运动学分析结果；图5表示当机器人在X和Y方向上的运行速度为O. 05m/s，旋转速度为O. 2rad/s时，机器人处于推动运行模式时的运动学分析结果； 图6表示当机器人在X方向上的运行速度为O. lm/s,而Y方向上及旋转速度为O时，机器人处于拉动运行模式时的运动学分析结果。上述这些分析结果，都表明了本发明的有效性。实施例I、电机采用无刷直流电机用于脚轮的旋转速度驱动；2、转速传感器采用增量编码器用于测量脚轮的旋转速度；3、角度传感器采用绝对编码器用于测量脚轮的转向角；
4、集流环用于无刷直流电机、增量编码器与控制卡间的信号传输。所设计的万向脚轮分为两层。上层用于固定于机器人移动平台和安装集流环；下层连接到脚轮的支架。无刷直流电机和增量编码器安装于脚轮的转动轴上，实现对脚轮运动的驱动和脚轮转速的测量。无刷直流电机的控制信号线、增量编码器的信号线以及供电电源线连接到集流环，通过集流环的传递，把上述信号线及电源线转接到机器人移动平台上。绝对编码器安装于集流环的下方，与脚轮的转向轴同心。直流电机的控制采用脉冲宽度调节器实现，具体的控制算法可采用增量式的数字 PID控制算法。
权利要求
1.一种具有主动驱动装置的万向脚轮，包括，车轮(7)固定在轮轴(6)上，支撑臂(3) 固定在转向轴⑶上，其特征是，所述支撑臂⑶上安装有电机(4)，电机(4)轴与所述轮轴(6)连接；还具有驱动控制装置角度传感器(2)经由数字信号接口与电子控制单元的 CPU连接，CPU与脉冲宽度调节器连接，脉冲宽度调节的信号输出端连接在电机供电电源回路中，转速传感器(5)与CPU连接，电机(4)的控制信号线、转速传感器(5)的信号线以及电机供电电源线均连接到集流环(I);上述转速传感器(5)安装在车轮(7)上或水平设置的轮轴(6)上，集流环(I)和角度传感器(2)均安装在呈竖向设置的转向轴(8)上，且角度传感器(2)位于集流环下方。
2.根据权利要求I所述的一种具有主动驱动装置的万向脚轮，其特征是，所述角度传感器(2)采用绝对编码器，转速传感器(5)采用增量编码器。
3.根据权利要求I或2所述的一种具有主动驱动装置的万向脚轮，其特征是，所述电机(4)为无刷直流电机。
全文摘要
一种具有主动驱动装置的万向脚轮，车轮固定在轮轴上，支撑臂固定在转向轴上，支撑臂上电机的轴与轮轴连接；驱动控制装置角度传感器与电子控制单元的CPU连接，CPU与脉冲宽度调节器连接，脉冲宽度调节的信号输出端连接在电机供电电源回路中，转速传感器与CPU连接，电机的控制信号线、转速传感器的信号线以及电机供电电源线均连接到集流环；转速传感器安装在车轮上或水平设置的轮轴上，集流环和角度传感器一上一下地安装在呈竖向设置的转向轴上。安装本万向脚轮的机器人在运动平面上能实现三个自由度的运行，且运行轨迹为直线，节省了运动空间。本发明具有结构简单、易于实现的特点。
文档编号B60B33/00GK102582360SQ201210048450
公开日2012年7月18日 申请日期2012年2月29日 优先权日2012年2月29日
发明者张少朋, 彭忆强, 杨燕红, 陈飞 申请人:西华大学