一种移动式四轮全方位转向机器人底盘的控制方法与流程

本发明属于自动化控制技术领域，具体涉及一种移动式四轮全方位转向机器人底盘的控制方法。

背景技术：

近年来，机器人的使用正在我国掀起一股热潮，深刻影响着我国生产制造、科学研究和服务行业。移动机器人的种类很多，陆地移动机器人有移动式、腿式、履带式、跳跃式等几种。其中，轮式移动机器人以移动方便、定位准确、控制方便等优点，使移动式机器人得到了广泛的应用。移动式机器人常见的有三轮、四轮两种结构形式。三轮式机器人结构简单，但稳定性低，常在低速状态下运行。四轮式机器人也有两轮转向两轮驱动、四轮转向四轮驱动等结构。总体来说，四轮式的结构复杂，但转向灵活，且在高速运行情况下具有良好的稳定性。但两轮转向、两轮驱动结构的最小转弯半径收到限制，且两个驱动轮在转弯时处于滑动状态，降低了机器人的稳定性。

本发明在分析各种结构的基础上，研发了一种四轮驱动、四轮转向的底盘结构，可使四个车轮在转弯时处于纯滚动状态，大大机器人的稳定性，而且能实现两轮转向两轮驱动无法实现的横行、原地回转的功能，大大提高了机器人的运动灵活性。

技术实现要素：

发明目的：本发明的目的是为了解决现有技术中的不足，提供一种移动式四轮全方位转向机器人底盘的控制方法，该机器人底盘不但能使机器人实现直行、斜行，而且能实现横行、原地回转的功能，克服了一般的机器人不能做原地回转和横行的不足，增强机器人的运动灵活性。

技术方案：本发明所述的一种移动式四轮全方位转向机器人底盘的控制方法，包括：

正常直线行驶：plc不发出控制信号至伺服驱动器，即伺服电机保持在0°的角度位置；同时速度控制通过plc发出控制信号给模拟量输入输出模块，通过模拟量输入输出模块四个输出通道输出的电压值分别控制四个轮毂电机的转速；

一定角度斜线行驶：plc发出控制角度信号至伺服驱动器，通过伺服驱动器驱动伺服电机转动一定的角度；同时速度控制通过plc发出控制信号给模拟量输入输出模块，通过模拟量输入输出模块四个输出通道输出的电压值分别控制四个轮毂电机的转速；

转弯或原地转动：由转弯半径大小，依据数学模型，通过plc程序，计算出四个车轮的偏转角度，由plc控制芯片控制相应的伺服电机，实现车轮的转动。

上述的一种移动式四轮全方位转向机器人底盘，包括车架、车轮组和plc控制系统，所述车架上对称设置有四个轴承孔用于安装所述车轮组，每组车轮组包括减速箱、转向轴、伺服电机、联轴器、减震器、轮毂电机；

所述减速箱包括箱体、蜗轮、键、蜗杆、轴承、角度轴承、感应块、感应开关，所述蜗轮安装在转向轴上，所述蜗杆安装在箱体上且与蜗轮啮合，用于驱动蜗轮运转，所述键安装在蜗轮和转向轴之间，保证蜗轮与转向轴同步运转；所述轴承安装在蜗杆的一端，用于支持蜗杆，所述角度轴承安装在蜗杆的另一端，所述蜗轮上还安装有感应块且随蜗轮一起转动，所述箱体上安装有与所述感应块适配的感应开关；

所述伺服电机安装在所述箱体上，通过联轴器与蜗杆相连接，用于驱动蜗杆转动，最终控制转向轴的转动角度，所述转向轴下方设有轮毂电机，且轮毂电机与转向轴之间还设有减震器；

所述plc控制系统包括plc、伺服驱动器和模拟量输入输出模块，所述plc控制芯片通过伺服驱动器与所述伺服电机电连接，所述plc通过模拟量输入输出模块与所述轮毂电机电连接。

进一步的，所述伺服电机采用单相交流型电机，电机型号通过车轮转动扭矩来选择。

进一步的，所述plc采用三菱fx3u型plc。

进一步的，所述伺服驱动器采用单相交流型驱动器，每个伺服电机均设置有伺服驱动器，plc向每个伺服电机的伺服驱动器发出脉冲信号，由伺服驱动器进行功率放大，控制伺服电机的运行。

进一步的，所述模拟量输入输出模块采用具有四个通道的fx2n-4da模块。

进一步的，每个轮毂电机均由模拟量输入输出模块的其中一个通道进行速度控制。

进一步的，还包括电源，所述电源包括蓄电池和逆变器，经过逆变器将蓄电池的电源转换成交流220v的电压，供控制机器人底盘的plc、伺服驱动器、及其控制电路使用。

进一步的，所述蓄电池包括两组，一组提供给轮毂电机使用，另一组给伺服驱动器使用，且给伺服驱动器使用的蓄电池容量大于提供给轮毂电机使用的蓄电池容量，保证在车轮不转动时仍可以转向，提高安全性。

有益效果：本发明采用四轮转向、四轮驱动，使机器人转向灵活、可实现一般机器人无法实现的横行、原地回转等；机器人在转向时，四个车轮均做纯滚动运动，没有滑动，提高机器人的运动稳定性，本发明尤其适用于餐厅等服务业。

附图说明

图1为本发明机器人底盘的结构主视图；

图2为本发明机器人底盘的结构俯视图；

图3为本发明减速箱的结构主视图；

图4为本发明减速箱的结构俯视图；

图5为本发明车轮的转动示意图；

图6为本发明轮胎与地面摩擦原理示意图；

图7为本发明车轮转角计算原理图；

图8为本发明plc控制系统原理框图；

图9为本发明电源模块原理框图。

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图对本发明的技术方案作进一步详细说明：

如图1到图4以及图8所示的一种移动式四轮全方位转向机器人底盘，包括车架1、车轮组和plc控制系统，所述车架1上对称设置有四个轴承孔用于安装所述车轮组，每组车轮组包括减速箱2、转向轴3、伺服电机4、联轴器5、减震器6、轮毂电机7；

所述减速箱2包括箱体21、蜗轮22、键23、蜗杆24、轴承25、角度轴承26、感应块27、感应开关28，所述蜗轮22安装在转向轴3上，所述蜗杆24安装在箱体21上且与蜗轮22啮合，用于驱动蜗轮22运转，所述键23安装在蜗轮22和转向轴3之间，保证蜗轮与转向轴同步运转；所述轴承25安装在蜗杆24的一端，用于支持蜗杆24，所述角度轴承26安装在蜗杆24的另一端，所述蜗轮22上还安装有感应块27且随蜗轮22一起转动，所述箱体21上安装有与所述感应块27适配的感应开关28。当感应块27在感应开关28正前方时，感应开关28发出电信号，通过该电信号，确定转向轴的初始位置。当转动蜗轮，使车轮相对于车架的转向角度为0°时，将感应块固定在蜗轮上，使感应块在感应开关的正前方。此时蜗轮和转向轴的位置为初始位置。采用蜗轮蜗杆减速的原理，除了可以获得较大的传动比、减小所需伺服电机功率以外，还有一个有利之处就是蜗轮蜗杆可以形成自锁，即在伺服电机不旋转时，蜗轮被锁住，使转向轴保持原有转动角度。

所述伺服电机4安装在所述箱体21上，通过联轴器5与蜗杆24相连接，用于驱动蜗杆24转动，最终控制转向轴3的转动角度，伺服电机采用单相交流型，精度高，能应用于精确控制速度和位置的环境，比其他电机更精确，通过车轮转动扭矩来选择电机的型号。所述转向轴3下方设有轮毂电机7，且轮毂电机7与转向轴3之间还设有减震器6；所述轮毂电机7将驱动电机和车轮融为一体，大大简化了结构的复杂程度。通过轮毂电机本身做滚动运动，使机器人移动，通过旋转轴使车轮相对于车架做偏摆，实现机器人本体的转弯等运动，如图5所示。

所述plc控制系统包括plc、伺服驱动器和模拟量输入输出模块，所述plc通过伺服驱动器与所述伺服电机4电连接，所述plc通过模拟量输入输出模块与所述轮毂电机7电连接。

本发明中，机器人的移动通过伺服电机进行车轮偏转和轮毂电机实现车轮滚动。伺服电机和轮毂电机均由plc实施控制。

本发明选用三菱fx3u型plc，该类plc最多可以8个伺服电机。其控制原理为：plc向每个伺服电机的驱动器发出脉冲信号，由驱动器进行功率放大，控制伺服电机的运行。其中，本发明中伺服驱动器为单相交流型，电压为220v。

本发明中选用的轮毂电机的旋转由直流电压控制，转速与电压大小成正比。机器人运动时，由plc根据运动轨迹，计算出各车轮的转速，并计算出每个轮毂电机的电压值对应的数值，通过da模块，将直流电压输出，供给轮毂电机。其中，da模块为一种将数值量转化成模拟量的元件，其功能是将plc计算出来的数字量自动转换成相应的电压信号。本发明中，选用型号为fx2n-4da的模块，该模块有四个通道，每个通道控制一个轮毂电机，可以满足本发明的要求。

本发明轮毂电机的选择：

车轮与地面接触不是点接触，可以视为一个圆形表面接触，如图6所示。积分接触面的摩擦力，得到在旋转方向时的转矩。

当车轮与地面相对转动时，扭矩计算公式为：

式中：mf为总的摩擦力矩；m为承受的质量；g为重力加速度；r为接触圆半径；f为滑动摩擦系数。

所述减震器与车架和轮毂电机相连接，是满足设计要求中需要能在非平坦路面上运动，进行减振。根据实际情况，采用了带一定阻尼的弹簧，这种减震器价格便宜、便于更换，而且能有效衰减振动性能优越，符合使用需求。

所述轮毂电机与减震器相连，它的最大优点就是将转动与动力都整合起来，简化驱动系统的机械部分。在选择轮毂电机时，将机器人移动速度设定为1.5m/s(与人的正常步行速度相当)，移动机器人的质量设定为100kg。

机器人在平整路面上运动时，受到滚动、空气、加速的阻力等。驱动力与行驶阻力之间的平衡方程为:

ft＝ff+fw+fi+fj

式中：ft为移动机器人驱动力；ff为移动机器人车轮受到的滚动阻力；fw为移动机器人受到的空气阻力；fi为移动机器人受到的坡道阻力；fj为移动机器人受到的加速阻力。

车轮受到的滚动阻力ff计算公式为：

ff＝m×g×f

式中：m为移动机器人的质量；g为重力加速度；f为车轮与地面的滚动摩擦系数。

考虑到移动机器人有可能在非铺装路面上移动，所以选择最大值0.037，每一个车轮承重25kg。

代入计算得：

ff＝25×9.8×0.037

空气阻力fw计算公式：

fw＝cd*a*v²/21.15

式中：fw为受到的空气阻力；cd为空气阻力系数；v为移动机器人速度；a为迎风面积。

根据扭矩公式：

m＝f×l

式中：m为力矩；f为作用力；l为径向矢量。

根据扭矩与动率的公式：

p＝t*n/9550

式中：n＝v/(2*3.14*r)。

由此式可计算出轮毂电机的转矩。

在得到了电机选择依据后，根据实际情况乘以一个1.5左右的系数，依据轮毂电机制造商参数，选择满足要求的轮毂电机。

四个车轮之间的角度偏摆和滚动速度的相互协调方法：

在运动的过程中，四个车轮必须在偏转角度和滚动速度两个方面相互协调，才能使机器人按照所需轨迹运行。在机器人转弯时，采用前后轮反向偏转的方式进行。这样可以达到原地回转的程度。

如图7所示，机器人的转弯半径定义为：外侧转向轮的中心的轨迹圆半径。图7中，l为轴距，w为前后轮距，a1为外侧前车轮偏转角度，a2为内侧前车轮偏转角度，a3为外侧后车轮偏转角度，a4为内侧后车轮偏转角度。n1为外侧前车轮转速，n2为内侧前车轮转速，n3为外侧后车轮转速，n4为内侧后车轮转速。

各车轮转弯半径与各车轮的转速成正比。

依据三角函数关系，可以推导出相关量之间的关系。

(1)各车轮转角计算：

设转弯半径r1和前外侧车轮的偏转角度a1为已知条件。

通过三角函数关系，得到其它三个车轮的偏转角度：

当时，机器人做原地回转运动。

(2)各车轮的转速计算

设转弯外侧前车轮的转速n1为已知条件。

由于车轮转速与对应车轮的转弯半径成正比，得到其它三个车轮的转速：

移动机器人的控制系统所需电源必须是安装在机器人内部，随机器人移动。本发明中，如图9所示，选用蓄电池作为电源的源泉，经过逆变器，将蓄电池的电源转换成交流220v的电压，供控制机器人的plc、伺服驱动器、及其控制电路使用。

蓄电池采用锂电池电源。锂电池能量密度高，重量轻，使用寿命长，自放电率低无记忆效应。本发明配备两组电池，一组提供给轮毂电机使用，容量为20a.h，另一组给伺服驱动器使用，伺服驱动器使用的容量更大一些，为40a.h。当轮毂电机电量不足时，保证仍可调整车轮方向，可以使其移动。

由于交流伺服电机需要220v交流电源，同时，逆变器需要输出纯正弦波。所以逆变器选择索尔fpc-2000b。这种逆变器有两个220v交流输出插座和一个usb输出，将一个220v插座加上插线排为负载供电。

上述一种移动式四轮全方位转向机器人底盘的控制方法，包括：

正常直线行驶：plc不发出控制信号至伺服驱动器，即伺服电机保持在0°的角度位置；同时速度控制通过plc发出控制信号给模拟量输入输出模块，通过模拟量输入输出模块四个输出通道输出的电压值分别控制四个轮毂电机的转速；

一定角度斜线行驶：plc发出控制角度信号至伺服驱动器，通过伺服驱动器驱动伺服电机转动一定的角度；同时速度控制通过plc发出控制信号给模拟量输入输出模块，通过模拟量输入输出模块四个输出通道输出的电压值分别控制四个轮毂电机的转速；

转弯或原地转动：由转弯半径大小，依据数学模型，通过plc程序，计算出四个车轮的偏转角度，由plc控制芯片控制相应的伺服电机，实现车轮的转动。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。