专利名称：六轮步进式机器人全向移动平台的制作方法
技术领域：
本实用新型属于机器人技术领域，具体涉及一种机器人全向移动平台。
背景技术：
机器人全向移动是指移动机构能够不受任何约束地，从当前位置向工作平面上的任何位置和任意方向运动，能够实现完美的运动性能，比非全向机构系统有着明显的优势。例如，全向移动机构因其零回转半径的特点，可以在拥挤狭窄的场所内，使机器人本体灵活自如地穿行；可以对自己所处位置进行细微调整，实现精确定位和高精度轨迹跟踪等。因此，机器人全向移动平台也是当前机器人研究和制造的热点问题。传统的机器人全向移动采用全向轮，其主要缺点是辊子之间存在间隙，使得轮子在转动过程中同地面接触点的高度不断变化，从而导致机器人车体的震动或打滑，因而增加了运动计算的误差。同时传统的全向机器人底盘具有负载力较小的不足。
发明内容本实用新型的目的在于提供一种控制简便、负载力大、安装使用方便、车体振动小、运动定位精度高的机器人全向移动平台。本实用新型提供机器人全向移动平台，采用六个步进电机作为驱动，故称其为六轮步进式机器人全向移动平台。其中涉及机械结构、步进电机的驱动和细分控制以及运动控制方法的设计等。具体说来，机器人全向移动平台包括顶板、底板，以及均匀布置于顶板和底板之间的六个步进电机；相邻两个步进电机之间的轴向夹角为60度，每个步进电机转轴上连接一组互补全向车轮。本实用新型两个轴向夹角为180度的步进电机定为一组，六个步进电机分成三组。传统两轮驱动机构的机器人移动平台是非完整约束系统，向一个方向做直线运动时通常需要事先做旋转运动以调整姿态。而本实用新型设计的六轮步进式机器人全向移动平台不存在非完整约束，它可以向任意方向做直线运动，而不需要事先作旋转运动，并且在以直线运动到达目标点的过程中，同时可以做自身旋转运动以调整机器人的姿态，从而达到终态所需的姿态角。通过具体控制，可以实现各种运动，具体介绍如下运动情况一当6个步进电机沿着各自的转轴向同一方向(顺时针或逆时针)以相同角速度转动时，六轮步进式机器人全向移动平台将在原地以自己的中心为轴做自身旋转运动，可以用来任意调整机器人的姿态角度。运动情况二 当6个步进电机沿着各自的转轴向同一方向(顺时针或逆时针)以不同的角速度转动时，六轮步进式机器人全向移动平台做自身旋转运动，但旋转速度可能变慢，并且由于和地面摩擦力的不同，有可能不在原地旋转，旋转轴也有可能偏离步进式机器人全向移动平台的中心，但也可以用来任意调整机器人的姿态角度。运动情况三当6个步进电机中只有某几个步进电机沿着各自的转轴向同一方向(顺时针或逆时针)以相同角速度转动时，六轮步进式机器人全向移动平台做自身旋转运动，但旋转速度较慢，并且由于和地面摩擦力的不同，有可能不在原地旋转，旋转轴也有可能偏离步进式机器人全向移动平台的中心，但也可以用来任意调整机器人的姿态角度。运动情况四当6个步进电机中只有某几个步进电机沿着各自的转轴向同一方向(顺时针或逆时针)，另外几个步进电机沿着各自的转轴向相反方向(逆时针或顺时针)以相同角速度转动时，六轮步进式机器人全向移动平台做自身旋转运动，但旋转速度较慢，并且由于和地面摩擦力的不同，有可能不在原地旋转，旋转轴也有可能偏离步进式机器人全向移动平台的中心，但也可以用来任意调整机器人的姿态角度。运动情况五当三组步进电机中的一组，即转轴呈180度的两个相对的步进电机，分别沿着各自的转轴向相反方向(一个为顺时针，另一个为逆时针)以相同角速度转动时，另外两组4个步进电机不加驱动信号，4组互补全向车轮呈随动状态，六轮步进式机器人全向移动平台做和提供驱动力的那组步进电机轴向方向垂直的直线运动，运动方向和与两个提供驱动力的步进电机相连的互补全向车轮的线速度方向一致。运动情况六当三组步进电机中的一组，即转轴呈180度的两个相对的步进电机，分别沿着各自的转轴向相反方向(一个为顺时针，另一个为逆时针)以不相同角速度转动时，另外两组4个步进电机不加驱动信号，4组互补全向车轮呈随动状态，六轮步进式机器人全向移动平台做曲线运动，在每一极短时间内，运动方向和提供驱动力的那组步进电机轴向方向垂直，曲线向着与两个提供驱动力的步进电机相连的互补全向车轮中线速度小的那组车轮弯曲。运动情况七当三组步进电机中的一组，即转轴呈180度的两个相对的步进电机(提供主驱动力)，分别沿着各自的转轴向相反方向(一个为顺时针，另一个为逆时针)以相同角速度转动时，另外剩下两组4个步进电机也加驱动信号，并且要求同组两个相对的步进电机分别沿着各自的转轴向相反方向(一个为顺时针，另一个为逆时针)以相同角速度转动，同时剩下两组4个步进电机中转轴呈60度的两个相邻的步进电机分别沿着各自的转轴向相反方向(一个为顺时针，另一个为逆时针)以相同角速度转动，六轮步进式机器人全向移动平台做和提供驱动力的那组步进电机轴向方向垂直的直线运动，运动方向和与两个提供主驱动力的步进电机相连的互补全向车轮的线速度方向一致。运动情况八当三组步进电机中的一组，即转轴呈180度的两个相对的步进电机(提供主驱动力)，分别沿着各自的转轴向相反方向(一个为顺时针，另一个为逆时针)以相同角速度转动时，另外剩下两组4个步进电机也加驱动信号，并且要求同组两个相对的步进电机分别沿着各自的转轴向相同方向(均为顺时针或均为逆时针)以相同角速度转动，同时剩下两组4个步进电机中转轴呈60度的两个相邻的步进电机分别沿着各自的转轴向相反方向(一个为顺时针，另一个为逆时针)以相同角速度转动，六轮步进式机器人全向移动平台做和提供驱动力的那组步进电机轴向方向垂直的直线运动，运动方向和与两个提供主驱动力的步进电机相连的互补全向车轮的线速度方向一致。运动情况九当6个步进电机中的某几个步进电机沿着各自的转轴向某一方向以大小相同或不同的角速度转动时，六轮步进式机器人全向移动平台的运动将是旋转运动和直线运动的合成运动。本实用新型中，互补全向车轮采用有机玻璃板作为轮框架，并以激光雕刻的方式进行精确加工。每块轮框架板材外缘开有8个凹槽，用于安放侧向辊子。侧向辊子的转轴夹紧在轮框架外缘。另外，适度镂空轮框以减少车轮重量。侧向辊子及其转轴可外购，在每个侧向辊子外套硅胶管，以增大轮子和室内地板之间的摩擦力。车轮中心有圆孔(有一侧是平的)，用以与步进电机转轴连接。该加工制作方案降低加工难度、避开昂贵的开模工艺、同时也保证了车轮加工的精度及必要的强度。本实用新型中，所述互补全向车轮，是指两个全向车轮错开角度并列安装而形成互补结构，保证轮组在转动过程中至少有一个侧向辊子与地面保持接触，减少了震动和打滑情况的发生。同时，相比于传统三轮全向驱动平台，本实用新型设计的六轮步进式机器人全向移动平台能更好的减少机器人运动时的振动，并且大大提高承载能力。考虑在实际应用环境中，地面的不平整或车架的细微形变等因素将导致六个车轮无法同时着地，从而导致车轮空转的情况出现，对此本实用新型进行了相应的辅助设计。即在步进电机和机器人全向移动平台的顶板之间的悬挂装置上安装弹簧，使得六组互补全向车轮处于预紧状态，这样可以解决六个轮子不同时着地的问题，同时可为车体减震。本实用新型中，选取混合式两相42H4602型步进电机作为六轮步进式机器人全向移动平台的动力源，基于L298N设计步进电机控制信号放大电路，来驱动步进电机。为了减弱或消除步进电机的低频振动，并提高其运转精度，本实用新型对步进电机进行细分控制。系统由芯片(Cyclone II EP2C8Q208C8N)充当底层运动控制器，利用FPGA芯片的硬件并行特性，采用Verilog HDL描述实现同时产生4路PWM信号，根据不同的细分要求，分别存储不同的细分参数列表，再按系统要求的电机转动方向及转动速度的要求，动态的从循环列表中读取PWM参数，从而使生成的4路PWM信号，既满足细分要求，又达到步进电机转速和转向控制要求。其中，步进电机转向、转速控制信号来自系统上层，FPGA芯片通过改变参数列表读取方向来实现电机转向，并用控制PWM参数更新节奏的方式实现转速控制，用到软件延时。FPGA芯片给出的四路PWM信号经由驱动模块进行电流放大后，可直接驱动步进电机的四个抽头。本实用新型的全向移动平台控制简便，运行平稳，负载力大，安装使用方便，车体振动小，运动定位精度高，可广泛应用于各种机器人中。
图I普通移动平台力学分析。图2全向移动平台力学分析。图3全向移动平台运动学分析。图4全向移动平台动力学分析。图5L298N驱动步进电机的原理图。图6细分情况下，步进电机AB相和⑶相上的控制信号。图7步进电机控制信号生成。图8互补全向轮框架CAD图纸。图9互补全向轮实物图。图10六轮步进式机器人全向移动平台3D视图。图11六轮步进式机器人全向移动平台底盘悬挂系统预紧减震结构3D视图。
具体实施方式
(I)理论分析全向移动平台的力学分析全向轮的基本结构是在大轮边缘装有轴向垂直的侧向辊子，这样每一个全向轮即使是横向移动时，也始终保持与地面为滚动摩擦。采用全向轮，使得步进式机器人在向任意方向移动时，都可以大大减少移动阻力。下面对此做出力学分析，首先给出两个前提假设I.每个轮组是完全一样的，不考虑由于加工精度导致各轮组之间的细微差异。2.滑动摩擦力要远远大于滚动摩擦力，即在下面的力学分析中，主要考虑滑动摩擦力对于步进式机器人的影响。 考虑六轮全向步进式机器人在一组步进电机为驱动，另外两组步进电机随动的情况下，做驱动方向的直线运动。假设每台步进电机提供的驱动力为^ ,每个轮组受到的滑动摩擦力为/ ,则每个驱动轮组提供的驱动力F满足(O当不采用全向轮组，即使用普通的未装侧向辊子的车轮组时，步进式机器人在前进方向上的驱动力为2# ,四个与前进方向呈60度角的随动轮组将是前进的阻力，受
到的阻力大小为4/ ,则此种情况下，步进式机器人所受合力满足 ^, βΙ = Faw — Fwal =2F f(2)当采用全向轮组时，由于大轮边缘装有轴向垂直的侧向辊子，随动轮组受到的阻力会使得侧向辊子沿轴转动，所以将随动全向轮组所受的滑动摩擦力分解到和轮组轴垂直方向和平行方向，如附图2所示。此时随动全向轮组所受的滑动摩擦力在轮组轴平行方向上的分量作为侧向辊子的驱动力，使得滑动摩擦力变为滚动摩擦力。对于整个步进式机器人来说，前进过程中受到的阻力主要是滑动摩擦力在轮组轴垂直方向上的分量。对于每一个轮组来说，滑动摩擦
力/f = /CoS6Cf =//2 ,对于整个步进式机器人来说，阻力为这四个随动轮组受到的阻力的合力，因此，阻力=4/^08 60° = /。而步进式机器人在前进方向上的驱动力FLM为W ,则此种情况下，步进式机器人所受合力满足Kial = FL· — Ksist = ^ - f⑶由此可见，采用全向轮组可以大大减少步进式机器人在移动过程中受到的阻力。全向移动平台的运动学分析步进式机器人的运动空间为一个平面，建立如附图3所示的绝对坐标系ZaOFa和机器人坐标系XyOJ,。其中机器人坐标系原点q与步进式机器人中心重合，&为1与
的夹角，#为轮组与A的夹角(如图中所标，取锐角)“力步进式机器人中心到轮组中心的
距离，η ( =1,2,3,4.5.6)为轮组:提供的沿着驱动方向的速度。[0048]根据如附图3所示的几何关系，可得步进式机器人系统的运动学方程
权利要求1.一种六轮步进式机器人全向移动平台，其特征在于包括顶板、底板，以及均匀布置于顶板和底板之间的六个步进电机；相邻两个步进电机之间的轴向夹角为60度，每个步进电机转轴上连接一组互补全向车轮；两个轴向夹角为180度的步进电机定为一组，六个步进电机分成三组； 所述互补全向车轮采用有机玻璃板作为轮框架，每块轮框架板材外缘等间距地开有8个凹槽，每个凹槽中均安装侧向辊子，侧向辊子的转轴夹紧在轮框架外缘。
2.根据权利要求I所述的六轮步进式机器人全向移动平台，其特征在于在所述步进电机和所述顶板之间的悬挂系统上设置有弹簧，使得六组互补全向车轮处于预紧状态。
3.根据权利要求I所述的六轮步进式机器人全向移动平台，其特征在于所述步进电机采用混合式两相42H4602型步进电机。
专利摘要本实用新型属于机器人技术领域，具体涉为一种六轮步进式机器人全向移动平台。该全向移动平台包括顶板、底板，以及均匀布置于顶板和底板之间的六个步进电机；相邻两个步进电机之间的轴向夹角为60度，每个步进电机转轴上连接一组互补全向车轮；两个轴向夹角为180度的步进电机定为一组；在步进电机和顶板之间的悬挂装置上安装弹簧，使六个车轮处于预紧状态；整个系统采用细分控制，以消除步进电机的低频振动并提高运转精度，并由FPGA芯片充当底层运动控制器，同时产生4路PWM信号，达到转速和转向控制要求。本实用新型的全向移动平台控制简便，运行平稳，负载力大，安装使用方便，车体振动小，运动定位精度高，可广泛应用于各种机器人中。
文档编号B62D57/02GK202703736SQ20122020850
公开日2013年1月30日 申请日期2012年5月10日 优先权日2012年5月10日
发明者余翀, 邱其文 申请人:复旦大学