一种具有相对位姿检测功能的全方位轮式移动机器人的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于移动机器人技术领域，具体涉及一种具有相对位姿检测功能的全方位 轮式移动机器人，适用于在城区环境中进行定位和导航。
【背景技术】
[0002] 轮式移动机器人在城区环境中行驶时，传统的差速转向方式控制简单，但机 器人在转弯时受底盘重量、地面摩擦力等影响，控制精度低；如果采用汽车的阿克曼 (Ackerman)转向机构，由于转弯半径大，限制了机器人的机动性。现有的月球、火星探测车 通常使用具有多轮独立驱动和转向机构的移动底盘。例如："好奇号"火星车使用了六个车 轮，每个车轮均有独立的驱动电机，两个前轮和两个后轮还配有独立的转向电机；另外，采 用摇杆式转向悬挂系统，具有较好的越障、防倾覆等特点，但这种移动底盘结构复杂，更适 用于低速移动机器人。
[0003] 近些年，出现了一种新型车轮结构一一全向轮，具体实现类型包括瑞士轮和麦克 纳姆（Mecanum)轮等。在全向轮的圆周方向上，均勾分布了多个小轮，其转轴轴线方向与全 向轮的圆周相切，当受到侧向摩擦力后可以自由转动，因此，即使当全向轮侧向移动时，与 地面仍然保持为滚动摩擦。然而，当使用全向轮作为移动机器人的驱动轮时，机器人行走 的控制精度受到全向轮上多个小轮与地面的接触轮廓影响，可能引起移动底盘产生速度波 动，并且由于小轮对地面的摩擦力有限，因此移动性能不够理想。另外，全向轮的承载能力 相对较弱，当搬运重型货物时，不宜使用全向轮作为驱动轮。
【发明内容】
[0004] 本发明结合独立驱动和转向车轮、全向轮的优点，设计了一种具有相对位姿检测 功能的全方位轮式移动机器人。该移动机器人的底盘由主动轮系和从动轮系共同组成：四 个主动轮使用轮毂电机作为驱动轮，并且具有独立转向功能；三个从动轮使用全向轮，专门 用于检测移动机器人的相对运动位姿。该移动机器人主要用于在城区环境中行驶。
[0005] 本发明是通过以下技术方案来实现的：
[0006] 一种具有相对位姿检测功能的全方位轮式移动机器人，包括底盘，其特征在于：所 述底盘上安装有四个主动轮机构和三个从动轮机构，所述主动轮机构对称安装在底盘两侧 作为机器人的行走机构，采用轮毂电机技术，包括集成在主动轮上的轮毂电机、减震器、减 速器以及伺服电机，所述伺服电机经过减速器减速带动轮毂电机绕其竖直中心轴在± 90 ° 范围内水平旋转方向，通过程序协调控制四个轮毂电机的转动速度以及四个伺服电机的转 角，使机器人具有直行、斜行和转向等多种复杂的运动功能；所述从动轮机构分别安装在 底盘两侧中间位置和尾部中间位置，用于检测移动机器人的相对位姿变化，均包括全向轮， 左、右两侧从动轮机构与尾部从动轮机构的全向轮的转轴相互垂直，每个全向轮的转轴上 安装编码器，通过三个编码器的测量数据组合，计算机器人的相对运动位姿增量。
[0007] 所述轮毂电机的两侧设有减震器，所述减震器的顶端固定安装有水平支撑板，所 述支撑板上连接有减速器的输出法兰，所述减速器通过支架垂直安装在机器人底盘的侧 面，所述减速器的输入端还连接有伺服电机，所述伺服电机经过减速器带动支撑板转动进 而改变车轮的转向角；所述四个主动轮机构的伺服电机独立驱动和转向，通过协调控制，实 现机器人的灵活运动。
[0008] 所述左、右两侧从动轮机构包括全向轮、增量式光电编码器以及减震器，所述全向 轮两侧设有减震器，中心轴上设有带座轴承一和增量式光电编码器，且中心轴贯穿于带座 轴承一内圈孔中，和带座轴承一外圈、增量式光电编码器的转轴固定连接；所述减震器的底 端经过带座轴承一与全向轮连接，所述增量式光电编码器的外壳经支架固定安装于减震器 的底端，所述减震器的顶端固定安装有水平支撑板，所述水平支撑板上固定有立式支撑架， 所述立式支撑架上固定连接有水平转轴，所述水平转轴的另一端连接有竖直连接杆的底 端，所述竖直连接杆底端还设有带座轴承二，所述水平转轴可以围绕带座轴承二的轴线转 动，所述带座轴承二的轴承座固定安装在机器人底盘的侧面，所述竖直连接杆的顶端经过 拉伸弹簧与机器人底盘侧面相连，所述竖直连接杆上还设有限位挡块限制全向轮绕水平轴 向前旋转的极限位置。
[0009] 所述尾部从动轮机构包括括全向轮、增量式光电编码器以及减震器，所述全向轮 两侧设有减震器，中心轴上设有带座轴承一和增量式光电编码器，且中心轴贯穿于带座轴 承一内圈孔中，和带座轴承一外圈、增量式光电编码器的转轴固定连接；所述减震器的底端 经过带座轴承一与全向轮连接，所述增量式光电编码器的外壳经支架固定安装于减震器的 底端，所述减震器的顶端固定安装有水平支撑板，所述水平支撑板上固定有两个立式支撑 架，所述两个立式支撑架之间固定连接有水平转轴，所述水平转轴上方设有两个带座轴承 二，所述水平转轴和两个带座轴承二内圈固定连接；所述带座轴承二上方设有水平支架，所 述带座轴承二底座安装在水平支架上，所述水平支架固定安装于机器人底盘的尾部中间； 所述水平转轴上还套有扭力弹簧，所述扭力弹簧包括水平端和竖直端，所述水平支架上还 设有竖直挡块限制扭力弹簧的竖直端。
[0010] 所述从动轮机构上的水平旋转轴使得当路面上有凸起物体时，全向轮可以绕该旋 转轴转动并抬起一定的高度，避免从动轮被物体卡住，对复杂的路面具有自适应性，所述减 震器，确保机器人在不平整的路面上平稳运动。
[0011] 所述全向轮为双排瑞士轮。
[0012] 所述的四个主动轮机构可以实现的机器人的运动模式主要包括：直行、斜行和转 向；
[0013] (1)直行时，四个主动轮的转速相同，转向角均为零；
[0014] (2)斜行时，四个主动轮的转速相同，转向角也相同，但不为零；
[0015] (3)转向时，模式可以细分为：前轮转向、后轮转向、四轮转向和原地转向；根据转 向模式、转弯半径和机器人几