本發明涉及機器人制造技術領域，特別是指一種基于球形輪的自主導航機器人。

背景技術：

近年來，隨著21世紀電子技術及自動控制技術的發展，機器人技術進展迅猛，已經成為現代社會、工業、農業、國防、醫療等領域內關鍵技術之一。但傳統機器人的移動方式主要基于輪式差速，輪式機器人雖然應用廣泛，但也有十分嚴重的缺點。例如：機器人身軀龐大，運動區域有很大限制，在自主導航情況下的轉彎及避障的算法十分復雜且運行效率非常低下。

技術實現要素：

本發明要解決的技術問題是提供一種基于球形輪的自主導航機器人，能夠適應狹小空間環境，移動更為靈活。

為解決上述技術問題，本發明的實施例提供一種基于球形輪的自主導航機器人，所述基于球形輪的自主導航機器人包括球形輪胎、機器人支架、輪胎驅動機構、主控制器和距離探測器，所述機器人支架包括輪胎支架和控制平臺，所述輪胎支架套裝在所述球形輪胎外側，所述控制平臺設置在所述輪胎支架上方，所述輪胎驅動機構包括至少三組驅動輪和驅動電機，所述驅動輪分別與對應的驅動電機連接，所述驅動電機與所述主控制器連接，所述距離探測器與所述主控制器連接，所述主控制器和距離探測器設置在所述控制平臺上，所述至少三組驅動輪設置在所述球形輪胎表面與所述球形輪胎表面轉動連接；

所述距離探測器，用于采用激光三角測距技術進行距離檢測、2D掃描、模型構建和障礙物檢測；

所述主控制器，用于采用PID閉環調速算法控制驅動電機調節驅動輪轉動控制球形輪胎轉動，控制驅動控制器進行移動控制，獲取距離探測器的檢測信息，采用二維激光雷達的SLAM算法進行實時地圖構建與定位。

優選的，所述主控制器為單片機，所述單片機設置有6個可以輸出PWM的定時器，用于帶動各驅動輪以不同方向轉動其中2個定時器輸各出7路PWM，另外4個定時器各輸出4路PWM，所述單片機具有輸入捕獲的功能，用于捕捉驅動電機的信號實現PID調速。

優選的，所述單片機設置有5個通用同步異步收發器，用于同時與遠端遙控器、激光雷達通信和遠端計算機進行。

優選的，所述單片機為單片機STM32F103。

優選的，所述距離探測器每次測距過程中，激光雷達將發射經過調制的紅外激光信號，該激光信號在照射到目標物體后產生的反光將被視覺采集系統接收，經過距離探測器內部的DSP處理器實時解算，被照射到的目標物體與激光雷達的距離值以及當前的夾角信息將從通訊接口中輸出。

優選的，所述距離探測器為激光雷達掃描測距儀。

優選的，所述驅動電機為帶編碼器的減速電機。

優選的，所述機器人支架底部設置有牛眼輪安裝環，所述牛眼輪安裝環底部均勻的設置有牛眼輪和緩沖機構，所述牛眼輪通過所述緩沖機構與所述牛眼輪安裝環底部連接。

優選的，所述機器人支架有為鋁型材機器人支架或碳纖維機器人支架。

優選的，所述控制平臺上還設置有微型計算機，所述微型計算機與所述主控制器連接，所述微型計算機采用基于LINUX的ROS操作系統。

本發明的上述技術方案的有益效果如下：

上述方案中，設置球形輪胎、機器人支架、輪胎驅動機構、主控制器和距離探測器，能夠保證基于球形輪的平穩移動，并對周圍環境進行距離探測，提高了機器人的移動靈活性，采用PID閉環調速算法，能夠更加精確控制機器人的移動方向與移動速度，在進入不同路面，如上坡下坡等情況都能很好的排除干擾因素，使速度快速達到理想穩定的狀態。采用二維激光雷達的SLAM算法可在無GPS信號的情況下在密閉空間內進行實時地圖構建，自主定位與導航。

附圖說明

圖1為本發明的基于球形輪的自主導航機器人結構示意圖；

圖2為本發明的基于球形輪的自主導航機器人頂部結構示意圖。[主要元件符號說明]

球形輪胎1；

機器人支架2；

輪胎驅動機構3；

主控制器4；

距離探測器5；

輪胎支架6；

控制平臺7；

驅動輪8；

驅動電機9；

驅動電機10；

牛眼輪安裝環11；

牛眼輪12；

緩沖機構13；

微型計算機14；

充電電池15。

具體實施方式

為使本發明要解決的技術問題、技術方案和優點更加清楚，下面將結合附圖及具體實施例進行詳細描述。

如圖1和2所示，本發明實施例的一種基于球形輪的自主導航機器人，所述基于球形輪的自主導航機器人包括球形輪胎1、機器人支架2、輪胎驅動機構3、主控制器4和距離探測器5，所述機器人支架2包括輪胎支架6和控制平臺7，所述輪胎支架6套裝在所述球形輪胎1外側，所述控制平臺7設置在所述輪胎支架6上方，所述輪胎驅動機構3包括至少三組驅動輪8和驅動電機9，所述驅動輪8分別與對應的驅動電機10連接，所述驅動電機10與所述主控制器4連接，所述距離探測器5與所述主控制器4連接，所述主控制器4和距離探測器5設置在所述控制平臺7上，所述至少三組驅動輪8設置在所述球形輪胎1表面與所述球形輪胎1表面轉動連接；

所述距離探測器5，用于采用激光三角測距技術進行距離檢測、2D掃描、模型構建和障礙物檢測；

所述主控制器4，用于采用PID閉環調速算法控制驅動電機調節驅動輪轉動控制球形輪胎轉動，控制驅動控制器進行移動控制，獲取距離探測器的檢測信息，采用二維激光雷達的SLAM算法進行實時地圖構建與定位。

其中，球形輪胎驅動輪作為本機器人機械部分的核心，其作用為驅動球形輪胎，它們是確保機器人能夠流暢運行的保障。全向輪的尺寸要根據球形輪胎的大小而確定，裝配時全向輪和球形輪胎的角度要調節好，確保處于最佳角度。

本發明實施例的基于球形輪的自主導航機器人，設置球形輪胎、機器人支架、輪胎驅動機構、主控制器和距離探測器，能夠保證基于球形輪的平穩移動，并對周圍環境進行距離探測，提高了機器人的移動靈活性，采用PID閉環調速算法，能夠更加精確控制機器人的移動方向與移動速度，在進入不同路面，如上坡下坡等情況都能很好的排除干擾因素，使速度快速達到理想穩定的狀態。采用二維激光雷達的SLAM算法可在無GPS信號的情況下在密閉空間內進行實時地圖構建，自主定位與導航。實現方式采用功耗低，效率高，成本低的激光雷達。

優選的，所述主控制器4為單片機，所述單片機設置有6個可以輸出PWM的定時器，用于帶動各驅動輪以不同方向轉動其中2個定時器輸各出7路PWM，另外4個定時器各輸出4路PWM，所述單片機具有輸入捕獲的功能，用于捕捉驅動電機的信號實現PID調速。

其中，為降低程序編寫難度，機器人各個部件之間采用CAN總線技術進行通信。

本實施例中，由于采用了閉環調速，整個下位機程序在同一塊單片機中需要使用到多個定時器，會使多個程序中斷服務進行嵌套，出現錯誤時非常難排查。所以本項目采用多臺單片機組成下位機，之間通過CAN總線進行通信。這樣每臺單片機只需完成特定任務，每臺單片機程序的漏洞也極易排查，而且這樣設計使各個程序員編寫的程序之間不會發生任何沖突。

優選的，所述單片機設置有5個通用同步異步收發器，用于同時與遠端遙控器、激光雷達通信和遠端計算機進行。

優選的，所述單片機為單片機STM32F103。

優選的，所述距離探測器5每次測距過程中，激光雷達將發射經過調制的紅外激光信號，該激光信號在照射到目標物體后產生的反光將被視覺采集系統接收，經過距離探測器內部的DSP處理器實時解算，被照射到的目標物體與激光雷達的距離值以及當前的夾角信息將從通訊接口中輸出。

優選的，所述距離探測器5為激光雷達掃描測距儀。

優選的，所述驅動電機10為帶編碼器的減速電機。

其中，該球形機器人采用12V或24V的帶編碼器減速電機，其額定轉速與額定力矩要合適，且電機的速度可調，帶動全向輪轉動，全向輪再帶動球形輪胎轉動，使球形輪胎的滾動方向、滾動速度任意變換，做到高效率，高機動性運行，采用PID調速法可使驅動輪的轉速得到精準控制。電機驅動要能夠長時間驅動電機運行，保證其能在運行中不會燒毀。

優選的，所述機器人支架底部設置有牛眼輪安裝環11，所述牛眼輪安裝環11底部均勻的設置有牛眼輪12和緩沖機構13，所述牛眼輪12通過所述緩沖機構13與所述牛眼輪12安裝環底部連接。

本實施例中，機械系統設計中結合了輪式機器人控制簡單和球形機器人苗條靈活的優點，添加三個牛眼輪均布在球外的圓周上，對機器人有支撐作用，使機器人與地面形成四個點接觸，大大簡化了此機器人的控制難度，簡單實用，降低了機器人總體成本。

優選的，所述機器人支架有為鋁型材機器人支架或碳纖維機器人支架。本實施例中，鋁型材和碳纖維板構成本機器人的主要骨架。鋁型材和碳纖維板均屬硬度強度較高，且質量不大的材料。采用這兩種材料作為骨架，可以在滿足機器人所需強度的條件下，盡可能減輕機器人重量，從而降低其耗能，加長其工作時間。

優選的，所述控制平臺上還設置有微型計算機14，所述微型計算機與所述主控制器連接，所述微型計算機采用基于LINUX的ROS操作系統。

優選的，控制平臺上設置有充電電池15，可以使用可充電鋰電池或其他可充電電池供電。

本實施例中，ROS操作系統是當今機器人領域最成熟的機器人操作系統。使用方便，開源性強。

本發明實施例的基于球形輪的自主導航機器人，以此球形輪自主導航機器人為基礎，我們還可以開發一款醫療服務型機器人“老人伴侶-醫療陪護系統”，該系統以我們自己研發的新型全向移動球形機器人為平臺，搭載相關軟硬件從而實現以下功能。

球形輪自主導航機器人基于物聯網技術，當老人在家時，老人或者子女可以提前設置好未來的日常注意事項，比如老人需要在什么時間服藥，需要在什么時間進行醫療檢測等，同時，子女也可以隨時通過機器人了解家里的情況(視頻和圖片均可)，并對機器人發送命令。當老人發生意外時，機器人會馬上向子女報警，并且及時撥打急救電話，確保老人第一時間得到救助。此醫療服務機器人同時可以與老人進行簡單的互動，使老人的生活更加豐富。

當老人入院時，我們的機器人可以完成對老人必要的照顧。一大亮點是“滴點陪護”功能，當點滴快結束時，可以自動提醒護士更換，并且在輸液過程中，老人如果需要上廁所，機器人可以懸掛藥瓶定距跟隨老人，無需專門找人看護。醫生可以通過網絡，把老人需要注意的事項，需要做的相關醫療檢測，每天需要服用的藥物藥量等信息發送給機器人，由機器人定時定點進行提醒，確保老人每天按照醫囑進行相關活動。

總的來說，該系統以自主研發的全向移動球形機器人為平臺，結合其他相關控制技術，可以基于物聯網技術，完成對老人的陪護工作。

本發明實施例的基于球形輪的自主導航機器人，球形輪機器人軀體瘦小，更能適應狹小空間環境，可在自主導航情況下進行無轉彎半徑的移動，顛覆傳統輪式機器人分頭和尾的理念，能有效地抵抗外界的擾動，因此對復雜地形的適應能力更強，并且在自主導航情況下的算法大大簡化，且運行效率也有很大的提高。

以上所述是本發明的優選實施方式，應當指出，對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明所述原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發明的保護范圍。