一種全向移動輪式機器人平臺及控制方法與流程
本發明涉及一種全向移動輪式機器人平臺及控制方法。
背景技術：
麥克納姆輪的概念是由瑞典麥克納姆公司提出的，其主要由兩部分組成，一部分為電機控制的輪轂，另一部分為沿著輪轂外緣按照一定角度均勻分布的多個被動輥子。麥克納姆輪結構緊湊，運動靈活，是很成功的一種全方位輪，但是現有技術中，為了實現全方位移動功能，需至少采用4個麥克納姆輪進行組合，比如，專利號201010145736.X公開了一種多功能智能助立助行機器人，采用四個麥克納姆輪，專利號201610725467.1公開了一種電控式滑撬直升機自動移庫裝置，所述凹形平臺底部的四個角均安裝有所述麥克納姆輪。
采用4個麥克納姆輪進行組合，輪子分布面積過大而無法減小移動平臺的尺寸，并且輪子的分布也導致了系統缺乏靈活性，不適合小尺寸機器人的平臺設計，不僅成本高、結構復雜，而且控制精度低。
技術實現要素：
針對上述問題，本發明提供一種全向移動輪式機器人平臺及控制方法，采用三個電機控制三個麥克納姆輪作為主動輪，無從動輪，能夠靈活的完成全向運動，具有適應性強、靈敏度高、穩定性好、轉動靈活等優點，滿足系統運動對復雜環境的要求。
為實現上述技術目的，達到上述技術效果，本發明通過以下技術方案實現：
一種全向移動輪式機器人平臺，包括設置有安裝孔的底盤平臺，其特征在于，還包括三個均勻排列的麥克納姆輪且兩兩之間夾角為120°，每個麥克納姆輪通過電機驅動，每個電機通過驅動器與控制器相連，控制器輸出信號給電機驅動器分別控制三個電機的轉速。
優選，設三個均勻排列的麥克納姆輪的中心為O點，第i個麥克納姆輪的轉動中心為Oi′，i＝1,2,3，xoy是中心為O的直角坐標系，x′oi′y′是圓心為輪轂中心Oi′的直角坐標系，r為麥克納姆輪的半徑，αi是第i個麥克納姆輪的輥子的偏向角，βi是與x軸的夾角，(lix,liy,θi)是x′oi′y′坐標系在xoy中的位姿描述，lix＝li cosβi,liy＝li sinβi，θi是第i個麥克納姆輪的輪子軸線與x軸方向夾角，則全向移動平臺的運動的速度矢量即為O點的速度矢量，設為[vx,vy,ω]T，vx是x軸速度,vy是y軸速度,ω是轉向速度，則三個電機的轉速矢量[ω1,ω2,ω3]T：
控制器輸出PWM脈沖信號給電機驅動器分別控制三個電機的轉速。
優選，所述底盤平臺呈圓形。
優選，所述傳感器單元包括霍爾電流傳感器、陀螺儀傳感器、角度傳感器和超聲波傳感器。
相對應的，一種全向移動輪式機器人平臺的控制方法，其特征在于，包括如下步驟：
步驟1、輸入全向移動平臺的運動的速度矢量[vx,vy,ω]T，vx是x軸速度,vy是y軸速度,ω是轉向速度；
步驟2、計算三個電機的轉速矢量[ω1,ω2,ω3]T：
式中，設三個均勻排列的麥克納姆輪的中心為O點，第i個麥克納姆輪的轉動中心為Oi′，i＝1,2,3，xoy是中心為O的直角坐標系，x′oi′y′是圓心為輪轂中心Oi′的直角坐標系，r為麥克納姆輪的半徑，αi是第i個麥克納姆輪的輥子的偏向角，βi是與x軸的夾角，(lix,liy,θi)是x′oi′y′坐標系在xoy中的位姿描述，lix＝licosβi,liy＝lisinβi，θi是第i個麥克納姆輪的輪子軸線與x軸方向夾角；
步驟3、控制器根據三個電機的轉速矢量[ω1,ω2,ω3]T，輸出對應頻率的PWM脈沖信號給電機驅動器；
步驟4、電機驅動將其轉換成控制電機轉速的雙相四線式脈沖信號輸出到電機。
本發明的有益效果是：
第一、在結構上：突破了移動平臺傳統的四輪式(雙驅動+雙萬向)及三輪式(雙驅動+單萬向)結構，采用三輪完全對稱式驅動。相比較之下，傳統的四輪式結構有著輪子分布面積過大而無法減小平臺尺寸的缺陷，并且輪子的分布也導致了系統缺乏靈活性，不適合小尺寸機器人的平臺設計；傳統的三輪式結構是目前機器人平臺應用較為廣泛的一種結構，但在復雜的環境中，由于結構的限制也會導致運動缺乏靈活性，對于一些緊急事故，無法做到完全有效避免或解決；而本申請的基于麥克納姆輪的三輪式結構，三個驅動模塊采用完全均勻對稱式分布，其平臺占用面積可以大大縮小，可以作為小型機器人平臺設計開發的一個優秀選擇方案，而麥克納姆輪獨特的運動結構，也保證了系統運動上的靈活性。
第二、在運動上：通過對本設計的系統運動學方程分析可知，系統可以在不改變正面方向的狀態下，完成任意方向的運動，且不需要轉向行為，這就避免了傳統運動結構遇到障礙或其他緊急情況需要花時間轉向來躲避障礙的問題，實現了事故的靈活處理。另一方面，本設計不同于傳統結構在轉向時會發生一定位移，并且占用較長時間，在轉向過程中，基于均勻對稱分布的驅動結構，系統可以完成繞自身中心的轉動，這就大大的縮短了轉向時間，消除了轉向過程中遇到障礙的問題，提高了系統的靈活性。
第三、在控制上：由于系統結構的限制，本設計在控制上要比傳統結構復雜得多，但同時控制精度也要高得多。通過對系統運動學方程的分析可知，只要給定系統的目標速度矢量或轉向角速度，系統就可以按照設定的速度及方向運動，結合角度傳感器及控制器的定時器，就可以讓系統實現任意方向前進指定距離或者任意方向轉動指定角度，加上系統采用的是步進電機驅動，控制精度也將大大提高，這就使得系統具有了完全可控性，讓后期平臺的拓展開發更加方便靈活。
附圖說明
圖1是麥克納姆輪的結構示意圖；
圖2是本發明一種全向移動輪式機器人平臺的結構示意圖；
圖3是本發明第i個麥克納姆輪與系統運動中心的運動關系示意圖；
圖4是本發明第i個麥克納姆輪的部分參數關系示意圖；
圖5是本發明實施例中一種全向移動輪式機器人平臺的具體結構示意圖。
具體實施方式
下面結合附圖和具體的實施例對本發明技術方案作進一步的詳細描述，以使本領域的技術人員可以更好的理解本發明并能予以實施，但所舉實施例不作為對本發明的限定。
一種全向移動輪式機器人平臺，包括設置有安裝孔的底盤平臺，優選，底盤平臺呈圓形，底盤平臺通過安裝孔安裝其他配件。還包括三個均勻排列的麥克納姆輪且兩兩之間夾角為120°，如圖1和2所示，麥克納姆輪主要包括兩部分，一部分為電機控制的輪轂，另一部分為沿著輪轂外緣按照一定角度均勻分布的多個被動輥子。
每個麥克納姆輪通過電機驅動，系統采用三個電機控制三個麥克納姆輪作為主動輪，無從動輪，三個麥克納姆輪按照圓周方向均勻排列，三個電機安裝時軸心交于底盤中心，且兩兩之間夾角為120°。該結構在運動過程中，適應性強、靈敏度高、穩定性好、轉動靈活等優點，在此基礎上，該結構還可以在不改變前視角度的情況下，實現任意方向的運動，具有極大的靈活性，滿足系統運動對復雜環境的要求。具體的控制通過控制器實現，即每個電機通過驅動器與控制器相連，控制器輸出信號給電機驅動器分別控制三個電機的轉速。
下面進行具體的運動學分析：
在本設計中，為了得到一般情況下的三輪全方位系統運動學方程，設三個麥克納姆輪的布局形式是任意的，每個輪子在系統中既有相對于系統中心的位置，也有各自的姿態角度。如圖3和4所示，圖中各參數及系統各部分運動參數定義如下：
設三個均勻排列的麥克納姆輪的中心(也即系統運動中心)為O點，第i個麥克納姆輪的轉動中心為Oi′，i＝1,2,3，xoy是中心為O的直角坐標系，x′oi′y′是圓心為輪轂中心Oi′的直角坐標系，r為麥克納姆輪的半徑，αi是第i個麥克納姆輪的輥子的偏向角，βi是與x軸的夾角，(lix,liy,θi)是x′oi′y′坐標系在xoy中的位姿描述，lix＝licosβi,liy＝lisinβi，θi是第i個麥克納姆輪的輪子軸線與x軸方向夾角，vir是第i個麥克納姆輪的輥子的中心速度矢量，[vx,vy,ω]T是O點相對于地面的運動速度，[vi′x,vi′y,ωi′]T是Oi′點在x′oi′y′坐標系中的運動速度，[vix,viy,ωi]T是Oi′點在xoy坐標系中的運動速度，ωi是電機的轉速，由圖4可知：
將輪轂的中心速度轉換到xoy坐標系中，可得：
因為系統在做平面運動，可得：
由公式(2)、(3)可得系統逆運動學方程：
∵det(Ki1)≠0,det(Ki2)≠0
令Ki＝[Ki2]-1[Ki1]-1*Ki3,lix＝licosβi,liy＝lisinβi
得第i個輪子的逆運動學方程：
輪子轉速到系統中心的逆運動學解為：
系統逆運動學方程的雅克比矩陣為：
其中，公式(6)即為系統的運動學方程，然而，對全方位運動結構，如果系統的逆運動學方程雅克比矩陣列處于不滿秩狀態，系統輪子布局就會存在奇異位形，從而系統的運動自由度就會降低，即系統無法實現全方位運動。由此可知三輪全方位運動系統實現全方位運動的必要條件如為：雅克比矩陣R列滿秩，即rank(R)＝3，此時系統運動自由度高，能夠實現全方位運動。
則根據全向移動平臺的運動的速度矢量(即為O點的速度矢量)[vx,vy,ω]T，vx是x軸速度,vy是y軸速度,ω是轉向速度，則三個電機的轉速矢量[ω1,ω2,ω3]T：
控制器據此輸出PWM脈沖信號給電機驅動器分別控制三個電機的轉速。
一般的，為了實現更好的移動效果，全向移動平臺還需要設置傳感器單元用來檢測系統移動過程中的部分參數，比如，霍爾電流傳感器、陀螺儀傳感器、角度傳感器和超聲波傳感器等，比如，可采用ACS712TELC霍爾式電流傳感器，MPU6050陀螺儀傳感器以及US-100超聲波傳感器。其中電流傳感器是用來監測系統總的工作電流，在電路中為電流保護控制程序提供有效數據；陀螺儀用作采集系統的震動數據以及轉向角；超聲波傳感器主要用來實現系統的避障保護功能。這三種傳感器在系統運行過程中協同工作，輔助系統實現各項基本功能。
相對應的，一種全向移動輪式機器人平臺的控制方法，包括如下步驟：
步驟1、輸入全向移動平臺的運動的速度矢量[vx,vy,ω]T，vx是x軸速度,vy是y軸速度,ω是轉向速度；
步驟2、計算三個電機的轉速矢量[ω1,ω2,ω3]T：
式中，設三個均勻排列的麥克納姆輪的中心為O點，第i個麥克納姆輪的轉動中心為Oi′，i＝1,2,3，xoy是中心為O的直角坐標系，x′oi′y′是圓心為輪轂中心Oi′的直角坐標系，r為麥克納姆輪的半徑，αi是第i個麥克納姆輪的輥子的偏向角，βi是與x軸的夾角，(lix,liy,θi)是x′oi′y′坐標系在xoy中的位姿描述，lix＝li cosβi,liy＝li sinβi，θi是第i個麥克納姆輪的輪子軸線與x軸方向夾角；
步驟3、控制器根據三個電機的轉速矢量[ω1,ω2,ω3]T，輸出對應頻率的PWM脈沖信號給電機驅動器；
步驟4、電機驅動將其轉換成控制電機轉速的雙相四線式脈沖信號輸出到電機。
如圖5所示，其采用的麥克納姆輪是則是由成都航發液壓工程有限公司推出的CL系列輕載90°全向輪CL-10。如圖1所示，輪子外徑101.6mm，共有16個從動側輪(輥子)，每個輥子的轉動方向與輪轂的轉動方向垂直，而這些輥子外側所形成的包絡線剛好構成一個圓柱面，使得輪子能夠實現前后連續轉動，保證了系統運動的穩定性。在每個輥子內部裝有兩個尼龍滑動軸承，使得輪子具有很好的耐磨性及靈活性。對于單個輪子可承受高達50kg的負載，因此，該型號麥克納姆輪對于輕載全向移動平臺來說是一個很好的選擇方案。由圖5可知，本設計運動結構中各輪的結構參數，如表1所示。
表1各輪結構參數表
對公式(6)有，r＝50.8mm，l1＝l2＝l3＝163.52mm，將表1中參數代入(6)化簡得：
其雅克比矩陣化簡得：
有rank(R)＝3，因此該系統能夠實現全方位運動。
在系統速度及方向控制過程中，通過給定系統運動的速度矢量[vx,vy,ω]T，代入到公式(8)中，從而得到三個電機的轉速矢量[ω1,ω1,ω2]T，然后通過控制器的PWM輸出功能，分別給三個電機輸出相應頻率的PWM速度控制信號，即可實現系統速度及方向的控制。
本發明的有益效果是：
第一、在結構上：突破了移動平臺傳統的四輪式(雙驅動+雙萬向)及三輪式(雙驅動+單萬向)結構，采用三輪完全對稱式驅動。相比較之下，傳統的四輪式結構有著輪子分布面積過大而無法減小平臺尺寸的缺陷，并且輪子的分布也導致了系統缺乏靈活性，不適合小尺寸機器人的平臺設計；傳統的三輪式結構是目前機器人平臺應用較為廣泛的一種結構，但在復雜的環境中，由于結構的限制也會導致運動缺乏靈活性，對于一些緊急事故，無法做到完全有效避免或解決；而本申請的基于麥克納姆輪的三輪式結構，三個驅動模塊采用完全均勻對稱式分布，其平臺占用面積可以大大縮小，可以作為小型機器人平臺設計開發的一個優秀選擇方案，而麥克納姆輪獨特的運動結構，也保證了系統運動上的靈活性。
第二、在運動上：通過對本設計的系統運動學方程分析可知，系統可以在不改變正面方向的狀態下，完成任意方向的運動，且不需要轉向行為，這就避免了傳統運動結構遇到障礙或其他緊急情況需要花時間轉向來躲避障礙的問題，實現了事故的靈活處理。另一方面，本設計不同于傳統結構在轉向時會發生一定位移，并且占用較長時間，在轉向過程中，基于均勻對稱分布的驅動結構，系統可以完成繞自身中心的轉動，這就大大的縮短了轉向時間，消除了轉向過程中遇到障礙的問題，提高了系統的靈活性。
第三、在控制上：由于系統結構的限制，本設計在控制上要比傳統結構復雜得多，但同時控制精度也要高得多。通過對系統運動學方程的分析可知，只要給定系統的目標速度矢量或轉向角速度，系統就可以按照設定的速度及方向運動，結合角度傳感器及控制器的定時器，就可以讓系統實現任意方向前進指定距離或者任意方向轉動指定角度，加上系統采用的是步進電機驅動，控制精度也將大大提高，這就使得系統具有了完全可控性，讓后期平臺的拓展開發更加方便靈活。
以上僅為本發明的優選實施例，并非因此限制本發明的專利范圍，凡是利用本發明說明書及附圖內容所作的等效結構或者等效流程變換，或者直接或間接運用在其他相關的技術領域，均同理包括在本發明的專利保護范圍內。
- 還沒有人留言評論。精彩留言會獲得點贊！