一種具有相對位姿檢測功能的全方位輪式移動機器人的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于移動機器人技術領域，具體涉及一種具有相對位姿檢測功能的全方位 輪式移動機器人，適用于在城區環境中進行定位和導航。
【背景技術】
[0002] 輪式移動機器人在城區環境中行駛時，傳統的差速轉向方式控制簡單，但機 器人在轉彎時受底盤重量、地面摩擦力等影響，控制精度低；如果采用汽車的阿克曼 (Ackerman)轉向機構，由于轉彎半徑大，限制了機器人的機動性。現有的月球、火星探測車 通常使用具有多輪獨立驅動和轉向機構的移動底盤。例如："好奇號"火星車使用了六個車 輪，每個車輪均有獨立的驅動電機，兩個前輪和兩個后輪還配有獨立的轉向電機；另外，采 用搖桿式轉向懸掛系統，具有較好的越障、防傾覆等特點，但這種移動底盤結構復雜，更適 用于低速移動機器人。
[0003] 近些年，出現了一種新型車輪結構一一全向輪，具體實現類型包括瑞士輪和麥克 納姆（Mecanum)輪等。在全向輪的圓周方向上，均勾分布了多個小輪，其轉軸軸線方向與全 向輪的圓周相切，當受到側向摩擦力后可以自由轉動，因此，即使當全向輪側向移動時，與 地面仍然保持為滾動摩擦。然而，當使用全向輪作為移動機器人的驅動輪時，機器人行走 的控制精度受到全向輪上多個小輪與地面的接觸輪廓影響，可能引起移動底盤產生速度波 動，并且由于小輪對地面的摩擦力有限，因此移動性能不夠理想。另外，全向輪的承載能力 相對較弱，當搬運重型貨物時，不宜使用全向輪作為驅動輪。
【發明內容】
[0004] 本發明結合獨立驅動和轉向車輪、全向輪的優點，設計了一種具有相對位姿檢測 功能的全方位輪式移動機器人。該移動機器人的底盤由主動輪系和從動輪系共同組成：四 個主動輪使用輪轂電機作為驅動輪，并且具有獨立轉向功能；三個從動輪使用全向輪，專門 用于檢測移動機器人的相對運動位姿。該移動機器人主要用于在城區環境中行駛。
[0005] 本發明是通過以下技術方案來實現的：
[0006] 一種具有相對位姿檢測功能的全方位輪式移動機器人，包括底盤，其特征在于：所 述底盤上安裝有四個主動輪機構和三個從動輪機構，所述主動輪機構對稱安裝在底盤兩側 作為機器人的行走機構，采用輪轂電機技術，包括集成在主動輪上的輪轂電機、減震器、減 速器以及伺服電機，所述伺服電機經過減速器減速帶動輪轂電機繞其豎直中心軸在± 90 ° 范圍內水平旋轉方向，通過程序協調控制四個輪轂電機的轉動速度以及四個伺服電機的轉 角，使機器人具有直行、斜行和轉向等多種復雜的運動功能；所述從動輪機構分別安裝在 底盤兩側中間位置和尾部中間位置，用于檢測移動機器人的相對位姿變化，均包括全向輪， 左、右兩側從動輪機構與尾部從動輪機構的全向輪的轉軸相互垂直，每個全向輪的轉軸上 安裝編碼器，通過三個編碼器的測量數據組合，計算機器人的相對運動位姿增量。
[0007] 所述輪轂電機的兩側設有減震器，所述減震器的頂端固定安裝有水平支撐板，所 述支撐板上連接有減速器的輸出法蘭，所述減速器通過支架垂直安裝在機器人底盤的側 面，所述減速器的輸入端還連接有伺服電機，所述伺服電機經過減速器帶動支撐板轉動進 而改變車輪的轉向角；所述四個主動輪機構的伺服電機獨立驅動和轉向，通過協調控制，實 現機器人的靈活運動。
[0008] 所述左、右兩側從動輪機構包括全向輪、增量式光電編碼器以及減震器，所述全向 輪兩側設有減震器，中心軸上設有帶座軸承一和增量式光電編碼器，且中心軸貫穿于帶座 軸承一內圈孔中，和帶座軸承一外圈、增量式光電編碼器的轉軸固定連接；所述減震器的底 端經過帶座軸承一與全向輪連接，所述增量式光電編碼器的外殼經支架固定安裝于減震器 的底端，所述減震器的頂端固定安裝有水平支撐板，所述水平支撐板上固定有立式支撐架， 所述立式支撐架上固定連接有水平轉軸，所述水平轉軸的另一端連接有豎直連接桿的底 端，所述豎直連接桿底端還設有帶座軸承二，所述水平轉軸可以圍繞帶座軸承二的軸線轉 動，所述帶座軸承二的軸承座固定安裝在機器人底盤的側面，所述豎直連接桿的頂端經過 拉伸彈簧與機器人底盤側面相連，所述豎直連接桿上還設有限位擋塊限制全向輪繞水平軸 向前旋轉的極限位置。
[0009] 所述尾部從動輪機構包括括全向輪、增量式光電編碼器以及減震器，所述全向輪 兩側設有減震器，中心軸上設有帶座軸承一和增量式光電編碼器，且中心軸貫穿于帶座軸 承一內圈孔中，和帶座軸承一外圈、增量式光電編碼器的轉軸固定連接；所述減震器的底端 經過帶座軸承一與全向輪連接，所述增量式光電編碼器的外殼經支架固定安裝于減震器的 底端，所述減震器的頂端固定安裝有水平支撐板，所述水平支撐板上固定有兩個立式支撐 架，所述兩個立式支撐架之間固定連接有水平轉軸，所述水平轉軸上方設有兩個帶座軸承 二，所述水平轉軸和兩個帶座軸承二內圈固定連接；所述帶座軸承二上方設有水平支架，所 述帶座軸承二底座安裝在水平支架上，所述水平支架固定安裝于機器人底盤的尾部中間； 所述水平轉軸上還套有扭力彈簧，所述扭力彈簧包括水平端和豎直端，所述水平支架上還 設有豎直擋塊限制扭力彈簧的豎直端。
[0010] 所述從動輪機構上的水平旋轉軸使得當路面上有凸起物體時，全向輪可以繞該旋 轉軸轉動并抬起一定的高度，避免從動輪被物體卡住，對復雜的路面具有自適應性，所述減 震器，確保機器人在不平整的路面上平穩運動。
[0011] 所述全向輪為雙排瑞士輪。
[0012] 所述的四個主動輪機構可以實現的機器人的運動模式主要包括：直行、斜行和轉 向；
[0013] (1)直行時，四個主動輪的轉速相同，轉向角均為零；
[0014] (2)斜行時，四個主動輪的轉速相同，轉向角也相同，但不為零；
[0015] (3)轉向時，模式可以細分為：前輪轉向、后輪轉向、四輪轉向和原地轉向；根據轉 向模式、轉彎半徑和機器人幾