專利名稱：一種具有主動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置的萬向腳輪的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及萬向輪，特別是機(jī)器人用具有電子控制裝置以及驅(qū)動(dòng)裝置的主動(dòng)式萬向腳輪。
背景技術(shù)：
在各種需要移動(dòng)設(shè)備的地方，如倉庫中的貨物搬運(yùn)機(jī)器人、足球比賽機(jī)器人等，輪式移動(dòng)機(jī)器人得到了廣泛的應(yīng)用。作為輪式移動(dòng)機(jī)器人的基礎(chǔ)運(yùn)動(dòng)部件，運(yùn)動(dòng)輪的形式?jīng)Q定了輪式移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)特性及運(yùn)動(dòng)軌跡。在現(xiàn)有輪式移動(dòng)機(jī)器人使用的運(yùn)動(dòng)部件中，從機(jī)構(gòu)的簡單性及驅(qū)動(dòng)實(shí)施的方便性考慮，定向腳輪得到了最為廣泛的應(yīng)用。但是，由于定向腳輪相對于運(yùn)動(dòng)平面只有兩個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度，因此，采用定向腳輪的移動(dòng)機(jī)器人相對于運(yùn)動(dòng)平面也只有兩個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度。其運(yùn)動(dòng)軌跡在一般情況下為曲線，導(dǎo)致移動(dòng)機(jī)器人所需的運(yùn)動(dòng)空間較大。這一缺點(diǎn)使其在一些空間較為狹窄的地方的應(yīng)用受到一定的限制。
為實(shí)現(xiàn)移動(dòng)機(jī)器人的在其運(yùn)動(dòng)平面上的三自由度運(yùn)行，必須使每個(gè)運(yùn)動(dòng)輪具有三個(gè)自由度，從而使移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軌跡在所有情況下均為直線，實(shí)現(xiàn)節(jié)省運(yùn)動(dòng)空間的目標(biāo)。目前，常用的具有三自由度的運(yùn)動(dòng)輪有三種形式球輪、萬向輪和萬向腳輪。但是，球輪、萬向輪的主動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)較為困難；并且，帶有主動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置的球輪和萬向輪的維護(hù)工作量很大。而萬向腳輪的結(jié)構(gòu)簡單，易于實(shí)現(xiàn)。但是，為實(shí)現(xiàn)移動(dòng)機(jī)器人的三自由度運(yùn)動(dòng)，需要對傳統(tǒng)的被動(dòng)運(yùn)動(dòng)式的萬向輪進(jìn)行改進(jìn)，才能滿足應(yīng)用需求。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型的目的是提供一種具有主動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置的萬向腳輪，在保持傳統(tǒng)萬向輪具有三個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度的特征的基礎(chǔ)上，能對車輪的轉(zhuǎn)動(dòng)速度以及轉(zhuǎn)向角度進(jìn)行控制，以實(shí)現(xiàn)對三個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度的控制。本新型的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的一種具有主動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置的萬向腳輪，包括車輪固定在輪軸上，支撐臂固定在轉(zhuǎn)向軸上，所述支撐臂上安裝有電機(jī)，電機(jī)軸與所述輪軸連接；還具有驅(qū)動(dòng)控制裝置角度傳感器經(jīng)由數(shù)字信號接口與電子控制單元的CPU連接，CPU與脈沖寬度調(diào)節(jié)器連接，脈沖寬度調(diào)節(jié)的信號輸出端連接在電機(jī)供電電源回路中，轉(zhuǎn)速傳感器與(PU連接，電機(jī)的控制信號線、轉(zhuǎn)速傳感器的信號線以及電機(jī)供電電源線均連接到集流環(huán)；上述轉(zhuǎn)速傳感器安裝在車輪上或水平設(shè)置的輪軸上，集流環(huán)和角度傳感器均安裝在呈豎向設(shè)置的轉(zhuǎn)向軸上，且角度傳感器位于集流環(huán)下方。上述角度傳感器采用絕對編碼器，轉(zhuǎn)速傳感器采用增量編碼器。上述電機(jī)為無刷直流電機(jī)。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型的有益效果是為滿足萬向輪式移動(dòng)機(jī)器人的應(yīng)用需要，針對傳統(tǒng)萬向腳輪不能進(jìn)行轉(zhuǎn)速及運(yùn)動(dòng)方向檢測及控制的缺點(diǎn)，本實(shí)用新型采用機(jī)電一體化技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種具有主動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置的萬向腳輪。此種新設(shè)計(jì)的萬向腳輪既保持了傳統(tǒng)萬向腳輪具有三個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度的特征，又能對腳輪的轉(zhuǎn)動(dòng)速度及腳輪的轉(zhuǎn)向角進(jìn)行檢測和控制，從而實(shí)現(xiàn)對腳輪三個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度的控制，滿足實(shí)際應(yīng)用的需要。為驗(yàn)證本實(shí)用新型的效果，進(jìn)行了安裝有三個(gè)具有主動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置的萬向腳輪的輪式移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析。結(jié)果顯示安裝了本實(shí)用新型所設(shè)計(jì)的具有主動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置的萬向腳輪輪式移動(dòng)機(jī)器人，能夠在運(yùn)動(dòng)平面上實(shí)現(xiàn)三個(gè)自由度的運(yùn)行，并且機(jī)器人的運(yùn)行軌跡為直線，克服了只具有兩個(gè)自由度的輪式移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)行軌跡一般情況下為曲線，需要較大運(yùn)行空間的缺點(diǎn)。同時(shí)，仿真結(jié)果也表明了兩種不同的運(yùn)行模式，即推動(dòng)或拉動(dòng)模式，均能使輪式移動(dòng)機(jī)器人產(chǎn)生相同的運(yùn)行結(jié)果，可根據(jù)實(shí)際應(yīng)用情況選用不同的模式。

圖I是傳統(tǒng)萬向腳輪的結(jié)構(gòu)圖。 圖2、圖2-1分別是本新型的主視圖和左視圖。圖3是本新型驅(qū)動(dòng)控制裝置的硬件結(jié)構(gòu)框圖。圖4是輪式移動(dòng)機(jī)器人在推動(dòng)運(yùn)行模式下的運(yùn)動(dòng)軌跡(vx = O. lm/s, vy = Om/s,ω = Orad/s)。圖5是輪式移動(dòng)機(jī)器人在推動(dòng)運(yùn)行模式下的運(yùn)動(dòng)軌跡(vx = Vy = O. 05m/s, ω =O. 2rad/s)。圖6是輪式移動(dòng)機(jī)器人在拉動(dòng)運(yùn)行模式下的運(yùn)動(dòng)軌跡(vx = O. lm/s, vy = Om/s,ω = Orad/s)。
具體實(shí)施方式
從圖I可見傳統(tǒng)萬向腳輪具有三個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度①它可以繞輪軸(A)旋轉(zhuǎn)；②它可以繞腳輪與運(yùn)動(dòng)平面的接觸點(diǎn)(C)垂直于運(yùn)動(dòng)平面旋轉(zhuǎn)；③它可以繞轉(zhuǎn)向軸與機(jī)器人運(yùn)動(dòng)平臺的接觸點(diǎn)(S)，平行于運(yùn)動(dòng)平面旋轉(zhuǎn)。由于傳統(tǒng)萬向腳輪具有上述三個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度，因此，在輪式移動(dòng)機(jī)器人上得到了廣泛地應(yīng)用。但是，由于傳統(tǒng)萬向腳輪的轉(zhuǎn)動(dòng)速度和轉(zhuǎn)向角均是不可控的，因此，在輪式移動(dòng)機(jī)器人上，傳統(tǒng)萬向腳輪僅僅是作為被動(dòng)輪使用，不具備轉(zhuǎn)動(dòng)速度和轉(zhuǎn)向角的可控性和可檢測性。為解決傳統(tǒng)萬向腳輪不具備轉(zhuǎn)動(dòng)速度和轉(zhuǎn)向角的可控性和可檢測性的問題，本專利在分析萬向腳輪運(yùn)動(dòng)學(xué)方程的基礎(chǔ)上，根據(jù)萬向腳輪運(yùn)動(dòng)學(xué)原理，提出一種機(jī)電一體化的解決方案，設(shè)計(jì)了具有主動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置的萬向腳輪，實(shí)現(xiàn)對萬向腳輪的轉(zhuǎn)動(dòng)速度和轉(zhuǎn)向角的檢測及控制。本實(shí)用新型所設(shè)計(jì)的具有主動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置的萬向腳輪如圖2、圖2-1所示。由(運(yùn)動(dòng))車輪、(驅(qū)動(dòng))電機(jī)、轉(zhuǎn)速傳感器、角度傳感器(即轉(zhuǎn)向角傳感器)、集流環(huán)、支撐臂等零部件構(gòu)成。一種具有主動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置的萬向腳輪，車輪7固定在輪軸6上，支撐臂3固定在轉(zhuǎn)向軸8上，支撐臂3上安裝有電機(jī)4，電機(jī)4軸與所述輪軸6連接；還具有驅(qū)動(dòng)控制裝置角度傳感器2經(jīng)由數(shù)字信號接口與電子控制單元的CPU連接，CPU與脈沖寬度調(diào)節(jié)器連接，脈沖寬度調(diào)節(jié)的信號輸出端連接在電機(jī)供電電源回路中，轉(zhuǎn)速傳感器5與CPU連接，電機(jī)4的控制信號線、轉(zhuǎn)速傳感器5的信號線以及電機(jī)供電電源線均連接到集流環(huán)I ;上述轉(zhuǎn)速傳感器5安裝在車輪7上或水平設(shè)置的輪軸6上，集流環(huán)I和角度傳感器2均安裝在呈豎向設(shè)置的轉(zhuǎn)向軸8上，且角度傳感器2位于集流環(huán)下方。從輪式移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析可知只有當(dāng)每一個(gè)連接到機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)輪都具有三個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度時(shí)，一臺輪式移動(dòng)機(jī)器人才具有在運(yùn)動(dòng)平面上的三個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度。如果一臺輪式移動(dòng)機(jī)器人使用三個(gè)萬向腳輪，則可以通過控制三個(gè)萬向腳輪的轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)對移動(dòng)機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)平面上三個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度的完備控制。根據(jù)輪式移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)分析可知機(jī)器人的運(yùn)行速度除與各運(yùn)動(dòng)輪的轉(zhuǎn)動(dòng)速度有關(guān)外 ，還與各運(yùn)動(dòng)輪在移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)平臺上的安裝位置以及各運(yùn)動(dòng)輪的轉(zhuǎn)向角有關(guān)。因此，作為具有主動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置的萬向腳輪需要具有對腳輪的轉(zhuǎn)動(dòng)速度進(jìn)行監(jiān)測及控制的功能，以及對腳輪的轉(zhuǎn)向角進(jìn)行檢測的功能。基于上述分析，本實(shí)用新型所設(shè)計(jì)的具有主動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置的萬向腳輪采用電機(jī)作為腳輪轉(zhuǎn)動(dòng)速度的驅(qū)動(dòng)裝置，以轉(zhuǎn)速傳感器作為腳輪轉(zhuǎn)動(dòng)速度的檢測裝置，以角度傳感器作為腳輪轉(zhuǎn)向角的檢測裝置。同時(shí)，考慮到腳輪與機(jī)器人的移動(dòng)平臺間存在相對運(yùn)動(dòng)，因此，采用集流環(huán)實(shí)現(xiàn)從機(jī)器人移動(dòng)平臺(固定位置)到腳輪轉(zhuǎn)向軸(旋轉(zhuǎn)位置)傳送控制及檢測數(shù)據(jù)的功能。具有主動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置的萬向腳輪控制系統(tǒng)框圖如圖3所示。在此控制系統(tǒng)中，角度傳感器檢測運(yùn)動(dòng)輪的轉(zhuǎn)向角，所檢測的信號通過電子控制單元的數(shù)字信號接口進(jìn)入CPU ；電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)車輪的輪軸，而轉(zhuǎn)速傳感器則將車輪的轉(zhuǎn)動(dòng)速度經(jīng)由頻率信號接口實(shí)時(shí)反饋給電子控制單元；電子控制單元的CPU根據(jù)機(jī)器人的運(yùn)行狀態(tài)、車輪的轉(zhuǎn)向角以及車輪當(dāng)前的轉(zhuǎn)速，產(chǎn)生控制直流電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的控制信號，通過脈沖寬度調(diào)節(jié)(PWM)裝置單元(或電路)實(shí)施對電機(jī)的控制。由于車輪與機(jī)器人平臺間存在相對運(yùn)動(dòng)，因此，采用集流環(huán)作為控制及檢測數(shù)據(jù)傳送的中間環(huán)節(jié)。由于采用了機(jī)電一體化技術(shù)，本新型所設(shè)計(jì)的具有主動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置的萬向腳輪在實(shí)際應(yīng)用過程中，可以對運(yùn)行模式進(jìn)行主動(dòng)控制。通過對采用腳輪的移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析可知，在滿足移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)行的條件下，腳輪的轉(zhuǎn)向角可以有兩種不同的取值。其中一種取值，使各腳輪處于移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)行方向的后方，可使移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)行狀態(tài)處于被“推動(dòng)”的模式；而另一種取值，使各腳輪處于移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)行方向的前方，可使移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)行狀態(tài)處于被“拉動(dòng)”的模式。圖4、5、6分別展示了不同運(yùn)行模式下，移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軌跡以及各運(yùn)動(dòng)輪的運(yùn)行軌跡，圖4表示當(dāng)機(jī)器人在X方向上的運(yùn)行速度為O. lm/s，而Y方向上及旋轉(zhuǎn)速度為O時(shí)，機(jī)器人處于推動(dòng)運(yùn)行模式時(shí)的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析結(jié)果；圖5表示當(dāng)機(jī)器人在X和Y方向上的運(yùn)行速度為O. 05m/s，旋轉(zhuǎn)速度為O. 2rad/s時(shí)，機(jī)器人處于推動(dòng)運(yùn)行模式時(shí)的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析結(jié)果；圖6表示當(dāng)機(jī)器人在X方向上的運(yùn)行速度為O. lm/s,而Y方向上及旋轉(zhuǎn)速度為O時(shí)，機(jī)器人處于拉動(dòng)運(yùn)行模式時(shí)的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析結(jié)果。上述這些分析結(jié)果，都表明了本實(shí)用新型的有效性。實(shí)施例I、電機(jī)采用無刷直流電機(jī)用于腳輪的旋轉(zhuǎn)速度驅(qū)動(dòng)；[0031]2、轉(zhuǎn)速傳感器采用增量編碼器用于測量腳輪的旋轉(zhuǎn)速度；3、角度傳感器采用絕對編碼器用于測量腳輪的轉(zhuǎn)向角；4、集流環(huán)用于無刷直流電機(jī)、增量編碼器與控制卡間的信號傳輸。所設(shè)計(jì)的萬向腳輪分為兩層。上層用于固定于機(jī)器人移動(dòng)平臺和安裝集流環(huán)；下層連接到腳輪的支架。無刷直流電機(jī)和增量編碼器安裝于腳輪的轉(zhuǎn)動(dòng)軸上，實(shí)現(xiàn)對腳輪運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)和腳輪轉(zhuǎn)速的測量。無刷直流電機(jī)的控制信號線、增量編碼器的信號線以及供電電源線連接到集流環(huán)，通過集流環(huán)的傳遞，把上述信號線及電源線轉(zhuǎn)接到機(jī)器人移動(dòng)平臺上。絕對編碼器安裝于集流環(huán)的下方，與腳輪的轉(zhuǎn)向軸同心。
直流電機(jī)的控制采用脈沖寬度調(diào)節(jié)器實(shí)現(xiàn)，具體的控制算法可采用增量式的數(shù)字PID控制算法。
權(quán)利要求1.一種具有主動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置的萬向腳輪，包括，車輪(7)固定在輪軸(6)上，支撐臂(3)固定在轉(zhuǎn)向軸⑶上，其特征是，所述支撐臂⑶上安裝有電機(jī)(4)，電機(jī)(4)軸與所述輪軸(6)連接；還具有驅(qū)動(dòng)控制裝置角度傳感器(2)經(jīng)由數(shù)字信號接口與電子控制單元的CPU連接，CPU與脈沖寬度調(diào)節(jié)器連接，脈沖寬度調(diào)節(jié)的信號輸出端連接在電機(jī)供電電源回路中，轉(zhuǎn)速傳感器(5)與CPU連接，電機(jī)(4)的控制信號線、轉(zhuǎn)速傳感器(5)的信號線以及電機(jī)供電電源線均連接到集流環(huán)(I);上述轉(zhuǎn)速傳感器(5)安裝在車輪(7)上或水平設(shè)置的輪軸(6)上，集流環(huán)(I)和角度傳感器(2)均安裝在呈豎向設(shè)置的轉(zhuǎn)向軸(8)上，且角度傳感器(2)位于集流環(huán)下方。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種具有主動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置的萬向腳輪，其特征是，所述角度傳感器(2)采用絕對編碼器，轉(zhuǎn)速傳感器(5)采用增量編碼器。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的一種具有主動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置的萬向腳輪，其特征是，所述電機(jī)(4)為無刷直流電機(jī)。
專利摘要一種具有主動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置的萬向腳輪，車輪固定在輪軸上，支撐臂固定在轉(zhuǎn)向軸上，支撐臂上電機(jī)的軸與輪軸連接；驅(qū)動(dòng)控制裝置角度傳感器與電子控制單元的CPU連接，CPU與脈沖寬度調(diào)節(jié)器連接，脈沖寬度調(diào)節(jié)的信號輸出端連接在電機(jī)供電電源回路中，轉(zhuǎn)速傳感器與CPU連接，電機(jī)的控制信號線、轉(zhuǎn)速傳感器的信號線以及電機(jī)供電電源線均連接到集流環(huán)；轉(zhuǎn)速傳感器安裝在車輪上或水平設(shè)置的輪軸上，集流環(huán)和角度傳感器一上一下地安裝在呈豎向設(shè)置的轉(zhuǎn)向軸上。安裝本萬向腳輪的機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)平面上能實(shí)現(xiàn)三個(gè)自由度的運(yùn)行，且運(yùn)行軌跡為直線，節(jié)省了運(yùn)動(dòng)空間。本實(shí)用新型具有結(jié)構(gòu)簡單、易于實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn)。
文檔編號B60B33/00GK202463466SQ20122006984
公開日2012年10月3日 申請日期2012年2月29日 優(yōu)先權(quán)日2012年2月29日
發(fā)明者張少朋, 彭憶強(qiáng), 楊燕紅, 陳飛 申請人:西華大學(xué)