一種移動(dòng)機(jī)器人用定位裝置制造方法
【專利摘要】本實(shí)用新型公開(kāi)了一種移動(dòng)機(jī)器人用定位裝置，包括支架，支架上設(shè)有至少兩個(gè)全向輪，相鄰兩個(gè)全向輪旋轉(zhuǎn)軸之間的夾角為大于0°同時(shí)小于180°，優(yōu)選兩個(gè)正交的全向輪，每個(gè)全向輪相對(duì)支架可沿豎直方向滑動(dòng)；定位裝置還包括能夠采集每個(gè)全向輪線速度的線速度采集裝置，能夠采集所述支架旋轉(zhuǎn)角度的角速度采集裝置，以及處理系統(tǒng)，線速度采集裝置的數(shù)據(jù)輸出接口、角速度采集裝置的數(shù)據(jù)輸出接口分別與處理系統(tǒng)通訊連接。該定位裝置直接可以固設(shè)在移動(dòng)機(jī)器人底盤上任意位置，其確定的移動(dòng)機(jī)器人位置，并不會(huì)因?yàn)橐苿?dòng)機(jī)器人車輪打滑情況而產(chǎn)生影響，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于控制，定位快速精確；適用于任意形式的移動(dòng)機(jī)器人底盤結(jié)構(gòu)。
【專利說(shuō)明】一種移動(dòng)機(jī)器人用定位裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】 [0001]
[0002] 本實(shí)用新型涉及一種移動(dòng)機(jī)器人定位【技術(shù)領(lǐng)域】，特別涉及一種移動(dòng)機(jī)器人用定位 裝直。

【背景技術(shù)】
[0003] 移動(dòng)機(jī)器人在人類生產(chǎn)、生活中得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，如各類競(jìng)賽機(jī)器人、車間 搬運(yùn)機(jī)器人、清潔機(jī)器人及各種服務(wù)機(jī)器人。移動(dòng)機(jī)器人的定位系統(tǒng)是備受關(guān)注、富有挑戰(zhàn) 性的一個(gè)重要研究課題，所謂定位是要確定機(jī)器人在環(huán)境中的實(shí)時(shí)位姿。根據(jù)移動(dòng)機(jī)器人 的底盤結(jié)構(gòu)主要包括以下移動(dòng)機(jī)器人：履帶式、差動(dòng)輪式、全向輪式。傳統(tǒng)的編碼器定位技 術(shù)是通過(guò)在各種移動(dòng)機(jī)器人的底盤主動(dòng)輪上安裝編碼器，以獲得輪子轉(zhuǎn)動(dòng)的圈數(shù)，進(jìn)而獲 得機(jī)器人相對(duì)于上一采樣時(shí)刻位置和姿態(tài)的改變量，通過(guò)位移量的累積就可估算機(jī)器人的 位置。但這種技術(shù)具有較大的局限性：由于編碼器安裝在主動(dòng)輪上，以測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)速即主動(dòng) 輪的轉(zhuǎn)數(shù)獲得數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)一步求解機(jī)器人所在的位置，但是，當(dāng)遇到崎嶇不平或者傾斜的路 面時(shí)，會(huì)改變機(jī)器人的加速度，因此受到慣性和地面摩擦阻力等因素影響，安裝有編碼器的 機(jī)器人主動(dòng)輪在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中常會(huì)出現(xiàn)打滑或測(cè)滑現(xiàn)象，在主動(dòng)輪未發(fā)生運(yùn)動(dòng)變化下機(jī)器人 位置可能已經(jīng)發(fā)生變化的時(shí)候，所以該編碼器所測(cè)的數(shù)據(jù)會(huì)引起較大的機(jī)器人位置定位誤 差；同時(shí)，輪子越多，在將編碼器主動(dòng)輪上時(shí)也會(huì)因?yàn)槠S誤差，引起較大的定位誤差，嚴(yán)重 影響了移動(dòng)機(jī)器人的定位精度和控制；當(dāng)然，在主動(dòng)輪打滑時(shí)，機(jī)器人的從動(dòng)輪雖然可能不 會(huì)打滑而保持原狀，但是，如果將編碼器安裝在從動(dòng)輪上，一方面考慮從動(dòng)輪的承重問(wèn)題需 要改變從動(dòng)輪與底盤的連接結(jié)構(gòu)，比較麻煩，二是從動(dòng)輪本身也不具備減震功能，在遇到崎 嶇不平的路面時(shí)，從動(dòng)輪也不能很好的適應(yīng)路面的情況而發(fā)生震動(dòng)，也會(huì)產(chǎn)生較大的誤差。 實(shí)用新型內(nèi)容
[0004] 本實(shí)用新型的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中所存在的傳統(tǒng)技術(shù)中將編碼器定位于移 動(dòng)機(jī)器人的主動(dòng)輪或從動(dòng)輪上時(shí)，在遇到崎嶇不平或傾斜路面時(shí)，機(jī)器人在移動(dòng)過(guò)程中發(fā) 生打滑或側(cè)滑，從而引起較大定位誤差的不足，提供一種移動(dòng)機(jī)器人用定位裝置，本實(shí)用新 型還提供了該定位裝置的定位方法。
[0005] 為了實(shí)現(xiàn)上述實(shí)用新型目的，本實(shí)用新型提供了以下技術(shù)方案：
[0006] -種移動(dòng)機(jī)器人用定位裝置，包括支架，所述支架上設(shè)有至少兩個(gè)全向輪，相鄰兩 個(gè)所述全向輪旋轉(zhuǎn)軸之間的夾角為大于〇°同時(shí)小于180°，每個(gè)全向輪相對(duì)所述支架可 沿堅(jiān)直方向滑動(dòng)；所述定位裝置還包括能夠采集每個(gè)所述全向輪線速度的線速度采集裝 置，能夠采集所述支架旋轉(zhuǎn)角度的角速度采集裝置，以及處理系統(tǒng)，所述線速度采集裝置的 數(shù)據(jù)輸出接口、角速度采集裝置的數(shù)據(jù)輸出接口分別與所述處理系統(tǒng)通訊連接。
[0007] 該移動(dòng)機(jī)器人用定位裝置包括至少兩個(gè)全向輪，相鄰兩個(gè)全向輪的夾角大于0° 且小于180°，定位裝置上的線速度采集裝置可以分別測(cè)得每個(gè)全向輪的變量，如線速度和 進(jìn)行軌跡增量，角速度采集裝置能夠采集定位裝置的角速度增量，將原始數(shù)據(jù)傳入處理系 統(tǒng)，處理系統(tǒng)則可以計(jì)算出定位裝置的坐標(biāo)位置，如世界坐標(biāo)系中的橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)，以及 旋轉(zhuǎn)角度；由于該定位裝置不需要設(shè)于移動(dòng)機(jī)器人的主動(dòng)輪或從動(dòng)輪上使用，而是直接可 以固設(shè)在移動(dòng)機(jī)器人底盤上，任意位置，所得到的定位裝置的坐標(biāo)即可相應(yīng)得到整個(gè)移動(dòng) 機(jī)器人的位置，并不會(huì)因?yàn)樵谟龅狡閸绮黄交騼A斜路面時(shí)，主動(dòng)輪打滑或側(cè)移情況而對(duì)移 動(dòng)機(jī)器人定位產(chǎn)生影響，因?yàn)樵摱ㄎ谎b置上的全向輪能夠相對(duì)支架沿堅(jiān)直方向滑動(dòng)，能夠 靈活適應(yīng)路面情況，起到減震作用，響應(yīng)迅速；由于該定位裝置是整體化裝于移動(dòng)機(jī)器人底 盤上，能有效避免裝配后的偏軸誤差對(duì)定位的影響，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于控制，定位快速精確。
[0008] 優(yōu)選地，所述支架上設(shè)有兩個(gè)大小相同、相互垂直的全向輪。
[0009] 該支架上包括兩個(gè)大小相同、相互垂直的全向輪，相互垂直的意思是即兩個(gè)全向 輪的自轉(zhuǎn)軸相對(duì)垂直設(shè)置，每個(gè)全向輪不僅能夠沿進(jìn)行方向的滾動(dòng)，還能沿垂直于每個(gè)全 向輪的行進(jìn)方向滑動(dòng)，所以兩個(gè)全向輪的同時(shí)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)合成運(yùn)動(dòng)可以是沿其他任意方向的 運(yùn)動(dòng)，因此兩個(gè)相互垂直的全向輪已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)任意的方向的滾動(dòng)或滑動(dòng)。
[0010] 優(yōu)選地，所述支架上設(shè)有頂蓋，每個(gè)所述全向輪裝于輪架上，每個(gè)所述輪架與所述 頂蓋之間還設(shè)有伸縮部件，所述伸縮部件包括堅(jiān)直連接在所述頂蓋、所述輪架之間的減震 軸，所述減震軸外套設(shè)有減震彈簧。
[0011] 由于現(xiàn)有移動(dòng)機(jī)器人上的主動(dòng)輪或從動(dòng)輪一般都不具備減震功能，所以在遇到崎 嶇不平的路面時(shí)，移動(dòng)機(jī)器人震動(dòng)較大，影響其穩(wěn)定性；通過(guò)在每個(gè)全向輪的輪架和頂蓋上 設(shè)置伸縮部件，選用常見(jiàn)的減震軸和減震彈簧，在遇到崎嶇不平的路面時(shí)，該定位裝置能夠 根據(jù)路面的情況進(jìn)行伸縮，能始終與路面相接觸，并不會(huì)發(fā)生打滑現(xiàn)象，進(jìn)一步提高了定位 裝置的定位準(zhǔn)確性，同時(shí)也能改進(jìn)移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性。
[0012] 優(yōu)選地，每個(gè)所述輪架上設(shè)有至少一個(gè)沿堅(jiān)直方向的滑塊，所述支架上對(duì)應(yīng)設(shè)有 與所述滑塊適配的滑槽。
[0013] 兩個(gè)全向輪的輪架和支架分別均通過(guò)沿堅(jiān)直方向的滑塊、滑槽配合，使連接在兩 個(gè)輪架和頂蓋之間設(shè)置的伸縮部件，始終保持在同一堅(jiān)直方向伸縮，全向輪也不會(huì)發(fā)生徑 向滑動(dòng)。
[0014] 優(yōu)選地，所述支架包括中間板以及垂直連接在所述中間板端部的側(cè)板一和側(cè)板 二，形成Z字形狀，兩個(gè)所述全向輪分別位于所述中間板兩側(cè)。
[0015] 該側(cè)板一、中間板、側(cè)板二還可以為一體成型體，能夠有效增加支架的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和 裝配的精準(zhǔn)度。
[0016] 優(yōu)選地，所述滑槽包括四個(gè)，其中兩個(gè)滑槽分別設(shè)在所述中間板兩側(cè)，另外兩個(gè)滑 槽分別設(shè)在所述側(cè)板一、側(cè)板二上，每個(gè)所述全向輪的輪架上對(duì)應(yīng)位置設(shè)有兩個(gè)滑塊與對(duì) 應(yīng)所述滑槽適配。
[0017] 每個(gè)輪架通過(guò)兩個(gè)滑塊與支架上的滑槽適配，兩個(gè)滑槽且相互垂直，不僅便于輪 架對(duì)準(zhǔn)支架安裝，還可以進(jìn)一步增加輪架在相對(duì)支架上下滑動(dòng)時(shí)的穩(wěn)定性，不易發(fā)生擺動(dòng)。
[0018] 優(yōu)選地，所述線速度采集裝置為分別設(shè)于每個(gè)所述全向輪輪軸上的增量式編碼 器，所述角速度采集裝置為陀螺儀。
[0019] 每個(gè)全向輪上的增量式編碼器都可以增量式光電編碼器，采集數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，反應(yīng)靈 敏；而角速度采集裝置可以采用MEMS陀螺儀；另外相應(yīng)的處理系統(tǒng)中進(jìn)行數(shù)據(jù)運(yùn)算處理的 處理器平臺(tái)可以采用STM32系列微處理器。
[0020] 優(yōu)選地，所述支架底部還設(shè)有底蓋，所述底蓋相應(yīng)位置設(shè)有能夠穿過(guò)兩個(gè)所述全 向輪的開(kāi)槽，所述支架、頂蓋、底蓋之間還設(shè)有封板，能夠?qū)⑺鋈蜉?、輪架、伸縮部件、線 速度采集裝置封裝。
[0021] 支架上設(shè)有底蓋和封板，其作用是可以遮擋和保護(hù)全向輪，能有效減少地面的雜 質(zhì)或灰塵進(jìn)入全向輪，防止全向輪被雜物纏繞卡死，增強(qiáng)該定位裝置的使用安全，也提高全 向輪的使用壽命。
[0022] 優(yōu)選地，所述處理系統(tǒng)設(shè)于所述頂蓋表面，包括底板、處理器平臺(tái)和上殼，所述上 殼設(shè)有所述處理器平臺(tái)的數(shù)據(jù)傳輸接口。
[0023] 將線速度采集裝置、角速度采集裝置、處理器平臺(tái)封裝成一體化模塊，只需要將模 塊外殼設(shè)置一個(gè)數(shù)據(jù)傳輸接口，便能將定位裝置的位置信息傳輸?shù)揭苿?dòng)機(jī)器人主控裝置 中，操作方便。
[0024] 應(yīng)用該移動(dòng)機(jī)器人用定位裝置時(shí)，其定位方法，包括以下步驟：
[0025] 步驟一、將所述定位裝置固設(shè)于移動(dòng)機(jī)器人底盤下方，調(diào)整所述定位裝置的兩個(gè) 全向輪與移動(dòng)機(jī)器人其他車輪為同一水平面；
[0026] 步驟二、測(cè)量?jī)蓚€(gè)全向輪分別相對(duì)于移動(dòng)機(jī)器人底盤中心的垂直距離；
[0027] 步驟三、移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)，所述線速度采集裝置同時(shí)采集兩個(gè)全向輪的參數(shù)，分別 獲得單位時(shí)間內(nèi)每個(gè)全向輪的線速度增量，所述角速度采集裝置采集所述定位裝置的參 數(shù)，獲得單位時(shí)間內(nèi)所述定位裝置的角速度增量；
[0028] 步驟四、將所述線速度采集裝置和角速度采集裝置所采集的參數(shù)傳輸至所述處理 系統(tǒng)，所述處理系統(tǒng)輸出移動(dòng)機(jī)器人的當(dāng)前位置參數(shù)，包括平面坐標(biāo)和旋轉(zhuǎn)角度。
[0029] 上述移動(dòng)機(jī)器人和定位裝置位于世界坐標(biāo)系XOY和車體坐標(biāo)系IOJ中，所述移動(dòng) 機(jī)器人的位于世界坐標(biāo)系XOY的當(dāng)前位置坐標(biāo)值A(chǔ) _7、〃根據(jù)以下公式獲得：所述移動(dòng)機(jī) 器人的位于世界坐標(biāo)系XOY的當(dāng)前位置坐標(biāo)值〃根據(jù)以下步驟得到：
[0030] 步驟a、在水平面車體坐標(biāo)系IOJ中，其中以車體中心為中心點(diǎn)0、OA方向位于移 動(dòng)機(jī)器人進(jìn)行方向、OJ方向?yàn)橐苿?dòng)機(jī)器人行進(jìn)的垂直方向，通過(guò)所述線速度采集裝置獲得 單位時(shí)間內(nèi)每個(gè)全向輪的線速度匕、K 2，和所述角速度采集裝置獲得的單位時(shí)間內(nèi)所述定位 裝置的相對(duì)地面旋轉(zhuǎn)角度的增量以及結(jié)合兩個(gè)全向輪分別相對(duì)于移動(dòng)機(jī)器人車體中心 的垂直距離A、7 2，得到移動(dòng)機(jī)器人在車體坐標(biāo)系IOJ中沿I方向和J方向的瞬時(shí)速度G K,.如下：

【權(quán)利要求】
1. 一種移動(dòng)機(jī)器人用定位裝置，包括支架（1)，其特征在于，所述支架（1)上設(shè)有至少 兩個(gè)全向輪（2)，相鄰兩個(gè)所述全向輪（2)旋轉(zhuǎn)軸之間的夾角為大于0°同時(shí)小于180°，每 個(gè)全向輪（2)相對(duì)所述支架（1)可沿堅(jiān)直方向滑動(dòng)；所述定位裝置還包括能夠采集每個(gè)所 述全向輪（2)線速度的線速度采集裝置，能夠采集所述支架（1)旋轉(zhuǎn)角度的角速度采集裝 置，以及處理系統(tǒng)（9)，所述線速度采集裝置的數(shù)據(jù)輸出接口、角速度采集裝置的數(shù)據(jù)輸出 接口分別與所述處理系統(tǒng)（9)通訊連接。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種移動(dòng)機(jī)器人用定位裝置，其特征在于，所述支架（1)上設(shè) 有兩個(gè)大小相同、相互垂直的全向輪（2)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述一種移動(dòng)機(jī)器人用定位裝置，其特征在于，所述支架（1)上設(shè)有 頂蓋（5)，每個(gè)所述全向輪（2)裝于輪架（3)上，每個(gè)所述輪架（3)與所述頂蓋（5)之間還 設(shè)有伸縮部件（4)，所述伸縮部件（4)包括堅(jiān)直連接在所述頂蓋（5)、所述輪架（3)之間的 減震軸（41)，所述減震軸（41)外套設(shè)有減震彈簧（42)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述一種移動(dòng)機(jī)器人用定位裝置，其特征在于，每個(gè)所述輪架（3)上 設(shè)有至少一個(gè)沿堅(jiān)直方向的滑塊（32)，所述支架（1)上對(duì)應(yīng)設(shè)有與所述滑塊（32)適配的滑 槽（14)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述一種移動(dòng)機(jī)器人用定位裝置，其特征在于，所述支架（1)包括中 間板（12)以及垂直連接在所述中間板（12)端部的側(cè)板一（11)和側(cè)板二（13)，形成Z字形 狀，兩個(gè)所述全向輪（2)分別位于所述中間板（12)兩側(cè)。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述一種移動(dòng)機(jī)器人用定位裝置，其特征在于，所述滑槽（14)包括 四個(gè)，其中兩個(gè)滑槽（14)分別設(shè)在所述中間板（12)兩側(cè)，另外兩個(gè)滑槽（14)分別設(shè)在所 述側(cè)板一（11)、側(cè)板二（13)上，每個(gè)所述全向輪（2)的輪架（3)上對(duì)應(yīng)位置設(shè)有兩個(gè)滑塊 (32)與對(duì)應(yīng)所述滑槽（14)適配。
7. 根據(jù)權(quán)利要求3-6任一所述一種移動(dòng)機(jī)器人用定位裝置，其特征在于，所述線速度 采集裝置為分別設(shè)于每個(gè)所述全向輪（2)輪軸上的增量式編碼器（8)，所述角速度采集裝 置為陀螺儀（95)。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述一種移動(dòng)機(jī)器人用定位裝置，其特征在于，所述支架（1)底部還 設(shè)有底蓋（6)，所述底蓋（6)相應(yīng)位置設(shè)有能夠穿過(guò)兩個(gè)所述全向輪（2)的開(kāi)槽（62)，所述 支架（1)、頂蓋（5)、底蓋（6)之間還設(shè)有封板（7)，能夠?qū)⑺鋈蜉啠?)、輪架（3)、伸縮部 件（4)、線速度采集裝置封裝。
9. 根據(jù)權(quán)利要求7所述一種移動(dòng)機(jī)器人用定位裝置，其特征在于，所述處理系統(tǒng)（9)設(shè) 于所述頂蓋（5)表面，包括底板（93)、處理器平臺(tái)（92)和上殼（91)，所述上殼（91)設(shè)有所 述處理器平臺(tái)（92)的數(shù)據(jù)傳輸接口（96)。
【文檔編號(hào)】G01C21/10GK204043675SQ201420431234
【公開(kāi)日】2014年12月24日 申請(qǐng)日期:2014年7月31日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月31日
【發(fā)明者】駱德淵, 彭倍, 劉靜 申請(qǐng)人:四川阿泰因機(jī)器人智能裝備有限公司