專利名稱：六輪步進式機器人全向移動平臺的制作方法
技術領域：
本發明屬于機器人技術領域，具體涉及一種機器人全向移動平臺。
背景技術：
機器人全向移動是指移動機構能夠不受任何約束地，從當前位置向工作平面上的任何位置和任意方向運動，能夠實現完美的運動性能，比非全向機構系統有著明顯的優勢。例如，全向移動機構因其零回轉半徑的特點，可以在擁擠狹窄的場所內，使機器人本體靈活自如地穿行；可以對自己所處位置進行細微調整，實現精確定位和高精度軌跡跟蹤等。因此，機器人全向移動平臺也是當前機器人研究和制造的熱點問題。
傳統的機器人全向移動采用全向輪，其主要缺點是輥子之間存在間隙，使得輪子在轉動過程中同地面接觸點的高度不斷變化，從而導致機器人車體的震動或打滑，因而增加了運動計算的誤差。同時傳統的全向機器人底盤具有負載力較小的不足。
發明內容
本發明的目的在于提供一種控制簡便、負載力大、安裝使用方便、車體振動小、運動定位精度高的機器人全向移動平臺。本發明提供機器人全向移動平臺，采用六個步進電機作為驅動，故稱其為六輪步進式機器人全向移動平臺。其中涉及機械結構、步進電機的驅動和細分控制以及運動控制方法的設計等。具體說來，機器人全向移動平臺包括頂板、底板，以及均勻布置于頂板和底板之間的六個步進電機；相鄰兩個步進電機之間的軸向夾角為60度，每個步進電機轉軸上連接一組互補全向車輪。本發明兩個軸向夾角為180度的步進電機定為一組，六個步進電機分成三組。傳統兩輪驅動機構的機器人移動平臺是非完整約束系統，向一個方向做直線運動時通常需要事先做旋轉運動以調整姿態。而本發明設計的六輪步進式機器人全向移動平臺不存在非完整約束，它可以向任意方向做直線運動，而不需要事先作旋轉運動，并且在以直線運動到達目標點的過程中，同時可以做自身旋轉運動以調整機器人的姿態，從而達到終態所需的姿態角。通過具體控制，可以實現各種運動，具體介紹如下
運動情況一當6個步進電機沿著各自的轉軸向同一方向(順時針或逆時針)以相同角速度轉動時，六輪步進式機器人全向移動平臺將在原地以自己的中心為軸做自身旋轉運動，可以用來任意調整機器人的姿態角度。運動情況二 當6個步進電機沿著各自的轉軸向同一方向(順時針或逆時針)以不同的角速度轉動時，六輪步進式機器人全向移動平臺做自身旋轉運動，但旋轉速度可能變慢，并且由于和地面摩擦力的不同，有可能不在原地旋轉，旋轉軸也有可能偏離步進式機器人全向移動平臺的中心，但也可以用來任意調整機器人的姿態角度。運動情況三當6個步進電機中只有某幾個步進電機沿著各自的轉軸向同一方向(順時針或逆時針)以相同角速度轉動時，六輪步進式機器人全向移動平臺做自身旋轉運動，但旋轉速度較慢，并且由于和地面摩擦力的不同，有可能不在原地旋轉，旋轉軸也有可能偏離步進式機器人全向移動平臺的中心，但也可以用來任意調整機器人的姿態角度。運動情況四當6個步進電機中只有某幾個步進電機沿著各自的轉軸向同一方向(順時針或逆時針)，另外幾個步進電機沿著各自的轉軸向相反方向(逆時針或順時針)以相同角速度轉動時，六輪步進式機器人全向移動平臺做自身旋轉運動，但旋轉速度較慢，并且由于和地面摩擦力的不同，有可能不在原地旋轉，旋轉軸也有可能偏離步進式機器人全向移動平臺的中心，但也可以用來任意調整機器人的姿態角度。
運動情況五當三組步進電機中的一組，即轉軸呈180度的兩個相對的步進電機，分別沿著各自的轉軸向相反方向(一個為順時針，另一個為逆時針)以相同角速度轉動時，另外兩組4個步進電機不加驅動信號，4組互補全向車輪呈隨動狀態，六輪步進式機器人全向移動平臺做和提供驅動力的那組步進電機軸向方向垂直的直線運動，運動方向和與兩個提供驅動力的步進電機相連的互補全向車輪的線速度方向一致。運動情況六當三組步進電機中的一組，即轉軸呈180度的兩個相對的步進電機，分別沿著各自的轉軸向相反方向(一個為順時針，另一個為逆時針)以不相同角速度轉動時，另外兩組4個步進電機不加驅動信號，4組互補全向車輪呈隨動狀態，六輪步進式機器人全向移動平臺做曲線運動，在每一極短時間內，運動方向和提供驅動力的那組步進電機軸向方向垂直，曲線向著與兩個提供驅動力的步進電機相連的互補全向車輪中線速度小的那組車輪彎曲。運動情況七當三組步進電機中的一組，即轉軸呈180度的兩個相對的步進電機(提供主驅動力)，分別沿著各自的轉軸向相反方向(一個為順時針，另一個為逆時針)以相同角速度轉動時，另外剩下兩組4個步進電機也加驅動信號，并且要求同組兩個相對的步進電機分別沿著各自的轉軸向相反方向(一個為順時針，另一個為逆時針)以相同角速度轉動，同時剩下兩組4個步進電機中轉軸呈60度的兩個相鄰的步進電機分別沿著各自的轉軸向相反方向(一個為順時針，另一個為逆時針)以相同角速度轉動，六輪步進式機器人全向移動平臺做和提供驅動力的那組步進電機軸向方向垂直的直線運動，運動方向和與兩個提供主驅動力的步進電機相連的互補全向車輪的線速度方向一致。運動情況八當三組步進電機中的一組，即轉軸呈180度的兩個相對的步進電機(提供主驅動力)，分別沿著各自的轉軸向相反方向(一個為順時針，另一個為逆時針)以相同角速度轉動時，另外剩下兩組4個步進電機也加驅動信號，并且要求同組兩個相對的步進電機分別沿著各自的轉軸向相同方向(均為順時針或均為逆時針)以相同角速度轉動，同時剩下兩組4個步進電機中轉軸呈60度的兩個相鄰的步進電機分別沿著各自的轉軸向相反方向(一個為順時針，另一個為逆時針)以相同角速度轉動，六輪步進式機器人全向移動平臺做和提供驅動力的那組步進電機軸向方向垂直的直線運動，運動方向和與兩個提供主驅動力的步進電機相連的互補全向車輪的線速度方向一致。運動情況九當6個步進電機中的某幾個步進電機沿著各自的轉軸向某一方向以大小相同或不同的角速度轉動時，六輪步進式機器人全向移動平臺的運動將是旋轉運動和直線運動的合成運動。本發明中，互補全向車輪采用有機玻璃板作為輪框架，并以激光雕刻的方式進行精確加工。每塊輪框架板材外緣開有8個凹槽，用于安放側向輥子。側向輥子的轉軸夾緊在輪框架外緣。另外，適度鏤空輪框以減少車輪重量。側向輥子及其轉軸可外購，在每個側向輥子外套硅膠管，以增大輪子和室內地板之間的摩擦力。車輪中心有圓孔(有一側是平的)，用以與步進電機轉軸連接。該加工制作方案降低加工難度、避開昂貴的開模工藝、同時也保證了車輪加工的精度及必要的強度。本發明中，所述互補全向車輪，是指兩個全向車輪錯開角度并列安裝而形成互補結構，保證輪組在轉動過程中至少有一個側向輥子與地面保持接觸，減少了震動和打滑情況的發生。同時，相比于傳統三輪全向驅動平臺，本發明設計的六輪步進式機器人全向移動平臺能更好的減少機器人運動時的振動，并且大大提高承載能力。考慮在實際應用環境中，地面的不平整或車架的細微形變等因素將導致六個車輪無法同時著地，從而導致車輪空轉的情況出現，對此本發明進行了相應的輔助設計。即在步進電機和機器人全向移動平臺的頂板之間的懸掛裝置上安裝彈簧，使得六組互補全向車輪 處于預緊狀態，這樣可以解決六個輪子不同時著地的問題，同時可為車體減震。本發明中，選取混合式兩相42H4602型步進電機作為六輪步進式機器人全向移動平臺的動力源，基于L298N設計步進電機控制信號放大電路，來驅動步進電機。為了減弱或消除步進電機的低頻振動，并提高其運轉精度，本發明對步進電機進行細分控制。系統由芯片(Cyclone II EP2C8Q208C8N)充當底層運動控制器，利用FPGA芯片的硬件并行特性，采用Verilog HDL描述實現同時產生4路PWM信號，根據不同的細分要求，分別存儲不同的細分參數列表，再按系統要求的電機轉動方向及轉動速度的要求，動態的從循環列表中讀取PWM參數，從而使生成的4路PWM信號，既滿足細分要求，又達到步進電機轉速和轉向控制要求。其中，步進電機轉向、轉速控制信號來自系統上層，FPGA芯片通過改變參數列表讀取方向來實現電機轉向，并用控制PWM參數更新節奏的方式實現轉速控制，用到軟件延時。FPGA芯片給出的四路PWM信號經由驅動模塊進行電流放大后，可直接驅動步進電機的四個抽頭。本發明的全向移動平臺控制簡便，運行平穩，負載力大，安裝使用方便，車體振動小，運動定位精度高，可廣泛應用于各種機器人中。
圖I普通移動平臺力學分析。圖2全向移動平臺力學分析。圖3全向移動平臺運動學分析。圖4全向移動平臺動力學分析。圖5L298N驅動步進電機的原理圖。圖6L298N 驅動的 PCB 圖。圖7細分情況下，步進電機AB相和⑶相上的控制信號。圖8步進電機控制信號生成。圖9互補全向輪框架CAD圖紙。圖10互補全向輪實物圖。圖11六輪步進式機器人全向移動平臺3D視圖。圖12六輪步進式機器人全向移動平臺底盤懸掛系統預緊減震結構3D視圖。
具體實施例方式(I)理論分析
全向移動平臺的力學分析
全向輪的基本結構是在大輪邊緣裝有軸向垂直的側向輥子，這樣每一個全向輪即使是橫向移動時，也始終保持與地面為滾動摩擦。采用全向輪，使得步進式機器人在向任意方向移動時，都可以大大減少移動阻力。下面對此做出力學分析，首先給出兩個前提假設
I.每個輪組是完全一樣的，不考慮由于加工精度導致各輪組之間的細微差異。2.滑動摩擦力要遠遠大于滾動摩擦力，即在下面的力學分析中，主要考慮滑動摩 擦力對于步進式機器人的影響。考慮六輪全向步進式機器人在一組步進電機為驅動，另外兩組步進電機隨動的情況下，做驅動方向的直線運動。假設每臺步進電機提供的驅動力為Fm ,每個輪組受到的滑動摩擦力為/ ,則每個驅動輪組提供的驅動力F滿足
權利要求
1.一種六輪步進式機器人全向移動平臺，其特征在于包括頂板、底板，以及均勻布置于頂板和底板之間的六個步進電機；相鄰兩個步進電機之間的軸向夾角為60度，每個步進電機轉軸上連接一組互補全向車輪；兩個軸向夾角為180度的步進電機定為ー組，六個步進電機分成三組； 所述互補全向車輪采用有機玻璃板作為輪框架，每塊輪框架板材外緣等間距地開有8個凹槽，每個凹槽中均安裝側向輥子，側向輥子的轉軸夾緊在輪框架外緣。
2.根據權利要求I所述的六輪步進式機器人全向移動平臺，其特征在于在所述步進電機和所述頂板之間的懸掛系統上設置有彈簧，使得六組互補全向車輪處于預緊狀態。
3.根據權利要求I所述的六輪步進式機器人全向移動平臺，其特征在于所述步進電機采用混合式兩相42H4602型步進電機。
4.根據權利要求I所述的六輪步進式機器人全向移動平臺，其特征在于基于L298N設計步進電機控制信號放大電路，來驅動步進電機。
5.根據權利要求I所述的六輪步進式機器人全向移動平臺，其特征在于對步進電機進行細分控制；由Cyclone II EP2C8Q208C8N芯片充當底層運動控制器，利用FPGA芯片的硬件并行特性，采用Verilog HDL描述實現同時產生4路PWM信號，根據不同的細分要求，分別存儲不同的細分參數列表，再按系統要求的電機轉動方向及轉動速度的要求，動態的從循環列表中讀取PWM參數，從而使生成的4路PWM信號，既滿足細分要求，又達到步進電機轉速和轉向控制要求；這里所述細分為步進電機步距角的細分。
6.根據權利要求5所述的六輪步進式機器人全向移動平臺，其特征在于進行細分控制吋，細分參數設置遵循下述三個規則 (1)所設置數值使I相、II相的電壓變化存在90°相位差； (2)所設置數據使I相、II相各自電壓按近似正弦規劃變化； (3 )各抽頭電壓分布均勻合理，周期內高低電平對稱。
全文摘要
本發明屬于機器人技術領域，具體涉為一種六輪步進式機器人全向移動平臺。該全向移動平臺包括頂板、底板，以及均勻布置于頂板和底板之間的六個步進電機；相鄰兩個步進電機之間的軸向夾角為60度，每個步進電機轉軸上連接一組互補全向車輪；兩個軸向夾角為180度的步進電機定為一組；在步進電機和頂板之間的懸掛裝置上安裝彈簧，使六個車輪處于預緊狀態；整個系統采用細分控制，以消除步進電機的低頻振動并提高運轉精度，并由FPGA芯片充當底層運動控制器，同時產生4路PWM信號，達到轉速和轉向控制要求。本發明的全向移動平臺控制簡便，運行平穩，負載力大，安裝使用方便，車體振動小，運動定位精度高，可廣泛應用于各種機器人中。
文檔編號G05D1/02GK102658841SQ20121014364
公開日2012年9月12日 申請日期2012年5月10日 優先權日2012年5月10日
發明者余翀, 邱其文 申請人:復旦大學