CN106584418A

CN106584418A - 全向机器人及其控制方法

Info

Publication number: CN106584418A
Application number: CN201611196724.3A
Authority: CN
Inventors: 杨新; 魏雷
Original assignee: Wuhan Huineng Robot Technology Co Ltd
Current assignee: Wuhan Huineng Robot Technology Co Ltd
Priority date: 2016-12-21
Filing date: 2016-12-21
Publication date: 2017-04-26
Anticipated expiration: 2036-12-21
Also published as: CN106584418B

Abstract

本发明公开一种全向机器人及其控制方法，涉及机器人技术领域，以解决现有的机器人无法适应两边具有高度差的地形结构的技术问题。本发明所述的全向机器人，包括：架体，该架体的两端设有两组行走机构，一组行走机构高于另一组行走机构设置，且两组行走机构的高度差与两边具有高度差的地形结构的高度一致；具体地，行走机构为麦克纳姆轮组。

Description

全向机器人及其控制方法

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，特别涉及一种全向机器人及其控制方法。

背景技术

机器人的实际应用中，有时会遇到两边具有高度差的地形结构的应用场景，例如电解铝炉壁的应用场景，下面以电解铝炉壁作为两边具有高度差的地形结构一个实际应用场景为例进行详细说明。

我国是电解铝的生产大国，2015年原铝产量达3167万吨，占世界原铝总产量的55.7％。其中铝电解企业的电力成本占总成本的40％左右，而此项指标国外仅为25％。影响电力成本的关键因素之一即为电解槽阴极与导电母线之间的焊接电阻。

具体地，阴极和导电母线通过***焊块连接，其间的连接电阻每减小1毫欧，就可降低每吨电解铝成本达100元以上。现今铝电解生产企业多采用人工运送方式，不仅工作量极大、运送效率低，而且现场劳动环境恶劣。

因此，申请人发现，本领域亟需提供一种能够适应不同地形的机器人代替人工运送笨重物资。

发明内容

本发明的目的在于提供一种全向机器人及其控制方法，以解决现有的机器人无法适应不同地形(例如：两边具有高度差的地形结构)的技术问题。

本发明提供一种全向机器人，包括：架体，所述架体的两端设有两组行走机构，一组所述行走机构高于另一组所述行走机构设置，且两组所述行走机构的高度差与两边具有高度差的地形结构的高度一致；所述行走机构为麦克纳姆轮组。

其中，所述麦克纳姆轮组包括两个麦克纳姆轮；四个所述麦克纳姆轮与所述两边具有高度差的地形结构垂直设置。

具体地，所述麦克纳姆轮组包括两个麦克纳姆轮；四个所述麦克纳姆轮与所述两边具有高度差的地形结构平行设置。

进一步地，每个所述麦克纳姆轮均连接有减速器及驱动电机。

实际应用时，所述架体上设置有容纳物资的盒体。

其中，所述架体包括多个依次间隔并列设置的支撑梁，每个所述支撑梁包括垂直连接的横梁和纵梁；所述横梁的一端设置有一组所述行走机构，所述横梁的另一端与所述纵梁的一端连接，所述纵梁的另一端设置有另一组所述行走机构；所述盒体设置在所述横梁上。

具体地，所述全向机器人还包括：加固梁，所述加固梁的一端与所述横梁连接、另一端与所述纵梁连接。

进一步地，较高的一组所述行走机构处设置有一对距离传感器。

更进一步地，两个所述距离传感器分别位于所述架体的轴线两侧对称设置。

再进一步地，所述距离传感器临近所述麦克纳姆轮设置。

相对于现有技术，本发明所述的全向机器人具有以下优势：

本发明提供的全向机器人中，包括：架体，该架体的两端设有两组行走机构，一组行走机构高于另一组行走机构设置，且两组行走机构的高度差与两边具有高度差的地形结构的高度一致；具体地，行走机构为麦克纳姆轮组。由此分析可知，本发明提供的全向机器人中，由于架体的两端分别设有两组高度不同的由麦克纳姆轮组构成的行走机构，且两组行走机构的高度差与两边具有高度差的地形结构(例如：电解铝炉壁)的高度一致，因此本发明提供的全向机器人能够适应不同地形并在两边具有高度差的地形结构(例如：电解铝炉壁)上行走以代替人工运送笨重物资，从而解决现有的机器人无法适应不同地形结构(例如：两边具有高度差的地形结构)的技术问题。

本发明还提供一种全向机器人的控制方法，包括如下步骤：在两个距离传感器的连线中点建立第一坐标系；在两边具有高度差的地形结构台面的台阶上建立第二坐标系；确定所述第一坐标系相对于所述第二坐标系的位置及夹角；确定所述全向机器人的中心在所述第一坐标系中的坐标；确定所述全向机器人的中心在所述第二坐标系中的坐标；计算出所述全向机器人的线速度及角速度。

所述全向机器人的控制方法与上述全向机器人相对于现有技术所具有的优势相同，在此不再赘述。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种全向机器人的立体结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种全向机器人的主视结构示意图；

图3为本发明实施例提供的另一种全向机器人的立体结构示意图；

图4为本发明实施例提供的另一种全向机器人的主视结构示意图；

图5为本发明实施例提供的全向机器人的控制方法的流程示意图；

图6为本发明实施例提供的全向机器人的控制方法的坐标系设定图；

图7为本发明实施例提供的全向机器人中麦克纳姆轮的运动学分析图。

图中：1－架体；2－行走机构；3－两边具有高度差的地形结构(电解铝炉壁)；21－麦克纳姆轮；4－减速器；5－驱动电机；6－盒体；11－支撑梁；111－横梁；112－纵梁；113－加固梁。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电气连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此处需要强调说明的是，本发明实施例提供的全向机器人及其控制方法可以应用于任何两边具有高度差的地形结构中，下面仅是为了便于说明，以全向机器人及其控制方法应用于铝电解炉中的应用为例，并以电解铝炉壁作为两边具有高度差的地形结构，对本发明实施例提供的全向机器人及其控制方法进行详细说明。

图1为本发明实施例提供的一种全向机器人的立体结构示意图；图2为本发明实施例提供的一种全向机器人的主视结构示意图；图3为本发明实施例提供的另一种全向机器人的立体结构示意图；图4为本发明实施例提供的另一种全向机器人的主视结构示意图。

如图1－图4所示，本发明实施例提供一种全向机器人，包括：架体1，架体1的两端设有两组行走机构2，一组行走机构2高于另一组行走机构2设置，且两组行走机构2的高度差与两边具有高度差的地形结构(电解铝炉壁)3的高度一致；行走机构2为麦克纳姆轮组。

相对于现有技术，本发明实施例所述的全向机器人具有以下优势：

本发明实施例提供的全向机器人中，如图1－图4所示，包括：架体1，该架体1的两端设有两组行走机构2，一组行走机构2高于另一组行走机构2设置，且两组行走机构2的高度差与两边具有高度差的地形结构(电解铝炉壁)3的高度一致；具体地，行走机构2为麦克纳姆轮组。由此分析可知，本发明实施例提供的全向机器人中，由于架体1的两端分别设有两组高度不同的由麦克纳姆轮组构成的行走机构2，且两组行走机构2的高度差与两边具有高度差的地形结构(电解铝炉壁)3的高度一致，因此本发明实施例提供的全向机器人能够适应不同地形并在两边具有高度差的地形结构(电解铝炉壁)3上行走以代替人工运送笨重物资，从而解决现有的机器人无法适应不同地形结构(例如：两边具有高度差的地形结构)的技术问题。

其中，如图1和图2所示，本发明实施例提供的全向机器人中，上述每个麦克纳姆轮组可以包括两个麦克纳姆轮21；实际装配时，四个麦克纳姆轮21可以与两边具有高度差的地形结构(电解铝炉壁)3垂直设置，也即行走机构2的麦克纳姆轮21与全向机器人的行走方向垂直布置。并且，为了保证麦克纳姆轮21的动力来源及工作时的稳定性，上述每个麦克纳姆轮21均可以依次连接有减速器4及驱动电机5；其中，驱动电机5为麦克纳姆轮21提供动力，减速器4保证驱动电机5的输出轴与麦克纳姆轮21的输入轴在转速上的更好地匹配。

此第一种设置，便于安装驱动电机5和减速器4，全向机器人沿Y轴方向行驶，达到设定位置后可沿X轴方向移动，绕Z轴方向旋转调整姿势；由于麦克纳姆轮21沿X轴方向行驶效率高，且更加平稳，因此上述设置在调整姿态时更有优势。

其中，如图3和图4所示，本发明实施例提供的全向机器人中，上述每个麦克纳姆轮组可以包括两个麦克纳姆轮21；实际装配时，四个麦克纳姆轮21可以与两边具有高度差的地形结构(电解铝炉壁)3平行设置，也即行走机构2的麦克纳姆轮21与全向机器人的行走方向同向布置。并且，为了保证麦克纳姆轮21的动力来源及工作时的稳定性，上述每个麦克纳姆轮21均可以依次连接有减速器4及驱动电机5；其中，驱动电机5为麦克纳姆轮21提供动力，减速器4保证驱动电机5的输出轴与麦克纳姆轮21的输入轴在转速上的更好地匹配。

此第二种设置，驱动电机5和减速器4需要相对上述第一种设置旋转90度安装，全向机器人沿X轴方向行驶，达到设定位置后可沿Y轴方向移动，绕Z轴方向旋转调整姿势；此种设置在需要长距离移动时行走的更加稳定，同时具有一定的越障能力。

此处需要补充说明的是，上述Y轴方向为与两边具有高度差的地形结构(电解铝炉壁)3垂直的方向，X轴方向为与两边具有高度差的地形结构(电解铝炉壁)3平行的方向、且与Y轴方向共面，Z轴方向为同时垂直X轴方向和Y轴方向的方向。

实际应用时，为了保证全向机器人用于实现物资的运送，本发明实施例提供的全向机器人中，如图1－图4所示，上述架体1上可以设置有容纳物资的盒体6，从而物资可以放置在盒体6内，并由全向机器人实现运送。

其中，为了保证架体1的稳固性，如图1－图4所示，上述架体1可以包括多个依次间隔并列设置的支撑梁11，每个支撑梁11可以包括相互垂直连接的横梁111和纵梁112；具体装配时，横梁111的一端可以设置有一组行走机构2，横梁111的另一端可以与纵梁112的一端连接，纵梁112的另一端可以设置有另一组行走机构2；并且，盒体6可以设置在上述横梁111上，从而较好地防止物资掉落。

架体1由多个支撑梁11构成，既能够保证行走机器人的整体稳固性，又能够节约材料成本，并降低整体重量；每个支撑梁11由横梁111和纵梁112构成，能够有利于设置两组高度不同的由麦克纳姆轮组构成的行走机构2。

具体地，为了进一步提高架体1及全向机器人的稳固性，如图1－图4所示，本发明实施例提供的全向机器人还可以包括：加固梁113，该加固梁113的一端可以与横梁111连接、另一端可以与纵梁112连接，从而通过加固梁113在横梁111及纵梁112之间起到良好地支撑作用，进而再次有效提高架体1及全向机器人的稳固性。

进一步地，为了便于对全向机器人的行走控制，本发明实施例提供的全向机器人中，较高的一组行走机构2处可以设置有一对距离传感器(图中未示出)，从而通过该距离传感器的检测，保证全向机器人能够沿着两边具有高度差的地形结构(电解铝炉壁)3行走而不会掉下台阶，并及时对全向机器人的运行轨迹和姿态进行矫正。

更进一步地，为了有效提高距离传感器的检测精度，两个距离传感器可以分别位于上述架体1的轴线两侧对称设置；并且，距离传感器优选为临近麦克纳姆轮21设置，从而更准确地检测到麦克纳姆轮21的实时位置。

图5为本发明实施例提供的全向机器人的控制方法的流程示意图；图6为本发明实施例提供的全向机器人的控制方法的坐标系设定图。

本发明实施例还提供一种全向机器人的控制方法，如图5结合图6所示，包括如下步骤：

步骤S1、在两个距离传感器的连线中点建立第一坐标系。具体地，在A、B两个位置安装距离传感器，实时测量A、B两点相对于台阶的距离并调整运动姿态，使全向机器人与台阶保持固定的距离，假设A、B两处的距离传感器测得的距离为L1和L2，且需要全向机器人的中心与台阶之间的距离为H，则在A、B连线中点建立第一坐标系O’，A、B距离原点O’的距离为S0。

步骤S2、在两边具有高度差的地形结构(电解铝槽钢结构)台面的台阶上建立第二坐标系。具体地，第二坐标系O。

步骤S3、确定第一坐标系相对于第二坐标系的位置及夹角。具体地，第一坐标系O’相对于第二坐标系O的位置坐标为：[x，(L1+L2)/2，θ]，其中x为全向机器人移动的距离；第一坐标系O’相对于第二坐标系O的夹角为：

步骤S4、确定全向机器人的中心在第一坐标系中的坐标；确定全向机器人的中心在第二坐标系中的坐标；计算出全向机器人的线速度及角速度。具体地，全向机器人的中心P在第一坐标系O’中的坐标为：[0，－L，1]；全向机器人的中心P在第二坐标系O中的坐标为：则全向机器人的中心P离两边具有高度差的地形结构(电解铝炉壁)3的距离为：y_p＝-Lcosθ+(L1+L2)/2；为了使全向机器人保持与两边具有高度差的地形结构(电解铝炉壁)3的距离为H，需要调整的角度为－θ，距离为L-H-(L1+L2)/2，假设调整时间设定为t，则全向机器人的线速度为：v_y＝[L-H-(L1+L2)/2]/t，角速度为：

此处需要补充说明的是，麦克纳姆轮21是一种全方位移动车轮，该轮的特点是在传统车轮的基础上，在轮缘上再沿与轴线成α角方向安装若干可以自由旋转的小辊子，这样在车轮滚动时，小辊子就会产生侧向运动。通过麦克纳姆轮21的组合使用和各车轮转动方向和速度的协调控制，可以使车体得到运动平面内的任意方向移动和转动。

以全向机器人的中心为原点在架体1上建立坐标系，前进方向为x轴，向右行驶为y轴，假设车身长度为2L，宽度为2S，麦克纳姆轮21的轮毂轴线和辊子轴线夹角为α，四轮的速度为Vi(i＝1，2，3，4)，其中：V_i＝R_w×w_i；Rw为小车轮的半径，wi为车轮的角速度。

根据对具有麦克纳姆轮21的全向机器人的运动学分析结果，若要求全向机器人在坐标系中的速度V以及角速度w，将V分解到x、y轴上得到Vx，Vy，则四个车轮的速度Vi(i＝1，2，3，4)可由下面公式计算得到：

V₁＝V_x+V_ytanα-w(Ltanα+S)；

V₂＝V_x-V_ytanα+w(Ltanα+S)V；

V₃＝V_x+V_ytanα+w(Ltanα+S)；

V₄＝V_x-V_ytanα-w(Ltanα+S)；

在已知四个轮子转速的情况下，同样可以求出全向机器人在坐标系中的速度V以及角速度w：

V_x＝R_w(w₁+w₂+w₃+w₄)/4；

V_y＝R_w(-w₁+w₂-w₃+w₄)/(4tanα)；

w＝R_w(-w₁+w₂+w₃-w₄)/(4(Ltanα+l))。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种全向机器人，其特征在于，包括：架体，所述架体的两端设有两组行走机构，一组所述行走机构高于另一组所述行走机构设置，且两组所述行走机构的高度差与两边具有高度差的地形结构的高度一致；所述行走机构为麦克纳姆轮组。

2.根据权利要求1所述的全向机器人，其特征在于，所述麦克纳姆轮组包括两个麦克纳姆轮；四个所述麦克纳姆轮与所述两边具有高度差的地形结构垂直设置。

3.根据权利要求1所述的全向机器人，其特征在于，所述麦克纳姆轮组包括两个麦克纳姆轮；四个所述麦克纳姆轮与所述两边具有高度差的地形结构平行设置。

4.根据权利要求2或3所述的全向机器人，其特征在于，每个所述麦克纳姆轮均连接有减速器及驱动电机。

5.根据权利要求4所述的全向机器人，其特征在于，所述架体上设置有容纳物资的盒体。

6.根据权利要求5所述的全向机器人，其特征在于，所述架体包括多个依次间隔并列设置的支撑梁，每个所述支撑梁包括垂直连接的横梁和纵梁；所述横梁的一端设置有一组所述行走机构，所述横梁的另一端与所述纵梁的一端连接，所述纵梁的另一端设置有另一组所述行走机构；所述盒体设置在所述横梁上。

7.根据权利要求6所述的全向机器人，其特征在于，还包括：加固梁，所述加固梁的一端与所述横梁连接、另一端与所述纵梁连接。

8.根据权利要求1所述的全向机器人，其特征在于，较高的一组所述行走机构处设置有一对距离传感器。

9.根据权利要求8所述的全向机器人，其特征在于，两个所述距离传感器分别位于所述架体的轴线两侧对称设置，且所述距离传感器临近所述麦克纳姆轮设置。

10.一种全向机器人的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

在两个距离传感器的连线中点建立第一坐标系；

在两边具有高度差的地形结构台面的台阶上建立第二坐标系；

确定所述第一坐标系相对于所述第二坐标系的位置及夹角；

确定所述全向机器人的中心在所述第一坐标系中的坐标；

确定所述全向机器人的中心在所述第二坐标系中的坐标；

计算出所述全向机器人的线速度及角速度。