可正交双向运动的变结构移动机器人及其控制方法技术

本发明专利技术公开了一种可正交双向运动的变结构移动机器人及其控制方法，包括底盘、分离式变位驱动机构、变位电机、整体式变位驱动机构、变位电动推杆、驱动轮电机A和B、驱动轮A和B、随动轮A和B、控制装置、导引传感器。分离式变位驱动机构安装于底盘，在保持驱动轮电机A位置不变的同时，改变驱动轮A轴线相对于底盘的位置。整体式变位驱动机构安装于顶盖，通过改变顶盖的高度改变驱动轮B轴线相对于底盘的位置。驱动轮A轴线与驱动轮B正交，且最低位置相同，移动机器人通过改变接触地面的驱动轮实现正交双向运动，可在同一平面内相互正交方向之间自由地转换移动方向，增强了移动机器人的运动机动性和灵活性。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及自动化装备领域，具体是一种可正交双向运动的变结构移动机器人及其控制方法。
技术介绍
根据平面运动的自由度，移动机器人分为侧向运动受限的非完整移动方式和可实现所有平面运动的全方位移动方式。全方位移动机器人不仅可沿本体纵向前进和后退，绕本体中心原地旋转，还可沿本体横向左移和右移，并可在保持本体姿态不变的同时，沿平面内任意方向运动，对有限作业空间具有良好的机动性。以麦卡纳姆轮(Mecanum Wheel)和球形轮为代表的全方位轮不仅可绕主轴旋转实现前进和后退，还可沿主轴方向产生侧向运动，是实现全方位移动方式的一种技术方案，然而全方位轮机械结构复杂，制造成本高。另一种技术方案是通过常规车轮的特殊布局实现全方位移动方式，如采用一对方向由操舵电机控制、转速由驱动电机控制的双操舵驱动轮布局，然而这种方案的控制系统比较复杂，且独立控制的两轮转向同步性较差。为了提高两轮转向控制的同步性，ZL200620028342.5公开的“自动引导车的驱动/转向机构”，通过一个转向定位机构将电机与减速机驱动连接，减速机的输出端驱动连接一个通轴，采用电磁离合器将两个驱动轮与该通轴的两端进行离合式的驱动连接。该装置可将常用差速驱动方式所需的两台驱动电机减小为一台，有利于驱动转向机构的同步控制。然而，通过摩擦方式驱动车轮转动，不仅难以精确控制驱动轮的转速和位移，而且将大量电能通过摩擦转化为热能，大大降低了电能利用效率。公开号为ZL201010228787.9的中国专利公开了一种“可分式差速驱动装置及其全方位移动自动导引车”，其上转盘固定于车体，通过止推轴承与下转盘同轴装配，上转盘安装有角度传感器和电磁离合器，下转盘安装有导引传感器和车载控制器，以及两套轮式移动装置。采用该装置的自动导引车在保持车体姿态不变的同时，通过可分式差速驱动自由、精确地调整下转盘乃至车体的运动方向，实现沿任意方向角的全方位移动。除了全方位移动方式，正交运动方式近年来也成为移动机器人的一种运动模式，如亚马逊在仓储中使用的KIVA机器人，通过两轮差速驱动方式进行原地转向，并沿着两个相互正交的方向做直线运动。然而，通过差速原地转向方式实现的正交运动切换，其
运动切换效率可能不及通过改变机械结构的变结构方式。公开号为ZL201520528504.0的中国专利公开了“一种正交型行走机器人”，采用两个正交设置的机架，每个机架上安装有导向装置，联接组块一通过导向装置一连接于机架一，机架二固定联接组块一上，联接组块二通过导向装置二连接于机架二，机械臂固定在联接组块二上。通过钢丝传动方式实现了桁架机器人的二维平面运动。从本质上看，这种桁架机器人是一种导轨导向的有轨机器人，与轮式移动机器人差别较大，有轨机器人的运动范围受限于所设置的轨道区域。公开号为ZL201010130258.5的中国专利公开了一种“正交行走模式自行载运托盘装置及用途”，其框架上设置有单电机驱动的行走机构和单电机驱动的转向机构。第一减速电机的输出轴两端通过传动轴、滑动联轴器、大倾角球笼式万向联轴器，驱动框架对角上行走轮架的行走轮。在行走轮架上设置有两个转向连杆座，相邻行走轮架间的转向连杆座上设置有转向连杆，第二减速电机通过链轮机构驱动一个行走轮架的垂直旋转运动，再通过转向连杆同步拉动其他三个行走轮架进行转向运动。然而，对于该种轮式移动机构，采用滑动联轴器和万向联轴器的传动效率较低，采用转向连杆拉动的方式不易精确控制行走轮架的转向角度。
技术实现思路
本专利技术为了解决现有技术的问题，提供了一种可正交双向运动的变结构移动机器人及其控制方法，实现移动机器人在两个正交方向上的运行切换，可在同一平面内相互正交方向之间自由地转换移动方向，增强了移动机器人的运动机动性和灵活性。本专利技术提供的变结构移动机器人包括底盘、分离式变位驱动机构、变位电机、顶盖、整体式变位驱动机构、变位电动推杆、驱动轮电机A和B、驱动轮A和B、随动轮A和B、控制装置、导引传感器；所述分离式变位驱动机构、驱动轮电机A、变位电机安装于底盘，在保持驱动轮电机A位置不变的同时，通过变位电机改变驱动轮A轴线相对于底盘的高度位置；所述整体式变位驱动机构、驱动轮电机B、变位电动推杆安装于顶盖，通过变位电动推杆改变顶盖相对于底盘的垂直距离，从而改变驱动轮B轴线的高度位置；所述驱动轮A轴线(沿Y方向)与驱动轮B轴线(沿X方向)正交，且最低位置处于同一高度；所述导引传感器安装于底盘，且与控制装置电连接，识别地面标识的位置信息；所述控制装置与变位电机、变位电动推杆电连接，分别控制分离式变位驱动机构、整体式变位驱动机构的运动，改变驱动轮A、驱动轮B轴线的高度位置，从而
改变驱动轮A、驱动轮B与地面的接触状态；所述控制装置与驱动轮电机A、驱动轮电机B电连接，分别控制驱动轮A、驱动轮B的转动，从而驱动移动机器人在同一平面内实现正交双向运动。分离式变位驱动机构安装于底盘，由曲柄连杆机构、偏心轮机构、蜗轮蜗杆机构、行星齿轮机构组成；所述偏心轮机构包括滑动轴承座A、滑动轴承A、偏心轮和滚动轴承A，四个滑动轴承座A对称固定安装于底盘沿X方向的两侧侧板上预制的滑动轴承座孔内，偏心轮通过滑动轴承A活动安装于滑动轴承座A内，偏心轮可在滑动轴承座A内自由转动；所述偏心轮在相同圆心角位置具有偏心距为e的轴承孔，用于安装滚动轴承A。曲柄连杆机构由偏心轮、曲柄连杆、随动轮A轮轴、曲柄轴、驱动轮A轮轴、滑动轴承B、滑动轴承座B、滚动轴承A组成；所述随动轮A轮轴通过滚动轴承A活动安装于底盘两侧侧板一端位置的偏心轮轴承孔中，随动轮A轮轴可在两侧相对的偏心轮轴承孔内自由转动；所述驱动轮A轮轴通过滚动轴承A活动安装于底盘两侧侧板另一端位置的偏心轮轴承孔中，驱动轮A轮轴可在两侧相对的偏心轮轴承孔内自由转动；所述滑动轴承座B固定安装于底盘，且位于随动轮A轮轴和驱动轮A轮轴之间；所述曲柄轴的中心轴通过滑动轴承B活动安装于滑动轴承座B内，曲柄轴的中心轴与偏心轮的中心线位于同一水平面内，且与偏心轮的中心线平行；曲柄轴的偏心轴与中心轴平行，偏心轴与中心轴之间的曲柄长度等于偏心轮的偏心距e，且曲柄轴的偏心轴与偏心轮的偏心轴承孔具有相同圆心角位置；所述曲柄连杆两端预制有滚动轴承孔，通过滚动轴承A与随动轮A轮轴、驱动轮A轮轴活动连接，曲柄连杆中部与曲柄轴的偏心轴固定连接，将同侧的两个偏心轮以及两侧共同的随动轮A轮轴、曲柄轴、驱动轮A轮轴组成两组结构对称的曲柄连杆机构；所述随动轮A轮轴的两端固定安装有随动轮A，驱动轮A轮轴的两端固定安装有驱动轮A。蜗轮蜗杆机构由蜗轮、滑动轴承C、滑动轴承座C、蜗杆、传动齿轮A、驱动齿轮A、变位电机支架组成；所述蜗轮固定安装于曲柄轴的中心轴中部；所述滑动轴承座C固定安装于底盘，蜗杆通过滑动轴承C活动安装于滑动轴承座C中，蜗杆与蜗轮相啮合组成蜗轮蜗杆机构；所述传动齿轮A固定安装于蜗杆；所述变位电机通过变位电机支架固定安装于底盘，所述驱动齿轮A固定安装于变位电机的输出轴，并与传动齿轮A相啮合组成齿轮传动机构。行星齿轮机构可采用外啮合方式，由行星轮A、太阳轮A、驱动齿轮B、驱动轴A、滚动轴承B和驱动轮电机A支架组成；所述驱动轮A轮轴连接的两偏心轮还具有中心孔，驱动轴A通过本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种可正交双向运动的变结构移动机器人，其特征在于：包括底盘(1)、分离式变位驱动机构(2)、变位电机(3)、顶盖(4)、整体式变位驱动机构(5)、变位电动推杆(6)、驱动轮电机A(7)、驱动轮电机B(8)、驱动轮A(9)、驱动轮B(10)、随动轮A(11)、随动轮B(12)、控制装置、导引传感器；所述分离式变位驱动机构(2)、驱动轮电机A(7)、变位电机(3)安装于底盘(1)，在保持驱动轮电机A(7)位置不变的同时，通过变位电机(3)改变驱动轮A(9)轴线相对于底盘(1)的高度位置；所述整体式变位驱动机构(5)、驱动轮电机B(8)、变位电动推杆(6)安装于顶盖(4)，通过变位电动推杆(6)改变顶盖(4)相对于底盘(1)的垂直距离，从而改变驱动轮B(10)轴线的高度位置；所述驱动轮A(9)轴线与驱动轮B(10)轴线正交，且最低位置处于同一高度；所述导引传感器安装于底盘，且与控制装置电连接，识别地面标识的位置信息；所述控制装置与变位电机(3)、变位电动推杆(6)电连接，分别控制分离式变位驱动机构(2)、整体式变位驱动机构(5)的运动，改变驱动轮A(9)、驱动轮B(10)轴线的高度位置，从而改变驱动轮A(9)、驱动轮B(10)与地面的接触状态；所述控制装置与驱动轮电机A(7)、驱动轮电机B(8)电连接，控制装置通过驱动轮电机A(7)、驱动轮电机B(8)分别控制驱动轮A(9)、驱动轮B(10)的转动，从而驱动移动机器人在同一平面内实现正交双向运动。...

【技术特征摘要】
1.一种可正交双向运动的变结构移动机器人，其特征在于：包括底盘(1)、分离式变位驱动机构(2)、变位电机(3)、顶盖(4)、整体式变位驱动机构(5)、变位电动推杆(6)、驱动轮电机A(7)、驱动轮电机B(8)、驱动轮A(9)、驱动轮B(10)、随动轮A(11)、随动轮B(12)、控制装置、导引传感器；所述分离式变位驱动机构(2)、驱动轮电机A(7)、变位电机(3)安装于底盘(1)，在保持驱动轮电机A(7)位置不变的同时，通过变位电机(3)改变驱动轮A(9)轴线相对于底盘(1)的高度位置；所述整体式变位驱动机构(5)、驱动轮电机B(8)、变位电动推杆(6)安装于顶盖(4)，通过变位电动推杆(6)改变顶盖(4)相对于底盘(1)的垂直距离，从而改变驱动轮B(10)轴线的高度位置；所述驱动轮A(9)轴线与驱动轮B(10)轴线正交，且最低位置处于同一高度；所述导引传感器安装于底盘，且与控制装置电连接，识别地面标识的位置信息；所述控制装置与变位电机(3)、变位电动推杆(6)电连接，分别控制分离式变位驱动机构(2)、整体式变位驱动机构(5)的运动，改变驱动轮A(9)、驱动轮B(10)轴线的高度位置，从而改变驱动轮A(9)、驱动轮B(10)与地面的接触状态；所述控制装置与驱动轮电机A(7)、驱动轮电机B(8)电连接，控制装置通过驱动轮电机A(7)、驱动轮电机B(8)分别控制驱动轮A(9)、驱动轮B(10)的转动，从而驱动移动机器人在同一平面内实现正交双向运动。2.根据权利要求1所述的可正交双向运动的变结构移动机器人，其特征在于：所述分离式变位驱动机构(2)安装于底盘(1)，由曲柄连杆机构(14)、偏心轮机构(13)、蜗轮蜗杆机构(15)、行星齿轮机构(16)组成；所述偏心轮机构(13)包括滑动轴承座A(17)、滑动轴承A(18)、偏心轮(19)和滚动轴承A(20)，四个滑动轴承座A(17)对称固定安装于底盘(1)沿X方向的两侧侧板上预制的滑动轴承座孔内，偏心轮(19)通过滑动轴承A(18)活动安装于滑动轴承座A(17)内，偏心轮(19)可在滑动轴承座A(17)内自由转动；所述偏心轮(19)在相同圆心角位置具有偏心距为e的轴承孔，用于安装滚动轴承A(20)。3.根据权利要求2所述的可正交双向运动的变结构移动机器人，其特征在于：所述曲柄连杆机构(14)由偏心轮(19)、曲柄连杆(21)、随动轮A轮轴(22)、曲柄轴(23)、驱动轮A轮轴(24)、滑动轴承B(25)、滑动轴承座B(26)、滚动轴承A(20)组成；所述随动轮A轮轴(22)通过滚动轴承A(20)活动安装于底盘(1)两侧侧板一端位置的偏心轮(19)轴承孔中，随动轮A轮轴(22)可在两侧相对的偏心轮(19)轴
\t承孔内自由转动；所述驱动轮A轮轴(24)通过滚动轴承A(20)活动安装于底盘两侧侧板另一端位置的偏心轮(19)轴承孔中，驱动轮A轮轴(24)可在两侧相对的偏心轮(19)轴承孔内自由转动；所述滑动轴承座B(26)固定安装于底盘(1)，且位于随动轮A轮轴(22)和驱动轮A轮轴(24)之间；所述曲柄轴(23)的中心轴通过滑动轴承B(25)活动安装于滑动轴承座B(26)内，曲柄轴(23)的中心轴与偏心轮(19)的中心线位于同一水平面内，且与偏心轮(19)的中心线平行；曲柄轴(23)的偏心轴与中心轴平行，偏心轴与中心轴之间的曲柄长度等于偏心轮(19)的偏心距e，且曲柄轴(23)的偏心轴与偏心轮(19)的偏心轴承孔具有相同圆心角位置；所述曲柄连杆(21)两端预制有滚动轴承孔，通过滚动轴承A(20)与随动轮A轮轴(22)、驱动轮A轮轴(24)活动连接，曲柄连杆(21)中部与曲柄轴(23)的偏心轴固定连接，将同侧的两个偏心轮(19)以及两侧共同的随动轮A轮轴(22)、曲柄轴(23)、驱动轮A轮轴(24)组成两组结构对称的曲柄连杆机构；所述随动轮A轮轴(22)的两端固定安装有随动轮A(11)，驱动轮A轮轴(24)的两端固定安装有驱动轮A(9)。4.根据权利要求2所述的可正交双向运动的变结构移动机器人，其特征在于：所述蜗轮蜗杆机构(15)由蜗轮(27)、滑动轴承C(28)、滑动轴承座C(29)、蜗杆(30)、传动齿轮A(31)、驱动齿轮A(32)、变位电机支架(33)组成；所述蜗轮(27)固定安装于曲柄轴(23)的中心轴中部；所述滑动轴承座C(29)固定安装于底盘(1)，蜗杆(30)通过滑动轴承C(28)活动安装于滑动轴承座C(29)中，蜗杆(30)与蜗轮(27)相啮合组成蜗轮蜗杆机构；所述传动齿轮A(31)固定安装于蜗杆(30)；所述变位电机(3)通过变位电机支架(33)固定安装于底盘(1)，所述驱动齿轮A(32)固定安装于变位电机(3)的输出轴，并与传动齿轮A(31)相啮合组成齿轮传动机构。5.根据权利要求2所述的可正交双向运动的变结构移动机器人，其特征在于：所述行星齿轮机构(16)采用外啮合方式，由行星轮A(34)、太阳轮A(35)、驱动齿轮B(36)、驱动轴A(37)、滚动轴承B(38)和驱动轮电机A支架(39)组成；所述驱动轮A轮轴(24)连接的两偏心轮(19)还具有中心孔，驱动轴A(37)通过滚动轴承B(38)活动安装于偏心轮(19)中心孔中，驱动轴A(37)可在两侧相对的偏心轮(19)中心孔内自由转动；所述行星轮A(34)、太阳轮A(35)都为外齿轮，行星轮A(34)固定安装于驱动轮A轮轴(24)，太阳轮A(35)固定安装于驱动轴A(37)，行星轮A(34)与太阳轮A(35)外啮合组成行星齿轮机构，行星轮A(34)半径rPA与太阳轮A
\t(35)半径rSA之和等于偏心轮(19)偏心距e；所述驱动轮电机A(7)通过驱动轮电机A支架(39)固定安装于底盘(1)，驱动齿轮B(36)固定安装于驱动轮电机A(7)的输出轴，并与太阳轮A(35)外啮合。6.根据权利要求2所述的可正交双向运动的变结构移动机器人，其特征在于：所述行星齿轮机构(16)采用内啮合方式，由行星轮B(40)、太阳齿轮轴B(41)、驱动齿轮B(36)、滚动轴承C(42)、滚动轴承座C(43)、驱动轮电机A支架(39)组成；所述太阳齿轮轴B(41)在轴向中部具有外齿轮，其内部具有阶梯孔，在内部孔中部具有内齿圈；所述滚动轴承座C(43)固定安装于底盘(1)，太阳齿轮轴B(41)通过滚动轴承C(42)活动安装于滚动轴承座C(43)，太阳齿轮轴B(41)的轴线与驱动轮A轮轴(24)连接的两偏心轮(19)的中心线同轴；所述行星轮B(40)固定安装于驱动轮A轮轴(24)，行星轮B(40)与太阳齿轮轴B(41)的内齿圈内啮合组成行星齿轮机构，太阳齿轮轴B(41)的内齿圈半径rSB与行星轮B(40)的半径rPB之差等于偏心轮(19)的偏心距e；所述驱动轮电机A(7)通过驱动轮电机A支架(39)固定安装于底盘(1)，驱动齿轮B(36)固定安装于驱动轮电机A的输出轴，并与太阳齿轮轴B(41)的外齿轮外啮合。7.根据权利要求1至6中...

【专利技术属性】
技术研发人员：武星，楼佩煌，何珍，钱晓明，唐敦兵，赵龙，金鹏，张颖，朱立群，张万雷，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32