專利名稱：基于球輪全向驅(qū)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種能夠自主運(yùn)動(dòng)的智能運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，特別涉及一種通過(guò)控制三個(gè)球輪的運(yùn)動(dòng)從而實(shí)現(xiàn)平臺(tái)整體的全向運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)，屬于電機(jī)驅(qū)動(dòng)、傳感器測(cè)距、無(wú)線通訊和自動(dòng)控制技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
隨著社會(huì)的進(jìn)步與科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，運(yùn)動(dòng)平臺(tái)技術(shù)的研究方興未艾。人們?cè)陉P(guān)注運(yùn)動(dòng)平臺(tái)在科學(xué)研究中多用途的同時(shí)也在研究運(yùn)動(dòng)平臺(tái)本身的發(fā)展，例如運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)形式，運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的智能性等。美國(guó)卡麥基梅隆大學(xué)的機(jī)器人研究所就研究出了一款機(jī)器人， 它的整個(gè)機(jī)器人軀體都立于一個(gè)球體之上，通過(guò)兩個(gè)正交的驅(qū)動(dòng)輪軸摩擦球體，使其在二維平面內(nèi)移動(dòng)來(lái)調(diào)節(jié)自身的傾斜角度來(lái)保持靜態(tài)穩(wěn)定和向著目標(biāo)方位移動(dòng)。這款機(jī)器人是利用單球保持平衡，其上的機(jī)器人軀體可能存在晃動(dòng)和搖擺。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提出一種具有新的運(yùn)動(dòng)形式的運(yùn)動(dòng)平臺(tái)及其控制系統(tǒng)，同時(shí)解決相關(guān)現(xiàn)有技術(shù)中晃動(dòng)和搖擺的問(wèn)題。一種基于球輪全向驅(qū)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，包括球輪驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、環(huán)境感知系統(tǒng)、平臺(tái)控制系統(tǒng)。1、所述的球輪驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包括三套同樣的球輪驅(qū)動(dòng)機(jī)械結(jié)構(gòu)和三個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。其中，每套球輪驅(qū)動(dòng)機(jī)械結(jié)構(gòu)包括球輪、球輪支架、橡膠摩擦輪、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)支架、鋼制卡箍、萬(wàn)向輪、平臺(tái)頂板和控制盒；鋼制卡箍的內(nèi)圈直徑小于球輪直徑，內(nèi)圈上安裝萬(wàn)向輪，二者一起卡在球輪之上；球輪支架安裝于鋼制卡箍上，用于支撐球輪上方的平臺(tái)；橡膠摩擦輪位于球輪上方表面，用于驅(qū)動(dòng)球輪滾動(dòng)；驅(qū)動(dòng)電機(jī)安裝于橡膠摩擦輪背后，驅(qū)動(dòng)電機(jī)支架安裝在驅(qū)動(dòng)電機(jī)上，用于連接驅(qū)動(dòng)電機(jī)和球輪支架；平臺(tái)頂板位于三套球輪支架的上方；控制盒通過(guò)平臺(tái)頂板接入運(yùn)動(dòng)平臺(tái)中。所述電機(jī)驅(qū)動(dòng)器安裝在控制盒內(nèi)，在平臺(tái)控制系統(tǒng)的指令下控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)，對(duì)各個(gè)球輪的驅(qū)動(dòng)由驅(qū)動(dòng)電機(jī)一對(duì)一實(shí)現(xiàn)，三個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)協(xié)作實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的任意轉(zhuǎn)向性。所述的三套球輪驅(qū)動(dòng)機(jī)械結(jié)構(gòu)分別位于等腰三角形的三個(gè)頂點(diǎn)，相鄰兩套之間由固定的板件連接。2、所述的環(huán)境感知系統(tǒng)包括攝像頭、多個(gè)二維激光雷達(dá)、非接觸式光電測(cè)速儀、姿態(tài)傳感器、傳感器數(shù)據(jù)處理模塊；根據(jù)任務(wù)需要可增裝其他種類傳感器，如觸碰開關(guān)，熱釋電傳感器等。所述的攝像頭安裝的朝向?yàn)槠脚_(tái)運(yùn)動(dòng)初始的前進(jìn)方向，用來(lái)采集平臺(tái)環(huán)境信息數(shù)據(jù)，并傳輸給傳感器數(shù)據(jù)處理模塊。所述的二維激光雷達(dá)用來(lái)采集平臺(tái)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的周圍環(huán)境距離信息數(shù)據(jù)，并傳輸給傳感器數(shù)據(jù)處理模塊；安裝于平臺(tái)頂板上，朝向?yàn)槠脚_(tái)運(yùn)動(dòng)初始的前進(jìn)方向和后退方向，其掃描角度為240-260度。所述的非接觸式光電測(cè)速儀采用光電反射式測(cè)速原理，用來(lái)檢測(cè)平臺(tái)行進(jìn)過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)速度，其安裝方式為倒置，朝向?yàn)榈孛妗Ｋ龅淖藨B(tài)傳感器用來(lái)檢測(cè)平臺(tái)的傾斜信息與姿態(tài)信息，將數(shù)據(jù)傳輸給傳感器數(shù)據(jù)處理模塊。所述的傳感器數(shù)據(jù)處理模塊負(fù)責(zé)采集傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，對(duì)平臺(tái)的運(yùn)行環(huán)境信息進(jìn)行認(rèn)知；具有可擴(kuò)展傳感器接口，能夠根據(jù)任務(wù)需要接入其他類型傳感器數(shù)據(jù)。上述的姿態(tài)傳感器、傳感器數(shù)據(jù)處理模塊均集成于平臺(tái)控制盒內(nèi)。3、所述的平臺(tái)控制系統(tǒng)是整個(gè)系統(tǒng)的中樞，包括平臺(tái)主控制模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器控制模塊、電源管理模塊、無(wú)線通訊模塊。所述的平臺(tái)主控制模塊接收傳感器數(shù)據(jù)處理模塊的環(huán)境認(rèn)知信息和無(wú)線通訊模塊的數(shù)據(jù)信息，在確定任務(wù)要求后，結(jié)合所接收到的環(huán)境與通訊信息，自主規(guī)劃平臺(tái)的行駛路徑，發(fā)送指令給電機(jī)驅(qū)動(dòng)器控制模塊；同時(shí)，還可以接收驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速反饋信息和平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)反饋信息，從而控制平臺(tái)穩(wěn)定地行駛。所述的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器控制模塊能夠接收平臺(tái)主控制模塊的命令，并轉(zhuǎn)換為電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的指令來(lái)控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)的動(dòng)作，使其實(shí)現(xiàn)不同的運(yùn)動(dòng)軌跡和全向運(yùn)動(dòng)性。所述的電源管理模塊接收電源監(jiān)控信息，具體包括可充電電池組與電源控制系統(tǒng)。所述的可充電電池組提供機(jī)器人平臺(tái)運(yùn)行所需的電能；所述的電源控制系統(tǒng)對(duì)可充電電池組工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，將監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)發(fā)送平臺(tái)主控制模塊，同時(shí)，接收平臺(tái)主控制模塊電源控制指令，控制可充電電池組的輸出電壓。所述的無(wú)線通訊模塊負(fù)責(zé)整個(gè)平臺(tái)與外界的數(shù)據(jù)通訊，包括平臺(tái)與操作人員(人機(jī)交互)、多平臺(tái)之間(機(jī)機(jī)交互)、平臺(tái)與其他設(shè)備的數(shù)據(jù)通訊；當(dāng)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)處于人工操控或者多平臺(tái)自主運(yùn)動(dòng)模式時(shí)，該模塊將接收到的通訊數(shù)據(jù)發(fā)送給平臺(tái)主控制模塊，同時(shí)將平臺(tái)主控制模塊的通訊數(shù)據(jù)發(fā)出。所述的平臺(tái)控制系統(tǒng)安裝于平臺(tái)控制盒內(nèi)。本發(fā)明的運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的工作流程為環(huán)境感知系統(tǒng)對(duì)周圍環(huán)境進(jìn)行探測(cè)，并將傳感器數(shù)據(jù)處理模塊分析處理后得到的環(huán)境信息傳遞給平臺(tái)控制系統(tǒng)的平臺(tái)主控制模塊；平臺(tái)主控制模塊根據(jù)環(huán)境信息，結(jié)合預(yù)置程序處理得出控制指令，下發(fā)給電機(jī)驅(qū)動(dòng)器控制模塊， 球輪在驅(qū)動(dòng)電機(jī)的控制下滾動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)。本發(fā)明提出的新型運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的工作模式包括人工操控與自主運(yùn)行。所述的人工操控其特征在于操作人員能夠通過(guò)發(fā)送無(wú)線通訊指令控制機(jī)器人運(yùn)動(dòng)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)；所述的自主運(yùn)行其特征在于機(jī)器人平臺(tái)能夠根據(jù)環(huán)境感知信息與自身運(yùn)動(dòng)狀態(tài)信息實(shí)現(xiàn)自主路徑規(guī)劃與運(yùn)動(dòng)控制功能。本發(fā)明提出的新型運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的運(yùn)行方式包括單平臺(tái)運(yùn)行方式與多平臺(tái)運(yùn)行方式。 所述的單平臺(tái)運(yùn)行方式其特征在于只有一個(gè)平臺(tái)運(yùn)行，在此運(yùn)行方式下，平臺(tái)的主要任務(wù)是對(duì)行駛環(huán)境進(jìn)行認(rèn)知，以及控制自身運(yùn)動(dòng)行為表現(xiàn)力的展現(xiàn)。所述的多平臺(tái)運(yùn)行方式其特征在于除單平臺(tái)的運(yùn)行特點(diǎn)外，還包括多平臺(tái)間的數(shù)據(jù)通訊、環(huán)境信息共享、群體運(yùn)動(dòng)行為表現(xiàn)力的控制與展現(xiàn)，只需改變平臺(tái)控制系統(tǒng)中的預(yù)置程序即可實(shí)現(xiàn)。有益效果本發(fā)明的運(yùn)動(dòng)平臺(tái)基于球體滾動(dòng)的全向性原理，將球體滾動(dòng)的運(yùn)動(dòng)形式應(yīng)用于平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)控制研究領(lǐng)域，能實(shí)現(xiàn)全方位的移動(dòng)而不需要改變平臺(tái)本身的朝向，并可根據(jù)實(shí)際情況選擇平動(dòng)還是轉(zhuǎn)動(dòng)，方便控制，對(duì)復(fù)雜環(huán)境下或空間有限的區(qū)域具有很強(qiáng)的適應(yīng)能力。相比于現(xiàn)有的運(yùn)動(dòng)平臺(tái)體積大、平衡性差和難操控的特點(diǎn)，本運(yùn)動(dòng)平臺(tái)具有體積小，平衡性好，快速機(jī)動(dòng)和全向運(yùn)動(dòng)性的諸多特點(diǎn)。其行為動(dòng)作細(xì)節(jié)豐富，實(shí)驗(yàn)展現(xiàn)度高，運(yùn)動(dòng)靈巧輕便，速度快，具有機(jī)械結(jié)構(gòu)緊湊合理，智能性、實(shí)用性、穩(wěn)定性、節(jié)能性、經(jīng)濟(jì)性和通用性好等特點(diǎn)。本發(fā)明通過(guò)控制驅(qū)動(dòng)球的滾動(dòng)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)，與現(xiàn)有的移動(dòng)機(jī)器人常規(guī)運(yùn)動(dòng)方式不同，運(yùn)動(dòng)行為表現(xiàn)力更為突出，可作為多機(jī)器人協(xié)同編隊(duì)、運(yùn)載機(jī)器人運(yùn)動(dòng)原型等多個(gè)研究領(lǐng)域的實(shí)驗(yàn)與驗(yàn)證平臺(tái)；為以后的運(yùn)載平臺(tái)研究打下基礎(chǔ)，對(duì)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的進(jìn)一步發(fā)展，具有相當(dāng)重要的實(shí)用價(jià)值。


圖1是本發(fā)明的基于球輪全向驅(qū)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)平臺(tái)構(gòu)成框圖；圖2是本具體實(shí)施方式
中基于球輪全向驅(qū)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的側(cè)視圖；圖3是本具體實(shí)施方式
中基于球輪全向驅(qū)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的后視圖；圖4是本具體實(shí)施方式
中基于球輪全向驅(qū)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的底視圖。標(biāo)號(hào)說(shuō)明
1、二維激光雷達(dá) 4、可充電電池組 7、球輪支架 10、驅(qū)動(dòng)電機(jī) 13、控制盒 16、鋼制卡箍
具體實(shí)施例方式為了更好地說(shuō)明本發(fā)明的目的和優(yōu)點(diǎn)，下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明內(nèi)容做進(jìn)
一步說(shuō)明。本發(fā)明所述的新型運(yùn)動(dòng)平臺(tái)如圖1所示，包括球輪驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、環(huán)境感知系統(tǒng)、平臺(tái)控制系統(tǒng)。環(huán)境感知系統(tǒng)對(duì)周圍環(huán)境進(jìn)行探測(cè)、分析處理后得到的環(huán)境信息傳遞給平臺(tái)控制系統(tǒng)；平臺(tái)控制系統(tǒng)控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)球輪滾動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)。本實(shí)施方式中，基于球輪全向驅(qū)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)平臺(tái)如圖2、圖3、圖4所示。其中，球輪驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包括三套相同的球輪驅(qū)動(dòng)機(jī)械結(jié)構(gòu)和三個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。任意一套球輪驅(qū)動(dòng)機(jī)械結(jié)構(gòu)其特征在于包括球輪8、球輪支架7、橡膠摩擦輪6、驅(qū)動(dòng)電機(jī)10、驅(qū)動(dòng)電機(jī)支架15、鋼制卡箍16、六個(gè)萬(wàn)向輪9、平臺(tái)頂板2和控制盒13。鋼制卡箍16內(nèi)圈直徑小于球輪8的直徑，內(nèi)圈上安裝六個(gè)相同的萬(wàn)向輪9，鋼制卡箍16卡在球輪9上；球輪支架7為安裝在鋼制卡箍 16上的三個(gè)支柱支撐的平板結(jié)構(gòu)，平板下為驅(qū)動(dòng)電機(jī)支架15和驅(qū)動(dòng)電機(jī)10，驅(qū)動(dòng)電機(jī)10 安裝在橡膠摩擦輪6背后，橡膠摩擦輪6與球輪8的上表面接觸。此球輪驅(qū)動(dòng)機(jī)械結(jié)構(gòu)有
2、平臺(tái)頂板3,控制器支架5、電池組支架6、橡膠摩擦輪8、球輪9、萬(wàn)向輪11、攝像頭12、平臺(tái)支架14、非接觸式光電測(cè)速伩15、驅(qū)動(dòng)電機(jī)支架17、攝像頭支架三套，呈等腰三角形擺放，每套位于三角形的頂點(diǎn)；平臺(tái)頂板2和平臺(tái)支架12安裝于球輪支架上，將三套球輪驅(qū)動(dòng)機(jī)械結(jié)構(gòu)連接成為一體。圖中控制盒13內(nèi)含有電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、環(huán)境感知系統(tǒng)的傳感器數(shù)據(jù)處理模塊和姿態(tài)傳感器、平臺(tái)控制系統(tǒng)(包括平臺(tái)主控制模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器控制模塊、電源管理模塊、無(wú)線通訊模塊)。電機(jī)驅(qū)動(dòng)器接受平臺(tái)控制系統(tǒng)的指令使得球輪在驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制下運(yùn)動(dòng)，可由單個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)單個(gè)球輪，也可由多個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)協(xié)作驅(qū)動(dòng)多個(gè)球輪實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的任意轉(zhuǎn)向性。電機(jī)驅(qū)動(dòng)器采用德國(guó)馮哈伯公司的MCDC3006S型電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。本實(shí)施方式中，環(huán)境感知系統(tǒng)包括攝像頭11、兩個(gè)二維激光雷達(dá)1、非接觸式光電測(cè)速儀14、姿態(tài)傳感器、傳感器數(shù)據(jù)處理模塊；同時(shí)，還能夠根據(jù)任務(wù)需要增裝其他種類傳感器，例如觸碰開關(guān)，熱釋電傳感器等。所述的攝像頭11通過(guò)攝像頭支架17安裝在其中一套球輪支架7上，朝向?yàn)槠脚_(tái)運(yùn)動(dòng)的初始前進(jìn)方向。所述的兩個(gè)相同的二維激光雷達(dá)1安裝在平臺(tái)頂板2下方邊緣處，每個(gè)的掃描角度為240度，其朝向分別為平臺(tái)運(yùn)動(dòng)初始的前進(jìn)方向和后退方向。所述的非接觸式光電測(cè)速儀14采用光電反射式測(cè)速原理，用來(lái)檢測(cè)平臺(tái)行進(jìn)過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)速度，朝向地面倒置安裝在電池組支架下5。所述的姿態(tài)傳感器用來(lái)檢測(cè)平臺(tái)的傾斜信息與姿態(tài)信息，將數(shù)據(jù)傳輸給傳感器數(shù)據(jù)處理模塊。所述的傳感器數(shù)據(jù)處理模塊負(fù)責(zé)采集傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，對(duì)平臺(tái)的運(yùn)行環(huán)境信息進(jìn)行認(rèn)知，且具有可擴(kuò)展傳感器接口，能夠根據(jù)任務(wù)需要接入其他類型傳感器數(shù)據(jù)，本實(shí)施方式中的二維激光雷達(dá)采用日本HOKUYO公司的URG-04LX-UG01，姿態(tài)傳感器采用美國(guó)AD公司的ADIS16405三軸加速度計(jì)，磁力計(jì)和陀螺儀。本實(shí)施方式中，平臺(tái)控制系統(tǒng)包括平臺(tái)主控制模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器控制模塊、電源管理模塊、無(wú)線通訊模塊。所述的平臺(tái)主控制模塊是整個(gè)系統(tǒng)的中樞，本實(shí)施方式采用PC104 總線設(shè)計(jì)的PCM-3364嵌入式處理器，接收傳感器數(shù)據(jù)處理模塊的環(huán)境認(rèn)知信息和無(wú)線通訊模塊的數(shù)據(jù)信息，在確定任務(wù)要求后，根據(jù)所接收到的環(huán)境與通訊信息，自主規(guī)劃平臺(tái)的行駛路徑，發(fā)送指令給電機(jī)驅(qū)動(dòng)器控制模塊；同時(shí)，平臺(tái)主控制模塊接收驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速反饋信息和平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)反饋信息，并調(diào)整平臺(tái)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定行駛；所述的電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器模塊采用飛思卡爾MC9S12XSU8單片機(jī)預(yù)置處理程序，將平臺(tái)主控制模塊的命令轉(zhuǎn)換為電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的指令來(lái)控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)的動(dòng)作，使其實(shí)現(xiàn)不同的運(yùn)動(dòng)軌跡和全向運(yùn)動(dòng)性。 所述的平臺(tái)主控制模塊還能夠接收電源管理模塊的電源監(jiān)控信息，控制電源管理模塊安全、合理使用電源。所述的電源管理模塊包括可充電電池組4與電源控制系統(tǒng)；所述的可充電電池組4通過(guò)電池組支架5安裝在球輪支架7上，提供機(jī)器人平臺(tái)運(yùn)行所需的電能； 所述的電源控制系統(tǒng)對(duì)可充電電池組4工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，將監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)發(fā)送平臺(tái)主控制模塊，同時(shí)，接收平臺(tái)主控制模塊電源控制指令；所述的電源控制系統(tǒng)對(duì)可充電電池組4的輸出電壓進(jìn)行控制。所述的無(wú)線通訊模塊負(fù)責(zé)整個(gè)平臺(tái)與外界的數(shù)據(jù)通訊，包括平臺(tái)與操作人員(人機(jī)交互)、多平臺(tái)之間(機(jī)機(jī)交互)、平臺(tái)與其他設(shè)備的數(shù)據(jù)通訊；將接收到的通訊數(shù)據(jù)發(fā)送給平臺(tái)主控制模塊，同時(shí)將平臺(tái)主控制模塊的通訊數(shù)據(jù)發(fā)出。本發(fā)明提出新型運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的工作模式包括人工操控與自主運(yùn)行。所述的人工操控其特征在于操作人員能夠通過(guò)發(fā)送無(wú)線通訊指令控制機(jī)器人運(yùn)動(dòng)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)；所述的自主運(yùn)行其特征在于機(jī)器人平臺(tái)能夠根據(jù)環(huán)境感知信息與自身運(yùn)動(dòng)狀態(tài)信息實(shí)現(xiàn)自主路徑規(guī)劃與運(yùn)動(dòng)控制功能。本發(fā)明提出新型運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的運(yùn)行方式包括單平臺(tái)運(yùn)行方式與多平臺(tái)運(yùn)行方式。所述的單平臺(tái)運(yùn)行方式其特征在于只有一個(gè)平臺(tái)運(yùn)行，在此運(yùn)行方式下，平臺(tái)的主要任務(wù)是對(duì)行駛環(huán)境進(jìn)行認(rèn)知，以及控制自身運(yùn)動(dòng)行為表現(xiàn)力的展現(xiàn)。所述的多平臺(tái)運(yùn)行方式其特征在于除單平臺(tái)的運(yùn)行特點(diǎn)外，還包括多平臺(tái)間的數(shù)據(jù)通訊、環(huán)境信息共享、群體運(yùn)動(dòng)行為表現(xiàn)力的控制與展現(xiàn)。本發(fā)明提出新型運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的運(yùn)行環(huán)境為平坦陸地。同時(shí)，其獨(dú)特的運(yùn)動(dòng)屬性也開啟了一系列實(shí)際應(yīng)用。它可以應(yīng)用于繁雜干擾的動(dòng)態(tài)環(huán)境中，像是輪船，火車和擁擠的地區(qū)。它的全方位運(yùn)動(dòng)性可以適用于快速機(jī)動(dòng)的用途，而且球輪運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上可搭載人機(jī)交互設(shè)備或作為機(jī)器人的底盤。在公共場(chǎng)合，日常援助，服務(wù)類機(jī)器人或者是娛樂(lè)事業(yè)的應(yīng)用中，球輪運(yùn)動(dòng)平臺(tái)被認(rèn)為是最有潛力的。以上結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式
作了說(shuō)明，但這些說(shuō)明不能被理解為限制了本發(fā)明的范圍，本發(fā)明的保護(hù)范圍由隨附的權(quán)利要求書限定，任何在本發(fā)明權(quán)利要求基礎(chǔ)上的改動(dòng)都是本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.基于球輪全向驅(qū)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，其特征在于包括球輪驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、環(huán)境感知系統(tǒng)、平臺(tái)控制系統(tǒng)；所述的球輪驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包括三套同樣的球輪驅(qū)動(dòng)機(jī)械結(jié)構(gòu)和三個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器；其中，每套球輪驅(qū)動(dòng)機(jī)械結(jié)構(gòu)包括球輪、球輪支架、橡膠摩擦輪、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)支架、鋼制卡箍、萬(wàn)向輪、平臺(tái)頂板和控制盒；所述電機(jī)驅(qū)動(dòng)器在平臺(tái)控制系統(tǒng)的指令下控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)，對(duì)各個(gè)球輪的驅(qū)動(dòng)由驅(qū)動(dòng)電機(jī)一對(duì)一實(shí)現(xiàn)；所述的環(huán)境感知系統(tǒng)包括攝像頭、多個(gè)二維激光雷達(dá)、非接觸式光電測(cè)速儀、姿態(tài)傳感器、傳感器數(shù)據(jù)處理模塊；所述的平臺(tái)控制系統(tǒng)包括平臺(tái)主控制模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器控制模塊、電源管理模塊、無(wú)線通訊模塊；上述的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、環(huán)境感知系統(tǒng)的傳感器數(shù)據(jù)處理模塊和姿態(tài)傳感器、平臺(tái)控制系統(tǒng)均集成在控制盒內(nèi)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于球輪全向驅(qū)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，其特征在于所述的鋼制卡箍?jī)?nèi)圈直徑小于球輪直徑，內(nèi)圈上安裝萬(wàn)向輪，二者一起卡在球輪之上；球輪支架安裝于鋼制卡箍上；橡膠摩擦輪位于球輪上方表面；驅(qū)動(dòng)電機(jī)安裝于橡膠摩擦輪背后，驅(qū)動(dòng)電機(jī)支架安裝在驅(qū)動(dòng)電機(jī)上，用于連接驅(qū)動(dòng)電機(jī)和球輪支架；平臺(tái)頂板位于三套球輪支架的上方； 控制盒通過(guò)平臺(tái)頂板接入運(yùn)動(dòng)平臺(tái)中。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于球輪全向驅(qū)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，其特征在于所述的三套球輪驅(qū)動(dòng)機(jī)械結(jié)構(gòu)分別位于等腰三角形的三個(gè)頂點(diǎn)，相鄰兩套之間由固定的板件連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于球輪全向驅(qū)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，其特征在于所述的攝像頭安裝的朝向?yàn)槠脚_(tái)運(yùn)動(dòng)初始的前進(jìn)方向，用來(lái)采集平臺(tái)環(huán)境信息數(shù)據(jù)，并傳輸給傳感器數(shù)據(jù)處理模塊。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于球輪全向驅(qū)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，其特征在于所述的平臺(tái)主控制模塊接收傳感器數(shù)據(jù)處理模塊的環(huán)境認(rèn)知信息和無(wú)線通訊模塊的數(shù)據(jù)信息，在確定任務(wù)要求后，結(jié)合所接收到的環(huán)境與通訊信息，自主規(guī)劃平臺(tái)的行駛路徑，發(fā)送指令給電機(jī)驅(qū)動(dòng)器控制模塊；同時(shí)，還可以接收驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速反饋信息和平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)反饋信息，從而控制平臺(tái)穩(wěn)定地行駛。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于球輪全向驅(qū)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，其特征在于所述的二維激光雷達(dá)安裝于平臺(tái)頂板上，朝向?yàn)槠脚_(tái)運(yùn)動(dòng)初始的前進(jìn)方向和后退方向，用來(lái)采集平臺(tái)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的周圍環(huán)境距離信息數(shù)據(jù)，并傳輸給傳感器數(shù)據(jù)處理模塊。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于球輪全向驅(qū)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，其特征在于所述的非接觸式光電測(cè)速儀采用光電反射式測(cè)速原理，檢測(cè)平臺(tái)行進(jìn)過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)速度，朝向地面倒置安裝。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于球輪全向驅(qū)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，其特征在于所述的傳感器數(shù)據(jù)處理模塊負(fù)責(zé)對(duì)平臺(tái)的運(yùn)行環(huán)境信息進(jìn)行認(rèn)知；具有可擴(kuò)展傳感器接口，能夠根據(jù)任務(wù)需要接入其他類型傳感器數(shù)據(jù)。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于球輪全向驅(qū)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，其特征在于所述的電源管理模塊接收電源監(jiān)控信息，具體包括可充電電池組與電源控制系統(tǒng)；可充電電池組提供機(jī)器人平臺(tái)運(yùn)行所需的電能；電源控制系統(tǒng)對(duì)可充電電池組工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，將監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)發(fā)送平臺(tái)主控制模塊，同時(shí)，接收平臺(tái)主控制模塊電源控制指令，控制可充電電池組的輸出電壓。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于球輪全向驅(qū)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，其特征在于所述的無(wú)線通訊模塊負(fù)責(zé)整個(gè)平臺(tái)與外界的數(shù)據(jù)通訊，當(dāng)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)處于人工操控或者多平臺(tái)自主運(yùn)動(dòng)模式時(shí)，該模塊將接收到的通訊數(shù)據(jù)發(fā)送給平臺(tái)主控制模塊，同時(shí)將平臺(tái)主控制模塊的通訊數(shù)據(jù)發(fā)出。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種能夠自主運(yùn)動(dòng)的智能運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，特別涉及一種通過(guò)控制三個(gè)球輪的運(yùn)動(dòng)從而實(shí)現(xiàn)平臺(tái)整體的全向運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)，屬于電機(jī)驅(qū)動(dòng)、傳感器測(cè)距、無(wú)線通訊和自動(dòng)控制技術(shù)領(lǐng)域；具體包括三套同樣的球輪驅(qū)動(dòng)機(jī)械結(jié)構(gòu)和三個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、環(huán)境感知系統(tǒng)和平臺(tái)控制系統(tǒng)；環(huán)境感知系統(tǒng)對(duì)周圍環(huán)境探測(cè)后，將得到的環(huán)境信息傳遞給平臺(tái)控制系統(tǒng)的平臺(tái)主控制模塊；平臺(tái)主控制模塊處理得出控制指令，發(fā)給電機(jī)驅(qū)動(dòng)器控制模塊，球輪在驅(qū)動(dòng)電機(jī)的控制下滾動(dòng)，實(shí)現(xiàn)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)。本發(fā)明基于球體滾動(dòng)的全向性原理，可實(shí)現(xiàn)人工操控與自主運(yùn)行兩種工作模式，以及單平臺(tái)運(yùn)行和多平臺(tái)運(yùn)行方式，具有體積小，平衡性好，運(yùn)動(dòng)行為表現(xiàn)力突出，快速機(jī)動(dòng)和全向運(yùn)動(dòng)性的特點(diǎn)。
文檔編號(hào)G05D1/02GK102495632SQ20111042110
公開日2012年6月13日 申請(qǐng)日期2011年12月15日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月15日
發(fā)明者付元, 呂寧一, 楊毅, 胡鴻, 許涵, 雷金周 申請(qǐng)人:北京理工大學(xué)