CN103640641A - 一种轮式全向移动底盘及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种轮式全向移动底盘及其控制方法，包括底盘，所述底盘包括水平设置的框架和固定在框架内的Y型支架，所述Y型支架包括三条支臂：支臂A、支臂B和支臂C，在三条支臂上分别设置一个电机，在三个电机的输出轴上分别设置一个全向滚轮，每个电机能够带动对应的全向滚轮转动；在Y型支架上还设有控制器和电源，所述控制器与三个电机相连，并能够控制三个电机同时或分别工作；所述电源为控制器和三个电机供电；所述控制方法能够实现底盘的横向移动、前后移动以及原地转动。本发明能够进行横向行驶，转弯半径小，并能够原地转向，从而能够大大降低行驶运行空间，节约场地使用成本。

Description

一种轮式全向移动底盘及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种机械搬运装置，尤其涉及一种轮式全向移动底盘及其控制方法。

 

背景技术

随着现代加工制造业的飞速发展，智能化工厂和智能化物流仓储对操作、控制灵活的搬运机械（如搬运叉车、工件搬运小车）提出了更高的要求。目前，常用的搬运机械多为平行4轮结构，由于滚轮通常由电机直接带动，因此目前的搬运机械只能前后行驶、不能横向（左右）行驶；其方向控制采用双前轮或双后轮转向方式，存在着转弯半径大、原地掉头困难，运行用空间大等问题。

 

发明内容

针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的就在于提供一种轮式全向移动底盘及其控制方法，有效解决了现有搬运机械不能横向行驶，转弯半径大和原地转向困难的问题，能够大大降低行驶运行空间，节约场地使用成本。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是这样的：一种轮式全向移动底盘，包括底盘，其特征在于：所述底盘包括水平设置的框架和固定在框架内的Y形支架，所述Y形支架包括三条支臂：支臂A、支臂B和支臂C，支臂A、支臂B和支臂C的一端相连接，另一端均连接在框架上；支臂A与支臂B之间的夹角和支臂A与支臂C之间的夹角相等，且均大于90°；在三条支臂上分别设置一个电机，共有三个电机：电机A、电机B和电机C，三个电机的输出轴分别与设置各电机的支臂平行；在三个电机的输出轴上分别设置一个全向滚轮，共有三个全向滚轮：全向滚轮A、全向滚轮B和全向滚轮C，每个电机能够带动对应的全向滚轮转动；

在Y形支架上还设有控制器和电源，所述控制器与三个电机相连，并能够控制三个电机同时或分别工作；所述电源为控制器和三个电机供电。

进一步地，所述框架包括平行设置的第一托杆和第二托杆，所述第一托杆的长度大于第二托杆的长度；第一托杆的两端垂直连接两第三托杆，所述第三托杆的一端与第一托杆相连，另一端通过一倾斜设置的第四托杆与第二托杆的两端相连；所述Y形支架的一端与第一托杆相连，另两端分别与两第四托杆相连。

进一步地，所述Y形支架的支臂A与支臂B之间的夹角为135°，支臂A与支臂C之间的夹角为135°，支臂B与支臂C之间的夹角为90°。

进一步地，在框架内还设有至少一根加强杆，所述加强杆的两端与框架固定连接。

进一步地，所述全向滚轮为双轮盘结构，在两轮盘的边缘均套设有数个能自由滚动的轴承滚轮；所述轴承滚轮绕全向滚轮一周，且两轮盘上的轴承滚轮交替错位分布。

进一步地，所述控制器包括信号接收模块、信号处理模块以及信号输出模块，所述信号输出模块将输出控制信号传递给各电机。

进一步地，所述电机A、电机B以及电机C均采用步进电机或减速电机。

一种上述轮式全向移动底盘的控制方法，其特征在于： 

1）．横向移动：

由控制器发出控制信号，控制各电机分别带动各全向滚轮转动；三个电机带动全向滚轮的旋转方向满足：全向滚轮B和全向滚轮C的转动方向在左/右方向的分量方向与全向滚轮A的转动方向一致；三个电机带动全向滚轮转动的速度分别为υ _A 、υ _B 、υ _C ，且满足如下关系：

；

； 

式中，υ为底盘横向左/右移动的速度，

为支臂A与支臂B之间的夹角，

为支臂A与支臂C之间的夹角，

表示全向滚轮B在横向左/右方向的速度分量，

表示全向滚轮C在横向左/右方向的速度分量；

2）．前后移动：

由控制器发出控制信号，控制电机B、电机C分别带动全向滚轮B和全向滚轮C转动，且全向滚轮B和全向滚轮C的转动方向满足：全向滚轮B和全向滚轮C的转动方向在前/后方向上的速度分量方向一致；全向滚轮B和全向滚轮C的转速分别为υ _B 、υ _C ，且满足速度关系式：

；

； 

式中，υ为底盘前/后方向移动的速度，为支臂A与支臂B之间的夹角，

为支臂A与支臂C之间的夹角，

为B轮在前/后方向的速度分量，

为C轮在前/后方向的速度分量；

3）．原地旋转：

由控制器发出控制信号，控制各电机分别带动各全向滚轮转动；三个电机分别带动三个全向滚轮同时进行顺时针转动或逆时针转动，其转速分别为υ _A 、υ _B 、υ _C ，且满足如下关系：

   ；

进一步地，在前后移动过程中，控制器控制全向滚轮A实时做微量的顺时针或逆时针步进转动。

与现有技术相比，本发明的优点在于：结构简单，能够实现前后及左右横向移动，从而实现移动范围广，更能满足现代机械化生产及搬运的需要；同时，该底盘可实现原地转弯，这样使转弯半径更小，从而能够实现底盘的全向移动；这样搬运设备在狭小的空间内也能移动自如，从而能够有效地提高生产效率。

 

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的俯视图；

图3为本发明的仰视图；

图4为本发明横向移动时的控制示意图；

图5为本发明前后方向移动时的控制示意图；

图6为本发明原地旋转时的控制示意图。

图中：1—框架，21—支臂A，22—支臂B，23—支臂C，31—电机A，32—电机B，33—电机C，41—全向滚轮A，42—全向滚轮B，43—全向滚轮C，5—控制器，6—电源，7—接口装置，8—加强杆。

 

具体实施方式

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明。

实施例：参见图1、图2和图3，一种轮式全向移动底盘，包括底盘，所述底盘包括水平设置的框架1和固定在框架1内的Y形支架，所述Y形支架包括三条支臂：支臂A21、支臂B22和支臂C23，支臂A21、支臂B22和支臂C23的一端相连接，另一端均连接在框架1上；其中，支臂A21、支臂B22和支臂C23的长度相等，且支臂A21与支臂B22之间的夹角和支臂A21与支臂C23之间的夹角相等，并均大于90°。具体实施时，所述Y形支架的支臂A21与支臂B22之间的夹角为135°，支臂A21与支臂C23之间的夹角为135°，支臂B22与支臂C23之间的夹角为90°；这样更便于对底盘移动过程的控制。

所述框架1包括平行设置的第一托杆和第二托杆，所述第一托杆的长度大于第二托杆的长度；第一托杆的两端垂直连接两第三托杆，所述第三托杆的一端与第一托杆相连，另一端通过一倾斜设置的第四托杆与第二托杆的两端相连；所述Y形支架的一端与第一托杆相连，另两端分别与两第四托杆相连。整个框架1由数根托杆相连构成，使加工更简单、快捷；该托杆可采用金属材质、木质等，使承载能力更强，并且使连接稳定性更好。在框架1内还设有至少一根加强杆8，所述加强杆8的两端与框架1固定连接；从而使底盘的承载能力更强。

在三条支臂上分别设置一个电机，共有三个电机：电机A31、电机B32和电机C33，三个电机的输出轴分别与设置各电机的支臂平行；从而能够确保电机轴之间的相对位置，以便于对底盘移动方向及速度的控制。所述电机A31、电机B32以及电机C33均采用步进电机或减速电机；更便于进行自动化控制。具体实施时，三个电机分别通过一电机座安装于三条支臂的下方，这样使安装更加方便，并且稳定性更好，同时，电机不会受到运载物品的影响，从而使电机不易受到损坏，安全性更好，使用寿命更长。

在三个电机的输出轴上分别设置一个全向滚轮，共有三个全向滚轮：全向滚轮A41、全向滚轮B42和全向滚轮C43，每个电机能够带动对应的全向滚轮转动；实际装配时，三个全向滚轮均通过连接轴和联轴器对应与三个电机的输出轴相连。所述全向滚轮为双轮盘结构，两轮盘同轴设置，且其轴向与电机轴向重合；采用双轮盘结构，从而使底盘整体的承载能力更强，稳定性更好。在两轮盘的边缘均套设有数个能自由滚动的轴承滚轮；所述轴承滚轮绕全向滚轮一周，且两轮盘上的轴承滚轮交替错位分布；从而使全向滚轮在移动过程中与地面的摩擦转换为滚动摩擦，从而使移动更为流畅。

在Y形支架上还设有控制器5和电源6，所述控制器5与三个电机相连，并能够控制三个电机同时或分别工作；所述电源6为控制器5和三个电机供电。制作时，在控制器内写入控制程序，从而使控制器能够根据指令或写入的预置控制程序自行执行移动。控制器5通过一接口装置7与三个电机相连；所述接口装置7具有与控制器5和三个电机相连的数据传输接口，通过接口装置7将控制器5和电机相连，从而使连接更加方便，并且便于电机或控制器5的通信或更换。所述控制器5包括信号接收模块、信号处理模块以及信号输出模块，通过信号接收模块接收上级控制信号，然后将该信号处理后输出控制传递给电机，从而控制电机带动全向滚轮转动，进而带动底盘进行移动。

一种上述轮式全向移动底盘的控制方法： 

1．横向移动：

如图4所示，由控制器5发出控制信号（或PWM波），控制各电机分别带动各全向滚轮转动。三个电机带动全向滚轮的旋转方向满足：全向滚轮B42和全向滚轮C43的转动方向在左/右方向的分量方向与全向滚轮A41的转动方向一致（相同）；三个电机带动全向滚轮转动的速度分别为υ _A 、υ _B 、υ _C ，且满足如下关系：

；

    

；

式中，υ为底盘横向/左右移动的速度，

为支臂A21与支臂B22之间的夹角，为支臂A21与支臂C23之间的夹角，

表示全向滚轮B42在横向左/右方向的速度分量，

表示全向滚轮C43在横向左/右方向的速度分量。

这样，全向滚轮B42在前/后方向的速度分量为

，全向滚轮C43在前/后方向的速度分量为

，二者速度大小相等方向相反，在前后/方向相互抵消，从而使底盘横向移动。

2．前后移动：

如图5所示，由控制器5发出控制信号（或PWM波），控制电机B32、电机C33分别带动全向滚轮B42和全向滚轮C43转动，且全向滚轮B42和全向滚轮C43的转动方向满足：全向滚轮B42和全向滚轮C43的转动方向在前/后方向上的分量方向一致；全向滚轮B42和全向滚轮C43的转速分别为υ _B 、υ _C ，且满足速度关系式：

；

    

；

式中，υ为底盘前/后方向移动的速度，

为支臂A21与支臂B22之间的夹角，

为支臂A21与支臂C23之间的夹角，

为B轮在前/后方向的速度分量，

为C轮在前/后方向的速度分量。

全向滚轮B42在横向左/右方向的速度分量为

，全向滚轮C43在横向左/右方向的速度分量为

，二者速度大小相等方向相反，在横向左/右方向相互抵消，从而使底盘朝前/后方向移动。

此时，全向滚轮A41用于前后移动过程中的方向调节（或纠偏），其工作由控制器5实时控制做微量的顺时针或逆时针步进转动。当前（后）移动过程中右转弯时，控制器5实时控制电机A31带动全向滚轮A41顺（逆）时针步进转动；当前（后）向移动过程中左转弯时，控制器5实时控制电机A31带动全向滚轮A41逆（顺）时针步进转动；当前（后）直线移动时，控制器5实时控制电机A31带动全向滚轮A41顺时针或反顺时针步进转动，使移动方向保持不变。

3．原地旋转：

如图6所示，由控制器5发出控制信号（或PWM波），控制各电机分别带动各全向滚轮转动；三个电机分别带动三个全向滚轮同时进行顺时针转动或逆时针转动，其转速分别为υ _A 、υ _B 、υ _C ，且满足如下关系：

     ； 

此时，底盘以三个全向滚轮所在圆的圆心O为中心转动。

最后需要说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制技术方案，本领域的普通技术人员应当理解，那些对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (9)

1.一种轮式全向移动底盘，包括底盘，其特征在于：所述底盘包括水平设置的框架和固定在框架内的Y形支架，所述Y形支架包括三条支臂：支臂A、支臂B和支臂C，支臂A、支臂B和支臂C的一端相连接，另一端均连接在框架上；支臂A与支臂B之间的夹角和支臂A与支臂C之间的夹角相等，且均大于90°；在三条支臂上分别设置一个电机，共有三个电机：电机A、电机B和电机C，三个电机的输出轴分别与设置各电机的支臂平行；在三个电机的输出轴上分别设置一个全向滚轮，共有三个全向滚轮：全向滚轮A、全向滚轮B和全向滚轮C，每个电机能够带动对应的全向滚轮转动；

在Y形支架上还设有控制器和电源，所述控制器与三个电机相连，并能够控制三个电机同时或分别工作；所述电源为控制器和三个电机供电。

2.根据权利要求1所述的一种轮式全向移动底盘，其特征在于：所述框架包括平行设置的第一托杆和第二托杆，所述第一托杆的长度大于第二托杆的长度；第一托杆的两端垂直连接两第三托杆，所述第三托杆的一端与第一托杆相连，另一端通过一倾斜设置的第四托杆与第二托杆的两端相连；所述Y形支架的一端与第一托杆相连，另两端分别与两第四托杆相连。

3.根据权利要求1或2所述的一种轮式全向移动底盘，其特征在于：所述Y形支架的支臂A与支臂B之间的夹角为135°，支臂A与支臂C之间的夹角为135°，支臂B与支臂C之间的夹角为90°。

4.根据权利要求3所述的一种轮式全向移动底盘，其特征在于：在框架内还设有至少一根加强杆，所述加强杆的两端与框架固定连接。

5.根据权利要求1所述的一种轮式全向移动底盘，其特征在于：所述全向滚轮为双轮盘结构，在两轮盘的边缘均套设有数个能自由滚动的轴承滚轮；所述轴承滚轮绕全向滚轮一周，且两轮盘上的轴承滚轮交替错位分布。

6.根据权利要求1所述的一种轮式全向移动底盘，其特征在于：所述控制器包括信号接收模块、信号处理模块以及信号输出模块，所述信号输出模块将输出控制信号传递给各电机。

7.根据权利要求1所述的一种轮式全向移动底盘，其特征在于：所述电机A、电机B以及电机C均采用步进电机或减速电机。

8.一种如上述任一权利要求所述的轮式全向移动底盘的控制方法，其特征在于：

1）．横向移动：

由控制器发出控制信号，控制各电机分别带动各全向滚轮转动；三个电机带动全向滚轮的旋转方向满足：全向滚轮B和全向滚轮C的转动方向在左/右方向的分量方向与全向滚轮A的转动方向一致；三个电机带动全向滚轮转动的速度分别为υ _A 、υ _B 、υ _C ，且满足如下关系：

；

； 

式中，υ为底盘横向左/右移动的速度，

为支臂A与支臂B之间的夹角，为支臂A与支臂C之间的夹角，

表示全向滚轮B在横向左/右方向的速度分量，

表示全向滚轮C在横向左/右方向的速度分量；

2）．前后移动：

由控制器发出控制信号，控制电机B、电机C分别带动全向滚轮B和全向滚轮C转动，且全向滚轮B和全向滚轮C的转动方向满足：全向滚轮B和全向滚轮C的转动方向在前/后方向上的速度分量方向一致；全向滚轮B和全向滚轮C的转速分别为υ _B 、υ _C ，且满足速度关系式：

；

； 

式中，υ为底盘前/后方向移动的速度，为支臂A与支臂B之间的夹角，

为支臂A与支臂C之间的夹角，

为B轮在前/后方向的速度分量，为C轮在前/后方向的速度分量；

3）．原地旋转：

由控制器发出控制信号，控制各电机分别带动各全向滚轮转动；三个电机分别带动三个全向滚轮同时进行顺时针转动或逆时针转动，其转速分别为υ _A 、υ _B 、υ _C ，且满足如下关系：

   。

9.一种如权利要求8所述的轮式全向移动底盘的控制方法，其特征在于：在前后移动过程中，控制器控制全向滚轮A实时做微量的顺时针或逆时针步进转动。

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