搭载七自由度机械臂的麦克纳姆轮移动平台及其控制系统

摘要

本发明涉及全方位移动平台技术领域，具体是搭载七自由度机械臂的麦克纳姆轮移动平台，车体外壳两侧对称设置有四个麦克纳姆轮，轮毂表面中部设置有辊子，与轮毂通过六角螺母连接，辊子两端分别活动连接有第一角接触球轴承和第二角接触球轴承，镜像主轴上装有圆锥滚子轴承、轴套、轴承室、轴承室盖、轴用弹性挡圈，轴承室和轴承室盖贴合在一起，电机减速器轴端跟镜像主轴通过两个圆锥滚子轴承配合在一起，电机减速器周围带有孔结构，所述四轮式全方位麦克纳姆轮移动平台的分层结构包括顶层支架、第二层支架和第一层支架；所述第一层支架放置微控制器芯片，第二层支架放置激光雷达，分层式顶层支架放置两个双目视觉传感器。

说明书

技术领域

本发明涉及全方位移动平台技术领域，尤其是搭载七自由度机械臂的麦克纳姆轮移动平台。

背景技术

麦克纳姆轮是一种可全方位移动的全向轮，简称麦轮，由轮毂和围绕轮毂的辊子组成，麦轮辊子轴线和轮毂轴线夹角成45°。在轮毂的轮缘上斜向分布着许多小轮子，即辊子，故轮子可以横向滑移。辊子是一种没有动力的小滚子，小滚子的母线很特殊，当轮子绕着固定的轮心轴转动时，各个小滚子的包络线为圆柱面，所以该轮能够连续地向前滚动。

全方位麦克纳姆轮移动平台不仅应用在军事上，日常生活上，同时也可以用于卫星零部件装配中。卫星部件装配过程中，卫星装配的部件种类多、工作空间狭窄、工人劳动强度大，因此亟需搭载七自由度机械臂的麦克纳姆轮移动平台及其控制系统，搭载七自由度机械臂到达工人指定的位置，之后同工人协同完成卫星零部件装配工作。

发明内容

(一)解决的技术问题

本发明的目的在于解决全方位移动平台在承载方面的能力和搭载七自由度机械臂到指定的位置，随后让机械臂协同工人完成卫星零部件装配的能力，从而提供一种承载能力强、越障性能好、控制简单的四轮式全方位移动平台。

(二)技术方案

本发明的技术方案：搭载七自由度机械臂的麦克纳姆轮移动平台，所述移动平台包括车体外壳、车顶盖、法兰装置、双目视觉传感器、麦克纳姆轮、第一轮体、第二轮体、第三轮体、第四轮体、主轴、第一角接触球轴承、辊子、第二角接触球轴承、镜像主轴以及采用三层式的分层结构，旨在使全方位麦克纳姆轮移动平台的空间更广泛，所述车体外壳上部车顶盖设置有法兰装置，所述车体外壳两侧对称设置有四个麦克纳姆轮，分别为左后螺旋前端设置的第一轮体、左前螺旋后端设置的第二轮体、右后螺旋前端设置的第三轮体和右前螺旋后端设置的第四轮体，所述四个麦克纳姆轮结构相同，包括主轴、第一角接触球轴承、辊子、第二角接触球轴承、六角螺母和轮毂，所述轮毂侧面设置有主轴，轮毂表面中部设置有辊子，与轮毂通过六角螺母连接，辊子两端分别活动连接有第一角接触球轴承和第二角接触球轴承，所述移动平台还包括四个镜像主轴，所述镜像主轴设置有六个孔，通过六角头螺栓及六角薄螺母与四个麦克纳姆轮相配合；所述镜像主轴上装有圆锥滚子轴承、轴套、轴承室、轴承室盖、轴用弹性挡圈，其中，轴承室和轴承室盖贴合在一起，电机减速器轴端跟镜像主轴通过两个圆锥滚子轴承配合在一起，电机减速器周围带有孔结构，孔结构用十字槽圆柱头螺钉进行配合。所述四轮式全方位麦克纳姆轮移动平台的分层结构包括顶层支架、第二层支架和第一层支架；所述第一层支架放置微控制器芯片(优选型号为stm32f407，具备良好的具有浮点运算能力)，第二层支架放置激光雷达，该激光雷达用于导航定位的作用。分层式顶层支架放置两个双目视觉传感器，主要是用来反馈机械臂夹取卫星零部件的某个瞬间动作的图像信息。

进一步地，所述法兰装置直径为180mm，用于连接移动平台和七自由度机械臂。

进一步地，搭载七自由度机械臂的麦克纳姆轮移动平台的平台主体(即车顶盖)长宽尺寸为850mm×425mm，宽度为长度的一半，用于分析全方位移动平台的运动学和动力学的计算更为简单。全方位移动平台的高度h设置在340mm左右，是为了配合机械臂在完成卫星零部件进行工作时避免因移动平台高度不适当的问题而干扰其正常工作。此移动平台的高度指的是移动平台车盖到麦克纳姆轮与地面接触点之间的距离。

搭载七自由度机械臂的麦克纳姆轮移动平台的控制系统，采用上下位结构包括：工业控制PC机、数据采集卡、姿态传感器、激光雷达、电池管理系统、微控制器、电机驱动器；上位机是工业控制PC机，下位机是微处理器，上下位机之间通过RS-232串行总线通信；上位机工业控制PC机通过wifi模块与远程计算机相连。四个电机驱动器之间通过CAN总线相连，并直接与微控制器stm32f407相连；激光雷达采用以太网通信接口，与工业控制PC机相连；电池管理系统分别与工业控制PC机和微控制器电连接，姿态传感器与工业控制PC机采用RS-232串行总线通信，或与微处理器采用RS-232串行总线通信；数据采集卡与工业控制PC机串口相连，用于将姿态传感器、编码器等传感器采集的信息反馈给上位机。

进一步地，所述电池管理系统根据不同的模块需要的电压不同进行电压转换，用于输出5V、3.3V、9V等不同等级的电压信号。

进一步地，所述姿态传感器采用的是SEC-301姿态传感器，用于移动平台俯仰、横滚姿态检测。用于解决搭载七自由度机械臂后重心不稳造成的影响。

(三)有益效果

与传统的全方位轮平台相比，

1.本发明的承载能力强，能承载重量大于75kg。

2.移动迅捷，行驶最大速度为1m/s。

3.越障性能好，能够实现原地转向。

4.续航时间可达10h。

5.控制更简单可靠。

6.轮体组装和维修都十分方便，轮体数量少且制作简单，节约了制造及其维护的经费。

附图说明

图1为本发明的四轮式麦克纳姆轮移动平台的结构示意图。

图2为本发明的四轮式麦克纳姆轮移动平台的俯视图。

图3为本发明的麦克纳姆轮的结构示意图。

图4为本发明的麦克纳姆轮的主视图。

图5为本发明的麦克纳姆轮的侧视图。

图6为本发明的镜像主轴与轴承室连接示意图。

图7为本发明的镜像主轴的装配结构示意图。

图8为放置在移动平台上的法兰装置零件图。

图9为搭载七自由度机械臂的全方位移动平台的整体模型图。

图10为本发明的控制系统的系统框图。

图11为本发明的控制系统的移动平台整体结构框图。

图12为本发明微控制器的主控制芯片stm32f407的硬件结构图。

图13为本发明的CAN通信接口电路图。

附图标记：车体外壳1、车顶盖2、法兰装置3、双目视觉传感器4、顶层支架5、第二层支架6、第一层支架7、麦克纳姆轮8、第一轮体81、第二轮体82、第三轮体83、第四轮体84、主轴810、第一角接触球轴承811、辊子812、第二角接触球轴承813、六角螺母814、轮毂815、镜像主轴9、轴承室10、圆锥滚子轴承11。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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。

实施例1、请参阅图1-图9，搭载七自由度机械臂的麦克纳姆轮移动平台，所述移动平台包括车体外壳1、车顶盖2、法兰装置3、双目视觉传感器4、麦克纳姆轮8、第一轮体81、第二轮体82、第三轮体83、第四轮体84、主轴810、第一角接触球轴承811、辊子812、第二角接触球轴承813、镜像主轴9以及采用三层式的分层结构，旨在使全方位麦克纳姆轮移动平台的空间更广泛，所述车体外壳1上部车顶盖2设置有法兰装置3，所述法兰装置3直径为180mm，用于连接移动平台和七自由度机械臂；所述车体外壳1两侧对称设置有四个麦克纳姆轮8，分别为左后螺旋前端设置的第一轮体81、左前螺旋后端设置的第二轮体82、右后螺旋前端设置的第三轮体83和右前螺旋后端设置的第四轮体84，所述四个麦克纳姆轮8结构相同，包括主轴810、第一角接触球轴承811、辊子812、第二角接触球轴承813、六角螺母814和轮毂815，所述轮毂815侧面设置有主轴810，轮毂815表面中部设置有辊子812，与轮毂815通过六角螺母814连接，辊子812两端分别活动连接有第一角接触球轴承811和第二角接触球轴承813，所述四个麦克纳姆轮8通过四个直流电机提供动力，四个直流电机(优选maxon电机)分别与微控制器(优选型号stm32f407)电连接，微控制器通过控制电机驱动器(优选EPOS4电机驱动器)来控制电机的运转，所述四个直流电机配置四个编码器，所述编码器将采集到的电机的旋转圈数信息以及位置反馈给微控制器；所述电机驱动器采用24V电源供电，所述移动平台还包括四个镜像主轴，所述镜像主轴设置有六个孔，通过六角头螺栓及六角薄螺母与四个麦克纳姆轮8相配合；所述镜像主轴上装有圆锥滚子轴承11、轴套、轴承室10、轴承室盖、轴用弹性挡圈，其中，轴承室10和轴承室盖贴合在一起，电机减速器轴端跟镜像主轴9通过两个圆锥滚子轴承11配合在一起，电机减速器周围带有孔结构，孔结构用十字槽圆柱头螺钉进行配合。所述四轮式全方位麦克纳姆轮移动平台的分层结构包括顶层支架5、第二层支架6和第一层支架7；所述第一层支架7放置微控制器芯片(优选型号为stm32f407，具备良好的浮点运算能力)，第二层支架6放置激光雷达，该激光雷达用于导航定位的作用。分层式顶层支架5放置两个双目视觉传感器4，主要是用来反馈机械臂夹取卫星零部件的某个瞬间动作的图像信息。

如图1和2所示，具体地，搭载七自由度机械臂的麦克纳姆轮移动平台的平台主体(即车顶盖)长宽尺寸为850mm×425mm，宽度为长度的一半，用于分析全方位移动平台的运动学和动力学的计算更为简单，全方位移动平台的高度h设置在340mm左右，是为了配合机械臂在完成卫星零部件进行工作时避免因移动平台高度不适当的问题而干扰其正常工作。此移动平台的高度指的是移动平台车盖到麦克纳姆轮与地面接触点之间的距离。

如图10-13所示搭载七自由度机械臂的麦克纳姆轮移动平台的控制系统，采用上下位结构，其主要是上位机发出指令给微控制器，微控制器通过控制伺服电机进而控制移动机器人车轮的运动，然后微控制器(优选型号stm32f407)将各个传感器的反馈信息通过串口通信传送给上位机，进而实现控制过程。包括：工业控制PC机、数据采集卡、姿态传感器、激光雷达、电池管理系统、微控制器、电机驱动器；上位机是工业控制PC机，下位机是微处理器，上下位机之间通过RS-232串行总线通信；上位机工业控制PC机通过wifi模块与远程计算机相连。四个电机驱动器之间通过CAN总线相连，并直接与微控制器相连，通信连线简单方便，控制更为稳定；激光雷达采用以太网通信接口，与工业控制PC机相连；电池管理系统采用48v的锂电池供电电源，可以保证该全方位移动平台的10小时左右的续航能力；姿态传感器与工业控制PC机采用RS-232串行总线通信，或与微处理器采用RS-232串行总线通信；数据采集卡与工业控制PC机串口相连，用于将姿态传感器、编码器等传感器采集的信息反馈给上位机。

具体地，所述电池管理系统根据不同的模块需要的电压不同进行电压转换，可用于输出5V、3.3V、9V等不同等级的电压信号。

具体地，所述姿态传感器采用的是SEC-301姿态传感器，用于移动平台俯仰、横滚姿态检测；用于解决搭载七自由度机械臂后重心不稳造成的影响。

具体地，所述激光雷达优选美国生产的威力登(Velodyne)16线三维激光雷达VLP-16，其激光线数为16线，测量范围高达100m，为测量精度±3cm支持两次回波。

本发明中四轮麦克纳姆轮对称布置的特点结构是，第一轮体81和第四轮体84正转，第二轮体82和第三轮体83反转，移动平台向右平移；第二轮体82和第三轮体83正转，第一轮体81和第四轮体84反转，车体向左平移。

在对本全发明的移动平台进行结构设计时可先根据实际要求初步估算移动平台的长度尺寸，然后设定一个初始值l，再根据d＝l/n，可得出麦克纳姆轮得直径的d，n表示麦克纳姆轮的数量。

本发明移动平台电机的选型主要是依据电机的转速和转矩。由于电机转速n和车轮前进速度v之间关系为：

其中：R为电机半径；n为电机转速；再根据电机的扭矩计算公式：

T＝0.001Ffr＝0.001umgr

其中：u为车轮与地面的摩擦因数，r为车轮的半径，m为动平台的承载重量根据扭矩T和电机转速n对电机即可进行选型。

本发明全方位移动平台减速器的选型主要是根据减速比来确定。而减速比：先需确定负载所需转速(也就是减速机出力轴的输出转速)，减速比＝伺服电机的输出转速/减速机轴输出转速。

本发明提供的四轮式麦克纳姆轮全方位移动平台，在上述全方位移动平台的机械结构基础上，该移动平台可以实现前进、横移、斜行、原地旋转等多种运动方式。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的保护范围由所附权利要求及其等同物限定。