机器人底盘及其控制方法与流程

本申请涉及机器人底盘技术领域，特别涉及一种机器人底盘及其控制方法。

背景技术：

目前，移动机器人正逐步应用于服务领域，例如餐厅送餐、酒店楼宇中配送物品等场景。然而机器人要完成上述服务对其移动性能有着极高的要求，通常要求其底盘在移动过程中要具有很好的稳定性，移动机器人通常具有对称设置的驱动轮和对称设置的万向轮。现有技术中移动机器人的经典底盘结构为：中间两个驱动轮差速控制底盘前进和旋转等运动，前后各两个万向轮作为辅助轮支撑底盘。

而在实际应用中，万向轮为了保证其被动跟随性能要有偏心距e，偏心距e过小转向跟随性差，偏心距e一般要大于20mm。万向轮的支撑点到底盘重心的距离f越大底盘越稳定。然而现有的移动机器人使用的偏心万向轮在保证最大f的同时，容易导致底盘发生晃动，在移动机器人有限的占地面积下，无法提高万向轮的支撑点到底盘重心的距离f。

技术实现要素：

本申请的目的在于提供一种机器人底盘，旨在增加辅助轮支撑点到重心的距离，降低底盘绕水平轴和竖直轴的晃动。

本申请是这样实现的，一种机器人底盘，包括：

底盘，所述底板上设置有用于驱动所述底板移动的第一驱动轮和第二驱动轮；

驱动机构，所述驱动机构设置于所述底板上；

辅助轮，所述辅助轮通过所述驱动机构可转动地设置于所述底板上；

控制器，所述控制器与所述驱动机构电连接，且可根据所述底板的驱动轮的移动控制所述驱动机构驱动所述辅助轮转向。

在本申请的一些实施例中，可选地，所述机器人底盘还包括轮架，所述辅助轮设置于所述轮架，且所述轮架的顶端设置有转台，所述转台与所述驱动机构连接，所述驱动机构驱动所述转台转动以带动所述轮架转动。

在本申请的一些实施例中，可选地，所述轮架可相对所述转台上下移动，且所述轮架与所述转台之间连接有减震组件，从而使所述辅助轮具有减震效果。

在本申请的一些实施例中，可选地，所述机器人底盘还包括传动机构，所述驱动机构的输出轴和所述转台不同轴设置，所述传动机构分别与所述驱动机构和所述辅助轮传动连接，所述驱动机构驱动所述传动机构带动所述辅助轮转向。

在本申请的一些实施例中，可选地，所述机器人底盘还包括支架，所述支架固定于所述底板上，所述驱动机构设置于所述支架上，并位于所述支架的顶部与所述底板之间，所述传动机构设置于所述支架的顶部，并与所述驱动机构分别位于所述支架的顶部的两侧。

在本申请的一些实施例中，可选地，所述机器人底盘还包括位置检测装置，所述位置检测装置用于检测所述轮架的转向角度或转向角度零位。

在本申请的一些实施例中，可选地，所述辅助轮位于所述第一驱动轮和所述第二驱动轮的前方。

在本申请的一些实施例中，可选地，所述位置检测装置包括固定于所述轮架的挡板和设置于所述底板接近开关传感器。

在本申请的一些实施例中，可选地，所述位置检测装置为与所述轮架或所述驱动机构连接的绝对值编码器。

在本申请还提供了一种机器人底盘的控制方法，该控制方法适用于上述任一实施例中所述的机器人底盘，包括：

获取第一驱动轮和第二驱动轮的线速度v1和v2；

根据获取的第一驱动轮的线速度v1和获取的第二驱动轮的线速度v2计算出辅助轮的转向角度x，控制辅助轮按照转向角度x转向。

在本申请的一些实施例中，可选地，当v1大于v2时根据公式：

计算出x；

当v1小于v2时根据公式：

计算出x；

当v1等于v2时，x＝0；其中，a为第一驱动轮和第二驱动轮的轮距，b为辅助轮在竖直方向旋转轴心g到轴线n的距离，b为正负值，以轴线n为界，轴心g在第二驱动轮侧时b为正，轴心g在第一驱动轮侧时b为负，轴线n为第一驱动轮和第二驱动轮的前进方向中轴线，c为轴心g到轴线m的距离，轴线m为第一驱动轮和第二驱动轮的共同旋转轴线。

在本申请的一些实施例中，可选地，获取底盘运动状态；

根据获取的底盘运动状态为运动时，发出第一驱动轮和第二驱动轮的线速度输出指令，同时发出辅助轮的转向角度输出指令；或

根据获取的底盘运动状态为停止时，发出辅助轮的转向角度，当所述辅助轮的转向角度达到预设角度时，发出第一驱动轮和第二驱动轮的线速度输出指令。

在本申请的一些实施例中，可选地，根据获取的底盘运动状态为运动时，发出第一驱动轮和第二驱动轮的线速度变化输出指令不得早于发出辅助轮的转向角度的输出指令。

本申请提供的机器人底盘的有益效果在于：与现有技术相比，本申请的机器人底盘，辅助轮与驱动机构转动连接，控制器可根据底盘的驱动轮的移动控制驱动机构驱动辅助轮转向，这样在底盘的驱动轮移动和转向时，通过驱动机构驱动辅助轮转向，进而驱动辅助轮转向，相对现有技术中使用偏心万向轮跟随驱动轮移动转向，不用进行偏心设置，直接由驱动机构驱动辅助轮转向，由于不用偏心设计，增加了辅助轮支点到底盘重心的距离，降低了底盘绕水平轴的晃动，同时，当底盘绕竖直轴晃动或打滑时，驱动机构控制转向的辅助轮与地面有垂直辅助轮滚动方向的摩擦力，进而降低底盘绕竖直轴的晃动和打滑，提高了底盘移动的稳定性，另外，移动底盘的控制方法，通过获取两个驱动轮的线速度，通过函数关系式计算出辅助轮的转向角度，进而实现了辅助轮转向角度的实时可靠控制。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，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是本申请的一个实施例提供的机器人底盘的一视角结构示意图；

图2是本申请的一个实施例提供的机器人底盘的另一视角结构示意图；

图3是本申请的另一个实施例提供的机器人底盘的一视角结构示意图；

图4是本申请的另一个实施例提供的机器人底盘的另一视角结构示意图；

图5图4中a-a向的剖面结构示意图；

图6是本申请的一个实施例提供的机器人底盘控制方法的流程图；

图7是图2中所示的机器人底盘的俯视图。

上述附图所涉及的标号明细如下：

1-底盘；2-驱动机构；3-轮架；4-驱动轮；5-辅助轮；6-传动机构；7-转台；8-减震组件；9-支架；10-检测装置；

11-万向轮；

61-同步轮带；62-同步轮；

81-固定轴；82-弹簧；

91-竖板；92-横板；

101-挡板；102-接近开关。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

需说明的是，当部件被称为“固定于”或“设置于”另一个部件，它可以直接或者间接位于该另一个部件上。当一个部件被称为“连接于”另一个部件，它可以是直接或者间接连接至该另一个部件上。术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置为基于附图所示的方位或位置，仅是为了便于描述，不能理解为对本技术方案的限制。术语“第一”、“第二”仅用于便于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明技术特征的数量。“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

为了说明本申请所述的技术方案，以下结合具体附图及实施例进行详细说明。

如图1至图5所示，本申请的一个实施例提供了一种机器人底盘，包括底板1、驱动机构2、控制器和辅助轮5，所述底板1上设置有用于驱动所述底板1移动的第一驱动轮和第二驱动轮，所述驱动机构2设置于所述底板1上；所述辅助轮5通所述驱动机构2可转动地设置于所述轮架3上，所述控制器与所述驱动机构2电连接，且可根据所述底板1的驱动轮4的移动控制所述驱动机构2驱动所述辅助轮5转向。

在底板1的驱动轮4移动转向时，驱动机构2驱动辅助轮5转动，进而实现对辅助轮5的转向。

本申请的实施例提供的机器人底板1，辅助轮5与驱动机构2转动连接，控制器可根据底板1的驱动轮4的移动控制驱动机构2驱动辅助轮5转向，这样在底板1的驱动轮4移动和转向时，通过驱动机构2驱动辅助轮5转向，进而驱动辅助轮5转向，相对现有技术中使用偏心万向轮跟随驱动轮移动转向，不用进行偏心设置，直接由驱动机构2驱动辅助轮5转向，由于不用偏心设计，提高了辅助轮5支点的距离，降低了底板1绕水平轴的晃动，同时，当底板1绕竖直轴晃动和打滑时，驱动机构2(电机)控制转向的辅助轮与地面有垂直辅助轮滚动方向的摩擦力，，进而降低底板1绕竖直轴的晃动和打滑，提高了底板1移动的稳定性。

在本申请的上述实施例中，可选地，如图2、图4和图5所示，所述机器人底盘还包括轮架3，所述辅助轮5设置于所述轮架3，且所述轮架3的顶端设置有转台7，所述转台7与所述驱动机构2连接，所述驱动机构2驱动所述转台7转动以带动所述轮架3转动。

在本实施例中，轮架3的顶端转台7通过轴承与驱动机构2的输出端连接，也可以通过传动机构6与转台7连接，使轮架3的转动平稳顺畅。

在本申请的一些实施例中，可选地，如图2、图4和图5所示，所述轮架3可相对所述转台7上下移动，且所述轮架3与所述转台7之间连接有减震组件8，从而使所述辅助轮5具有减震效果。

在本实施例中，具体地，减震组件8可以为弹簧82和固定轴81构成，两个固定轴81分别固定在轮架3的两侧，弹簧82分别套设在固定轴81上，固定轴81的顶端与转台7固定连接，使轮架3相对转台7只有一个上下浮动的自由度，驱动机构2驱动转台7转动时，转台7带动轮架3转动，当轮架3遇到坑洼路面时，弹簧82对轮架3起到了减震作用，进而对辅助轮5起到了减震效果，当然减震组件8还可以选择其他的减震结构，在此就不一一赘述。

在本申请的一些实施例中，可选地，如图1、图2和图3所示，所述机器人底板1还包括传动机构6，所述驱动机构2的输出轴和所述转台7不同轴设置，所述传动机构6分别与所述驱动机构2和所述辅助轮5传动连接，所述驱动机构2驱动所述传动机构6带动所述辅助轮5转向。

在本实施例中，驱动机构2的输出端与传动机构6的一端连接，传动机构6的另一端与所述轮架3转动连接，进而驱动机构2驱动的输出端转动，带动传动机构6转动，传动机构6在带动辅助轮5转动，进而使辅助轮5转向，可选地，驱动机构2可以为电机，传动机构6可以选择同步带轮62轮和同步带轮62构成，具体地，电机的输出端与一个同步带轮62轮连接，另一个同步带轮62轮与轮架3连接，两个同步带轮62轮通过同步带轮62连接，优选地，与电机输出端连接的同步带轮62轮的轮径小于与轮架3连接的同步带轮62轮，这样使电机输出端转动后，通过同步带轮62轮和同步带轮62的传动到辅助轮上，使其转动更加平稳。而且，驱动机构2的输出轴和转台7不同轴设置，使驱动机构2与转台7相错开设置，整体降低了底板的高度。

在本申请的一些实施例中，可选地，如图1、图2、图4和图5所示，所述机器人底板1还包括支架9，所述支架9固定于所述底板1上，所述驱动机构2设置于所述支架9上，并位于所述支架9的顶部与所述底板1之间，所述传动机构6设置于所述支架9的顶部，并与所述驱动机构2分别位于所述支架9的顶部的两侧。

在本实施例中，支架9有两个竖板91和一个横板92构成，两个竖板91固定在底板1上，横板92分别与两个竖板91连接，驱动机构2安装在横板92的一侧，传动机构6安装在横板92的另一侧，使驱动机构2位于横板92与底板1之间，减少驱动占用空间。

需要说明的是，驱动机构2也可以为步进电机，传动机构6为蜗轮、蜗杆和减速机组合形成，通过步进电机可准确控制辅助轮5的转动角度，且成本比伺服电机低，蜗轮、蜗杆和减速机的组合可以提高输出扭矩，且可以实现自锁，避免电机一直保持扭矩的输出。

在本申请的一些实施例中，可选地，如图1所示，所述机器人底板1还包括位置检测装置10，所述位置检测装置10用于检测所述轮架3的转向角度或转向角度零位。

可选地，所述位置检测装置10包括固定于所述轮架3的挡板101和设置于所述底板1接近开关102传感器。

在本实施例中，配置位置检测装置10主要为了检测轮架3的转向角度或转向角度零位，也就是检测辅助轮5的转向角度或转向角度零位，可选地，轮架3转动时，通过接近开关102检测挡板101的位置，进而检测确定辅助轮5的转向角度或转向角度零位，便于对辅助轮5转向角度的实时掌控。可选地，接近开关102可以设置在支架9上，挡板101设置在转台7上，转台7转动时带动挡板101移动，通过接近开关102进行检测定位。

在本申请的上述实施例中，可选地，所述位置检测装置10为与所述轮架3或所述驱动机构2连接的绝对值编码器。绝对值编码器固定在轮架3或驱动机构2的输出端，这样绝对值编码器可以实时反馈辅助轮5的转向位置给机器人的控制系统。

图1和图3所示，在本申请的一些实施例中，可选地，所述辅助轮5位于所述第一驱动轮和所述第二驱动轮的前方。

在本实施例中，需要说明的是，辅助轮5可以设置两个，例如两个辅助轮5通过轮架3设置在底板1的前部，两个万向轮11设置在底板1的后部；或辅助轮5为1个，一个辅助轮5设置在底板1的前部中间，也就是底板1的中轴线上，该辅助轮5的两侧分别设置一个万向轮11，并在底板1的后部设置两个万向轮11；或辅助轮5一个，该辅助轮5设置在底板1的前部中间，底板1的后部设置两个万向轮11；或辅助轮5有四个，在底板1的前部和后部分别设置两个，不设置万向轮11；或辅助轮5为两个，一个辅助轮5设置在底板1的前部中间位置，另一个辅助轮5设置在底板1的后部中间位置，不设置万向轮11；上述的辅助轮5均由驱动机构2驱动转向。

如图6和图7所示，在本申请的实施例还提供了一种机器人底盘的控制方法，该控制方法适用于上述任一实施例中所述的机器人底盘，包括：

步骤s1，获取第一驱动轮和第二驱动轮的线速度v1和v2；

步骤s2，根据获取的第一驱动轮的线速度v1和获取的第二驱动轮的线速度v2计算出辅助轮的转向角度x，控制辅助轮按照转向角度x转向。

本实施例提供的对上述机器人底盘的控制方法，通过获取两个驱动轮的线速度，通过函数关系式计算出辅助轮的转向角度，进而实现了辅助轮转向角度的实时可靠控制。

在本申请的上述实施例中，可选地，

当v1大于v2时根据公式：

,

计算出x；

当v1小于v2时根据公式：

,

计算出x；

当v1等于v2时，x＝0；

其中，a为第一驱动轮和第二驱动轮的轮距，b为辅助轮在竖直方向旋转轴心g到轴线n的距离，b为正负值，以轴线n为界，轴心g在第二驱动轮侧时b为正，轴心g在第一驱动轮侧时b为负，轴线n为第一驱动轮和第二驱动轮的前进方向中轴线，c为轴心g到轴线m的距离，轴线m为第一驱动轮和第二驱动轮的共同旋转轴线。。辅助轮为一个时，该辅助轮设置在底板的前方中间位置，该辅助轮在竖直方向的旋转轴心在第一驱动轮和第二驱动轮的前进方向中轴线上，此时b为0。

需要说明的是，当辅助轮为两个时，两个辅助轮分别为底板的驱动轮的前方，也就是第一驱动轮和第二驱动轮的前方，根据获取的第一驱动轮的线速度v1和获取的第二驱动轮的线速度v2计算出第一辅助轮的转向角度x1和第二辅助轮的转向角度x2，控制第一辅助轮按照转向角度x1转向和第二辅助轮按照转向角度x2转向。如图7所示，根据以上公式可得出下面公式：

当v1大于v2时：

当v1小于v2时，

当v1＝v2时，x1＝x2＝0

其中，a为第一驱动轮和第二驱动轮的轮距，b1和b2分别为第一辅助轮和第二辅助轮在竖直方向旋转轴心到轴线n的距离，轴线n为第一驱动轮和第二驱动轮的前进方向中轴线，c1和c2分别为第一辅助轮和第二辅助轮在竖直方向旋转轴心到轴线m的距离，轴线m为第一驱动轮和第二驱动轮的共同旋转轴线。其中，计算出的x1和x2的转向角度大于等于零度，且小于180度。

另外，需要说明的是，v1、v2可以都为正数，此时底盘向前移动或绕轴线m上的某一点转动；

v1、v2也可以都为负数，此时，底盘向后移动或绕轴线m上的某一点转动；

v1、v2可以一正一负，此时底盘绕轴线m上的某一点转动。

一般情况下两个驱动轮的外径一样，v1/v2＝w1/w2，w1和w2分别为第一驱动轮和第二驱动轮的转速，若两个驱动轮外径不一样，可通过转速乘以轮半径求出速度，再求求出两驱动轮的线速度比。

在本申请的一些实施例中，可选地，还包括步骤s101，获取底盘运动状态；

步骤s102，根据获取的底盘运动状态为运动时，发出第一驱动轮和第二驱动轮的线速度输出指令，同时发出辅助轮的转向角度输出指令；或

步骤s103，根据获取的底盘运动状态为停止时，发出辅助轮的转向角度，当所述辅助轮的转向角度达到预设角度时，发出第一驱动轮和第二驱动轮的线速度输出指令。

在本申请的一些实施例中，可选地，在步骤s102中，根据获取的底盘运动状态为运动时，发出第一驱动轮和第二驱动轮的线速度变化输出指令不得早于发出辅助轮的转向角度的输出指令。

综上所述，与现有技术相比，本申请的机器人底盘，辅助轮与驱动机构转动连接，这样在底盘的驱动轮移动和转向时，控制器可根据底盘的驱动轮的移动控制驱动机构驱动辅助轮转向，通过驱动机构驱动辅助轮转向，进而驱动辅助轮转向，相对现有技术中使用偏心万向轮跟随驱动轮移动转向，不用进行偏心设置，直接由驱动机构驱动辅助轮转向，由于不用偏心设计，增加了辅助轮支点到底盘重心的距离，降低了底盘绕水平轴的晃动，同时，当底盘绕竖直轴晃动或打滑时，驱动机构控制转向的辅助轮与地面有垂直辅助轮滚动方向的摩擦力，进而降低底盘绕竖直轴的晃动和打滑，提高了底盘移动的稳定性，另外，移动底盘的控制方法，通过获取两个驱动轮的线速度，通过函数关系式计算出辅助轮的转向角度，进而实现了辅助轮转向角度的实时可靠控制。

以上所述仅为本申请的可选实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。