能实现自由路径行走的轮式行走装置制造方法
【专利摘要】本实用新型公开的能实现自由路径行走的轮式行走装置，包括有轮式行走车和自由变域导向及控制部件；轮式行走车包括行走主体，行走主体左、右两侧有驱动轮组件，行走主体的前、后有自由轮组件；自由变域导向及控制部件包括数控单元、陀螺仪、编码器、视觉传感器、开关量超声波传感器及模拟量超声波传感装置；数控单元设于行走主体上，陀螺仪位于两个驱动轮线的中部位置，编码器与电机主轴相接，开关量超声波传感器对称并居中设于行走主体的前后，两个视觉传感器对称设于行走主体前部开关量超声波传感器的两侧，模拟量超声波传感器位于行走主体左右两侧。本实用新型的轮式行走装置不仅能灵活地沿自由路径行走，而且在作业站点具有较高的停靠精度。
【专利说明】能实现自由路径行走的轮式行走装置
【技术领域】
[0001]本实用新型属于机械作业控制设备【技术领域】，涉及一种能实现自由路径行走的轮式行走装置。
【背景技术】
[0002]进行机械作业(如:加工、装配、物流交接等)操作的机械(如:机器人、加工机)称为作业机，被施加作业的对象(被加工的工件、装配的零件、物流交接的物料)称为作业对象。
[0003]变域型作业指的是安装作业对象的底座和安装作业机的底座中，一个固定在大地上，另一个可相对大地运动，即两底座二者之间有相对运动，运动的底座可以是安装作业机的底座，也可以是安装作业对象的底座。按照变域机构运动的导向性质分类，变域型作业方式又可分为非自由路径变域作业方式和自由路径变域作业方式。
[0004]一般变域作业方式是采用机座沿导轨、轨道或传送带等硬件连续引导装置的路径运动来改变作业区域的方式进行变域，若要改变路径必须重新配置硬件连续引导装置，这种不能随机地、自由地变更路径的变域作业方式称为非自由路径变域作业方式。
[0005]大型零件(如飞机、船舶、列车大型油气罐等)的加工或装配往往有若干个部位需要进行铣、钻、扩、铰等切削加工或铆、焊加工，在不同的加工部位进行加工可称为加工工位，当不同加工工位之间的距离较大、工位的分布又是随机的，采用非自由路径变域作业很难实现或无法实现。
[0006]作业领域可沿自由路径变更的作业方式可称为自由路径变域作业方式(可简称自由变域作业)。自由变域作业由导向与定位控制装置、变域装置和作业机等实现，导向与定位控制装置自动控制变域装置沿自由路径移动到各个作业站点(即完成变域功能)，然后由作业机完成作业。沿自由路径运动的变域装置可采用轮式行走装置，如在自动化物流系统中，由轮式行走装置搬运工件，由机器人进行物流交接作业，将工件从轮式行走装置上抓取，放在货架上等。
[0007]目前，轮式行走装置的导引方式仍广泛采用电磁导引方式，电磁导引方式需要在要行走的路线下埋设专门的电缆线，故这种导引方式变更路径困难。近年来，科学技术人员对轮式行走装置的导引技术进行了广泛研究，如:惯性导引技术、激光导引技术、超声波导引技术和视觉导引技术，惯性导引技术的定位误差将随轮式行走装置运行距离的增加而增大，即定位误差有累积效应，因此必须隔一定的距离用绝对定位的方法更新其位姿信息，惯性导引技术的优点是柔性极好，便于与其它导引技术组合兼容；激光导引技术定位标识物(反射镜面)的张贴和维护困难、激光传感器和发射或反射装置的安装复杂；超声波导引技术利用墙面或类似物体对超声波的反射信号进行导向定位，因而成本低，但超声波导引技术当运行环境的反射情况比较复杂时，应用就十分困难；视觉导引技术能提供最丰富的感知信息，精度高、柔性强，但其对连续动态视频图像的处理实时性比较差。
实用新型内容[0008]本实用新型的目的在于提供一种能实现自由路径行走的轮式行走装置，不仅可以实现灵活地沿自由路径行走，而且在作业站点具有较高的停靠精度。
[0009]本实用新型所采用的技术方案是，能实现自由路径行走的轮式行走装置，包括有轮式行走车和自由变域导向及控制部件；轮式行走车包括有行走主体，行走主体的左、右两侧分别对称设置有一个驱动轮组件，行走主体的前部、后部分别对称设置有两个自由轮组件；自由变域导向及控制部件，包括有数控单元、陀螺仪、两个编码器、两个视觉传感器、两个开关量超声波传感器及两组模拟量超声波传感装置；数控单元设置于行走主体的上面，陀螺仪设置于两个驱动轮组件中的两个驱动轮轴线的中部位置，两个编码器分别与两个驱动轮组件中的电机主轴同轴连接，一个开关量超声波传感器设置于行走主体的前部中央位置，另一个开关量超声波传感器对称的设置于行走主体的后部中央位置，行走主体前部的开关量超声波传感器的两侧各对称设置有一个视觉传感器，两组模拟量超声波传感装置分别设置于行走主体的左、右两侧；数控单元分别通过导线与陀螺仪、两个编码器、两个驱动轮组件、两个视觉传感器、两个开关量超声波传感器及两组模拟量超声波传感装置分别连接。
[0010]本实用新型的特点还在于，
[0011]驱动轮组件，包括有通过导线连接的驱动轮和电机。
[0012]电机为直流伺服电机。
[0013]编码器为旋转编码器。
[0014]每组模拟量超声波传感装置由两个相同的模拟量超声波传感器组成。
[0015]本实用新型的有益效果在于:
[0016]本实用新型能实现自由路径行走的轮式行走装置包括有陀螺仪、编码器、超声波传感器、视觉传感器、导向及定位控制单元和轮式行走车，陀螺仪、编码器、超声波传感器、视觉传感器和导向及定位控制单元均安装在轮式行走车上，通过组合导航方式实现轮式行走车的自由路径行走及在作业站点的准确定位功能。
【专利附图】
【附图说明】
[0017]图1是本实用新型的轮式行走装置的移动路线示意图；
[0018]图2是本实用新型的轮式行走装置的结构示意图；
[0019]图3是本实用新型的轮式行走装置的组合定位原理示意图；
[0020]图4为本实用新型的轮式行走装置的惯性和视觉组合定位算法流程图；
[0021]图5为本实用新型的轮式行走装置的位姿校正示意图；
[0022]图6为本实用新型的轮式行走装置的位姿校正闭环控制原理图。
[0023]图中，1.轮式行走装置，1-1.行走主体，1-2.驱动轮组件，1-3.数控单元，1_4.自由轮组件，1-5.陀螺仪，1-6.编码器，1-7.视觉传感器，1-8.开关量超声波传感器，1-9.模拟量超声波传感器，2.位姿校正标识物，3.定位标识物，4.工作台，5.自由路径。
【具体实施方式】
[0024]下面结合附图和【具体实施方式】对本实用新型进行详细说明。
[0025]如图1所示，本实用新型的轮式行走装置的移动路线示意图，其中的A、B、C、D为作业现场的若干个作业站点，本实用新型的轮式行走装置能够沿预先设定的自由路径5移动，轮式行走装置每移动到每一个作业站点后，都要进行位姿校正，然后由作业机进行作业任务，一个作业站点的作业任务完成后，轮式行走装置再移动到另一个作业站点，重复上述循环，直到全部作业任务完成。
[0026]本实用新型的轮式行走装置1，其结构如图2所示，包括有轮式行走车和自由变域导向及控制部件；轮式行走车包括有行走主体1-1，行走主体1-1的左、右两侧分别对称设置有一个驱动轮组件1-2，行走主体1-1的前部、后部分别对称设置有两个自由轮组件1-4 ；自由变域导向及控制部件，包扩有数控单元1-3、陀螺仪1-5、两个编码器1-6、两个视觉传感器1-7、两个开关量超声波传感器1-8及两组模拟量超声波传感装置；数控单元1-3设置于行走车体的上面，陀螺仪1-5设置于两个驱动轮组件1-2中两个驱动轮轴线的中部位置，两个编码器1-6分别与两个驱动轮组件1-2中的电机主轴同轴连接，一个开关量超声波传感器1-8设置于行走主体1-1的前部中央，另一个开关量超声波传感器1-8对称的设置于行走主体1-1的后部中央，行走主体1-1前部的开关量超声波传感器1-8的两侧各对称设置有一个视觉传感器1-7，两组模拟量超声波传感装置分别设置于行走主体1-1的左、右两侧；数控单元1-3分别通过导线与陀螺仪1-5、两个编码器1-6、两个驱动轮组件1-2、两个视觉传感器1-7、两个开关量超声波传感器1-8及两组模拟量超声波传感装置分别连接。
[0027]驱动轮组件1-2，包括有通过导线连接的驱动轮和电机，电机为直流伺服电机。
[0028]编码器1-6为旋转编码器。
[0029]每组模拟量超声波传感装置由两个相同的模拟量超声波传感器1-9组成。
[0030]本实用新型的轮式行走装置组合定位，如图3所示，各部件的相互作用如下:
[0031]行走主体1-1上的数控单元1-3用于对轮式行走装置I实现导向及定位；
[0032]行走主体1-1的左、右两侧各设置有一个驱动轮组件1-2 (共有2个)，两个驱动轮组件1-2均由数控单元1-3控制，带动轮式行走装置I自动行走和差速转弯转向及定位；两个驱动轮组件1-2上各安装有一个编码器1-6 (共2个)，行走主体1-1上安装有陀螺仪1-5，陀螺仪1-5和编码器1-6用于对轮式行走装置I在行走途中进行惯性导航与定位；
[0033]行走主体1-1的前部、后部各设置有两个自由轮组件1-4 (共有4个)，自由轮组件1-4本身无动力源，仅对轮式行走装置I起支承作用；
[0034]行走主体1-1的前部设置有两个视觉传感器1_7(共有2个)，用于对惯性定位的定位误差进行修正；行走主体1-1的前、后各设置有一开关量超声波传感器1-8 (共有2个)，用于对轮式行走装置I在其行走途中进行障碍物检测；行走主体1-1的左、右各设置有两个相同的模拟量超声波传感器1-9 (共有4个)，轮式行走装置内侧(靠近作业站点)的模拟量超声波传感器1-9用于对轮式行走装置I在其到达作业站点前进行位姿校正及最终定位。
[0035]其中，数控单元1-3、陀螺仪1-5、编码器1-6、视觉传感器1_7、开关量超声波传感器1-8 —起构成轮式行走装置I的自由路径行走控制部分，数控单元1-3、模拟量超声波传感器1-9和后续的位姿校正标识物2、定位标识物3 —起构成轮式行走装置I的位姿校正及定位控制部分。
[0036]图4是本实用新型的轮式行走装置的惯性和视觉组合定位算法流程图，具体如下:
[0037]当惯性定位信度小于指定的阈值tl时，采用视觉传感器1-7对轮式行走装置进行视觉定位；
[0038]当视觉定位信度大于指定阈值t2时，用视觉定位的结果对轮式行走装置的位姿进行更新，从而完成了对惯性定位累积误差的修正。
[0039]图5为本实用新型轮式行走装置的位姿校正示意图，预先在作业台4上设置轮式行走装置的位姿校正标识物2和定位标识物3 ；由位姿校正标识物2、定位标识物3、模拟量超声波传感器1-9、数控单元1-3 —起构成轮式行走装置的位姿校正及定位数字伺服控制部分，数控单元1-3与驱动轮组件1-2和模拟量超声波传感器1-9分别连接。数控单元1-3与模拟量超声波传感器1-9及位姿校正标识物2、定位标识物3配合进行轮式行走装置的位姿校正及最终定位。
[0040]图6为本实用新型的轮式行走装置的位姿校正闭环控制原理图，将用模拟量超声波传感装置检测到的轮式行走装置的当前位姿与目标位姿进行比较，并将位姿偏差送入数控单元1-3，数控单元1-3控制驱动轮组件1-2对轮式行走装置进行位姿校正，这构成了轮式行走装置的位姿校正数字直流伺服闭环控制。
[0041]本实用新型的轮式行走装置组合定位过程具体如下:
[0042]1.本实用新型的轮式行走装置采用伺服电机驱动和差速转弯转向，其导向和行走为数字伺服控制，可以方便地实现自由路径行走；轮式行走装置前、后向的开关量超声波传感器1-8在行走途中进行避障探测，将得到的信息及时输入数控单元1-3进行处理，控制驱动轮组件1-2动作，避免与其他无关物体碰撞；安装在驱动轮组件1-2上的编码器1-6把机械变化量转换成电气信号后输出到数控单元1-3，数控单元1-3通过检测编码器1-6转动的脉冲数就可计算出轮式行走装置的实时距离；轮式行走装置实时的方向角通过对陀螺仪1-5的角速率输出信号进行积分得到，将得到的当前航位信息与目标航位信息进行比较得到航位偏差并送入数控单元1-3，数控单元1-3控制驱动轮组件1-2对轮式行走装置进行导向与再定位，随着轮式行走装置运行距离的增加，其定位精度逐渐降低，定位信度也随之降低，这时调用视觉传感器1-7对轮式行走装置进行定位，并对其位姿进行修正，以消除由惯性导航所引起的累积定位误差。
[0043]2.轮式行走装置到达作业站点之前，轮式行走装置内侧(指的是靠近作业站点的一侧)的模拟量超声波传感器1-9与预设的位姿校正标识物2配合采集位置参数，通过将当前位姿信息与目标位姿信息进行比较得到位姿偏差并送入数控单元1-3及时进行计算，控制驱动轮组件1-2，对轮式行走装置进行位姿校正，以修正轮式行走装置在行走途中的累积位姿误差，此过程构成了轮式行走装置的闭环直流伺服驱动位姿校正系统，之后，模拟量超声波传感器1-9再与预设的定位标识物3配合，进行轮式行走装置的最终定位。
[0044]本实用新型的轮式行走装置是将惯性导引、视觉导引、超声波导引技术相结合，不仅可以灵活地实现轮式行走装置沿自由路径行走，而且在到达作业站点时具有较高的定位精度。
【权利要求】
1.能实现自由路径行走的轮式行走装置，其特征在于，包括有轮式行走车(I)和自由变域导向及控制部件； 所述轮式行走车(I)包括有行走主体(1-1 )，所述行走主体(1-1)的左、右两侧分别对称设置有一个驱动轮组件(1-2)，所述行走主体(1-1)的前部、后部分别对称设置有两个自由轮组件(1-4)； 所述自由变域导向及控制部件，包括有数控单元(1-3)、陀螺仪(1-5)、两个编码器(1-6)、两个视觉传感器(1-7)、两个开关量超声波传感器(1-8)及两组模拟量超声波传感装置；所述数控单元(1-3)设置于所述行走主体(1-1)的上面，所述陀螺仪(1-5)设置于两个驱动轮组件(1-2)中两个驱动轮轴线的中部位置，所述两个编码器(1-6)分别与两个驱动轮组件(1-2)中的电机主轴同轴连接，一个开关量超声波传感器(1-8)设置于所述行走主体(1-1)的前部中央，另一个开关量超声波传感器(1-8)对称的设置于所述行走主体(1-1)的后部，所述行走主体(1-1)前部的开关量超声波传感器(1-8)的两侧各对称设置有一个视觉传感器(1-7)，所述两组模拟量超声波传感装置分别设置于行走主体(1-1)的左、右两侧；所述数控单元(1-3)分别通过导线与所述陀螺仪(1-5)、编码器(1-6)、两个驱动轮组件(1-2)、两个视觉传感器(1-7)、两个开关量超声波传感器(1-8)、两组模拟量超声波传感装置分别连接。
2.根据权利要求1所述的能实现自由路径行走的轮式行走装置，其特征在于，所述驱动轮组件(1-2)包括有通过导线连接的驱动轮和电机。
3.根据权利要求2所述的能实现自由路径行走的轮式行走装置，其特征在于，所述电机为直流伺服电机。
4.根据权利要求1所述的能实现自由路径行走的轮式行走装置，其特征在于，所述编码器(1-6)为旋转编码器。
5.根据权利要求1所述的能实现自由路径行走的轮式行走装置，其特征在于，所述每组模拟量超声波传感装置由两个相同的模拟量超声波传感器(1-9 )组成。
【文档编号】G05D1/02GK203759542SQ201420129081
【公开日】2014年8月6日 申请日期:2014年3月20日 优先权日:2014年3月20日
【发明者】杨幸芳, 卢健, 马丽萍, 张卫国 申请人:西安工程大学