一种移动机器人的底盘及其转向方法与流程

1.本技术涉及机器人控制技术领域，尤其涉及一种移动机器人的底盘及其转向方法。


背景技术：

2.随着机器人技术的不断发展，越来越多的机器人投入使用，代替人执行劳动任务，在任务执行过程中，机器人转向需求必不可少。
3.但现有的移动机器人转向方法，无法满足机器人多样化应用场景的转动需求。室内场景下，通常空间狭小，移动机器人缺少足够的转弯半径，机器人转向、掉头困难，因此通常需要更灵活的转向方式；室外场景下，通常空间宽阔，转向空间不受限，但是室外场景下坑洼颠簸路面、沥青路面、鹅卵石路面等路况较多，此时传统的转向方法会导致轮胎磨损严重，且转向力矩过大，容易导致驱动电机过载。


技术实现要素：

4.本技术实施例提供了一种移动机器人的底盘及其转向方法，用以解决现有的移动机器人转向技术无法满足多样化应用场景转向需求的技术问题。
5.一方面，本技术实施例提供了一种移动机器人的底盘，所述底盘包括：左前悬架、右前悬架、左后悬架、右后悬架、转向舵机以及转向机；其中，所述转向舵机、所述转向机、所述左前悬架以及所述右前悬架，构成阿克曼转向结构，用于支持所述底盘完成阿克曼转向；其中，所述转向舵机与所述转向机连接，用于通过所述转向机带动所述左前悬架与所述右前悬架进行转向；所述左前悬架、所述右前悬架、所述左后悬架以及所述右后悬架，构成四轮差速转向结构，用于支持所述底盘完成原地转向。
6.在本技术说明书的一个或多个实施例中，所述左前悬架与所述右前悬架沿所述底盘的中轴线对称；所述左后悬架与所述右后悬架沿所述底盘的中轴线对称。
7.在本技术说明书的一个或多个实施例中，所述转向机带动所述左前悬架与所述右前悬架进行转向，具体为，所述转向机带动所述左前悬架与所述右前悬架在移动机器人前进方向左右45
°
内进行转向。
8.在本技术说明书的一个或多个实施例中，所述转向机采用以下任一项或者多项结构实现：齿轮齿条结构、循环球结构以及连杆结构。
9.在本技术说明书的一个或多个实施例中，所述左前悬架包括：前转向节与转向球头；所述转向球头与所述前转向节连接，所述前转向节与移动机器人的左前轮胎连接，用于在所述转向机的带动下，通过转向球头带动所述前转向节转动，以实现所述移动机器人的转向。
10.在本技术说明书的一个或多个实施例中，所述左前悬架还包括第一关节轴承；所述第一关节轴承与所述前转向节连接，用于在圆锥方向上运动，以实现所述左前悬架的上下运动与左右运动。
11.在本技术说明书的一个或多个实施例中，所述左前悬架还包括前连杆与减震器；所述前连杆与所述减震器连接，用于吸收所述移动机器人的左前轮胎传递的振动。
12.在本技术说明书的一个或多个实施例中，所述左后悬架包括：安装板与驱动电机；所述驱动电机安装在所述安装板上，用于为移动机器人左后轮胎的转向提供动力。
13.在本技术说明书的一个或多个实施例中，所述左后悬架还包括后转向节与第二关节轴承；所述第二关节轴承与所述后转向节连接，用于在上下方向上运动，以所述左后悬架的上下运动。
14.另一方面，本技术实施例还提供了一种移动机器人的底盘转向方法，应用如上述的一种移动机器人的底盘，所述方法包括：转向机接收第一转向信号，并根据所述第一转向信号中的转向角度进行转动，以带动左前悬架与右前悬架进行转向；以及，驱动电机接收第二转向信号，并根据所述第二转向信号中的转向速度进行转动，以带动左前悬架、右前悬架、左后悬架以及右后悬架进行差速转动，进而实现底盘原地转向。
15.本技术实施例提供的一种移动机器人的底盘及其转向方法，具有以下有益效果：本说明书提供的室内外通用移动机器人的底盘，通过控制策略可实现四轮差速模式或阿克曼模式，从而适应不同的场景需求，提高机器人的环境适应性，可满足室内室外不同环境的通用化应用；四轮差速转向切换阿克曼转向模式可减小室外路况对轮胎的磨损，提高轮胎使用寿命，另外移动机器人采用可更换轮胎，轮胎更换方便，机器人维护方便。
附图说明
16.此处所说明的附图用来提供对本技术的进一步理解，构成本技术的一部分，本技术的示意性实施例及其说明用于解释本技术，并不构成对本技术的不当限定。在附图中：
17.图1为本技术实施例提供的一种移动机器人的底盘结构图；
18.图2为本技术实施例提供的一种左前悬架结构图；
19.图3为本技术实施例提供的一种左后悬架结构图；
20.图4为本技术实施例提供的一种移动机器人的底盘转向方法流程图；
21.图5为本技术实施例提供的一种应用场景下的，移动机器人转向方法流程图。
具体实施方式
22.为使本技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本技术具体实施例及相应的附图对本技术技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，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，都属于本技术保护的范围。
23.下面通过附图对本技术实施例提出的技术方案进行详细的说明。
24.图1为本技术实施例提供的一种移动机器人的底盘结构图。如图1所示，本技术实施例中的底盘包括：左前悬架2、右前悬架1、转向舵机6、转向机3、左后悬架4以及万向节5；并且，转向机3通过万向节5与转向舵机6连接。
25.如图1所示，左前悬架2、右前悬架1、转向机3、转向舵机6组成阿克曼转向结构，在接到转向信号后，转向舵机6提供转动驱动，通过转向机3带动前转向节7(参见图2)左右转动，从而使机器人在前进方向的左右45
°
内转向，实现机器人的阿克曼转向。
26.进一步地，左前悬架2、右前悬架1、左后悬架4以及右后悬架(图1中未标出)四个悬架构成一个四轮差速转向结构，在接到转向信号后，四个悬架对应的驱动电机分别解析出不同的速度信号，使四个轮胎以不同的速度进行直线运动，从而使移动机器人的底盘差速运动，实现机器人原地转向的需求。
27.在本技术的一个示例中，由于前转向节7的转向臂必须在前方向，因此，左前悬架2、右前悬架1必须相对底盘的中轴线对称布置；由此，左后悬架与右后悬架也相对底盘的中轴线对称布置。
28.另外，转向机3可选用齿轮齿条结构、循环球结构或连杆结构，本实施例对此不做限定。
29.图2为本技术实施例提供的一种左前悬架结构图。如图2所示，本技术实施例中的左前悬架包括：前转向节7、减震器8、前连杆9、安装板10、驱动电机11、转动球头12、第一关节轴承13、联轴器14以及轮胎15；其中，
30.转向球头12与前转向节7连接，前转向节7与轮胎15连接，通过转向机3拉动前转向节7转动，进而带动转向球头12转动，实现前轮最大45
°
转向。
31.第一关节轴承13与前转向节7连接，可在圆锥方向上转动，实现了前悬架的上下运动和左右转动。
32.减震器8与前连杆9连接后，与前转向节7连接，可以吸收轮胎16传递的振动，进而实现在机器人在颠簸路况的减震。
33.驱动电机11安装在安装板10上，联轴器14将安装板10与前转向节7连接起来，驱动电机11用于接收转向信号，按照不同速度进行转动，以实现机器人的差速转向。
34.图3为本技术实施例提供的一种左后悬架结构图。如图3所示，左后悬架包括：轮胎15、后转向节18、减震器8、后连杆17、安装板10、驱动电机11、联轴器14以及第二关节轴承16；其中，
35.左后悬架也包括安装板10与驱动电机11，为机器人的四轮差速转向提供支持。
36.在图3中，减震器8与后连杆17连接，吸收后轮传递的振动。
37.并且，第二关节轴承16与后转向节18连接，可以在上下方向上运动，进而带动后轮轮胎在上下方向上运动。
38.在本技术的一个示例中，前连杆9或后连杆17由上下两根构成一个四连杆机构，可以使轮胎15上下运动，与减震器8联动，实现在机器人在颠簸路况的减震。
39.在本技术的一个示例中，轮胎15采用空心轮胎，可方便拆换，方便轮胎磨损后的更换维护；联轴器14采用双向万向节，根据轮组悬架结构可选用可伸缩式万向节；驱动电机11可选用伺服电机、力矩电机或其他可调速电机，本技术实施例不做限定，但驱动电机11应自带减速器及失电制动器，实现底盘运行中制动及断电制动需求；并且，驱动电机11为机器人提供驱动力，实现机器人的急停、减速、急/慢刹车、点刹等运动。
40.以上为本技术实施例中的结构实施例，基于同样的发明构思，本技术实施例还提供了一种移动机器人的底盘转向方法，应用如上述实施例所描述的底盘结构实现。
41.图4为本技术实施例提供的一种移动机器人的底盘转向方法流程图。如图4所示，方法包括：
42.步骤401、转向机接收第一转向信号，并提取第一转向信号中的转向角度。
43.本技术实施例提供的转向方法，具有阿克曼转向与四轮差速转向两种模式，在室外一般采用阿克曼转向，以保护轮胎，该转向方式主要由机器人前轮实现。
44.前悬架的转向机接收携带有转向角度的第一转向信号，并提取出其中的转向角度。该转向角度可以指的是转向机的转动角度，也可以是前轮的转向角度，这两种角度之间可以进行换算。
45.步骤402、根据转向角度带动左前悬架与右前悬架进行转向。
46.提取出转向角度之后，根据转向角度带动前转向节运动，进而带动左前悬架与右前悬架进行转向，实现机器人转向。
47.步骤403、驱动电机接收第二转向信号，并提取第二转向信号中的转向速度。
48.机器人在室内场景下，由于空间较小，采用四轮差速转向方式进行原地转向，该转向方式通过四个悬架对应的驱动电机实现。
49.具体地，驱动电机接收携带有转向速度的第二转向信号，需要说明的是，为实现四轮差速转向，四个驱动电机接收到的第二转向信号是不同的，也即，四个第二转向信号中携带的转向速度是不同的。
50.接收到第二转向信号之后，提取出其中包含的转向速度。
51.步骤404、根据转向速度带动左前悬架、右前悬架、左后悬架以及右后悬架进行差速转动。
52.各个驱动电机根据各自对应的转向速度进行转动，带动各自对应的转向节转动，进而带动机器人的左前悬架、右前悬架、左后悬架以及右后悬架进行差速转动，实现机器人的原地转向。
53.图5为本技术实施例提供的一种应用场景下的，移动机器人转向方法流程图。如图5所示，该应用场景下的转向方法包括：
54.步骤501、检测室内、室外应用场景，并判定。
55.需要说明的是，应用场景检测和判定分为自动检测和被动指定。
56.具体地，自动检测的预设条件为：移动机器人通过自身的激光雷达和深度相机对当前运行环境进行检测，根据周围障碍物自动判定当前适用室内场景或室外场景。
57.被动指定的预设条件为：移动机器人在前期建图期间，人为标定地图区域，将地图区分标定为室内场景和室外场景。
58.步骤502、根据应用场景，切换移动机器人转动模式。
59.具体地，在判定为室内场景后，转向时移动机器人采用四轮差速模式转向或者掉头；在判定为室外场景后，转向时移动机器人采用阿克曼模式进行转向。
60.在一些特殊应用场景下，可被动设置机器人的转向模式，以减小轮胎磨损或者提高机器人的机动性和环境适应能力，如在机场大厅、展厅等宽阔室内场景，移动机器人转动方法可采用阿克曼模式转向；在室外障碍多，转弯半径小场景，移动机器人转动方法也采用四轮差速模式转向。
61.步骤503、检测控制车轮转动的预设条件是否被触发。
62.需要说明的是，预设条件用于判断机器人是否需要转向，且预设条件的触发方式分为自动触发和被动触发。
63.具体地，自动触发式的预设条件为：服务器实时检测机器人与机器人前进方向上
障碍物之间的第一距离是否小于预设距离，当第一距离小于预设距离时，机器人如果继续前进将要碰撞到障碍物；此时，机器人将会确定预设条件被触发。进一步，需要说明的是，预先在机器人上安装了多个红外传感器，其中，红外传感器用于检测机器人与障碍物之间的距离，且至少有一个红外传感器用于检测机器人与机器人前进方向的障碍物的第一距离，并通过该红外传感器将第一距离上传给服务器。
64.另外，被动触发式的预设条件为：服务器接收到外部传输的触发指令，其中，该触发指令是该机器人配对的控制装置生成的，且控制装置可以为遥控器、电脑终端以及手机终端等。
65.具体地，服务器实时接收检测第一距离的红外传感器上传的距离数据，判断第一距离是否小于预设距离。当小于预设距离时，服务器判定预设条件被触发，服务器确定机器人需要转向。以及，当服务器接收到外部传输的触发指令时，预设条件被触发，服务器确定机器人需要转动。
66.步骤504、当预设条件被触发时，确定控制信号。
67.需要说明的是，预设条件包含机器人被触发转向的原因，服务器可以根据预设条件确定机器人的操作方向；此外，当服务器判断出预设条件对应的操作方向时，存在操作方向与转向时间的第一对应关系，服务器将该操作方向带入第一对应关系中，来获取该操作方向对应的转向时间；以及服务器预存了若干条机器人的控制信号，以及控制信号与转向时间的第二对应关系。进而服务器将该转向时间带入第二对应关系中，来获取该转向时间对应的控制信号。
68.具体地，通过步骤503，服务器确定预设条件被触发，服务器确定机器人需要转向，此时，服务器需要获取机器人转动的操作方向；如果预设条件被触发的原因是服务器接收到外部的触发指令，由于触发指令包含操作方向，服务器直接获取触发指令中的操作方向，将该操作方向作为操作方向带入第一对应关系中，以获得该触发指令对应的转向时间；进而将该转向时间带入第二对应关系中，以获得该触发指令对应的控制信号。
69.如果预设条件被触发的原因是机器人与机器人前进方向上障碍物之间的第一距离小于预设距离，那么服务器将会开启探测模式。
70.具体地，在机器人上预先安装至少4个红外传感器，用于探测机器人与机器人前进方向的障碍物的第一距离、机器人与第一预设方向的障碍物的第二距离、机器人与第二预设方向的障碍物的第三距离以及机器人与第三预设方向的障碍物的第四距离。服务器获取第一预设方向、第二预设方向以及第三预设方向对应的红外传感器检测的距离数据(第二距离、第三距离以及第四距离)；其中，第一预设方向对应第二距离；第二预设方向对应第三距离；第三预设方向对应第四距离。判断第二距离、第三距离以及第四距离中最大的数值。由于最大数值对应的预设方向与障碍物之间的距离最远。因此，服务器将最大数值对应的预设方向设置为机器人将要转向的操作方向。
71.在服务器确定机器人转向的操作方向后，服务器获取操作方向与转向时间的第一对应关系，服务器将该操作方向带入该第一对应关系中，以获得该操作方向对应的转向时间，进而服务器将该转向时间带入第二对应关系中，以获得机器人转向的控制信号。
72.步骤505、向驱动电机发或转向电机送控制信号，以使其根据转向时间控制车轮转向，以实现机器人转向。
73.需要说明的是，在不同转向模式下发送的控制信号不同，在四轮差速模式下，控制信号为与转向时间对应的四轮驱动电机速度；在阿克曼模式下，控制信号为与转向时间对应的转向电机转向角度。因此，在固定时间段内，服务器可以通过控制信号实现精确控制车轮,转向角度的目的。
74.具体地，在四轮差速模式下，服务器向左前、左后、右前右后四个驱动轮组发送速度信号，使四轮构成一个差速系统，使四个轮胎以不同的速度直线运动，从而使底盘差速转向，实现机器人原地转向的目的。
75.在阿克曼模式下，服务器向转向舵机发送转向角度，在转向舵机的驱动下，转向机带动前转向节根据转向角度左右转动，从而使前轮转向，从而实现机器人精准转向的目的。
76.本技术中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于方法实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。
77.还需要说明的是，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、商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、商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、商品或者设备中还存在另外的相同要素。
78.以上所述仅为本技术的实施例而已，并不用于限制本技术。对于本领域技术人员来说，本技术可以有各种更改和变化。凡在本技术的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本技术的权利要求范围之内。