[發明專利]基于Mecanum輪的全向移動機器人及其控制方法

在審

• 申請號: 201810414180.6
• 申請日: 2018-05-03
• 公開（公告）號: CN108544465A
• 公開（公告）日: 2018-09-18
• 發明（設計）人: 許為樂;徐國政;嚴翊寧;沈歡
• 申請（專利權）人: 南京郵電大學
• 主分類號: B25J5/00
• 分類號: B25J5/00;B25J9/16;B25J13/00;B25J13/02
• 代理公司: 南京蘇科專利代理有限責任公司 32102
• 代理人: 姚姣陽;徐振興

1.一種基于Mecanum輪的全向移動機器人，其特征在于：包括底盤、Mecanum輪、驅動器、控制器、無線通訊模塊、檢測模塊、視覺傳輸模塊、電源模塊；底盤前后兩側各裝有步進電機，Mecanum輪通過聯軸器與步進電機相連；底盤上的控制器通過電路與驅動器、無線控制模塊、檢測模塊、視覺傳輸模塊、電源模塊相連；

所述Mecanum輪均為驅動輪，通過對Mecanum輪全方位移動的原理分析、運動學模型的建立，構建出合理的四輪結構；

所述驅動器采用的是自主設計的可編程式驅動器，通過改變控制器發出的脈沖信號和方向信號即可控制步進電機的轉速和方向；

驅動器帶有細分調節、輸出電流線性可調、過熱自動保護和自動半流鎖定功能，并可同時控制四路步進電機，提高機器人空間利用率；

所述的控制器采用低成本、低功耗、高性能的STM32作為主控芯片；

所述的無線通訊模塊包括手柄和NRF24L01模塊；手動模式下，用戶可以通過手柄直接控制機器人，實現前后移動、左右平移、原地自傳和以任意角度行進的轉動行為；NRF24L01模塊用于機器人下位機與PC上位機之間的通信，上位機發送目標位置坐標，機器人自主行進至目標點；

所述的檢測模塊為光電傳感器，機器人在自主移動時，通過傳感器測距功能進行規避障礙物；

所述的視覺傳輸模塊實時將機器人采集的圖像信息傳送至上位機。

2.一種基于Mecanum輪的全向移動機器人中步進電機控制方法，其特征在于：按照如下步驟進行：

步進電機的運動方程為公式1：

，當電機從靜止開始加速，即t=0時，=0，則由公式1解得公式2：

，其中，，若設電機的脈沖頻率為?，顯然與?存在線性關系，進而可得公式3：

，其中，為電機穩定運行的最高頻率，是決定步進電機加速度大小的時間常數，該值跟電機本身的參數有關。

3.一種基于Mecanum輪的全向移動機器人控制方法，其特征在于：手動模式下，用戶控制方法如下：

手柄與控制器上的信號接收端保持通訊，用戶再通過手柄上的按鍵發出不同的指令，實現機器人的前后移動、左右平移、原地自轉和任意角度行進的轉動行為。

4.一種基于Mecanum輪的全向移動機器人控制方法，其特征在于：自動模式下，定點位置到達方法如下：

PC機通過USB轉串口與單片機相連作為上位機，通過一組NRF24L01無線模塊與控制器實現通訊，上位機發送目標位置坐標P(x,y)給下位機；設初始位置坐標默認為(0,0)，則基于Mecanum輪的全向移動機器人需要走的縱向位移為y，橫向位移為x；

驅動器接收到一個脈沖，步進電機行走一個步距角，所以全向移動機器人輪子行駛一周的脈沖數滿足公式4：

，其中θ為步距角，m為驅動器細分數，由于輪子周長，可得全向移動機器人行駛距離S需要的脈沖數n為公式5：

，

全向移動機器人原地右轉90°需要的脈沖數為公式6：

，

其中，R為Mecanum輪到底盤的距離；

結合公式5、公式6，全向移動機器人到達目標位置所需總脈沖數N為公式7：

。