专利名称：用于移动机器人小车的两自由度测速机构及其测速方法
技术领域：
本发明属于移动机器人小车技术领域，尤其是一种用于移动机器人小车的两自由度测速机构及其测速方法。
背景技术：
目前，移动机器人小车测速方法通常是在主动轮上安装光电编码器，当电机旋转时，光栅盘与电机同速旋转，利用光电转换原理直接将位移或角度的模拟信号转换成相应的电脉冲或数字量，通过计算毎秒光电编码器输出脉冲的个数就能反映当前电机的转速。这种将光电编码器安装在主动轮上的方法虽然可以测速电机速度，但是，当移动机器人小 车遇到特殊情况，如地面上存在油�：捅┒蓟崾沟孛婺Σ隶∮谡Ｖ担捎诘孛婺Σ隶∮谡７段Ф蛔阋酝贫盗厩敖率挂贫魅诵〕党德殖鱿执蚧兆窒螅耸保沧霸谥鞫稚系墓獾绫嗦肫魉淙灰谰赡芄徽Ｊ涑雎龀宀⒎从吵德值淖伲牵龀堤宀⒚挥蟹⑸魏我贫虼耍岢鱿殖堤逅俣任愣德值乃俣却笥诹愕某邓俨馑俚拇砦蠼崧郏荒苷媸档胤从吵鲆贫魅诵〕档恼媸敌薪俣取�
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种用于移动机器人小车的两自由度测速机构及其测速方法，解决了车轮空转情况下不能准确测速的问题。本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的一种用于移动机器人小车的两自由度测速机构，包括测速机构支架、第一轴承、第ニ轴承、转轴、转轴编码器、连杆、随动轮、随动轮支架、随动轮转轴和随动轮编码器，第一轴承安装在测速机构支架的中部，第一轴承与转轴啮合在一起，转轴的一端通过第一轴承、转轴联轴器与转轴编码器相连接，转轴的另一端与第二轴承啮合在一起；在转轴上径向安装一连杆轴，该连杆轴的外端与连杆的一端铰装在一起，在连杆与转轴之间设有一个弹簧使连杆沿连杆轴转动，该连杆的另一端安装在随动轮转轴的两端，该随动轮安装在随动轮转轴上，该随动轮转轴一侧通过随动轮联轴器与随动轮编码器相连接，该随动轮编码器安装随动轮支架上，该随动轮支架与连杆的下端固装在一起。而且，所述的测速机构支架由第一横架、第二横架和纵架连接构成，第一横架安装在纵架ー侧的中部并与第一轴承固装，第ニ横架安装在纵架的ー侧的底部。而且，所述的第二轴承啮合安装在转轴的上端，所述的转轴编码器通过转轴联轴器安装在测速机构下端的第二横架上。而且，所述的第二轴承安装在测速机构下端的第二横架上，所述的转轴编码器通过第一轴承、转轴联轴器安装在转轴的上端。而且，所述的转轴编码器、随动轮编码器还与测速电路相连接，该测速电路包括微处理器、转轴编码器接ロ、随动轮编码器接口和通信接ロ，转轴编码器接ロ的输出端、随动轮编码器接ロ的输出端与微处理器相连接，微处理器根据两个编码器采集的信息进行速度计算并通过通信接ロ将测速结果进行输出。而且，所述的通信接ロ采用RS232接ロ、485接ロ或网ロ。一种用于移动机器人小车的两自由度测速方法，包括以下步骤步骤I :通过转轴编码器得到车体转弯时车体运动方向和测速机构之间的夹角Θ值，通过随动轮编码器得到随动轮的角速度ω转弯；步骤2 :通过下式计算随动轮的线速度V轮 V轮=R随动轮* ω转弯上式中，R随动轮为随动轮的半径，ω转弯为随动轮的角速度；步骤3 :通过下式计算车体速度V车V￥=Vft/C0S Θ上式中，V轮为随动轮的线速度。本发明的优点和积极效果是本发明安装在车体底部，通过转轴和随动轮上的编码器实时采集转轴和随动轮编码器的数据，由于随动轮的动力来自于车体，车体移动随动轮才能转动，所以随动轮编码器读出的数据能够真实反映车体的速度，当地面摩擦カ小于正常范围致使车辆打滑时，由于此时车体未能发生移动，随动轮也将不会转动，安装在随动轮上的编码器也将不会产生输出脉冲，解决了车轮空转情况下不能准确测速的问题，实现了对车体速度的精确测速功能。
图I是测速机构的结构示意图；图2是测速机构的随动轮部分结构示意图；图3是测速机构与移动机器人小车的连接示意图；图4是测速机构的测速电路方框图；图5是测速机构与移动机器人小车运动方向一致的状态示意图；图6是测速机构与移动机器人小车运动方向不一致的状态示意图。
具体实施例方式以下结合附图对本发明实施例做进ー步详述一种用于移动机器人小车的两自由度测速机构，如图I及图2所示，包括测速机构支架I、第一轴承6、第二轴承2、转轴3、转轴联轴器7、转轴编码器8、弹簧5、连杆9、随动轮
11、随动轮支架10、随动轮转轴15、随动轮联轴器16和随动轮编码器17。测速机构支架包括第一横架13、第二横架12和纵架14，第一横架安装在纵架ー侧的中部，第二横架安装在纵架的一侧的底部，第一横架的外侧与第一轴承固装在一起，第一轴承与转轴啮合在一起，转轴的一端通过第一轴承6、转轴联轴器安装转轴编码器，转轴的另一端与第二轴承哨合在一起；第二轴承既可以安装在转轴的上端，也可以安装在转轴的下端，具体形式为第二轴承安装在转轴的上端，与此同时，转轴编码器通过转轴联轴器安装在测速机构第二横架上；或者，第二轴承安装在测速机构下端的第二横架上，与此同时，转轴编码器通过第一轴承6、转轴联轴器安装在转轴的上端。在转轴上径向安装一连杆轴4，该连杆轴的外端与连杆的一端铰装在一起，在连杆与转轴之间设有ー个弹簧使连杆可以沿连杆轴转动，该连杆的另一端安装在随动轮转轴的两端，随动轮安装在随动轮转轴上，该随动轮和地面之间的距离靠弹簧调节，当地面凸起时，弹簧被缩短，当地面凹陷时，弹簧被伸长，随动轮转轴ー侧通过随动轮联轴器与随动轮编码器相连接，该随动轮编码器安装随动轮支架上，该随动轮支架与连杆的下端固装在一起。本发明安装在移动机器人小车18下表面的中心位置上，实现对移动机器人小车的速度进行测速，如图3所示，移动机器人小车的车轮19及其随动轮均与地面紧密接触。由于本测速机构的第二轴承可以设在转轴的上端或下端，因此，本测速机构与移动机器人小车的方式有两种，一种安装方式是纵杆与移动机器人车体的底部固装在一起，同时将第二轴承与移动机器人车体的底部固装在一起；另ー种安装方式是纵杆与移动机器人车体的底部固装在一起，同时将转轴编码器与移动机器人车体的底部固装在一起。本测速机构还包括ー个测速电路，如图4所示，测速电路包括微处理器、转轴编码 器接ロ、随动轮编码器接ロ和通信接ロ，转轴编码器、随动轮编码器均可以采用绝对值编码器，上述绝对编码器通过电源输入接ロ、数据接ロ和时钟接ロ与转轴编码器接ロ、随动轮编码器接ロ相连接，转轴编码器接ロ的输出端、随动轮编码器接ロ的输出端与微处理器相连接，微处理器根据两个编码器采集的信息进行速度计算并通过通信接ロ将测速结果进行输出，该通信接ロ可以采用RS232接ロ、485接ロ或网ロ。下面对本发明的工作原理进行说明本测速机构有两个自由度，第一个自由度是指连杆和转轴的连杆轴处，第二个自由度是指连杆和随动轮转轴处。当车体转弯时，测速机构车轴在扭矩的作用下产生转动，这个扭矩来自于地面的摩擦力由于测速机构的车轴、连杆、随动轮在同一个平面内，当车体前进方向和测速机构平面不在同一直线上时，其随动轮方向和车体前进方向互为ー个角度，由于这个角度的存在，使地面给随动轮产生ー个摩擦阻力，这个摩擦阻力将沿着车体转动方向产生ー个扭矩，扭矩作用在转轴上使转轴转动，并带动随动轮也跟着转动。由于测速机构随动轮、转轴、连杆始終保持在同一个平面内运动，当移动机器人小车作直线运动吋，转轴、连杆、随动轮排列为一条直线并且和车体运动方向一致，如图5所示；当车体转弯运动时，由于地面无法立即提供随动轮的转弯カ矩，连杆与车体将会产生ー个夹角Θ，如图6所示，车体和测速机构都会产生ー个瞬时半径和瞬时圆心，其中，圆心是共同的，角速度ω
相同，而车体的转弯半径L2和测速机构的转弯半径LI是不相同的，由于车体转弯线速度V车=L2*co转弯，随动轮转弯线速度Vffe=LNco转弯，因此V车=V轮/COS Θ，其中，V轮=Ll*co转弯=Κ*ω随动轮，最终通过V车=R*co随动轮/COS Θ计算出车体的运行速度。一种用于移动机器人小车的两自由度测速方法，通过计算随动轮的线速度Vw进而计算车体的线速度，具体包括以下步骤步骤I、通过转轴编码器得到车体转弯时车体运动方向和测速机构之间的夹角Θ值，通过随动轮编码器得到随动轮的角速度ω转弯；步骤2、通过下式计算随动轮的线速度V轮Vft=R随动轮* ω转弯由于随动轮转弯线速度[email protected]=L1* ω胃胃，其中LI和ω胃胃为动态值将无法犾�。瞪纤娑肿涫钡南咚俣群退娑值南咚俣仁窍嗟鹊模虼耍娑肿湎咚俣萔ffe可用随动轮的线速度代替即可，即
轮=V随动轮
由于随动轮的线速度V随动轮=R随动轮*ω随动轮，R为随动轮的半径，为已知条件，ω_轮为随动轮的角速度，也为已知条件，因此，随动轮的线速度V轮=V随动轮=R随动轮*ω转弯。步骤3、通过下式计算车体速度V车V 车=V 轮/COS Θ上述关系式可通过以下过程推导得出I、分别定义车体和随动轮的转弯半径LI和L2 :通过随动轮中心点并且与连杆互为垂直的一条线为随动轮的转弯半径LI ;通过车体中心点并且与车体前进方向互为垂直 的一条线为车体的转弯半径L2 ；2、定义车体和随动轮瞬时共有转弯圆心�。陨螸I、L2两个转弯半径的交点作为瞬时圆心Α。3、获取随动轮转弯线速度Vft=Ll* ω胃胃，其中LI为随动轮转弯半径，ω胃胃为随动轮和车体转弯时共同的角速度；4、获取车体转弯线速度V￥=L2*gj _，其中L2为车体转弯半径，ω胃胃为随动轮和车体转弯时共同的角速度；5、由以上导出V车=L2*co 转弯=L2*V轮/Ll=V轮/COS Θ，上述公式V车=V轮/COS Θ对于图5及图6所示的两种状态的测速机构均为适用当第一种状态时，L1=L2,由于V车=V轮/COS Θ，COS Θ =1，所以，V车=V轮；由于步骤2中已经计算得到了计算随动轮的线速度Vw因此即可计算出车体转弯线速度需要强调的是，本发明所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明并不限于具体实施方式
中所述的实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本发明保护的范围。
权利要求
1.一种用于移动机器人小车的两自由度测速机构，其特征在于包括测速机构支架、第一轴承、第二轴承、转轴、转轴编码器、连杆、随动轮、随动轮支架、随动轮转轴和随动轮编码器，第一轴承安装在测速机构支架的中部，第一轴承与转轴啮合在一起，转轴的一端通过第一轴承、转轴联轴器与转轴编码器相连接，转轴的另一端与第二轴承哨合在一起；在转轴上径向安装一连杆轴，该连杆轴的外端与连杆的一端铰装在一起，在连杆与转轴之间设有一个弹簧使连杆沿连杆轴转动，该连杆的另一端安装在随动轮转轴的两端，该随动轮安装在随动轮转轴上，该随动轮转轴一侧通过随动轮联轴器与随动轮编码器相连接，该随动轮编码器安装随动轮支架上，该随动轮支架与连杆的下端固装在一起。
2.根据权利要求I所述的用于移动机器人小车的两自由度测速机构，其特征在于所述的测速机构支架由第一横架、第二横架和纵架连接构成，第一横架安装在纵架一侧的中部并与第一轴承固装，第二横架安装在纵架的一侧的底部。
3.根据权利要求2所述的用于移动机器人小车的两自由度测速机构，其特征在于所述的第二轴承啮合安装在转轴的上端，所述的转轴编码器通过第一轴承、转轴联轴器安装在测速机构下端的第二横架上。
4.根据权利要求2所述的用于移动机器人小车的两自由度测速机构，其特征在于所述的第二轴承安装在测速机构下端的第二横架上，所述的转轴编码器通过转轴联轴器安装在转轴的上端。
5.根据权利要求I至4任一项所述的用于移动机器人小车的两自由度测速机构，其特征在于所述的转轴编码器、随动轮编码器还与测速电路相连接，该测速电路包括微处理器、转轴编码器接口、随动轮编码器接口和通信接口，转轴编码器接口的输出端、随动轮编码器接口的输出端与微处理器相连接，微处理器根据两个编码器采集的信息进行速度计算并通过通信接口将测速结果进行输出。
6.根据权利要求5所述的用于移动机器人小车的两自由度测速机构，其特征在于所述的通信接口采用RS232接口、485接口或网口。
7.一种使用如权利要求I至6任一项所述测速机构的测速方法，其特征在于包括以下步骤 步骤I:通过转轴编码器得到车体转弯时车体运动方向和测速机构之间的夹角0值，通过随动轮编码器得到随动轮的角速度《转弯； 步骤2 :通过下式计算随动轮的线速度N轮 乂轮二尺随动轮*03转弯 上式中，R_^为随动轮的半径，《 为随动轮的角速度； 步骤3 :通过下式计算车体速度V车V 车=vft/cos 0 上式中，Vft为随动轮的线速度。
全文摘要
本发明涉及一种用于移动机器人小车的两自由度测速机构及其测速方法，该测速机构包括测速机构支架、第一轴承、第二轴承、转轴和连杆，第一轴承安装在测速机构支架的中部，第一轴承与转轴啮合在一起，转轴的一端通过转轴联轴器与转轴编码器相连接，转轴的另一端与第二轴承啮合在一起；在转轴上径向安装一连杆轴，该连杆轴的外端与连杆的一端铰装在一起，在连杆与转轴之间设有一个弹簧使连杆沿连杆轴转动，该连杆的另一端安装有随动轮支架、随动轮、随动轮编码器；该方法计算随动轮的线速度V轮，进而计算车体速度V车。本发明设计合理，将其安装在小车的底部，解决了车轮空转情况下不能准确测速的问题，实现了对车体的精确测速功能。
文档编号G01P3/00GK102680724SQ20121016934
公开日2012年9月19日 申请日期2012年5月28日 优先权日2012年5月28日
发明者景国辉 申请人:无锡普智联科高新技术有限公司
专业数控铣床产品供应商
20年生产经验，实力工厂，精工品质，质量有保障
