[發(fā)明專(zhuān)利]一種球形機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)及其控制方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201210441395.X
• 申請(qǐng)日: 2012-10-29
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN102962842A
• 公開(kāi)（公告）日: 2013-03-13
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 安凱;王曉英;安培亮;安宏亮
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 安凱
• 主分類(lèi)號(hào): B25J9/16
• 分類(lèi)號(hào): B25J9/16;B25J9/10
• 代理公司: 暫無(wú)信息
• 代理人: 暫無(wú)信息

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種球形機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)及其控制方法。

背景技術(shù)

球形機(jī)器人是一種新型的機(jī)器人，所有零部件都封裝在一個(gè)球殼內(nèi)部，造型新穎別致，行動(dòng)靈活，可以輕易地實(shí)現(xiàn)零半徑轉(zhuǎn)彎，在工業(yè)、民用和軍事上都具有廣泛的應(yīng)用前景，因而倍受世界各國(guó)研究和工程技術(shù)人員關(guān)注，是目前智能機(jī)器人研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)問(wèn)題之一。

球形機(jī)器人的研究集中在驅(qū)動(dòng)裝置和控制策略?xún)蓚€(gè)方面。在推進(jìn)器裝置方面目前有單輪驅(qū)動(dòng)、小車(chē)驅(qū)動(dòng)、萬(wàn)向輪驅(qū)動(dòng)、電機(jī)定子反轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)和配重體驅(qū)動(dòng)。這些球形機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)方式各有特色，都可以實(shí)現(xiàn)球體的滾動(dòng)，但在控制模型的建立和控制算法的設(shè)計(jì)方面卻面臨很大困難。由于涉及慣性坐標(biāo)系與球體固連坐標(biāo)系之間的坐標(biāo)變換問(wèn)題，因此歐拉角和廣義歐拉角作為必要的工具被引入模型中，用于確定球形機(jī)器人的姿態(tài)。作為理論分析，歐拉角的使用無(wú)可厚非，但在控制過(guò)程中歐拉角的測(cè)量卻存在相當(dāng)大的難度，至少需要更多、更復(fù)雜、更精準(zhǔn)的傳感器進(jìn)行測(cè)量，不僅增加了制造成本，也加大了球形機(jī)器人的重量和體積。其次，歐拉角的引進(jìn)使控制模型變得相當(dāng)復(fù)雜，許多研究結(jié)果表明，這是一個(gè)高階非線(xiàn)性微分方程組，其解析解根本無(wú)法獲得，但數(shù)值解即使能夠求出也需要消耗很長(zhǎng)的時(shí)間，因而無(wú)法滿(mǎn)足實(shí)際應(yīng)用的需要。

發(fā)明內(nèi)容

球形機(jī)器人控制模型的復(fù)雜性源于驅(qū)動(dòng)裝置，一種驅(qū)動(dòng)裝置盡管可以實(shí)現(xiàn)球形機(jī)器人的滾動(dòng)，但如果其運(yùn)行軌跡無(wú)法精確控制，這種驅(qū)動(dòng)裝置仍不能滿(mǎn)足實(shí)際應(yīng)用的需要。為此，本發(fā)明設(shè)計(jì)了一種控制模型十分簡(jiǎn)單的球形機(jī)器人驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)，并給出了相應(yīng)的控制方法。

本發(fā)明設(shè)計(jì)的球形機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，通過(guò)在豎直平面內(nèi)調(diào)整滾動(dòng)軸的水平傾角控制轉(zhuǎn)向，由一個(gè)變量，即滾動(dòng)軸的水平傾角就可以表征滾動(dòng)軸，因此控制模型中僅有水平傾角和驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速兩個(gè)變量，不需要復(fù)雜的運(yùn)算就可以確定控制策略。針對(duì)路徑跟蹤問(wèn)題，引進(jìn)了相對(duì)曲率半徑的概念，作為轉(zhuǎn)向控制指標(biāo)，借助微分幾何中平面曲線(xiàn)論的唯一存在定理，通過(guò)改變滾動(dòng)軸的水平傾角使軌跡與路徑的相對(duì)曲率半徑在對(duì)應(yīng)點(diǎn)達(dá)到一致，以實(shí)現(xiàn)對(duì)路徑的跟蹤。本發(fā)明給出的球形機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)及其控制策略不需要測(cè)量傳感器確定運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，而是通過(guò)運(yùn)行時(shí)間計(jì)算軌跡弧長(zhǎng)實(shí)施控制。

本發(fā)明具有如下特點(diǎn)：

(1)球形機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具有簡(jiǎn)單的控制模型，滾動(dòng)軸僅有其水平傾角一個(gè)變量表征，控制變量只有滾動(dòng)軸水平傾角和驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速兩個(gè)變量。

(2)引進(jìn)了相對(duì)曲率半徑的概念，并作為控制指標(biāo)，微分幾何中平面曲線(xiàn)論的唯一存在定理可以保證其控制策略能夠?qū)崿F(xiàn)球形機(jī)器人的軌跡曲線(xiàn)與設(shè)計(jì)路徑的一致性。

(3)不需要任何傳感器測(cè)量運(yùn)動(dòng)參數(shù)，只需要通過(guò)從起點(diǎn)到當(dāng)前位置的運(yùn)行時(shí)間計(jì)算軌跡弧長(zhǎng)即可對(duì)系統(tǒng)實(shí)施控制。

(4)該驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)除利用本發(fā)明中介紹的方法進(jìn)行編程跟蹤外，還可以在線(xiàn)遙控跟蹤。

附圖說(shuō)明

圖1是球形機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖，圖2是曲率半徑與球面直徑、滾動(dòng)速度以及滾動(dòng)軸傾斜角度關(guān)系示意圖，圖3是相對(duì)曲率半徑與轉(zhuǎn)向電機(jī)位置坐標(biāo)的關(guān)系示意圖。

標(biāo)號(hào)說(shuō)明：1滑動(dòng)桿，2配重載荷，3驅(qū)動(dòng)電機(jī)，4滾動(dòng)軸，5擋圈，6螺桿，7弓形連桿，8驅(qū)動(dòng)球，9法蘭，10支架，11轉(zhuǎn)向電機(jī)。

具體實(shí)施方式

1.驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和工作原理：

如圖1所示，球形機(jī)器人驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)由滾動(dòng)軸(4)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)(3)、配重載荷(2)、支架(10)、轉(zhuǎn)向電機(jī)(11)、驅(qū)動(dòng)球(8)等部件組成。滾動(dòng)軸(4)上裝有限位擋圈(5)。位于球殼同一直徑上的兩根滾動(dòng)軸(4)一端固定在球殼上，另一端與一個(gè)法蘭(9)連接。其中一個(gè)法蘭(9)上安裝驅(qū)動(dòng)電機(jī)(3)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)(3)軸的一端開(kāi)槽，槽內(nèi)安裝銷(xiāo)釘，銷(xiāo)釘?shù)闹行木€(xiàn)經(jīng)過(guò)球心。另一個(gè)法蘭(9)上安裝配重載荷(2)，配重載荷(2)內(nèi)可以裝電池等必要的載荷，其重量要求是上述部件安裝在球殼上后可以使?jié)L動(dòng)軸(4)保持平衡。

支架(10)上帶有螺桿(6)和兩根滑動(dòng)桿(1)，轉(zhuǎn)向電機(jī)(11)套在螺桿(6)和滑動(dòng)桿(1)上，并以螺帽與螺桿(6)配合。隨電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，自身可沿滑動(dòng)桿(1)來(lái)回移動(dòng)。支架(10)套在滾動(dòng)軸(4)上兩個(gè)限位擋圈(5)的外側(cè)，由于擋圈(5)的限位作用，支架(10)可以繞滾動(dòng)軸(4)轉(zhuǎn)動(dòng)，但不能沿滾動(dòng)軸(4)滑動(dòng)。

驅(qū)動(dòng)球(8)通過(guò)固連其上的弓形連桿(7)與驅(qū)動(dòng)電機(jī)(3)轉(zhuǎn)軸槽內(nèi)的銷(xiāo)釘鉸合，保證在滾動(dòng)軸(4)傾斜的情況下驅(qū)動(dòng)球(8)仍不會(huì)偏離豎直方向。因此球形機(jī)器人的質(zhì)心就是支架(10)和轉(zhuǎn)向電機(jī)(11)的質(zhì)心。