[發明專利]一種基于活動腳輪的2D輪式機器人的運動控制方法

有效

• 申請號: 201810360530.5
• 申請日: 2018-04-20
• 公開（公告）號: CN108563227B
• 公開（公告）日: 2020-12-18
• 發明（設計）人: 崔競松;郭遲;葛雯斐;陳梁;鄧玥;牛小驥
• 申請（專利權）人: 武漢大學;中山賽伯坦智能科技有限公司
• 主分類號: G05D1/02
• 分類號: G05D1/02;G05D1/08
• 代理公司: 武漢科皓知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 42222
• 代理人: 嚴彥

1.一種基于活動腳輪的2D輪式機器人的運動控制方法，所述活動腳輪在兩個方面具有可控性，包括控制車輪的轉速，和控制車輪繞車輪與地面接觸點和車輪質心所在軸的360度轉動；所述機器人支持在任意時刻改變任意一個活動腳輪的轉速n_i和車輪朝向在平面上與機器人正方向的夾角ψ_i，0≤i≤m，活動腳輪數量m≥2；其特征在于：按照以下流程不斷更新控制機器人運動狀態，

步驟S1，根據任務需求確定當前時刻機器人的目標狀態，包括目標點的位置B、到達運動目標時的速度方向α、到達運動目標時的姿態rot B以及到達目標時的速度V_B；

步驟S2，將機器人整體的運動表示為機器人底盤幾何中心P點的質點的運動，根據目標狀態計算當前時刻機器人在全局坐標系下的運動向量T＝{V_x V_y ω_z}，其中V_x為機器人在全局坐標系下X軸的速度分量，V_y為機器人在全局坐標系下Y軸的速度分量，ω_z為機器人在全局坐標系下Z軸的角速度；運動向量計算實現如下，

(a)根據機器人的當前位置A點和目標點的位置B點，計算平面運動公轉的圓心O；

(b)確定機器人在A點時的速度方向；

(c)根據機器人在A點的姿態和到達B點的姿態，計算其自轉角速度；

(d)根據機器人在A點的速度和自轉角速度計算當前時刻機器人的運動向量；

步驟S3，以輪子側向不受力的原則計算各個輪子的轉速n_i和車輪朝向與機器人局部坐標系的X軸的夾角ψ_i；

步驟S4，按照步驟S3所得各個輪子的轉速n_i和車輪朝向與機器人局部坐標系的X軸的夾角ψ_i調整輪子的狀態，實現控制機器人運動。

2.根據權利要求1所述基于活動腳輪的2D輪式機器人的運動控制方法，其特征在于：步驟S1中，運動目標的位置(Bx,By,Bz)為全局坐標系下機器人運動平面上的任意位置，到達運動目標時機器人的速度方向α為全局坐標系下機器人運動平面上的任意方向α∈(-π,π]，到達目標點時的姿態rot B為到達目標點時機器人到達目標點時機器人正方向與全局坐標系X軸的任意夾角rot B∈(-π,π]，到達目標點的速度為在機器人最大速度限制下的任意速度0≤V_B≤V_max。

3.根據權利要求1所述的基于活動腳輪的2D輪式機器人的運動控制方法，其特征在于：步驟S3，以輪子側向不受力的原則計算各個輪子的轉速n_i和車輪朝向與機器人局部坐標系的X軸的夾角ψ_i，實現方式如下，

n_i×2×π×r×cos(ψ_i+rotA)＝V_x-ω_z×d_i×sin(λ_i)

n_i×2×π×r×sin(ψ_i+rotA)＝V_y+ω_z×d_i×cos(λ_i)

其中，車輪半徑r、車輪i與地面接觸點和輪子中心的連線所在的直線與局部坐標系XY平面的交點M與機器人局部坐標系原點P的距離d_i、PM方向與車身局部坐標系X軸的夾角λ_i為已知固定值，V_x、V_y、ω_z由步驟S2計算得到，rotA為機器人在A點時的姿態，為已知值，根據上式解算得到輪子i的轉速n_i和車輪朝向與機器人局部坐標系的X軸的夾角ψ_i,0≤i≤m，活動腳輪數量m≥2。

4.根據權利要求1或2或3所述基于活動腳輪的2D輪式機器人的運動控制方法，其特征在于：支持以下運動模式，

(1)機器人在平面上做直線運動且不改變其自身的姿態，即直線運動模式；

(2)機器人在平面上繞局部坐標系Z軸旋轉，即自轉模式；

(3)機器人在平面上做曲線運動且不改變自身姿態，即曲線運動模式；

(4)機器人在平面上做直線運動且繞局部坐標系Z軸旋轉，即同時直行和自轉的運動模式；

(5)機器人在平面上做曲線運動且繞局部坐標系Z軸旋轉，即同時曲線平動和自轉運動模式；

(6)停車，終止所有運動狀態。