[發明專利]車-蛇復合式變結構移動機器人的運動學建模方法在審

申請號：	202011125389.4	申請日：	2020-10-20
公開（公告）號：	CN112462753A	公開（公告）日：	2021-03-09
發明（設計）人：	曾明;李冠男;馬煜;王湘暉	申請（專利權）人：	天津大學
主分類號：	G05D1/02	分類號：	G05D1/02
代理公司：	天津市北洋有限責任專利代理事務所 12201	代理人：	程毓英
地址：	300072***	國省代碼：	天津;12
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摘要：
搜索關鍵詞：	復合結構移動機器人運動學建模方法
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【權利要求書】：

1.一種車-蛇復合式變結構移動機器人的運動學建模方法，機器人整體包括頭體部分和尾體部分兩部分，通過關節連接頭體與尾體部分，在機器人頭體與尾體均安裝兩個麥克納姆輪，在車形姿態下頭體兩個麥克納姆輪輪轂轉動軸共線，尾體兩個麥克納姆輪輪轂轉動軸共線，俯視移動機器人視角下，頭體左側麥克納姆輪輪轂轉動所處平面與尾體左側麥克納姆輪輪轂轉動所處平面共面，頭體右側麥克納姆輪輪轂轉動所處平面與尾體右側麥克納姆輪輪轂轉動所處平面共面；在一字形姿態下頭體兩個麥克納姆輪輪轂和尾體兩個麥克納姆輪輪轂的轉動軸均共線，俯視移動機器人視角下，自右向左依次編號為1號麥克納姆輪、2號麥克納姆輪、3號麥克納姆輪和4號麥克納姆輪，四個麥克納姆輪輪轂轉動所處的平面平行但不共面；按照如下步驟進行運動學建模：

第一步：定義A點位于機器人頭體質心處，定義B點位于機器人尾體質心處，利用^FO_xy來定義車-蛇復合變結構移動機器人的頭體坐標系，該頭體坐標系原點位于A點；利用^KO_xy來定義尾體坐標系，該坐標系原點位于B點；利用^OO_xy來定義世界坐標系；利用^jq_i＝[^jx_i^jy_i^jθ_i]^T來定義機器人的某一點i在坐標系j下的位置和姿態角；定義車-蛇復合變結構移動機器人A點和B點在世界坐標系下的位姿為：

^Oq_A＝[^Ox_A^Oy_A^Oθ_A]^TOq_B＝[^Ox_B^Oy_B^Oθ_B]^T

將^Oq_A的一階倒數定義為頭體質心在世界坐標系下的速度和角速度；將^Oq_B的一階倒數定義為尾體質心在世界坐標系下的速度和角速度；

定義車-蛇復合變結構移動機器人A點在頭體坐標系下的位姿為：

^Fq_A＝[^Fx_A^Fy_A^Fθ_A]^T

定義車-蛇復合變結構移動機器人B點在頭體坐標系下的位姿為：

^Fq_B＝[^Fx_B^Fy_B^Fθ_B]^T

第二步：關節用于連接頭體與尾體，定義C點位于關節處，定義a為質心距離連桿的垂直距離，定義b為連桿的長度，定義連桿正切角定義θ₁為頭體的航向角，即^FO_xy坐標系x軸與^OO_xy坐標系x軸夾角，定義θ₂為尾體的航向角，即^KO_xy坐標系x軸與^OO_xy坐標系x軸夾角；

第三步：機器人的頭體和尾體之間需要一個關節進行連接，前、后車體的實際運動過程中需要滿足關節的運動約束條件；該約束條件被定義為頭體和尾體在關節處的移動速度和角速度相等，即定義C點在世界坐標系下的速度為：

其中代表A點速度到C點速度的轉換矩陣，

代表B點速度到C點速度的轉換矩陣；

第四步：定義ω₁₁代表第1號麥克納姆輪輪轂轉速，定義ω₁₂代表第1號輪子上輥子的轉速，定義ω₁₃代表第1號輪子轉軸與世界坐標系x軸夾角的角速度，即θ₁的一階導數定義ω₂₁代表第2號麥克納姆輪輪轂轉速，定義ω₂₂代表第2號輪子上輥子的轉速，定義ω₂₃代表第2號輪子轉軸與世界坐標系x軸夾角的角速度，即θ₁的一階導數定義ω₃₁代表第3號麥克納姆輪輪轂轉速，定義ω₃₂代表第3號輪子上輥子的轉速，定義ω₃₃代表第3號輪子轉軸與世界坐標系x軸夾角的角速度，即θ₂的一階導數定義ω₄₁代表第4號麥克納姆輪輪轂轉速，定義ω₄₂代表第4號輪子上輥子的轉速，定義ω₄₃代表第4號輪子轉軸與世界坐標系x軸夾角的角速度，即θ₂的一階導數定義φ代表輥子轉軸與輪子轉軸夾角，定義r代表輥子半徑，R代表輪子半徑；頭體質心到輪子中心的距離與尾體質心到輪子中心的距離相等，該距離定義為l₃；定義一字形運動時頭體兩個麥克納姆輪與A點在^FO_xy坐標系下的速度的關系定義為：