CN101890714B - 单自由度连杆移动机器人及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种单自由度连杆移动机器人及其控制方法。其中，该单自由度连杆移动机器人包括：第一机器人头部、第二机器人头部，连接于所述第一机器人头部与所述第二机器人头部之间的第三组件、第四组件和第五组件；所述第三组件、第四组件与第五组件的一端通过转动副与所述第一机器人头部相连接；所述第三组件、第四组件与第五组件的另一端通过下连接杆与所述第二机器人头部通过转动副相连接。本发明实现了单自由度机器人的二维空间运动，即可以实现一定意义的直行与转向功能，为新型移动机器人的设计与研究提供了参考依据。
Description
技术领域
本发明涉及机器人及控制领域，尤其涉及单自由度连杆移动机器人及其控制方法。
背景技术
单自由度移动机器人由于其简单的结构，低难度的控制以及移动方式的特殊性，在机器人的学术领域具有重要的科研和应用价值。但单自由度机构只有一个独立运动参数，因此单自由度的机器人移动功能有限，通常仅能实现单一的直线或曲线的一维运动，难以实现具有移动和转向功能的任意二维移动。
发明内容
本发明的目的在于提供一种单自由度连杆移动机器人及其控制方法，该机器人能够利用机构的重心位置变化以及运动过程中的不稳定状态，实现机器人的定向移动与转向功能。
一方面，本发明公开了一种单自由度连杆移动机器人，包括：第一机器人头部、第二机器人头部，连接于所述第一机器人头部与所述第二机器人头部之间的第三组件、第四组件和第五组件；所述第三组件、第四组件与第五组件的一端通过转动副与所述第一机器人头部相连接；所述第三组件的另一端通过第一下连接杆与所述第二机器人头部通过转动副相连接，所述第四组件的另一端通过第二下连接杆与所述第二机器人头部通过转动副相连接，所述第五组件的另一端通过第三下连接杆与所述第二机器人头部通过转动副相连接。
上述连杆移动机器人，所述第三组件包括：上连接杆和电机，所述上连接杆和所述电机在所述上连接杆的一端相对固定连接。
上述连杆移动机器人，所述第四组件包括：上连接杆和配重块，所述上连接杆和所述配重块在所述上连接杆的一端相对固定连接。
上述连杆移动机器人，所述第五组件包括：上连接杆和配重块，所述上连接杆和所述配重块在所述上连接杆的一端相对固定连接。
上述连杆移动机器人，优选所述第三组件、第四组件和第五组件与所述下连接杆通过转动副相连接。
另一方面，本发明还公开了一种单自由度机器人的控制方法，用于上述单自由度机器人进行控制，包括如下步骤：步骤S1，定义误差值；步骤S2，获取当前位置，判断该当前位置是与目标位置之间的所述误差是否小于设定的阈值？若是，则结束控制程序，若否，则执行步骤S3；步骤S3，设定步长，计算下一步的运动位置，选择运动步态；步骤S4，判断是否为定向运动？若是，则执行步骤S2，若否，则执行步骤S5；步骤S5，进行概率运动；步骤S6，判断是否到达下一步的位置，若是，则执行步骤S2，若否，则执行步骤S5。
相对于现有技术而言，本发明实现了单自由度机器人的二维空间运动，即，一定意义的直行与转向功能，为新型移动机器人的设计与研究提供了参考依据。
附图说明
图1为本发明单自由度连杆移动机器人的立体结构示意图；
图2为本发明单自由度连杆移动机器人机械结构示意图；
图3为本发明的第三组件的结构示意图；
图4为本发明的第三组件的电机联接处剖面示意图；
图5为本发明的第五组件的配重块联接处剖面示意图；
图6为本发明单自由度连杆移动机器人一侧头部与杆件连接关系示意图；
图7为本发明单自由度连杆移动机器人的初始姿态示意图；
图8为本发明单自由度连杆移动机器人的伸长姿态示意图；
图9为本发明单自由度连杆移动机器人的缩短姿态示意图；
图10为本发明单自由度连杆移动机器人控制方法的控制流程图；
图11为本发明机器人的运动过程示意图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
参照图1至图9，单自由度连杆移动机器人包括：第一机器人头部1与第三组件3、第四组件4和第五组件5通过转动副联接；第三组件3包括机器人上连接杆9和电机10，机器人上连接杆9和电机10在机器人上连接杆9的一端相对固定联接；第四组件4包括机器人上连接杆14和配重块15，机器人上连接杆14和配重块15在机器人上连接杆14的一端相对固定联接；第五组件5同第四组件4；第三组件3与机器人下连接杆6之间为转动关系，第三组件3中，电机10的电机输出轴11与机器人下连接杆6相对固定联接；第四组件4与机器人下连接杆7之间为转动关系，第四组件4中，配重块15的转动轴16与机器人下连接杆7相对固定联接；第五组件5与机器人下连接杆8同组件4与机器人下连接杆7；机器人下连接杆6的一端与机器人第二头部2通过转动副联接；机器人下连接杆7与第二机器人头部2同机器人下连接杆6与第二机器人头部2。
在开始运动时，机器人处于初始姿态。驱动电机转动使其所联接的两个杆件夹角增大，当机器人具有一定的惯性并足以克服重力做功能时，其重心可以落在支持区域之外，从而实现翻转移动。若机器人翻转时绕其两个着地点所在的直线运动，则其运动方向确定，且翻转运动后机器人会有两个杆件着地，运动稳定，为定向移动；若机器人翻转时绕其一个着地点运动，由于机器人的运动惯性，其会沿原运动方向翻转，但机器人翻转后会出现只有一个杆件着地的不稳定状态，机器人会随机地发生向单一着地杆件一侧翻倒，机器人重心偏离原移动方向，从而实现机器人的转向运动，为概率翻转移动。
由于本发明所述机器人实现转向的过程为一个服从伯努利分布的随机过程，即机器人可能向单一着地杆件的一侧或者另一侧翻倒，因此需要对机器人翻转后的结果进行选择和控制，进而实现机器人的可控运动。
由于机器人在方向偏转时向任意一侧翻转的概率相等，均为1/2，所以机器人在完成一次概率翻转动作后，若向预期移动方向偏转则进行下一步动作，若未向预期移动方向偏转则回退到翻转前位置，重新进行概率翻转动作，直至机器人向预期方向偏转。由于机器人连续向非预期方向偏转的动作发生的概率逐渐趋近于零，所以通过对机器人概率翻转动作的结果进行选择，可以实现对机器人方向偏转的控制。
参照图10，图10为本发明单自由度连杆移动机器人控制方法的控制流程图，包括如下步骤：
步骤S1，机器人位于出发点，机构的初始位姿如图11-(a)所示；定义机器人运动的最终位置与目标点之间的误差值，作为机器人判断近似达到目标点和运动停止的条件。
步骤S2，获取当前位置，判断该当前位置与目标位置之间的距离是否小于预先设定的阈值？若是，则认为机器人到达目标位置，结束控制程序；若否，则执行步骤S3。
步骤S3，设定步长，计算下一步的运动位置与运动方向，选择运动步态，即概率步态运动或定向步态运动(在定向运动步态中机器人运动方向不变，在概率运动步态中机器人运动方向改变)。
步骤S4，判断是否为定向运动？若是，则执行步骤S2，机器人姿态如图11-(b)所示，若否，则执行步骤S5。
步骤S5，进行概率运动，机器人的姿态如图11-(d)所示。
步骤S6，判断是否到达预期的下一步的位置，若是，则执行步骤S2，若否，则执行步骤S5。
也就是说，机器人在向目标移动的过程中，通过检测判断走过一步后是否更加靠近目标来实现定向运动控制。若机器人走过一步后的所在位置点到目标的距离不大于前一位置到目标的距离，则机器人继续下一步移动；若机器人走过一步后的所在位置点到目标的距离大于前一位置到目标的距离，则机器人反向运动，如果这一步为定向运动，则机器人会退回到前一位置，如果这一步为概率翻转运动，则机器人会退回到前一位置或者另一个位置，机器人重新移动并进行所在点到目标的距离判断。当机器人所在位置到达目标的距离小于预定值时，则认为机器人到达目标，停止移动或完成下一动作。
参照图11，图11为本发明机器人单运动周期的运动过程示意图。
图11中实线箭头表示移动机构当前运动方向，虚线箭头表示原运动方向。
步骤1初始位置
设置机构的初始位姿，机构的AD和AE两个杆着地，机构质心位于AD和AE两个杆件构成的三角形内部，机构处于稳定状态，如图11-a所示。
步骤2准备定向翻转
机构驱动机使两个连接杆间夹角扩大，两个顶点间距离加大，使机构质心向前移动，逐渐接近翻转轴线，并具有一定的速度，如图11-b所示。
步骤3完成定向翻转
机构在惯性作用下，质心越过翻转轴线，机构发生翻转运动；相邻面的两根杆件着地。由于在此动作中机构的运动方向是沿着翻转轴线的法线方向，故此步中机构运动为确定的。如图11-c。
步骤4概率翻转
完成第三步后，机构的驱动机迅速反向旋转，使两个连接杆间的夹角缩小，两个顶点间的距离缩短，使机构的质心沿原前进方向继续移动，直至再次达到一定的动能，使机构可以在惯性下绕前方顶点、沿原前进方向翻转。此时翻转后的瞬间，出现只有一根杆着地的情况。如图11-d，图11-e和图11-f所示。
步骤5侧向翻转(完成概率翻转)
第四步中，完成第二次翻转后的这个状态是不稳定的，机构通过下一个向某一侧翻倒的动作趋向于为稳定状态。在地面平坦、机构质量分布均匀、无外界干扰等理想条件下，这个随机过程是服从伯努力概率分布的，向每一侧翻倒的概率相等。如图所示，其中图11-g和图11-h为向一侧翻倒的情况，图11-i和图11-j为向另一侧翻倒的情况。完成侧向翻转动作后，经过一次小幅度的姿态调整，机构重新回到初始的姿态。
以上对本发明所提供的单自由度连杆移动机器人及其控制方法进行详细介绍，本文中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (3)
1.一种单自由度连杆移动机器人，其特征在于，
包括：第一机器人头部、第二机器人头部，连接于所述第一机器人头部与所述第二机器人头部之间的第三组件、第四组件和第五组件；所述第三组件、第四组件与第五组件的一端通过转动副与所述第一机器人头部相连接；所述第三组件的另一端通过第一下连接杆与所述第二机器人头部通过转动副相连接，所述第四组件的另一端通过第二下连接杆与所述第二机器人头部通过转动副相连接，所述第五组件的另一端通过第三下连接杆与所述第二机器人头部通过转动副相连接，其中，
所述第三组件包括：上连接杆和电机，所述上连接杆和所述电机在所述上连接杆的一端相对固定连接。
所述第四组件包括：上连接杆和配重块，所述上连接杆和所述配重块在所述上连接杆的一端相对固定连接。
所述第五组件包括：上连接杆和配重块，所述上连接杆和所述配重块在所述上连接杆的一端相对固定连接。
2.根据权利要求1所述的连杆移动机器人，其特征在于，所述第三组件、第四组件和第五组件与所述下连接杆通过转动副相连接。
3.一种单自由度机器人的控制方法，用于对如权利要求1或2所述的单自由度机器人进行控制，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S1，定义误差值；
步骤S2，获取当前位置，判断该当前位置是与目标位置之间的所述误差是否小于设定的阈值；若是，则结束控制程序，若否，则执行步骤S3；
步骤S3，设定步长，计算下一步的运动位置，选择运动步态；
步骤S4，判断是否为定向运动；若是，则执行步骤S2，若否，则执行步骤S5；
步骤S5，进行概率运动；
步骤S6，判断是否到达下一步的位置，若是，则执行步骤S2，若否，则执行步骤S5。
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