CN104029742A - 新型球形机器人及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型球形机器人及其控制方法，涉及球形机器人技术领域。驱动轴和转动轴相互垂直且均位于水平面内，通过控制两轴的动力源驱动电机、转向电机即可实现前进后退、零半径任意角度转弯、任意异常姿态调整等动作，不仅具有全向滚动、无运动死角的特点，还具有控制简单可靠的优点，此外本发明结构的独特设计还可保证搭载平台的良好稳定性，可以内置摄像机、传感器等设备进而实现在陌生环境中运动以及星球探测等等。

Description

新型球形机器人及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种球形机器人及其运动轨迹控制。

背景技术

球形机器人是一种新型结构的滚动行走机器人，具有运动速度快、越野性能好、控制相对简单等特点，逐渐成为国内外智能机器人研究领域的热点之一。

现有的球形机器人方案按驱动方式大体可分为以下三类：滚轮驱动、变质心驱动、多自由度驱动。但由于普遍存在以下待改进之处：全向滚动、控制可靠、搭载平台稳定性以及异常姿态调整，这些方案还不能很好的满足实际应用的需要。本发明人针对这些问题进行了深入研究并提出了改进，本案由此产生。

发明内容

本发明的目的是：提出一种可实现全向滚动无运动死角、控制简单可靠、附件搭载平台稳定性好、异常姿态调整简单的球形机器人结构方案，克服现有方案的不足。

本发明的解决方案是：该球形机器人由控制部分、搭载平台及配重、电机、传动机构、球壳组成。控制部分可为自主控制，也可为遥控，通过向负责转向、驱动的两个电机输出控制信号以实现球体的前进、后退、转向的运动。搭载平台可搭载传感器、摄像头等探测装置，搭载平台及配重用以保证搭载平台的稳定性。转向和驱动电机分别输出转矩经过传动装置到球体在水平平面内相互垂直的两个运动方向，当两电机转速恒定且比值一定时，输出与原有运动方向成一定夹角的直线运动，通过调整转速比值可实现零半径转角、转角任意(0～90度)的直线变向运动，当球体轨迹已预设为某曲线时，可通过直线轨迹插补实现设定轨迹。

该方案的优点是：

(1)无运动死角，全向滚动，无论球体处于任何异常姿态均可调整恢复。

(2)两轴控制简单可靠，零半径转角、转角任意(0～90度)；异常姿态调整时可实现异步三轴驱动。

(3)运动只能由内部单向传递给外部球壳，球壳任意方向的滚动均不会影响到内部搭载平台的位置及姿态，能有效保证附件工作环境的稳定性。

附图说明

图1-本发明车体的结构示意图；图2-本发明车体的结构分解图；图3-刚体绕定点转动的欧拉角描述；图4-角速度的矢量合成图。

标号说明：

球形车壳 1、8转向架 2、7

传动轮 3、6传动锥齿轮一及弹簧 4、5

传动锥齿轮二及弹簧 9、10转向轴 11

转向锥齿 12搭载平台及配重 13

搭载附件 14控制电路 15

转向电机 16驱动电机 17。

具体实施方式

1.驱动系统结构

如图1所示，两个球形车壳1、8扣合成球形外形，转向电机16、驱动电机17、搭载附件14、控制电路15组装在搭载平台及配重13上，搭载平台及配重空套在转向轴11上，可以绕转向轴11自由转动但不可沿轴向滑动，转向锥齿12套在转向轴11上可滑移，弹簧用于保证12与转向电机16输出齿轮的啮合，转向电机16输出的动力可经过转向锥齿12传给转向轴11。驱动电机17输出齿轮与固联在传动轮3中心的锥齿轮啮合，传动轮3、6扣合成一个整体而且空套在转向轴11上，轮缘为锥形齿圈，用于和传动锥齿轮一4、传动锥齿轮二9啮合传递动力。两转向架2、7和转向轴11扣合在中间，三者相互固联。两转向架2、7和转向轴11组合成的转向架空套在两个球形车壳1、8的中心立柱上，可以绕中心立柱自由转动；此外球形车壳1、8的中心立柱上分别套有锥齿轮4、9分别与传动轮3、6啮合，负责将动力传递给球形车壳1、8，可沿中心立柱滑动。

可沿轴向滑移的锥齿轮4、12、9以及传动轮3需用弹簧或垫圈调整轴向间隙，实现轴向定位保证轮齿啮合。

2.工作原理

1)前进或后退：

当控制电路15发出前进或后退指令时，驱动电机17正转或反转，输出扭矩传给传动轮3，一方面传动轮3将扭矩传给锥齿轮4带动球形车壳1运动，另一方面传动轮3将扭矩传给传动轮6，再传给锥齿轮9带动球形车壳8运动，通过对锥齿轮3、4、8、9啮合齿数的设计计算可保证球形车壳1、8运动同步且方向一致。

2)任意角度的左转或右转：

4)异常姿态调整：

由欧拉角的概念可知，若用分别表示每次转动时动系相对于该次转动前的方向余弦矩阵，则三次转动后刚体相对于转动前的方向余弦矩阵A为：

其中：

于是有：

若已知球体异常姿态相对于最初状态的空间关系A，可由上式反推出这样只需通过传感器测出异常姿态的位置参数，求解出Z-X-Z各轴控制信息，就能实现姿态调整。

此外，由于欧拉角同样也是时间的函数，即：按照刚体绕定点转动的欧拉定理，刚体绕相交轴转动时，角速度的合成服从向量运算法则，刚体角速度为：对于平面滚动，简化为：

所以要实现转向角为α的直线转向时，如图4所示：设定两电机转速比矢量合成角速度当转速比设定好之后，控制电路15同时向转向电机16、驱动电机17发出捐令时，扭矩经由电机、转向架、传动轮传递给球壳实现直线转向。

3)特定轨迹的运动实现：

设预定轨迹S＝f(X，Z)，沿X，Z向矢量分解为各轴角速度 $\frac{d\stackrel{\‾}{f_X}}{\mathrm{dt}}=R\·{\stackrel{\‾}{\mathrm{\ω}}}_X,\frac{d\stackrel{\‾}{f_Z}}{\mathrm{dt}}=R\·{\stackrel{\‾}{\mathrm{\ω}}}_Z.$ 则位移与角速度关系为： $\stackrel{\‾}{f}=R\·\∫(\stackrel{\‾}{{\mathrm{\ω}}_X}+\stackrel{\‾}{{\mathrm{\ω}}_Z})\mathrm{dt},$ 写成离散数值解的形式：R为球形机器人球壳的半径。进而解出X，Z轴控制信息即可实现特定的运动轨迹。

4)异常姿态调整：

由欧拉角的概念可知，若用分别表示每次转动时动系相对于该次转动前的方向余弦矩阵，则三次转动后刚体相对于转动前的方向余弦矩阵A为：

其中：

于是有：

若已知球体异常姿态相对于最初状态的空间关系A，可由上式反推出这样只需通过传感器测出异常姿态的位置参数，求解出Z-X-Z各轴控制信息，就能实现姿态调整。

上述例和图式并非限定本发明的产品形态和试样，任何所属技术领域的普通技术人员对其所做的适当变化或修饰，尤其是从加工工艺的角度对图样的改进以及仅对外观表面效果所做出的改进皆应视为不脱离本发明的专利范畴。

Claims (8)

1.新型球形机器人及其控制方法，其特征在于整体结构包括传动机构、执行机构；传动机构包括转向锥齿、转向架、传动轮，所述转向架包括转向架(2)、转向架(7)、转向轴(11)并与球形车壳联接，所述传动轮包括传动轮(3)、传动轮(6)并与转向轴(11)联接，转向锥齿(12)与转向轴(11)联接；执行机构包括传动锥齿轮一(4)、传动锥齿轮二(9)、球形车壳；转向电机(16)输出的动力经过转向锥齿(12)传给转向轴(11)再传给整个转向架，造成转向架倾斜实现转向；驱动电机(17)输出动力经过固联在传动轮(3)中心的齿轮传递给传动轮，通过轮齿啮合将动力分别经过传动锥齿轮一(4)、传动锥齿轮二(9)传给球形车壳，实现前进或后退。

2.根据权利要求1所述的新型球形机器人及其控制方法，其特征在于：所述转向架(2)、转向架(7)、转向轴(11)相互固联，转向轴(11)位于转向架(2)、转向架(7)之间且通过二者的几何形心，三者形成的整体通过轴承与球形车壳联接或空套在球形车壳中心立柱上。

3.根据权利要求1所述的新型球形机器人及其控制方法，其特征在于：所述传动轮(3)、传动轮(6)扣合为一个整体，通过轴承与转向轴(11)联接或空套在转向轴(11)上，在驱动电机(17)的驱动下绕转向轴(11)中心轴线同步转动。

4.根据权利要求3所述的新型球形机器人及其控制方法，其特征在于：所述传动轮(3)、传动轮(6)轮缘有轮齿，齿数设计以保证传动锥齿轮一(4)、传动锥齿轮二(9)的输出角速度相同为原则。

5.根据权利要求1所述的新型球形机器人及其控制方法，其特征在于：所述传动锥齿轮一(4)、传动锥齿轮二(9)中心轴线共线且通过球形车壳球心，分别与球形车壳固联或联接可沿轴向滑移。

6.根据权利要求1所述的新型球形机器人及其控制方法，其特征在于：所述转向电机(16)、驱动电机(17)与搭载平台及配重(13)固联，搭载平台及配重(13)空套在转向轴(11)上或通过轴承与转向轴(11)联接。

7.根据权利要求1所述的新型球形机器人及其控制方法，其特征在于控制方法上：实现直线转向的程序是：

(1)设定直线转向的转向角α；

(2)设定两电机转速比并根据实际要求设定ω_x，ω_z的值；

(3)控制电路(15)设定好转速后分别向转向电机(16)驱动电机(17)发出控制指令；

(4)动力经由电机、转向架、传动轮传递给球壳实现直线转向。

8.根据权利要求1所述的新型球形机器人及其控制方法，其特征在于控制方法上：实现特定运动轨迹的方法是：

由预定轨迹S＝f(X，Z)，沿X，Z向矢量分解为得到各轴角速度 $\frac{d\stackrel{\‾}{f_X}}{\mathrm{dt}}=R\·\stackrel{\‾}{{\mathrm{\ω}}_X},\frac{d\stackrel{\‾}{f_Z}}{\mathrm{dt}}=R\·{\stackrel{\‾}{\mathrm{\ω}}}_Z.$ 则位移与角速度关系为： $\stackrel{\‾}{f}=R\·\∫(\stackrel{\‾}{{\mathrm{\ω}}_X}+\stackrel{\‾}{{\mathrm{\ω}}_Z})\mathrm{dt},$ 写成离散数值解的形式：R为球形机器人球壳的半径。进而解出X，Z轴控制信息即可实现特定的运动轨迹。