CN109702708B - 基于陀螺进动效应的球形机器人机构及行走方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于陀螺进动效应的球形机器人机构及行走方法。本发明在结构上包括外球壳以及设于外球壳内部的陀螺驱动单元，本发明的陀螺驱动单元包括正方体支架及设于正方体支架内部的陀螺转子机构和全向轮驱动单元，所述陀螺转子机构包括球形陀螺支架和设于球形陀螺支架内部的陀螺转子，所述全向轮驱动单元包括围绕球形陀螺支架布置并驱动球形陀螺支架万向转动的六个全向轮驱动组件，各全向轮驱动组件主要包括单排全向轮及检测单排全向轮转角的绝对式编码器，两两相对的单排全向轮为一组，三组单排全向轮分别处于正交于球形陀螺支架中心的三个相互垂直的平面上，本发明通过陀螺驱动单元产生的全向陀螺力矩实现球形机器人的全方位运动。

Description

基于陀螺进动效应的球形机器人机构及行走方法

技术领域

本发明涉及球形机器人机构，具体为一种基于陀螺进动效应的球形机器人机构及行走方法。

背景技术

移动机器人按移动方式大体可分为轮式、履带式、腿式、蛇形式。其中，轮式机器人具有移动速度快的特点；履带式机器人具有带负载能力强的特点；腿式机器人可以能适应复杂的地形；蛇形式机器人具有转向灵活、地面适应能力强等特点。其共同不足之处是无法进行机器人的全方位移动。鉴于此，国内外学者研发出球形机器人。

球形机器人是一种新型的移动机器人机构，其具有轮式机器人的机动性能以及腿式机器人适应复杂地形的优点，并且具有体积小、灵活迅速等特点，同时球形的外壳使球形机器人的运动姿态易于调整和恢复，因此，球形机器人是一种可实现全方位运动的移动式机器人。由于球形机器人系统是一类非完整欠驱动系统，可将其作为一种检验某种多输入多输出系统理论的实验平台。

现有球形机器人的驱动原理主要有两类：基于球壳内部机构质心变化驱动和基于角动量守恒原理驱动的球形机器人，其主要功能主要是实现球形机器人的全向移动，然而现有的球形机器人大多数难以实现球形机器人的自转运动，如专利号为201611199608.7的《一种球形机器人》，其可以实现全方位移动但不能实现自转运动。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明基于陀螺的进动效应提出了一种基于陀螺进动效应的球形机器人机构及行走方法。

能够解决上述技术问题的基于陀螺进动效应的球形机器人机构，其技术方案包括外球壳以及设于外球壳内部的陀螺驱动单元，所不同的是所述陀螺驱动单元包括正方体支架以及设于正方体支架内部的陀螺转子机构和全向轮驱动单元，基于陀螺的进动效应，所述陀螺驱动单元能够产生使外球壳全方位运动的全向陀螺力矩。

所述陀螺转子机构包括球形陀螺支架和设于球形陀螺支架内部的陀螺转子，所述陀螺转子由自带有增量式编码器的转子电机驱动并进行高速旋转；所述全向轮驱动单元包括围绕球形陀螺支架布置并驱动球形陀螺支架万向转动的六个全向轮驱动组件，所述全向轮驱动组件主要是对陀螺转子机构起支撑及驱动的作用，各全向轮驱动组件主要包括由直流电机驱动的单排全向轮以及检测单排全向轮转动角度的绝对式编码器，两两相对的单排全向轮为一组，三组单排全向轮分别处于正交于球形陀螺支架中心的三个相互垂直的平面上，所述直流电机自带有能够实时检测对应全向轮速度的增量式编码器。

采用上述球形机器人机构的行走方案为：

1、初始时刻，通过安装在全向轮架上的绝对式编码器可检测出对应单排全向轮的位置。

2、当驱动设于正方体支架内部的全向轮驱动单元运动时，通过安装在全向轮架上的绝对式编码器可检测出对应单排全向轮的转角，由于单排全向轮与球形陀螺支架之间的运动为纯滚动，进而求出球形陀螺支架的姿态矩阵。

3、基于陀螺力矩的计算方法以及球形陀螺支架的姿态矩阵，通过事先设计的轨迹控制器计算出各全向轮驱动力矩和陀螺转子驱动力矩，球形机器人的六个全向轮及陀螺转子将按照控制器计算出的力矩进行驱动。

4、基于陀螺的进动效应，当陀螺转子受到两个不同方向的力矩时，陀螺转子会产生对球形陀螺支架的陀螺力矩；由于球形陀螺支架与全向轮存在滚动约束，同时全向轮安装在全向轮架上，全向轮架安装在正方体支架上，正方体支架安装在外球壳上，经过一系列力的相互作用，陀螺转子会产生实现球形机器人自转以及全方位移动的陀螺力矩。

本发明的有益效果：

1、本发明结构中，球形机器人正方体支架、全向轮驱动组件、陀螺转子机构均采用对称分布，这种对称分布的方式能够降低附加不平衡力矩的产生。

2、本发明结构中，在陀螺转子的两端都安装自带有增量式编码器的转子电机，而实际工作过程中仅需一个转子电机就能实现陀螺转子的自转运动，这样可以提升陀螺转子机构的性能。

3、本发明结构中，当陀螺转子发生自转时，驱动安装在正方体支架内部的一组三个旋转轴线两两垂直的全向轮驱动组件，可以实现球形机器人的全方位运动，而实际安装有两组三个旋转轴线两两垂直的全向轮驱动组件，这样就能达到冗余备份的效果，提高了系统的可靠性。

4、本发明结构中，基于陀螺的进动效应，仅通过陀螺驱动单元产生的全向陀螺力矩可以产生使球形机器人自转以及全方位移动，其在结构上较为简单，易于实现。

附图说明

图1为本发明一种实施方式的结构示意图。

图2为图1中的A-A剖视图。

图3为图1实施方式中全向轮驱动单元的立体结构示意图。

图4为图1实施方式中全向轮的结构示意图。

图中：1-外球壳；2-正方体支架；3-绝对式编码器；4-全向轮架；5-直流电机；6-全向轮；7-球形陀螺支架；8-陀螺转子；9-转子轴承；10-转子电机；11-支撑板；12-大节轮；13-小节轮；14-全向轮轮毂；15-轴套。

具体实施方式

下面结合附图所示实施方式对本发明的技术方案作进一步说明。

本发明基于陀螺进动效应的球形机器人机构包括外球壳1以及直接安装在外球壳1上的陀螺驱动单元，如图1、2所示。

所述陀螺驱动单元包括正方体支架2以及设于正方体支架2内部的陀螺转子机构和全向轮驱动单元，所述陀螺转子机构包括球形陀螺支架7和设于球形陀螺支架7内部的陀螺转子8，所述陀螺转子8由自带有增量式编码器的转子电机10驱动并进行高速旋转，陀螺转子8通过转子轴承9安装在球形陀螺支架7上，转子电机10通过支撑板11安装在球形陀螺支架7上，所述外球壳1的球心、正方体支架2的中心、球形陀螺支架7的球心和陀螺转子8的中心同心；所述全向轮驱动单元包括围绕球形陀螺支架7布置并驱动球形陀螺支架7万向转动的六个全向轮驱动组件，所述全向轮驱动组件主要由单排全向轮6、全向轮架4、绝对式编码器3以及自带有增量式编码器的直流电机5所组成，各单排全向轮6通过对应全向轮架4安装且各轮架上安装有检测对应单排全向轮6转动角度的绝对式编码器3，两两相对的单排全向轮6为一组，三组单排全向轮6分别处于正交于球形陀螺支架7中心的三个相互垂直的平面上，直流电机5直接安装在全向轮架4上，所述单排全向轮6主要由全向轮轮毂14、大节轮12、小节轮13、轴套15所组成，所述大节轮12、小节轮13交错圆周均布分布，如图1、图2、图3、图4所示。

采用上述球形机器人机构的行走方案为：

1、初始时刻，通过安装在全向轮架4上的绝对式编码器3可检测出对应单排全向轮6的位置。

2、当驱动设于正方体支架2内部的全向轮驱动单元运动时，通过安装在全向轮架4上的绝对式编码器3可检测出对应单排全向轮6的转角，由于单排全向轮6与球形陀螺支架7之间的运动为纯滚动，进而求出球形陀螺支架7的姿态矩阵。

3、基于陀螺力矩的计算方法以及球形陀螺支架7的姿态矩阵，通过事先设计的轨迹控制器计算出各全向轮6驱动力矩和陀螺转子8驱动力矩，球形机器人的六个全向轮6及陀螺转子8将按照控制器计算出的力矩进行驱动。

4、基于陀螺的进动效应，当陀螺转子8受到两个不同方向的力矩时，陀螺转子8会产生对球形陀螺支架7的陀螺力矩；由于球形陀螺支架7与全向轮6存在滚动约束，同时全向轮6安装在全向轮架4上，全向轮架4安装在正方体支架2上，正方体支架2安装在外球壳1上，经过一系列力的相互作用，陀螺转子8会产生实现球形机器人自转以及全方位移动的陀螺力矩。

Claims (1)

1.基于陀螺进动效应的球形机器人行走方法，其特征在于采用了基于陀螺进动效应的球形机器人机构，所述球形机器人机构包括设于外球壳(1)内部的陀螺驱动单元，所述陀螺驱动单元包括正方体支架(2)以及设于正方体支架(2)内部的陀螺转子机构和全向轮驱动单元，所述陀螺转子机构包括球形陀螺支架(7)和设于球形陀螺支架(7)内部的陀螺转子(8)，所述陀螺转子(8)由自带有增量式编码器的转子电机(10)驱动并进行高速旋转；所述全向轮驱动单元包括围绕球形陀螺支架(7)布置并驱动球形陀螺支架(7)万向转动的六个全向轮驱动组件；所述全向轮驱动组件包括由直流电机(5)驱动的单排全向轮(6)和检测单排全向轮(6)转动角度的绝对式编码器(3)，两两相对的单排全向轮(6)为一组，三组全向轮(6)分别处于正交于球形陀螺支架(7)中心的三个相互垂直的平面上；所述球形机器人机构的行走方案为：

①、初始时刻，通过安装在全向轮架(4)上的绝对式编码器(3)可检测出对应单排全向轮(6)的位置；

②、当驱动设于正方体支架(2)内部的全向轮驱动单元运动时，通过安装在全向轮架(4)上的绝对式编码器(3)可检测出对应单排全向轮(6)的转角，由于单排全向轮(6)与球形陀螺支架(7)之间的运动为纯滚动，进而求出球形陀螺支架(7)的姿态矩阵；

③、基于陀螺力矩的计算方法以及球形陀螺支架(7)的姿态矩阵，通过事先设计的轨迹控制器计算出各全向轮(6)驱动力矩和陀螺转子(8)驱动力矩，球形机器人的六个全向轮(6)及陀螺转子(8)将按照控制器计算出的力矩进行驱动；

④、基于陀螺的进动效应，当陀螺转子(8)受到两个不同方向的力矩时，陀螺转子(8)会产生对球形陀螺支架(7)的陀螺力矩；由于球形陀螺支架(7)与全向轮(6)存在滚动约束，同时全向轮(6)安装在全向轮架(4)上，全向轮架(4)安装在正方体支架(2)上，正方体支架(2)安装在外球壳(1)上，经过一系列力的相互作用，陀螺转子(8)会产生实现球形机器人自转以及全方位移动的陀螺力矩。

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