CN113021297A - 盘式行走的机器人及其行走控制方法 - Google Patents

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梁春林
许槐杰
段云峰
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Abstract

本发明公开了盘式行走的机器人,包括底壳,所述底壳上设有兼作行走轮的至少三个盘式结构,所述兼作行走轮的盘式结构倾斜设置且其所在平面与工作平面之间形成盘式结构倾斜角,各所述盘式结构分别沿该个盘式结构所在平面转动以带动机器人行走。本发明采用盘式结构作为行走单元,盘式结构与工作平面形成盘式结构倾斜角,使盘式结构在转动时与工作平面形成摩擦以保障机器人行走,同时,通过调节各盘式结构的转速,即可实现机器人全向行走,提高机器人行走灵活度;而且可在全向行走的同时对其走过的路径进行清洁,使用起来非常方便。

Description

盘式行走的机器人及其行走控制方法
【技术领域】
本发明涉及行走机器人技术领域,具体是一种盘式行走的机器人及其行走控制方法。
【背景技术】
当前大多数机器人使用的双轮差速模型,在运动的时候会受到限制,只能前进后退,圆心转弯,机器不够灵活。
【发明内容】
本发明的目的在于提供一种盘式行走的机器人及其行走控制方法,解决现有技术中行走机器人灵活性低的问题。
为解决上述问题,本发明提供技术方案如下:
盘式行走的机器人,包括底壳,所述底壳上设有兼作行走轮的至少三个盘式结构,所述兼作行走轮的盘式结构倾斜设置且其所在平面与工作平面之间形成盘式结构倾斜角,各所述盘式结构分别沿该个盘式结构所在平面转动以带动机器人行走。
如上所述的盘式行走的机器人,各所述盘式结构转动时各盘式结构与工作平面之间至少有一个接触点。
如上所述的盘式行走的机器人,各所述盘式结构与工作平面接触的核心受力点处的角速度的切线方向所在的直线不全部平行。
如上所述的盘式行走的机器人,所述底壳上设有四个盘式结构,两相邻所述盘式结构与工作平面接触的核心受力点处的角速度的切线方向所在的直线垂直。
如上所述的盘式行走的机器人,所述底壳中心设有B点,所述盘式结构沿所述B点周向均匀分布,两个相邻所述盘式结构与工作平面接触的核心受力点靠近所述B点,另外两个盘式结构与工作平面接触的核心受力点远离所述B点。
如上所述的盘式行走的机器人,所述底壳中心设有B点,所述盘式结构沿所述B点周向均匀分布,各所述盘式结构与工作平面接触的核心受力点均远离所述B点。
如上所述的盘式行走的机器人,所述盘式结构倾斜角大于0°且小于等于15°。
如上所述的盘式行走的机器人,所述盘式结构包括盘式结构本体以及与盘式结构本体连接的拖布。
如上所述的盘式行走的机器人,所述底壳上设有多个驱动电机,多个所述驱动电机分别与各所述盘式结构一一对应并用于驱动对应盘式结构转动。
盘式行走的机器人行走控制方法,包括如下步骤:
S1,根据移动路径计算得出移动过程中机器人运动参数,所述运动参数包括机器人转动角速度wbz的大小和方向,机器人移动速度V的大小和方向;
S2,中央控制单元接收所述机器人运动参数,并根据所获取的机器人转动角速度wbz的大小和方向以及机器人移动速度V的大小和方向计算得出各盘式结构的转速u;
S3,中央控制单元根据计算得出的各盘式结构的转速u控制各盘式结构对应转动。
如上所述的盘式行走的机器人行走控制方法,步骤S2中,中央控制单元以机器人所在环境建立世界坐标系{S}和以点B为原点建立相对机器人固定不动的机器坐标系{E},通过公式分别得出各盘式结构的线速度V1
V1=-wbz*d+vbx*cos(α)+vby*sin(α);
其中,wbz为机器人转动角速度;
d为各盘式结构与工作平面接触点至点B在工作平面投影点的距离;
vbx为机器人移动速度V在世界坐标系{S}的X轴的速度,vbx由公式vbx=V*cos(β)得出,其中β为所述机器人移动速度V的方向与世界坐标系{S}的X轴夹角;
vby为机器人移动速度V在世界坐标系{S}的y轴的速度,vby由公式vby=V*sin(β)得出,其中β为所述机器人移动速度V的方向与世界坐标系{S}的X轴夹角;
α为各盘式结构线速度V1的方向与世界坐标系{S}的X轴夹角,α由公式α=θ+Ψ得出,其中θ为机器坐标系{E}与世界坐标系{S}的偏转角,Ψ为该盘式结构线速度V1的方向与机器坐标系{E}的X轴夹角;
将求得的各盘式结构的线速度V1分别代入公式得出该盘式结构的转速u:
Figure BDA0002993252790000041
其中r为各盘式结构的半径,∏为圆周率。
与现有技术相比,本发明有以下优点:
本发明采用盘式结构作为行走单元,盘式结构与工作平面形成盘式结构倾斜角,使盘式结构在转动时与工作平面形成摩擦以保障机器人行走,同时,通过调节各盘式结构的转速,即可实现机器人全向行走,提高机器人行走灵活度;而且可在全向行走的同时对其走过的路径进行清洁,使用起来非常方便。
【附图说明】
图1是底壳设有三个盘式结构的扫地机器人示意图;
图2是底壳设有四个盘式结构的扫地机器人示意图;
图3是单个盘式结构的速度方向在世界坐标系和机器坐标系中的分析示意图。
图4为带有四个盘式结构的机器人的各盘式结构倾斜状态的第一种优选的实施方式结构示意图。
图5为带有四个盘式结构的机器人的各盘式结构倾斜状态的另一种优选的实施方式结构示意图。
【具体实施方式】
下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述,显然,所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明的保护范围。
请参阅附图1至附图2,本实施例提供一种盘式行走的机器人,包括底壳1,所述底壳1上设有兼作行走轮的至少三个盘式结构2,所述兼作行走轮的盘式结构2倾斜设置且其所在平面与工作平面之间形成盘式结构倾斜角,各所述盘式结构2分别沿该个盘式结构2所在平面转动以带动机器人行走。各所述盘式结构2转动时各盘式结构2与工作平面之间至少有一个接触点。作为优选地,盘式结构2采用圆盘,且各盘式结构2的盘式结构倾斜角的大小相等,且盘式结构2沿各自的盘式结构倾斜角的延长线相交于一点,该点的投影穿过底壳1的中心。本发明采用盘式结构作为行走单元,盘式结构与工作平面形成盘式结构倾斜角,使盘式结构在转动时与工作平面形成摩擦以保障机器人行走,同时,通过调节各盘式结构的转速,即可实现机器人全向行走,提高机器人行走灵活度;而且可在全向行走的同时对其走过的路径进行清洁,使用起来非常方便。
进一步地,各所述盘式结构2与工作平面接触的核心受力点处的角速度的切线方向所在的直线不全部平行。有效避免因各盘式结构2与工作平面接触的核心受力点处的角速度的切线方向所在的直线全部平行而导致的各盘式结构2转动只能带动机器人直线行走而无法带动机器人全向行走的情况发生。
本发明中所述的工作平面是指机器人工作时所在的平面,例如用在扫地机器人上的时候,其工作平面为地面;用在擦窗机器人上,其工作平面指被擦拭的玻璃平面;用在其他领域,其工作平面则为其行走或工作所在平面。
本发明中的核心受力点定义为将倾斜的盘式结构想象为刚性结构状态下,其与工作平面接触即为点接触,该接触点即为核心受力点。由于物体接触时有一定的形变,尤其是本发明结构应用于扫地机器人或擦窗机器人等中时,通常是采用拖布或玻璃擦与地面或玻璃接触,都是为面接触,而且,由于盘式结构是倾斜设置的,其必然倾斜向下的一侧对工作平面产生的摩擦力要大于另一侧,因而该侧的接触面中必然有受力最大的点,因而当其采用拖布或玻璃擦等结构时,理论上在理想状态下,盘式结构受力最大的点,应该与想象中的刚性状态接触点相重合,本发明中将该点定义为核心受力点。
进一步地,如图4和图5所示,所述底壳1上设有四个盘式结构2,两相邻所述盘式结构2与工作平面接触的核心受力点T处的角速度的切线方向所在的直线垂直,使各盘式结构2受力更加均匀,便于各盘式结构2转动从而更灵活地带动机器人全向行走。
关于各盘式结构2倾斜状态的优选的实施方式为:如图4所示,所述底壳1中心设有B点,所述盘式结构2沿所述B点周向均匀分布,两个相邻所述盘式结构2与工作平面接触的核心受力点靠近所述B点,另外两个盘式结构2与工作平面接触的核心受力点远离所述B点,使机器人在全向行走时翻越障碍更加容易。
关于各盘式结构2倾斜状态的另一种优选的实施方式为:如图5所示,所述底壳1中心设有B点,所述盘式结构2沿所述B点周向均匀分布,各所述盘式结构2与工作平面接触的核心受力点均远离所述B点,采用此结构的全向行走机器人结构更稳定。
进一步地,所述盘式结构倾斜角大于0°且小于等于15°,若盘式结构倾斜角为0°,则盘式结构平趴在工作平面上,没摩擦力相互抵消,盘式结构原地转动,若盘式结构倾斜角为90°,则与轮子无异,附着在盘式结构上的拖布与工作平面接触面积最小,无法进行有效的拖地。为了保证机器行走,也同时保证清洁效率,盘式结构需要稍微倾斜,若盘式结构倾斜角增大则单次拖工作平面积增大同时行进速度变小,若盘式结构倾斜角减小则越障碍能力也相应地减弱,因此作为优选地,所述盘式结构倾斜角为5°。
进一步地,所述盘式结构2包括盘式结构本体以及与盘式结构本体连接的拖布,以便更高效清洁工作平面。
进一步地,所述底壳1上设有多个驱动电机,多个所述驱动电机分别与各所述盘式结构2一一对应并用于驱动对应盘式结构2转动。每个盘式结构2上均设有一个与之对应的驱动电机,以便于控制每个盘式结构2的转速,取得更好的全向行走效果。
进一步地,所述底壳1上设有三个盘式结构2或者四个盘式结构2,其结构简单,控制方便。
本实施例还公开了盘式行走的机器人行走控制方法,包括如下步骤:
S1,根据移动路径计算得出移动过程中机器人运动参数,所述运动参数包括机器人转动角速度wbz的大小和方向,机器人移动速度V的大小和方向;
S2,中央控制单元接收所述机器人运动参数,并根据所获取的机器人转动角速度wbz的大小和方向以及机器人移动速度V的大小和方向计算得出各盘式结构的转速u;
S3,中央控制单元根据计算得出的各盘式结构的转速u控制各盘式结构对应转动。
进一步地,如图3所示,为了在计算时方便机器人确定自己的位置,中央控制单元以机器人所在环境建立世界坐标系{S}和以点B为原点建立相对机器人固定不动的机器坐标系{E},具体地,中央控制单元以机器人所在环境的水平面设置X轴和Y轴,以机器人的移动初始点设置为坐标原点建立世界坐标系{S},当然,世界坐标系{S}的坐标原点也可设置在机器人所在环境的其他位置上。中央控制单元以底壳1上的点B设置为坐标原点,以底壳的径向平面设置X轴和Y轴建立相对机器人固定不动的机器坐标系{E}。
通过公式分别得出各盘式结构2的线速度V1
V1=-wbz*d+vbx*cos(α)+vby*sin(α);
其中,wbz为机器人转动角速度;
d为各盘式结构2与工作平面接触点至点B在工作平面投影点的距离;
vbx为机器人移动速度V在世界坐标系{S}的X轴的速度,vbx由公式vbx=V*cos(β)得出,其中β为所述机器人移动速度V的方向与世界坐标系{S}的X轴夹角;
vby为机器人移动速度V在世界坐标系{S}的y轴的速度,vby由公式vby=V*sin(β)得出,其中β为所述机器人移动速度V的方向与世界坐标系{S}的X轴夹角;
α为各盘式结构2线速度V1的方向与世界坐标系{S}的X轴夹角,α由公式α=θ+Ψ得出,其中θ为机器坐标系{E}与世界坐标系{S}的偏转角,Ψ为该盘式结构2线速度V1的方向与机器坐标系{E}的X轴夹角;
将求得的各盘式结构2的线速度V1分别代入公式得出该盘式结构2的转速u:
Figure BDA0002993252790000101
其中r为各盘式结构2的半径,Π为圆周率。
机器人自身在转动时,α会随着机器人的转动而变化。底壳上设有三个盘式结构2时,其中一个盘式结构2线速度V1的方向与机器坐标系{E}的X轴夹角Ψ设为60°,另两个盘式结构2线速度V1的方向与机器坐标系{E}的X轴夹角Ψ分别为-60°和180°;底壳上设有四个盘式结构2时,盘式结构2线速度V1的方向与机器坐标系{E}的X轴夹角
Figure BDA0002993252790000102
其中C为盘式结构2与工作平面的接触点到机器坐标系{E}原点的水平距离,D为盘式结构2与工作平面的接触点到机器坐标系{E}原点的垂直距离。
本发明采用盘式结构作为行走单元,盘式结构与工作平面形成盘式结构倾斜角,使盘式结构在转动时与工作平面形成摩擦以保障机器人行走,同时,通过调节各盘式结构的转速,即可实现机器人全向行走,提高机器人行走灵活度;而且可在全向行走的同时对其走过的路径进行清洁,使用起来非常方便。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例,对于本领域的普通技术人员而言,可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型,本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (11)

1.盘式行走的机器人,包括底壳(1),其特征在于:所述底壳(1)上设有兼作行走轮的至少三个盘式结构(2),所述兼作行走轮的盘式结构(2)倾斜设置且其所在平面与工作平面之间形成盘式结构倾斜角,各所述盘式结构(2)分别沿该个盘式结构(2)所在平面转动以带动机器人行走。
2.根据权利要求1所述的盘式行走的机器人,其特征在于:各所述盘式结构(2)转动时各盘式结构(2)与工作平面之间至少有一个接触点。
3.根据权利要求2所述的盘式行走的机器人,其特征在于:各所述盘式结构(2)与工作平面接触的核心受力点处的角速度的切线方向所在的直线不全部平行。
4.根据权利要求3所述的盘式行走的机器人,其特征在于:所述底壳(1)上设有四个盘式结构(2),两相邻所述盘式结构(2)与工作平面接触的核心受力点处的角速度的切线方向所在的直线垂直。
5.根据权利要求4所述的盘式行走的机器人,其特征在于:所述底壳(1)中心设有B点,所述盘式结构(2)沿所述B点周向均匀分布,两个相邻所述盘式结构(2)与工作平面接触的核心受力点靠近所述B点,另外两个盘式结构(2)与工作平面接触的核心受力点远离所述B点。
6.根据权利要求4所述的盘式行走的机器人,其特征在于:所述底壳(1)中心设有B点,所述盘式结构(2)沿所述B点周向均匀分布,各所述盘式结构(2)与工作平面接触的核心受力点均远离所述B点。
7.根据权利要求1所述的盘式行走的机器人,其特征在于:所述盘式结构倾斜角大于0°且小于等于15°。
8.根据权利要求1所述的盘式行走的机器人,其特征在于:所述盘式结构(2)包括圆盘本体以及与圆盘本体连接的拖布。
9.根据权利要求1所述的盘式行走的机器人,其特征在于:所述底壳(1)上设有多个驱动电机,多个所述驱动电机分别与各所述盘式结构(2)一一对应并用于驱动对应盘式结构(2)转动。
10.如权利要求1-9任一项所述的盘式行走的机器人行走控制方法,其特征在于:包括如下步骤:
S1,根据移动路径计算得出移动过程中机器人运动参数,所述运动参数包括机器人转动角速度wbz的大小和方向,机器人移动速度V的大小和方向;
S2,中央控制单元接收所述机器人运动参数,并根据所获取的机器人转动角速度wbz的大小和方向以及机器人移动速度V的大小和方向计算得出各盘式结构(2)的转速u;
S3,中央控制单元根据计算得出的各盘式结构(2)的转速u控制各盘式结构(2)对应转动。
11.根据权利要求10所述的盘式行走的机器人行走控制方法,其特征在于:步骤S2中,中央控制单元以机器人所在环境建立世界坐标系{S}和以点B为原点建立相对机器人固定不动的机器坐标系{E},通过公式分别得出各盘式结构(2)的线速度V1
V1=-wbz*d+vbx*cos(α)+vby*sin(α);
其中,wbz为机器人转动角速度;
d为各盘式结构(2)与工作平面接触点至点B在工作平面投影点的距离;
vbx为机器人移动速度V在世界坐标系{S}的X轴的速度,vbx由公式vbx=V*cos(β)得出,其中β为所述机器人移动速度V的方向与世界坐标系{S}的X轴夹角;
vby为机器人移动速度V在世界坐标系{S}的y轴的速度,vby由公式vby=V*sin(β)得出,其中β为所述机器人移动速度V的方向与世界坐标系{S}的X轴夹角;
α为各盘式结构(2)线速度V1的方向与世界坐标系{S}的X轴夹角,α由公式α=θ+Ψ得出,其中θ为机器坐标系{E}与世界坐标系{S}的偏转角,Ψ为该盘式结构(2)线速度V1的方向与机器坐标系{E}的X轴夹角;
将求得的各盘式结构(2)的线速度V1分别代入公式得出该盘式结构(2)的转速u:
Figure FDA0002993252780000031
其中r为各盘式结构(2)的半径,∏为圆周率。
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