CN114179925A - 一种可变电池位置的机器人实时重心稳定方法 - Google Patents

一种可变电池位置的机器人实时重心稳定方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出一种基于可调节电池位置的机器人重心稳定方法。包括以下步骤：步骤S01：机器人开始工作，每个所述重力加速度传感器采集三个方向的重力加速度矢量数值，步骤S02：每隔一段时间，每个重力传感器将采集到的每个位置的重力加速度矢量数值发送到中央处理器单元；步骤S03：所述中央处理器单元对收到每个位置的重力加速度矢量数值进行积分计算得到电池分别在三个方向向上需运动的距离和方向；步骤S04：中央处理器单元控制电池的位置，使机器人保持平衡。本发明避免因地形、机器人相关子设备的安装和拆卸，以及机器人子系统作业过程中发生的延展等动作，而导致的机器人整体重心的重大变化，甚至导致机器人发生倾覆等隐患。

Description

一种可变电池位置的机器人实时重心稳定方法
技术领域
本发明属于机器人领域，涉及一种机器人实时重心稳定的方法，特别涉及一种可变电池位置的机器人实时重心稳定方法。
背景技术
目前，机器人在设计过程中，往往不考虑对机器人在运动中出现的设备重心变化所带来的隐患，或特意将设备重心限定在一定范围内估计不足。比如，然而，在某些特殊场合下，这使得机器人在作业过程中，可能会发生倾覆现象。究其原因，往往来自三个方面。这包括：
(1)路面本身存在难以克服的坡度或坑洼等坡度的地面，或
(2)机器人子系统(如延长臂等)发生相对运动，导致重心严重偏移并进而影响重心，或
(3)机器人新增/拆除子系统(类似战斗机抛弃副油箱等)。
尤其当上述多个情况同时发生时，机器人发生倾覆的概率大大增加。
另一方面，本发明注意到，电池对于机器人相当重要。这不仅是因为电池提供动力能源，而且由于其相对大的质量，以及相对规则的体积，对于稳定机器人的重心起到重要的压舱石的作用。
如果因电池重心发生变化，机器人则更易于发生倾覆现场。换言之，如果能通过有效改变电池的重心，从而抵消上述三种情况发生时，对机器人的重心影响，则可以从根本上避免倾覆的发生。
发明内容
1.所要解决的技术问题：
机器人在作业过程中，由于机器人重心稳定的原因，会发生倾覆现象。
2.技术方案：
为了解决以上问题，本发明提供了一种可变电池位置的机器人实时重心稳定方法，在每个机器人轮子和电池重心位置设置重力加速度传感器，电池能在在电池仓内上下、前后、左右移动，包括以下步骤：步骤S01：机器人开始工作，每个所述重力加速度传感器采集X方向、Y方向和Z方向的重力加速度矢量数值，步骤S02：每隔一段时间，每个重力传感器将采集到的每个位置的重力加速度矢量数值发送到中央处理器单元；步骤S03：所述中央处理器单元对收到每个位置的重力加速度矢量数值进行积分计算出力的矢量数据，再计算出力矩，进而将X方向、Y方向和Z方向三个方向上的力矩求和，为了达到平衡，其和为零，则得到电池分别在X轴、Y轴向和Z轴向上需运动的距离和方向；步骤S04：中央处理器单元发送到电池驱动系统，驱动电池按照步骤S03计算得到的距离和方向进行运动，使机器人保持平衡。
步骤S02中，所述一段时间大于电池最大一次运动的时间。最大一次运动是从坐标(-A、-B、-C)到(A、B、C)的距离所需的时间，其中A为X轴向最大值，B为Y轴向最大值，C为Z轴向最大值。
步骤S03中，通过以下公式得到电池分别在X轴、Y轴向和Z轴向上需运动的距离和方向和距离：
Figure BDA0003315504560000021
Figure BDA0003315504560000022
Figure BDA0003315504560000023
式中，
Figure BDA0003315504560000024
的τ为可预设的单位时间；αi(t)为四个转轴之一(i＝1，...，4)的加速度传感器在X轴的矢量值，di为常数，a(t)为电池的加速度在X轴的矢量值，
Figure BDA0003315504560000025
的τ为可预设的单位时间；βj(t)为四个转轴之一(j＝1，...，4)的加速度传感器在Y轴的矢量值，dj为常数，b(t)为电池的加速度在Y轴的矢量值，
Figure BDA0003315504560000026
的τ为可预设的单位时间；rk(t)为四个转轴之一(k＝1，...，4)的加速度传感器在Z轴的矢量值，dk为常数(因轮轴位置确定)。
c(t)为电池的加速度在Z轴的矢量值。
所述电池仓为长方体，所述电池设置在平台上，所述平台和长方体四侧接触，所述平台连接有Z向液压装置和平台接触，能够带动平台上下移动，所述电池左右两侧都设有X向电动或液压平台，每个所述X向电动或液压平台设置在平台上靠近长方体内侧处，左侧X向电动或液压平台能够推动电池向右运动，右侧X向电动或液压平台能够推动电池向左运动，所述电池前后设有Y向电动或液压平台，每个所述Y向电动或液压平台设置在平台上靠近长方体内侧处，前Y向电动或液压平台推动电池向后运动，后Y向电动或液压平台推动电池向前运动，所述Z向液压装置、X向电动或液压平台、Y向电动或液压平台都由中央处理器单元控制。
所述X向电动或液压平台包括液压系统和X向推面，所述X向推面长度比和长方体左右侧面的长度略小，高度比电池的高度小，Y向电动或液压平台包括液压系统和Y向推面，所述Y向推面的长度比长方体前后侧的长度略小，高度比电池的高度小。
在每个机器人轮子和电池重心位置还设置角度传感器、位移传感器。
3.有益效果：
本发明提出一种基于可调节电池位置的机器人重心稳定方法。通过实时调节电池在电池箱体内的位置，来稳定整体机器人的重心，并进而避免因地形、机器人相关子设备的安装和拆卸，以及机器人子系统作业过程中发生的延展等动作，而导致的机器人整体重心的重大变化，甚至导致机器人发生倾覆等隐患。
附图说明
图1为电池仓内结构图一。
图2为电池仓内结构图二。
1.电池仓；2.平台；3.X向电动或液压平台；4.Y向电动或液压平台；5.Z向液压装置；6.电池；7.X向推面；8.Y向推面。
具体实施方式
下面结合附图来对本发明进行详细说明。
本发明提出一种基于可调节电池位置的机器人重心稳定方法。通过实时调节电池在电池仓内的位置，来稳定整体机器人的重心，包括以下步骤：步骤S01：机器人开始工作，每个所述重力加速度传感器采集X方向、Y方向和Z方向的重力加速度矢量数值，步骤S02：每隔一段时间，每个重力传感器将采集到的每个位置的重力加速度矢量数值发送到中央处理器单元；步骤S03：所述中央处理器单元对收到每个位置的重力加速度矢量数值进行积分计算出力的矢量数据，再计算出力矩，进而将X方向、Y方向和Z方向三个方向上的力矩求和，为了达到平衡，其和为零，则得到电池分别在X轴、Y轴向和Z轴向上需运动的距离和方向；步骤S04：中央处理器单元发送到电池驱动系统，驱动电池按照步骤S03计算得到的距离和方向进行运动，使机器人保持平衡。
本发明要对机器人的电池仓1进行改进，电池要能在在电池仓1内上下、前后、左右移动。如图1和图2所示，所述电池仓1为长方体，所述电池设置在平台2上，所述平台2和长方体四侧接触，所述平台连接有Z向液压装置和平台接触，能够带动平台上下移动，也就是电池能够在Z向运动。
所述电池左右两侧都设有X向电动或液压平台，每个所述X向电动或液压平台设置在平台上靠近长方体内侧处，X向电动或液压平台装置能够随着平台一起上升和下降，左侧的X向电动或液压平台能够推动电池向右运动，右侧X向电动或液压平台能够推动电池向左运动，这样实现了电池6的X向运动。
所述电池前后设有Y向电动或液压平台，Y向电动或液压平台装置能够随着平台一起上升和下降，每个所述Y向电动或液压平台设置在平台上靠近长方体内侧处，前Y向电动或液压平台推动电池向后运动，后Y向电动或液压平台推动电池向前运动，这样实现了电池的Y向运动。
所述Z向液压装置、X向电动或液压平台、Y向电动或液压平台都由中央处理器单元控制。
设电池在X向、Y向、Z向都有运动，先Z向液压装置移动，带动平台2到所需要的高度，然后X向电动或液压平台带动电池都X向的位置，然后X向电动或液压平台退回到靠近长方体内侧，Y向电动或液压平台带到电池到Y向的位置，完成移动。也可以先Y向移动后X向移动。
在一个实施例中，所述X向电动或液压平台包括液压系统和X向推面7，所述X向推面长度比和长方体左右侧面的长度略小，高度比电池的高度小，Y向电动或液压平台包括液压系统和Y向推面8，所述Y向推面的长度比长方体前后侧的长度略小，高度比电池的高度小。这样电池无论在什么位置都可以X向和Y向运动。
在一个实施例中，所述一段时间大于电池最大一次运动的时间。最大一次运动是从坐标(-A、-B、-C)到(A、B、C)的距离所需的时间，其中A为X轴向最大值，B为Y轴向最大值，C为Z轴向最大值。这样在遇到重心不稳的时候，有足够的时间调整电池位置，使机器人重心稳定
传感器包括重力加速度传感器、角度传感器、位移传感器等，传感器的种类越多，得到的信息量越大，越有助于判断机器人的运动姿态变化。
本发明以重力加速度传感器为例，判断未来一个单位时间内，比如500毫秒，系统是否超过允许的最大加速度。不仅如此，该加速度的符号，即正负数值，也需要考虑。比如，某重力加速度传感器突然出现正加速度，即可能是路面突遇到一个上坡，或石头，或机器人在该方向上突然增加一个重物。反之，则可能是路面遇到一个小坑，或机器人在该方向上减少了一个重量，如丢弃了一个包裹等。
更特别的，上述重力加速度传感器最少为三轴加速度传感器，即X-Y-Z三个方向。可分别代表其前后方、左右方和上下方的情况。
本发明在每个机器人轮子和电池重心位置设置重力加速度传感器，并对这几个位置的分别在X方向、Y方向和Z方向的重力加速度矢量数值，并对该时间段内进行积分，计算力的矢量数据，再计算出力矩，即再乘以的距离重心的物理距离，这基本是个大小相同的常量。并进而将上述三个方向上的力矩求和。为了达到平衡，其和为零，则可以得到电池需要运动的距离。通过以下公式得到电池分别在X轴、Y轴向和Z轴向上需运动的距离和方向和距离：
Figure BDA0003315504560000051
Figure BDA0003315504560000052
Figure BDA0003315504560000053
中，
Figure BDA0003315504560000054
的τ为可预设的单位时间(如500毫秒)；αi(t)为四个转轴之一(i＝1，...，4)的加速度传感器在X轴的矢量值，di为常数(因轮轴位置确定)。a(t)为电池的加速度在X轴的矢量值。公式(1)的目的是为了求解出dx，即电池在该单位时间内，在X轴向上需运动的距离和方向，从而能达到动态平衡，即公式(1)的和为0。
类似的，公式(2)中，
Figure BDA0003315504560000055
的τ为可预设的单位时间(如500毫秒)；βj(t)为四个转轴之一(j＝1，...，4)的加速度传感器在Y轴的矢量值，dj为常数(因轮轴位置确定)。b(t)为电池的加速度在Y轴的矢量值。公式(2)的目的是为了求解出dy，即电池在该单位时间内，在Y轴向上需运动的距离和方向，从而能达到动态平衡，即公式(2)的和为0。
公式(3)中，
Figure BDA0003315504560000056
的τ为可预设的单位时间(如500毫秒)；γk(t)为四个转轴之一(k＝1，...，4)的加速度传感器在Z轴的矢量值，dk为常数(因轮轴位置确定)。c(t)为电池的加速度在Z轴的矢量值。公式(3)的目的是为了求解出dz，即电池在该单位时间内，在Z轴向上需运动的距离和方向，从而能达到动态平衡，即公式(3)的和为0。
通过上述三个公式，可以求解出电池在该单位时间内，分别在X轴、Y轴向和Z轴向上需运动的距离和方向。
本发明判断工况，具体如下：
(1)如主要有一个力矩参数发生较大变化，而其他力矩参数基本不变或变化不大。这里的“较大”可以预设定义为前者在X-Y-Z三个方向上的数值大小比后者分别都超过3倍(下同)。考虑到该重力加速度传感器可至少分别采集X-Y-Z三轴加速度数据，则与实际的运动情况可以做如下关联：
①X为正(+)：即行驶前方遇到正向阻力，如路障等；X为负(-)，即在前进方向遇到推动力等；
②Y为正(+)或负(-)：应为该轮子本身发生故障等；
③Z为正(+)：即遇到上坡，此时X轴也应为(+)等；Z为负(-)，即可能遇到坑洼等。
(2)主要有两个力矩参数发生变化，而其他两个力矩参数基本不变或变化不大。本发明为了论述方便，仅考虑相邻的两个力矩参数，即同一侧或同方向，不考虑对角线上的重力加速度的相关力矩参数，如左前轮与右后轮。典型的场景为：
①两个X都为正(+)：数值可以不同。则前进方向遇到阻力，如两个前轮撞上不规则路障，或不平坦上坡；
②两个Y都为正(+)：遇到侧向的由外向内的阻力，如滑落的石头侧向撞击机器人，或机器人侧向运动时撞上墙壁等。
③两个Z都为正(+)：遇到上坡等；Z为负(-)，即可能遇到坑洼等。

Claims (6)

1.一种可变电池位置的机器人实时重心稳定方法，其特征在于：在每个机器人轮子和电池重心位置设置重力加速度传感器，电池能在在电池仓内上下、前后、左右移动，包括以下步骤：步骤S01：机器人开始工作，每个所述重力加速度传感器采集X方向、Y方向和Z方向的重力加速度矢量数值，步骤S02：每隔一段时间，每个重力传感器将采集到的每个位置的重力加速度矢量数值发送到中央处理器单元；步骤S03：所述中央处理器单元对收到每个位置的重力加速度矢量数值进行积分计算出力的矢量数据，再计算出力矩，进而将X方向、Y方向和Z方向三个方向上的力矩求和，为了达到平衡，其和为零，则得到电池分别在X轴、Y轴向和Z轴向上需运动的距离和方向；步骤S04：中央处理器单元发送到电池驱动系统，驱动电池按照步骤S03计算得到的距离和方向进行运动，使机器人保持平衡。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤S02中，所述一段时间大于电池最大一次运动的时间，最大一次运动是从坐标（-A、-B、-C）到（A、B、C）的距离所需的时间，其中A为X轴向最大值，B为Y轴向最大值，C为Z轴向最大值。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤S03中，通过以下公式得到电池分别在X轴、Y轴向和Z轴向上需运动的距离和方向和距离：
Figure 317309DEST_PATH_IMAGE001
，
式中，
Figure 988331DEST_PATH_IMAGE002
的
Figure 50965DEST_PATH_IMAGE003
为可预设的单位时间；
Figure 190959DEST_PATH_IMAGE004
为四个转轴之一（i=1,...,4)的加速度传感器在X轴的矢量值，
Figure 895610DEST_PATH_IMAGE005
为常数，
Figure 171870DEST_PATH_IMAGE006
为电池的加速度在X轴的矢量值，
Figure 421717DEST_PATH_IMAGE007
的
Figure 783428DEST_PATH_IMAGE003
为可预设的单位时间；
Figure 26191DEST_PATH_IMAGE008
为四个转轴之一（j=1,...,4)的加速度传感器在Y轴的矢量值，
Figure 422537DEST_PATH_IMAGE009
为常数，
Figure 607400DEST_PATH_IMAGE010
为电池的加速度在Y轴的矢量值，
Figure 456407DEST_PATH_IMAGE011
的
Figure 237281DEST_PATH_IMAGE003
为可预设的单位时间；
Figure 488134DEST_PATH_IMAGE012
为四个转轴之一（k=1,...,4)的加速度传感器在Z轴的矢量值，
Figure 329051DEST_PATH_IMAGE013
为常数因轮轴位置确定，
Figure 416087DEST_PATH_IMAGE014
为电池的加速度在Z轴的矢量值。
4.如权利要求2所述的方法，其特征在于：所述电池仓为长方体，所述电池设置在平台上，所述平台和长方体四侧接触，所述平台连接有Z向液压装置和平台接触，能够带动平台上下移动，所述电池左右两侧都设有X向电动或液压平台，每个所述X向电动或液压平台设置在平台上靠近长方体内侧处，左侧X向电动或液压平台能够推动电池向右运动，右侧X向电动或液压平台能够推动电池向左运动，所述电池前后设有Y向电动或液压平台，每个所述Y向电动或液压平台设置在平台上靠近长方体内侧处，前Y向电动或液压平台推动电池向后运动，后Y向电动或液压平台推动电池向前运动，所述Z向液压装置、X向电动或液压平台、Y向电动或液压平台都由中央处理器单元控制。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于：所述X向电动或液压平台包括液压系统和X向推面，所述X向推面长度比和长方体左右侧面的长度略小，高度比电池的高度小，Y向电动或液压平台包括液压系统和Y向推面，所述Y向推面的长度比长方体前后侧的长度略小，高度比电池的高度小。
6.如权利要求1-5任一项权利要求所述的方法，其特征在于：在每个机器人轮子和电池重心位置还设置角度传感器、位移传感器。
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