專利名稱：一種球形機(jī)器人驅(qū)動系統(tǒng)及其控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種球形機(jī)器人驅(qū)動系統(tǒng)及其控制方法。
背景技術(shù)：
球形機(jī)器人是一種新型的機(jī)器人，所有零部件都封裝在一個球殼內(nèi)部，造型新穎別致，行動靈活，可以輕易地實現(xiàn)零半徑轉(zhuǎn)彎，在工業(yè)、民用和軍事上都具有廣泛的應(yīng)用前景，因而倍受世界各國研究和工程技術(shù)人員關(guān)注，是目前智能機(jī)器人研究領(lǐng)域的熱點問題
之一 O球形機(jī)器人的研究集中在驅(qū)動裝置和控制策略兩個方面。在推進(jìn)器裝置方面目前有單輪驅(qū)動、小車驅(qū)動、萬向輪驅(qū)動、電機(jī)定子反轉(zhuǎn)驅(qū)動和配重體驅(qū)動。這些球形機(jī)器人的驅(qū)動方式各有特色，都可以實現(xiàn)球體的滾動，但在控制模型的建立和控制算法的設(shè)計方面卻面臨很大困難。由于涉及慣性坐標(biāo)系與球體固連坐標(biāo)系之間的坐標(biāo)變換問題，因此歐拉角和廣義歐拉角作為必要的工具被引入模型中，用于確定球形機(jī)器人的姿態(tài)。作為理論分析，歐拉角的使用無可厚非，但在控制過程中歐拉角的測量卻存在相當(dāng)大的難度，至少需要更多、更復(fù)雜、更精準(zhǔn)的傳感器進(jìn)行測量，不僅增加了制造成本，也加大了球形機(jī)器人的重量和體積。其次，歐拉角的引進(jìn)使控制模型變得相當(dāng)復(fù)雜，許多研究結(jié)果表明，這是一個高階非線性微分方程組，其解析解根本無法獲得，但數(shù)值解即使能夠求出也需要消耗很長的時間，因而無法滿足實際應(yīng)用的需要。

發(fā)明內(nèi)容
球形機(jī)器人控制模型的復(fù)雜性源于驅(qū)動裝置，一種驅(qū)動裝置盡管可以實現(xiàn)球形機(jī)器人的滾動，但如果其運(yùn)行軌跡無法精確控制，這種驅(qū)動裝置仍不能滿足實際應(yīng)用的需要。為此，本發(fā)明設(shè)計了一種控制模型十分簡單的球形機(jī)器人驅(qū)動控制系統(tǒng)，并給出了相應(yīng)的控制方法。本發(fā)明設(shè)計的球形機(jī)器人驅(qū)動系統(tǒng)，通過在豎直平面內(nèi)調(diào)整滾動軸的水平傾角控制轉(zhuǎn)向，由一個變量，即滾動軸的水平傾角就可以表征滾動軸，因此控制模型中僅有水平傾角和驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)速兩個變量，不需要復(fù)雜的運(yùn)算就可以確定控制策略。針對路徑跟蹤問題， 引進(jìn)了相對曲率半徑的概念，作為轉(zhuǎn)向控制指標(biāo)，借助微分幾何中平面曲線論的唯一存在定理，通過改變滾動軸的水平傾角使軌跡與路徑的相對曲率半徑在對應(yīng)點達(dá)到一致，以實現(xiàn)對路徑的跟蹤。本發(fā)明給出的球形機(jī)器人驅(qū)動系統(tǒng)及其控制策略不需要測量傳感器確定運(yùn)動狀態(tài)，而是通過運(yùn)行時間計算軌跡弧長實施控制。本發(fā)明具有如下特點(I)球形機(jī)器人驅(qū)動系統(tǒng)具有簡單的控制模型，滾動軸僅有其水平傾角一個變量表征，控制變量只有滾動軸水平傾角和驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)速兩個變量。(2)引進(jìn)了相對曲率半徑的概念，并作為控制指標(biāo)，微分幾何中平面曲線論的唯一存在定理可以保證其控制策略能夠?qū)崿F(xiàn)球形機(jī)器人的軌跡曲線與設(shè)計路徑的一致性。
(3)不需要任何傳感器測量運(yùn)動參數(shù)，只需要通過從起點到當(dāng)前位置的運(yùn)行時間計算軌跡弧長即可對系統(tǒng)實施控制。(4)該驅(qū)動系統(tǒng)除利用本發(fā)明中介紹的方法進(jìn)行編程跟蹤外，還可以在線遙控跟
足示O


圖I是球形機(jī)器人驅(qū)動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖，圖2是曲率半徑與球面直徑、滾動速度以及滾動軸傾斜角度關(guān)系示意圖，圖3是相對曲率半徑與轉(zhuǎn)向電機(jī)位置坐標(biāo)的關(guān)系示意圖。標(biāo)號說明1滑動桿，2配重載荷，3驅(qū)動電機(jī)，4滾動軸，5擋圈，6螺桿，7弓形連桿，8驅(qū)動球，9法蘭，10支架，11轉(zhuǎn)向電機(jī)。
具體實施例方式L驅(qū)動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和工作原理如圖I所示，球形機(jī)器人驅(qū)動控制系統(tǒng)由滾動軸(4)、驅(qū)動電機(jī)(3)、配重載荷(2)、支架(10)、轉(zhuǎn)向電機(jī)(11)、驅(qū)動球(8)等部件組成。滾動軸(4)上裝有限位擋圈(5)。位于球殼同一直徑上的兩根滾動軸(4) 一端固定在球殼上，另一端與一個法蘭(9)連接。其中一個法蘭(9)上安裝驅(qū)動電機(jī)(3)，驅(qū)動電機(jī)(3)軸的一端開槽，槽內(nèi)安裝銷釘，銷釘?shù)闹行木€經(jīng)過球心。另一個法蘭(9)上安裝配重載荷(2)，配重載荷(2)內(nèi)可以裝電池等必要的載荷，其重量要求是上述部件安裝在球殼上后可以使?jié)L動軸(4)保持平衡。支架(10)上帶有螺桿(6)和兩根滑動桿(I)，轉(zhuǎn)向電機(jī)(11)套在螺桿(6)和滑動桿(I)上，并以螺帽與螺桿(6)配合。隨電機(jī)的轉(zhuǎn)動，自身可沿滑動桿(I)來回移動。支架
(10)套在滾動軸⑷上兩個限位擋圈(5)的外側(cè)，由于擋圈(5)的限位作用，支架(10)可 以繞滾動軸(4)轉(zhuǎn)動,但不能沿滾動軸(4)滑動。驅(qū)動球⑶通過固連其上的弓形連桿(7)與驅(qū)動電機(jī)(3)轉(zhuǎn)軸槽內(nèi)的銷釘鉸合，保證在滾動軸(4)傾斜的情況下驅(qū)動球(8)仍不會偏離豎直方向。因此球形機(jī)器人的質(zhì)心就是支架(10)和轉(zhuǎn)向電機(jī)(11)的質(zhì)心。轉(zhuǎn)向電機(jī)(11)轉(zhuǎn)動，則轉(zhuǎn)向電機(jī)(11)在螺桿(6)上的位置和球形機(jī)器人的質(zhì)心發(fā)生改變，從而引起滾動軸(4)傾斜角度的改變，導(dǎo)致機(jī)器人轉(zhuǎn)向。啟動驅(qū)動電機(jī)(3)后，驅(qū)動球(8)被提起，同時在重力的作用下球體下落，帶動球形機(jī)器人繞當(dāng)前的滾動軸(4)轉(zhuǎn)動。2.控制方法如圖2所示，設(shè)球形機(jī)器人的球殼的半徑為R，螺桿(2)的傾斜角度為α，球心為0，螺桿(2)延長線與地面的焦點為G，則OG是球形機(jī)器人的瞬時轉(zhuǎn)動軸。就球形機(jī)器人的軌跡而言(與地面接觸點的軌跡)，此時的曲率半徑為r = R/tan α。若球體繞OG轉(zhuǎn)過的角度為(1β，在無滑動轉(zhuǎn)動時軌跡曲線的長度為ds = Rcosa · β的圓弧。而且由于軌跡曲線上任何點的臨近線段都可以看作圓弧，因此瞬時轉(zhuǎn)動軸在地面上的投影始終與軌跡曲線的切線垂直。按照平面曲線論的唯一存在定理，若將球形機(jī)器人放在路徑的起點處，即球殼與地面的接觸點為(Xo，％)，并使轉(zhuǎn)動軸在地面上的投影與路徑曲線在起點處的切線垂直，只要在軌跡曲線上的每一點(X(S)，Y(S))處相對曲率半徑與路徑上(X(S)，y (S))點處的相對曲率半徑相等，則軌跡曲線(X(s)，Y(S))與路徑(x(s)，y(s))就是同一條曲線，換句話說，球形機(jī)器人可以沿規(guī)劃的路徑從起點走到終點。對于給定的路徑(x(s)，y(s))，s e [O, L]，可以求出每一點的相對曲率半徑Rr(S)0控制策略旨在通過對轉(zhuǎn)向電機(jī)(11)重心位置和驅(qū)動電機(jī)(3)轉(zhuǎn)速的控制，使軌跡上任何點的相對曲率半徑也是RJs)。2. I轉(zhuǎn)向電機(jī)重心位置控制先考慮軌跡上一點的相對曲率半徑。如圖3所示，假定轉(zhuǎn)軸與螺桿⑵的距離為
I,O'是轉(zhuǎn)軸處于水平狀態(tài)時螺桿(2)與過球心的鉛垂線的交點。以O(shè)'為原點，以螺桿
(2)為坐標(biāo)軸建立螺桿(2)坐標(biāo)軸，左邊定義為坐標(biāo)軸的正方向。設(shè)轉(zhuǎn)向電機(jī)(11)的質(zhì)心為A，其坐標(biāo)為X，α是線段OA與坐標(biāo)軸正方向的夾角，則X = Itana，因此當(dāng)X > O時O< a ^ π/2，螺桿(2)左端下傾角度為a，球形機(jī)器人“向左轉(zhuǎn)”，軌跡的相對曲率半徑為Rr = R/tan a = 1R/X而當(dāng)X<0時/2彡α < π，螺桿⑵右端的下傾角度為π /2_ α ,球形機(jī)器人“向右轉(zhuǎn)”，軌跡的相對曲率半徑為Rr = -R/tan ( π /2- a ) = R/tan α = 1R/X因此無論X為何值，總有艮=R/tan α = 1R/X,因此轉(zhuǎn)向電機(jī)(11)的控制策略為X(S) = 1R/Rr(s)，即當(dāng)軌跡曲線的弧長為S時，其重心的位置為1R/Rr(s).2. 2驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制由于轉(zhuǎn)向電機(jī)(11)重心位置控制需要借助當(dāng)前軌跡曲線的弧長，因此驅(qū)動電機(jī)(3)轉(zhuǎn)速的選擇應(yīng)當(dāng)便于當(dāng)前軌跡曲線弧長的確定。由等式X(s) = 1R/Rr(s), ds =Rcos α · d β 以及 Rr = R/tan α = 1R/X 有
權(quán)利要求
1.一種球形機(jī)器人驅(qū)動系統(tǒng)及其控制方法，其特征在于驅(qū)動控制系統(tǒng)由滾動軸(4)、驅(qū)動電機(jī)(3)、配重載荷(2)、支架(10)、轉(zhuǎn)向電機(jī)(11)、驅(qū)動球(8)等部件組成；滾動軸(4)上裝有限位擋圈(5);位于球殼同一直徑上的兩根滾動軸(4) 一端固定在球殼上,另一端與一個法蘭(9)連接；其中一個法蘭(9)上安裝驅(qū)動電機(jī)(3)，驅(qū)動電機(jī)(3)軸的一端開槽，槽內(nèi)安裝銷釘，銷釘?shù)闹行木€經(jīng)過球心；另一個法蘭(9)上安裝配重載荷(2)，配重載荷(2)內(nèi)可以裝電池等必要的載荷，其重量要求是上述部件安裝在球殼上后可以使?jié)L動軸(4)保持平衡；支架(10)上帶有螺桿(6)和兩根滑動桿(I)，轉(zhuǎn)向電機(jī)(11)套在螺桿(6)和滑動桿(I)上，并以螺帽與螺桿(6)配合；隨電機(jī)的轉(zhuǎn)動，自身可沿滑動桿(I)來回移動，支架(10)套在滾動軸⑷上兩個限位擋圈(5)的外側(cè)，由于擋圈(5)的限位作用，支架(10)可以繞滾動軸(4)轉(zhuǎn)動，但不能沿滾動軸(4)滑動；驅(qū)動球(8)通過固連其上的弓形連桿(7)與驅(qū)動電機(jī)(3)轉(zhuǎn)軸槽內(nèi)的銷釘鉸合，保證在滾動軸(4)傾斜的情況下驅(qū)動球(8)仍不會偏離豎直方向；因此球形機(jī)器人的質(zhì)心就是支架(10)和轉(zhuǎn)向電機(jī)(11)的質(zhì)心；轉(zhuǎn)向電機(jī)(11)轉(zhuǎn)動，則轉(zhuǎn)向電機(jī)(11)在螺桿(6)上的位置和球形機(jī)器人的質(zhì)心發(fā)生改變，從而引起滾動軸(4)傾斜角度的改變，導(dǎo)致機(jī)器人轉(zhuǎn)向；啟動驅(qū)動電機(jī)(3)后，驅(qū)動球(8)被提起，同時在重力的作用下球體下落，帶動球形機(jī)器人繞當(dāng)前的滾動軸(4)轉(zhuǎn)動。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的球形機(jī)器人驅(qū)動系統(tǒng)及其控制方法，其特征在于其路徑跟蹤控制程序是 (1)將球形機(jī)器人放在路徑的起點處，即球殼與地面的接觸點為給定的路徑(x(s)，y(s)), s e [O, L]的起點(X。，y0)； (2)滾動軸在地面上的投影與路徑曲線在起點處的切線垂直； (3)在時刻t按照如下等式調(diào)整轉(zhuǎn)向電機(jī)重心位置和驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)速X(coRt) = 1R/Rr (coRt)
全文摘要
本發(fā)明設(shè)計的球形機(jī)器人驅(qū)動系統(tǒng)，通過在豎直平面內(nèi)調(diào)整滾動軸的水平傾角控制轉(zhuǎn)向，由一個變量，即滾動軸的水平傾角就可以表征滾動軸，因此控制模型中僅有水平傾角和驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)速兩個變量，不需要復(fù)雜的運(yùn)算就可以確定控制策略。針對路徑跟蹤問題，引進(jìn)了相對曲率半徑的概念，作為轉(zhuǎn)向控制指標(biāo)，借助微分幾何中平面曲線論的唯一存在定理，通過改變滾動軸的水平傾角使軌跡與路徑的相對曲率半徑在對應(yīng)點達(dá)到一致，以實現(xiàn)對路徑的跟蹤。本發(fā)明給出的球形機(jī)器人驅(qū)動系統(tǒng)及其控制策略不需要測量傳感器確定運(yùn)動狀態(tài)，而是通過運(yùn)行時間計算軌跡弧長實施控制。
文檔編號B25J9/16GK102962842SQ20121044139
公開日2013年3月13日 申請日期2012年10月29日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月29日
發(fā)明者安凱, 王曉英, 安培亮, 安宏亮 申請人:安凱