本發(fā)明涉及一種球形機器人的三輪轉(zhuǎn)體內(nèi)驅(qū)動方法。

背景技術(shù)：

我國核電的發(fā)展經(jīng)歷了“起步”、“適度發(fā)展”階段，當前已向“積極發(fā)展”轉(zhuǎn)變，核與輻射安全監(jiān)管是核安全的基礎(chǔ)和前提。歷史上的幾次大的核事故給核電的發(fā)展造成了重大影響，核電安全已成為全球關(guān)注的焦點。因此必須對核設(shè)施進行嚴格的監(jiān)測和維護，及時發(fā)現(xiàn)并更換老化、故障設(shè)備，并對廢棄核裝置進行去污和拆卸等處理，以保證核電站正常、安全地運行。這些作業(yè)需要在放射性環(huán)境下進行，工作人員如果直接進入核設(shè)施內(nèi)部對設(shè)備進行維修、檢查等操作，無疑會受到大量的輻射，嚴重的可能造成人員傷亡事故；另外，需要監(jiān)測和維護的設(shè)備繁多、作業(yè)環(huán)境復(fù)雜、場地狹窄，有些地方還是人不可到達的區(qū)域。因此，采用機器人代替人進入核電站開展日常監(jiān)測和維護工作，具有廣闊的應(yīng)用前景。

目前，不少國家研制成功了遠距離控制的核工業(yè)機器人。大多數(shù)核工業(yè)機器人采用的是車輪或履帶，或車輪和履帶相結(jié)合的行走方式，少數(shù)的機器人采用多足或兩足行走方式。該類型機器人具有平面運動能力強、可控性較高，載重較大等優(yōu)點，與此同時，此類機器人存在制造成本高、體型大、運動損耗大、受地形局限性高等缺點。因此，設(shè)計一款體積小、質(zhì)量輕、運動靈便、運動效率高、以及監(jiān)測能力受環(huán)境設(shè)施局限小的核環(huán)境巡檢機器人成為該技術(shù)領(lǐng)域技術(shù)人員亟待解決的問題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是：提供一種球形機器人的三輪轉(zhuǎn)體內(nèi)驅(qū)動方法，解決現(xiàn)有技術(shù)運動不靈便、運動效率低、以及監(jiān)測能力受環(huán)境設(shè)施局限大的問題。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：

一種球形機器人的三輪轉(zhuǎn)體內(nèi)驅(qū)動方法，所述球形機器人包括球形外殼，以及均設(shè)在球形外殼內(nèi)且從上到下依次固定連接的探測器支架、探測器、電路模塊、支撐板、電池倉和驅(qū)動裝置，所述探測器支架上設(shè)有牛眼輪，所述牛眼輪朝上并與球形外殼內(nèi)壁滑動接觸；

所述驅(qū)動裝置有三個且分布于同一水平面上，所述三個驅(qū)動裝置在同一水平面上的連線組成一個等邊三角形，所述每一個驅(qū)動裝置均包括與球形外殼內(nèi)壁滑動接觸的麥克納姆輪和固定在麥克納姆輪內(nèi)側(cè)用于驅(qū)動麥克納姆輪運動的驅(qū)動電機，所述三個麥克納姆輪分別通過三根互成90°角的驅(qū)動桿與支撐板下側(cè)面固定連接，所述所有驅(qū)動電機均與電路模塊信號連接；

所述電池倉有兩個并對稱固定在支撐板下側(cè)面兩端，所述兩個電池倉與支撐板組合后的重心位于球形外殼球心的正下方，所述每個電池倉內(nèi)均設(shè)有電池組，所述電池組分別與探測器、電路模塊和所有驅(qū)動電機電連接；

所述探測器包括集成CZT探測器和IMU慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，所述集成CZT探測器通過電壓模塊與電池組電連接，所述集成CZT探測器和IMU慣性導(dǎo)航系統(tǒng)均與電路模塊；

所述驅(qū)動方法包括以下步驟：

a、通過無線方式接收指定到達的目標位置坐標，并獲取球形機器人球心與目標位置的目標參數(shù)(D，θ)，其中，D為球形機器人球心到目標位置的水平連線距離，設(shè)置三個麥克納姆輪中的任意一個為球形機器人頭朝向輪，用1號輪表示，其余兩個輪以1號輪為參照按逆時針方向依次用2號輪和3號輪表示，θ為球形機器人球心和目標位置的水平連線與1號輪沿球形機器人外側(cè)面所指向的方向之間的夾角；

b、獲取到目標參數(shù)后，通過電路模塊控制相應(yīng)的驅(qū)動電機啟動1號輪、2號輪和3號輪運行，使1號輪、2號輪和3號輪以同向且相同的角速度ω運動，此時球形機器人以3ω的角速度原地轉(zhuǎn)動；

c、探測器中IMU慣導(dǎo)系統(tǒng)的陀螺儀積分得到球形機器人轉(zhuǎn)動角度并傳送至電路模塊，當電路模塊接收到球形機器人轉(zhuǎn)動角度等于θ時，控制相應(yīng)的驅(qū)動電機使1號輪、2號輪和3號輪同時停止運行，此時1號輪正對目標位置；

d、通過電路模塊控制相應(yīng)的驅(qū)動電機啟動2號輪和3號輪分別以ω₂和ω₃的角速度運行，ω₂和ω₃大小相等且方向相反，同時1號輪作為從動輪運行，并且運行速度與2號輪或3號輪在1號輪所指方向的分速度相同，此時球形機器人正對目標位置直線滾動運行；

e、探測器中IMU慣導(dǎo)系統(tǒng)的速度信息融合二重積分得到球形機器人直線滾動距離并傳送至電路模塊，當電路模塊接收到球形機器人直線滾動距離等于D時，控制相應(yīng)的驅(qū)動電機使1號輪、2號輪和3號輪同時停止運行，此時球形機器人到達目標位置。

具體地說，所述電路模塊包括位于上層的數(shù)據(jù)采集芯片、位于中層的主控制電路芯片、以及位于下層的電池管理芯片和電機驅(qū)動芯片，所述主控制電路芯片與數(shù)據(jù)采集芯片串口通信連接，所述主控制電路芯片分別與電池管理芯片和電機驅(qū)動芯片均通過I/O接口連接，所述數(shù)據(jù)采集芯片和主控制電路芯片均通過電壓模塊與電池組電連接，所述電池管理芯片和電機驅(qū)動芯片均與電池組電連接；所述電機驅(qū)動芯片與所有驅(qū)動電機均采用信號連接，所述集成CZT探測器與數(shù)據(jù)采集芯片通過串口接口通信連接，所述IMU慣性導(dǎo)航系統(tǒng)與數(shù)據(jù)采集芯片通過SPI接口通信連接。

具體地說，所述主控制電路芯片的型號為STM32F407，所述數(shù)據(jù)采集芯片的型號為Altera Cyclone II，所述電機驅(qū)動芯片的型號為ULN2003a，所述電池管理芯片的型號為BQ27x00。

具體地說，所述IMU慣性導(dǎo)航系統(tǒng)為型號為ST LSM9DS0的芯片。

具體地說，所述電池組為18650型鋰電池。

具體地說，所述電壓模塊為12V-5V電壓模塊。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果：

本發(fā)明球形機器人通過將兩個電池倉對稱設(shè)在支撐板下面兩側(cè)且兩個電池倉與支撐板組合的重心位于球形外殼球心的正下方，在一定范圍內(nèi)盡可能地降低了整個球形機器人的重心位置，從而降低了轉(zhuǎn)動慣量，使本球形機器人的運動效率和靈敏度得到了很大的提高；采用三軸式輪式內(nèi)驅(qū)動方法進行驅(qū)動，并且驅(qū)動輪均采用麥克納姆輪，提高了球體外殼的運動效率，從而實現(xiàn)機器人全向性的、低能耗的運動；本球形機器人球形外殼尺寸小，質(zhì)量輕，運動靈便，運動效率高，設(shè)計簡單科學(xué)，操作便捷，使用時還能夠深入很多人類和大型巡檢機器人無法到達的區(qū)域，受核輻射環(huán)境設(shè)施局限性小，使本球形機器人的實用范圍得到很大的擴展。

本發(fā)明采用電路模塊全程直接控制相應(yīng)的驅(qū)動電機來控制三個麥克納姆輪的運行，通過三個麥克納姆輪的運行來控制球形機器人的運行方向和運行速度，并采取IMU慣性導(dǎo)航系統(tǒng)對球形機器人運行狀態(tài)進行實時監(jiān)測，采用CZT探測器對被監(jiān)測環(huán)境進行巡檢監(jiān)測，與球形機器人的特殊結(jié)構(gòu)巧妙配合并可驅(qū)動球形機器人到達隨意指定目標位置，本發(fā)明對球形機器人的運動方向操控簡便，在本發(fā)明方法的驅(qū)動下，與之相配合的球形機器人運動靈活，運動效率高，并且能精準地到達指定目標位置。

附圖說明

圖1為本發(fā)明球形機器人內(nèi)驅(qū)動方法框圖。

圖2為本發(fā)明球形機器人結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3為本發(fā)明球形機器人俯視圖。

圖4為本發(fā)明球形機器人運動分解圖。

其中，附圖標記對應(yīng)的名稱為：

1-驅(qū)動電機、2-探測器、3-球形外殼、4-探測器支架、5-電路模塊、6-支撐板、7-電池倉、8-麥克納姆輪。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖說明和實施例對本發(fā)明作進一步說明，本發(fā)明的方式包括但不僅限于以下實施例。

實施例

如圖1-3所示，一種球形機器人的三輪轉(zhuǎn)體內(nèi)驅(qū)動方法，所述球形機器人包括球形外殼3，以及均設(shè)在球形外殼3內(nèi)且從上到下依次固定連接的探測器支架4、探測器2、電路模塊5、支撐板6、電池倉7和驅(qū)動裝置；所述探測器支架4設(shè)有牛眼輪，所述牛眼輪朝上并與球形外殼3內(nèi)壁滑動接觸，所述電池倉7有兩個并對稱固定在支撐板6下側(cè)面兩端，所述兩個電池倉7與支撐板6組合后的重心位于球形外殼3球心的正下方。

所述驅(qū)動裝置有三個且分布于同一水平面上，所述三個驅(qū)動裝置在同一水平面上的連線組成一個等邊三角形，所述每一個驅(qū)動裝置均包括與球形外殼3內(nèi)壁滑動接觸的麥克納姆輪8和固定在麥克納姆輪8內(nèi)側(cè)用于驅(qū)動麥克納姆輪8運動的驅(qū)動電機1，所述三個麥克納姆輪8分別通過三根互成90°角的驅(qū)動桿與支撐板6下側(cè)面固定連接，所述所有驅(qū)動電機1均與電路模塊5信號連接。

所述電路模塊5包括位于上層的數(shù)據(jù)采集芯片、位于中層的主控制電路芯片、以及位于下層的電池管理芯片和電機驅(qū)動芯片，所述主控制電路芯片與數(shù)據(jù)采集芯片串口通信連接，所述主控制電路芯片分別與電池管理芯片和電機驅(qū)動芯片均通過I/O接口連接，所述電機驅(qū)動芯片分別與所有驅(qū)動電機1信號連接。

所述探測器2包括集成CZT探測器和IMU慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，所述集成CZT探測器與數(shù)據(jù)采集芯片通過串口接口通信連接，所述IMU慣性導(dǎo)航系統(tǒng)與數(shù)據(jù)采集芯片通過SPI接口通信連接。

所述每個電池倉7內(nèi)均設(shè)有電池組，所述集成CZT探測器、數(shù)據(jù)采集芯片和主控制電路芯片均通過電壓模塊與電池組電連接，所述電池管理芯片和電機驅(qū)動芯片均與電池組電連接，所述驅(qū)動電機1與電池組電連接。

所述主控制電路芯片的型號為STM32F407，所述數(shù)據(jù)采集芯片的型號為Altera Cyclone II，所述電機驅(qū)動芯片的型號為ULN2003a，所述電池管理芯片的型號為BQ27x00，所述IMU慣性導(dǎo)航系統(tǒng)為型號為ST LSM9DS0的芯片，所述電池組為18650型鋰電池，所述電壓模塊為12V-5V電壓模塊。

本發(fā)明球形機器人內(nèi)驅(qū)動方法包括以下步驟：

a、通過無線方式接收指定到達的目標位置坐標，并獲取球形機器人球心與目標位置的目標參數(shù)(D，θ)，其中，D為球形機器人球心到目標位置的水平連線距離，設(shè)置三個麥克納姆輪中的任意一個為球形機器人頭朝向輪，用1號輪表示，其余兩個輪以1號輪為參照按逆時針方向依次用2號輪和3號輪表示，θ為球形機器人球心和目標位置的水平連線與1號輪沿球形機器人外側(cè)面所指向的方向之間的夾角；

b、獲取到目標參數(shù)后，通過電路模塊控制相應(yīng)的驅(qū)動電機啟動1號輪、2號輪和3號輪運行，使1號輪、2號輪和3號輪以同向且相同的角速度ω運動，此時球形機器人以3ω的角速度原地轉(zhuǎn)動；

c、探測器中IMU慣導(dǎo)系統(tǒng)的陀螺儀積分得到球形機器人轉(zhuǎn)動角度并傳送至電路模塊，當電路模塊接收到球形機器人轉(zhuǎn)動角度等于θ時，控制相應(yīng)的驅(qū)動電機使1號輪、2號輪和3號輪同時停止運行，此時1號輪正對目標位置；

d、通過電路模塊控制相應(yīng)的驅(qū)動電機啟動2號輪和3號輪分別以ω₂和ω₃的角速度運行，ω₂和ω₃大小相等且方向相反，同時1號輪作為從動輪運行，并且運行速度與2號輪或3號輪在1號輪所指方向的分速度相同，此時球形機器人正對目標位置直線滾動運行；

e、探測器中IMU慣導(dǎo)系統(tǒng)的速度信息融合二重積分得到球形機器人直線滾動距離并傳送至電路模塊，當電路模塊接收到球形機器人直線滾動距離等于D時，控制相應(yīng)的驅(qū)動電機使1號輪、2號輪和3號輪同時停止運行，此時球形機器人到達目標位置。

本發(fā)明采用電路模塊5全程直接控制相應(yīng)驅(qū)動電機1來控制1號輪、2號輪和3號輪的運行，并通過1號輪、2號輪和3號輪的運行來最終控制球形機器人的運行方向和運行速度。具體如圖4所示，圖中R₁、R₂和R₃分別為1號輪、2號輪和3號輪的輪中心點，連接1號輪、2號輪和3號輪的三根驅(qū)動桿的連接點或者延長線的交點用O表示，O位于球形機器人的球形外殼3與地面的接觸點和球形機器人的圓心的連線上，并且球形外殼3與地面的接觸點和球形機器人的圓心的連線與地面垂直。根據(jù)參考方向，交點O、R₁直線與參考方向x軸平行或重合。此時輪2和輪3以O(shè)R₁直線對稱。當前輪2、輪3的軸心線速度分別為v₂、v₃，且v₂具有x、y軸上的分速度分別為v_2x和v_2y，且v₃具有x、y軸上的分速度分別為v_3x和v_3y。當前v₂＝v₃，由于輪2、輪3線對稱，v_2y與v_3y作用在球上的方向相反，相互抵消，此時只有向前的驅(qū)動速度。由于三輪均采用麥克納姆萬向輪設(shè)計，此時輪1作為從動輪，不提供動力，但是具有向前的速度v₁，并且此時v₁＝v_2x＝v_3x。而輪子軸心線速度v_i來自輪子轉(zhuǎn)動的角速度ω_i，ω_i等于驅(qū)動電機的輸出轉(zhuǎn)速ω_電機，且v_i＝ω_i*r_輪，r為麥克納姆萬向輪的輪半徑。

麥克納姆萬向輪的轉(zhuǎn)速與x方向上的分速度關(guān)系如下：

v₁＝v_2x＝v_3x＝v₂*cos(∠v₂R₂v_2x)＝v₃*cos(∠v₃R₃v_3x)＝v₂*cos30°＝v₃*cos30°(∠R₁OR₂＝120°＝>∠OR₂v_2x＝60°＝>∠v₂R₂v_2x＝30°，∠v₃R₃v_3x同理)

考慮麥克納姆萬向輪與球形外殼內(nèi)壁間無滑動，在萬向輪與球形外殼內(nèi)壁的接觸點的速度等于萬向輪的速度，可以得到電機的輸出轉(zhuǎn)速與球形機器人的滾動速度間的關(guān)系為:

ω_球＝ω_2x＝ω_3x＝ω₂*cos30°＝ω₃*cos30°＝ω_電機*cos30°(角速度標量值)

v_球＝ω_球*r_球＝ω_電機*cos30°*r_球。

向后運動同理。

同時，根據(jù)球形機器人的結(jié)構(gòu)，支撐板6下方安裝配重的電池倉7，萬向輪與球形外殼之間的摩擦力提供的向上的分力小于電池倉7所受的重力，因此不會造成球形機器人的豎直方向上的運動。

本發(fā)明球形機器人通過將兩個電池倉7對稱設(shè)在支撐板6下面兩側(cè)且兩個電池倉7與支撐板6組合的重心位于球形外殼3球心的正下方，在一定范圍內(nèi)盡可能地降低了整個球形機器人的重心位置，從而降低了轉(zhuǎn)動慣量，使本球形機器人的運動效率和靈敏度得到了很大的提高；采用三軸式輪式內(nèi)驅(qū)動方法進行驅(qū)動，并且驅(qū)動輪均采用麥克納姆輪8，提高了球體外殼3的運動效率，從而實現(xiàn)機器人全向性的、低能耗的運動；本球形機器人球形外殼3尺寸小，質(zhì)量輕，運動靈便，運動效率高，設(shè)計簡單科學(xué)，操作便捷，使用時還能夠深入很多人類和大型巡檢機器人無法到達的區(qū)域，受核輻射環(huán)境設(shè)施局限性小，使本球形機器人的實用范圍得到很大的擴展。

本發(fā)明采用電路模塊5全程直接控制相應(yīng)驅(qū)動電機1來控制三個麥克納姆輪8的運行，通過三個麥克納姆輪8的運行來控制球形機器人的運行方向和運行速度，并采取IMU慣性導(dǎo)航系統(tǒng)對球形機器人運行狀態(tài)進行實時監(jiān)測，采用CZT探測器對被監(jiān)測環(huán)境進行巡檢監(jiān)測，與球形機器人的特殊結(jié)構(gòu)巧妙配合并可驅(qū)動球形機器人到達隨意指定目標位置，本發(fā)明對球形機器人的運動方向操控簡便，在本發(fā)明方法的驅(qū)動下，與之相配合的球形機器人運動靈活，運動效率高，并且能精準地到達指定目標位置。

上述實施例僅為本發(fā)明的優(yōu)選實施方式之一，不應(yīng)當用于限制本發(fā)明的保護范圍，但凡在本發(fā)明的主體設(shè)計思想和精神上作出的毫無實質(zhì)意義的改動或潤色，其所解決的技術(shù)問題仍然與本發(fā)明一致的，均應(yīng)當包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。