[发明专利]一种球形机器人驱动系统及其控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种球形机器人驱动系统及其控制方法。

背景技术

球形机器人是一种新型的机器人，所有零部件都封装在一个球壳内部，造型新颖别致，行动灵活，可以轻易地实现零半径转弯，在工业、民用和军事上都具有广泛的应用前景，因而倍受世界各国研究和工程技术人员关注，是目前智能机器人研究领域的热点问题之一。

球形机器人的研究集中在驱动装置和控制策略两个方面。在推进器装置方面目前有单轮驱动、小车驱动、万向轮驱动、电机定子反转驱动和配重体驱动。这些球形机器人的驱动方式各有特色，都可以实现球体的滚动，但在控制模型的建立和控制算法的设计方面却面临很大困难。由于涉及惯性坐标系与球体固连坐标系之间的坐标变换问题，因此欧拉角和广义欧拉角作为必要的工具被引入模型中，用于确定球形机器人的姿态。作为理论分析，欧拉角的使用无可厚非，但在控制过程中欧拉角的测量却存在相当大的难度，至少需要更多、更复杂、更精准的传感器进行测量，不仅增加了制造成本，也加大了球形机器人的重量和体积。其次，欧拉角的引进使控制模型变得相当复杂，许多研究结果表明，这是一个高阶非线性微分方程组，其解析解根本无法获得，但数值解即使能够求出也需要消耗很长的时间，因而无法满足实际应用的需要。

发明内容

球形机器人控制模型的复杂性源于驱动装置，一种驱动装置尽管可以实现球形机器人的滚动，但如果其运行轨迹无法精确控制，这种驱动装置仍不能满足实际应用的需要。为此，本发明设计了一种控制模型十分简单的球形机器人驱动控制系统，并给出了相应的控制方法。

本发明设计的球形机器人驱动系统，通过在竖直平面内调整滚动轴的水平倾角控制转向，由一个变量，即滚动轴的水平倾角就可以表征滚动轴，因此控制模型中仅有水平倾角和驱动电机转速两个变量，不需要复杂的运算就可以确定控制策略。针对路径跟踪问题，引进了相对曲率半径的概念，作为转向控制指标，借助微分几何中平面曲线论的唯一存在定理，通过改变滚动轴的水平倾角使轨迹与路径的相对曲率半径在对应点达到一致，以实现对路径的跟踪。本发明给出的球形机器人驱动系统及其控制策略不需要测量传感器确定运动状态，而是通过运行时间计算轨迹弧长实施控制。

本发明具有如下特点：

(1)球形机器人驱动系统具有简单的控制模型，滚动轴仅有其水平倾角一个变量表征，控制变量只有滚动轴水平倾角和驱动电机转速两个变量。

(2)引进了相对曲率半径的概念，并作为控制指标，微分几何中平面曲线论的唯一存在定理可以保证其控制策略能够实现球形机器人的轨迹曲线与设计路径的一致性。

(3)不需要任何传感器测量运动参数，只需要通过从起点到当前位置的运行时间计算轨迹弧长即可对系统实施控制。

(4)该驱动系统除利用本发明中介绍的方法进行编程跟踪外，还可以在线遥控跟踪。

附图说明

图1是球形机器人驱动系统结构示意图，图2是曲率半径与球面直径、滚动速度以及滚动轴倾斜角度关系示意图，图3是相对曲率半径与转向电机位置坐标的关系示意图。

标号说明：1滑动杆，2配重载荷，3驱动电机，4滚动轴，5挡圈，6螺杆，7弓形连杆，8驱动球，9法兰，10支架，11转向电机。

具体实施方式

1.驱动系统结构和工作原理：

如图1所示，球形机器人驱动控制系统由滚动轴(4)、驱动电机(3)、配重载荷(2)、支架(10)、转向电机(11)、驱动球(8)等部件组成。滚动轴(4)上装有限位挡圈(5)。位于球壳同一直径上的两根滚动轴(4)一端固定在球壳上，另一端与一个法兰(9)连接。其中一个法兰(9)上安装驱动电机(3)，驱动电机(3)轴的一端开槽，槽内安装销钉，销钉的中心线经过球心。另一个法兰(9)上安装配重载荷(2)，配重载荷(2)内可以装电池等必要的载荷，其重量要求是上述部件安装在球壳上后可以使滚动轴(4)保持平衡。

支架(10)上带有螺杆(6)和两根滑动杆(1)，转向电机(11)套在螺杆(6)和滑动杆(1)上，并以螺帽与螺杆(6)配合。随电机的转动，自身可沿滑动杆(1)来回移动。支架(10)套在滚动轴(4)上两个限位挡圈(5)的外侧，由于挡圈(5)的限位作用，支架(10)可以绕滚动轴(4)转动，但不能沿滚动轴(4)滑动。

驱动球(8)通过固连其上的弓形连杆(7)与驱动电机(3)转轴槽内的销钉铰合，保证在滚动轴(4)倾斜的情况下驱动球(8)仍不会偏离竖直方向。因此球形机器人的质心就是支架(10)和转向电机(11)的质心。