[发明专利]基于陀螺进动效应的球形机器人机构及行走方法

说明书

本发明公开了一种基于陀螺进动效应的球形机器人机构及行走方法。本发明在结构上包括外球壳以及设于外球壳内部的陀螺驱动单元，本发明的陀螺驱动单元包括正方体支架及设于正方体支架内部的陀螺转子机构和全向轮驱动单元，所述陀螺转子机构包括球形陀螺支架和设于球形陀螺支架内部的陀螺转子，所述全向轮驱动单元包括围绕球形陀螺支架布置并驱动球形陀螺支架万向转动的六个全向轮驱动组件，各全向轮驱动组件主要包括单排全向轮及检测单排全向轮转角的绝对式编码器，两两相对的单排全向轮为一组，三组单排全向轮分别处于正交于球形陀螺支架中心的三个相互垂直的平面上，本发明通过陀螺驱动单元产生的全向陀螺力矩实现球形机器人的全方位运动。

技术领域

本发明涉及球形机器人机构，具体为一种基于陀螺进动效应的球形机器人机构及行走方法。

背景技术

移动机器人按移动方式大体可分为轮式、履带式、腿式、蛇形式。其中，轮式机器人具有移动速度快的特点；履带式机器人具有带负载能力强的特点；腿式机器人可以能适应复杂的地形；蛇形式机器人具有转向灵活、地面适应能力强等特点。其共同不足之处是无法进行机器人的全方位移动。鉴于此，国内外学者研发出球形机器人。

球形机器人是一种新型的移动机器人机构，其具有轮式机器人的机动性能以及腿式机器人适应复杂地形的优点，并且具有体积小、灵活迅速等特点，同时球形的外壳使球形机器人的运动姿态易于调整和恢复，因此，球形机器人是一种可实现全方位运动的移动式机器人。由于球形机器人系统是一类非完整欠驱动系统，可将其作为一种检验某种多输入多输出系统理论的实验平台。

现有球形机器人的驱动原理主要有两类：基于球壳内部机构质心变化驱动和基于角动量守恒原理驱动的球形机器人，其主要功能主要是实现球形机器人的全向移动，然而现有的球形机器人大多数难以实现球形机器人的自转运动，如专利号为201611199608.7的《一种球形机器人》，其可以实现全方位移动但不能实现自转运动。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明基于陀螺的进动效应提出了一种基于陀螺进动效应的球形机器人机构及行走方法。

能够解决上述技术问题的基于陀螺进动效应的球形机器人机构，其技术方案包括外球壳以及设于外球壳内部的陀螺驱动单元，所不同的是所述陀螺驱动单元包括正方体支架以及设于正方体支架内部的陀螺转子机构和全向轮驱动单元，基于陀螺的进动效应，所述陀螺驱动单元能够产生使外球壳全方位运动的全向陀螺力矩。

所述陀螺转子机构包括球形陀螺支架和设于球形陀螺支架内部的陀螺转子，所述陀螺转子由自带有增量式编码器的转子电机驱动并进行高速旋转；所述全向轮驱动单元包括围绕球形陀螺支架布置并驱动球形陀螺支架万向转动的六个全向轮驱动组件，所述全向轮驱动组件主要是对陀螺转子机构起支撑及驱动的作用，各全向轮驱动组件主要包括由直流电机驱动的单排全向轮以及检测单排全向轮转动角度的绝对式编码器，两两相对的单排全向轮为一组，三组单排全向轮分别处于正交于球形陀螺支架中心的三个相互垂直的平面上，所述直流电机自带有能够实时检测对应全向轮速度的增量式编码器。

采用上述球形机器人机构的行走方案为：

1、初始时刻，通过安装在全向轮架上的绝对式编码器可检测出对应单排全向轮的位置。

2、当驱动设于正方体支架内部的全向轮驱动单元运动时，通过安装在全向轮架上的绝对式编码器可检测出对应单排全向轮的转角，由于单排全向轮与球形陀螺支架之间的运动为纯滚动，进而求出球形陀螺支架的姿态矩阵。

3、基于陀螺力矩的计算方法以及球形陀螺支架的姿态矩阵，通过事先设计的轨迹控制器计算出各全向轮驱动力矩和陀螺转子驱动力矩，球形机器人的六个全向轮及陀螺转子将按照控制器计算出的力矩进行驱动。