[发明专利]基于陀螺进动效应的蛇形机器人机构及运动控制方法

权利要求书

1.基于陀螺进动效应的蛇形机器人机构，包括多节模块单元(2)，各节模块单元(2)上安装有起支撑作用的小轮(6)，相邻节的模块单元(2)之间通过十字万向节单元(1)连接，其特征在于：各节模块单元(2)包括正方体支架(7)以及设于正方体支架(7)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支架(12)和设于球形支架(12)内部的陀螺转子(13)，所述陀螺转子(13)由自带有增量式编码器的转子电机(16)驱动并进行高速旋转；所述全向轮驱动单元包括围绕球形支架(12)布置并驱动球形支架(12)万向转动的六个全向轮驱动组件，所述小轮(6)通过小轮轴(8)安装在正方体支架(7)的顶部与底部，所述十字万向节单元(1)由十字轴(4)、十字轴承(5)以及一对直接安装在正方体支架(7)上的万向节叉(3)组成，所示十字轴(4)与一对万向节叉(3)形成两个轴线相互垂直的旋转副。

2.根据权利要求1所述的基于陀螺进动效应的蛇形机器人机构，其特征在于：所述全向轮驱动组件主要包括由全向轮电机(15)驱动的单排全向轮(11)和检测单排全向轮(11)转动角度的绝对式编码器(9)，两两相对的单排全向轮(11)为一组，三组全向轮(11)分别处于正交于球形支架(12)中心的三个相互垂直的平面上。

3.基于陀螺进动效应的蛇形机器人运动控制方法，其特征在于采用了如权利要求1～2中任意一项所述的基于陀螺进动效应的蛇形机器人机构，其运动控制方案为：

①、初始时刻，通过绝对式编码器(9)可检测出对应单排全向轮(11)的位置；

②、当驱动模块单元(2)内部的全向轮驱动单元运动时，通过绝对式编码器(9)可检测出对应单排全向轮(11)的转角，由于单排全向轮(11)与球形支架(12)之间的运动为纯滚动，进而求出球形支架(12)的姿态矩阵；

③、当蛇形机器人模块单元(2)需要进行航向、俯仰运动时，基于陀螺力矩的计算方法以及球形支架(12)的姿态矩阵，通过事先设计的轨迹控制器计算出各全向轮(11)驱动力矩和陀螺转子(13)驱动力矩，蛇形机器人的六个全向轮(11)和陀螺转子(13)将按照控制器计算出的力矩进行驱动；

④、基于陀螺的进动效应，当陀螺转子(13)受到两个不同方向的力矩时，陀螺转子(13)会产生对球形支架(12)的陀螺力矩；由于球形支架(12)与全向轮(11)存在滚动约束，同时全向轮(11)安装在全向轮支架(10)上，全向轮支架(10)安装在正方体支架(7)上，经过一系列力的相互作用，陀螺转子(13)会产生实现各模块单元(2)航向以及俯仰运动的全向陀螺力矩；

⑤、通过各模块单元(2)航向、俯仰运动的合成，可以实现蛇形机器人的转弯、直线以及越障运动。