[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

说明书

本发明公开了一种基于陀螺进动效应的蛇形机器人机构及运动控制方法。本发明在结构上包含：模块单元、连接各模块单元的十字万向节单元，本发明的模块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。陀螺转子机构包括球形支架和设于球形支架内部的陀螺转子；全向轮驱动单元包括围绕球形支架布置并驱动球形支架万向转动的六个全向轮驱动组件，各全向轮驱动组件包括由全向轮电机驱动的单排全向轮和绝对式编码器，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支架中心的三个相互垂直的平面上。本发明通过各模块单元产生的全向陀螺力矩使各模块单元产生航向、俯仰运动，进而实现蛇形机器人的各种运动。

技术领域

本发明涉及一种蛇形机器人，具体为一种基于陀螺进动效应的蛇形机器人机构及运动控制方法。

背景技术

蛇形机器人是一种常见的机器人机构，其具有转向灵活、地面适应能力强等特点，可以用在医疗、军事、航空航天等领域当中。

蛇形机器人的结构设计主要采用模块化的设计思想，现有的蛇形机器人在结构上的主要特点有：连接蛇形机器人模块的关节转动功能以及与外界环境接触的蛇形机器人模块支撑功能。

常见的蛇形机器人按其关节结构特点可分为单自由度转动关节、双自由度转动关节、三自由度转动关节。其中，单自由度转动关节主要用于实现蛇形机器人的航向运动，双自由度转动关节主要用于实现蛇形机器人的航向和俯仰运动，三自由度转动关节不但可以实现机器人的航向和俯仰运动，还能够绕机器人模块的轴线方向进行转动，进而实现机器人的横滚运动，但三自由度转动关节对电机的输出力矩要求较高，其产生的功耗较大，同时该结构产生的机器人尺寸也较大。

模块支撑组件按其是否存在驱动可分为主动支撑组件和被动支撑组件，主动支撑组件不仅对模块产生支撑约束作用，还能对模块直接进行驱动，以提高机器人的工作效率，被动支撑组件主要是对机器人各模块进行支撑。

现有蛇形机器人的驱动方式主要是对关节直接进行驱动，从而控制蛇形机器人的运动姿态，少有对模块进行直接驱动，同时将各模块之间的关节作为被动机构，进而控制蛇形机器人的运动姿态。

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蛇形机器人机构及运动控制方法。

能够解决上述技术问题的基于陀螺进动效应的蛇形机器人机构，其技术方案包括多节模块单元以及连接各模块单元的十字万向节单元，所不同的是所述模块单元主要包括正方体支架、起支撑作用的小轮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。

所述陀螺转子机构包括球形支架和设于球形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支架布置并驱动球形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全向轮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支架中心的三个相互垂直的平面上，所述全向轮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；基于陀螺的进动效应，所述陀螺转子机构和全向轮驱动单元能够产生全向陀螺力矩。

所述十字万向节单元主要由十字轴和一对直接安装在正方体支架上的万向节叉组成，所述十字轴与一对万向节叉形成两个轴线相互垂直的旋转副。

采用上述蛇形机器人机构的运动控制方案为：

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

2、当驱动安装在模块单元内部的全向轮驱动单元运动时，通过安装在全向轮支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支架之间的运动为纯滚动，进而求出球形支架的姿态矩阵。