基于对称半球形轮子的机器人及其平移旋转解耦控制方法

技术领域

本发明涉及一种机器人的运动控制，尤其涉及基于对称半球形轮子的机器人及其平移旋转解耦控制方法。

背景技术

当今社会，经济日益发达，人们的物质生活水平不断提高，越来越多的小车驱动方法出现在人们的视野中。传统机器人控制方法通常将平移和旋转运动耦合在一起，限制了机器人在执行任务时的灵活性和精度。对于机器人的平移运动，常见的万向轮在进行旋转运动时往往无法顺滑运动，导致平移运动需要更换方向时无法平稳进行，尤其在载有负载的情况下，平稳度更底。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术中的问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种基于对称半球形轮子的机器人，包括一个底盘框架、一个旋转平台和三个轮组；所述底盘框架呈圆柱形或正棱柱形，三个轮组等间距布置在底盘框架的侧面；旋转平台位于底盘框架顶部，用于放置负载；

每个轮组包括轮架、架设在轮架上的轮轴和安装在轮轴上的球形轮子，轮组通过轮架与底盘框架连接；

底盘框架包括控制旋转平台进行旋转的舵机和控制轮轴转动的电机，电机控制转轴转动从而带动球形轮子滚动，每个转轴的转动由电机单独控制。

优选的，所述底盘框架为正六棱柱，轮架通过减震器连接于底盘框架侧面，三个轮组分别通过轮架安装在底盘框架互不相邻的三个侧面上；三个球形轮子的直径相同，球心共面，且三个球形轮子的球心所确定的面与底盘框架的底面平行或共面；三个轮轴分别平行与其轮组所安装的侧面，且三个轮轴均与底盘框架的底面平行。

优选的，每个球形轮子由两个半球壳体组成，两个半球壳体内部均通过轴承装配有穿过球心且垂直于半球壳体横截面的阶梯轴，两个阶梯轴在靠近壳体球面的一端均装有球形滚珠，两个阶梯轴靠近壳体横截面的一端通过十字联轴器一对相对的端口相连接，使得两个半球壳体形成一个球形；十字联轴器的另一对相对的端口连接轮轴，使得轮轴转动时带动球形轮子滚动。

优选的，轮轴通过轴承支座安装在轮架上；轮轴上还安装有同步带轮，同步带轮的一端安装在轴承支座上，与轮轴一端卡合，同步带轮的另一端与电机相连接。

优选的，舵机设于旋转平台与底盘框架顶部之间；底盘框架内部中空且设有可旋转闭合门，用于放置电机。

本发明海滩一种机器人的平移旋转解耦控制方法，实现上述任一机器人的运动控制，机器人的运动包括直线运动与原地旋转，对机器人的运动控制包括以下步骤：

基于机器人由上往下的投影图，建立机器人坐标系XOY，其中，以底盘框架所的投影的中心为原点O，以原点O到第一轮组球形轮子的球心的连线方向为Y轴方向；

接收目标速度，提取目标速度在机器人坐标系XOY的方向；

若目标速度的方向与任一球形轮子的速度方向相同，则直接控制该球形轮子进行滚动，实现直线运动；若目标速度的方向与三个球形轮子的速度方向均不相同，则控制底盘框架进行原地旋转，直到目标速度的方向与任一球形轮子的速度方向相同，再控制该球形轮子进行滚动，实现直线运动。

优选的，机器人实现直线运动的具体过程为：选择运动方向与目标速度的方向一致的轮子进行滚动，该轮子的滚动方向为目标速度的方向，该轮子的滚动速度为V+ωL，其中V为目标速度的大小，ω为控制该球形轮子进行滚动的轮轴的角速度，L为球形轮子的球心到原点O的距离；其它两个轮子保持不动。

优选的，机器人实现原地旋转，具体包括：

需要顺时针旋转时，选择两个轮组，按逆时针顺序分别定义为轮组A和轮组B，控制轮组A以其球心到原点O的连线方向滚动，控制轮组B以原点O到其球心的连线方向滚动；

需要顺时针旋转时，选择两个轮组，按顺时针顺序分别定义轮组C和轮组D，控制轮组C以其球心到原点O的连线方向滚动，控制轮组D以原点O到其球心的连线方向滚动；

旋转时，球形轮子的角速度均为V+ωiL，其中，V为目标速度的大小，ωi为控制该球形轮子进行滚动的轮轴的角速度，轮组A、轮组B、轮组C和轮组D的轮轴的角速度分别为ωA、ωB、ωC和ωD；L为球形轮子的球心到原点O的距离。

优选的，机器人还通过舵机控制旋转平台进行旋转，实现负载的朝向转换。

本发明具有如下有益效果：

(1)将负载的平移和旋转解耦，分别通过旋转平台和球形轮子完成，使得平移和旋转动作可以独立控制，同时有效避免了轮组旋转时速度相互抵消导致的额外功耗，提高了底盘的精度和稳定性；

(2)设置三个可单独控制运动的球形轮子，实现机器人的万向运动和旋转运动；且球形轮子的结构使得轮子可以沿相互垂直的轮轴和阶梯轴滚动，确保球形轮子在直线运动和旋转运动均能顺滑滚动；

(3)球形轮子的连接轴在球面端设有球形滚珠，进一步确保轮子滚动的顺滑度。

以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明，但本发明不局限于实施例。

附图说明

图1为本发明实施例的球形轮子示意图，其中(a)为正视图，(b)为剖面图，(c)为阶梯轴示意图；

图2为本发明实施例的球形轮子驱动示意图；

图3为本发明实施例的机器人示意图；

图4为本发明实施例的机器人运动控制方法流程图；

图5为本发明实施例的机器人在自身坐标轴下的运动分析示意图；

图6为本发明实施例的机器人不同运动的示意图。

具体实施方式

参见图1至图3所示，为本发明实施例的球形轮子示意图、球形轮子驱动示意图和机器人示意图，球形轮子的构造为：轴承3安装在瓣式壳体5的内部，阶梯轴2通过轴承3与瓣式壳体5配合，球形滚珠4安装在阶梯轴2的顶部，端盖6与瓣式壳体5拼装卡合，组成一个半球部件，最后两个半球通过十字联轴器1连接组成一个球形轮子，球形轮子的两个半球可绕阶梯轴自由转动。球形轮子通过轮轴10固定在轮架中心，轮轴10两边连接轴承支座7使半球形万向轮可绕轮轴10在水平面内转动，轴承支座7安装在轮架9上，轮轴10一端与同步带轮17连接，同步带轮17通过同步带与电机8连接，电机8转动驱动球形轮子在水平面内转动。

机器人包括一个呈正六棱柱形的底盘框架、一个旋转平台和三个轮组；底盘框架顶部安装有舵机16，舵机16连接旋转平台13以控制旋转平台13的旋转运动；底盘底部安装有外接万向轮15。每个轮组包括轮架、架设在轮架上的轮轴和安装在轮轴上的球形轮子，轮组通过轮架10与底盘框架连接，具体为：轮架10通过减震器12和Y型接头11与底盘框架连接，三个轮架10分别安装在底盘框架互不相邻的三个侧面上。

电机8驱动单个球形轮子旋转时，所产生的速度方向穿过底盘框架平面中心，实现一个方向的直线运动，再通过其他两个电机8的差速旋转实现运动合成，进而达到万向移动的功能，由于两个相同运动速度的方向均过底盘框架平面中心，故不会在运动时发生旋转。底盘框架设有可旋转闭合门，内部中空用于放置电气装置。

实现对机器人运动控制之前，需要确保以下前提：(1)底盘框架质量分布均匀，每个轮子的大小和质量相同；(2)三个球形轮子到中心的距离相等，且两两夹角为120度；(3)底盘框架不会出现打滑。

参见图4所示，为本发明实施例的机器人运动控制方法流程图，具体为：基于机器人由上往下的投影图，建立机器人坐标系XOY，其中，以底盘框架所的投影的中心为原点O，以原点O到第一轮组球形轮子的球心的连线方向为Y轴方向；接收目标速度，提取目标速度在机器人坐标系XOY的方向；若目标速度的方向与任一球形轮子的速度方向相同，则直接控制该球形轮子进行滚动，实现直线运动；若目标速度的方向与三个球形轮子的速度方向均不相同，则控制底盘框架进行原地旋转，直到目标速度的方向与任一球形轮子的速度方向相同，再控制该球形轮子进行滚动，实现直线运动。

具体的，参见图5及图6所示，为本发明实施例的机器人在自身坐标轴下的运动分析示意图和机器人实现不同运动的示意图，V1、V2和V3分别表示第一轮子、第二轮子和第三轮子的运动速度，VX和VY为机器人在X轴和Y轴上的分速度。

机器人的运动包括直线运动与原地旋转，对机器人和三个球形轮子的运动关系进行分析，

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当底盘框架进行旋转运动时：

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其中，ω为控制该球形轮子进行滚动的轮轴的角速度，L为球形轮子的球心到原点O的距离。由此可以得出机器人实现直线运动和旋转运动的具体步骤。

机器人实现直线运动的具体过程为：选择运动方向与目标速度的方向一致的轮子进行滚动，该轮子的滚动方向为目标速度的方向，该轮子的滚动速度为V+ωL，其中V为目标速度的大小，ω为控制该球形轮子进行滚动的轮轴的角速度，L为球形轮子的球心到原点O的距离；其它两个轮子保持不动。

机器人实现原地旋转的具体过程包括：需要顺时针旋转时，选择两个轮组，按逆时针顺序分别定义为轮组A和轮组B，控制轮组A以其球心到原点O的连线方向滚动，控制轮组B以原点O到其球心的连线方向滚动；需要顺时针旋转时，选择两个轮组，按顺时针顺序分别定义轮组C和轮组D，控制轮组C以其球心到原点O的连线方向滚动，控制轮组D以原点O到其球心的连线方向滚动；旋转时，球形轮子的角速度均为V+ωiL，其中，V为目标速度的大小，ωi为控制该球形轮子进行滚动的轮轴的角速度，轮组A、轮组B、轮组C和轮组D的轮轴的角速度分别为ωA、ωB、ωC和ωD；L为球形轮子的球心到原点O的距离。

本实施例工作时，负载的旋转由旋转平台单独负责，负载的平移运动通过逆运动解算，进而实现移动-旋转分离，使各部件的运动逻辑得到简化，更易于达到要求的运动精度。

以上仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。