一种球形机器人的三轮转体内驱动方法与流程

本发明涉及一种球形机器人的三轮转体内驱动方法。

背景技术：

我国核电的发展经历了“起步”、“适度发展”阶段，当前已向“积极发展”转变，核与辐射安全监管是核安全的基础和前提。历史上的几次大的核事故给核电的发展造成了重大影响，核电安全已成为全球关注的焦点。因此必须对核设施进行严格的监测和维护，及时发现并更换老化、故障设备，并对废弃核装置进行去污和拆卸等处理，以保证核电站正常、安全地运行。这些作业需要在放射性环境下进行，工作人员如果直接进入核设施内部对设备进行维修、检查等操作，无疑会受到大量的辐射，严重的可能造成人员伤亡事故；另外，需要监测和维护的设备繁多、作业环境复杂、场地狭窄，有些地方还是人不可到达的区域。因此，采用机器人代替人进入核电站开展日常监测和维护工作，具有广阔的应用前景。

目前，不少国家研制成功了远距离控制的核工业机器人。大多数核工业机器人采用的是车轮或履带，或车轮和履带相结合的行走方式，少数的机器人采用多足或两足行走方式。该类型机器人具有平面运动能力强、可控性较高，载重较大等优点，与此同时，此类机器人存在制造成本高、体型大、运动损耗大、受地形局限性高等缺点。因此，设计一款体积小、质量轻、运动灵便、运动效率高、以及监测能力受环境设施局限小的核环境巡检机器人成为该技术领域技术人员亟待解决的问题。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是：提供一种球形机器人的三轮转体内驱动方法，解决现有技术运动不灵便、运动效率低、以及监测能力受环境设施局限大的问题。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种球形机器人的三轮转体内驱动方法，所述球形机器人包括球形外壳，以及均设在球形外壳内且从上到下依次固定连接的探测器支架、探测器、电路模块、支撑板、电池仓和驱动装置，所述探测器支架上设有牛眼轮，所述牛眼轮朝上并与球形外壳内壁滑动接触；

所述驱动装置有三个且分布于同一水平面上，所述三个驱动装置在同一水平面上的连线组成一个等边三角形，所述每一个驱动装置均包括与球形外壳内壁滑动接触的麦克纳姆轮和固定在麦克纳姆轮内侧用于驱动麦克纳姆轮运动的驱动电机，所述三个麦克纳姆轮分别通过三根互成90°角的驱动杆与支撑板下侧面固定连接，所述所有驱动电机均与电路模块信号连接；

所述电池仓有两个并对称固定在支撑板下侧面两端，所述两个电池仓与支撑板组合后的重心位于球形外壳球心的正下方，所述每个电池仓内均设有电池组，所述电池组分别与探测器、电路模块和所有驱动电机电连接；

所述探测器包括集成CZT探测器和IMU惯性导航系统，所述集成CZT探测器通过电压模块与电池组电连接，所述集成CZT探测器和IMU惯性导航系统均与电路模块；

所述驱动方法包括以下步骤：

a、通过无线方式接收指定到达的目标位置坐标，并获取球形机器人球心与目标位置的目标参数(D，θ)，其中，D为球形机器人球心到目标位置的水平连线距离，设置三个麦克纳姆轮中的任意一个为球形机器人头朝向轮，用1号轮表示，其余两个轮以1号轮为参照按逆时针方向依次用2号轮和3号轮表示，θ为球形机器人球心和目标位置的水平连线与1号轮沿球形机器人外侧面所指向的方向之间的夹角；

b、获取到目标参数后，通过电路模块控制相应的驱动电机启动1号轮、2号轮和3号轮运行，使1号轮、2号轮和3号轮以同向且相同的角速度ω运动，此时球形机器人以3ω的角速度原地转动；

c、探测器中IMU惯导系统的陀螺仪积分得到球形机器人转动角度并传送至电路模块，当电路模块接收到球形机器人转动角度等于θ时，控制相应的驱动电机使1号轮、2号轮和3号轮同时停止运行，此时1号轮正对目标位置；

d、通过电路模块控制相应的驱动电机启动2号轮和3号轮分别以ω₂和ω₃的角速度运行，ω₂和ω₃大小相等且方向相反，同时1号轮作为从动轮运行，并且运行速度与2号轮或3号轮在1号轮所指方向的分速度相同，此时球形机器人正对目标位置直线滚动运行；

e、探测器中IMU惯导系统的速度信息融合二重积分得到球形机器人直线滚动距离并传送至电路模块，当电路模块接收到球形机器人直线滚动距离等于D时，控制相应的驱动电机使1号轮、2号轮和3号轮同时停止运行，此时球形机器人到达目标位置。

具体地说，所述电路模块包括位于上层的数据采集芯片、位于中层的主控制电路芯片、以及位于下层的电池管理芯片和电机驱动芯片，所述主控制电路芯片与数据采集芯片串口通信连接，所述主控制电路芯片分别与电池管理芯片和电机驱动芯片均通过I/O接口连接，所述数据采集芯片和主控制电路芯片均通过电压模块与电池组电连接，所述电池管理芯片和电机驱动芯片均与电池组电连接；所述电机驱动芯片与所有驱动电机均采用信号连接，所述集成CZT探测器与数据采集芯片通过串口接口通信连接，所述IMU惯性导航系统与数据采集芯片通过SPI接口通信连接。

具体地说，所述主控制电路芯片的型号为STM32F407，所述数据采集芯片的型号为Altera Cyclone II，所述电机驱动芯片的型号为ULN2003a，所述电池管理芯片的型号为BQ27x00。

具体地说，所述IMU惯性导航系统为型号为ST LSM9DS0的芯片。

具体地说，所述电池组为18650型锂电池。

具体地说，所述电压模块为12V-5V电压模块。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明球形机器人通过将两个电池仓对称设在支撑板下面两侧且两个电池仓与支撑板组合的重心位于球形外壳球心的正下方，在一定范围内尽可能地降低了整个球形机器人的重心位置，从而降低了转动惯量，使本球形机器人的运动效率和灵敏度得到了很大的提高；采用三轴式轮式内驱动方法进行驱动，并且驱动轮均采用麦克纳姆轮，提高了球体外壳的运动效率，从而实现机器人全向性的、低能耗的运动；本球形机器人球形外壳尺寸小，质量轻，运动灵便，运动效率高，设计简单科学，操作便捷，使用时还能够深入很多人类和大型巡检机器人无法到达的区域，受核辐射环境设施局限性小，使本球形机器人的实用范围得到很大的扩展。

本发明采用电路模块全程直接控制相应的驱动电机来控制三个麦克纳姆轮的运行，通过三个麦克纳姆轮的运行来控制球形机器人的运行方向和运行速度，并采取IMU惯性导航系统对球形机器人运行状态进行实时监测，采用CZT探测器对被监测环境进行巡检监测，与球形机器人的特殊结构巧妙配合并可驱动球形机器人到达随意指定目标位置，本发明对球形机器人的运动方向操控简便，在本发明方法的驱动下，与之相配合的球形机器人运动灵活，运动效率高，并且能精准地到达指定目标位置。

附图说明

图1为本发明球形机器人内驱动方法框图。

图2为本发明球形机器人结构示意图。

图3为本发明球形机器人俯视图。

图4为本发明球形机器人运动分解图。

其中，附图标记对应的名称为：

1-驱动电机、2-探测器、3-球形外壳、4-探测器支架、5-电路模块、6-支撑板、7-电池仓、8-麦克纳姆轮。

具体实施方式

下面结合附图说明和实施例对本发明作进一步说明，本发明的方式包括但不仅限于以下实施例。

实施例

如图1-3所示，一种球形机器人的三轮转体内驱动方法，所述球形机器人包括球形外壳3，以及均设在球形外壳3内且从上到下依次固定连接的探测器支架4、探测器2、电路模块5、支撑板6、电池仓7和驱动装置；所述探测器支架4设有牛眼轮，所述牛眼轮朝上并与球形外壳3内壁滑动接触，所述电池仓7有两个并对称固定在支撑板6下侧面两端，所述两个电池仓7与支撑板6组合后的重心位于球形外壳3球心的正下方。

所述驱动装置有三个且分布于同一水平面上，所述三个驱动装置在同一水平面上的连线组成一个等边三角形，所述每一个驱动装置均包括与球形外壳3内壁滑动接触的麦克纳姆轮8和固定在麦克纳姆轮8内侧用于驱动麦克纳姆轮8运动的驱动电机1，所述三个麦克纳姆轮8分别通过三根互成90°角的驱动杆与支撑板6下侧面固定连接，所述所有驱动电机1均与电路模块5信号连接。

所述电路模块5包括位于上层的数据采集芯片、位于中层的主控制电路芯片、以及位于下层的电池管理芯片和电机驱动芯片，所述主控制电路芯片与数据采集芯片串口通信连接，所述主控制电路芯片分别与电池管理芯片和电机驱动芯片均通过I/O接口连接，所述电机驱动芯片分别与所有驱动电机1信号连接。

所述探测器2包括集成CZT探测器和IMU惯性导航系统，所述集成CZT探测器与数据采集芯片通过串口接口通信连接，所述IMU惯性导航系统与数据采集芯片通过SPI接口通信连接。

所述每个电池仓7内均设有电池组，所述集成CZT探测器、数据采集芯片和主控制电路芯片均通过电压模块与电池组电连接，所述电池管理芯片和电机驱动芯片均与电池组电连接，所述驱动电机1与电池组电连接。

所述主控制电路芯片的型号为STM32F407，所述数据采集芯片的型号为Altera Cyclone II，所述电机驱动芯片的型号为ULN2003a，所述电池管理芯片的型号为BQ27x00，所述IMU惯性导航系统为型号为ST LSM9DS0的芯片，所述电池组为18650型锂电池，所述电压模块为12V-5V电压模块。

本发明球形机器人内驱动方法包括以下步骤：

a、通过无线方式接收指定到达的目标位置坐标，并获取球形机器人球心与目标位置的目标参数(D，θ)，其中，D为球形机器人球心到目标位置的水平连线距离，设置三个麦克纳姆轮中的任意一个为球形机器人头朝向轮，用1号轮表示，其余两个轮以1号轮为参照按逆时针方向依次用2号轮和3号轮表示，θ为球形机器人球心和目标位置的水平连线与1号轮沿球形机器人外侧面所指向的方向之间的夹角；

b、获取到目标参数后，通过电路模块控制相应的驱动电机启动1号轮、2号轮和3号轮运行，使1号轮、2号轮和3号轮以同向且相同的角速度ω运动，此时球形机器人以3ω的角速度原地转动；

c、探测器中IMU惯导系统的陀螺仪积分得到球形机器人转动角度并传送至电路模块，当电路模块接收到球形机器人转动角度等于θ时，控制相应的驱动电机使1号轮、2号轮和3号轮同时停止运行，此时1号轮正对目标位置；

d、通过电路模块控制相应的驱动电机启动2号轮和3号轮分别以ω₂和ω₃的角速度运行，ω₂和ω₃大小相等且方向相反，同时1号轮作为从动轮运行，并且运行速度与2号轮或3号轮在1号轮所指方向的分速度相同，此时球形机器人正对目标位置直线滚动运行；

e、探测器中IMU惯导系统的速度信息融合二重积分得到球形机器人直线滚动距离并传送至电路模块，当电路模块接收到球形机器人直线滚动距离等于D时，控制相应的驱动电机使1号轮、2号轮和3号轮同时停止运行，此时球形机器人到达目标位置。

本发明采用电路模块5全程直接控制相应驱动电机1来控制1号轮、2号轮和3号轮的运行，并通过1号轮、2号轮和3号轮的运行来最终控制球形机器人的运行方向和运行速度。具体如图4所示，图中R₁、R₂和R₃分别为1号轮、2号轮和3号轮的轮中心点，连接1号轮、2号轮和3号轮的三根驱动杆的连接点或者延长线的交点用O表示，O位于球形机器人的球形外壳3与地面的接触点和球形机器人的圆心的连线上，并且球形外壳3与地面的接触点和球形机器人的圆心的连线与地面垂直。根据参考方向，交点O、R₁直线与参考方向x轴平行或重合。此时轮2和轮3以OR₁直线对称。当前轮2、轮3的轴心线速度分别为v₂、v₃，且v₂具有x、y轴上的分速度分别为v_2x和v_2y，且v₃具有x、y轴上的分速度分别为v_3x和v_3y。当前v₂＝v₃，由于轮2、轮3线对称，v_2y与v_3y作用在球上的方向相反，相互抵消，此时只有向前的驱动速度。由于三轮均采用麦克纳姆万向轮设计，此时轮1作为从动轮，不提供动力，但是具有向前的速度v₁，并且此时v₁＝v_2x＝v_3x。而轮子轴心线速度v_i来自轮子转动的角速度ω_i，ω_i等于驱动电机的输出转速ω_电机，且v_i＝ω_i*r_轮，r为麦克纳姆万向轮的轮半径。

麦克纳姆万向轮的转速与x方向上的分速度关系如下：

v₁＝v_2x＝v_3x＝v₂*cos(∠v₂R₂v_2x)＝v₃*cos(∠v₃R₃v_3x)＝v₂*cos30°＝v₃*cos30°(∠R₁OR₂＝120°＝>∠OR₂v_2x＝60°＝>∠v₂R₂v_2x＝30°，∠v₃R₃v_3x同理)

考虑麦克纳姆万向轮与球形外壳内壁间无滑动，在万向轮与球形外壳内壁的接触点的速度等于万向轮的速度，可以得到电机的输出转速与球形机器人的滚动速度间的关系为:

ω_球＝ω_2x＝ω_3x＝ω₂*cos30°＝ω₃*cos30°＝ω_电机*cos30°(角速度标量值)

v_球＝ω_球*r_球＝ω_电机*cos30°*r_球。

向后运动同理。

同时，根据球形机器人的结构，支撑板6下方安装配重的电池仓7，万向轮与球形外壳之间的摩擦力提供的向上的分力小于电池仓7所受的重力，因此不会造成球形机器人的竖直方向上的运动。

本发明球形机器人通过将两个电池仓7对称设在支撑板6下面两侧且两个电池仓7与支撑板6组合的重心位于球形外壳3球心的正下方，在一定范围内尽可能地降低了整个球形机器人的重心位置，从而降低了转动惯量，使本球形机器人的运动效率和灵敏度得到了很大的提高；采用三轴式轮式内驱动方法进行驱动，并且驱动轮均采用麦克纳姆轮8，提高了球体外壳3的运动效率，从而实现机器人全向性的、低能耗的运动；本球形机器人球形外壳3尺寸小，质量轻，运动灵便，运动效率高，设计简单科学，操作便捷，使用时还能够深入很多人类和大型巡检机器人无法到达的区域，受核辐射环境设施局限性小，使本球形机器人的实用范围得到很大的扩展。

本发明采用电路模块5全程直接控制相应驱动电机1来控制三个麦克纳姆轮8的运行，通过三个麦克纳姆轮8的运行来控制球形机器人的运行方向和运行速度，并采取IMU惯性导航系统对球形机器人运行状态进行实时监测，采用CZT探测器对被监测环境进行巡检监测，与球形机器人的特殊结构巧妙配合并可驱动球形机器人到达随意指定目标位置，本发明对球形机器人的运动方向操控简便，在本发明方法的驱动下，与之相配合的球形机器人运动灵活，运动效率高，并且能精准地到达指定目标位置。

上述实施例仅为本发明的优选实施方式之一，不应当用于限制本发明的保护范围，但凡在本发明的主体设计思想和精神上作出的毫无实质意义的改动或润色，其所解决的技术问题仍然与本发明一致的，均应当包含在本发明的保护范围之内。