一种球形轮移动机器人及其测速方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于自动控制技术领域，尤其涉及一种球形轮移动机器人及其测速方法。
【背景技术】
[0002] 2014年的专利一一球形轮移动机器人的测速方法和控制方法，申请号 201410345088.0,对传统球形轮移动机器人的机械结构进行了改进，并设计了复杂环境下 的运动控制方法。
[0003] 该专利中的球形轮移动机器人是通过万向驱动轮的驱动电机编码器数据解算球 形轮的速度。由于驱动轮的作用是主动驱动，在驱动过程中，球形轮处于被动状态，驱动轮 处于主动状态。当驱动轮突然受到一个大扭矩驱动指令而快速响应时，球形轮因为受到较 大阻力或者因为惯性来不及响应驱动轮的作用，驱动轮与球形轮之间就会存在相对滑动。 此时驱动电机的编码器数据就不能很好地反映球形轮的速度，从而使得球速的测量存在较 大误差，进而影响控制效果，甚至使得机器人失稳。
【发明内容】
[0004] 为解决上述问题，本发明提供一种球形轮移动机器人及其测速方法，提高了机器 人行走时球形轮球速的测量精度和可靠性。
[0005] 本发明的球形轮移动机器人，其包括：球形轮、根据控制信号驱动球形轮运动的驱 动机构、承载各结构的机身、控制模块以及获取机身姿态数据的惯性传感器；其特征在于， 还包括：
[0006] 用于获取球形轮相对于机身速度的测速机构；
[0007] 所述控制模块根据测速机构获取的球形轮相对于机身速度和惯性传感器获取的 机身姿态数据利用基于运动学约束关系的线性方程得到球形轮的求解速度《，然后利用球 形轮的求解速度和传感器的机身姿态数据结合运动控制律求得球形轮移动机器人运动的 控制信号，并将该控制信号发送至驱动机构；
[0008] 其中：测速机构的数量为三个，每个测速机构均包括：固定座、弧形支架、编码器 固定件、全向测速轮以及编码器；
[0009] 固定座与机身的底盘固定，固定座与弧形支架铰接，编码器固定件与编码器固定， 弧形支架与编码器固定件铰接，且该铰链的轴的中心线通过全向测速轮的中心；弧形支架 将全向测速轮压向球形轮，使得全向测速轮与球形轮紧密贴合，全向测速轮与编码器输出 轴同轴固连。
[0010] 进一步的，弧形支架依次包括水平段、大圆弧段、小圆弧段三段，水平段与固定座 连接，连接方式为活动铰链，活动铰链的转轴上装有扭矩弹簧，该扭矩弹簧产生的扭矩将弧 形支架压向球形轮；大圆弧段所在圆弧与球形轮球心共圆心；小圆弧段的圆心在大圆弧段 的弧面中心线上，小圆弧段与全向测速轮共圆心；小圆弧段通过铰链与编码器固定件连接。
[0011] 进一步的，大圆弧段采用可伸缩结构，从而改变全向测速轮与球形轮的接触位置； 小圆弧段通过铰链与编码器固定件连接，从而改变全向测速轮对球形轮的有效测速方向。
[0012] 进一步的，编码器固定件包括圆环部分和直角部分，直角部分内表面与弧形支架 小圆弧段外表面通过铰链连接，该铰链的轴的中心线通过全向测速轮的中心；圆环部分的 环面上设有与编码器螺孔匹配的螺孔，编码器通过螺孔与编码器固定件的环形连接部分同 轴心固连。
[0013] 进一步的，驱动机构的数量为三个，对称固定于机身的底盘上，每个驱动机构包 括：驱动电机编码器、驱动电机、万向驱动轮；驱动电机输出轴一端同轴安装万向驱动轮， 另一端安装驱动电机编码器；驱动电机与机身底盘固定；万向驱动轮与球形轮相切。
[0014] 进一步的，设角度y为连线与球形轮的垂线之间的夹角，所述连线为全向测速轮 的中心与球形轮的球心的连线；该角度Y为90° ;
[0015] 设夹角P为全向测速轮所在平面与球形轮经线所在平面的夹角，该夹角P为 45。。
[0016] 进一步的，获得球形轮移动机器人运动的控制信号的步骤具体包括：
[0017] 步骤1，控制模块分别解算每组测速机构的编码器的数据nn、n12、n13，利用公式
径；
[0018] 上式中所有矢量均处于球形轮坐标系中：
[0019] vn、v12、V13分别表示三个测速机构与球轮接触点处的线速度矢量，且
球形轮移动机器人整体处于铅垂状态时的测量点位置矢量，夹角Y预先设定，R表示球轮 的半径e ,为惯性传感器测得的三个测速机构相对于铅垂状态的旋转矩阵；
表示三个测速机构的全向测速轮在球形轮坐标系的夹角0下测得的有效测速方向矢量， 预先设定；
[0022] 步骤2,控制模块分别解算每个驱动机构的驱动电机编码器的数据n21、n22、n23，利
驱动轮的半径；
[0023] 上式中所有矢量均处于球形轮坐标系中：
[0024] V21、v22、V23分别表示三个驱动机构与球轮接触点处的线速度矢量，且
机构在球形轮移动机器人整体处于铅垂状态时的位置矢量；Le ,为惯性传感器测得的三 个驱动机构相对于铅垂状态的旋转矩阵；
坐标系下的有效测速方向矢量；
[0026] 步骤3,控制模块对第一角速度和第二角速度《 进行数据融合，利用滤波公 式CO1= ?n+Hc^-coJ，计算出球形轮的相对速度然后将球形轮的相对速度^与 惯性传感器的姿态数据中的陀螺数据结合，得到球形轮的解算速度《 = 其 中，k为卡尔曼滤波系数；
[0027] 步骤4,利用解算速度co和惯性传感器的数据在周期T内计算控制量，该控制量即 为球形轮移动机器人运动的控制信号。
[0028] 有益效果：
[0029] (1)本发明设计的球轮测速机构，能够紧贴球形轮表面；
[0030] (2)全向测速轮能够将测速点的线速度分解为测量速度和自由速度，在有效测速 的同时不影响球轮的运动；
[0031] (3)测速轮的测量位置和测速方位可调，能够方便、准确地测量球形轮表面（除与 地面接触和球形轮顶部附近区域外）任意位置、任意方位的线速度。
[0032] (4)本发明设计的三组对称球轮测速机构，能够快速、精确地测量球形轮的转动速 度，解算速度快、测量精度高、可靠性高；
[0033] (5)本发明设计的测速算法，能够在球轮低速和高速时均有效、准确地测量球速， 对以本发明为基础运动平台在复杂环境下的应用打下了坚实的基础。
【附图说明】
[0034] 图1为本发明的结构示意图；
[0035] 图2为本发明中球形轮测速机构的主视图；
[0036] 图3为本发明中球形轮测速机构的单体侧视图；
[0037] 图4为本发明中球形轮测速机构的单体任意角视图；
[0038] 图5为本发明中球形轮测速机构电机固定件的任意角视图。
【具体实施方式】
[0039] 如图1所示，球形轮移动机器人包括：球形轮1、三个相同的驱动机构2、机身3、控 制模块4、三个相同的测速机构5以及惯性传感器6 ;
[0040] 驱动机构2包括：驱动电机编码器21、驱动电机22、万向驱动轮23 ;
[0041] 控制模块4和惯性传感器6安装于机身3内；三个相同的驱动机构2对称固定于 机身3底盘24上，并均与球形轮1相切，如图1中所示；
[0042] 测速机构5,检测球形轮1相对于机身3的第一角速度coy
[0043] 惯性传感器6,检测机身3的姿态数据，该姿态数据主要包括：相对于地面的转动 速度和旋转矩阵R^ ;
[0044] 控制模块4,分析球形轮移动机器人姿态和球形轮1速度得到球形轮1的解算速度 ?，根据球形轮1的解算速度及姿态数据得出控制策略输出控制信号；
[0045] 驱动机构2,根据控制信号驱动球形轮1，或者检测球形轮1相对于机身3的第二 角速度
[0046] 参见图2、3、4、5,每个测速机构5的包括：固定座7、弧形支架8、编码器固定件9、 全向测速轮10以及编码器11。
[0047] 固定座7与机身3的底盘24固定，固定座7和弧形支架8铰接，编码器固定件9 固定编码器11，弧形支架8和编码器固定件9铰接，且该铰链的轴的中心线通过全向测速轮 10的中心，如附图3所示；
[0048] 图3中，弧形支架8包括水平段、大圆弧段、小圆弧段三段，水平段与固定座7连 接，连接方式为活动铰链，活动铰链的转轴上装有扭矩弹簧，扭矩弹簧产生的扭矩25将弧 形支架8压向球形轮1，从而使得全向测速轮10与球形轮1紧贴；水平段之后的过渡连接 段是大圆弧段，大圆弧段所在圆弧与球形轮1的经线共圆心，大圆弧部分采用可伸缩结构， 大圆弧的长度可调，即可改变全向测速轮10与球形轮1的接触位置，该位置由图2中的角 度13决定，角度13为连线与球形轮1的垂线之间的夹角，所述连线为全向测速轮10的中 心与球形轮1的球心的连线；大圆弧段连接小圆弧段，且小圆弧的圆心在大圆弧的弧面中 心线上，小圆弧与全向测速轮10共圆心；小圆弧段通过铰链与编码器固定件9连接。
[0049] 编码器固定件9如图5所示，包括圆环部分和直角部分。在附图4中，编码器固定 件9的直角部分与弧形支架8通过铰链连接，编码器固定件9直角部分内表面与弧形支架 8的小圆弧段外表面铰接，铰链的轴的中心线通过全向测速轮10的中心，如附图3所示；铰 链的轴为蝶形螺栓，加紧蝶形螺栓可以将铰链变为固定铰链，使全向测速轮10所在平面与 球形轮经线所在平面的夹角12固定，如附图2所示；编码器固定件9的环形连接部分有螺 孔与编码器11的螺孔匹配，编码器10通过螺孔与编码器固定件9的环形连接部分同轴心 固连，如附图4所示。
[0050] 全向测速轮10与编码器11输出轴同轴固连，全向测速轮10外缘的滚轮保持与球 形轮1的表面相切；全向测速轮10的外边缘的滚轮可绕自身轴自由转动，并且同时随全向 测速轮10转动；滚轮将球形轮接触点处的线速度分解为绕自身转轴的自由速度和绕编码 器输出轴的测量速度。
[0051] 驱动机构2包括：驱动电机编码器21、驱动电机22、万向驱动轮23 ;驱动电机22 输出轴一端同轴安装万向驱动轮23,另一端安装驱动电机编码器21 ;驱动电机22与机身3 底盘24固定。