[0052] 本申请中的同轴心设计，以及角度13Y(图3中）和夹角12 (图2中）的可调 设计，使得全向测速轮10可以被安装在球形轮1表面的任意位置，全向测速轮11可以以任 意角度与球形轮1表面垂直相切。
[0053] 本申请中，选取角度13y= 90° (图3中），夹角12f3 = 45° (图2中），并采 用三组对称测速机构5。这种结构能有效测量球形轮的转速，且使得球形轮速度的解算变得 简单，计算耗时少，安装更加容易；同时，比采用两组测速机构5的可靠性高、测量精度高， 比采用三组以上的测速机构5的冗余度低，成本更低。
[0054] 控制模块4根据接收到的惯性传感器6的姿态数据进行姿态解算，根据测速机构 5和驱动机构2的数据进行数据融合处理，解算出球速，然后利用姿态数据和球速执行运动 控制算法，计算出对驱动电机的控制量，并依此对驱动机构2进行驱动；
[0055] 本实例的工作流程为：
[0056] 系统启动后，惯性传感器6实时采集姿态数据，三组测速机构5驱动电机编码器21 分别实时测量驱动电机22转速；控制模块4读取惯性传感器6、测速编码器11和驱动电机 编码器21的数据；解算机器人的姿态和球速，根据解算结果执行运动控制策略；计算驱动 电机的控制量并发送给驱动机构2 ;在驱动轮23的驱动下，球形轮1实时调节转速，最终实 现机器人的姿态稳定和运动控制。
[0057] 具体的包括以下步骤：
[0058] 步骤1，控制模块⑷分别解算每组测速机构（5)的编码器（11)的数据nn、n12、
万向测量轮（10)的半径；
[0059] 上式中所有矢量均处于球形轮坐标系中：
[0060] vn、v12、V13分别表示三个测速机构（5)与球轮⑴接触点处的线速度矢量，且
(5)在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；M,e ,为惯性传感器（6)测得的三个测速机构（5)相对于铅垂状态的旋转矩 阵；
表示三个测速机构（5)的全向测速轮（10)在球形轮坐标系的夹角P下测得的有效测速方 向矢量，预先设定；
[0063] 步骤2,控制模块（4)分别解算每个驱动机构（2)的驱动电机编码器（21)的数据
三个驱动机构（2)在球形轮移动机器人整体处于铅垂状态时的位置矢量；,为惯性传 感器（6)测得的三个驱动机构（2)相对于铅垂状态的旋转矩阵；
在球形轮坐标系下的有效测速方向矢量；
[0067] 步骤3,控制模块（4)对第一角速度和第二角速度《 进行数据融合，利用滤 波公式'=? 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（6)的姿态数据中的陀螺数据co^结合，得到球形轮（1)的解算速度co=其中，k为卡尔曼滤波系数；k为卡尔曼滤波系数，由于测速机构比驱动机构的 测速精度更高，经过融合之后，能在正常行进中获得更高的测速精度，在打滑状态测得有效 数据。
[0068] 步骤4,利用解算速度《和惯性传感器（6)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。
[0069] 当然，本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟 悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变 形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。
【主权项】
1. 一种球形轮移动机器人，其包括：球形轮（I)、根据控制信号驱动球形轮（1)运动的 驱动机构（2)、承载各结构的机身（3)、控制模块（4)以及获取机身姿态数据的惯性传感器 (6);其特征在于，还包括： 用于获取球形轮（1)相对于机身（3)速度的测速机构（5); 所述控制模块（4)根据测速机构（5)获取的球形轮（1)相对于机身（3)速度和惯性传 感器（6)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（1)的求解 速度ω，然后利用球形轮（1)的求解速度和传感器（6)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（2); 其中：测速机构（5)的数量为三个，每个测速机构（5)均包括：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); 固定座（7)与机身（3)的底盘（24)固定，固定座（7)与弧形支架（8)铰接，编码器固 定件（9)与编码器（11)固定，弧形支架（8)与编码器固定件（9)铰接，且该铰链的轴的中心 线通过全向测速轮（10)的中心；弧形支架（8)将全向测速轮（10)压向球形轮（1)，使得全 向测速轮（10)与球形轮（1)紧密贴合，全向测速轮（10)与编码器（11)输出轴同轴固连。2. 如权利要求1所述的球形轮移动机器人，其特征在于，弧形支架（8)依次包括水平 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，该扭矩弹簧产生的扭矩（25)将弧形支架（8)压向球形轮（1);大圆 弧段所在圆弧与球形轮（1)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（10)共圆心；小圆弧段通过铰链与编码器固定件（9)连接。3. 如权利要求2所述的球形轮移动机器人，其特征在于， 大圆弧段采用可伸缩结构，从而改变全向测速轮（10)与球形轮（1)的接触位置；小圆 弧段通过铰链与编码器固定件（9)连接，从而改变全向测速轮（10)对球形轮（1)的有效测 速方向。4. 如权利要求1所述的球形轮移动机器人，其特征在于，编码器固定件（9)包括圆环部 分和直角部分，直角部分内表面与弧形支架（8)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（10)的中心；圆环部分的环面上设有与编码器（11)螺孔匹配 的螺孔，编码器（11)通过螺孔与编码器固定件（9)的环形连接部分同轴心固连。5. 如权利要求1所述的球形轮移动机器人，其特征在于，驱动机构（2)的数量为三个， 对称固定于机身（3)的底盘（24)上，每个驱动机构（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；万向驱动轮（23)与 球形轮⑴相切。6. 如权利要求1所述的球形轮移动机器人，其特征在于， 设角度Y (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；该角度γ (13)为90° ; 设夹角β (12)为全向测速轮（10)所在平面与球形轮⑴经线所在平面的夹角，该夹 角 Μ12)为 45°。7. -种权利要求1至6任意一种球形轮移动机器人的测速方法，其特征在于，获得球形 轮移动机器人运动的控制信号的步骤具体包括： 步骤1，控制模块⑷分别解算每组测速机构（5)的编码器（11)的数据nn、n12、n 13， 利用公式计算出球形轮（1)的相对于机身（3)的第一角速度ωΗ =表示测速编码器转速与测量点线速度之间的比例系数；rw表示万 向测量轮（10)的半径； 上式中所有矢量均处于球形轮坐标系中： vu、v12、V13分别表示三个测速机构（5)与球轮（1)接触点处的线速度矢量，且p' n、P' 12、P' 13分别表不三个测速机构（5)与球 轮（1)接触点处的实时位置矢量，，_分别表不三个测速机构（5)在 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γ (13)预先设定，R表示 球轮的半径；ΜΦ04)为惯性传感器（6)测得的三个测速机构（5)相对于铅垂状态的旋转矩 阵；三个测速机构（5)的全向测速轮（10)在球形轮坐标系的夹角β (12)下测得的有效测速方 向矢量，预先设定； 步骤2,控制模块（4)分别解算每个驱动机构（2)的驱动电机编码器（21)的数据η21、 η22、η23,利用公另.，计算出球形轮（1)相对于机身（3)的第二角速度Corf表示驱动电机编码器测得的转速度与接触点处线速度的比例 系数；^表示万向驱动轮（23)的半径； 上式中所有矢量均处于球形轮坐标系中： V21、V22、V23分别表示三个驱动机构⑵与球轮⑴接触点处的线速度矢量，且? P' 21、P'22、P'23分别表不三个驱动机构（2)与球轮 (1)接触点处的实时位置矢量，bv别表示三个 驱动机构（2)在球形轮移动机器人整体处于铅垂状态时的位置矢量；Rie4l为惯性传感器 (6)测得的三个驱动机构（2)相对于铅垂状态的旋转矩阵；分别表示三个驱动机构（2)的万向驱动轮（23)在球 形轮坐标系下的有效测速方向矢量； 步骤3,控制模块（4)对第一角速度和第二角速度ω 进行数据融合，利用滤波 公式CO1= ω Jk(C^1-COrf),计算出球形轮的相对速度然后将球形轮的相对速度ω ^ 与惯性传感器(6)的姿态数据中的陀螺数据《gyii吉合，得到球形轮（1)的解算速度ω = ω，ω@;其中，k为卡尔曼滤波系数； 步骤4,利用解算速度ω和惯性传感器（6)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。
【专利摘要】本发明提供一种球形轮移动机器人及其测速方法，该球形轮移动机器人包括：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；还包括：用于获取球形轮相对于机身速度的测速机构；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ω，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。本发明提高了机器人行走时球形轮球速的测量精度和可靠性。
【IPC分类】B25J13/08, B25J5/00
【公开号】CN105058398
【申请号】CN201510470626
【发明人】王美玲, 简剑, 杨毅, 刘欣, 吕宁一
【申请人】北京理工大学
【公开日】2015年11月18日
【申请日】2015年8月4日