一种单自由度四杆移动机器人及其控制方法与流程

本发明涉及机器人及其控制领域，尤其涉及单自由度四杆移动机器人及其控制方法。

背景技术：
空间连杆移动机器人结构紧凑，移动形式多样。其中空间单自由度机器人由于结构简单，控制难度低，在机器人学术领域具有重要科研和应用价值。中国专利公开号101890714A公开了“单自由度连杆移动机器人及其控制方法”，它给出了一种全新的单自由度连杆移动机器人，用一个电机进行驱动和控制，实现了平面不同方向的运动。其移动方向在运动过程中符合概率分布。中国专利公开号103407507A公开了“一种单动力爬行六杆机构”，它给出了一种以空间六杆机构为基础的通过部件的翻转来实现整体移动的单动力爬行六杆机构。其通过电机的转动带动主动杆件的翻转，产生向前的摩擦力实现整体机构的平移。中国专利公开号103303386A公开了“一种单自由度双模式滚动六杆机构”，给出了一种以不同于中国专利公开号103407507A的空间六杆机构为基础的滚动机构。其通过控制电机的急停、正反转，机构变形，实现机构的两种滚动模式，并通过两种模式的切换调整机构的移动方向。

技术实现要素：
本发明要解决的问题是提供一种单自由度四杆移动四杆机器人及其控制方法，该机器人能够利用重心变化及驱动关节参数的调整，实现机器人的定向移动；同时提供了一种适用于本机器人的控制方法。本发明的技术方案：首先，本发明公开了一种单自由度四杆移动四杆机器人，包括：第一杆件、第二杆件、第三杆件、第四杆件、电机；其中，第一杆件、第二杆件和第三杆件重量相同，第四杆件重量大于第一至第三杆件；所述第一杆件A端与第二杆件C端、第二杆件D端与第四杆件H端、第一杆件B端与第三杆件F端分别通过连接轴实现两个杆件相互转动连接；所述第三杆件E端与第四杆件G端之间通过电机相连接。所述的一种单自由度四杆移动机器人，其中：所述的第一杆件两端的转动副轴线间扭角为70°；第二杆件两端的转动副轴线间扭角为110°；第三杆件两端的转动副轴线间扭角为70°；第四杆件两端的转动副轴线间扭角为110°。所述一种单自由度四杆移动四杆机器人，其中：所述连接轴两端设有卡簧槽，用于对所连接两杆件进行轴向限位。所述一种单自由度四杆移动四杆机器人，其中：所述第三杆件E端与电机相对固定连接；第四杆件G端轴孔设有顶丝孔，电机轴与第四杆件相对固定连接。其次，本发明公布了单自由度四杆移动机器人的控制方法，用于对上述单自由度四杆移动机器人进行控制，包括如下步骤：步骤S1，定义误差值；步骤S2，获取当前位置，判断该当前位置与目标位置之间的所述误差是否小于设定的阈值，若是，则结束控制程序，否则，执行步骤S3；步骤S3，判断机器人所朝方向与目标位置间位置关系，计算下一步运动方向，设定电机最大驱动角度βmax，设定步长；步骤S4，判断步骤S3结束后单自由度四杆移动机器人与目标位置之间的所述误差是否小于设定的阈值，若是，则结束控制程序，否则，执行步骤S3。本发明和已有技术相比具有的有益效果：本发明利用单自由度空间四杆机构，单电机控制实现了平面直行和转向两种运动。相较于现有机器人，单电机控制有利于节约成本，降低功耗；同时在此基础上对机器人运动方向实现了明确控制。控制方法的提出对于同类型机器人具有参考意义。附图说明图1单自由度四杆移动机器人整体三维图；图2第一杆件与电机连接示意图；图3第一杆件的三维图；图4第二杆件的三维图；图5第三杆件的三维图；图6第四杆件的三维图；图7第二杆件与第四杆件连接方式示意图；图8连接轴的三维图；图9(a-m)单自由度四杆移动机器人运动过程示意图；图10最大驱动角度βmax分别为65°、70°、75°、80°、85°时机器人运动轨迹示意图；图11单自由度四杆移动机器人控制方法流程示意图。具体实施方式下面结合附图对本发明作进一步说明。一种单自由度四杆移动四杆机器人，该机器人整体如图1所示，包括第一杆件1，如图3所示；第二杆件2，如图4所示；第三杆件3，如图5所示；第四杆件4，如图6所示；电机5；其中，第一杆件1、第二杆件2和第三杆件3重量相同，第四杆件重量大于第一至第三杆件；所述第二杆件D端与第四杆件H端通过连接轴6实现两个杆件相互转动连接，连接方式如图7所示；第一杆件A端与第二杆件C端、第一杆件B端与第三杆件F端连接方式与第二杆件D端与第四杆件H端连接方式相同；所述第三杆件E端与第四杆件G端之间通过电机5相连接。所述的第一杆件1两端的转动副轴线间扭角为70°；第二杆件2两端的转动副轴线间扭角为110°；第三杆件3两端的转动副轴线间扭角为70°；第四杆件4两端的转动副轴线间扭角为110°。所述连接轴6，如图8所示，两端设有卡簧槽，用于对所连接两杆件进行轴向限位。所述第三杆件3E端与电机5相对固定连接，如图2所示；第四杆件4G端轴孔设有顶丝孔，如图6所示，电机轴与第四杆件4相对固定连接。如图9所示，在运动开始前，机器人处于如图9(a)所示初始位置。电机驱动第三杆件和第四杆件间张角β增大，机器人重心落在其支撑区域外，机器人向右侧翻倒至如图9(b)所示位置，驱动电机反向转动，如图9(c)所示；张角β缩小直至为0，此时机构状态如图9(d)所示。在β为0瞬间，以图9(d)(Ⅰ)所示视线方向，第四杆件位于圆柱体左上方，如图9(d)(Ⅱ)所示。由于第四杆件重量较大，圆柱体将以箭头所指转动方向转动，直至圆柱体处于如图9(e)所示状态。此时，电机驱动张角β从0增大，直至机器人处于稳定支撑状态，如图9(f)所示。电机驱动张角β继续增大，机器人重心再次处于支撑区域外，机器人倾倒，如图9(g)(h)。电机反向转动，机器人再次收缩至如图9(i)所示圆柱状。在β为0瞬间，以图9(i)(Ⅰ)所示视线方向，第四杆件位于圆柱体左上方，如图9(i)(Ⅱ)所示，由于第四杆件重量较大，因此圆柱体将以箭头所指转动方向转动，直至圆柱体处于如图9(j)所示状态。此时，电机驱动张角β从0增大，直至机器人处于稳定支撑状态，如图9(k)所示。图9(a)与图9(k)所示机器人状态相同。此时机器人完成一个运动循环。机器人不断重复此运动循环以实现直线或转向运动。定义最大驱动角度βmax：如图9(a)(b)所示，使得机器人产生如图9(b)所示倾倒运动时，张角β的最大值，定义为最大驱动角度βmax。通过控制电机在达到最大驱动角度βmax过程中的速度和加速度，机器人可以在不同最大驱动角度βmax的情况向实现倾倒。定义机器人开口朝向：如图9(a)(f)所示，在机器人还处于稳定支撑状态，未倾倒，此时着地两杆开口朝向，在如图9(a)(f)中的右侧，即为机器人开口朝向。如图10所示，为运动过程中最大驱动角度βmax分别为65°、70°、75°、80°、85°时的机器人运动轨迹。据此可以对机器人进行方向控制。如图11所示，为单自由度四杆移动机器人控制方法的流程示意图。包括如下步骤：步骤S1，定义误差值。步骤S2，获取当前位置，判断该当前位置与目标位置之间的所述误差是否小于设定的阈值，若是，则结束控制程序，否则，执行步骤S3。步骤S3，判断机器人所朝方向与目标位置间位置关系，计算下一步运动方向，设定电机最大驱动角度βmax，设定步长。步骤S4，判断步骤S3结束后单自由度四杆移动机器人与目标位置之间的所述误差是否小于设定的阈值，若是，则结束控制程序，否则，执行步骤S3。在机器人从初始位置到目标位置的整个运动过程中，将大体分为两个阶段的运动:第一阶段，调整运动方向阶段。即在运动开始时控制程序会根据机器人所处位置、开口朝向及目标位置进行判断，确定合适的转向角度；并通过初步计算得到机器人想要达到理想朝向所用的步长，并不断调整，使得机器人开口最终朝向指向目标位置。第二阶段，直线行驶阶段。在经过整个运动过程后，机器人将达到目标位置。