基于陀螺进动效应的蛇形机器人机构及运动控制方法与流程

本发明涉及一种蛇形机器人，具体为一种基于陀螺进动效应的蛇形机器人机构及运动控制方法。

背景技术：

蛇形机器人是一种常见的机器人机构，其具有转向灵活、地面适应能力强等特点，可以用在医疗、军事、航空航天等领域当中。

蛇形机器人的结构设计主要采用模块化的设计思想，现有的蛇形机器人在结构上的主要特点有：连接蛇形机器人模块的关节转动功能以及与外界环境接触的蛇形机器人模块支撑功能。

常见的蛇形机器人按其关节结构特点可分为单自由度转动关节、双自由度转动关节、三自由度转动关节。其中，单自由度转动关节主要用于实现蛇形机器人的航向运动，双自由度转动关节主要用于实现蛇形机器人的航向和俯仰运动，三自由度转动关节不但可以实现机器人的航向和俯仰运动，还能够绕机器人模块的轴线方向进行转动，进而实现机器人的横滚运动，但三自由度转动关节对电机的输出力矩要求较高，其产生的功耗较大，同时该结构产生的机器人尺寸也较大。

模块支撑组件按其是否存在驱动可分为主动支撑组件和被动支撑组件，主动支撑组件不仅对模块产生支撑约束作用，还能对模块直接进行驱动，以提高机器人的工作效率，被动支撑组件主要是对机器人各模块进行支撑。

现有蛇形机器人的驱动方式主要是对关节直接进行驱动，从而控制蛇形机器人的运动姿态，少有对模块进行直接驱动，同时将各模块之间的关节作为被动机构，进而控制蛇形机器人的运动姿态。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明基于陀螺的进动效应提出了一种基于陀螺进动效应的蛇形机器人机构及运动控制方法。

能够解决上述技术问题的基于陀螺进动效应的蛇形机器人机构，其技术方案包括多节模块单元以及连接各模块单元的十字万向节单元，所不同的是所述模块单元主要包括正方体支架、起支撑作用的小轮以及设于正方体支架内部的陀螺转子机构和全向轮驱动单元。

所述陀螺转子机构包括球形支架和设于球形支架内部的陀螺转子，所述陀螺转子由自带有增量式编码器的转子电机驱动并进行高速旋转；所述全向轮驱动单元包括围绕球形支架布置并驱动球形支架万向转动的六个全向轮驱动组件，所述全向轮驱动组件主要是对陀螺转子机构起支撑及驱动的作用，各全向轮驱动组件主要包括由全向轮电机驱动的单排全向轮以及检测单排全向轮转动角度的绝对式编码器，两两相对的单排全向轮为一组，三组单排全向轮分别处于正交于球形支架中心的三个相互垂直的平面上，所述全向轮电机自带有能够实时检测对应全向轮速度的增量式编码器；基于陀螺的进动效应，所述陀螺转子机构和全向轮驱动单元能够产生全向陀螺力矩。

所述十字万向节单元主要由十字轴和一对直接安装在正方体支架上的万向节叉组成，所述十字轴与一对万向节叉形成两个轴线相互垂直的旋转副。

采用上述蛇形机器人机构的运动控制方案为：

1、初始时刻，通过安装在全向轮支架上的绝对式编码器可检测出对应单排全向轮的位置。

2、当驱动安装在模块单元内部的全向轮驱动单元运动时，通过安装在全向轮支架上的绝对式编码器可检测出对应单排全向轮的转角，由于单排全向轮与球形支架之间的运动为纯滚动，进而求出球形支架的姿态矩阵。

3、当蛇形机器人模块单元需要进行航向、俯仰运动时，基于陀螺力矩的计算方法以及球形支架的姿态矩阵，通过事先设计的轨迹控制器计算出各全向轮驱动力矩和陀螺转子驱动力矩，蛇形机器人的六个全向轮和陀螺转子将按照控制器计算出的力矩进行驱动。

4、基于陀螺的进动效应，当陀螺转子受到两个不同方向的力矩时，陀螺转子会产生对球形支架的陀螺力矩；由于球形支架与全向轮存在滚动约束，同时全向轮安装在全向轮支架上，全向轮支架安装在正方体支架上，经过一系列力的相互作用，陀螺转子会产生实现各模块单元航向以及俯仰运动的全向陀螺力矩。

5、通过各模块单元航向、俯仰运动的合成，可以实现蛇形机器人的转弯、直线以及越障等运动。

本发明的有益效果：

1、本发明结构中，蛇形机器人正方体支架、全向轮驱动组件、陀螺转子机构均采用对称分布，这种对称分布的方式能够降低附加不平衡力矩的产生。

2、本发明结构中，在陀螺转子的两端都安装自带有增量式编码器的转子电机，而实际工作过程中仅需一个转子电机就能实现陀螺转子的自转运动，这样可以提升陀螺转子机构的性能。

3、本发明结构中，当陀螺转子发生自转时，驱动安装在正方体支架内部的一组三个旋转轴线两两垂直的全向轮驱动组件，可以实现蛇形机器人模块单元的航向以及俯仰运动，进一步实现蛇形机器人的转弯、直线以及越障等运动，而实际安装有两组三个旋转轴线两两垂直的全向轮驱动组件，这样就能达到冗余备份的效果，提高了系统的可靠性。

4、本发明结构中，蛇形机器人工作过程中，驱动陀螺转子以及全向轮驱动单元进行运动，可以产生提高蛇形机器人防侧翻能力的侧向陀螺力矩，进而提高蛇形机器人机构的稳定性。

5、本发明结构中，在模块单元的底部以及顶部安装有小轮，实际工作过程中，不管是顶部小轮或底部小轮支撑模块单元都可以实现蛇形机器人的各种运动轨迹。

附图说明

图1为本发明一种实施方式的立体结构示意图。

图2为图1实施方式中十字万向节单元组装结构图。

图3为图1实施方式中模块单元的组装结构图。

图4(a)为图1实施方式中模块单元的结构示意图。

图4(b)为图4(a)中的a-a剖视图。

图5为图3模块单元中全向轮的结构示意图。

图中：1-十字万向节单元；2-模块单元；3-万向节叉；4-十字轴；5-十字轴承；6-小轮；7-正方体支架；8-小轮轴；9-绝对式编码器；10-全向轮支架；11-全向轮；12-球形支架；13-陀螺转子；14-转子轴承；15-全向轮电机；16-转子电机；17-转接板；18-大节轮；19-轴套；20-小节轮；21-全向轮底板。

具体实施方式

下面结合附图所示实施方式对本发明的技术方案作进一步说明。

本发明基于陀螺进动效应的蛇形机器人机构包括多节模块单元2以及连接各模块单元2的十字万向节单元1，如图1所示。

所述模块单元2包括正方体支架7、小轮6以及安装于正方体支架7内部的陀螺转子机构、全向轮驱动单元；所述小轮6通过小轮轴8安装在正方体支架7的顶部与底部，主要是对模块单元2起支撑作用，所述陀螺转子机构包括球形支架12和设于球形支架12内部的陀螺转子13，所述陀螺转子13由自带有增量式编码器的转子电机16驱动并进行高速旋转，陀螺转子13通过转子轴承14安装在球形支架12上，转子电机16通过转接板17安装在球形支架12上，所述正方体支架7的中心、球形支架12的球心和陀螺转子13的中心同心；所述全向轮驱动单元包括围绕球形支架12布置并驱动球形支架12万向转动的六个全向轮驱动组件，所述全向轮驱动组件主要由单排全向轮11、全向轮支架10、绝对式编码器9以及自带有增量式编码器的全向轮电机15所组成，各单排全向轮11通过对应全向轮支架10安装且各支架上安装有检测对应单排全向轮11转动角度的绝对式编码器9，两两相对的单排全向轮11为一组，三组单排全向轮11分别处于正交于球形支架12中心的三个相互垂直的平面上，全向轮电机15直接安装在全向轮支架10上，所述单排全向轮11主要由全向轮底板21、大节轮18、小节轮20、轴套19所组成，大节轮18、小节轮20交错圆周均布分布，如图3、图4(a)、图4(b)、图5所示。

所述十字万向节单元1主要由十字轴4、十字轴承5以及一对直接安装在正方体支架7上的万向节叉3组成，所述十字轴4与一对万向节叉3形成两个轴线相互垂直的旋转副，如图2所示。

采用上述蛇形机器人机构的运动控制方案为：

1、初始时刻，通过安装在全向轮支架10上的绝对式编码器9可检测出对应单排全向轮11的位置。

2、当驱动安装在模块单元2内部的全向轮驱动单元运动时，通过安装在全向轮支架10上的绝对式编码器9可检测出对应单排全向轮11的转角，由于单排全向轮11与球形支架12之间的运动为纯滚动，进而求出球形支架12的姿态矩阵。

3、当蛇形机器人模块单元2需要进行航向、俯仰运动时，基于陀螺力矩的计算方法以及球形支架12的姿态矩阵，通过事先设计的轨迹控制器计算出各全向轮11驱动力矩和陀螺转子13驱动力拒，蛇形机器人的六个全向轮11和陀螺转子13将按照控制器计算出的力矩进行驱动。

4、基于陀螺的进动效应，当陀螺转子13受到两个不同方向的力矩时，陀螺转子13会产生对球形支架12的陀螺力矩；由于球形支架12与全向轮11存在滚动约束，同时全向轮11安装在全向轮支架10上，全向轮支架10安装在正方体支架7上，经过一系列力的相互作用，陀螺转子13会产生实现各模块单元2航向以及俯仰运动的全向陀螺力矩。

5、通过各模块单元2航向、俯仰运动的合成，可以实现蛇形机器人的转弯、直线以及越障等运动。