[发明专利]一种球形轮移动机器人及其测速方法

说明书

技术领域

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

2014年的专利——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。

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

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。

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：

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；

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；

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。

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。

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。

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。

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。

进一步的，设角度γ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γ为90°；

设夹角β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β为45°。

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：