[发明专利]一种双轮机器人的自由舞步生成方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种双轮机器人的舞步规划方法，属于智能机器人领域。它利用状态流程控制和事件驱动实现双轮机器人的自由舞步生成。

背景技术

双轮自平衡机器人属于轮式移动机器人，源于倒立摆。其两轮共轴，独立驱动，通过相关控制策略实现其动态平衡。双轮自平衡机器人运动灵活、结构简单，两轮差动输入，具有零回转半径和U型回转等优点，并且适合在狭小和危险的空间内工作，应用前景广泛。

机器人运动规划问题是机器人基本的研究内容。舞步规划属于轨迹规划的范畴，是在无碰撞或无障碍的前提下，规划机器人按照一定的轨迹运动，以模拟人的舞步行为。目前，在机器人舞步规划技术中，普遍采用的是动作示教法(动作→数据)，即先直观的将机器人摆置成预想的舞步动作，再将此动作对应的电机各参数记录下来，按照时间排列形成动作数据文件。这种方法局限性在于，必须在舞蹈机器人机械结构和控制程序都完成后才能进行，需要配套的硬件平台和相关的软件，实施成本较高，开发周期长。

本发明提出了一种双轮机器人舞步行为模型，并基于该模型设计了一种自由舞步生成方法，基于该方法，机器人能够跟随节拍自由舞蹈。模块化的设计简洁清晰，设计与调试时间大幅度减少，成本降低，动作的可控性增强。

发明内容

本发明提出一种双轮机器人舞步行为模型，并基于该模型设计了一种的自由舞步生成方法，双轮机器人由两个车轮、直流电动机、DSP主控制器、姿态传感器、编码器、电机驱动和电源组成。为了减轻机器人重量，且使机械结构更加紧凑，机器人的底盘采用塑料水晶板进行切割加工而成，电池固定于底盘上部，两个车轮同轴并用铝制角铁与直流电动机分别固定于底盘两侧。机器人等角轴侧结构图和仰视图分别如图1和图2所示。机器人机身安装有DSP主控器、姿态传感器、电机驱动板、电源管理板、编码器等，各配件均用铜柱固定于机器人躯干部分。

机器人的电气连接图如附图3所示。本发明涉及的机器人电气结构分为4个模块：主控模块，传感器模块，执行模块和电源模块。主控模块选择TMS320F28335芯片，该芯片提供了88个多功能引脚，它们被分成3组，即3部分32位的I/O口，用户可以将这些引脚作为片内外设的输入/输出引脚，也可将它们用作数字I/O口。传感器模块选用5自由度惯性导航传感器IMU5，5个自由度分别与主控器5个ADCIN口连接。执行模块选用金属齿轮大扭矩减速电机，额定电压6v，功率3w，扭力6kg*cm，定转速：150转/分，量：85克，电机后端输出轴长为8毫米，方便测速。采用2个数字I/O口控制电机的转向，将其设置成通用输出口，通过改变端口的输出状态1或0，实现电机的正反转。同时需要两路PWM信号分别控制左右两个电机，因此选用2路ePWM2功能模块执行这一功能。电源模块采用9V直流电池与电源管理器(9V转3.3V，5V)相连，给整个系统供电。

本发明涉及的机器人舞步行为状态机为一个五元组

M＝{Q，T，δ，q₀，D}。

其中，

(1)Q为机器人行为状态集合，包括静止、前进、后退、转向这几种基本的状态；

Q＝{S，F，B，L，R}

其中，

S表示机器人静止；

F表示机器人前进；

B表示机器人后退；

L表示机器人左转；

R表示机器人右转。

以上所述旋转方向均表示俯视视角中机器人的旋转方向。

(2)T表示机器人舞步动作指令集合同时作为舞步行为状态集合Q的子状态集合，包括前进，后退，转弯3种基本的行为，配合不同的速度和角度，规定机器人左右轮正反转方向描述如下：当机器人左右轮转速一致，使机体前进的左右轮转向为正方向，反之为反方向。

T＝{f₁，f₂，b₁，b₂，l_1-3，l_4-6，r_1-3，r_4-6}

其中，

f₁表示机器人左右轮均慢速正转，机体以慢速前进；

f₂表示机器人左右轮均快速正转，机体以快速前进；

b₁表示机器人左右轮均慢速反转，机体以慢速后退；

b₂表示机器人左右轮均快速反转，机体以快速后退；

l₁表示机器人左轮静止，右轮以慢速正转，机体以左轮为圆心慢速左转45°；