專利名稱：一種體操機器人系統(tǒng)及方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種體操機器人系統(tǒng)，屬于一種欠驅動機器人，特別是一種體操機器人系統(tǒng)及方法。
背景技術：
體操機器人(Acrobot)在拓撲結構上是由兩個連桿、一個抓杠腕部自由轉動關節(jié)和一個肩部驅動關節(jié)構成，兩個連桿在鉛垂的同一平面內運動。屬于一種典型的欠驅動機器人系統(tǒng)(Under-actuated robotic system)，即驅動關節(jié)數(shù)少于系統(tǒng)的自由度數(shù)。系統(tǒng)的主要特點是結構簡單，便于進行整體的動力學分析和試驗，而驅動力矩和兩個連桿狀態(tài)之間的關系又非常復雜，便于從理論上考察一些非線性控制方法如最優(yōu)控制、魯棒控制、自適應控制和智能控制等方法的有效性。從應用上看，通過上述控制算法可以控制體操機器人實現(xiàn)仿體操運動員的倒立平衡、擺起倒立、大回轉等體操動作。既可以作為一種體育機器人的展示平臺，繼而開發(fā)為一種娛樂機器人，還可以作為一種教學試驗平臺。
在體操機器人的結構設計方面，與完全驅動的機器人有顯著的差別，這主要由于兩個連桿的運動只能通過安裝在第二個關節(jié)的電機驅動來完成，兩個連桿的運動是耦合在一起的。而且，電機既實現(xiàn)驅動作用，又需要同連桿一起運動，作為自身驅動的負載。
因此，一種思路是將電機安裝在體操機器人的固定支架上，再通過皮帶等傳動方式將驅動力矩傳遞到第二個關節(jié)軸上。一方面可以減輕電機驅動的負載，另一方面使整體特性參數(shù)同理想模型接近，便于實現(xiàn)運動控制。如Spong(M.W.Spong.The swing up control problem for the Acrobot.IEEE Control Systems Magazine.1995，Vol.15，No.149-55.)設計的具有較大外形尺寸的體操機器人系統(tǒng)，包括各1米長的兩個連桿，電機驅動通過皮帶傳動至第二個關節(jié)運動。Bortoff(S.A.Bortoff.Advanced nonlinearrobotic control using digital signal processing.IEEE Transactions on IndustrialElectronics.1994，Vol.41，No.132-39)也采用了類似的機構。上述機構僅由兩個連桿和兩個關節(jié)構成，在外形上與體操運動員的差別很大。Ono等人(K.Ono，K.Yamamoto，and A.Imadu.Control of giant swing motion of atwo-link underactuated horizontal bar robot.IEEE/RSJ InternationalConference on Intelligent Robots and Systems.2000，Vol.31676-1683)設計的一種體操機器人包括了兩個手臂和腿部，外形上接近人體。但總體來說，以這種設計思路的體操機器人的整體外形仍然同體操運動員差別較大，而且過于復雜的傳動機構增加了整體系統(tǒng)的尺寸、重量和傳動誤差。
另外一種思路是采用關節(jié)處電機直接驅動的方式，主要優(yōu)點是結構簡化。Potsaid等人(B.Potsaid，and J.T.Wen.Edubota reconfigurable kit forcontrol education.I.mechanical design.IEEE International Conference onControl Applications，200050-55)為電機增加了減速機構，提高驅動力矩，設計出一種體操機器人。但減速機構的質量增加了體操機器人擺起的負載，而且電機和減速機構安裝在連桿的一側，使系統(tǒng)對稱性受到破壞，實際系統(tǒng)參數(shù)與理想模型相差甚遠，以上特點加大了實現(xiàn)運動控制的難度。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的就是克服上述缺陷，綜合考慮體操機器人的結構特性和驅動特性，設計出一種外形逼真，結構對稱、同理論模型參數(shù)接近的體操機器人系統(tǒng)，并有利于通過控制算法實現(xiàn)體操機器人的運動控制。
本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的，所設計的體操機器人系統(tǒng)包括包含手臂和軀干、以及抓杠腕部自由轉動關節(jié)和由肩部電機驅動關節(jié)，以及相應的支撐機構，通過控制可以實現(xiàn)體操機器人的倒立平衡、擺起倒立平衡和大回轉多種仿體操運動員的運動方式。
體操機器人由腿(1)，軀干(2)，手臂(3)，支架(4)，電機(5)，肩部角度傳感器(6)，單杠(7)，腕部角度傳感器(8)組成，電機、肩部角度傳感器、手臂和單杠固定在一起形成手臂部分，且單杠與支架之間安裝有轉動軸承，使手臂部分可以繞單杠軸線自由轉動，腕部角度傳感器與單杠相連，安裝在支撐機構上，用于測量腕部轉動的角度，并可以通過角度的時間微分來計算角速度，腿與軀干固定在一起形成軀干部分，與電機和肩部角度傳感器的輸出軸之間安裝有轉動軸承，使軀干部分可以繞該軸線、在電機的驅動下旋轉，同理，肩部角度傳感器用來測量手臂部分和軀干部分之間的相對角度和計算角速度。
單杠與手臂固定在一起，繞單杠軸心相對于支架轉動，采用空心軸，使電機和編碼器的導線從軸心穿過，不會限制手臂的轉動范圍。
系統(tǒng)結構簡單，其中手臂、軀干和腿部便于模塊化設計，通過不同組合可以構造出具有不同動力學特性的體操機器人系統(tǒng)，方便控制算法的設計，容易實現(xiàn)倒立平衡、擺起倒立平衡與大回轉等多種仿體操運動員的運動方式。
體操機器人機械結構的設計容易實現(xiàn)左右對稱，關鍵在于驅動電機和角度傳感器的安裝位置。具體的設計方案如圖1示，采用具有雙輸出軸的電機，肩部轉動角度的傳感器與電機固定在一起，放置在兩個手臂中間，這樣可以使電機和編碼器對整個系統(tǒng)的對稱性影響最小。電機和編碼器的兩側輸出軸與軀干部分之間安裝有轉動軸承，在電機的驅動下可以帶動軀干部分繞肩部軸線轉動。兩個手臂的另一端與單杠固定在一起，可以繞單杠軸心，相對于支架進行轉動。單杠與支架之間安裝有轉動軸承。腕部轉動角度的傳感器與單杠相連，安裝在支撐機構上，用于測量腕部轉動的角度，并可以通過角度的時間微分來計算角速度。腕部角度傳感器不與體操機器人一起運動，對系統(tǒng)的動力學沒有影響。單杠采用空心軸，使電機和編碼器的導線從軸心穿過，不會限制手臂的轉動范圍。
上面是體操機器人的手臂部分，與腿部和軀干連接在一起可以構成整個系統(tǒng)。腿部和軀干固定在一起，并與電機的輸出軸連接，在軸的轉動作用下運動。體操機器人由自由下垂位置實現(xiàn)擺起倒立過程中的結構示意圖如圖2所示。
體操機器人兩個連桿的尺寸和質量等結構參數(shù)決定了系統(tǒng)的動力學特性，也影響到實時控制實現(xiàn)的難易程度。我們采用的設計方法結構簡單，各部分容易拆裝。因此，可以采用模塊化的方法，針對手臂、軀干和腿部各部分，在尺寸和材料方面都采用幾種不同的設計制造方案，通過組合構造出具有不同動力學特性的體操機器人系統(tǒng)，方便控制算法的設計，使體操機器人系統(tǒng)能實現(xiàn)倒立平衡、擺起倒立與大回轉等體操動作。其中，轉動關節(jié)的摩擦無法消除，一方面在有相對運動的結構件上選擇摩擦系數(shù)比較小的材料，另一方面通過模塊化組合設計，可以將摩擦的影響減為最小。
以上的設計方法充分考慮了整體系統(tǒng)的對稱性，可以使實際系統(tǒng)的動力學特性同理想模型相吻合，減小了運動控制算法設計的難度。外形上與人體相似，可以實現(xiàn)真正的體操運動演示。所研制的體操機器人系統(tǒng)，一方面有利于體育、控制、仿生學等交叉學科的融合與研究，同體操運動員的動作特點結合起來、互相借鑒，另一方面可以作為教學試驗平臺，用于驗證各種先進控制算法。


圖1是處于倒立平衡位置的體操機器人的三維結構示意圖。
圖2是體操機器人的擺起倒立平衡運動方式的示意圖。
具體實施例方式
圖1，體操機器人由腿1，軀干2，手臂3，支架4，電機5，肩部角度傳感器6，單杠7，腕部角度傳感器8組成。
電機、肩部角度傳感器、手臂和單杠固定在一起，相當于拓撲結構中的第一個連桿。第一個連桿的一端(單杠)，與支架之間安裝有轉動軸承，使第一個連桿可以繞單杠軸線自由轉動。腕部角度傳感器與單杠相連，安裝在支撐機構上，用于測量腕部轉動的角度，并可以通過角度的時間微分來計算角速度。
腿與軀干固定在一起，兩者之間沒有相對運動，相當于拓撲結構中的第二個連桿。第一個連桿的另一端(電機和肩部角度傳感器輸出軸)，與第二個連桿的一端(靠近軀干的一端)之間安裝有轉動軸承，使腿和軀干部分可以繞電機和肩部角度傳感器的輸出軸線、在電機的驅動下轉動。兩個連桿之間的相對轉動角度由肩部角度傳感器測量，并可通過時間微分來計算角速度。
圖2，體操機器人一種運動方式的三維結構示意圖擺起倒立平衡運動方式。體操機器人開始處于自由下垂平衡位置，通過控制電機的輸出轉矩或加速度，可以使腿和軀干繞肩部軸線以一定速度轉動，這種運動耦合到手臂部分，使其產生繞腕部抓杠軸線的轉動。若肩部和腕部的轉動角速度合適，可以使體操機器人系統(tǒng)擺起至倒立平衡位置附近，且轉動角速度接近零，并最終實現(xiàn)整個系統(tǒng)倒立在單杠上的倒立平衡動作，此時電機處于不工作的狀態(tài)。若電機的輸出轉矩不足，通過一次擺動不能有效實現(xiàn)擺起倒立平衡，可以通過反復擺動的方法來實現(xiàn)。
通過電機輸出的控制，還可以實現(xiàn)體操機器人的其他運動方式倒立平衡運動，即在倒立平衡位置附近通過控制使系統(tǒng)穩(wěn)定在倒立平衡位置上；大回轉運動，通過控制使系統(tǒng)繞單杠軸線沿一個方向連續(xù)周期性旋轉。
以上運動方式由體操動作而來，在控制實施過程中可以參考體操運動員的動作方法，具體的實施結果又可以反饋給體操運動員，作為改進體操動作的參考。這方面的研究有利于體育、控制、仿生等多學科的交叉融合與借鑒。
權利要求
1.一種體操機器人系統(tǒng)，包含手臂和軀干、以及抓杠腕部自由轉動關節(jié)和由肩部電機驅動關節(jié)，通過控制可以實現(xiàn)體操機器人的倒立平衡、擺起倒立平衡和大回轉多種仿體操運動員的運動方式。
2.根據(jù)權利要求1的體操機器人系統(tǒng)，其特征在于，體操機器人由腿(1)，軀干(2)，手臂(3)，支架(4)，電機(5)，肩部角度傳感器(6)，單杠(7)，腕部角度傳感器(8)組成，電機、肩部角度傳感器、手臂和單杠固定在一起形成手臂部分，且單杠與支架之間安裝有轉動軸承，使手臂部分可以繞單杠軸線自由轉動，腕部角度傳感器與單杠相連，安裝在支撐機構上，用于測量腕部轉動的角度，并可以通過角度的時間微分來計算角速度，腿與軀干固定在一起形成軀干部分，與電機和肩部角度傳感器的輸出軸之間安裝有轉動軸承，使軀干部分可以繞該軸線、在電機的驅動下旋轉，同理，肩部角度傳感器用來測量手臂部分和軀干部分之間的相對角度和計算角速度。
3.根據(jù)權利要求1的體操機器人系統(tǒng)，其特征在于，采用具有雙輸出軸的電機，肩部轉動角度的傳感器與電機固定在一起，放置在兩個手臂中間，這樣可以使電機和編碼器對整個系統(tǒng)的對稱性影響最小，使系統(tǒng)的動力學模型與理想模型相吻合。
4.根據(jù)權利要求1的體操機器人系統(tǒng)，其特征在于，單杠與手臂固定在一起，繞單杠軸心相對于支架轉動，采用空心軸，使電機和編碼器的導線從軸心穿過，不會限制手臂的轉動范圍。
5.根據(jù)權利要求1的體操機器人系統(tǒng)，其特征在于，系統(tǒng)結構簡單，其中手臂、軀干和腿部便于模塊化設計，通過不同組合可以構造出具有不同動力學特性的體操機器人系統(tǒng)，方便控制算法的設計，容易實現(xiàn)倒立平衡、擺起倒立平衡與大回轉等多種仿體操運動員的運動方式。
6.一種體操機器人的控制方法，其擺起倒立平衡的控制方法如下體操機器人開始處于自由下垂平衡位置，通過控制電機的輸出轉矩或加速度，可以使腿和軀干繞肩部軸線以一定速度轉動，這種運動耦合到手臂部分，使其產生繞腕部抓杠軸線的轉動，若肩部和腕部的轉動角速度合適，可以使體操機器人系統(tǒng)擺起至倒立平衡位置附近，且轉動角速度接近零，并最終實現(xiàn)整個系統(tǒng)倒立在單杠上的倒立平衡動作，此時電機處于不工作的狀態(tài)。
全文摘要
本發(fā)明涉及機器人技術領域，特別是一種體操機器人系統(tǒng)及方法。包含手臂和軀干、以及抓杠腕部自由轉動關節(jié)和由肩部電機驅動關節(jié)，通過控制可以實現(xiàn)體操機器人的倒立平衡、擺起倒立平衡和大回轉等多種仿體操運動員的運動方式。體操機器人由腿(1)，軀干(2)，手臂(3)，支架(4)，電機(5)，肩部角度傳感器(6)，單杠(7)，腕部角度傳感器(8)組成。在電機的驅動下旋轉。通過控制電機的輸出轉矩或加速度，可以使腿和軀干繞肩部軸線以一定速度轉動，這種運動耦合到手臂部分，使其產生繞腕部抓杠軸線的轉動。
文檔編號B25J11/00GK1868566SQ200510011788
公開日2006年11月29日 申請日期2005年5月26日 優(yōu)先權日2005年5月26日
發(fā)明者趙東斌, 易建強 申請人:中國科學院自動化研究所