自主式球輪移動機(jī)器人及其控制方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及自動控制【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種球輪移動機(jī)器人及其控制方法。自主式球輪移動機(jī)器人包括：球形輪(1)、萬向輪驅(qū)動機(jī)構(gòu)(2)、支撐結(jié)構(gòu)(3)、助力支架(6)、控制模塊(4)以及傳感器；其中傳感器檢測機(jī)器人姿態(tài)和環(huán)境信息；控制模塊(4)分析環(huán)境信息得出控制策略，通過平衡和運(yùn)動控制算法得到控制策略，向萬向輪驅(qū)動機(jī)構(gòu)(2)發(fā)送控制信號；萬向輪驅(qū)動機(jī)構(gòu)(2)根據(jù)控制信號驅(qū)動直流電機(jī)轉(zhuǎn)動來帶動球形輪(1)運(yùn)動，從而實(shí)現(xiàn)對機(jī)器人的姿態(tài)和運(yùn)動控制。本發(fā)明可以自動實(shí)現(xiàn)靜態(tài)和動態(tài)平衡，可通過無障礙通道，機(jī)動性好，環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)。
【專利說明】自主式球輪移動機(jī)器人及其控制方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及自動控制【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種球輪移動機(jī)器人及其控制方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 球形輪式移動機(jī)器人的研究已經(jīng)成為了動態(tài)穩(wěn)定機(jī)器人研究的熱點(diǎn)。世界上第一 個(gè)球輪機(jī)器人是在2005年由卡內(nèi)基梅隆大學(xué)研發(fā)的，叫做CMU Ballbot，該機(jī)器人有成年 人體形大小，采用逆鼠標(biāo)驅(qū)動結(jié)構(gòu)，該款機(jī)器人只能夠?qū)崿F(xiàn)動態(tài)平衡，掉電狀態(tài)下沒有使機(jī) 器人靜態(tài)穩(wěn)定的機(jī)構(gòu)，同時(shí)需要額外的偏航機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)偏航運(yùn)動。2009年新版的CMU Ballbot 設(shè)計(jì)了腿式支架，解決了機(jī)器人靜態(tài)不穩(wěn)定的問題。但是腿式支架的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，同時(shí)使機(jī)器 人的控制更加復(fù)雜。2008年日本東北學(xué)院大學(xué)設(shè)計(jì)了 BalllP機(jī)器人，該機(jī)器人采用三組對 稱式萬向輪驅(qū)動機(jī)構(gòu)，該驅(qū)動機(jī)構(gòu)包括三套驅(qū)動機(jī)構(gòu)和三個(gè)電機(jī)驅(qū)動器，這種驅(qū)動形式可 以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的偏航控制，無需另設(shè)計(jì)偏航機(jī)構(gòu)。但該BalllP機(jī)器人沒有設(shè)計(jì)靜態(tài)穩(wěn)定的 機(jī)構(gòu)，同時(shí)機(jī)器人對復(fù)雜路面的適應(yīng)能力較差。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明的目的是：提出一種新的自主式球輪機(jī)器人結(jié)構(gòu)及其控制系統(tǒng)，通過改進(jìn) 機(jī)械結(jié)構(gòu)解決機(jī)器人靜態(tài)不穩(wěn)定的問題，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人由靜態(tài)穩(wěn)定和動態(tài)穩(wěn)定的自動切換， 實(shí)現(xiàn)機(jī)器人無障礙通道的通行，提高機(jī)器人的環(huán)境適應(yīng)能力。
[0004] 本發(fā)明的技術(shù)方案一：自主式球輪移動機(jī)器人，它包括：球形輪、萬向輪驅(qū)動機(jī)構(gòu) 以及支撐結(jié)構(gòu)，它還包括：助力支架、控制模塊以及傳感器；
[0005] 助力支架包括：支架內(nèi)環(huán)、支架外環(huán)以及萬向腳輪；支架內(nèi)環(huán)與支架外環(huán)通過固 定件連接，萬向腳輪對稱分布在支架外環(huán)，支架內(nèi)環(huán)套接在球形輪的球面外，并通過支架與 支撐結(jié)構(gòu)固定連接；當(dāng)機(jī)器人傾斜時(shí)，萬向腳輪與地面接觸起支撐作用；
[0006] 傳感器包括：姿態(tài)傳感器以及環(huán)境傳感器；環(huán)境傳感器用于獲取環(huán)境圖像或者環(huán) 境坐標(biāo)；姿態(tài)傳感器用于獲取機(jī)器人的姿態(tài)數(shù)據(jù)；
[0007] 控制模塊包括：主控器和電池管理模塊；主控器根據(jù)接收到的環(huán)境傳感器信息進(jìn) 行環(huán)境識別，由環(huán)境識別結(jié)果進(jìn)行路徑規(guī)劃和選擇控制策略，并根據(jù)姿態(tài)傳感器發(fā)送的姿 態(tài)信息解算出對萬向輪驅(qū)動機(jī)構(gòu)的控制量，并依此對萬向輪驅(qū)動機(jī)構(gòu)進(jìn)行驅(qū)動；電池管理 模塊包括：控制系統(tǒng)電源模塊和驅(qū)動系統(tǒng)電源模塊。
[0008] 本發(fā)明的技術(shù)方案二：自主式球輪移動機(jī)器人的控制方法，它基于如技術(shù)方案一 所述的自主式球輪移動機(jī)器人，并包括以下步驟：
[0009] A.機(jī)器人上電后由主控器完成接口、姿態(tài)傳感器以及環(huán)境傳感器的初始化操作； [0010] B.主控器讀取環(huán)境傳感器的環(huán)境數(shù)據(jù)，對環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并識別障礙物，規(guī)劃 可行路徑；同時(shí)主控器讀取姿態(tài)傳感器的姿態(tài)數(shù)據(jù)，結(jié)合環(huán)境數(shù)據(jù)對路面狀況進(jìn)行識別；
[0011] C.主控器通過路面識別結(jié)果，決策選定機(jī)器人執(zhí)行運(yùn)動控制策略；
[0012] D.主控器讀取萬向輪驅(qū)動機(jī)構(gòu)中直流電機(jī)的數(shù)據(jù)，解算出球形輪的速度；主控器 結(jié)合的機(jī)器人姿態(tài)數(shù)據(jù)，并根據(jù)選定的控制策略推算出對直流電機(jī)的控制量，并將該控制 量發(fā)送給萬向輪驅(qū)動機(jī)構(gòu)進(jìn)行雙環(huán)控制，執(zhí)行運(yùn)動控制策略；
[0013] E.重復(fù)步驟B、C、D，使得機(jī)器人在環(huán)境中穩(wěn)定運(yùn)動。
[0014] 本發(fā)明的有益效果是：（1)本發(fā)明基于球輪機(jī)器人平臺，能實(shí)現(xiàn)動態(tài)穩(wěn)定機(jī)器人 快速機(jī)動、靈活性好的優(yōu)點(diǎn)，可全向運(yùn)動，對復(fù)雜環(huán)境或有限空間有很強(qiáng)的適應(yīng)能力。
[0015] (2)本發(fā)明設(shè)計(jì)的助力支架，可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人全方位靜止?？?，彌補(bǔ)了動態(tài)穩(wěn)定機(jī) 器人在靜態(tài)極度不穩(wěn)定的缺陷；助力支架可以輔助機(jī)器人實(shí)現(xiàn)任意方位傾斜站立，增強(qiáng)了 動態(tài)穩(wěn)定機(jī)器人自主啟動的能力，使得機(jī)器人在室內(nèi)無人環(huán)境下的適應(yīng)能力更強(qiáng)；環(huán)形支 架上的全向腳輪設(shè)計(jì)，有效減小了機(jī)器人啟動時(shí)與地面的摩擦力，降低了對驅(qū)動系統(tǒng)的出 力要求；助力支架結(jié)構(gòu)簡單，緊貼機(jī)器人的輪式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，當(dāng)機(jī)器人進(jìn)入動態(tài)穩(wěn)定狀態(tài)后， 不影響機(jī)器人的運(yùn)動控制。
[0016] (3)本發(fā)明設(shè)計(jì)的雙閉環(huán)可變結(jié)構(gòu)控制方法，可以根據(jù)實(shí)時(shí)環(huán)境實(shí)現(xiàn)機(jī)器人靜態(tài) ?？?、自主啟動、靜態(tài)穩(wěn)定和動態(tài)穩(wěn)定之間的自動切換、行走及爬坡控制，在增強(qiáng)機(jī)器人自 主運(yùn)行能力的同時(shí)，使得機(jī)器人對環(huán)境的適應(yīng)能力更強(qiáng)，提高了機(jī)器人的實(shí)用性。對以本發(fā) 明在室內(nèi)環(huán)境下作為基礎(chǔ)運(yùn)動平臺的應(yīng)用打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0017] 圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0018] 圖2為本發(fā)明中助力支架的俯視圖；
[0019] 圖3為本發(fā)明中助力支架的側(cè)視圖；
[0020] 圖4為本發(fā)明中萬向輪驅(qū)動機(jī)構(gòu)的俯視圖；
[0021] 圖5為本發(fā)明中萬向輪驅(qū)動機(jī)構(gòu)的側(cè)視圖；
[0022] 圖6為本發(fā)明中控制模塊的雙閉環(huán)控制流程圖；
[0023] 圖7為本發(fā)明的啟動測試圖；
[0024] 圖8為本發(fā)明的爬坡測試圖；
[0025] 其中，1-球形輪、2-萬向輪驅(qū)動機(jī)構(gòu)、3-支撐結(jié)構(gòu)、4-控制模塊、5-環(huán)境傳感器、 6-助力支架、12-支架內(nèi)環(huán)、13-支架外環(huán)、14-萬向腳輪、24-姿態(tài)控制閉環(huán)、25-姿態(tài)調(diào)節(jié) 器、26-觸發(fā)器、27-球輪速控制閉環(huán)、28-球速調(diào)節(jié)器、29-周期開關(guān)、30-姿態(tài)傳感器。

【具體實(shí)施方式】：
[0026] 實(shí)施例1 :參見附圖1，自主式球輪移動機(jī)器人，它包括：球形輪1、萬向輪驅(qū)動機(jī)構(gòu) 2、支撐結(jié)構(gòu)3、助力支架6、控制模塊4以及傳感器；
[0027] 參見附圖2、3,助力支架6包括：支架內(nèi)環(huán)12、支架外環(huán)13以及萬向腳輪14 ;支架 內(nèi)環(huán)12與支架外環(huán)13通過固定件連接，萬向腳輪14對稱分布在支架外環(huán)13,支架內(nèi)環(huán)12 套接在球形輪1的球面外，并通過支架與支撐結(jié)構(gòu)3固定連接；當(dāng)機(jī)器人傾斜時(shí)，萬向腳輪 14與地面接觸起支撐作用；
[0028] 傳感器包括：姿態(tài)傳感器30以及環(huán)境傳感器5 ;環(huán)境傳感器5用于獲取環(huán)境圖像； 姿態(tài)傳感器30用于獲取機(jī)器人的姿態(tài)數(shù)據(jù)，它包括：陀螺儀、磁強(qiáng)計(jì)和三軸的加速度計(jì)；
[0029] 控制模塊4包括：主控器、電池管理模塊和無線通信模塊；主控器根據(jù)接收到的環(huán) 境傳感器5信息進(jìn)行環(huán)境識別，由環(huán)境識別結(jié)果進(jìn)行路徑規(guī)劃并選擇控制策略，并根據(jù)姿 態(tài)傳感器30發(fā)送的姿態(tài)信息解算出對萬向輪驅(qū)動機(jī)構(gòu)2的控制量，并依此對萬向輪驅(qū)動機(jī) 構(gòu)2進(jìn)行驅(qū)動；電池管理模塊包括：控制系統(tǒng)電源模塊和驅(qū)動系統(tǒng)電源模塊；所述控制系統(tǒng) 電源模塊包括鋰電池組、電源監(jiān)控模塊和穩(wěn)壓模塊，電源監(jiān)控模塊對電池組進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測， 具有短路、過壓和過流的保護(hù)功能，鋰電池組經(jīng)多個(gè)穩(wěn)壓模塊穩(wěn)壓輸出不同的電平給主控 器供電；驅(qū)動系統(tǒng)電源模塊包括三組大容量鋰電池組和電源監(jiān)控模塊，三組電池組分別向 三套驅(qū)動系統(tǒng)供電；主控器將接收到的環(huán)境識別結(jié)果、姿態(tài)信息以及對萬向輪驅(qū)動機(jī)構(gòu)2 的輸出控制量均通過無線通信模塊上報(bào)至上層管理系統(tǒng)。
[0030] 球形輪1為雙層結(jié)構(gòu)，其內(nèi)層為中空的金屬球殼，外層為等厚的橡膠包覆層；
[0031] 參見附圖4、5,萬向輪驅(qū)動機(jī)構(gòu)2包括萬向驅(qū)動輪、直流電機(jī)、電機(jī)驅(qū)動器和電機(jī) 支架；電機(jī)支架包括：一個(gè)圓盤和三個(gè)V型彎角件，V型彎角件的夾角為135° ;直流電機(jī)配 有減速箱，尾部安裝有測速碼盤，直流電機(jī)通過V型彎角件固定在圓盤上，電機(jī)輸出軸與圓 盤面夾角為45°，三個(gè)V型彎角件以120°等間距分布；萬向驅(qū)動輪固定在減速箱的輸出 端；萬向輪驅(qū)動機(jī)構(gòu)2放置在球形輪1上，通過三個(gè)萬向驅(qū)動輪與球形輪1接觸；三個(gè)萬向 驅(qū)動輪與球形輪1垂直相切，法平面過球形輪1的球心；電機(jī)驅(qū)動器包括微處理器、功率放 大器以及連接測速碼盤的接口和主控器通信的接口，電機(jī)驅(qū)動器安裝于支撐結(jié)構(gòu)3 ;
[0032] 支撐結(jié)構(gòu)3包括：護(hù)球臂、圓盤連接件、支腳、控制平臺、支筋和載物平臺；護(hù)球臂 限制球形輪1與萬向驅(qū)動輪之間的相對位置；圓盤連接件通過支腳連接控制平臺，并作為 護(hù)球臂和彎角件的固定平臺；控制平臺承載控制模塊4和姿態(tài)傳感器30,并通過支筋支撐 載物平臺；
[0033] 本發(fā)明的工作流程為：環(huán)境傳感器5和姿態(tài)傳感器30實(shí)時(shí)采集并向控制模塊4中 的主控器發(fā)送數(shù)據(jù)，主控器接收傳感器數(shù)據(jù)，分析環(huán)境信息，解算機(jī)器人姿態(tài)，根據(jù)分析結(jié) 果分別決策機(jī)器人靜止?？?、原地起立、定點(diǎn)平衡或者旋轉(zhuǎn)、定向行走和上下爬坡等運(yùn)動控 制策略；讀取電機(jī)數(shù)據(jù)和機(jī)器人角速度數(shù)據(jù)，估算出球輪的速度；結(jié)合機(jī)器人姿態(tài)數(shù)據(jù)，并 根據(jù)選定的控制策略推算出三個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，通過串口將電機(jī)轉(zhuǎn)速控制量發(fā)送給萬向輪驅(qū) 動機(jī)構(gòu)2 ;萬向輪驅(qū)動機(jī)構(gòu)2接收電機(jī)的控制量，對電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行閉環(huán)控制，以此提高驅(qū)動 輪的轉(zhuǎn)速響應(yīng)能力；在驅(qū)動輪的帶動下，球輪實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，最終實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的姿態(tài)穩(wěn)定和 運(yùn)動控制。
[0034] 實(shí)施例2 :自主式球輪移動機(jī)器人的控制方法，它基于如實(shí)施例1所述的自主式球 輪移動機(jī)器人，并包括以下步驟：
[0035] A.機(jī)器人上電后由主控器完成接口、姿態(tài)傳感器30以及環(huán)境傳感器5的初始化操 作；
[0036] B.主控器讀取環(huán)境傳感器5的環(huán)境數(shù)據(jù)，對環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并識別障礙物，規(guī) 劃可行路徑；同時(shí)主控器讀取姿態(tài)傳感器30的姿態(tài)數(shù)據(jù)，結(jié)合環(huán)境數(shù)據(jù)對路面狀況進(jìn)行識 別；
[0037] C.主控器通過路面識別結(jié)果，決策選定機(jī)器人執(zhí)行運(yùn)動控制策略；
[0038] D.主控器讀取萬向輪驅(qū)動機(jī)構(gòu)2中直流電機(jī)的數(shù)據(jù)，解算出球形輪1的速度；主 控器結(jié)合的機(jī)器人姿態(tài)數(shù)據(jù)，并根據(jù)選定的控制策略推算出對直流電機(jī)的控制量，并將該 控制量發(fā)送給萬向輪驅(qū)動機(jī)構(gòu)2進(jìn)行雙環(huán)控制，執(zhí)行運(yùn)動控制策略；
[0039] E.重復(fù)步驟B、C、D，使得機(jī)器人在環(huán)境中穩(wěn)定運(yùn)動。
[0040] 參見附圖6,步驟D中，雙閉環(huán)控制為由姿態(tài)調(diào)節(jié)器25實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)的姿態(tài)控制閉環(huán) 24以及由球速調(diào)節(jié)器28實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)的球輪速控制閉環(huán)27 ;
[0041] 步驟B結(jié)束后，當(dāng)路面識別結(jié)果為平地時(shí)，同時(shí)機(jī)器人處于大角度傾斜、靜止?fàn)顟B(tài) 時(shí)，主控器進(jìn)行原地起立控制策略：主控器將目標(biāo)姿態(tài)角設(shè)定為0,同時(shí)僅采用姿態(tài)控制閉 環(huán)24,對姿態(tài)角度進(jìn)行調(diào)節(jié)，對直流電機(jī)轉(zhuǎn)速以及姿態(tài)角速度進(jìn)行監(jiān)測，姿態(tài)調(diào)節(jié)器采用模 糊ro調(diào)節(jié)器；
[0042] 當(dāng)監(jiān)測到的機(jī)器人的姿態(tài)角和角速度達(dá)到觸發(fā)器26的觸發(fā)閾值時(shí)，主控器進(jìn)行 閉合觸發(fā)器26控制的常開開關(guān)，切入球輪速控制閉環(huán)27,進(jìn)行穩(wěn)定控制策略：主控器將球 輪速度設(shè)定為〇,通過直流電機(jī)轉(zhuǎn)速和姿態(tài)角速度解算球形輪1的轉(zhuǎn)速；周期開關(guān)29用于 調(diào)節(jié)球輪速控制閉環(huán)27的調(diào)節(jié)周期，使得球輪速控制閉環(huán)27的有效作用頻率比姿態(tài)控制 閉環(huán)24的有效作用頻率??；本階段，球速調(diào)節(jié)器為PI調(diào)節(jié)器，姿態(tài)調(diào)節(jié)器為ro調(diào)節(jié)器；周 期開關(guān)29斷開階段，主控器通過慣性濾波器平滑輸出姿態(tài)角的設(shè)定值；
[0043] 機(jī)器人自動啟動及穩(wěn)定控制過程的姿態(tài)數(shù)據(jù)隨時(shí)間的變化，如圖7所示，圖中橫 軸為時(shí)間，縱軸為姿態(tài)角或者姿態(tài)角速度。圖中，黑色粗線為機(jī)器人的俯仰角，淡色粗線為 機(jī)器人的橫滾角，黑色細(xì)線為機(jī)器人的俯仰角速度，淡色細(xì)線為機(jī)器人的橫滾角速度?？梢?看到，機(jī)器人以-10. 8°的俯仰角和-3. 2°的橫滾角啟動，迅速站立，最后機(jī)器人的姿態(tài)角 穩(wěn)定在±1.5°以內(nèi)，角速度穩(wěn)定在±0.15° /s。
[0044] 步驟B結(jié)束后，當(dāng)路面識別結(jié)果為平地時(shí)，同時(shí)機(jī)器人處于直立動態(tài)平衡狀態(tài)時(shí)， 主控器采用姿態(tài)控制閉環(huán)24和球輪速控制閉環(huán)27雙閉環(huán)控制進(jìn)行行走控制策略；調(diào)節(jié)過 程同所述穩(wěn)定控制過程，球速調(diào)節(jié)器為PI調(diào)節(jié)器，姿態(tài)調(diào)節(jié)器為ro調(diào)節(jié)器，此時(shí)設(shè)定的球 速方向與路徑規(guī)劃的結(jié)果有關(guān)，速度的幅值為測定值。
[0045] 步驟B結(jié)束后，當(dāng)路面識別結(jié)果為坡地時(shí)，同時(shí)機(jī)器人受到?jīng)_擊減速時(shí)，主控器則 采用姿態(tài)控制閉環(huán)24和球輪速控制閉環(huán)27雙閉環(huán)控制進(jìn)行爬坡控制策略，此時(shí)姿態(tài)調(diào)節(jié) 器為ro調(diào)節(jié)器，球速調(diào)節(jié)器為模糊PI調(diào)節(jié)器；機(jī)器人從平地到坡地、爬坡和從坡地到平地 的控制數(shù)據(jù)如圖8所示。圖中坐標(biāo)軸同所述圖7的坐標(biāo)軸，為便于觀察，將角速度數(shù)據(jù)向縱 軸負(fù)方向平移了-3° /s。所述機(jī)器人接觸到斜面之后，機(jī)器人的俯仰角速度發(fā)生較大的變 化，檢測到這個(gè)變化之后，機(jī)器人逐漸調(diào)節(jié)其俯仰角至5°左右，并保持前傾的姿態(tài)爬坡。
[0046] 步驟B結(jié)束后，當(dāng)路面識別結(jié)果為坡地時(shí)，同時(shí)機(jī)器人受到?jīng)_擊加速時(shí)，表明機(jī)器 人爬完坡地之后進(jìn)入平地，主控器則采用姿態(tài)控制閉環(huán)24和球輪速控制閉環(huán)27雙閉環(huán)控 制進(jìn)行穩(wěn)定控制策略，此時(shí)姿態(tài)調(diào)節(jié)器為ro調(diào)節(jié)器，球速調(diào)節(jié)器為模糊PI調(diào)節(jié)器。球輪速 度迅速變化，使機(jī)器人的姿態(tài)迅速向平衡位置收斂，運(yùn)動趨向穩(wěn)定。
【權(quán)利要求】
1. 自主式球輪移動機(jī)器人，它包括：球形輪（1)、萬向輪驅(qū)動機(jī)構(gòu)（2)以及支撐結(jié)構(gòu) (3)，其特征在于，它還包括：助力支架（6)、控制模塊（4)以及傳感器； 所述助力支架（6)包括：支架內(nèi)環(huán)（12)、支架外環(huán)（13)以及萬向腳輪（14);所述支架 內(nèi)環(huán)（12)與所述支架外環(huán)（13)通過固定件連接，所述萬向腳輪（14)對稱分布在所述支架 外環(huán)（13)，所述支架內(nèi)環(huán)（12)套接在所述球形輪（1)的球面外，并通過支架與所述支撐結(jié) 構(gòu)（3)固定連接；當(dāng)所述機(jī)器人傾斜時(shí)，所述萬向腳輪（14)與地面接觸起支撐作用； 所述傳感器包括：姿態(tài)傳感器（30)以及環(huán)境傳感器（5);所述環(huán)境傳感器（5)用于獲 取環(huán)境圖像或者環(huán)境坐標(biāo)；所述姿態(tài)傳感器（30)用于獲取所述機(jī)器人的姿態(tài)數(shù)據(jù)； 所述控制模塊（4)包括：主控器和電池管理模塊；所述主控器根據(jù)接收到的所述環(huán)境 傳感器（5)信息進(jìn)行環(huán)境識別，由環(huán)境識別結(jié)果進(jìn)行路徑規(guī)劃和選擇控制策略，并根據(jù)所 述姿態(tài)傳感器（30)發(fā)送的姿態(tài)信息解算出對所述萬向輪驅(qū)動機(jī)構(gòu)（2)的控制量，并依此對 所述萬向輪驅(qū)動機(jī)構(gòu)（2)進(jìn)行驅(qū)動；所述電池管理模塊包括：控制系統(tǒng)電源模塊和驅(qū)動系 統(tǒng)電源模塊。
2. 如權(quán)利要求1所述的自主式球輪移動機(jī)器人，其特征在于，所述球形輪（1)為雙層結(jié) 構(gòu)，其內(nèi)層為中空的金屬球殼，外層為等厚的橡膠包覆層。
3. 如權(quán)利要求1所述的自主式球輪移動機(jī)器人，其特征在于，所述姿態(tài)傳感器（30)包 括：陀螺儀、磁強(qiáng)計(jì)和三軸的加速度計(jì)。
4. 如權(quán)利要求1或2或3所述的自主式球輪移動機(jī)器人，其特征在于，所述萬向輪驅(qū)動 機(jī)構(gòu)（2)包括萬向驅(qū)動輪、直流電機(jī)、電機(jī)驅(qū)動器和電機(jī)支架；電機(jī)支架包括：一個(gè)圓盤和 三個(gè)V型彎角件，所述V型彎角件的夾角為135° ;所述直流電機(jī)配有減速箱，尾部安裝有 測速碼盤，所述直流電機(jī)通過所述V型彎角件固定在所述圓盤上，電機(jī)輸出軸與所述圓盤 面夾角為45°，三個(gè)所述V型彎角件以120°等間距分布；所述萬向驅(qū)動輪固定在所述減速 箱的輸出端；所述萬向輪驅(qū)動機(jī)構(gòu)（2)放置在所述球形輪（1)上，通過三個(gè)所述萬向驅(qū)動輪 與所述球形輪（1)接觸；三個(gè)所述萬向驅(qū)動輪與所述球形輪（1)垂直相切，法平面過所述球 形輪（1)的球心；所述電機(jī)驅(qū)動器包括微處理器、功率放大器以及連接所述測速碼盤的接 口和所述主控器通信的接口，所述電機(jī)驅(qū)動器安裝于所述支撐結(jié)構(gòu)（3)。
5. 如權(quán)利要求4所述的自主式球輪移動機(jī)器人，其特征在于，所述支撐結(jié)構(gòu)（3)包括： 護(hù)球臂、圓盤連接件、支腳、控制平臺、支筋和載物平臺；所述護(hù)球臂限制所述球形輪（1)與 所述萬向驅(qū)動輪之間的相對位置；所述圓盤連接件通過所述支腳連接所述控制平臺，并作 為所述護(hù)球臂和彎角件的固定平臺；所述控制平臺承載所述控制模塊（4)和所述姿態(tài)傳感 器（30)，并通過所述支筋支撐所述載物平臺。
6. 如權(quán)利要求5所述的自主式球輪移動機(jī)器人，其特征在于，所述控制模塊（4)還包括 一個(gè)無線通信模塊，所述主控器將接收到的環(huán)境識別結(jié)果、姿態(tài)信息以及對所述萬向輪驅(qū) 動機(jī)構(gòu)（2)的輸出控制量均通過所述無線通信模塊上報(bào)至上層管理系統(tǒng)。
7. 自主式球輪移動機(jī)器人的控制方法，它基于如權(quán)利要求1所述的自主式球輪移動機(jī) 器人，并包括以下步驟： A. 所述機(jī)器人上電后由所述主控器完成接口、所述姿態(tài)傳感器（30)以及所述環(huán)境傳 感器（5)的初始化操作； B. 所述主控器讀取所述環(huán)境傳感器（5)的環(huán)境數(shù)據(jù)，對環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并識別障礙 物，規(guī)劃可行路徑；同時(shí)所述主控器讀取所述姿態(tài)傳感器（30)的姿態(tài)數(shù)據(jù)，結(jié)合環(huán)境數(shù)據(jù) 對路面狀況進(jìn)行識別； C. 所述主控器通過路面識別結(jié)果，決策選定所述機(jī)器人執(zhí)行運(yùn)動控制策略； D. 所述主控器讀取所述萬向輪驅(qū)動機(jī)構(gòu)（2)中直流電機(jī)的數(shù)據(jù)，解算出所述球形輪 (1)的速度；所述主控器結(jié)合所述的機(jī)器人姿態(tài)數(shù)據(jù)，并根據(jù)選定的控制策略推算出對所 述直流電機(jī)的控制量，并將該控制量發(fā)送給所述萬向輪驅(qū)動機(jī)構(gòu)（2)進(jìn)行雙環(huán)控制，執(zhí)行 運(yùn)動控制策略； E. 重復(fù)步驟B、C、D，使得所述機(jī)器人在環(huán)境中穩(wěn)定運(yùn)動。
8. 如權(quán)利要求7所述的自主式球輪移動機(jī)器人的控制方法，其特征在于，步驟D中，所 述的雙閉環(huán)控制為由姿態(tài)調(diào)節(jié)器（25)實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)的姿態(tài)控制閉環(huán)（24)以及由球速調(diào)節(jié)器 (28)實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)的球輪速控制閉環(huán)（27); 步驟B結(jié)束后，當(dāng)路面識別結(jié)果為平地時(shí)，同時(shí)所述機(jī)器人處于傾斜、靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，所 述主控器進(jìn)行原地起立控制策略：所述主控器將目標(biāo)姿態(tài)角設(shè)定為〇,同時(shí)僅采用所述姿 態(tài)控制閉環(huán)（24)，對姿態(tài)角度進(jìn)行調(diào)節(jié)，對直流電機(jī)轉(zhuǎn)速以及姿態(tài)角速度進(jìn)行監(jiān)測； 當(dāng)監(jiān)測到的所述機(jī)器人的姿態(tài)角和角速度達(dá)到觸發(fā)器（26)的觸發(fā)閾值時(shí)，所述主控 器進(jìn)行閉合所述觸發(fā)器（26)控制的常開開關(guān)，切入所述球輪速控制閉環(huán)（27)，進(jìn)行穩(wěn)定控 制策略：所述主控器將球輪速度設(shè)定為〇,通過直流電機(jī)轉(zhuǎn)速和姿態(tài)角速度解算所述球形 輪（1)的轉(zhuǎn)速；周期開關(guān)（29)用于調(diào)節(jié)球輪速控制閉環(huán)（27)的調(diào)節(jié)周期，使得所述球輪速 控制閉環(huán)（27)的作用周期比姿態(tài)控制閉環(huán)（24)的作用周期長；所述周期開關(guān)（29)斷開階 段，所述主控器通過慣性濾波器平滑輸出姿態(tài)角的設(shè)定值； 步驟B結(jié)束后，當(dāng)路面識別結(jié)果為平地時(shí)，同時(shí)所述機(jī)器人處于傾斜、動態(tài)平衡狀態(tài) 時(shí)，所述主控器采用所述姿態(tài)控制閉環(huán)（24)和所述球輪速控制閉環(huán)（27)雙閉環(huán)控制進(jìn)行 行走控制策略； 步驟B結(jié)束后，當(dāng)路面識別結(jié)果為坡地時(shí)，同時(shí)所述機(jī)器人受到?jīng)_擊減速時(shí)，所述主控 器則采用所述姿態(tài)控制閉環(huán)（24)和所述球輪速控制閉環(huán)（27)雙閉環(huán)控制進(jìn)行爬坡控制策 略； 步驟B結(jié)束后，當(dāng)路面識別結(jié)果為坡地時(shí)，同時(shí)所述機(jī)器人受到?jīng)_擊加速時(shí)，所述主控 器則采用所述姿態(tài)控制閉環(huán)（24)和所述球輪速控制閉環(huán)（27)雙閉環(huán)控制進(jìn)行穩(wěn)定控制策 略。
9. 如權(quán)利要求8所述的自主式球輪移動機(jī)器人的控制方法，其特征在于，所述姿態(tài)調(diào) 節(jié)器（25)為調(diào)節(jié)器，所述球速調(diào)節(jié)器（28)為PI調(diào)節(jié)器。
【文檔編號】G05D1/02GK104155976SQ201410345088
【公開日】2014年11月19日 申請日期:2014年7月18日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月18日
【發(fā)明者】楊毅, 簡劍, 呂寧一, 張寬, 王美玲 申請人:北京理工大學(xué)