一种球形轮移动机器人及其测速方法

摘要

本发明提供一种球形轮移动机器人及其测速方法，该球形轮移动机器人包括：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；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。本发明提高了机器人行走时球形轮球速的测量精度和可靠性。

主权项

一种球形轮移动机器人，其包括：球形轮(1)、根据控制信号驱动球形轮(1)运动的驱动机构(2)、承载各结构的机身(3)、控制模块(4)以及获取机身姿态数据的惯性传感器(6)；其特征在于，还包括：用于获取球形轮(1)相对于机身(3)速度的测速机构(5)；所述控制模块(4)根据测速机构(5)获取的球形轮(1)相对于机身(3)速度和惯性传感器(6)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(1)的解算速度ω，然后利用球形轮(1)的解算速度和传感器(6)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(2)；其中：测速机构(5)的数量为三个，每个测速机构(5)均包括：固定座(7)、弧形支架(8)、编码器固定件(9)、全向测速轮(10)以及编码器(11)；固定座(7)与机身(3)的底盘(24)固定，固定座(7)与弧形支架(8)铰接，编码器固定件(9)与编码器(11)固定，弧形支架(8)与编码器固定件(9)铰接，且铰链的轴的中心线通过全向测速轮(10)的中心；弧形支架(8)将全向测速轮(10)压向球形轮(1)，使得全向测速轮(10)与球形轮(1)紧密贴合，全向测速轮(10)与编码器(11)输出轴同轴固连；获得球形轮移动机器人运动的控制信号的步骤具体包括：步骤1，控制模块(4)分别解算每组测速机构(5)的编码器(11)的数据n₁₁、n₁₂、n₁₃，利用公式计算出球形轮(1)的相对于机身(3)的第一角速度ω_r1＝[ω_1x ω_1y ω_1z]；表示测速编码器转速与测量点线速度之间的比例系数；r_w表示万向测量轮(10)的半径；上式中所有矢量均处于球形轮坐标系中：v₁₁、v₁₂、v₁₃分别表示三个测速机构(5)与球轮(1)接触点处的线速度矢量，且p'₁₁、p'₁₂、p'₁₃分别表示三个测速机构(5)与球轮(1)接触点处的实时位置矢量，分别表示三个测速机构(5)在球形轮移动机器人整体处于铅垂状态时的测量点位置矢量，夹角γ(13)预先设定，R表示球轮的半径；M_ψθφ为惯性传感器(6)测得的三个测速机构(5)相对于铅垂状态的旋转矩阵；分别表示三个测速机构(5)的全向测速轮(10)在球形轮坐标系的夹角β(12)下测得的有效测速方向矢量，预先设定；步骤2，控制模块(4)分别解算每个驱动机构(2)的驱动电机编码器(21)的数据n₂₁、n₂₂、n₂₃,利用公式计算出球形轮(1)相对于机身(3)的第二角速度ω_r2＝[ω_2x ω_2y ω_2z]；表示驱动电机编码器测得的转速度与接触点处线速度的比例系数；r_d表示万向驱动轮(23)的半径；上式中所有矢量均处于球形轮坐标系中：v₂₁、v₂₂、v₂₃分别表示三个驱动机构(2)与球轮(1)接触点处的线速度矢量，且p'₂₁、p'₂₂、p'₂₃分别表示三个驱动机构(2)与球轮(1)接触点处的实时位置矢量，分别表示三个驱动机构(2)在球形轮移动机器人整体处于铅垂状态时的位置矢量；R_ψθφ为惯性传感器(6)测得的三个驱动机构(2)相对于铅垂状态的旋转矩阵；分别表示三个驱动机构(2)的万向驱动轮(23)在球形轮坐标系下的有效测速方向矢量；步骤3，控制模块(4)对第一角速度ω_r1和第二角速度ω_r2进行数据融合，利用滤波公式ω_r＝ω_r2+k(ω_r1‑ω_r2)，计算出球形轮的相对速度ω_r；然后将球形轮的相对速度ω_r与惯性传感器(6)的姿态数据中的陀螺数据ω_gyr结合，得到球形轮(1)的解算速度ω＝ω_r+ω_gyr；其中，k为卡尔曼滤波系数；步骤4，利用解算速度ω和惯性传感器(6)的数据在周期T内计算控制量，该控制量即为球形轮移动机器人运动的控制信号。