一种球形机器人驱动系统及其控制方法

摘要

本发明设计的球形机器人驱动系统，通过在竖直平面内调整滚动轴的水平倾角控制转向，由一个变量，即滚动轴的水平倾角就可以表征滚动轴，因此控制模型中仅有水平倾角和驱动电机转速两个变量，不需要复杂的运算就可以确定控制策略。针对路径跟踪问题，引进了相对曲率半径的概念，作为转向控制指标，借助微分几何中平面曲线论的唯一存在定理，通过改变滚动轴的水平倾角使轨迹与路径的相对曲率半径在对应点达到一致，以实现对路径的跟踪。本发明给出的球形机器人驱动系统及其控制策略不需要测量传感器确定运动状态，而是通过运行时间计算轨迹弧长实施控制。

主权项

一种球形机器人驱动系统，其特征在于：驱动控制系统由滚动轴(4)、驱动电机(3)、配重载荷(2)、支架(10)、转向电机(11)、驱动球(8)组成；滚动轴(4)上装有限位挡圈(5)；位于球壳同一直径上的两根滚动轴(4)一端固定在球壳上，另一端与一个法兰(9)连接；其中一个法兰(9)上安装驱动电机(3)，驱动电机(3)轴的一端开槽，槽内安装销钉，销钉的中心线经过球心；另一个法兰(9)上安装配重载荷(2)，配重载荷(2)内可以装电池，其重量要求是使滚动轴(4)保持平衡；支架(10)上带有螺杆(6)和两根滑动杆(1)，转向电机(11)套在螺杆(6)和滑动杆(1)上，并以螺帽与螺杆(6)配合；随转向电机(11)的转动，转向电机(11)自身可沿滑动杆(1)来回移动，支架(10)套在滚动轴(4)上两个限位挡圈(5)的外侧，由于挡圈(5)的限位作用，支架(10)可以绕滚动轴(4)转动，但不能沿滚动轴(4)滑动；驱动球(8)通过固连其上的弓形连杆(7)与驱动电机(3)转轴槽内的销钉铰合，保证在滚动轴(4)倾斜的情况下驱动球(8)仍不会偏离竖直方向；因此球形机器人的质心就是支架(10)和转向电机(11)的质心；转向电机(11)转动，则转向电机(11)在螺杆(6)上的位置和球形机器人的质心发生改变，从而引起滚动轴(4)倾斜角度的改变，导致机器人转向；启动驱动电机(3)后，驱动球(8)被提起，同时在重力的作用下驱动球(8)下落，带动球形机器人绕当前的滚动轴(4)转动。