專(zhuān)利名稱(chēng)：具有柔性結(jié)構(gòu)的移動(dòng)機(jī)器人可變構(gòu)形式轉(zhuǎn)彎方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及具有柔性結(jié)構(gòu)的移動(dòng) 機(jī)器人可變構(gòu)形式轉(zhuǎn)彎方法。
背景技術(shù)：
在傳統(tǒng)的陸地移動(dòng)機(jī)器人中，通常采用的轉(zhuǎn)彎方式有差動(dòng)驅(qū)動(dòng)、 轉(zhuǎn)向輪驅(qū)動(dòng)、同步驅(qū)動(dòng)、萬(wàn)向輪驅(qū)動(dòng)和阿克曼轉(zhuǎn)向等。差動(dòng)驅(qū)動(dòng)利用 驅(qū)動(dòng)輪間的速度差實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎， 一般適合于從動(dòng)輪和驅(qū)動(dòng)輪距離較小的 機(jī)器人；轉(zhuǎn)向輪驅(qū)動(dòng)、萬(wàn)向輪驅(qū)動(dòng)和阿克曼轉(zhuǎn)向除了具有驅(qū)動(dòng)輪的前 向驅(qū)動(dòng)外，還具有偏轉(zhuǎn)自由度，偏轉(zhuǎn)自由度可位于驅(qū)動(dòng)輪，也可位于 非驅(qū)動(dòng)輪。移動(dòng)機(jī)器人一般根據(jù)自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和應(yīng)用需求選擇合適的 轉(zhuǎn)彎方式。
差動(dòng)驅(qū)動(dòng)方式，雖然可利用驅(qū)動(dòng)輪之間的速度差異進(jìn)行差動(dòng)轉(zhuǎn)彎， 但驅(qū)動(dòng)輪和被動(dòng)輪之間的距離遠(yuǎn)大于驅(qū)動(dòng)輪間距和被動(dòng)輪間距時(shí)，較 長(zhǎng)的體長(zhǎng)以及被動(dòng)輪的橫向摩擦力將極大地影響轉(zhuǎn)向效果，實(shí)際轉(zhuǎn)彎 半徑遠(yuǎn)大于理論分析值。
具有驅(qū)動(dòng)輪和被動(dòng)輪的移動(dòng)機(jī)器人，直行時(shí)各輪保持平行，在結(jié) 構(gòu)上和常見(jiàn)的汽車(chē)結(jié)構(gòu)相似。汽車(chē)轉(zhuǎn)向前輪偏轉(zhuǎn)時(shí)，可以和后輪形成瞬時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)中心，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎。但是當(dāng)移動(dòng)機(jī)器人前驅(qū)動(dòng)輪不能偏轉(zhuǎn)時(shí)，
為了使其在地面上實(shí)現(xiàn)快速、高效的機(jī)動(dòng)運(yùn)動(dòng)，需要一種更符合其機(jī) 械特點(diǎn)的方式構(gòu)建轉(zhuǎn)彎所需條件。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是公開(kāi)一種具有柔性結(jié)構(gòu)的移動(dòng)機(jī)器人可變構(gòu)形 式轉(zhuǎn)彎方法，以解決一種具有柔性身體結(jié)構(gòu)的移動(dòng)機(jī)器人在地面的轉(zhuǎn) 彎問(wèn)題，該方法充分利用機(jī)器人身體結(jié)構(gòu)可變的特點(diǎn)，使得驅(qū)動(dòng)輪和 被動(dòng)輪形成瞬時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)中心，提供一種可變構(gòu)形式轉(zhuǎn)向方式。 為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)解決方案是
一種具有柔性結(jié)構(gòu)的移動(dòng)機(jī)器人可變構(gòu)形式轉(zhuǎn)彎方法，所用移動(dòng) 機(jī)器人具有柔性身體結(jié)構(gòu)，該機(jī)器人包括驅(qū)動(dòng)輪，位于頭部?jī)蓚?cè)， 其連續(xù)整周旋轉(zhuǎn)，驅(qū)動(dòng)機(jī)器人在地面運(yùn)動(dòng)；多個(gè)可轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)，依縱軸 方向在頭部后方順序設(shè)置，相互動(dòng)連接，用來(lái)改變機(jī)器人的身體結(jié)構(gòu); 被動(dòng)輪，位于最后的可轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)的下方兩側(cè)，用來(lái)減小機(jī)器人和地面 間的摩擦，并和驅(qū)動(dòng)輪形成瞬時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)中心；其包括步驟
A) 令頭部與被動(dòng)輪所在關(guān)節(jié)之間的至少一個(gè)關(guān)節(jié)偏轉(zhuǎn)；
B) 此時(shí)，被動(dòng)輪和驅(qū)動(dòng)輪形成瞬時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)中心；
C) 即實(shí)現(xiàn)移動(dòng)機(jī)器人在移動(dòng)中轉(zhuǎn)彎。
所述的可變構(gòu)形式轉(zhuǎn)彎方法，其所述在移動(dòng)中轉(zhuǎn)彎，在頭部與被 動(dòng)輪所在關(guān)節(jié)之間，任意一關(guān)節(jié)單獨(dú)轉(zhuǎn)動(dòng)或多個(gè)關(guān)節(jié)同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)使得機(jī) 器人轉(zhuǎn)彎，且單關(guān)節(jié)單獨(dú)轉(zhuǎn)動(dòng)量與多個(gè)關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)量的和相等時(shí)，其各對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)彎半徑不同，其中，存在最小轉(zhuǎn)動(dòng)半徑。
所述的可變構(gòu)形式轉(zhuǎn)彎方法，其所述最小轉(zhuǎn)動(dòng)半徑，是其它關(guān)節(jié) 不偏轉(zhuǎn)，只有被動(dòng)輪所在關(guān)節(jié)偏轉(zhuǎn)時(shí)，轉(zhuǎn)動(dòng)半徑最小。
所述的可變構(gòu)形式轉(zhuǎn)彎方法，左右驅(qū)動(dòng)輪的動(dòng)力相互獨(dú)立，轉(zhuǎn)彎 時(shí)，它們具有相同的角速度，不同的線速度和轉(zhuǎn)動(dòng)速度，其轉(zhuǎn)速關(guān)系 和柔性身體的變形程度有關(guān)。
所述的可變構(gòu)形式轉(zhuǎn)彎方法，其所述左右驅(qū)動(dòng)輪的轉(zhuǎn)速關(guān)系由下 式表示
其中，"，、 分別表示左、右驅(qū)動(dòng)輪的轉(zhuǎn)速，i 為轉(zhuǎn)動(dòng)半徑，d 為左右驅(qū)動(dòng)輪之間的間距，即，采用可變構(gòu)形式轉(zhuǎn)彎時(shí)，左右驅(qū)動(dòng)輪 的轉(zhuǎn)速保持一定比例關(guān)系。
本發(fā)明提供了幾種實(shí)現(xiàn)可變構(gòu)形式轉(zhuǎn)彎的方法，分析了這些方 法的優(yōu)劣，得出了對(duì)應(yīng)最小轉(zhuǎn)彎半徑的實(shí)現(xiàn)方式，并根據(jù)機(jī)器人身體 結(jié)構(gòu)的變化程度，得出了驅(qū)動(dòng)輪間的速度關(guān)系，以及轉(zhuǎn)彎半徑。


圖l是本發(fā)明方法使用的具有柔性結(jié)構(gòu)的移動(dòng)機(jī)器人結(jié)構(gòu)示意
圖； 圖2是本發(fā)明的具有柔性結(jié)構(gòu)的移動(dòng)機(jī)器人可變構(gòu)形式轉(zhuǎn)彎方法中多關(guān)節(jié)偏轉(zhuǎn)形成ICR示意圖3是本發(fā)明的具有柔性結(jié)構(gòu)的移動(dòng)機(jī)器人可變構(gòu)形式轉(zhuǎn)彎方 法中單關(guān)節(jié)偏轉(zhuǎn)形成ICR之方式1;
圖4是本發(fā)明的具有柔性結(jié)構(gòu)的移動(dòng)機(jī)器人可變構(gòu)形式轉(zhuǎn)彎方 法中單關(guān)節(jié)偏轉(zhuǎn)形成ICR之方式2 。
圖5是本發(fā)明方法所使用的一種具有柔性結(jié)構(gòu)的兩棲機(jī)器人示 意圖6是本發(fā)明方法所使用的兩棲機(jī)器人以可變構(gòu)形式方法進(jìn)行 轉(zhuǎn)彎的實(shí)驗(yàn)截圖。
具體實(shí)施例方式
如圖1所示，是本發(fā)明方法使用的具有柔性結(jié)構(gòu)的移動(dòng)機(jī)器人結(jié)構(gòu) 示意圖，其中，圖1A為左視圖，圖1B為俯視圖。該具有柔性結(jié)構(gòu)的 移動(dòng)機(jī)器人由頭部2、第一關(guān)節(jié)3、第二關(guān)節(jié)4、第三關(guān)節(jié)5、驅(qū)動(dòng)輪l、 被動(dòng)輪6構(gòu)成，第二關(guān)節(jié)4、第三關(guān)節(jié)5可分別繞固定旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)。
本發(fā)明的可變構(gòu)形式移動(dòng)機(jī)器人轉(zhuǎn)彎方法，具體特征如下
當(dāng)?shù)诙P(guān)節(jié)4、第三關(guān)節(jié)5不偏轉(zhuǎn)，處于中間位置時(shí)，各關(guān)節(jié)、頭 部相互平行，驅(qū)動(dòng)輪1的垂線和被動(dòng)輪6的垂線也保持平行，沒(méi)有瞬時(shí) 轉(zhuǎn)動(dòng)中心形成，機(jī)器人直行。
當(dāng)機(jī)器人轉(zhuǎn)彎時(shí)，令第二關(guān)節(jié)4和第三關(guān)節(jié)5轉(zhuǎn)動(dòng)，形成瞬時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng) 中心，如圖2所示。當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)角度一定時(shí)，機(jī)器人的轉(zhuǎn)彎半徑也將確定，并和轉(zhuǎn)動(dòng)角度相關(guān)。
根據(jù)三角形邊長(zhǎng)和內(nèi)角的關(guān)系，可求出D1、 D2: Dl D Z)2 Z)
iyS sin(;r - a -/ ) sin a sin(;r _ a _/5)
其中，D為已知。
兩直角三角形共甩一個(gè)斜邊，艮P:
Sin(a + ") = f 丄l 丄2
(1)
. 丄2 sin(a十/ 一y) siny
sm;r = "Y" 、廣 "
(2)
其中，丄l =Z)1+D3，￡2 = ￡)2 + Z)4， D3、 D4已知。
由方程(l)、 (2)，可求出;k，進(jìn)而可通過(guò)式子i = Zl*cot(a +々-力 得出相應(yīng)的轉(zhuǎn)彎半徑
^ — D(sin a + sin - * cos(a + -)) + D3 * sin(ar + y9) * cos(a + / ) + D4 * sin(o: + 〃)
sin2(a +々) (3)
當(dāng)機(jī)器人轉(zhuǎn)彎時(shí)，單獨(dú)令第二關(guān)節(jié)4或第三關(guān)節(jié)5轉(zhuǎn)動(dòng)，亦可形成 瞬時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)中心，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎，如圖3、圖4所示。
利用類(lèi)似的幾何分析方法，可求出第二關(guān)節(jié)4或第三關(guān)節(jié)5轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)
對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)彎半徑/ '和/r:
i =- = -^——^- (4)
sin a sin"
在上述的三種轉(zhuǎn)彎實(shí)現(xiàn)方法中，其對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)彎半徑 不相同，為 了得到最優(yōu)轉(zhuǎn)彎方式，令這三種實(shí)現(xiàn)方式的關(guān)節(jié)擺動(dòng)量相同，艮卩a + / = a' = ^'
經(jīng)數(shù)值仿真后，得到:
(6)
可見(jiàn)，第三關(guān)節(jié)5單獨(dú)擺動(dòng)時(shí)，對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)彎半徑最小，即第三關(guān)節(jié) 5單獨(dú)擺動(dòng)實(shí)現(xiàn)的機(jī)器人轉(zhuǎn)彎方式最優(yōu)。
當(dāng)以上述方式轉(zhuǎn)彎時(shí)，左右驅(qū)動(dòng)輪l具有相同的角速度，以及不 同的轉(zhuǎn)彎半徑，§口，兩驅(qū)動(dòng)輪具有不同的轉(zhuǎn)動(dòng)速度。以 、 分別 表示左右驅(qū)動(dòng)輪的轉(zhuǎn)速，以a、 ^分別表示左右驅(qū)動(dòng)輪的角速度， 以k,、 ^分別表示左右驅(qū)動(dòng)輪線速度，則有
27T",
60
(7)
左右驅(qū)動(dòng)輪的線速度為:
「￡ =廣"i = ^
60
^、 L 2」
其中，r是驅(qū)動(dòng)輪半徑，"為左右驅(qū)動(dòng)輪之間的間距, 由上述方程可得左右驅(qū)動(dòng)輪的轉(zhuǎn)速關(guān)系
7 +
1 5
2
即，采用可變構(gòu)形式轉(zhuǎn)彎時(shí)，左右驅(qū)動(dòng)輪的轉(zhuǎn)速保持一定比例關(guān)系，這一關(guān)系受各關(guān)節(jié)擺動(dòng)角度的約束，關(guān)系如式(9)。
為了驗(yàn)證所述轉(zhuǎn)彎控制方法的有效性，將此方法應(yīng)用在一種具有
柔性身體結(jié)構(gòu)的兩棲機(jī)器人上，其結(jié)構(gòu)如圖5所示，兩棲機(jī)器人由頭 部2和三個(gè)柔性關(guān)節(jié)組成，被動(dòng)輪6位于第三關(guān)節(jié)5底部，第二關(guān)節(jié)4、 第三關(guān)節(jié)5可分別繞旋轉(zhuǎn)軸(圖中虛線所示)左右轉(zhuǎn)動(dòng)±90°。機(jī)器人 驅(qū)動(dòng)裝置為位于頭部靠前位置的兩驅(qū)動(dòng)輪槳7，輪槳機(jī)構(gòu)由四個(gè)帶有 支撐腳的葉片構(gòu)成，在結(jié)構(gòu)上和驅(qū)動(dòng)輪l非常相似，在功能上能實(shí)現(xiàn) 輪式結(jié)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)作用，可以看作驅(qū)動(dòng)輪l。
當(dāng)各關(guān)節(jié)保持在中間位置時(shí)，如圖5所示，機(jī)器人直行。
令機(jī)器人以最優(yōu)方式，即，第三關(guān)節(jié)5單獨(dú)偏轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)彎，偏轉(zhuǎn)角度37。 (為了驗(yàn)證普遍性，取非特殊偏轉(zhuǎn)量)，滿足ICR形成條件，機(jī)器人順 利實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證如圖6所示，逆時(shí)針排列的圖片依次表示機(jī)器 人在一個(gè)完整圓周運(yùn)動(dòng)內(nèi)的截圖，線段8、 9分別表示實(shí)際地面的相同 位置，在這兩個(gè)位置，機(jī)器人行進(jìn)方向相互平行，但方向正好相反。
經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)定，以第三關(guān)節(jié)5單獨(dú)偏轉(zhuǎn)37。轉(zhuǎn)向，轉(zhuǎn)彎半徑為55cm。 利用公式(4)，可得理論結(jié)果7T-55.2cm。實(shí)驗(yàn)結(jié)果和理論分析幾 乎完全一致，機(jī)器人順利實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎，可變構(gòu)形式轉(zhuǎn)彎方式在具有柔性 結(jié)構(gòu)的移動(dòng)機(jī)器人上可行且效果良好。
如上所述，本發(fā)明提供一種具有柔性身體結(jié)構(gòu)的移動(dòng)機(jī)器人在地 面轉(zhuǎn)彎的實(shí)現(xiàn)方法，并分析了幾種實(shí)現(xiàn)方法的優(yōu)劣，得出了具有最小 轉(zhuǎn)彎半徑的最優(yōu)實(shí)現(xiàn)方法。
本發(fā)明方法所用的移動(dòng)機(jī)器人具有驅(qū)動(dòng)輪和被動(dòng)輪，直行時(shí)各輪保持平行，在結(jié)構(gòu)上和常見(jiàn)的汽車(chē)結(jié)構(gòu)相似。汽車(chē)轉(zhuǎn)向前輪偏轉(zhuǎn)時(shí)， 可以和后輪形成瞬時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)中心，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎。但本發(fā)明所述的移動(dòng)機(jī)器 人前驅(qū)動(dòng)輪不能偏轉(zhuǎn)，為了使其在地面上實(shí)現(xiàn)快速、高效的機(jī)動(dòng)運(yùn)動(dòng)， 需要一種更符合其機(jī)械特點(diǎn)的方式構(gòu)建轉(zhuǎn)彎所需條件，即一種可變構(gòu) 形式轉(zhuǎn)彎方式。
盡管對(duì)本發(fā)明的原理結(jié)合優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)行了展示和描述，但本領(lǐng) 域技術(shù)人員將會(huì)理解在不偏離本發(fā)明的原理和實(shí)質(zhì)的情況下，對(duì)這些 實(shí)施例進(jìn)行改變，其范圍也落入本發(fā)明的權(quán)利要求及其等同物所限定 的范圍內(nèi)。
1權(quán)利要求
1、一種具有柔性結(jié)構(gòu)的移動(dòng)機(jī)器人可變構(gòu)形式轉(zhuǎn)彎方法，所用移動(dòng)機(jī)器人具有柔性身體結(jié)構(gòu)，該機(jī)器人包括驅(qū)動(dòng)輪，位于頭部?jī)蓚?cè)，其連續(xù)整周旋轉(zhuǎn)，驅(qū)動(dòng)機(jī)器人在地面運(yùn)動(dòng)；多個(gè)可轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)，依縱軸方向在頭部后方順序設(shè)置，相互動(dòng)連接，用來(lái)改變機(jī)器人的身體結(jié)構(gòu)；被動(dòng)輪，位于最后的可轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)的下方兩側(cè)，用來(lái)減小機(jī)器人和地面間的摩擦，并和驅(qū)動(dòng)輪形成瞬時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)中心；其特征在于，包括步驟A)令頭部與被動(dòng)輪所在關(guān)節(jié)之間的至少一個(gè)關(guān)節(jié)偏轉(zhuǎn)；B)此時(shí)，被動(dòng)輪和驅(qū)動(dòng)輪形成瞬時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)中心；C)即實(shí)現(xiàn)移動(dòng)機(jī)器人在移動(dòng)中轉(zhuǎn)彎。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的可變構(gòu)形式轉(zhuǎn)彎方法，其特征在于，所述在 移動(dòng)中轉(zhuǎn)彎，在頭部與被動(dòng)輪所在關(guān)節(jié)之間，任意一關(guān)節(jié)單獨(dú)轉(zhuǎn)動(dòng)或多個(gè) 關(guān)節(jié)同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)使得機(jī)器人轉(zhuǎn)彎，且單關(guān)節(jié)單獨(dú)轉(zhuǎn)動(dòng)量與多個(gè)關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)量的 和相等時(shí)，其對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)彎半徑不同，其中，存在最小轉(zhuǎn)動(dòng)半徑。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的可變構(gòu)形式轉(zhuǎn)彎方法，其特征在于，所述最 小轉(zhuǎn)動(dòng)半徑，是其它關(guān)節(jié)不偏轉(zhuǎn)，只有被動(dòng)輪所在關(guān)節(jié)偏轉(zhuǎn)時(shí)，轉(zhuǎn)動(dòng)半徑 最小。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的可變構(gòu)形式轉(zhuǎn)彎方法，其特征在于，左右驅(qū) 動(dòng)輪的動(dòng)力相互獨(dú)立，轉(zhuǎn)彎時(shí)，它們具有相同的角速度，不同的線速度和 轉(zhuǎn)動(dòng)速度，其轉(zhuǎn)速關(guān)系和柔性身體的變形程度有關(guān)。
5、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的可變構(gòu)形式轉(zhuǎn)彎方法，其特征在于，所述左右驅(qū)動(dòng)輪的轉(zhuǎn)速關(guān)系由下式表示- 其中，"，、 分別表示左、右驅(qū)動(dòng)輪的轉(zhuǎn)速，A為轉(zhuǎn)動(dòng)半徑，d為左 右驅(qū)動(dòng)輪之間的間距，即，采用可變構(gòu)形式轉(zhuǎn)彎時(shí)，左右驅(qū)動(dòng)輪的轉(zhuǎn)速保 持一定比例關(guān)系。
全文摘要
本發(fā)明一種具有柔性結(jié)構(gòu)的移動(dòng)機(jī)器人可變構(gòu)形式轉(zhuǎn)彎方法，涉及移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)，在該方法中，移動(dòng)機(jī)器人具有較長(zhǎng)的柔性身體，其身體結(jié)構(gòu)可變，使得驅(qū)動(dòng)輪和被動(dòng)輪形成轉(zhuǎn)彎所需的瞬時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)中心(InstantaneousCenter of Rotation，ICR)，以滿足機(jī)器人轉(zhuǎn)彎條件，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人轉(zhuǎn)向。本發(fā)明提供了幾種實(shí)現(xiàn)可變構(gòu)形式轉(zhuǎn)彎的方法，分析了這些方法的優(yōu)劣，得出了對(duì)應(yīng)最小轉(zhuǎn)彎半徑的實(shí)現(xiàn)方式，并根據(jù)機(jī)器人身體結(jié)構(gòu)的變化程度，得出了驅(qū)動(dòng)輪間的速度關(guān)系，以及轉(zhuǎn)彎半徑。
文檔編號(hào)B62D9/00GK101643085SQ20081011801
公開(kāi)日2010年2月10日 申請(qǐng)日期2008年8月6日 優(yōu)先權(quán)日2008年8月6日
發(fā)明者銳 丁, 喻俊志, 楊清海, 民 譚 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院自動(dòng)化研究所