一种可重构球形机器人、控制系统及其控制方法
阅读说明：本技术 一种可重构球形机器人、控制系统及其控制方法 (Reconfigurable spherical robot, control system and control method thereof ) 是由 张明辉 张德彪 史海娟 王传宝 姚燕安 于 2021-09-17 设计创作，主要内容包括：本发明属于人工智能技术领域,公开了一种可重构球形机器人、控制系统、及其控制方法,驱动机构包括两套单摆锤驱动机构,两套单摆锤驱动机构相对于球心面对称,分别装配在中心伸展机构的两侧；中心伸展机构外端与环形足连接,用于带动环形足的伸出和复位；环形足设置有相同的多个,多个环形足外表面组成球壳结构。本发明具有独特的外部轮廓变换状态,使得机器人可以在不同环境下工作。在平滑的路面上,机器人以球形状态滚动前行；当机器人在崎岖不平等复杂路况运动时,机器人可变形为类履带式环形机构,增大机构与地面的接触面积,提升机构的环境适应能力；当翻越台阶时,独特的环形足调整伸缩状态实现越障。(The invention belongs to the technical field of artificial intelligence and discloses a reconfigurable spherical robot, a control system and a control method thereof, wherein a driving mechanism comprises two sets of single pendulum bob driving mechanisms which are symmetrical relative to a sphere center plane and are respectively assembled at two sides of a central stretching mechanism; the outer end of the central extension mechanism is connected with the annular foot and is used for driving the annular foot to extend out and reset; the annular feet are provided with a plurality of same annular feet, and the outer surfaces of the annular feet form a spherical shell structure. The invention has unique external contour transformation state, so that the robot can work in different environments. On a smooth road surface, the robot rolls forwards in a spherical state; when the robot moves on a rugged and uneven complex road condition, the robot can be deformed into a crawler-like annular mechanism, the contact area between the mechanism and the ground is increased, and the environment adaptability of the mechanism is improved; when the climbing step is crossed, the unique annular foot adjusts the telescopic state to realize obstacle crossing.)
技术领域
本发明属于人工智能技术领域，尤其涉及一种可重构球形机器人、控制系统及其控制方法。
背景技术
移动机器人作为帮助人类拓展认知范围的一类重要辅助工具，在人们的生产、生活中占有越来越重要的地位。人们不断对移动机器人进行改进，发展出了传统可变形式，复合式，以及其他新型移动机器人，用来提高机器人的移动能力。其中一类为球形移动机器人，其外型是一个球体，主要由球壳和内部驱动装置两个部分组成，外部的球壳不仅可以自由滚动，还可以起到保护内部驱动装置的作用，内部驱动装置在球壳内部运动来帮助球形机器人实现不同的运动形式。球体造型作为天然的滚动体具有良好的运动性能，能够实现灵活的全向运动。由于球体是完美的对称结构，也不会出现翻倒等无法运动的情况，能够适应复杂的运动环境和狭小的空间。相比其他传统移动机器人，球形机器人具有运动阻力小、调整能力强、适应性强和运动灵活的优点，在生活、军事、工业以及娱乐等领域都有很好的应用前景。
目前：已有的球形机器人主要通过三种方式来实现运动：(1)采用偏心力矩驱动，主要利用的原理是：当球体或类球体的质心偏离球心时，翻转的球体具有很强的自稳定性来恢复平衡，以此来驱动球体运动。这种球形移动机器人的控制方式采用较为简单的开环控制，间接地控制电动机的输出力矩来控制球壳的运动，无法保证运动的精度。另外，这种机器人仅适合平整路面运行，不能爬坡和越障。(2)采用角动量守恒原理驱动，其工作原理是球体内部转子高速旋转，通过旋转惯性矩来驱动球形机器人全方位运动。这种球形机器人在其运动的初始阶段，需要人为辅助其保持直立姿态。另外，由于滚珠与球壳之间的摩擦以及维持陀螺仪高速旋转消耗电量严重，其运动效率较低，内部系统也难以搭载其他设备完成球形机器人需要执行的任务。同样，这种机器人也仅适合平整路面运行，不能爬坡和越障。(3)通过自身的变形产生运动。其原理是借助机器人自身的反复变形实现能量转化，从而驱动球形机器人运动。这种球形机器人具有一定的爬坡越障能力，但是需要弹性球壳和柔性执行机构。由于这种机器人需要反复变形，没有空间携带其他组件和驱动系统，需要拖缆运行，运动环境受到限制。
通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：
(1)尽管球形机器人在平整路面上具有良好的运动性能，能够实现灵活的全向运动，但因其球形外壳的限制，很难在凹凸不平的路面行驶，几乎无法实现爬坡和越障。
(2)尽管传统的可变形球形机器人具有一定的爬坡和越障能力，但属于被动越障，即无法对障碍物进行识别，也无法判定是否越过障碍物。
(3)球形机器人是一个非线性、欠驱动、强耦合的典型非完整系统，加之外界不确定因素的影响，这在很大程度上局限了基于精确模型的反馈控制律的应用，因此球形机器人抗外扰能力差，在运动过程中容易受到外部扰动且容易发生侧滑。
解决以上问题及缺陷的难度为：由于球形机器人结构比较复杂，要想很好地解决现有技术存在的问题，满足实际工程需要，还有很多的困难。如为实现爬坡和越障，必须打破球形机器人传统的驱动方式和结构设计方案，对机器人结构进行创新设计。另外，为实现球形机器人精确控制，就需要克服参数不确定性和系统未知的摩擦等干扰因素，对球形机器人的控制策略进行创新设计，建立一套稳定的闭环控制系统。
解决以上问题及缺陷的意义为：由于球形机器人在星球探索、危险环境探测、管道内部探测等领域具有显著优势和广泛应用前景。因此设计一款拥有良好结构特性的球形机器人并且对其实现精确的运动控制具有重要的理论研究意义和工程应用价值。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种可重构球形机器人、控制系统及其控制方法。
本发明是这样实现的，一种可重构球形机器人包括驱动机构、中心伸展机构和环形足；
所述驱动机构包括两套单摆锤驱动机构，用于为机器人移动提供动力，所述两套单摆锤驱动机构相对于球心面对称，分别装配在中心伸展机构的两侧；
所述中心伸展机构外端与环形足连接，用于带动环形足的伸出和复位；
所述环形足设置有相同的多个，多个环形足外表面组成球壳结构。
进一步，所述单摆锤驱动机构包括直流伺服电机、电机套、摆锤、法兰盘、滚动轴承、丝杠和轴承挡圈；
所述直流伺服电机与电机套通过螺钉连接在一起，所述直流伺服电机和摆锤固定连接，所述电机套外壳和两个轴承内圈过盈配合，并通过螺栓与球壳固连在一起。
进一步，所述直流伺服电机和摆锤通过法兰盘、缓冲垫连接。
进一步，所述摆锤包括丝杠、直线电机和偏心质量块，所述偏心质量块与直线电机下端固定连接。
进一步，所述中心伸展机构包括舵机、圆柱凸轮结构、多功能支架、结构外壳、腿部连接件以及电池箱，所述舵机通过多功能支架与电池箱固连在一起，舵机通过法兰盘与圆柱凸轮机构连接。
进一步，所述环形足包括弧形壳体、第一连接件、第二连接件和第三连接件；
所述第一连接件与第二连接件通过螺栓固连在一起，实现圆柱凸轮机构与球壳的连接和控制；
所述弧形壳体上加工有螺纹凸台，第三连接件通过螺栓与螺纹凸台连接。
本发明的另一目的在于提供一种可重构球形机器人的控制系统，所述可重构机器人的控制系统包括视觉模块、姿态调整模块、控制模块、惯性模块和机载电源；
所述视觉模块安装在两侧的球壳外侧，用于感知外部环境和路况；
所述姿态调整模块用于感知摆锤的摆角、机器人的姿态、运动速度信息；
所述控制模块以及惯性模块安装在两侧的球壳内部，机载电源布置在中心伸展机构内侧。惯性模块是可移动质量块，用来保证球体运行过程中的稳定性，或者说是调整球体的重心位置。
本发明的另一目的在于提供一种可重构球形机器人的控制方法，所述可重构机器人的控制方法包括：
(1)光滑路面的运动方式：
机器人在平滑路面行驶时，安装在球壳两端的两个直流伺服电机分别驱动与之相连的偏心质量块，当两个偏心质量块同时向前摆动时，球形机器人向前移动，当两个偏心质量块同时向后摆动时，球形机器人向后移动，当一个偏心质量块不动，一个质量块摆动，可实现转弯；控制包括两方面：(1)行走路径的精确控制。由于球形机器人在行进过程中，受外界环境因素的影响，球形机器人行走路径容易偏离原定路径。通过定位模块实时检测球形机器人与地面接触点的位置，计算参考几何路径和球形机器人实际行走路径的偏差，将偏差值作为反馈量来不断调整惯性模块(质量块)的位置，使得球形滚动机器人的路径跟踪误差接近零；(2)运动方式的精确控制。由于滚动过程中球形机器人受到滚动摩阻力偶矩的影响，机器人始终处于动态平衡状态，机器人很难按照原定的运动规律(加速、减速、匀速)行进。通过力矩传感器和姿态传感器实时监测球形机器人的滚动摩阻力偶矩和重摆摆起平衡角，依据滚动摩阻力偶矩和重摆摆起平衡角的动态变化关系，实时调整摆锤电机的输出扭矩，确保机器人按照原定的运动规律(加速、减速、匀速)行进，实现球形机器人精准控制。
(2)爬坡方式：
当机器人爬坡时，中心伸展机构的六个舵机分别带动相应的圆柱凸轮机构旋转，将6条环形足同时伸出，形成类履带式环形机构；当机器人的定位模块检测到球形机器人与地面接触点连续10次沿地面垂直方向的数值增加时，即判定为球形机器人行走的是斜坡路段，并将信号传送给控制系统，控制系统发出指令，由中心伸展机构的六个舵机分别带动相应的圆柱凸轮机构旋转，将6条环形足同时伸出，形成类履带式环形机构。同时，控制系统依据球形机器人与地面接触点的坐标值，计算重力偏心距的大小，并与机器人的滚动摩阻力偶矩耦合，计算出重摆需要摆起的平衡角，调整摆锤电机的输出扭矩。
(3)越障方式：
当机器人跨越台阶时，安装在球形机器人上的视觉传感器检测到台阶的轮廓形状，并将信号传递给控制系统，控制靠近台阶环形足的舵机，依据台阶的高度，将靠近台阶的环形足伸出，控制系统控制与靠近台阶环形足间隔60度的另一环形足伸出，从而实现越障。控制系统依据台阶的高度，计算翻越台阶所需的转矩，与远离台阶的环形足产生的力矩耦合，计算出需要重摆产生的力矩，调整摆锤电机的输出扭矩，实现越障。
本发明的另一目的在于提供一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，使得所述处理器执行所述的可重构球形机器人的控制方法。
本发明的另一目的在于提供一种信息数据处理终端，所述信息数据处理终端包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行所述的可重构球形机器人的控制方法。
结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：
与传统的球形机器人相比，本发明具有独特的外部轮廓变换状态，使得机器人可以在不同环境下工作。在平滑的路面上，机器人以球形状态滚动前行；当机器人在崎岖不平等复杂路况运动时，机器人可变形为类履带式环形机构，增大机构与地面的接触面积，提升机构的环境适应能力。当翻越台阶式，独特的环形足调整伸缩状态实现越障。
针对外界扰动和地面环境等因素对球形机器人精准运行产生的影响，引入非线性摩擦模型和自适应率进行反馈控制，以确保系统高的响应性和强鲁棒性，实现球形机器人精准的路径和运动状态控制。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的可重构球形机器人的结构示意图。
图2是本发明实施例提供的驱动机构的结构示意图。
图3是本发明实施例提供的中心伸展机构的结构示意图。
图4是本发明实施例提供的环形足的结构示意图。
图5是本发明实施例提供的可重构球形机器人在光滑路面的运动方式示意图。
图6是本发明实施例提供的可重构球形机器人的爬坡方式示意图。
图7是本发明实施例提供的可重构球形机器人的越障方式示意图。
图中：1、球壳；2、驱动机构；3、中心伸展机构；4、环形足；5、直流伺服电机；6、电机套；7、轴承；8、法兰盘；9、偏心质量块；10、直线电机；11、丝杠；12、缓冲垫；13、舵机；14、圆柱凸轮结构；15、电池箱；16、多功能支架；17、腿部连接件；18、弧形壳体；19、第一连接件；20、第二连接件；21、第三连接件。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种可重构球形机器人、控制系统及其控制方法，下面结合附图对本发明作详细的描述。
如图1所示，本发明实施例提供的可重构球形机器人主要由驱动机构2、中心伸展机构3、球壳1、环形足4组成。
驱动机构2通过螺栓分别与两侧球壳1连接，对称地布置在中心伸展机构3两侧。两侧球壳1内部设有凸台，便于内部各机构的安装。
本发明实施例中的驱动机构2由两套单摆锤驱动机构组成。两套单摆锤驱动机构相对于球心面对称，分别装配在中心伸展机构3的两侧。单摆锤驱动机构如图2所示，包括直流伺服电机5、电机套6、摆锤、法兰盘8、轴承7、丝杠11、轴承挡圈。两套单摆锤驱动机构的直流伺服电机5与电机套6通过螺钉连接在一起，直流伺服电机5和摆锤通过法兰盘、缓冲垫固定连接，电机套6外壳和两轴承内圈过盈配合，并通过螺栓与球壳1固连在一起，其中缓冲垫能够产生一定的形变，起到保护电机轴不受扭矩冲击，调节同心度的作用。
本发明实施例中的摆锤包括丝杠、直线电机和偏心质量块，所述偏心质量块与直线电机下端固定连接。
当电机启动后由于电机和电机套固定，在联轴器作用下，摆锤通过轴承实现相对旋转运动，机器人所处的环境不同所需要的驱动力矩也不同，控制器通过控制直线电机使偏心质量块在丝杠导轨上下移动，从而调节惯性力矩的大小，实现球形机器人平稳运动。
如图3所示，本发明实施例中的中心伸展机构结构包括舵机13、圆柱凸轮结构14、多功能支架16、结构外壳、腿部连接件17以及电池箱15等主要部件，舵机13通过多功能支架16与电池箱15固连在一起，舵机13通过法兰盘与圆柱凸轮机构14连接。
如图4所示，本发明实施例中的环形足结构结构包括弧形壳体18、第一连接件19、第二连接件20和第三连接件21。第一连接件19与第二连接件20通过螺栓固连在一起，实现圆柱凸轮机构与球壳的连接和控制。弧形壳体18上加工有螺纹凸台，第三连接件21通过螺栓与螺纹凸台连接。
本发明实施例提供的可重构机器人的控制系统包括：视觉模块、姿态调整模块、控制模块和机载电源等。视觉模块安装在两侧的球壳1外侧，控制模块以及惯性模块安装在两侧的球壳1内部，机载电源布置在中心伸展机构内侧。视觉模块主要感知外部环境和路况，姿态调整模块主要感知摆锤的摆角、机器人的姿态、运动速度信息。当机器人工作时，控制模块根据视觉模块和姿态调整模块传递的信息实时调整球形机器人的外部轮廓和姿态，并根据遇到障碍物的高低大小决定舵机旋转角度。
本发明实施例提供的可重构球形机器人的控制方法，包括：
(1)光滑路面的运动方式：
如图5所示，机器人在平滑路面行驶时，安装在球壳两端的两个直流伺服电机分别驱动与之相连的偏心质量块，当两个偏心质量块同时向前摆动时，球形机器人向前移动，当两个偏心质量块同时向后摆动时，球形机器人向后移动，当一个偏心质量块不动，一个质量块摆动，可实现转弯；控制包括两方面：(1)行走路径的精确控制。由于球形机器人在行进过程中，受外界环境因素的影响，球形机器人行走路径容易偏离原定路径。通过定位模块实时检测球形机器人与地面接触点的位置，计算参考几何路径和球形机器人实际行走路径的偏差，将偏差值作为反馈量来不断调整惯性模块(质量块)的位置，使得球形滚动机器人的路径跟踪误差接近零；(2)运动方式的精确控制。由于滚动过程中球形机器人受到滚动摩阻力偶矩的影响，机器人始终处于动态平衡状态，机器人很难按照原定的运动规律(加速、减速、匀速)行进。通过力矩传感器和姿态传感器实时监测球形机器人的滚动摩阻力偶矩和重摆摆起平衡角，依据滚动摩阻力偶矩和重摆摆起平衡角的动态变化关系，实时调整摆锤电机的输出扭矩，确保机器人按照原定的运动规律(加速、减速、匀速)行进，实现球形机器人精准控制。
(2)爬坡方式：
如图6所示，当机器人爬坡时，中心伸展机构的六个舵机分别带动相应的圆柱凸轮机构旋转，将6条环形足同时伸出，形成类履带式环形机构；当机器人的定位模块检测到球形机器人与地面接触点连续10次沿地面垂直方向的数值增加时，即判定为球形机器人行走的是斜坡路段，并将信号传送给控制系统，控制系统发出指令，由中心伸展机构的六个舵机分别带动相应的圆柱凸轮机构旋转，将6条环形足同时伸出，形成类履带式环形机构。同时，控制系统依据球形机器人与地面接触点的坐标值，计算重力偏心距的大小，并与机器人的滚动摩阻力偶矩耦合，计算出重摆需要摆起的平衡角，调整摆锤电机的输出扭矩。
(3)越障方式：
如图7所示，当机器人跨越台阶时，安装在球形机器人上的视觉传感器检测到台阶的轮廓形状，并将信号传递给控制系统，控制靠近台阶环形足的舵机，依据台阶的高度，将靠近台阶的环形足伸出，控制系统控制与靠近台阶环形足间隔60度的另一环形足伸出，从而实现越障。控制系统依据台阶的高度，计算翻越台阶所需的转矩，与远离台阶的环形足产生的力矩耦合，计算出需要重摆产生的力矩，调整摆锤电机的输出扭矩，实现越障。
在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
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