專利名稱：單自由度連桿移動機器人及其控制方法
技術領域：
本發(fā)明涉及機器人及控制領域，尤其涉及單自由度連桿移動機器人及其控制方法。
背景技術：
單自由度移動機器人由于其簡單的結構，低難度的控制以及移動方式的特殊性， 在機器人的學術領域具有重要的科研和應用價值。但單自由度機構只有一個獨立運動參 數(shù)，因此單自由度的機器人移動功能有限，通常僅能實現(xiàn)單一的直線或曲線的一維運動，難 以實現(xiàn)具有移動和轉向功能的任意二維移動。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于提供一種單自由度連桿移動機器人及其控制方法，該機器人能 夠利用機構的重心位置變化以及運動過程中的不穩(wěn)定狀態(tài)，實現(xiàn)機器人的定向移動與轉向 功能。一方面，本發(fā)明公開了一種單自由度連桿移動機器人，包括第一機器人頭部、第 二機器人頭部，連接于所述第一機器人頭部與所述第二機器人頭部之間的第三組件、第四 組件和第五組件；所述第三組件、第四組件與第五組件的一端通過轉動副與所述第一機器 人頭部相連接；所述第三組件、第四組件與第五組件的另一端通過下連接桿與所述第二機 器人頭部通過轉動副相連接。上述連桿移動機器人，優(yōu)選所述第三組件包括上連接桿和電機，所述上連接桿和 所述電機在所述上連接桿的一端相對固定連接。上述連桿移動機器人，優(yōu)選所述第四組件包括上連接桿和配重塊，所述上連接桿 和所述配重塊在所述上連接桿的一端相對固定連接。上述連桿移動機器人，優(yōu)選所述第五組件包括上連接桿和配重塊，所述上連接桿 和所述配重塊在所述上連接桿的一端相對固定連接。上述連桿移動機器人，優(yōu)選所述第三組件、第四組件和第五組件與所述下連接桿 通過轉動副相連接。另一方面，本發(fā)明還公開了一種單自由度機器人的控制方法，用于上述單自由度 機器人進行控制，包括如下步驟步驟Si，定義誤差值；步驟S2，獲取當前位置，判斷該當前 位置是與目標位置之間的所述誤差是否小于設定的閾值？若是，則結束控制程序，若否，則 執(zhí)行步驟S3 ；步驟S3，設定步長，計算下一步的運動位置，選擇運動步態(tài)；步驟S4，判斷是否 為定向運動？若是，則執(zhí)行步驟S2，若否，則執(zhí)行步驟S5 ；步驟S5，進行概率運動；步驟S6， 判斷是否到達下一步的位置，若是，則執(zhí)行步驟S2，若否，則執(zhí)行步驟S5。相對于現(xiàn)有技術而言，本發(fā)明實現(xiàn)了單自由度機器人的二維空間運動，S卩，一定意 義的直行與轉向功能，為新型移動機器人的設計與研究提供了參考依據(jù)。


圖1為本發(fā)明單自由度連桿移動機器人的立體結構示意圖；圖2為本發(fā)明單自由度連桿移動機器人機械結構示意圖；圖3為本發(fā)明的第三組件的結構示意圖；圖4為本發(fā)明的第三組件的電機聯(lián)接處剖面示意圖；圖5為本發(fā)明的第五組件的配重塊聯(lián)接處剖面示意圖；圖6為本發(fā)明單自由度連桿移動機器人一側頭部與桿件連接關系示意圖；圖7為本發(fā)明單自由度連桿移動機器人的初始姿態(tài)示意圖；圖8為本發(fā)明單自由度連桿移動機器人的伸長姿態(tài)示意圖；圖9為本發(fā)明單自由度連桿移動機器人的縮短姿態(tài)示意圖；圖10為本發(fā)明單自由度連桿移動機器人控制方法的控制流程圖；圖11為本發(fā)明機器人的運動過程示意圖。
具體實施例方式為使本發(fā)明的上述目的、特征和優(yōu)點能夠更加明顯易懂，下面結合附圖和具體實 施方式對本發(fā)明作進一步詳細的說明。參照圖1至圖9，單自由度連桿移動機器人包括第一機器人頭部1與第三組件3、 第四組件4和第五組件5通過轉動副聯(lián)接；第三組件3包括機器人上連接桿9和電機10， 機器人上連接桿9和電機10在機器人上連接桿9的一端相對固定聯(lián)接；第四組件4包括機 器人上連接桿14和配重塊15，機器人上連接桿14和配重塊15在機器人上連接桿14的一 端相對固定聯(lián)接；第五組件5同第四組件4 ；第三組件3與機器人下連接桿6之間為轉動關 系，第三組件3中，電機10的電機輸出軸11與機器人下連接桿6相對固定聯(lián)接；第四組件 4與機器人下連接桿7之間為轉動關系，第四組件4中，配重塊15的轉動軸16與機器人下 連接桿8相對固定聯(lián)接；第五組件5與機器人下連接桿8同組件4與機器人下連接桿7 ；機 器人下連接桿6的一端與機器人頭部2通過轉動副聯(lián)接；機器人下連接桿7與第二機器人 頭部2，機器人下連接桿7與機器人頭部2，同機器人下連接桿6與第二機器人頭部2。在開始運動時，機器人處于初始姿態(tài)。驅動電機轉動使其所聯(lián)接的兩個桿件夾角 增大，當機器人具有一定的慣性并足以克服重力做功能時，其重心可以落在支持區(qū)域之外， 從而實現(xiàn)翻轉移動。若機器人翻轉時繞其兩個著地點所在的直線運動，則其運動方向確定， 且翻轉運動后機器人會有兩個桿件著地，運動穩(wěn)定，為定向移動；若機器人翻轉時繞其一個 著地點運動，由于機器人的運動慣性，其會沿原運動方向翻轉，但機器人翻轉后會出現(xiàn)只有 一個桿件著地的不穩(wěn)定狀態(tài)，機器人會隨機地發(fā)生向單一著地桿件一側翻倒，機器人重心 偏離原移動方向，從而實現(xiàn)機器人的轉向運動，為概率翻轉移動。由于本發(fā)明所述機器人實現(xiàn)轉向的過程為一個服從伯努利分布的隨機過程，即機 器人可能向單一著地桿件的一側或者另一側翻倒，因此需要對機器人翻轉后的結果進行選 擇和控制，進而實現(xiàn)機器人的可控運動。由于機器人在方向偏轉時向任意一側翻轉的概率相等，均為1/2，所以機器人在完 成一次概率翻轉動作后，若向預期移動方向偏轉則進行下一步動作，若未向預期移動方向 偏轉則回退到翻轉前位置，重新進行概率翻轉動作，直至機器人向預期方向偏轉。由于機器
4人連續(xù)向非預期方向偏轉的動作發(fā)生的概率逐漸趨近于零，所以通過對機器人概率翻轉動 作的結果進行選擇，可以實現(xiàn)對機器人方向偏轉的控制。參照圖10，圖10為本發(fā)明單自由度連桿移動機器人控制方法的控制流程圖，包括 如下步驟步驟Si，機器人位于出發(fā)點，機構的初始位姿如圖ll-(a)所示；定義機器人運動 的最終位置與目標點之間的誤差值，作為機器人判斷近似達到目標點和運動停止的條件。步驟S2，獲取當前位置，判斷該當前位置與目標位置之間的距離是否小于預先設 定的閾值？若是，則認為機器人到達目標位置，結束控制程序；若否，則執(zhí)行步驟S3。步驟S3，設定步長，計算下一步的運動位置與運動方向，選擇運動步態(tài)，即概率步 態(tài)運動或定向步態(tài)運動(在定向運動步態(tài)中機器人運動方向不變，在概率運動步態(tài)中機器 人運動方向改變)。步驟S4，判斷是否為定向運動？若是，則執(zhí)行步驟S2，機器人姿態(tài)如圖ll-(b)所 示，若否，則執(zhí)行步驟S5。步驟S5，進行概率運動，機器人的姿態(tài)如圖ll-(d)所示。步驟S6，判斷是否到達預期的下一步的位置，若是，則執(zhí)行步驟S2，若否，則執(zhí)行 步驟S5。也就是說，機器人在向目標移動的過程中，通過檢測判斷走過一步后是否更加靠 近目標來實現(xiàn)定向運動控制。若機器人走過一步后的所在位置點到目標的距離不大于前一 位置到目標的距離，則機器人繼續(xù)下一步移動；若機器人走過一步后的所在位置點到目標 的距離大于前一位置到目標的距離，則機器人反向運動，如果這一步為定向運動，則機器人 會退回到前一位置，如果這一步為概率翻轉運動，則機器人會退回到前一位置或者另一個 位置，機器人重新移動并進行所在點到目標的距離判斷。當機器人所在位置到達目標的距 離小于預定值時，則認為機器人到達目標，停止移動或完成下一動作。參照圖11，圖11為本發(fā)明機器人單運動周期的運動過程示意圖。圖11中實線箭頭表示移動機構當前運動方向，虛線箭頭表示原運動方向。步驟1初始位置設置機構的初始位姿，機構的AD和AE兩個桿著地，機構質心位于AD和AE兩個桿 件構成的三角形內部，機構處于穩(wěn)定狀態(tài)，如圖11-a所示。步驟2準備定向翻轉機構驅動機使兩個連接桿間夾角擴大，兩個頂點間距離加大，使機構質心向前移 動，逐漸接近翻轉軸線，并具有一定的速度，如圖11-b所示。步驟3完成定向翻轉機構在慣性作用下，質心越過翻轉軸線，機構發(fā)生翻轉運動；相鄰面的兩根桿件著 地。由于在此動作中機構的運動方向是沿著翻轉軸線的法線方向，故此步中機構運動為確 定的。如圖11-c。步驟4概率翻轉完成第三步后，機構的驅動機迅速反向旋轉，使兩個連接桿間的夾角縮小，兩個頂 點間的距離縮短，使機構的質心沿原前進方向繼續(xù)移動，直至再次達到一定的動能，使機構 可以在慣性下繞前方頂點、沿原前進方向翻轉。此時翻轉后的瞬間，出現(xiàn)只有一根桿著地的
5情況。如圖11-d，圖11-e和圖11-f所示。步驟5側向翻轉(完成概率翻轉)第四步中，完成第二次翻轉后的這個狀態(tài)是不穩(wěn)定的，機構通過下一個向某一側 翻倒的動作趨向于為穩(wěn)定狀態(tài)。在地面平坦、機構質量分布均勻、無外界干擾等理想條件 下，這個隨機過程是服從伯努力概率分布的，向每一側翻倒的概率相等。如圖所示，其中圖 11-g和圖11-h為向一側翻倒的情況，圖11-i和圖11-j為向另一側翻倒的情況。完成側向 翻轉動作后，經(jīng)過一次小幅度的姿態(tài)調整，機構重新回到初始的姿態(tài)。以上對本發(fā)明所提供的單自由度連桿移動機器人及其控制方法進行詳細介紹，本 文中應用了具體實施例對本發(fā)明的原理及實施方式進行了闡述，以上實施例的說明只是用 于幫助理解本發(fā)明的方法及其核心思想；同時，對于本領域的一般技術人員，依據(jù)本發(fā)明的 思想，在具體實施方式
及應用范圍上均會有改變之處。綜上所述，本說明書內容不應理解為 對本發(fā)明的限制。
權利要求
一種單自由度連桿移動機器人，其特征在于，包括第一機器人頭部、第二機器人頭部，連接于所述第一機器人頭部與所述第二機器人頭部之間的第三組件、第四組件和第五組件；所述第三組件、第四組件與第五組件的一端通過轉動副與所述第一機器人頭部相連接；所述第三組件、第四組件與第五組件的另一端通過下連接桿與所述第二機器人頭部通過轉動副相連接。
2.根據(jù)權利要求1所述的連桿移動機器人，其特征在于，所述第三組件包括上連接桿 和電機，所述上連接桿和所述電機在所述上連接桿的一端相對固定連接。
3.根據(jù)權利要求1所述的連桿移動機器人，其特征在于，所述第四組件包括上連接桿 和配重塊，所述上連接桿和所述配重塊在所述上連接桿的一端相對固定連接。
4.根據(jù)權利要求1所述的連桿移動機器人，其特征在于，所述第五組件包括上連接桿 和配重塊，所述上連接桿和所述配重塊在所述上連接桿的一端相對固定連接。
5.根據(jù)權利要求1所述的連桿移動機器人，其特征在于，所述第三組件、第四組件和第 五組件與所述下連接桿通過轉動副相連接。
6.一種單自由度機器人的控制方法，用于對如權利要求1至5中任一項所述的單自由 度機器人進行控制，其特征在于，包括如下步驟步驟Si，定義誤差值；步驟S2，獲取當前位置，判斷該當前位置是與目標位置之間的所述誤差是否小于設定 的閾值？若是，則結束控制程序，若否，則執(zhí)行步驟S3 ；步驟S3，設定步長，計算下一步的運動位置，選擇運動步態(tài)；步驟S4，判斷是否為定向運動？若是，則執(zhí)行步驟S2，若否，則執(zhí)行步驟S5 ；步驟S5，進行概率運動；步驟S6，判斷是否到達下一步的位置，若是，則執(zhí)行步驟S2，若否，則執(zhí)行步驟S5。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種單自由度連桿移動機器人及其控制方法。其中，該單自由度連桿移動機器人包括第一機器人頭部、第二機器人頭部，連接于所述第一機器人頭部與所述第二機器人頭部之間的第三組件、第四組件和第五組件；所述第三組件、第四組件與第五組件的一端通過轉動副與所述第一機器人頭部相連接；所述第三組件、第四組件與第五組件的另一端通過下連接桿與所述第二機器人頭部通過轉動副相連接。本發(fā)明實現(xiàn)了單自由度機器人的二維空間運動，即可以實現(xiàn)一定意義的直行與轉向功能，為新型移動機器人的設計與研究提供了參考依據(jù)。
文檔編號B25J9/08GK101890714SQ20101020712
公開日2010年11月24日 申請日期2010年6月23日 優(yōu)先權日2010年6月23日
發(fā)明者姚燕安, 田耀斌, 郭一竹 申請人:北京交通大學