本發(fā)明涉及一種球形機(jī)器人的三輪轉(zhuǎn)體內(nèi)驅(qū)動方法。

背景技術(shù)：

我國核電的發(fā)展經(jīng)歷了“起步”、“適度發(fā)展”階段，當(dāng)前已向“積極發(fā)展”轉(zhuǎn)變，核與輻射安全監(jiān)管是核安全的基礎(chǔ)和前提。歷史上的幾次大的核事故給核電的發(fā)展造成了重大影響，核電安全已成為全球關(guān)注的焦點。因此必須對核設(shè)施進(jìn)行嚴(yán)格的監(jiān)測和維護(hù)，及時發(fā)現(xiàn)并更換老化、故障設(shè)備，并對廢棄核裝置進(jìn)行去污和拆卸等處理，以保證核電站正常、安全地運行。這些作業(yè)需要在放射性環(huán)境下進(jìn)行，工作人員如果直接進(jìn)入核設(shè)施內(nèi)部對設(shè)備進(jìn)行維修、檢查等操作，無疑會受到大量的輻射，嚴(yán)重的可能造成人員傷亡事故；另外，需要監(jiān)測和維護(hù)的設(shè)備繁多、作業(yè)環(huán)境復(fù)雜、場地狹窄，有些地方還是人不可到達(dá)的區(qū)域。因此，采用機(jī)器人代替人進(jìn)入核電站開展日常監(jiān)測和維護(hù)工作，具有廣闊的應(yīng)用前景。

目前，不少國家研制成功了遠(yuǎn)距離控制的核工業(yè)機(jī)器人。大多數(shù)核工業(yè)機(jī)器人采用的是車輪或履帶，或車輪和履帶相結(jié)合的行走方式，少數(shù)的機(jī)器人采用多足或兩足行走方式。該類型機(jī)器人具有平面運動能力強(qiáng)、可控性較高，載重較大等優(yōu)點，與此同時，此類機(jī)器人存在制造成本高、體型大、運動損耗大、受地形局限性高等缺點。因此，設(shè)計一款體積小、質(zhì)量輕、運動靈便、運動效率高、以及監(jiān)測能力受環(huán)境設(shè)施局限小的核環(huán)境巡檢機(jī)器人成為該技術(shù)領(lǐng)域技術(shù)人員亟待解決的問題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是：提供一種球形機(jī)器人的三輪轉(zhuǎn)體內(nèi)驅(qū)動方法，解決現(xiàn)有技術(shù)運動不靈便、運動效率低、以及監(jiān)測能力受環(huán)境設(shè)施局限大的問題。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：

一種球形機(jī)器人的三輪轉(zhuǎn)體內(nèi)驅(qū)動方法，所述球形機(jī)器人包括球形外殼，以及均設(shè)在球形外殼內(nèi)且從上到下依次固定連接的探測器支架、探測器、電路模塊、支撐板、電池倉和驅(qū)動裝置，所述探測器支架上設(shè)有牛眼輪，所述牛眼輪朝上并與球形外殼內(nèi)壁滑動接觸；

所述驅(qū)動裝置有三個且分布于同一水平面上，所述三個驅(qū)動裝置在同一水平面上的連線組成一個等邊三角形，所述每一個驅(qū)動裝置均包括與球形外殼內(nèi)壁滑動接觸的麥克納姆輪和固定在麥克納姆輪內(nèi)側(cè)用于驅(qū)動麥克納姆輪運動的驅(qū)動電機(jī)，所述三個麥克納姆輪分別通過三根互成90°角的驅(qū)動桿與支撐板下側(cè)面固定連接，所述所有驅(qū)動電機(jī)均與電路模塊信號連接；

所述電池倉有兩個并對稱固定在支撐板下側(cè)面兩端，所述兩個電池倉與支撐板組合后的重心位于球形外殼球心的正下方，所述每個電池倉內(nèi)均設(shè)有電池組，所述電池組分別與探測器、電路模塊和所有驅(qū)動電機(jī)電連接；

所述探測器包括集成CZT探測器和IMU慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，所述集成CZT探測器通過電壓模塊與電池組電連接，所述集成CZT探測器和IMU慣性導(dǎo)航系統(tǒng)均與電路模塊；

所述驅(qū)動方法包括以下步驟：

a、通過無線方式接收指定到達(dá)的目標(biāo)位置坐標(biāo)，并獲取球形機(jī)器人球心與目標(biāo)位置的目標(biāo)參數(shù)(D，θ)，其中，D為球形機(jī)器人球心到目標(biāo)位置的水平連線距離，設(shè)置三個麥克納姆輪中的任意一個為球形機(jī)器人頭朝向輪，用1號輪表示，其余兩個輪以1號輪為參照按逆時針方向依次用2號輪和3號輪表示，θ為球形機(jī)器人球心和目標(biāo)位置的水平連線與1號輪沿球形機(jī)器人外側(cè)面所指向的方向之間的夾角；

b、獲取到目標(biāo)參數(shù)后，通過電路模塊控制相應(yīng)的驅(qū)動電機(jī)啟動1號輪、2號輪和3號輪運行，使1號輪、2號輪和3號輪以同向且相同的角速度ω運動，此時球形機(jī)器人以3ω的角速度原地轉(zhuǎn)動；

c、探測器中IMU慣導(dǎo)系統(tǒng)的陀螺儀積分得到球形機(jī)器人轉(zhuǎn)動角度并傳送至電路模塊，當(dāng)電路模塊接收到球形機(jī)器人轉(zhuǎn)動角度等于θ時，控制相應(yīng)的驅(qū)動電機(jī)使1號輪、2號輪和3號輪同時停止運行，此時1號輪正對目標(biāo)位置；

d、通過電路模塊控制相應(yīng)的驅(qū)動電機(jī)啟動2號輪和3號輪分別以ω₂和ω₃的角速度運行，ω₂和ω₃大小相等且方向相反，同時1號輪作為從動輪運行，并且運行速度與2號輪或3號輪在1號輪所指方向的分速度相同，此時球形機(jī)器人正對目標(biāo)位置直線滾動運行；

e、探測器中IMU慣導(dǎo)系統(tǒng)的速度信息融合二重積分得到球形機(jī)器人直線滾動距離并傳送至電路模塊，當(dāng)電路模塊接收到球形機(jī)器人直線滾動距離等于D時，控制相應(yīng)的驅(qū)動電機(jī)使1號輪、2號輪和3號輪同時停止運行，此時球形機(jī)器人到達(dá)目標(biāo)位置。

具體地說，所述電路模塊包括位于上層的數(shù)據(jù)采集芯片、位于中層的主控制電路芯片、以及位于下層的電池管理芯片和電機(jī)驅(qū)動芯片，所述主控制電路芯片與數(shù)據(jù)采集芯片串口通信連接，所述主控制電路芯片分別與電池管理芯片和電機(jī)驅(qū)動芯片均通過I/O接口連接，所述數(shù)據(jù)采集芯片和主控制電路芯片均通過電壓模塊與電池組電連接，所述電池管理芯片和電機(jī)驅(qū)動芯片均與電池組電連接；所述電機(jī)驅(qū)動芯片與所有驅(qū)動電機(jī)均采用信號連接，所述集成CZT探測器與數(shù)據(jù)采集芯片通過串口接口通信連接，所述IMU慣性導(dǎo)航系統(tǒng)與數(shù)據(jù)采集芯片通過SPI接口通信連接。

具體地說，所述主控制電路芯片的型號為STM32F407，所述數(shù)據(jù)采集芯片的型號為Altera Cyclone II，所述電機(jī)驅(qū)動芯片的型號為ULN2003a，所述電池管理芯片的型號為BQ27x00。

具體地說，所述IMU慣性導(dǎo)航系統(tǒng)為型號為ST LSM9DS0的芯片。

具體地說，所述電池組為18650型鋰電池。

具體地說，所述電壓模塊為12V-5V電壓模塊。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果：

本發(fā)明球形機(jī)器人通過將兩個電池倉對稱設(shè)在支撐板下面兩側(cè)且兩個電池倉與支撐板組合的重心位于球形外殼球心的正下方，在一定范圍內(nèi)盡可能地降低了整個球形機(jī)器人的重心位置，從而降低了轉(zhuǎn)動慣量，使本球形機(jī)器人的運動效率和靈敏度得到了很大的提高；采用三軸式輪式內(nèi)驅(qū)動方法進(jìn)行驅(qū)動，并且驅(qū)動輪均采用麥克納姆輪，提高了球體外殼的運動效率，從而實現(xiàn)機(jī)器人全向性的、低能耗的運動；本球形機(jī)器人球形外殼尺寸小，質(zhì)量輕，運動靈便，運動效率高，設(shè)計簡單科學(xué)，操作便捷，使用時還能夠深入很多人類和大型巡檢機(jī)器人無法到達(dá)的區(qū)域，受核輻射環(huán)境設(shè)施局限性小，使本球形機(jī)器人的實用范圍得到很大的擴(kuò)展。

本發(fā)明采用電路模塊全程直接控制相應(yīng)的驅(qū)動電機(jī)來控制三個麥克納姆輪的運行，通過三個麥克納姆輪的運行來控制球形機(jī)器人的運行方向和運行速度，并采取IMU慣性導(dǎo)航系統(tǒng)對球形機(jī)器人運行狀態(tài)進(jìn)行實時監(jiān)測，采用CZT探測器對被監(jiān)測環(huán)境進(jìn)行巡檢監(jiān)測，與球形機(jī)器人的特殊結(jié)構(gòu)巧妙配合并可驅(qū)動球形機(jī)器人到達(dá)隨意指定目標(biāo)位置，本發(fā)明對球形機(jī)器人的運動方向操控簡便，在本發(fā)明方法的驅(qū)動下，與之相配合的球形機(jī)器人運動靈活，運動效率高，并且能精準(zhǔn)地到達(dá)指定目標(biāo)位置。

附圖說明

圖1為本發(fā)明球形機(jī)器人內(nèi)驅(qū)動方法框圖。

圖2為本發(fā)明球形機(jī)器人結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3為本發(fā)明球形機(jī)器人俯視圖。

圖4為本發(fā)明球形機(jī)器人運動分解圖。

其中，附圖標(biāo)記對應(yīng)的名稱為：

1-驅(qū)動電機(jī)、2-探測器、3-球形外殼、4-探測器支架、5-電路模塊、6-支撐板、7-電池倉、8-麥克納姆輪。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖說明和實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明，本發(fā)明的方式包括但不僅限于以下實施例。

實施例

如圖1-3所示，一種球形機(jī)器人的三輪轉(zhuǎn)體內(nèi)驅(qū)動方法，所述球形機(jī)器人包括球形外殼3，以及均設(shè)在球形外殼3內(nèi)且從上到下依次固定連接的探測器支架4、探測器2、電路模塊5、支撐板6、電池倉7和驅(qū)動裝置；所述探測器支架4設(shè)有牛眼輪，所述牛眼輪朝上并與球形外殼3內(nèi)壁滑動接觸，所述電池倉7有兩個并對稱固定在支撐板6下側(cè)面兩端，所述兩個電池倉7與支撐板6組合后的重心位于球形外殼3球心的正下方。

所述驅(qū)動裝置有三個且分布于同一水平面上，所述三個驅(qū)動裝置在同一水平面上的連線組成一個等邊三角形，所述每一個驅(qū)動裝置均包括與球形外殼3內(nèi)壁滑動接觸的麥克納姆輪8和固定在麥克納姆輪8內(nèi)側(cè)用于驅(qū)動麥克納姆輪8運動的驅(qū)動電機(jī)1，所述三個麥克納姆輪8分別通過三根互成90°角的驅(qū)動桿與支撐板6下側(cè)面固定連接，所述所有驅(qū)動電機(jī)1均與電路模塊5信號連接。

所述電路模塊5包括位于上層的數(shù)據(jù)采集芯片、位于中層的主控制電路芯片、以及位于下層的電池管理芯片和電機(jī)驅(qū)動芯片，所述主控制電路芯片與數(shù)據(jù)采集芯片串口通信連接，所述主控制電路芯片分別與電池管理芯片和電機(jī)驅(qū)動芯片均通過I/O接口連接，所述電機(jī)驅(qū)動芯片分別與所有驅(qū)動電機(jī)1信號連接。

所述探測器2包括集成CZT探測器和IMU慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，所述集成CZT探測器與數(shù)據(jù)采集芯片通過串口接口通信連接，所述IMU慣性導(dǎo)航系統(tǒng)與數(shù)據(jù)采集芯片通過SPI接口通信連接。

所述每個電池倉7內(nèi)均設(shè)有電池組，所述集成CZT探測器、數(shù)據(jù)采集芯片和主控制電路芯片均通過電壓模塊與電池組電連接，所述電池管理芯片和電機(jī)驅(qū)動芯片均與電池組電連接，所述驅(qū)動電機(jī)1與電池組電連接。

所述主控制電路芯片的型號為STM32F407，所述數(shù)據(jù)采集芯片的型號為Altera Cyclone II，所述電機(jī)驅(qū)動芯片的型號為ULN2003a，所述電池管理芯片的型號為BQ27x00，所述IMU慣性導(dǎo)航系統(tǒng)為型號為ST LSM9DS0的芯片，所述電池組為18650型鋰電池，所述電壓模塊為12V-5V電壓模塊。

本發(fā)明球形機(jī)器人內(nèi)驅(qū)動方法包括以下步驟：

a、通過無線方式接收指定到達(dá)的目標(biāo)位置坐標(biāo)，并獲取球形機(jī)器人球心與目標(biāo)位置的目標(biāo)參數(shù)(D，θ)，其中，D為球形機(jī)器人球心到目標(biāo)位置的水平連線距離，設(shè)置三個麥克納姆輪中的任意一個為球形機(jī)器人頭朝向輪，用1號輪表示，其余兩個輪以1號輪為參照按逆時針方向依次用2號輪和3號輪表示，θ為球形機(jī)器人球心和目標(biāo)位置的水平連線與1號輪沿球形機(jī)器人外側(cè)面所指向的方向之間的夾角；

b、獲取到目標(biāo)參數(shù)后，通過電路模塊控制相應(yīng)的驅(qū)動電機(jī)啟動1號輪、2號輪和3號輪運行，使1號輪、2號輪和3號輪以同向且相同的角速度ω運動，此時球形機(jī)器人以3ω的角速度原地轉(zhuǎn)動；

c、探測器中IMU慣導(dǎo)系統(tǒng)的陀螺儀積分得到球形機(jī)器人轉(zhuǎn)動角度并傳送至電路模塊，當(dāng)電路模塊接收到球形機(jī)器人轉(zhuǎn)動角度等于θ時，控制相應(yīng)的驅(qū)動電機(jī)使1號輪、2號輪和3號輪同時停止運行，此時1號輪正對目標(biāo)位置；

d、通過電路模塊控制相應(yīng)的驅(qū)動電機(jī)啟動2號輪和3號輪分別以ω₂和ω₃的角速度運行，ω₂和ω₃大小相等且方向相反，同時1號輪作為從動輪運行，并且運行速度與2號輪或3號輪在1號輪所指方向的分速度相同，此時球形機(jī)器人正對目標(biāo)位置直線滾動運行；

e、探測器中IMU慣導(dǎo)系統(tǒng)的速度信息融合二重積分得到球形機(jī)器人直線滾動距離并傳送至電路模塊，當(dāng)電路模塊接收到球形機(jī)器人直線滾動距離等于D時，控制相應(yīng)的驅(qū)動電機(jī)使1號輪、2號輪和3號輪同時停止運行，此時球形機(jī)器人到達(dá)目標(biāo)位置。

本發(fā)明采用電路模塊5全程直接控制相應(yīng)驅(qū)動電機(jī)1來控制1號輪、2號輪和3號輪的運行，并通過1號輪、2號輪和3號輪的運行來最終控制球形機(jī)器人的運行方向和運行速度。具體如圖4所示，圖中R₁、R₂和R₃分別為1號輪、2號輪和3號輪的輪中心點，連接1號輪、2號輪和3號輪的三根驅(qū)動桿的連接點或者延長線的交點用O表示，O位于球形機(jī)器人的球形外殼3與地面的接觸點和球形機(jī)器人的圓心的連線上，并且球形外殼3與地面的接觸點和球形機(jī)器人的圓心的連線與地面垂直。根據(jù)參考方向，交點O、R₁直線與參考方向x軸平行或重合。此時輪2和輪3以O(shè)R₁直線對稱。當(dāng)前輪2、輪3的軸心線速度分別為v₂、v₃，且v₂具有x、y軸上的分速度分別為v_2x和v_2y，且v₃具有x、y軸上的分速度分別為v_3x和v_3y。當(dāng)前v₂＝v₃，由于輪2、輪3線對稱，v_2y與v_3y作用在球上的方向相反，相互抵消，此時只有向前的驅(qū)動速度。由于三輪均采用麥克納姆萬向輪設(shè)計，此時輪1作為從動輪，不提供動力，但是具有向前的速度v₁，并且此時v₁＝v_2x＝v_3x。而輪子軸心線速度v_i來自輪子轉(zhuǎn)動的角速度ω_i，ω_i等于驅(qū)動電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速ω_電機(jī)，且v_i＝ω_i*r_輪，r為麥克納姆萬向輪的輪半徑。

麥克納姆萬向輪的轉(zhuǎn)速與x方向上的分速度關(guān)系如下：

v₁＝v_2x＝v_3x＝v₂*cos(∠v₂R₂v_2x)＝v₃*cos(∠v₃R₃v_3x)＝v₂*cos30°＝v₃*cos30°(∠R₁OR₂＝120°＝>∠OR₂v_2x＝60°＝>∠v₂R₂v_2x＝30°，∠v₃R₃v_3x同理)

考慮麥克納姆萬向輪與球形外殼內(nèi)壁間無滑動，在萬向輪與球形外殼內(nèi)壁的接觸點的速度等于萬向輪的速度，可以得到電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速與球形機(jī)器人的滾動速度間的關(guān)系為:

ω_球＝ω_2x＝ω_3x＝ω₂*cos30°＝ω₃*cos30°＝ω_電機(jī)*cos30°(角速度標(biāo)量值)

v_球＝ω_球*r_球＝ω_電機(jī)*cos30°*r_球。

向后運動同理。

同時，根據(jù)球形機(jī)器人的結(jié)構(gòu)，支撐板6下方安裝配重的電池倉7，萬向輪與球形外殼之間的摩擦力提供的向上的分力小于電池倉7所受的重力，因此不會造成球形機(jī)器人的豎直方向上的運動。

本發(fā)明球形機(jī)器人通過將兩個電池倉7對稱設(shè)在支撐板6下面兩側(cè)且兩個電池倉7與支撐板6組合的重心位于球形外殼3球心的正下方，在一定范圍內(nèi)盡可能地降低了整個球形機(jī)器人的重心位置，從而降低了轉(zhuǎn)動慣量，使本球形機(jī)器人的運動效率和靈敏度得到了很大的提高；采用三軸式輪式內(nèi)驅(qū)動方法進(jìn)行驅(qū)動，并且驅(qū)動輪均采用麥克納姆輪8，提高了球體外殼3的運動效率，從而實現(xiàn)機(jī)器人全向性的、低能耗的運動；本球形機(jī)器人球形外殼3尺寸小，質(zhì)量輕，運動靈便，運動效率高，設(shè)計簡單科學(xué)，操作便捷，使用時還能夠深入很多人類和大型巡檢機(jī)器人無法到達(dá)的區(qū)域，受核輻射環(huán)境設(shè)施局限性小，使本球形機(jī)器人的實用范圍得到很大的擴(kuò)展。

本發(fā)明采用電路模塊5全程直接控制相應(yīng)驅(qū)動電機(jī)1來控制三個麥克納姆輪8的運行，通過三個麥克納姆輪8的運行來控制球形機(jī)器人的運行方向和運行速度，并采取IMU慣性導(dǎo)航系統(tǒng)對球形機(jī)器人運行狀態(tài)進(jìn)行實時監(jiān)測，采用CZT探測器對被監(jiān)測環(huán)境進(jìn)行巡檢監(jiān)測，與球形機(jī)器人的特殊結(jié)構(gòu)巧妙配合并可驅(qū)動球形機(jī)器人到達(dá)隨意指定目標(biāo)位置，本發(fā)明對球形機(jī)器人的運動方向操控簡便，在本發(fā)明方法的驅(qū)動下，與之相配合的球形機(jī)器人運動靈活，運動效率高，并且能精準(zhǔn)地到達(dá)指定目標(biāo)位置。

上述實施例僅為本發(fā)明的優(yōu)選實施方式之一，不應(yīng)當(dāng)用于限制本發(fā)明的保護(hù)范圍，但凡在本發(fā)明的主體設(shè)計思想和精神上作出的毫無實質(zhì)意義的改動或潤色，其所解決的技術(shù)問題仍然與本發(fā)明一致的，均應(yīng)當(dāng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。