一种四面体翻滚机器人及其运动关节参数优化方法技术

本发明专利技术涉及一种四面体翻滚机器人及其运动关节参数优化方法，其中机器人通过其支撑臂的组合摆动来实现翻滚运动，动作步骤简单且各个关节间可独立控制，简化了机器人的整体结构并降低了控制难度；通过确定四面体翻滚机器人的特征参数，结合翻滚条件筛选出四面体翻滚机器人的可翻滚形状；通过在特定的关节运动速度下，机器人的形状到翻滚所需时间的关系来确定摆动关节的最优目标值；并给出了机器人旋转关节的角度变化方法。与现有技术相比，本发明专利技术解决了四面体翻滚机器人运动步骤多、运动过程耗时的缺点，使得对应的四面体翻滚机器人在该关节参数下进行运动时所花费的时间最短，提升了机器人的运动效率。机器人的运动效率。机器人的运动效率。

【技术实现步骤摘要】
一种四面体翻滚机器人及其运动关节参数优化方法


[0001]本专利技术涉及四面体机器人
，尤其是涉及一种四面体翻滚机器人及其运动关节参数优化方法。

技术介绍

[0002]近年来，应用于陆地环境探测的移动机器人成为机器人研究的热点。传统的移动机器人无法应对复杂的地面环境，对移动机器人的环境适应能力提出了新的挑战。翻滚机器人通过改变自身形状来进行翻滚运动，克服了传统移动机器人在未知环境中发生倾覆后丧失运动能力的问题。对翻滚机器人运动的研究对移动机器人的发展具有重要意义。
[0003]中国专利申请CN101664926A提出了一种具有并联机构的四面体翻滚机器人，由六根伸缩臂和四个节点板件构成。其具有较强的变形能力，可以通过伸缩臂来实现机器人自身的翻滚，但其伸缩臂在变形运动过程中尺寸相互关联，对伸缩臂长度的变化所需的控制精度要求高且控制过程复杂。中国专利申请CN104118488A提出了一种可自主移动的翻滚机器人，该机器人由四根可伸缩的支撑臂与中心连接块连接，支撑臂的另一端分别对应到正四面体的四个顶点。其可利用全向轮在平面上实现任意方向的移动，还可以通过支撑臂的伸缩与摆动来移动自身重心从而进行翻滚。但其翻滚动作中支撑臂需要进行摆动的同时还要进行伸缩变形，这造成了机器人支撑臂的结构复杂，同时也造成了运动控制的复杂性。
[0004]综上所述，虽然目前学者们做出了许多四面体翻滚机器人的研究，但此类翻滚机器人依然存在翻滚步骤多、运动过程耗时的缺点。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种四面体翻滚机器人及其运动关节参数优化方法，在本专利技术中，设计了一种四面体翻滚机器人，该机器人通过其支撑臂的组合摆动来实现翻滚运动，动作步骤简单且各个关节间可独立控制，简化了机器人的整体结构并降低了控制难度。在机器人运动过程中，所提出的关节参数优化方法使得该机器人在参数下进行耗时最短的翻滚运动，提升了机器人的运动效率。
[0006]本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：
[0007]一种四面体翻滚机器人，其特征在于，包括支撑臂A、支撑臂B、支撑臂C、支撑臂D及中心块；
[0008]所述支撑臂A包括旋转关节、摆动关节及控制电路板，旋转关节及摆动关节中分别设有电机，电机用于控制旋转关节及摆动关节的角度；
[0009]所述支撑臂B、支撑臂C及支撑臂D与支撑臂A结构相同；
[0010]支撑臂A、支撑臂B、支撑臂C及支撑臂D上的转动关节分别与中心块连接；
[0011]所述控制电路板控制各个支撑臂上旋转关节及摆动关节的转动，实现机器人的翻滚运动。
[0012]进一步地，所述旋转关节上设有转轴；
[0013]旋转关节通过推力轴承与摆动关节连接，设有顶丝固定摆动关节相对旋转关节的转轴的周向旋转角度，并通过双螺母固定摆动关节相对旋转关节的轴向位置。
[0014]进一步地，所述的支撑臂A还包括支撑臂结构板及电路板支架；
[0015]所述电路板支架设于支撑臂结构板上；所述控制电路板设于电路板支架上；控制电路板用于接收旋转关节与摆动关节内电机传出的旋转角度信号，并对两关节内的电机进行角度控制；
[0016]所述支撑臂结构板安装于摆动关节的转轴上。
[0017]进一步地，在旋转关节中，设有关节盖将电机安装在关节座内，并通过蜗轮蜗杆结构将动力传递到转轴；
[0018]设有螺栓a、螺栓b、螺母b、螺栓c及螺母c将关节盖与关节座相固定；
[0019]转轴上设有零位挡板，当转轴转动到某个位置时，零位挡板触发旋转关节上的零位开关；
[0020]螺栓安装在关节座前侧螺纹孔内，旋入后有一部分螺纹段进入蜗杆的孔中，用于辅助支撑蜗杆，减小蜗轮对蜗杆径向力所引起的变形。
[0021]进一步地，所述的控制电路板包括复位按钮1、复位按钮2、无线通信模块、电源模块、微控制器及电机驱动模块，控制电路板与同一个支撑臂内旋转关节以及摆动关节中的零位开关及电机相连接；
[0022]所述微控制器与外部上位机相连；
[0023]所述电源模块用于对其余模块进行供电，无线通信模块用于控制支撑臂中的微控制器与上位机的信息交换；
[0024]微控制器用于根据上位机指令对电机驱动模块发送相应控制指令；电机驱动模块用于根据所述控制指令分别控制旋转关节与摆动关节中的电机；
[0025]所述复位按钮用于机器人首次开机后对关节进行校准。
[0026]进一步地，所述的摆动关节与所述的旋转关节仅在输出转轴的后续连接结构有所区别。在摆动关节内，支撑臂结构板取代了旋转关节内的定位隔套与零位挡板。
[0027]将各部件进行上述连接后，需对其进行调整，包含以下步骤：
[0028]T1、机器人通电开机后按下各支撑臂内的复位按钮，机器人各关节运动到关节零位。
[0029]T2、将机器人放置在地面上，使支撑臂A、支撑臂B、支撑臂C与地面接触，此时支撑臂D竖直向上。
[0030]T3、调整支撑臂A、支撑臂B、支撑臂C上摆动关节相对旋转关节内转轴的周向位置，使支撑臂A、支撑臂B、支撑臂C的摆动平面与地面垂直。
[0031]T4、调整支撑臂D上摆动关节相对旋转关节内转轴的周向位置，使支撑臂D的摆动平面垂直于BC连线，并使摆动方向朝向BC连线。
[0032]通过上述的连接与调整，构成了本专利技术方法所对应的四面体翻滚机器人。此时机器人的支撑臂A、支撑臂B、支撑臂C、支撑臂D所在直线汇聚在中心块处，并定义机器人处于初始状态。
[0033]本专利技术方法所对应的四面体翻滚机器人，其运动方法，包含以下步骤：
[0034]Y1、支撑臂A与支撑臂D上摆动关节分别转过角度θ
sA
与θ
sD
，机器人沿BC连线翻滚。
[0035]Y2、机器人完成翻滚后，支撑臂A与支撑臂D分别回到各自的关节零位，此时机器人四条支撑臂所在直线重新汇聚到中心块处。
[0036]Y3、控制支撑臂B、支撑臂C与支撑臂A的旋转关节分别转过θ
rB
、θ
rC
与θ
rA
，机器人完成一个周期的翻滚运动，并定义此时状态作为下一个翻滚周期的初始状态。
[0037]上述步骤完成了本专利技术所述的四面体翻滚机器人的一个周期的翻滚运动，根据后续运动方向的选取，将支撑臂按顺序映射到初始状态即可不经改动地重复上述运动过程。
[0038]具体地，若后续绕CD连线翻滚，则将支撑臂BDCA重映射为支撑臂ABCD；若后续绕BD连线翻滚，则将支撑臂CBDA重映射为支撑臂ABCD；若后续绕BC连线翻滚，则将支撑臂DCBA映射为支撑臂ABCD。
[0039]经过多个翻滚周期地运动后，机器人可完成在地面上地定向运动。
[0040]一种四面体翻滚机器人的运动关节参数优化方法，应用于如上所述的一种四面体翻滚机器人中，包括以下步骤：
[00本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种四面体翻滚机器人，其特征在于，包括支撑臂A(1000)、支撑臂B(2000)、支撑臂C(3000)、支撑臂D(4000)及中心块(5000)；所述支撑臂A(1000)包括旋转关节(1100)、摆动关节(1300)及控制电路板(1800)，旋转关节(1100)及摆动关节(1300)中分别设有电机(1107)，电机(1107)用于控制旋转关节(1100)及摆动关节(1300)的角度；所述支撑臂B(2000)、支撑臂C(3000)及支撑臂D(4000)与支撑臂A(1000)结构相同；支撑臂A(1000)、支撑臂B(2000)、支撑臂C(3000)及支撑臂D(4000)上的转动关节(1100)分别与中心块(5000)连接；所述控制电路板(1800)控制各个支撑臂上旋转关节(1100)及摆动关节(1300)的转动，实现机器人的翻滚运动。2.根据权利要求1所述的一种四面体翻滚机器人，其特征在于，所述旋转关节(1100)上设有转轴(1110)；旋转关节(1100)通过推力轴承(1200)与摆动关节(1300)连接，设有顶丝(1400)固定摆动关节(1300)相对旋转关节(1100)的转轴(1110)的周向旋转角度，并通过双螺母(1500)固定摆动关节(1300)相对旋转关节(1100)的轴向位置。3.根据权利要求2所述的一种四面体翻滚机器人，其特征在于，所述的支撑臂A(1000)还包括支撑臂结构板(1600)及电路板支架(1700)；所述电路板支架(1700)设于支撑臂结构板(1600)上；所述控制电路板(1800)设于电路板支架(1700)上；控制电路板(1800)用于接收旋转关节(1100)与摆动关节(1300)内电机(1107)传出的旋转角度信号，并对两关节内的电机(1107)进行角度控制；所述支撑臂结构板(1600)安装于摆动关节(1300)的转轴(1110)上。4.根据权利要求1所述的一种四面体翻滚机器人，其特征在于，在旋转关节(1100)中，设有关节盖(1105)将电机(1107)安装在关节座(1101)内，并通过蜗轮蜗杆结构将动力传递到转轴(1110)；设有螺栓a(1102)、螺栓b(1103A)、螺母b(1103B)、螺栓c(1106A)及螺母c(1106B)将关节盖(1105)与关节座(1101)相固定；转轴(1110)上设有零位挡板(1113)，当转轴(1110)转动到某个位置时，零位挡板(1113)触发旋转关节(1100)上的零位开关(1104)；螺栓(d1111)安装在关节座(1101)前侧螺纹孔内，旋入后有一部分螺纹段进入蜗杆(1108A)的孔中，用于辅助支撑蜗杆(1108A)，减小蜗轮(1108B)对蜗杆(1108A)径向力所引起的变形。5.根据权利要求4所述的一种四面体翻滚机器人，其特征在于，所述的控制电路板(1800)包括复位按钮1、复位按钮2、无线通信模块、电源模块、微控制器及电机驱动模块，控制电路板(1800)与同一个支撑臂内旋转关节(1100)以及摆动关节(1300)中的零位开关(1104)及电机(1107)相连接；所述微控制器与外部上位机相连；所述电源模块用于对其余模块进行供电，无线通信模块用于控制支撑臂中的微控制器与上位机的信息交换；微控制器用于根据上位机指令对电机驱动模块发送相应控制指令；电机驱动模块用于
根据所述控制指令分别控制旋转关节(1100)与摆动关节(1300)中的电机(1107)；所述复位按钮用于机器人首次开机后对关节进行校准。6.一种四面体翻滚机器人的运动关节参数优化方法，其特征在于，应用于如权利要求1
‑
5任一所述的一种四面体翻滚机器人中，包括以下步骤：确定四面体翻滚机器人的各个特征参数；根据机器人的翻滚条件f，筛选出可使机器人翻滚的形状(θ
sA
,θ
sD
)所构成的集合其中，θ
sA
为支撑臂A上摆动关节角度，θ
sD
为支撑臂D上摆动关节角度；若为空集，则重新调整四面体翻滚机器人的各个特征参数；若非空，则计算中元素(θ
sA
,θ
sD
)在特定摆动关节角速度下，四面体翻滚机器人完成翻滚所花费的时间t；根据求得的翻滚花费时间t中的最小值，确定四面体翻滚机器人在特定摆动关节角速度下所对应的θ
sA
与θ
sD
；分别确定支撑臂B的旋转关节转过的角度θ
rB
...

【专利技术属性】
技术研发人员：沈振军，王宇斌，陈冬冬，孔冬冬，吕品，施伟豪，
申请(专利权)人：上海大学，
类型：发明
国别省市：