【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及微型移动机器人的运动控制领域，具体涉及一种基于单振动电机实现机器人平面运动的控制方法。
技术介绍
1、近年来，随着机器人和微加工技术的迅速发展，微型机器人技术已经应用到机械、化学和医学临床诊断等诸多领域。目前，在各类学术期刊上公开报道的多种微型机器人中，绝大多数是采用轮式、履带式或关节伸缩蠕动等驱动方式；目前研究的主流驱动方式是轮式驱动，但是因为驱动轮和传动机构的尺寸无法做到真正的微型化，从而影响了其在微小环境中的应用，所以驱动机构的微型化问题是微型机器人领域的一大难题。
2、微型振动电机是属于直流有刷电机，电机轴上面有一个偏心轮，当电机转动的时候，偏心轮的圆心质点不在电机的转心上，使得电机处于不断的失去平衡状态，由于惯性作用引起振动。目前，微型振动电机在手机、游戏手柄、智能手表、智能手环、vr虚拟与现实穿戴设备等场景中得到广泛应用。
3、现有技术中采用单振动电机来实现机器人移动的方案中，主要基于粘滞滑动(stick-slip)机理，例如中国专利文献201610615050.x所公开的一种“粘滞-滑动”微动平台的预测控制方法。上述现有方案中的模型过于简化，例如简化了各腿摩擦力的方向，无法解释单振动电机直接驱动机器人直行，其模型得出的最终轨迹为圆形螺旋线，与移动机器人的实际运动轨迹存在较大出入，导致可靠性较差。
技术实现思路
1、本专利技术的主要目的是提供一种基于单振动电机实现机器人平面运动的控制方法，其可实现机器人在平面内的直行和旋转运动，具有
2、为了实现上述主要目的，本专利技术提供了一种基于单振动电机实现机器人平面运动的控制方法，机器人包括机身、微型振动电机和支撑腿，微型振动电机的驱动末端具有偏心质量块；微型振动电机和支撑腿沿机身的中轴线方向前后布置在机身的相对下方侧，并且支撑腿的支撑高度设置为低于微型振动电机的支撑高度以使得机身呈现为前端高、后端低的倾斜状态，得到机器人的两点接触地面模型，该两点接触地面模型自然的具有不倒翁效应；其中，控制方法包括以下步骤：
3、步骤(1)建立地面坐标系x0y0z0、对应于机器人的坐标系x1y1z1以及对应于振动电机的坐标系xmotorymotorzmotor；其中，x0、x1和xmotor均沿机身的前后方向，y0、y1和ymotor均沿机身的左右方向；
4、步骤(2)对x0-y0平面的机器人进行跳跃运动动力学分析；其中，机器人具有绕y1轴旋转和沿z0轴平移这两个自由度；
5、以ω为微型振动电机的转速，t为运行时间，则微型振动电机的转子旋转角度θ＝ω·t；其中，微型振动电机的输出离心力可通过旋转矩阵得到并在坐标系x1y1z1下表示为具体如下：
6、
7、其中，q10指振动电机与地面的倾角；
8、根据分别求得其在机器人质心g、接触点a和接触点b的力矩；
9、步骤(3)依据机器人的跳跃过程将跳跃动作分为四个阶段，并分别对接触点a和接触点b的支持力进行计算，以得到机器人质心g沿着z轴的位置、速度和加速度；其中，四个阶段分别为1)接触点a和接触点b同时落地；2)接触点a落地、接触点b离地；3)接触点a离地、接触点b落地；4)接触点a和接触点b同时离地；
10、步骤(4)对x0-y0平面的机器人进行平面运动学分析；其中，机器人具有沿x、y方向平移和绕z轴旋转三个自由度；
11、根据步骤(3)中所得到的接触点a和接触点b的支持力，计算接触点a和接触点b的摩擦力，并求取机器人质心g在地面坐标系x0y0z0的加速度和角加速度；对加速度进行积分以得到机器人的当前位置，对角加速度积分以得到机器人的当前旋转角度；
12、步骤(5)运用迭代法进行计算，得到微型振动电机的转速与机器人的角速度之间的数据集，进而由数据集确定微型振动电机的转速与机器人平面运动之间的映射关系；
13、步骤(6)根据步骤(5)所建立的映射关系来对微型振动电机的转速进行控制，进而实现机器人在平面内的直行和旋转运动。
14、根据本专利技术的一种具体实施方式，机身上设有电源模块和控制电路板，电源模块用于供电；控制电路板用于对微型驱动电机输入电压的大小及方向进行控制，进而实现对微型驱动电机的转速及旋转方向进行控制。
15、根据本专利技术的一种具体实施方式，在步骤(2)中，通过矢量叉乘法分别计算在质心g、接触点a和接触点b的力矩；
16、质心g的力矩表示为：
17、
18、其中，表示质心g到微型振动电机坐标系原点o的矢量，zgo表示go在机身坐标系z轴上的投影，xgo表示go在机身坐标系x轴的投影；
19、接触点a处的力矩表示为：
20、
21、其中，表示接触点a到微型振动电机原点o的矢量，表示接触点a到质心g的矢量，zao表示ao在机身坐标系z轴上的投影，xao表示ao在机身坐标系x轴上的投影，xag表示ag在机身坐标系x轴上的投影，m为机器人的质量，h为振动电机的高度；
22、接触点b处的力矩表示为：
23、
24、其中，表示接触点b到微型振动电机原点o的矢量，表示接触点b到质心g的矢量，zbo表示bo在机身坐标系z轴的投影，xbo表示bo在机身坐标系x轴的投影；zbg和xbg同理，分别为bg在机身坐标系z轴和x轴的投影。
25、根据本专利技术的一种具体实施方式，步骤(4)求取机器人的当前位置和当前旋转角度的方法如下：
26、4.1)建立机器人的坐标系x1y1z1和地面坐标系x0y0z0的旋转矩阵，其中qg表示t时刻机器人在地面坐标系z轴旋转的角度；
27、
28、根据机器人质心的速度和加速度计算接触点a和接触点b相对地面坐标系的速度和并计算两点的摩擦力和
29、
30、其中为地面坐标系下的微型振动电机离心力，ua为a点与地面的动摩擦系数，na为接触点a处的地面支持力；
31、接触点b点摩擦力同理可求；
32、4.2)计算机器人质心的加速度如下：
33、
34、其中，表示质心在地面坐标系的速度；
35、4.3)计算机器人质心的角加速度和合力矩
36、
37、
38、其中，igz为机器人质心g沿z轴的转动惯量；
39、4.4)对加速度和角加速度积分，以得到当前的机器人质心和角度
40、
41、根据本专利技术的一种具体实施方式，在步骤(5)中所建立的映射关系中，可仅通过改变微型振动电机的转速而不改变旋转方向的情况下实现机器人的平面直线运动；其中：当微型振动电机的转速低于第一阈值时，机器人的角速度为负值；当微型振动电机的转速高于第二阈值时，机器人的角速度为正值；当微型振动电机的转速处于第一阈值与第二阈值之间时，机器人的角速度为零本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.基于单振动电机实现机器人平面运动的控制方法，其特征在于，机器人包括机身、微型振动电机和支撑腿，微型振动电机的驱动末端具有偏心质量块；微型振动电机和支撑腿沿机身的中轴线方向前后布置在机身的相对下方侧，并且支撑腿的支撑高度设置为低于微型振动电机的支撑高度以使得机身呈现为前端高、后端低的倾斜状态，得到机器人的两点接触地面模型，该两点接触地面模型自然的具有不倒翁效应；其中，控制方法包括以下步骤：
2.如权利要求1所述的基于单振动电机实现机器人平面运动的控制方法，其特征在于：机身上设有电源模块和控制电路板，电源模块用于供电；控制电路板用于对微型驱动电机输入电压的大小及方向进行控制，进而实现对微型驱动电机的转速及旋转方向进行控制。
3.如权利要求1所述的基于单振动电机实现机器人平面运动的控制方法，其特征在于：在步骤(2)中，通过矢量叉乘法分别计算在质心G、接触点A和接触点B的力矩；
4.如权利要求1所述的基于单振动电机实现机器人平面运动的控制方法，其特征在于：步骤(4)求取机器人的当前位置和当前旋转角度的方法如下：
5.如权利要求1所述的基
6.如权利要求1所述的基于单振动电机实现机器人平面运动的控制方法，其特征在于：步骤(6)中机器人在平面内的旋转运动包括圆弧运动和原地旋转运动。
...【技术特征摘要】
1.基于单振动电机实现机器人平面运动的控制方法，其特征在于，机器人包括机身、微型振动电机和支撑腿，微型振动电机的驱动末端具有偏心质量块；微型振动电机和支撑腿沿机身的中轴线方向前后布置在机身的相对下方侧，并且支撑腿的支撑高度设置为低于微型振动电机的支撑高度以使得机身呈现为前端高、后端低的倾斜状态，得到机器人的两点接触地面模型，该两点接触地面模型自然的具有不倒翁效应；其中，控制方法包括以下步骤：
2.如权利要求1所述的基于单振动电机实现机器人平面运动的控制方法，其特征在于：机身上设有电源模块和控制电路板，电源模块用于供电；控制电路板用于对微型驱动电机输入电压的大小及方向进行控制，进而实现对微型驱动电机的转速及旋转方向进行控制。
3.如权利要求1所述的基于单振动电机实现机器人平面运动的控制方法，其特征在于：在步骤(2)中，通过矢...
【专利技术属性】
技术研发人员：李曜，李兵，王诚昊，唐灵奇，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学深圳哈尔滨工业大学深圳科技创新研究院，
类型：发明
国别省市：
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。