一種基于并聯(lián)六自由度運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的足輪式自主運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種基于并聯(lián)六自由度運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的足輪式自主運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，屬于機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]自主運(yùn)動(dòng)平臺(tái)不需要人工駕駛而自主行走，將駕駛?cè)藛T解放出來(lái)。另外，一些特制的自主運(yùn)動(dòng)平臺(tái)可以深入到惡劣甚至危險(xiǎn)環(huán)境中進(jìn)行作業(yè)，完成野外偵查、排爆等任務(wù)，因此自主運(yùn)動(dòng)平臺(tái)得到了越來(lái)越多的關(guān)注和研宄。目前常見(jiàn)的自主運(yùn)動(dòng)平臺(tái)包括輪式和足式等。輪式運(yùn)動(dòng)平臺(tái)結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，運(yùn)動(dòng)速度快，但是其通過(guò)性受到限制，尤其是在野外環(huán)境時(shí)，受地形限制較大，越障能力差。足式運(yùn)動(dòng)平臺(tái)則具有較好的通過(guò)性和很強(qiáng)的越障能力，但是一般常見(jiàn)的足式運(yùn)動(dòng)平臺(tái)其足部一般是多自由度的串聯(lián)機(jī)構(gòu)，而串聯(lián)式機(jī)構(gòu)的承載能力差，所以足式機(jī)器人其承載能力要相對(duì)小一些，并且足式運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的速度也相對(duì)較慢。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的是為了克服常規(guī)的足式機(jī)器人承載能力差的缺陷，提出一種基于并聯(lián)六自由度運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的足輪式自主運(yùn)動(dòng)平臺(tái)。本發(fā)明兼具輪式運(yùn)動(dòng)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)速度快、足式運(yùn)動(dòng)平臺(tái)通過(guò)性好的優(yōu)點(diǎn)，可以用在野外偵查、惡劣環(huán)境下的物資運(yùn)輸?shù)葓?chǎng)合。
[0004]本發(fā)明的目的是通過(guò)下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的。
[0005]一種基于并聯(lián)六自由度運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的足輪式自主運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，包括平臺(tái)機(jī)構(gòu)、控制系統(tǒng)和能源系統(tǒng)；其中控制系統(tǒng)完成機(jī)器人的行走控制，包括其行走步態(tài)、方向、速度等。能源系統(tǒng)則為機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、控制系統(tǒng)提供必需的能源。對(duì)于控制系統(tǒng)與能源系統(tǒng)的具體實(shí)現(xiàn)方式可以借鑒現(xiàn)有機(jī)器人中的實(shí)現(xiàn)方式，在本發(fā)明中就不再對(duì)其具體的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行描述。
[0006]平臺(tái)機(jī)構(gòu)部分是整個(gè)自主運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的主干，包含了平臺(tái)的載體和驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。其中驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)安裝在平臺(tái)載體下面，控制系統(tǒng)及能源系統(tǒng)安裝在平臺(tái)載體之上，此外平臺(tái)載體還可以承載其它負(fù)重。驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)用來(lái)完成運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的行走驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)為帶有車(chē)輪的并聯(lián)六自由度運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)通過(guò)其自身的基座與平臺(tái)載體連接。一個(gè)自主運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上需要至少兩套或以上完全相同的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，它們?cè)谄脚_(tái)載體上的安裝分布具有較大的自由度，但是需要保證能夠完全支撐起平臺(tái)載體，且有足夠的穩(wěn)定性。較佳的是采用偶數(shù)個(gè)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，在平臺(tái)載體上對(duì)稱分布安裝，這樣比較有利于控制系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行運(yùn)動(dòng)規(guī)律的規(guī)劃。
[0007]2.驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的組成與結(jié)構(gòu)
[0008]驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)是自主平臺(tái)運(yùn)動(dòng)的關(guān)鍵部分，本發(fā)明提出的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)采用足輪組合式結(jié)構(gòu)。驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的主體是六自由度并聯(lián)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，在六自由度并聯(lián)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的可動(dòng)端面上安裝車(chē)輪，從而形成足輪組合式的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的組成與結(jié)構(gòu)描述如下:
[0009](I)并聯(lián)六自由度運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)
[0010]并聯(lián)六自由度運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)作為驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的主體構(gòu)成了自主運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的足部，可以通過(guò)各個(gè)并聯(lián)六自由度運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的活動(dòng)，帶動(dòng)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)行走。并聯(lián)六自由度運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)為典型的Stewart平臺(tái)結(jié)構(gòu)，這種并聯(lián)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是承載能力強(qiáng)，姿態(tài)控制精度高，運(yùn)動(dòng)自由度多。其包括基座、六根執(zhí)行機(jī)構(gòu)(可以是電動(dòng)缸、液壓缸或氣缸)、可動(dòng)端面(以下簡(jiǎn)稱足端)。所述的六根執(zhí)行機(jī)構(gòu)一端通過(guò)萬(wàn)向聯(lián)軸器與基座連接，另一端通過(guò)萬(wàn)向聯(lián)軸器與足端連接。
[0011]定義自主運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的中心為坐標(biāo)原點(diǎn)，沿運(yùn)動(dòng)平臺(tái)長(zhǎng)度方向?yàn)閅軸，寬度方向?yàn)閄軸，垂直于XY平面的方向?yàn)閆軸，并定義沿Y軸正方向運(yùn)動(dòng)為前進(jìn)方向。那么并聯(lián)六自由度運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)可以保證其足端中心沿空間X、Y、Z三個(gè)坐標(biāo)軸任意平移，繞X、Y、Z三個(gè)坐標(biāo)軸任意旋轉(zhuǎn)。也就是說(shuō)足端具有六個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度，分別為沿X軸的平移(對(duì)應(yīng)自主運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的左右側(cè)移)，沿Y軸的平移(對(duì)應(yīng)自主運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的前進(jìn)和后退)、沿Z軸的平移(對(duì)應(yīng)自主運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的高度調(diào)整)，繞X軸的旋轉(zhuǎn)(對(duì)應(yīng)自主運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的前后俯仰)、繞Y軸的旋轉(zhuǎn)(對(duì)應(yīng)自主運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的左右側(cè)傾)，繞Z軸的旋轉(zhuǎn)(對(duì)應(yīng)自主運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的轉(zhuǎn)向)。
[0012]⑵足端結(jié)構(gòu)
[0013]驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的足端下表面安裝車(chē)輪，從而形成足輪式結(jié)構(gòu)。所述車(chē)輪可以通過(guò)連接機(jī)構(gòu)安裝到足端的下表面上。在連接機(jī)構(gòu)上安裝有驅(qū)動(dòng)電機(jī)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)的輸出軸與車(chē)輪的旋轉(zhuǎn)軸相連接，可以帶動(dòng)車(chē)輪旋轉(zhuǎn)。所述的連接結(jié)構(gòu)具體形式不限，只要能將車(chē)輪安裝到足端上節(jié)課。所述驅(qū)動(dòng)電機(jī)上自帶電磁制動(dòng)器，可將電機(jī)輸出軸鎖定，使其不能轉(zhuǎn)動(dòng)，從而將車(chē)輪鎖定。當(dāng)車(chē)輪被鎖定不轉(zhuǎn)時(shí)，可以將自主運(yùn)動(dòng)平臺(tái)作為足式平臺(tái)進(jìn)行控制，當(dāng)解除車(chē)輪鎖定時(shí)，可以通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)車(chē)輪轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)自主運(yùn)動(dòng)平臺(tái)就可以作為輪式平臺(tái)進(jìn)行控制。
[0014]3.自主運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)控制
[0015]自主運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)由控制系統(tǒng)完成，控制系統(tǒng)接收到運(yùn)動(dòng)指令后，首先規(guī)劃出各個(gè)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)軌跡，然后再根據(jù)所規(guī)劃的運(yùn)動(dòng)軌跡具體的控制各個(gè)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，包括足端的3728.空間姿態(tài)和運(yùn)動(dòng)軌跡、車(chē)輪的運(yùn)動(dòng)速度和旋轉(zhuǎn)方向。對(duì)于驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)軌跡的規(guī)劃，需要綜合考慮路面障礙物情況及運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的自身穩(wěn)定性等因素，這部分內(nèi)容可以借鑒現(xiàn)有的軌跡規(guī)劃方法，不屬于本發(fā)明的考慮內(nèi)容。對(duì)于足端的空間姿態(tài)控制，主要是利用并聯(lián)六自由度運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的逆解算法將足端的姿態(tài)換算成六根執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位移，然后再對(duì)各個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行位置閉環(huán)控制。
[0016]如前所述，本發(fā)明提出的自主運(yùn)動(dòng)平臺(tái)具有兩種運(yùn)動(dòng)模式，分別是足式運(yùn)動(dòng)模式和輪式運(yùn)動(dòng)模式。而且在這兩種運(yùn)動(dòng)模式下，還可以實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的姿態(tài)調(diào)整、減振等功能。具體模式如下:
[0017](I)足式運(yùn)動(dòng)模式
[0018]通過(guò)車(chē)輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)上自帶的電磁制動(dòng)器將車(chē)輪鎖定，使其不能轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)入足式運(yùn)動(dòng)模式。在這種運(yùn)動(dòng)模式下，控制系統(tǒng)通過(guò)控制驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的足端姿態(tài)及位置實(shí)現(xiàn)自主運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)。定義沿Y軸正方向?yàn)樽灾鬟\(yùn)動(dòng)前進(jìn)方向，那么在足式運(yùn)動(dòng)模式下，自主運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)具體包括前進(jìn)、后退、側(cè)移、轉(zhuǎn)彎，對(duì)于四足機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)單腿運(yùn)動(dòng)(漫步)、雙腿運(yùn)動(dòng)(對(duì)角步)、跑步和跳躍運(yùn)動(dòng)等。
[0019]運(yùn)動(dòng)時(shí)，控制系統(tǒng)首先規(guī)劃出各個(gè)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的足端姿態(tài)及運(yùn)動(dòng)軌跡，然后再對(duì)各個(gè)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制。根據(jù)軌跡規(guī)劃方法的不同，各個(gè)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)可能會(huì)產(chǎn)生不同的動(dòng)作順序和運(yùn)行軌跡。
[0020](2)輪式運(yùn)動(dòng)模式
[0021]將驅(qū)動(dòng)車(chē)輪的電機(jī)解鎖，使得車(chē)輪可以在電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)入輪式運(yùn)動(dòng)模式。在輪式運(yùn)動(dòng)模式下自主運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)包括前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)彎、原地轉(zhuǎn)向等。與足式運(yùn)動(dòng)模式相比，輪式運(yùn)動(dòng)模式下多了一個(gè)原地轉(zhuǎn)向的功能，因?yàn)楦鱾€(gè)車(chē)輪的驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速及方向可以獨(dú)立控制，因此在轉(zhuǎn)向時(shí)，如果控制一個(gè)車(chē)輪固定不動(dòng)或者反向旋轉(zhuǎn)，就可以實(shí)現(xiàn)原地轉(zhuǎn)向。
[0022]由于每一個(gè)車(chē)輪上均安裝有驅(qū)動(dòng)電機(jī)，因此輪式驅(qū)動(dòng)模式下可以選擇其中幾個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，也可以選擇所有電機(jī)同時(shí)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)以增加驅(qū)動(dòng)能力。
[0023]運(yùn)動(dòng)時(shí)，控制系統(tǒng)首先根據(jù)運(yùn)動(dòng)指令規(guī)劃出需要幾個(gè)電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，并結(jié)合自主運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的當(dāng)前運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、設(shè)定的運(yùn)動(dòng)速度和運(yùn)動(dòng)路線，實(shí)時(shí)規(guī)劃出各個(gè)車(chē)輪的運(yùn)動(dòng)軌跡、車(chē)輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，然后再對(duì)相應(yīng)的電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制。
[0024]本發(fā)明提出的足輪式自主運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，其車(chē)輪自身沒(méi)有獨(dú)立的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，車(chē)輪安裝時(shí)一般是平行于Y軸的。如果車(chē)輪的安裝方向和其自身的運(yùn)動(dòng)軌跡不一致的話，運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，車(chē)輪就會(huì)和地面之間產(chǎn)生滑動(dòng)摩擦，一方面增加轉(zhuǎn)向的阻力，另一方面車(chē)輪的磨損加劇。