专利名称：具有柔性结构的移动机器人可变构形式转弯方法
技术领域：
本发明涉及移动机器人技术领域，尤其涉及具有柔性结构的移动 机器人可变构形式转弯方法。
背景技术：
在传统的陆地移动机器人中，通常采用的转弯方式有差动驱动、 转向轮驱动、同步驱动、万向轮驱动和阿克曼转向等。差动驱动利用 驱动轮间的速度差实现转弯， 一般适合于从动轮和驱动轮距离较小的 机器人；转向轮驱动、万向轮驱动和阿克曼转向除了具有驱动轮的前 向驱动外，还具有偏转自由度，偏转自由度可位于驱动轮，也可位于 非驱动轮。移动机器人一般根据自身结构特点和应用需求选择合适的 转弯方式。
差动驱动方式，虽然可利用驱动轮之间的速度差异进行差动转弯， 但驱动轮和被动轮之间的距离远大于驱动轮间距和被动轮间距时，较 长的体长以及被动轮的横向摩擦力将极大地影响转向效果，实际转弯 半径远大于理论分析值。
具有驱动轮和被动轮的移动机器人，直行时各轮保持平行，在结 构上和常见的汽车结构相似。汽车转向前轮偏转时，可以和后轮形成瞬时转动中心，实现转弯。但是当移动机器人前驱动轮不能偏转时，
为了使其在地面上实现快速、高效的机动运动，需要一种更符合其机 械特点的方式构建转弯所需条件。
发明内容
本发明的目的是公开一种具有柔性结构的移动机器人可变构形 式转弯方法，以解决一种具有柔性身体结构的移动机器人在地面的转 弯问题，该方法充分利用机器人身体结构可变的特点，使得驱动轮和 被动轮形成瞬时转动中心，提供一种可变构形式转向方式。 为达到上述目的，本发明的技术解决方案是
一种具有柔性结构的移动机器人可变构形式转弯方法，所用移动 机器人具有柔性身体结构，该机器人包括驱动轮，位于头部两侧， 其连续整周旋转，驱动机器人在地面运动；多个可转动关节，依纵轴 方向在头部后方顺序设置，相互动连接，用来改变机器人的身体结构; 被动轮，位于最后的可转动关节的下方两侧，用来减小机器人和地面 间的摩擦，并和驱动轮形成瞬时转动中心；其包括步骤
A) 令头部与被动轮所在关节之间的至少一个关节偏转；
B) 此时，被动轮和驱动轮形成瞬时转动中心；
C) 即实现移动机器人在移动中转弯。
所述的可变构形式转弯方法，其所述在移动中转弯，在头部与被 动轮所在关节之间，任意一关节单独转动或多个关节同时转动使得机 器人转弯，且单关节单独转动量与多个关节转动量的和相等时，其各对应的转弯半径不同，其中，存在最小转动半径。
所述的可变构形式转弯方法，其所述最小转动半径，是其它关节 不偏转，只有被动轮所在关节偏转时，转动半径最小。
所述的可变构形式转弯方法，左右驱动轮的动力相互独立，转弯 时，它们具有相同的角速度，不同的线速度和转动速度，其转速关系 和柔性身体的变形程度有关。
所述的可变构形式转弯方法，其所述左右驱动轮的转速关系由下 式表示
其中，"，、 分别表示左、右驱动轮的转速，i 为转动半径，d 为左右驱动轮之间的间距，即，采用可变构形式转弯时，左右驱动轮 的转速保持一定比例关系。
本发明提供了几种实现可变构形式转弯的方法，分析了这些方 法的优劣，得出了对应最小转弯半径的实现方式，并根据机器人身体 结构的变化程度，得出了驱动轮间的速度关系，以及转弯半径。
图l是本发明方法使用的具有柔性结构的移动机器人结构示意
图； 图2是本发明的具有柔性结构的移动机器人可变构形式转弯方法中多关节偏转形成ICR示意图3是本发明的具有柔性结构的移动机器人可变构形式转弯方 法中单关节偏转形成ICR之方式1;
图4是本发明的具有柔性结构的移动机器人可变构形式转弯方 法中单关节偏转形成ICR之方式2 。
图5是本发明方法所使用的一种具有柔性结构的两栖机器人示 意图6是本发明方法所使用的两栖机器人以可变构形式方法进行 转弯的实验截图。
具体实施例方式
如图1所示，是本发明方法使用的具有柔性结构的移动机器人结构 示意图，其中，图1A为左视图，图1B为俯视图。该具有柔性结构的 移动机器人由头部2、第一关节3、第二关节4、第三关节5、驱动轮l、 被动轮6构成，第二关节4、第三关节5可分别绕固定旋转轴转动。
本发明的可变构形式移动机器人转弯方法，具体特征如下
当第二关节4、第三关节5不偏转，处于中间位置时，各关节、头 部相互平行，驱动轮1的垂线和被动轮6的垂线也保持平行，没有瞬时 转动中心形成，机器人直行。
当机器人转弯时，令第二关节4和第三关节5转动，形成瞬时转动 中心，如图2所示。当转动角度一定时，机器人的转弯半径也将确定，并和转动角度相关。
根据三角形边长和内角的关系，可求出D1、 D2: Dl D Z)2 Z)
iyS sin(;r - a -/ ) sin a sin(;r _ a _/5)
其中，D为已知。
两直角三角形共甩一个斜边，艮P:
Sin(a + ") = f 丄l 丄2
(1)
. 丄2 sin(a十/ 一y) siny
sm;r = "Y" 、广 "
(2)
其中，丄l =Z)1+D3，￡2 = ￡)2 + Z)4， D3、 D4已知。
由方程(l)、 (2)，可求出;k，进而可通过式子i = Zl*cot(a +々-力 得出相应的转弯半径
^ — D(sin a + sin - * cos(a + -)) + D3 * sin(ar + y9) * cos(a + / ) + D4 * sin(o: + 〃)
sin2(a +々) (3)
当机器人转弯时，单独令第二关节4或第三关节5转动，亦可形成 瞬时转动中心，实现转弯，如图3、图4所示。
利用类似的几何分析方法，可求出第二关节4或第三关节5转动时
对应的转弯半径/ '和/r:
i =- = -^——^- (4)
sin a sin"
在上述的三种转弯实现方法中，其对应的转弯半径 不相同，为 了得到最优转弯方式，令这三种实现方式的关节摆动量相同，艮卩a + / = a' = ^'
经数值仿真后，得到:
(6)
可见，第三关节5单独摆动时，对应的转弯半径最小，即第三关节 5单独摆动实现的机器人转弯方式最优。
当以上述方式转弯时，左右驱动轮l具有相同的角速度，以及不 同的转弯半径，§口，两驱动轮具有不同的转动速度。以 、 分别 表示左右驱动轮的转速，以a、 ^分别表示左右驱动轮的角速度， 以k,、 ^分别表示左右驱动轮线速度，则有
27T",
60
(7)
左右驱动轮的线速度为:
「￡ =广"i = ^
60
^、 L 2」
其中，r是驱动轮半径，"为左右驱动轮之间的间距, 由上述方程可得左右驱动轮的转速关系
7 +
1 5
2
即，采用可变构形式转弯时，左右驱动轮的转速保持一定比例关系，这一关系受各关节摆动角度的约束，关系如式(9)。
为了验证所述转弯控制方法的有效性，将此方法应用在一种具有
柔性身体结构的两栖机器人上，其结构如图5所示，两栖机器人由头 部2和三个柔性关节组成，被动轮6位于第三关节5底部，第二关节4、 第三关节5可分别绕旋转轴(图中虚线所示)左右转动±90°。机器人 驱动装置为位于头部靠前位置的两驱动轮桨7，轮桨机构由四个带有 支撑脚的叶片构成，在结构上和驱动轮l非常相似，在功能上能实现 轮式结构的驱动作用，可以看作驱动轮l。
当各关节保持在中间位置时，如图5所示，机器人直行。
令机器人以最优方式，即，第三关节5单独偏转转弯，偏转角度37。 (为了验证普遍性，取非特殊偏转量)，满足ICR形成条件，机器人顺 利实现转弯，实验验证如图6所示，逆时针排列的图片依次表示机器 人在一个完整圆周运动内的截图，线段8、 9分别表示实际地面的相同 位置，在这两个位置，机器人行进方向相互平行，但方向正好相反。
经实验测定，以第三关节5单独偏转37。转向，转弯半径为55cm。 利用公式(4)，可得理论结果7T-55.2cm。实验结果和理论分析几 乎完全一致，机器人顺利实现转弯，可变构形式转弯方式在具有柔性 结构的移动机器人上可行且效果良好。
如上所述，本发明提供一种具有柔性身体结构的移动机器人在地 面转弯的实现方法，并分析了几种实现方法的优劣，得出了具有最小 转弯半径的最优实现方法。
本发明方法所用的移动机器人具有驱动轮和被动轮，直行时各轮保持平行，在结构上和常见的汽车结构相似。汽车转向前轮偏转时， 可以和后轮形成瞬时转动中心，实现转弯。但本发明所述的移动机器 人前驱动轮不能偏转，为了使其在地面上实现快速、高效的机动运动， 需要一种更符合其机械特点的方式构建转弯所需条件，即一种可变构 形式转弯方式。
尽管对本发明的原理结合优选实施例进行了展示和描述，但本领 域技术人员将会理解在不偏离本发明的原理和实质的情况下，对这些 实施例进行改变，其范围也落入本发明的权利要求及其等同物所限定 的范围内。
1权利要求
1、一种具有柔性结构的移动机器人可变构形式转弯方法，所用移动机器人具有柔性身体结构，该机器人包括驱动轮，位于头部两侧，其连续整周旋转，驱动机器人在地面运动；多个可转动关节，依纵轴方向在头部后方顺序设置，相互动连接，用来改变机器人的身体结构；被动轮，位于最后的可转动关节的下方两侧，用来减小机器人和地面间的摩擦，并和驱动轮形成瞬时转动中心；其特征在于，包括步骤A)令头部与被动轮所在关节之间的至少一个关节偏转；B)此时，被动轮和驱动轮形成瞬时转动中心；C)即实现移动机器人在移动中转弯。
2、 根据权利要求1所述的可变构形式转弯方法，其特征在于，所述在 移动中转弯，在头部与被动轮所在关节之间，任意一关节单独转动或多个 关节同时转动使得机器人转弯，且单关节单独转动量与多个关节转动量的 和相等时，其对应的转弯半径不同，其中，存在最小转动半径。
3、 根据权利要求2所述的可变构形式转弯方法，其特征在于，所述最 小转动半径，是其它关节不偏转，只有被动轮所在关节偏转时，转动半径 最小。
4、 根据权利要求1所述的可变构形式转弯方法，其特征在于，左右驱 动轮的动力相互独立，转弯时，它们具有相同的角速度，不同的线速度和 转动速度，其转速关系和柔性身体的变形程度有关。
5、 根据权利要求4所述的可变构形式转弯方法，其特征在于，所述左右驱动轮的转速关系由下式表示- 其中，"，、 分别表示左、右驱动轮的转速，A为转动半径，d为左 右驱动轮之间的间距，即，采用可变构形式转弯时，左右驱动轮的转速保 持一定比例关系。
全文摘要
本发明一种具有柔性结构的移动机器人可变构形式转弯方法，涉及移动机器人技术，在该方法中，移动机器人具有较长的柔性身体，其身体结构可变，使得驱动轮和被动轮形成转弯所需的瞬时转动中心(InstantaneousCenter of Rotation，ICR)，以满足机器人转弯条件，实现机器人转向。本发明提供了几种实现可变构形式转弯的方法，分析了这些方法的优劣，得出了对应最小转弯半径的实现方式，并根据机器人身体结构的变化程度，得出了驱动轮间的速度关系，以及转弯半径。
文档编号B62D9/00GK101643085SQ20081011801
公开日2010年2月10日 申请日期2008年8月6日 优先权日2008年8月6日
发明者锐 丁, 喻俊志, 杨清海, 民 谭 申请人:中国科学院自动化研究所