【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及机器人，具体是涉及一种以多关节机械臂为重摆的环形机器人及其行走控制方法。
技术介绍
1、球形机器人由球形外壳和位于球体内的内部控制系统、动力系统、执行装置、传感器等组成，其通过球体滚动进行运动，可以实现全方位移动，地面接触为单点，摩擦力小、能量利用效率高，且内部构件受外壳保护，不易损坏。传统球形机器人基于重摆偏心扭矩驱动，驱动力矩与重摆质量和摆角密切相关。球形机器人重摆始终在球体内部，球形机器人内部空间限制，重摆难以做到很大，所以重量有限，同时摆臂也难以超过球形机器人半径，使得力臂长度有限，两者共同造成球形机器人驱动力矩有限，进而限制了其爬坡和跃障能力。
2、现有技术中，如申请号为202111001289.5的中国专利申请，公开了一种全地形越障球形机器人，该机器人采用双重摆结构，通过将飞轮高速转动的动能传递给重摆，增强机器人的爬坡能力。又如申请号为201710170969.7的中国专利申请，公开了一种球形机器人，利用偏摆电机和驱动电机产生的力矩进行叠加，增强爬坡和越障能力。上述驱动力增强方式结构复杂，且本质上既没有增加重摆重量也没有增大重摆力臂。
3、现有技术中，如申请号为202410432802.3的中国专利，通过驱动小车实现质心偏移进行滚动，本质上仍然没有增加重摆重量以及重摆力臂，该球形机器人去掉了两侧的球冠，使得机器人整体呈环形，在环形机器人的两侧对称安装了机械臂，但是该机械臂仅用于支撑环形机器人复立，没有用于驱动环形机器人前进，也没有涉及基于机械臂驱动环形机器人运动的控制方法。>
技术实现思路
1、专利技术目的：针对以上问题，本专利技术提供一种扩展爬坡及越障能力的以多关节机械臂为重摆的环形机器人。
2、本专利技术还提供一种由上述环形机器人的行走控制方法。
3、技术方案：为解决上述问题，本专利技术采用一种以多关节机械臂为重摆的环形机器人，包括环形本体、驱动装置和机械臂，所述环形本体包括环形壳体组件，所述环形壳体组件包括环形内壳、设置于环形内壳两端的左端盖和右端盖，所述环形内壳、左端盖和右端盖围绕形成容纳驱动装置的空腔，所述驱动装置包括贯穿环形左端盖和环形右端盖的中间长轴、锥齿轮组和围绕中间长轴周向均匀设置的若干直行驱动电机，所述中间长轴位于左端盖和右端盖的中心，且相对左端盖和右端盖转动，所述机械臂设置于环形本体两侧并与中间长轴两端固定连接，所述直行驱动电机通过锥齿轮组驱动中间长轴转动，中间长轴带动机械臂相对环形壳体组件转动，从而改变环形机器人的重心，驱动环形机器人直行，中间长轴带动一侧机械臂相对环形壳体组件伸出，从而实现环形机器人的重心侧面偏移，使机器人进行转向。
4、进一步的，所述锥齿轮组包括固定于直行驱动电机输出端的小锥齿轮、固定套设于中间长轴上的大锥齿轮，若干直行驱动电机上的小锥齿轮均与大锥齿轮啮合。
5、进一步的，所述环形本体还包括若干工形板，所述若干工形板围绕中间长轴周向均匀设置，所述工形板用于安装控制元件。
6、进一步的，所述环形内壳外侧套设橡胶外壳。
7、进一步的，所述机械臂包括与中间长轴固定连接的第一关节、与第一关节铰接的第二关节和与第二关节铰接的第三关节，所述第一关节延伸方向平行于左端盖和右端盖所在平面。
8、进一步的，所述第一关节长度与等于环形内壳半径，所述第二关节长度长于第一关节和第三关节。
9、本专利技术还采用一种用于上述环形机器人的行走控制方法，包括以下步骤：
10、确定环形机器人行进方向的坡面角度；
11、根据坡面角度确定环形机器人所需的驱动力矩，并求解机械臂各关节的关节角度；
12、控制机械臂各关节调整至求解出的关节角度，驱动环形机器人行进。
13、进一步的，所述求解机械臂各关节的关节角度包括以下步骤：
14、(1)第一阶段求解首先以机械臂末端接触坡面，且第三关节垂直于坡面为初始控制条件，改变第一关节的关节角度，第二关节角度同步改变，确定机械臂提供的最大力矩，若所需的驱动力矩小于最大力矩，则根据所需的驱动力矩及第三关节的关节角度，得到第一关节和第二关节的关节角度；若所需的驱动力矩大于最大力矩，则进行第二阶段求解；
15、(2)第二阶段求解以第一阶段中最大力矩时，第一关节和第二关节的关节角度为初始控制条件，改变第三关节的关节角度，确定机械臂提供的最大力矩，若所需的驱动力矩小于最大力矩，则根据所需的驱动力矩及第一关节和第二关节的关节角度，得到第三关节的关节角度；若所需的驱动力矩大于最大力矩，则进行第三阶段求解；
16、(3)第三阶段求解以第二阶段中最大力矩时，第二关节和第三关节的关节角度为初始控制条件，改变第一关节的关节角度，根据所需的驱动力矩及第二关节和第三关节的关节角度，得到第一关节的关节角度。
17、进一步的，在第三阶段求解时，若所需的驱动力矩大于机械臂提供的最大力矩，则控制机械臂夹持重物，使机械臂提供的力矩满足所需驱动力矩。
18、进一步的，所述第三阶段求解中，当坡面角度为0≤γ≤γmid时，增大第一关节的关节角度；当坡面角度为γmid＜γ≤γmax时，减小第一关节的关节角度，直至机械臂末端与坡面接触，所述坡面角度γmid的计算公式为：
19、
20、其中，r为环形机器人橡胶外壳的外径，a1为第一关节的长度，a2为第二关节的长度，a3为第三关节的长度。
21、有益效果：本专利技术相对于现有技术，其显著优点是多关节机械臂充当重摆，环形机器人在进行爬坡时，通过控制机械臂各关节角度，使其产生不同的偏转力矩，进而爬上不同的坡度。与传统基于重摆的偏心扭矩驱动相比，灵活性高、爬坡能力更强。环形机器人由多个直行电机进行驱动，通过大小锥齿轮带动中间长轴进行转动，跟传统球形机器人相比，驱动力矩更大，爬坡能力更强。多个直行电机以圆周均匀安装在工型板上，质量分布均匀，电子元件则均匀分布在工型板上，整体结构紧凑、空间利用率高。通过气缸将一侧机械臂推出，使环形机器人左右质量不相等，从而实现环形机器人的重心偏移，使机器人进行转向，转向方便灵活，控制简单。通过多阶段获得机械臂的控制关节角度，简化机械臂控制的关节角度计算问题，提高控制速度。
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1.一种以多关节机械臂为重摆的环形机器人，其特征在于，包括环形本体(3)、驱动装置(1)和机械臂(2)，所述环形本体(3)包括环形壳体组件(31)，所述环形壳体组件(31)包括环形内壳(312)、设置于环形内壳两端的左端盖(313)和右端盖(314)，所述环形内壳(312)、左端盖(313)和右端盖(314)围绕形成容纳驱动装置(1)的空腔，所述驱动装置(1)包括贯穿环形左端盖(313)和环形右端盖(314)的中间长轴(13)、锥齿轮组(14)和围绕中间长轴周向均匀设置的若干直行驱动电机(11)，所述中间长轴(13)位于左端盖(313)和右端盖(314)的中心，且相对左端盖(313)和右端盖(314)转动，所述机械臂(2)设置于环形本体(3)两侧并与中间长轴(13)两端固定连接，所述直行驱动电机(11)通过锥齿轮组(14)驱动中间长轴(13)转动，中间长轴(13)带动机械臂(2)相对环形壳体组件(31)转动，从而改变环形机器人的重心，驱动环形机器人直行，中间长轴(13)带动一侧机械臂相对环形壳体组件(31)伸出，从而实现环形机器人的重心侧面偏移，使机器人进行转向。
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3.根据权利要求1所述的环形机器人，其特征在于，所述环形本体(3)还包括若干工形板(32)，所述若干工形板(32)围绕中间长轴(13)周向均匀设置，所述工形板(32)用于安装控制元件(18)。
4.根据权利要求3所述的环形机器人，其特征在于，所述环形内壳(312)外侧套设橡胶外壳(311)。
5.根据权利要求4所述的环形机器人，其特征在于，所述机械臂(2)包括与中间长轴(13)固定连接的第一关节、与第一关节铰接的第二关节和与第二关节铰接的第三关节，所述第一关节延伸方向平行于左端盖(313)和右端盖(314)所在平面。
6.根据权利要求5所述的环形机器人，其特征在于，所述第一关节长度与等于环形内壳(312)半径，所述第二关节长度长于第一关节和第三关节。
7.一种用于权利要求6所述环形机器人的行走控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
8.根据权利要求7所述的环形机器人的行走控制方法，其特征在于，所述求解机械臂各关节的关节角度包括以下步骤：
9.根据权利要求8所述的环形机器人的行走控制方法，其特征在于，在第三阶段求解时，若所需的驱动力矩大于机械臂提供的最大力矩，则控制机械臂夹持重物，使机械臂提供的力矩满足所需驱动力矩。
10.根据权利要求9所述的环形机器人的行走控制方法，其特征在于，所述第三阶段求解中，当坡面角度为0≤γ≤γmid时，增大第一关节的关节角度；当坡面角度为γmid＜γ≤γmax时，减小第一关节的关节角度，直至机械臂末端与坡面接触，所述坡面角度γmid的计算公式为：
...【技术特征摘要】
1.一种以多关节机械臂为重摆的环形机器人，其特征在于，包括环形本体(3)、驱动装置(1)和机械臂(2)，所述环形本体(3)包括环形壳体组件(31)，所述环形壳体组件(31)包括环形内壳(312)、设置于环形内壳两端的左端盖(313)和右端盖(314)，所述环形内壳(312)、左端盖(313)和右端盖(314)围绕形成容纳驱动装置(1)的空腔，所述驱动装置(1)包括贯穿环形左端盖(313)和环形右端盖(314)的中间长轴(13)、锥齿轮组(14)和围绕中间长轴周向均匀设置的若干直行驱动电机(11)，所述中间长轴(13)位于左端盖(313)和右端盖(314)的中心，且相对左端盖(313)和右端盖(314)转动，所述机械臂(2)设置于环形本体(3)两侧并与中间长轴(13)两端固定连接，所述直行驱动电机(11)通过锥齿轮组(14)驱动中间长轴(13)转动，中间长轴(13)带动机械臂(2)相对环形壳体组件(31)转动，从而改变环形机器人的重心，驱动环形机器人直行，中间长轴(13)带动一侧机械臂相对环形壳体组件(31)伸出，从而实现环形机器人的重心侧面偏移，使机器人进行转向。
2.根据权利要求1所述的环形机器人，其特征在于，所述锥齿轮组(14)包括固定于直行驱动电机(11)输出端的小锥齿轮(17)、固定套设于中间长轴(13)上的大锥齿轮(16)，若干直行驱动电机上的小锥齿轮(17)均与大锥齿轮(16)啮合。
3.根据权利要求1所述的环形机器人，其特征在于，所述环形本体(3)还...
【专利技术属性】
技术研发人员：殷宝吉，李明义，张建，苏世杰，展铭，王明禄，杨书吉，陆杰，
申请(专利权)人：江苏科技大学，
类型：发明
国别省市：
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