可全向进动的球形陀螺机构及控制方法与流程

本发明涉及陀螺仪平衡控制技术，具体为一种可全向进动的球形陀螺机构及控制方法。

背景技术：
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机械陀螺具有结构紧凑、运转稳定等特点，其进动可以产生极强的陀螺力矩，是一种高效可靠的运动物体姿态调节机械装置。目前这种机构常集中应用在智能体的自动平衡控制方面，比如Lit公司的“永不倾倒”智能双轮车Lit Motor C1以及单点支撑正方体机器人Cubli。

现有的机械陀螺有单轴、双轴和三轴几种，通常是由内外嵌套轴实现多轴的运转。在一些技巧表演中，陀螺转子的高速转动，受到干扰后会自动产生陀螺力矩抵消干扰力矩保持系统的平衡。

但目前多轴的机械陀螺结构冗余，如正方体机器人Cubli采用了三个单轴陀螺，其陀螺轴线两两垂直、结构复杂，对加工精度有很高的要求；而单轴的陀螺，如Lit Motor C1的水平安装机械陀螺，只能进行俯仰单方向的进动，其产生陀螺力矩的调整范围会受到一定的限制。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明提出了一种可全向进动的球形陀螺机构及控制方法。

本发明可全向进动的球形陀螺机构，其技术方案包括置于球体的陀螺转子，所述球体置于可使其全方位转动的上、下全向轮驱动组件中，所述上、下全向轮驱动组件分别对应于球体的上、下球面设置，各全向轮驱动组件包括绕圆周均布的多个全向轮组，各全向轮组包括设于对应弧形轮架上的三个均与球面接触的全向轮，各全向轮组中，两两全向轮的转轴之间通过万向节连接，首、尾全向轮的转轴分别连接球体电机和检测全向轮转速的增量式编码器。

本发明的关键点在于该机构如何进行平衡控制，其力矩是如何传递的，当球体进动时，球体内的陀螺转子高速运转产生陀螺力矩，该力矩通过全向轮驱动组件和球体的约束作用而传递到工作件上进行工作。

为便于模型的建立与控制器的设计，上方各全向轮组的中间全向轮的轴线向上交汇于一点；下方各全向轮组的中间全向轮的轴线向下交汇于一点。

为防止驱动打滑，所述全向轮的轮面上或和球体的球面上设有胶层。

所述全向陀螺的一种结构包括居中的陀螺转子，所述陀螺转子的上、下轴端通过轴承机构安装，陀螺转子的一轴端连接陀螺电机，另一轴端连接检测陀螺转子转速的增量式编码器。

可全向进动的球形陀螺机构控制方法，其控制方案分为以下三个步骤：

1、通过空间几何计算、坐标旋转变换以及接触点线速度分析建立全向轮驱动角速度与球体转动角速度的函数关系。

2、根据所期望的球体转轴方向及球体转动角速度大小求解全向轮的驱动角速度。

3、结合增量式编码器驱动全向轮按照求解得到的角速度进行速度闭环控制。

本发明的有益效果：

1、本发明主要解决了转子绕空间任意轴的转向问题，改进了传统三轴机械陀螺的不足，提供了一种全向驱动的方法，同时为全向球形陀螺机构的模型建立提供了理论指导。

2、本发明在通过建模后可精确控制球的进动转向，可使其在任意轴方向上产生陀螺力矩。

3、本发明利用了约束传递力矩的工作原理，可将高速转子产生的转动力矩有效的传递给机件进行工作。

附图说明

图1为本发明一种实施方式的立体结构示意图。

图2为图1实施方式中下支撑架的立体结构示意图。

图3为本图1实施方式中球壳的内部结构示意图。

图4为图1实施方式的坐标系原理图。

图号标识：1、球体；2、弧形轮架；3、全向轮；4、万向节；5、薄饼电机；6、增量式编码器；7、陀螺转子；8、陀螺电机；9、轴承；10、隔板；11、支撑板；12、全向轮组；13、平台。

具体实施方式

下面结合附图所示实施方式对本发明的技术方案作进一步说明。

本发明可全向进动的球形陀螺机构，其技术方案包括中空的球体1，所述球体1置于全方位驱动其旋转的上、下全向轮驱动组件中，上、下全向轮驱动组件安装于机件的上、下平台13上，球体1内置有陀螺转子7，如图1所示。

所述全向陀螺包括于球体1内居中的陀螺转子7，所述陀螺转子7转轴的上、下端分别通过轴承9于球体1内部的上、下隔板10上就位安装，陀螺转子7转轴的上端由安装于上隔板10上的陀螺电机8直接驱动，陀螺转子7转轴的下端连接安装于下隔板10上的增量式编码器6，如图3所示。

上、下全向轮驱动组件分别对应在球体1的上、下球面上，以下位全向轮驱动组件为例：下位全向轮驱动组件包括圆周均布的三个全向轮组12(各全向轮组12处于各自对应的竖直面上)，各全向轮组12包括通过对应弧形轮架2安装的三个均与球体1球面接触的全向轮3(具有相同的规格大小)，各全向轮组12中，第一个全向轮3的转轴与第二个全向轮3的转轴、第二个全向轮3的转轴与第三个全向轮3的转轴之间均通过万向节4连接，第一个全向轮3的转轴与弧形轮架2上安装的电机5的输出轴连接，第三个全向轮3的转轴与弧形轮架2上安装的增量式编码器6的转轴连接，各弧形轮架2均通过对应的支撑板11于机件的下平台13上安装，三个全向轮组12中的中间全向轮3处于同一水平面上且三个中间全向轮3的轴线向下汇交于一点；上、下全向轮驱动组件中相对应的全向轮组12的位置上、下对齐，如图1、图2所示。

本发明的工作原理及控制方法：

建立如图4所示的坐标系来描述下位三个中间全向轮3中心的位置以及三个中间全向轮3轴线交点的位置坐标，对于球体1的转动与全向轮3驱动之间的关系，可根据机构之间的几何结构和运动约束确定，采取如下步骤：

步骤1：如图4所示建立的坐标系，初始的坐标系位于o'，三个全向轮3的中心连接线形成的等边三角形，选取任意一条边以及该边线的垂线分别为其X′轴与Y′轴，Z′轴过球心的垂线，该坐标系为{2}系。通过竖直方向的平移，使得坐标原点位于球心o,且与初始大地坐标重合，假设该坐标系为{1}系。全向轮3轴中心分别为o₁、o₂、o₃。为了便于计算，假设球心o到中间全向轮3中心的距离为即

步骤2：针对一组弧形轮架2上的三个全向轮进行转速的矢量合成，由于全向轮3之间的轴由等速万向节4连接，假设第一组弧形轮架2上转速为两边的全向轮3关于中间全向轮3对称，竖直方向上速度分量的矢量抵消，最终第一组转速合成为同理，其余两组转速合成分别为

步骤3：考虑球体1球心与三个全向轮3中心的连线，根据系统的对称关系，假设每两条连线的夹角为2α。对于全向轮3中心o₁，在{1}系下的坐标计算如下：在{2}系中，o₁点的横坐标为等边三角形中心点到边线的长度，为lsinα。且o₁在等边三角形的边上且与Y′轴平行，其Y′轴坐标为边长的一半Z′轴为0。由于{1}系是沿Y轴平移，其大小为因此点o₁的坐标为同理可推出其他全向轮3的中心在坐标{1}系下的坐标分别为：全向轮3轴线的交点P坐标为

中间全向轮3的轴线矢量为

步骤4：本专利主要解决通过全向轮3驱动，使得球体1绕任意轴转动。假设球期望的转轴在{1}系下的单位矢量期望转速大小为ω，则转速矢量为球体1球心与三个全向轮3中心的连线矢量

经计算相等，均为根据球体1的半径，结合矢量(i＝1,2,3)得到了球体1的矢径：

各全向轮3与球体1球面接触点的线速度如下：

考虑到全向轮3的转轴矢量与球体1的矢径所构成的平面，其法向量为：

步骤5：由于球体1转轴K与全向轮3自转轴L不一定共面，它们对应的线速度矢量之间存在一个夹角。假设全向轮3相对球体1无滑动，根据接触点的速度约束关系(i＝1,2,3)可以求出对应的全向轮3速度

若已知全向轮3的转速，分别为求解球体1的转轴在{1}系下的单位矢量和转速为其中已知单位矢量的坐标分量满足关系式将已知的全向轮3转速带入式子同样球体1的转速与坐标轴的关系如下：

且为：

综合方程和方程可解得转轴K的三个分量K_x,K_y,K_z和球绕轴K的转速ω。