[发明专利]一种基于活动脚轮的2D轮式机器人的运动控制方法

说明书

本发明公开一种基于活动脚轮的2D轮式机器人的运动控制方法，包括按照以下流程不断更新控制机器人运动状态：步骤S1，根据任务需求确定当前时刻机器人的目标状态；步骤S2，将机器人整体的运动表示为机器人底盘几何中心P点的质点的运动，根据目标状态计算当前时刻机器人在全局坐标系下的运动向量；步骤S3，以轮子侧向不受力的原则计算各个轮子的转速n_i和车轮朝向与机器人局部坐标系的X轴的夹角ψ_i；步骤S4，按各个轮子的转速n_i和夹角ψ_i调整轮子的状态，实现控制机器人运动。本发明支持机器人实现前行、横移、斜行、旋转及其组合等运动方式，可以用于2个及以上等多个所述小脚轮的2D轮式机器人的运动控制，车轮的滑动小，运动的稳定性、灵活性更高。

技术领域

本发明属于机器人运动控制技术领域，具体涉及一种基于活动脚轮的2D轮式机器人的运动控制模型和方法。

背景技术

随着工业自动化的不断发展，诸如智能小车、移动机器人等在日常生活中的应用也越来越广泛，2D轮式机器人是应用最广泛的机器人之一，因此人们对于2D轮式机器人的运动灵活性和运动效率具有越来越高的要求。

应用于轮式机器人的车轮有全向轮(Omni wheel)、麦克纳姆轮(Mecanum wheel)、传统的活动脚轮即万向轮等。

目前轮式机器人领域应用较广泛的麦克纳姆轮可以满足机器人全方位的灵活运动，提供机器人同时进行平动和自转等高效的移动模式，但是目前应用活动脚轮的机器人中，大多采用差速轮模式或者前轮转向等控制模型，这大大降低了基于活动脚轮的机器人运动的灵活性，没有充分发挥活动脚轮的运动优势。对于基于活动脚轮的机器人来说，急需一种更高效、灵活的运动控制模型和方法。

发明内容

为了解决现有技术存在的问题，本发明提供一种基于活动脚轮的2D轮式机器人的运动控制模型和方法，该模型使机器人可以实现前行、横移、斜行、旋转及其组合等运动方式，且该发明可用于2个及以上等多个所述活动脚轮的2D轮式机器人的运动控制，车轮的滑动小，运动的稳定性、灵活性更高，在实际应用中具有很大的优势。

本发明所采用的技术方案为一种基于活动脚轮的2D轮式机器人的运动控制方法，所述活动脚轮在两个方面具有可控性，包括控制车轮的转速，和控制车轮绕车轮与地面接触点和车轮质心所在轴的360度转动；所述机器人支持在任意时刻改变任意一个活动脚轮的转速n_i和车轮朝向在平面上与机器人正方向的夹角ψ_i，0≤i≤m，活动脚轮数量m≥2；按照以下流程不断更新控制机器人运动状态，

步骤S1，根据任务需求确定当前时刻机器人的目标状态；

步骤S2，将机器人整体的运动表示为机器人底盘几何中心P点的质点的运动，根据目标状态计算当前时刻机器人在全局坐标系下的运动向量T＝{V_x V_y ω_z}，其中V_x为机器人在全局坐标系下X轴的速度分量，V_y为机器人在全局坐标系下Y轴的速度分量，ω_z为机器人在全局坐标系下Z轴的角速度；

步骤S3，以轮子侧向不受力的原则计算各个轮子的转速n_i和车轮朝向与机器人局部坐标系的X轴的夹角ψ_i；

步骤S4，按照步骤S3所得各个轮子的转速n_i和车轮朝向与机器人局部坐标系的X轴的夹角ψ_i调整轮子的状态，实现控制机器人运动。