CN101870106A - 自动跟随平衡系统 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于提供自动跟随平衡系统。本发明包括连接在被夹持物体两端的自动机器人和手动机器人；自动机器人包括自动车底盘、自动车升降杆、自动车俯仰转轴、自动车夹持手部，自动车升降杆安装在自动车底盘上，自动车夹持手部通过自动车俯仰转轴安装在自动车升降杆上；手动机器人包括手动机器人手部、倾角传感器、倾角传感器安装盒、手动机器人俯仰转轴、手动车升降杆和手动车底盘，手动车升降杆安装在手动车底盘上，倾角传感器安装在倾角传感器倾角安装盒中，传感器安装盒固定在手动机器人手部，手动机器人手部通过手动机器人俯仰转轴安装在手动车升降杆上。本发明能动态测量被搬运物体的倾斜角度，测量效果较好。

Description

自动跟随平衡系统

技术领域

本发明涉及的是一种机械结构，具体地说是应用于快速运动中姿态测量的移动机器人结构。

背景技术

水平姿态测量广泛地应用在移动平台的稳定调节、机器人的自动控制、微波通信天线的自动跟踪、勘探等很多领域中。目前常用的倾角测量传感器有：加速度传感器、导电液倾角传感器、电感式、电阻式、应变式、悬挂式等。导电液倾角传感器主要有单轴和双轴两种，其中双轴导电液倾角传感器由于横向耦合干扰的影响会产生测量误差，特别是对于高精度要求的测量场合，应考虑耦合干扰的影响。

移动机器人应用在自然环境中，势必会遇到地面凹凸不平的状况，这就要求具有协同作业的两独立机器人有很好的平衡响应能力。

在移动机器人比赛中，自动机器人和手动机器人在没有通讯的情况下，共同抬一柄长为2米的轿子，在保证轿杆始终水平的情况下，需要完成翻越坡度为17.5°(中间水平坡段长度为1米)，跨度为3米的山坡，并且在完成翻越山坡任务时，必须保持车体和轿杆的平稳；完成翻山任务后，还要保证机器人能灵活、快速绕过障碍物，完成规定动作，这就要求机器人手部升降跟随系统响应灵活快速，能快速根据地面和车体倾斜情况作出姿态调整。

发明内容

本发明的目的在于提供能够在快速运动中实时姿态测量的、能够适应恶劣工作环境的自动跟随平衡系统。

本发明的目的是这样实现的：

本发明自动跟随平衡系统，其特征是：包括连接在被夹持物体两端的自动机器人和手动机器人；自动机器人包括自动车底盘、自动车升降杆、自动车俯仰转轴、自动车夹持手部，自动车升降杆安装在自动车底盘上，自动车夹持手部通过自动车俯仰转轴安装在自动车升降杆上；手动机器人包括手动机器人手部、倾角传感器、倾角传感器安装盒、手动机器人俯仰转轴、手动车升降杆和手动车底盘，手动车升降杆安装在手动车底盘上，倾角传感器安装在倾角传感器倾角安装盒中，传感器安装盒固定在手动机器人手部，手动机器人手部通过手动机器人俯仰转轴安装在手动车升降杆上。

本发明的优势在于：能动态测量被搬运物体的倾斜角度，测量效果较好。

附图说明

图1为本发明的自动跟随平衡系统夹持物体上坡姿态图；

图2是本发明的自动跟随平衡系统夹持物体在坡上姿态图；

图3是本发明的自动跟随平衡系统夹持物体下坡姿态图；

图4是本发明的控制系统原理图；

图5是本发明的加速度传感器坐标系与倾角关系示意图。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

结合图1～5，本发明包括连接在被夹持物体两端的自动机器人和手动机器人；自动机器人包括自动车底盘2、自动车升降杆3、自动车俯仰转轴4、自动车夹持手部5，自动车升降杆3安装在自动车底盘2上，自动车夹持手部5通过自动车俯仰转轴4安装在自动车升降杆3上；手动机器人包括手动机器人手部9、倾角传感器、倾角传感器安装盒10、手动机器人俯仰转轴11、手动车升降杆12和手动车底盘13，手动车升降杆12安装在手动车底盘13上，倾角传感器安装在倾角传感器倾角安装盒10中，传感器安装盒10固定在手动机器人手部9，手动机器人手部9通过手动机器人俯仰转轴11安装在手动车升降杆12上。

图1中，自动跟随平衡系统处于上坡阶段，自动跟随平衡系统夹持的物体由轿杆6、钢丝绳7和轿子底板8组成，自动机器人处于山坡1之上，手动机器人位于地面为保证轿杆6水平，通过测量倾角，手动车升降杆12提升，保证轿杆6水平。随着自动车爬坡，以及手动车自身车速，通过倾角传感器测量倾角，调整升降杆。

图2中，手动机器人处于山坡1之上，为保证轿杆6水平，手动机器人需根据倾角时刻调整升降杆位置。

图3中，手动机器人处于下坡阶段，车体倾斜，保证轿杆6水平。

图4中，说明了倾角数据传输及处理过程，ADXL203具有信号可调节的电压输出，输出量为两路与加速度成比例的模拟电压信号。比例系数达到1000mV/g。ADXL103传感器测量电路安装在手动车的可升降俯仰杆10处，当手动车在移动过程中，俯仰杆处于不同位置时，传感器的两个敏感轴会根据角度的变化而输出相应的模拟量，然后将信号送人单片机ATmega8中，经过单片机进一步处理运算(模数转换)，将合成的数字量通过MAX485总线传送给主控，控制升降杆的升降以保证俯仰杆的平衡。

图5中，给出了角度测量原理图，ADXL203用作倾斜度测量时，以重力矢量作为基准，将它的X轴沿水平车体前进方向，Y轴沿重力加速度g方向，此时定义为0°。此时加速度传感器ADXL203处于竖直平面内，。当车体底盘处于水平面时，为保证平衡杆保持水平，必须使重力加速度在ay轴的投影为G；当车体底盘处于倾角为θ的斜面上时，为保证平衡杆保持水平，后车必须升高到一定高度使得加速度计的坐标系a_xoa_y与坐标系goa成θ角。

$\left\{\begin{array}{c}{a}_x*\cos \mathrm{\θ}+a=a_y*\sin \mathrm{\θ}\\ a_x*\sin \mathrm{\θ}=a_y*\cos \mathrm{\θ}+g\\ a_y*\cos \mathrm{\θ}-a_x*\sin \mathrm{\θ}=g\end{array}\right.$

当车体倾斜时，车体前冲加速度对倾角传感器两轴的测量量均有影响，而ax、ay测量的仅为重力加速度在其上的分量，为消除前冲的水平加速度的影响，当θ值很小时，可以将cosθ近似看做1，此时方程可简化为

a_y-a_x*Sinθ＝g

$\sin \mathrm{\θ}=\frac{a_y-g}{a_x}$

由于倾角传感器有很高的跟随速度，所以可以保证θ值是很小值，使之保持在5°以下，此时方程可进一步简化为

$\mathrm{\θ}\≈\sin \mathrm{\θ}=\frac{a_y-g}{a_x}$

通过得出的θ值，在主控制系统中进行角度补偿，控制升降杆升降，再通过倾角测量进行反馈控制，使轿杆保证水平。

Claims (1)

1.自动跟随平衡系统，其特征是：包括连接在被夹持物体两端的自动机器人和手动机器人；自动机器人包括自动车底盘、自动车升降杆、自动车俯仰转轴和自动车夹持手部，自动车升降杆安装在自动车底盘上，自动车夹持手部通过自动车俯仰转轴安装在自动车升降杆上；手动机器人包括手动机器人手部、倾角传感器、倾角传感器安装盒、手动机器人俯仰转轴、手动车升降杆和手动车底盘，手动车升降杆安装在手动车底盘上，倾角传感器安装在倾角传感器倾角安装盒中，传感器安装盒固定在手动机器人手部，手动机器人手部通过手动机器人俯仰转轴安装在手动车升降杆上。

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