CN102445944B

CN102445944B - 一种独轮自平衡机器人系统

Info

Publication number: CN102445944B
Application number: CN201110304597.5A
Authority: CN
Inventors: 龚道雄; 邓文波; 潘琦; 阮晓钢; 刘湘; 李星辉
Original assignee: Beijing University of Technology
Current assignee: Hebei Huanyu Power Telecommunications Engineering Co ltd
Priority date: 2011-10-10
Filing date: 2011-10-10
Publication date: 2014-05-21
Anticipated expiration: 2031-10-10
Also published as: CN102445944A

Abstract

本发明涉及一种独轮自平衡机器人系统，属于智能机器人范畴，尤其是一种能够自主进行运动平衡控制进而自主骑行独轮车的静态不平衡机器人。本发明的独轮自平衡机器人系统包括机械本体和电气控制系统，其特征在于：机身上部含有一个可左右转动的竖直放置的飞轮，用来实现机器人的水平平衡控制；机身中间含有可转动的水平放置的飞轮，用来实现机器人的转弯；机身下部为一个可前后转动的独轮，用来实现机器人的前后平衡行走；电气控制系统由驱动电机、运动控制器及与其连接的姿态传感器、伺服驱动控制器组成。本发明系统设计提供一种控制平台，除了机器人学，还涉及控制科学和智能控制领域，可满足多学科科研、教学的需要。

Description

一种独轮自平衡机器人系统

技术领域

本发明属于智能机器人范畴，尤其是一种能够自主进行运动平衡控制进而自主骑行独轮车实现多功能的动态平衡机器人系统。

背景技术

机器人技术作为21世纪非常重要的技术，与网路技术、通信技术、基因技术、虚拟现实技术等一样，属于高新技术。在机器人技术发展过程中，运动平衡控制问题是机器人系统普遍存在的问题。同时人们对智能机器人的要求越来越高，智能机器人能够进行人机交互，具有小巧的外形，能在狭窄空间内运动灵活等性能。这些要求都是静态平衡机器人很难达到的，因此从某种程度上说，动态平衡机器人是将来智能机器人研究的必然方向和趋势。独轮机器人结构属于典型的轮式自平衡机器人移动机器人，其将机器人与地面的接触点减小到最小，有效降低外界环境对机器人本体的影响，扩展了机器人的应用范围。

独轮自平衡机器人作为一种技术系统或人工系统，具有人工智能系统的典型形式和最高目标：模拟人的智能行为；使机器思维，使机器具有智能。具体的，以独轮自平衡机器人为平台，研究智能行为模式，可以增进对生物智能行为的理解，例如：学习、条件反射机制甚至进化过程等；模拟生物的智能行为：使独轮自平衡机器人具有学习、条件反射机制甚至进化等能力。独轮机器人比一般静态平衡机器特点更明显，具有广阔的应用前景：利用其动态平衡特性，将它引入复杂地形环境，进行运输、营救和矿物探测；利用其外形纤细的特性将它用作监控机器人，实现对狭窄地方的监控等。

独轮机器人是一个高阶次、多耦合、不完整的非线性系统，与一般静态平衡机器人相比，独轮机器人的动态不平衡特性更明显。将系统与地面接触点将到最低，受动态干扰少。同时它的不稳定性对控制理论和方法提出更高要求和挑战，在自动化领域中具有更重要的理论价值和实践价值，更能体现人类的控制水平。独轮机器人相比于一般的不需要运动平衡的静态平衡机器人，独轮机器人具有以下显著特点：1)从仿生角度看，独轮机器人的水平平衡系统模拟人类躯干，尤其是腰部结构的左右扭动动作，独轮自平衡机器人系统及其模型比其它机器人及其模型更适用于研究仿人姿态平衡控制。2)机器人的运动过程首先能够稳定直立，才能够进行其他运动，并且这种运动平衡过程是个动态过程；机器人在平衡点附近不停地变化进行调节以保持平衡。这虽然增加了机器人的控制难度，但也同时使其可以完成许多复杂的运动平衡任务；3)若在机器人机构上加入一个水平的转向机构，机器人能够以一种特有的动态平衡的方式实现相应的任务，如在极窄的路径上骑行，骑过很窄的平衡木、转弯、原地转身，甚至可以完成走钢丝的高难度动作。对于独轮机器人的控制，目前许多研究者都是基于飞轮旋转的平衡控制，但是目前在国内还没有一个能够独立行走、转弯的独轮车，所以本发明的研制，无疑会对独轮车的研究起到十分重要的推动作用。

现有的独轮机器人大部分依靠电机驱动车轮前后运动，控制机器人的前后稳定。这种方法直接、简单、易实现，同时靠竖直飞轮旋转来控制侧向平衡。例如美国加州大学研制成功独轮自平衡机器Unibot，它结合了著名的“轮式倒立摆”和“惯性轮倒立摆”两种思想，使用了类似Segway的技术以保持直立姿态：该机器人采用的倾斜角测量系统的加位移计和陀螺仪，并LQR控制的竖直飞轮和底部的行走轮控制算法，成功地实现其自身的平衡。但是Unibot没有转向机构，同时传动方式为链式传动，较为复杂、没有可以灵活扩展的调试用脚轮组件等。

发明内容

本发明设计了一种基于飞轮平衡控制的独轮自平衡机器人的系统。该系统不仅可以作为一种控制科学中的研究平台，为机器人学、人工智能等领域的研究和教学提供实验对象，还可以成为娱乐、展示的极具特色的工具。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种独轮自平衡机器人系统，包括竖直飞轮(1)，竖直飞轮连接轴承(2)，竖直飞轮的电机(3)，竖直飞轮的电机的伺服驱动器(4)，上身支架(5)，水平飞轮(6)，水平飞轮的电机(7)，水平飞轮的电机的伺服驱动器(8)，惯导传感器(9)，运动控制器(10)，电源(11)，电源转接板(12)，独轮电机(13)，独轮电机的伺服驱动器(14)，独轮电机连接轴承(15)，下身支架(16)，独轮(17)，保护支架(18)，调节支架(19)，脚轮(20)，仿真器(21)；主体结构由上身支架(5)、下身支架(16)和保护支架(18)组成，下身支架(16)上端与上身支架(5)固定连接，下身支架(16)两侧与保护支架(18)固定连接；竖直飞轮(1)和竖直飞轮的电机(3)通过竖直飞轮连接轴承(2)连接在一起，竖直飞轮连接轴承(2)固定在上身支架(5)上面；在竖直飞轮(1)的下面依次装有水平飞轮(6)、水平飞轮的电机(7)、惯导传感器(9)和电源(11)，且水平飞轮(6)、水平飞轮的电机(7)、惯导传感器(9)和电源(11)均与上身支架(5)固定连接；在上身支架的两侧，装有运动控制器(10)、三个伺服驱动器(4、8、14)、电源转接板(12)、仿真器(21)；独轮通过独轮电机连接轴承(15)和下身支架(16)连接在一起；保护支架(18)的前后两侧各安装一个调节支架(19)，每个调节支架(19)上安装一个脚轮(20)，同时在保护支架(18)左右两侧各安装一个脚轮(20)；运动控制器(10)的输出端分别与竖直飞轮的电机的伺服驱动器(4)、水平飞轮的电机的伺服驱动器(8)和独轮电机的伺服驱动器(14)、惯导传感器(9)、电源转换板(12)、仿真器(21)连接；竖直飞轮的电机的伺服驱动器(4)的输出端与竖直飞轮的电机(3)连接，竖直飞轮的电机(3)驱动竖直飞轮(1)的旋转；水平飞轮的电机的伺服驱动器(8)的输出端与水平飞轮的电机(7)连接，水平飞轮的电机(7)驱动水平飞轮(6)的旋转；独轮电机的伺服驱动器(14)的输出端与独轮电机(13)连接，独轮电机(13)驱动独轮(17)的滚动；独轮电机的伺服驱动器(14)、竖直飞轮的电机的伺服驱动器(4)、水平飞轮的电机的伺服驱动器(8)、竖直飞轮的电机(3)、水平飞轮的电机(7)、独轮电机(13)分别由电源(11)直接供电，惯导传感器(9)和运动控制器(10)由电源经过电源转接板(12)转换后的电压供电。

设置了一个套在独轮(17)四周的可上下调节的带有四个可拆卸的脚轮(20)的调节支架(19)。

所述的调试支架(19)上的脚轮(20)可拆除。

独轮自平衡机器人系统，包括机械本体和控制系统：机械本体下部为一个可前后转动的独轮(17)，在独轮(17)四周套有一个可上下调节的调节支架(19)和保护支架(18)；机械本体含有可转动的竖直飞轮(1)和水平飞轮(6)；独轮(17)和飞轮在平衡控制系统的控制下运转，来保持机器人平衡、运动和转向；控制系统由运动控制器(10)、传感器(9)和3个伺服驱动器以及电源系统构成。运动控制器接收惯导传感器采集的姿态、位移、速度信号，在控制程序下将信号进行处理，从而发出控制指令，三个伺服器从控制器接收指令，分别通过独轮电机(13)、竖直飞轮的电机(3)和水平飞轮的电机(7)控制独轮(17)和飞轮的转动，对机器人的姿态进行控制。

本发明的基于飞轮平衡控制的独轮自平衡机器人的系统可按功能结构分为5个主要部件：

1.侧向平衡运动机构组件：包括竖直飞轮(1)和竖直飞轮的电机。竖直飞轮的电机控制竖直飞轮，实现机器人左右方向的平衡控制，为机器人系统的平衡提供力矩。

2.前后平衡运动机构组件：包括独轮(17)和独轮电机(13)，独轮电机选控制独轮，实现机器人前后方向的平衡控制，为机器人系统的平衡提供力矩。

3.转向运动机构组件：包括水平飞轮(6)和水平飞轮的电机(7)，水平飞轮的电机控制水平飞轮，实现机器人转向运动控制，为机器人系统的提供旋转力矩。

4.身躯支架组件：包括上身支架(5)，下身支架(16)，独轮(17)，运动控制器(10)、3个伺服驱动器(4、8、14)、惯导传感器(9)，电源(11)，电源转接板(12)和仿真器(21)。

5.底部支架保护机构组件：包括保护支架(18)、调节支架(19)和脚轮(20)。保护支架起到防止机器人由于控制失败而发生倾倒。调节支架为了方便机器人在不同的实验当中进行位置控制。

设计原则：模块化的总体设计思想，每个组件都是一个整体，可以方便地拆卸、更换，不同的模块只要符合接口标准就可以完全通用。飞轮、独轮、调试支架等全部设计为可以拆卸、更换，或者变换高度。

本发明具有以下优点：

第一，本发明作为一种智能机器人，可作为机器人学、控制科学和智能控制领域交叉的综合研究对象，满足多学科科研教学的需要。

第二，本发明所设计的新型的独轮自平衡机器人控制系统，因其具有独特的形态、结构和控制方法，具有新的应用价值，是一种与工程实际问题联系紧密，实用价值较高的研究、示教、展示、娱乐设备。并且，在一些实际应用中，如火箭发射，存在重心在支点之上的控制问题，本系统很好的模拟了这类问题，可作为研究这类特定系统控制问题的理想对象。

第三，本发明中的三个自由度的耦合使得系统的非线性和不确定性增加，更加适合非线性控制、鲁棒控制、智能控制和学习控制的研究。

第四，本发明的所有组件均采用模块化的设计思想，某种组件都可以拆卸更换，这为系统的维护和升级提供了极大的方便。

第五，本发明的可调式底部支架不仅可以根据机器人调试的需要改变底部支撑高度，而且作为机器人的保护装置，避免机器人在调试过程中的意外倾倒而摔坏。

以下结合附图说明和具体实施方式对本发明作进一步的相信说明。

附图说明

图1基于独轮自平衡机器人系统机械结构等角轴侧图；

图2基于独轮自平衡机器人系统机械结构前视图；

图3基于独轮自平衡机器人系统机械结构后视图；

图4基于独轮自平衡机器人系统机械结构右视图；

图5基于独轮自平衡机器人系统机械结构的保护支架侧视图；

图6基于独轮自平衡机器人系统电气系统原理图；

图7基于独轮自平衡机器人系统电气系统接线图；

图中：1-竖直飞轮，2-竖直飞轮连接轴承，3-竖直飞轮的电机，4-竖直飞轮的电机的伺服驱动器，5-上身支架，6-水平飞轮，7-水平飞轮的电机，8-水平飞轮的电机的伺服驱动器，9-惯导传感器，10-运动控制器，11-电源，12-电源转接板，13-独轮电机，14-独轮电机的伺服驱动器，15-独轮电机连接轴承，16-下身支架，17-独轮，18-保护支架，19-调节支架、20-脚轮、21-仿真器、22-编码器。

具体实施方式

下面结合图1～图7对本发明进行详细说明：

下面介绍具体系统实施例。

1.电气系统选型

机器人的独轮电机13和竖直飞轮的电机3选用Maxon公司的直流无刷电机套件，24V供电，90W功率，14:1的行星齿轮减速器GP32C，电机配有增量式光电编码器RE35，精度为500线。水平飞轮电机7采用Maxon公司的盘式直流无刷电机套件EC90，3.5:1的行星齿轮减速器GP52C，电机配有增量式光电编码器，精度为500线。3个伺服驱动器选用ACJ-55-18，惯导传感器选用INNALABS AHRS。

运动控制器选用飓风数字系统(北京)有限公司MSK2812系统板10。该系统的处理器采用TI公司TMS320F2812DSP，系统为5V直流供电。

MSK2812的仿真器选用飓风数字系统(北京)有限公司的XDS510USB，USB2.0接口。伺服驱动控制器选用Copley Motion公司的伺服驱动器ACJ-55-18。传感器选用INNALABS AHRS高性能的捷联惯导系统。

充电电池模块选用LBS-100C标准锂电池11，标称电压：29.6V，工作范围：33.6V-24V，标称容量：150Wh，保护电路：内置过充、过放、过流及短路保护，集成电量监控。

电源转接卡12选用华北工控的PW-4512电源模块，给控制器及其他电子设备供电，输入电压：16-40V DC，输出电压：ATX：+3.3V5A，+5V/+5VSB5A，+12V5A，-12V0.8A。

2.机械结构与电气元件布局

本实施例总重量13kg，高度130cm，宽度30cm，长度22cm，独轮17的直径210mm。机器人的机械结构和电器元件布局如下：

如图1所示，整个机器人为铝合金框架，竖直飞轮和竖直飞轮电机通过轴承固定于上身支架。上身支架为前后左右敞口的立柱支撑结构，便于各种电子器件的安装以及飞轮、电机、驱动器的固定。上身支架的外部前立面，利用亚克力板自上而下分别固定竖直飞轮的电机的伺服驱动器、仿真器和运动控制器，电源转换板固定在仿真器表面。上身支架的外部后立面，自上而下分别固定水平飞轮的电机的伺服驱动器和独轮电机的伺服驱动器。上身支架中间空出充足的空间，在竖直飞轮的下方依次加装多个固定板，分别将水平飞轮、水平飞轮的电机、惯导传感器、电源固定于上身支架上。电源为可插拔的块状电池，在实际使用过程中相当方便，当电池没电时，只要按一下电池块旁边的开关，电池就可以顺利取下来，不用拧取任何一个螺丝，更换新电池时，顺着插槽，只需轻轻一推就可以了。上身支架固定链接于下身支架上端，下身支架两侧固定连接保护支架，独轮通过独轮电机连接轴承和下身支架连接在一起。保护支架的前后两侧各安装一个调节支架，每个调节支架上安装一个脚轮，同时在保护支架左右两侧各安装一个脚轮。

3.电气系统连接

如图7所示，电气系统各部分的连接方法如下：

MSK2812板由PW-4512电源模块的+5V输出供电，它的J7接口的36，35脚，即A/D转换输入通道，38，39脚，即SPI引脚，分别与传感器SPI信号输出端连接；惯导传感器由MSK2812的J7接口提供+5V输出供电；仿真器和MSK2812的JTAG口连接，编写的程序通过仿真器写入DSP的Flash里，同时可以读出RAM中的实时数据。

MSK2812板与三个伺服驱动器ACJ-55-18间的连接包括控制信号线和编码器反馈信号线。控制信号包括电机使能信号、电机转动方向信号和PWM转速控制量信号。其中，MSK2812的J5接口的3、7、9脚分别与独轮电机的伺服驱动器、竖直飞轮的电机的伺服驱动器、水平飞轮的电机的伺服驱动器的J5接口的3脚连接，作为伺服驱动器ACJ-55-18的使能信号线；MSK2812的J5接口的5、1、11脚分别与独轮电机的伺服驱动器、竖直飞轮的电机的伺服驱动器、水平飞轮的电机的伺服驱动器的J5接口的6脚连接，作为电机转动方向选择信号线；MSK2812的J7接口17、18、19脚为PWM输出，分别控制独轮电机的伺服驱动器、竖直飞轮的电机伺服驱动器、水平飞轮的电机的伺服驱动器ACJ-55-18的J5接口的20脚连接，作为转速控制量信号线。飞轮、独轮电机编码器的反馈信号经伺服驱动器ACJ-55-18缓存后连接至MSK2812，具体接线为飞轮的伺服驱动器、独轮电机的伺服驱动器ACJ-55-18的J5接口的10、11脚，分别接MSK2812的J7接口的27、28脚和J6接口的13、14、15、16脚。

三个伺服驱动器ACJ-55-18的J3接口的3、4、5脚为电源输入端，分别接电源输出的+24V和GND；J2接口的3、4脚为控制电压的输出端，分别与电机的+/-输入端连接，其中3脚与电机+输入端之间串接一个电机开关；J4接口的4、6分别为+5V和GND，分别与编码器排线的2、3线连接，J4接口的1、8、2、9、3、10脚为编码器A通道、B通道和零位信号的共模输入端，分别接编码器排线的5、6、7、8、9、10线。

LBS-100C标准锂电池经一个双刀双掷的船型开关与PW-4512电源模块连接。PW-4512电源模块的+/-输入端连接LBS-100C标准锂电池的+/-端，分别连接各对应设备的供电端。

4.电气系统的工作原理

本实施例机器人的主要功能是在保持机身俯仰姿态平衡和左右姿态平衡的前提下，能够实现控制机器人实现前后向及转弯的运动。由此，机器人电气系统工作原理如图6所示：机器人的运动控制器10得到惯导传感器9采集到的姿态、角度、速度信号，经过伺服驱动器读取编码器反馈信号，然后综合接收得到控制命令和反馈信号，按预定的运动平衡控制算法计算出电机的转矩控制量，发送对应的PWM信号给伺服驱动控制器执行；独轮电机的伺服驱动控制器14控制独轮电机13运动，独轮电机13带动独轮17保持机器人前后方向的平衡并且实现前后方向的运动。侧向平衡的竖直飞轮的电机的伺服驱动控制器4控制竖直飞轮的电机3，使竖直飞轮电机3带动竖直飞轮1使机器人维持机身左右方向的平衡。平衡的方式是惯导传感器将检测到当前的倾斜角信息送给控制单元，控制单元依据PID控制算法或其他智能算法控制飞轮转动，如当机器人倒向左边时，这时竖直飞轮1往左边转动，竖直飞轮1会对机器人产生一个向右的力矩，在该力矩左右下机器人向右摆动。当机器人超调后倒向右方时竖直飞轮1再向右边方向转动，对机器人产生一个向左边方向的力矩使机器人调节身躯向左边平衡。这样机器人在左右方向上就被平衡了。水平飞轮的电机伺服驱动控制器8控制水平飞轮的电机7旋转运动，水平飞轮的电机7带动水平飞轮6使机器人机身转弯。

Claims

1.一种独轮自平衡机器人系统，包括竖直飞轮（1），竖直飞轮连接轴承（2），竖直飞轮的电机（3），竖直飞轮的电机的伺服驱动器（4），上身支架（5），水平飞轮（6），水平飞轮的电机（7），水平飞轮的电机的伺服驱动器（8），惯导传感器（9），运动控制器（10），电源（11），电源转接板（12），独轮电机（13），独轮电机的伺服驱动器（14），独轮电机连接轴承（15），下身支架（16），独轮（17），保护支架（18），调节支架（19），脚轮（20），仿真器（21）；其特征在于：主体结构由上身支架（5）、下身支架（16）和保护支架（18）组成，下身支架（16）上端与上身支架（5）固定连接，下身支架（16）两侧与保护支架（18）固定连接；竖直飞轮（1）和竖直飞轮的电机（3）通过竖直飞轮连接轴承（2）连接在一起，竖直飞轮连接轴承（2）固定在上身支架（5）上面；在竖直飞轮（1）的下面依次装有水平飞轮（6）、水平飞轮的电机（7）、惯导传感器（9）和电源（11），且水平飞轮（6）、水平飞轮的电机（7）、惯导传感器（9）和电源（11）均与上身支架（5）固定连接；在上身支架的两侧，装有运动控制器（10）、三个伺服驱动器（4、8、14）、电源转接板（12）、仿真器（21）；独轮通过独轮电机连接轴承（15）和下身支架（16）连接在一起；保护支架（18）的前后两侧各安装一个调节支架（19），每个调节支架（19）上安装一个脚轮（20），同时在保护支架（18）左右两侧各安装一个脚轮（20）；运动控制器（10）的输出端分别与竖直飞轮的电机的伺服驱动器（4）、水平飞轮的电机的伺服驱动器（8）和独轮电机的伺服驱动器（14）、惯导传感器（9）、电源转换板（12）、仿真器（21）连接；竖直飞轮的电机的伺服驱动器（4）的输出端与竖直飞轮的电机（3）连接，竖直飞轮的电机（3）驱动竖直飞轮（1）的旋转；水平飞轮的电机的伺服驱动器（8）的输出端与水平飞轮的电机（7）连接，水平飞轮的电机（7）驱动水平飞轮（6）的旋转；独轮电机的伺服驱动器（14）的输出端与独轮电机（13）连接，独轮电机（13）驱动独轮（17）的滚动；独轮电机的伺服驱动器（14）、竖直飞轮的电机的伺服驱动器（4）、水平飞轮的电机的伺服驱动器（8）、竖直飞轮的电机（3）、水平飞轮的电机（7）、独轮电机（13）分别由电源（11）直接供电，惯导传感器（9）和运动控制器（10）由电源经过电源转接板（12）转换后的电压供电。

2.如权利要求1所述的一种独轮自平衡机器人系统，其特征在于：设置了一个套在独轮（17）四周的可上下调节的带有四个可拆卸的脚轮（20）的调节支架（19）。

3.如权利要求1所述的一种独轮自平衡机器人系统，其特征在于：所述的调节支架(19)上的脚轮(20)可拆除。