CN102520720A - 一种可实现自平衡的独轮机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可实现自平衡的独轮机器人，该独轮机器人包括支架、平衡杆、平衡杆转轴、车轮、车轮轴、皮带、码盘，以及固定在支架上的车轮电机、电池组、控制器、驱动器、倾角传感器、平衡杆转轴电机和平衡杆角度传感器；车轮轴通过皮带与车轮电机连接，车轮电机与驱动器连接，驱动器与控制器连接；平衡杆连接于支架的上部，平衡杆转轴的一端与平衡杆转轴电机相连，平衡杆转轴电机与驱动器连接；码盘固定连接在车轮电机的转轴上；倾角传感器和平衡杆角度传感器分别与控制器连接。该独轮机器人不仅能保持前后平衡和侧向平衡，而且具有加减速灵活、转向性能良好的特点。

Description

一种可实现自平衡的独轮机器人

技术领域

本发明涉及一种独轮机器人，具体来说，涉及一种可实现自平衡的独轮机器人。

背景技术

近年来，国内外对两轮自平衡机器人进行了大量的研究。两轮自平衡机器人由两个同轴的车轮独立驱动，其重心倒置于轮轴上方。采用倒立摆的平衡控制原理自主保持车体动态平衡；通过对两个轮子采用不同电机单独驱动，从而实现转弯等功能。该机器人可以适应复杂的地形变化，运动灵活，可以在一些复杂的环境里工作。

根据这样的结构，美国Segway LLC公司的Dean Kamen发明了世界上第一部自平衡式两轮交通工具Segway，Segway没有制动装置、引擎、传动装置和方向盘，外形小巧、运动灵活，与驾乘者如影随形。

国外关于自平衡独轮机器人进行了一系列研究，加州大学的Jascha van Pommeren等人成功研制了独轮驱动的机器人Unibot，结合了倒立摆以及惯性平衡系统的驱动方式自动保持平衡。村田制作所开发出了骑独轮车的机器人“村田少女”，通过转动机器人躯体中央配备的的惯性轮来保持左右平衡。国内关于自平衡独轮机器人的研究还很少。

相比于两轮机器人，独轮机器人只有一个轮子驱动，在节省材料，减轻重量，节约能量方面具有更大的优势；同时它减少了与地面的接触面积，因而运动更加灵活。然而独轮机器人本身是一个多变量、强耦合、非线性的复杂动力学系统，其侧向平衡和转弯等方面更难控制。

发明内容

技术问题：本发明所要解决的技术问题是：提供一种可实现自平衡的独轮机器人，该独轮机器人不仅能保持前后平衡和侧向平衡，而且具有加减速灵活、转向性能良好的特点。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种可实现自平衡的独轮机器人，该独轮机器人包括支架、平衡杆、平衡杆转轴、车轮、车轮轴、皮带、码盘，以及固定在支架上的车轮电机、电池组、控制器、驱动器、倾角传感器、平衡杆转轴电机和平衡杆角度传感器；其中，

所述的车轮位于支架的下部，并且车轮通过车轮轴与支架连接，车轮轴通过皮带与车轮电机连接，车轮电机通过导线与驱动器连接，驱动器通过导线与控制器连接；

所述的平衡杆通过平衡杆转轴连接于支架的上部，平衡杆转轴的一端与平衡杆转轴电机相连，平衡杆转轴电机通过导线与驱动器连接；

所述的平衡杆角度传感器靠近平衡杆转轴电机的转轴；码盘固定连接在车轮电机的转轴上；倾角传感器的输出端和平衡杆角度传感器的输出端分别与控制器的输入端连接；平衡杆角度传感器、平衡杆转轴电机、码盘、车轮电机、控制器、驱动器和倾角传感器分别通过导线与电池组连接。

进一步，所述的可实现自平衡的独轮机器人，其特征在于，还包括摄像头，摄像头位于支架的上部，摄像头的输入端与电池组的输出端连接，摄像头的输出端与控制器的输入端连接。

进一步，所述的可实现自平衡的独轮机器人，其特征在于，还包括无线接收器，无线接收器位于支架的上部，无线接收器的输入端与电池组的输出端连接，无线接收器的输出端与控制器的输入端连接。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1．该独轮机器人能够保持前后平衡和侧向平衡。本发明的独轮机器人能够保持前后平衡：通过倾角传感器检测支架的纵向倾角，并将该纵向倾角传送控制器中。控制器将该纵向倾角与期望的纵向角度进行计算，产生控制信号。控制器将控制信号传送至驱动器。驱动器依照控制信号控制车轮电机的转矩。车轮电机通过皮带带动车轮旋转，使独轮机器人作加速或减速运动，从而独轮机器人的纵向倾角亦随之发生改变。本发明的独轮机器人能够保持侧向平衡：倾角传感器测量支架侧向倾角，并将侧向倾角传送至控制器。码盘测量车轮电机的转速，并计算出独轮机器人的前进速度。码盘将前进速度传送至控制器。平衡杆角度传感器测量平衡杆与支架之间的相对转角，并将相对转角信号传递给控制器。控制器接收侧向倾角、前进速度和相对转角信号后，通过计算得到控制信号。控制器将该控制信号传送至驱动器。驱动器依照控制信号，控制平衡杆转轴电机的转矩，使平衡杆绕平衡杆转轴转动，从而改变独轮机器人的侧向倾角与转弯半径。

2．该独轮机器人加减速灵活、转向性能良好。本发明的独轮机器人在控制器的控制之下，独轮机器人的纵向倾角是完全可控的。欲使独轮机器人加速前进，控制纵向倾角θ_f >0；欲使独轮机器人保持匀速运动或者静止，须控制纵向倾角θ_f = 0；欲使独轮机器人减速前进、刹车或者后退，则须控制纵向倾角θ_f  < 0。通过独轮机器人重心的倾斜控制其转弯，可以在快速行驶的状态下完成半径很小的转弯而不会翻车，转弯更加灵活。

3．结构简单，操作灵活。相对于两轮及多轮结构，本发明的独轮机器人在结构上更加简化，降低了造价；同时体型更加小巧，重量减轻，节约能量。本发明的独轮机器人通过重心后移实现快速平稳的减速，无需刹车系统。通过改变独轮机器人的纵向倾角实现起动、停止和后退操作，操作更加灵活。该独轮机器人可以代替人类在复杂地形从事特殊工作，也可作为简单便携的代步工具或游乐设施，用途广泛。

4. 独轮机器人上部设置摄像头，可以拍摄地面的轨迹，从而使独轮机器人按照地面画好的路径行驶。

5．获取期望的运行信号十分便利。本发明的独轮机器人，可以在独轮机器人的上部设置摄像头或者无线接收器。摄像头可以自动寻找地面轨迹，得到期望转弯半径。在控制器的控制之下，可以使独轮机器人按照预定的路线前进。通过接收无线器，人可以在远处使用遥控器控制独轮机器人。由遥控信号给出独轮机器人的期望转弯半径，从而控制独轮机器人的行驶路线。

附图说明

图1是本发明的正视图。

图2是本发明的立体图。

图3是本发明的独轮机器人在前进时的侧视图。

图4是本发明的独轮机器人向前倾斜时的纵向倾角控制结构图。

图5是本发明的独轮机器人在转弯时的主视图。

图6是本发明的独轮机器人侧向倾角控制结构图。

图中有：1.支架，2.平衡杆，3.平衡杆转轴，4.平衡杆转轴电机，5.车轮，6.车轮电机，7.车轮轴，8.皮带，9.码盘，10.电池组，11.控制器，12.驱动器，13.倾角传感器，14.平衡杆角度传感器，15.摄像头，16.无线接收器。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的技术方案进行详细的说明。

如图1和图2所示，本发明的一种可实现自平衡的独轮机器人，包括支架1、平衡杆2、平衡杆转轴3、车轮5、车轮轴7、皮带8、码盘9、车轮电机6、电池组10、控制器11、驱动器12、倾角传感器13、平衡杆转轴电机4和平衡杆角度传感器14。车轮电机6、电池组10、控制器11、驱动器12、倾角传感器13、平衡杆转轴电机4和平衡杆角度传感器14固定连接在支架1上。车轮5位于支架1的下部，并且车轮5通过车轮轴7与支架1连接。车轮5可以围绕车轮轴7转动。车轮轴7通过皮带8与车轮电机6连接，车轮电机6通过导线与驱动器12连接，驱动器12通过导线与控制器11连接。平衡杆2通过平衡杆转轴3连接于支架1的上部。平衡杆2可以绕平衡杆转轴3转动。平衡杆转轴3的一端与平衡杆转轴电机4相连，平衡杆转轴电机4通过导线与驱动器12连接。平衡杆角度传感器14靠近平衡杆转轴电机4的转轴。平衡杆角度传感器14用于测量平衡杆2与支架1之间的相对角度θ_p。码盘9固定连接在车轮电机6的转轴上。码盘9用于测量车轮5的转速。倾角传感器13的输出端和平衡杆角度传感器14的输出端分别与控制器11的输入端连接。倾角传感器13用于测量支架1的纵向倾角θ_f以及侧向倾角θ_l。平衡杆角度传感器14、平衡杆转轴电机4、码盘9、车轮电机6、控制器11、驱动器12和倾角传感器13分别通过导线与电池组10连接。电池组10分别对平衡杆角度传感器14、平衡杆转轴电机4、码盘9、车轮电机6、控制器11、驱动器12和倾角传感器13供电。

该结构的独轮机器人在行驶的过程保持自平衡的过程是：

独轮机器人的纵向平衡及加减速的控制：独轮机器人通过倒立摆的平衡控制原理来实现纵向平衡。如图3和图4所示，倾角传感器13检测支架1的纵向倾角θ_f，并将该纵向倾角θ_f 传送控制器11中。控制器11接收纵向倾角θ_f 信号，并将该纵向倾角θ_f与期望的纵向角度θ_f* 进行比较，即将θ_f与θ_f*相减，得到e_θf。将e_θf 进行差分运算得到de_θf /dt，然后将de_θf /dt作为输入信号，采用控制算法，例如采用比例—积分—微分控制算法（即PID控制算法），模糊控制算法，或者滑模控制算法，产生控制信号u_f。控制器11将该控制信号u_f 传送至驱动器12。驱动器12依照控制信号u_f  控制车轮电机6的转矩。车轮电机6通过皮带8带动车轮5旋转，使独轮机器人作加速或减速运动，从而独轮机器人的纵向倾角θ_f亦随之发生改变。

在控制器11的控制之下，独轮机器人的纵向倾角是完全可控的，通过控制独轮机器人的纵向倾角可以控制独轮机器人的加速、减速和匀速运动状态。欲使独轮机器人加速前进，控制纵向倾角θ_f >0，在车轮转矩u_f的作用下，独轮机器人将向前作加速运动；欲使独轮机器人保持匀速运动或者静止，须控制纵向倾角θ_f = 0；欲使独轮机器人减速前进、刹车或者后退，则须控制纵向倾角θ_f  < 0。

独轮机器人侧向平衡及转弯控制：独轮机器人转弯时的示意图如图5所示。当独轮机器人的侧向倾角为θ_l时，独轮机器人的侧向加速度用于提供独轮机器人转弯所需的向心加速度。独轮机器人的转弯半径r、侧向倾角θ_l以及独轮机器人的速度v之间存在着v²/r=g*sinθ_l cosθ_l的关系。

如图6所示，独轮机器人转弯半径的控制采用一套闭环控制系统。独轮机器人的转弯半径不能直接得到，而是需要由侧向倾角θ _l 以及独轮机器人的速度v换算得到。倾角传感器13测量支架1侧向倾角θ _l ，并将侧向倾角θ _l  传送至控制器11。码盘9测量车轮电机6的转速，并将该车轮电机6的转速传送给控制器11。控制器11根据车轮电机6的转速以及车轮的直径计算出独轮机器人的前进速度v。结合前进速度v和控制器11接收的侧向倾角θ_l 信号，控制器11通过公式r=v²/g*sinθ_l cosθ_l计算得到独轮机器人的转弯半径r。控制器11将计算得到的独轮机器人的转弯半径r与独轮机器人期望的转弯半径r^* 进行比较，即将r与r^*相减得到e_r。平衡杆角度传感器14测量平衡杆2与支架1之间的相对转角θ_p，并将相对转角θ_p  信号传递给控制器11。控制器11接收相对转角θ_p 信号，并将相对转角θ_p 和e_r进行差分运算得到de_r/dt和dθ_p/dt，将e_r、de_r/dt、θ_p、dθ_p/dt作为输入信号，采用控制算法，例如采用比例—积分—微分控制算法（即PID控制算法），模糊控制算法，或者滑模控制算法，产生控制信号u_l。控制器11将该控制信号u_l传送至驱动器12。驱动器12依照控制信号u₁，控制平衡杆转轴电机4的转矩，使平衡杆2绕平衡杆转轴3转动，从而改变独轮机器人的侧向倾角θ_l与转弯半径r。

进一步，所述的可实现自平衡的独轮机器人，还包括摄像头15，摄像头15位于支架1的上部，摄像头15的输入端与电池组10的输出端连接，摄像头15的输出端与控制器11的输入端连接。摄像头15可以自动寻找地面轨迹，得到期望转弯半径r ^* 。在控制器11的控制之下，可以使独轮机器人按照预定的路线前进。

进一步，所述的可实现自平衡的独轮机器人，还包括无线接收器16，无线接收器16位于支架1的上部，无线接收器16的输入端与电池组10的输出端连接，无线接收器16的输出端与控制器11的输入端连接。无线接收器16可以接收人的遥控指令，由遥控信号给出独轮机器人的期望转弯半径r ^* ，从而控制独轮机器人的行驶路线。如图6所示，独轮机器人的期望转弯半径r ^*  可以由无线接收器16发送至控制器11，也可以由摄像头15将期望转弯半径r ^* 发送至控制器11。如图4所示，独轮机器人的期望的纵向角度θ_f*可以由人通过遥控器，遥控无线接收器16接收并发送期望的纵向角度θ_f*至控制器11。

进一步，所述的支架1的中部设有空腔，车轮电机6、电池组10、控制器11、驱动器12和倾角传感器13固定在支架1的空腔中。在支架1上设置空腔，并且将车轮电机6、电池组10、控制器11、驱动器12和倾角传感器13置于该空腔内，可以保护这些部件，避免外露损坏。同时在支架1的中部设置空腔，可以使独轮机器人结构布局更合理。其中，倾角传感器13固定在空腔的底板的中部。这样有利于倾角传感器13准确测量支架1的纵向倾角θ_f以及侧向倾角θ_l。

Claims (5)

1. 一种可实现自平衡的独轮机器人，其特征在于，该独轮机器人包括支架（1）、平衡杆（2）、平衡杆转轴（3）、车轮（5）、车轮轴（7）、皮带（8）、码盘（9），以及固定在支架（1）上的车轮电机（6）、电池组（10）、控制器（11）、驱动器（12）、倾角传感器（13）、平衡杆转轴电机（4）和平衡杆角度传感器（14）；其中，

所述的车轮（5）位于支架（1）的下部，并且车轮（5）通过车轮轴（7）与支架（1）连接，车轮轴（7）通过皮带（8）与车轮电机（6）连接，车轮电机（6）通过导线与驱动器（12）连接，驱动器（12）通过导线与控制器（11）连接；

所述的平衡杆（2）通过平衡杆转轴（3）连接于支架（1）的上部，平衡杆转轴（3）的一端与平衡杆转轴电机（4）相连，平衡杆转轴电机（4）通过导线与驱动器（12）连接；

所述的平衡杆角度传感器（14）靠近平衡杆转轴电机（4）的转轴；码盘（9）固定连接在车轮电机（6）的转轴上；倾角传感器（13）的输出端和平衡杆角度传感器（14）的输出端分别与控制器（11）的输入端连接；平衡杆角度传感器（14）、平衡杆转轴电机（4）、码盘（9）、车轮电机（6）、控制器（11）、驱动器（12）和倾角传感器（13）分别通过导线与电池组（10）连接。

2.按照权利要求1所述的可实现自平衡的独轮机器人，其特征在于，还包括摄像头（15），摄像头（15）位于支架（1）的上部，摄像头（15）的输入端与电池组（10）的输出端连接，摄像头（15）的输出端与控制器（11）的输入端连接。

3.按照权利要求1所述的可实现自平衡的独轮机器人，其特征在于，还包括无线接收器（16），无线接收器（16）位于支架（1）的上部，无线接收器（16）的输入端与电池组（10）的输出端连接，无线接收器（16）的输出端与控制器（11）的输入端连接。

4. 按照权利要求1所述的可实现自平衡的独轮机器人，其特征在于，所述的支架（1）的中部设有空腔，车轮电机（6）、电池组（10）、控制器（11）、驱动器（12）和倾角传感器（13）固定在支架（1）的空腔中。

5.按照权利要求4所述的可实现自平衡的独轮机器人，其特征在于，所述的倾角传感器（13）固定在空腔的底板的中部。

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