CN102923204A - 一种多自由度可变重心两轮机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种多自由度可变重心两轮机器人，该机器人在常见的两轮机器人的基础上进行改造，增加了两个自由度，用以改变重心，从而在运动中更好维持两轮车的平衡。其中一个自由度是两轮机器人整体的倾斜，用以平衡两轮机器人转弯时离心力；两轮机器人在快速转弯时，能够通过调节机器人的倾斜角度以克服离心力，使机器人更流畅的完成转弯动作；另一个自由度是两轮机器人上的承载滑块，通过调节机器人载物板上的滑块位置改变重心位置，使机器人的爬坡动作更容易控制，爬坡更稳定。

Description

一种多自由度可变重心两轮机器人

技术领域

发明涉及一种两轮机器人，具体涉及一种多自由度可变重心两轮机器人，属于机器人技术领域。

背景技术

自平衡式两轮机器人起源于倒立摆系统，是轮式变质心机器人的一个重要分支，是一个典型的非线性欠驱动系统，具有两轮同轴布置、独立驱动的机构特点，以及运动灵活、适合狭小空间下快速移动的机动特点。两轮机器人是一个具体的复杂系统，从这一概念推出就得到了世界范围内各行业科研人员的关注。它的出现对控制理论的研究与应用提出了挑战，是研究不确定性系统控制、非线性系统控制、自适应控制、智能控制等理论的典型装置。

近年来有关两轮机器人的研究，基本上是对其控制算法的改进，并没有试图改变两轮机器人的机构来改进两轮机器人控制的先例。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种多自由度可变重心两轮机器人，该机器人在传统两轮机器人的基础上对其进行改进，增加了两个自由度，使其可以在运动中改变重力的分布，实现在转弯和上坡时对两轮机器人更好的控制。

本发明的多自由度可变重心两轮机器人包括：载物台滑块组件、摆杆驱动测量组件、机器人本体和机器人行走驱动组件。

所述载物台滑块组件包括：载物台、导杆、滑块、齿条、齿轮、电机和电机架。所述载物台为方形结构，其上表面通过支架平行固定两根导杆。每根导杆上安装一个滑块，滑块与导杆滑动配合。电机位于滑块下方，并通过电机架与两个滑块相连。齿条通过垫片固定在载物台的端部，齿条与导杆平行。齿轮与电机输出轴相连，并与齿条配合。

所述摆杆驱动测量组件包括：摆杆、蜗轮蜗杆减速电机、电机轴套、摆杆、转动轴、旋转电位器和电位器轴套。所述蜗轮蜗杆减速电机的输出轴通过电机轴套固定在摆杆的中部，蜗轮蜗杆减速电机输出轴的轴向垂直于摆杆的长度方向。旋转电位器通过电位器轴套固定在摆杆上与蜗轮蜗杆减速电机的相对侧，电位器和蜗轮蜗杆减速电机同轴。

所述机器人本体为平行四边形机构，包括：两个侧板、上面板、下面板和合页。所述上面板的两端分别通过合页与两个侧板的顶部铰接，下面板的两端分别通过合页与两个侧板的中部铰接。

所述机器人行走驱动组件包括两套车轮组件，两个车轮组件的结构相同。所述车轮组件包括：车轮电机、轴承套筒、传动轴、球轴承和车轮。所述车轮电机的输出轴通过传动轴与车轮相连。在传动轴上安装有球轴承，球轴承外安装轴承套筒，轴承套筒与车轮电机固接。

该机器人的整体连接关系为：所述摆杆的顶部通过法兰水平固接载物台。摆杆底部穿过机器人本体上面板上的限位孔后通过转动轴和转动轴支架与下面板固连。摆杆能够绕转动轴转动。同时所述蜗轮蜗杆减速电机通过蜗轮蜗杆减速电机架固定在上面板上，电位器通过电位器支架固定在上面板上。每个侧板上通过轴承套筒固接一套车轮组件，其中车轮位于侧板的外侧，车轮电机位于侧板的内侧。所述转动轴、导杆和蜗轮蜗杆减速电机的输出轴相互平行，且均垂直于轴承套筒的轴向。

所述蜗轮蜗杆减速电机架与上面板之间、电位器支架之间与上面板之间、转动轴支架与下面板之间均安装有垫片。

所述传动轴与车轮之间采用螺纹配合。

所述上面板上的限位孔限制摆杆摆动的范围为+17°至-17°。

所述摆杆的顶部通过法兰连接载物台的中心位置。

有益效果：

（1）本发明的两轮机器人在快速转弯时，能够通过调节机器人的倾斜角度以克服离心力，使机器人更流畅的完成转弯动作；在上下坡时，能够通过调节机器人载物板上的滑块位置改变重心位置，使机器人的爬坡动作更容易控制，爬坡更稳定。

（2）为提高机器人本体的平行度，在与上面板6和下面板11连接的部件间均安装垫片以调节高度。

（3）摆杆驱动测量组件中采用蜗轮蜗杆减速电机可以实现自锁，从而减少能量损耗，并易于控制。

（4）行走驱动组件中传动轴与车轮间采用正反螺纹配合，这样可以保证在前进或后退时连接稳定性，同时也保证了运动控制的准确。

附图说明

图1是本发明的机器人整体左右摆动原理的示意图。

图2是本发明的机器人滑块机构原理的示意图。

图3是本发明一个实施例的整体结构图。

图4是本发明中载物台滑块组件结构图。

图5是本发明中摆杆驱动测量组件的爆炸图。

图6是本发明中车轮组件的爆炸结构图。

其中：1-载物台、2-齿条、3-法兰、4-蜗轮蜗杆减速电机、5-合页、6--上面板、7-侧板、8-车轮电机、9-轴承套筒、10-转动轴支架、11-下面板、12-导杆支架垫块、13-滑块支架、14-滑块、15-导杆、16-电机架、17-齿轮、19-电机、20-蜗轮蜗杆减速电机轴套、21-蜗轮蜗杆电机架、23-转动轴、27-电位器支架、28-电位器、29-电位器轴套、30-摆杆、34-传动轴、35-球轴承，36-轴承挡圈，37-轴承端盖，38-车轮。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本实施例提供一种多自由度可变重心两轮机器人，该机器人属于一种具有在不同环境中调节重力分布能力的两轮机器人，相比传统的两轮机器人能更好的在不同环境中实现平衡控制。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明并不限于下面公开的具体实施例的限制。说明书附图中图1为本发明的左右摆动机构的原理图，图2是滑块机构的原理图。

本实施例提供的多自由度可变重心两轮机器人的整体结构如图3所示，包括：载物台滑块组件、摆杆驱动测量组件、机器人本体和机器人行走驱动组件。其中载物台滑块组件用于实现机器人前后重心分布的改变。摆杆驱动测量组件由带蜗轮蜗杆减速器的电机提供动力，通过摆杆带动机器人左右摆动，摆动的角度通过连接在摆杆上的旋转电位器测量，用以提供控制数据。机器人本体是机器人其它部分的载体，同时有一个左右摆动的自由度，可以被摆杆带动。机器人行走驱动组件与传统的两轮机器人相同，通过电机驱动车轮带动机器人本体运动。

载物台滑块组件的结构如图4所示，包括载物台1、滑块组件和齿轮齿条传动机构；滑块组件包括导杆15、滑块14、导杆支架垫块12和滑块支架13；齿轮齿条传动机构包括齿条2、齿轮17、电机19和电机架16。其连接关系为：载物台1为长方形结构，其上表面长度方向的两端分别固定一个导杆支架垫块12，导杆支架垫块12垂直与载物台1；每个导杆支架垫块12上并排固定两个滑块支架13。两根导杆15沿载物台1的长度方向平行固定在滑块支架13上。每根导杆15安装一个滑块14，滑块14与导杆15滑动配合。电机19位于滑块14下方，并通过电机架16与滑块14相连。齿条2通过垫片固定在载物台1的端部（该垫片可用来调整齿轮17和齿条2之间的配合间隙），齿条2与导杆15平行。齿轮17与电机输出轴相连，并与齿条2配合。通过齿轮齿条传动机构带动两个滑块15沿导杆15移动。

摆杆驱动测量组件的爆炸图如图5所示，包括蜗轮蜗杆减速电机4、摆杆30、转动轴23和旋转电位器28。其连接关系为：蜗轮蜗杆减速电机4的输出轴通过蜗轮蜗杆减速电机轴套20固定在摆杆30竖直方向中部的侧面位置；旋转电位器28通过电位器轴套29固定在摆杆30上与蜗轮蜗杆减速电机4的相对侧，保证电位器28和蜗轮蜗杆减速电机4同轴。该组件中采用蜗轮蜗杆减速电机可以实现自锁，从而减少能量损耗，并且易于控制。旋转电位器28用于测量摆杆30的摆动角度。

机器人本体为平行四边形机构，包括两个侧板7、上面板6、下面板11和合页。上面板6的两端分别通过合页与两个侧板7的顶部铰接，下面板11的两端分别通过合页与两个侧板7的中部铰接，从而实现机器人本体的左右摆动。

机器人行走驱动组件包括两套车轮组件，两个车轮组件的结构相同。车轮组件的爆炸结构图如图6所示，包括车轮电机8、传动轴34、球轴承35、轴承挡圈36，轴承端盖37，轴承套筒9和车轮38。其连接关系为：车轮电机8的输出轴通过传动轴34与车轮38相连，传动轴34与车轮38的连接采用螺纹配合，这样可以保证在前进或后退时连接稳定性，同时也保证了运动控制的准确。在传动轴34上安装两个双列角接触球轴承35，用以抵消从车轮38传递出来的轴向力，球轴承35的一端与传动轴34的轴肩抵触，另一端由轴承挡圈36和轴承端盖37抵触轴承内外圈，轴承套筒9的端部车轮电机8固接。

该机器人的整体连接关系为：

所述摆杆30的顶部通过法兰水平固接载物台1底部的中心位置，摆杆30穿过机器人本体的上面板6，上面板6上加工有摆杆30的限位孔，用以限制机器人主体的摆角，限位孔允许摆杆30摆动的角度在+17°到-17°之间。同时蜗轮蜗杆减速电机4通过蜗轮蜗杆减速电机架21固定在上面板6上，电位器28通过电位器支架27固定在上面板6上。摆杆30底部转动轴23和转动轴支架10与机器人本体的下面板11固连。转动轴23作为传动杆带动机器人整体左右摆动。每个侧板7上通过轴承套筒9固接一套车轮组件，其中车轮38位于侧板7的外侧，车轮电机8位于侧板7的内侧。转动轴23、导杆15和蜗轮蜗杆减速电机4的输出轴相互平行，均垂直于轴承套筒9的轴向。车轮组件驱动机器人运动，并实现车轮与侧板的共同倾斜。由于本发明用到的平行四边形机构对平行度要求很高，所以蜗轮蜗杆减速电机架21与上面板6之间、电位器支架27之间与上面板6之间、转动轴支架10与下面板11之间均通过垫片来调节高度。

该多自由度可变重心两轮机器人的工作原理为：在快速转弯时，通过调节机器人倾斜的角度以克服离心力，使该机器人更流畅的完成转弯动作，能够使两轮机器人进一步提高转弯速度；在上下坡时，通过调节机器人载物板上的滑块位置改变重心位置，使机器人的爬坡动作更容易控制，爬坡更稳定。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种多自由度可变重心两轮机器人，其特征在于，包括：载物台滑块组件、摆杆驱动测量组件、机器人本体和机器人行走驱动组件；

所述载物台滑块组件包括：载物台（1）、导杆（15）、滑块（14）、齿条（2）、齿轮（17）、电机（19）和电机架（16）；所述载物台（1）为方形结构，其上表面通过支架平行固定两根导杆（15）；每根导杆（15）上安装一个滑块（14），滑块（14）与导杆（15）滑动配合；电机（19）位于滑块（14）下方，并通过电机架（16）与两个滑块（14）相连；齿条（2）通过垫片固定在载物台（1）的端部，齿条（2）与导杆（15）平行；齿轮（17）与电机输出轴相连，并与齿条（2）配合；

所述摆杆驱动测量组件包括：摆杆（30）、蜗轮蜗杆减速电机（4）、电机轴套（20）、摆杆（30）、转动轴（23）、旋转电位器（28）和电位器轴套（29）；所述蜗轮蜗杆减速电机（4）的输出轴通过电机轴套（20）固定在摆杆（30）的中部，蜗轮蜗杆减速电机（4）输出轴的轴向垂直于摆杆（30）的长度方向；旋转电位器（28）通过电位器轴套（29）固定在摆杆（30）上与蜗轮蜗杆减速电机（4）的相对侧，电位器（28）和蜗轮蜗杆减速电机（4）同轴；

所述机器人本体为平行四边形机构，包括：两个侧板（7）、上面板（6）、下面板（11）和合页（5）；所述上面板（6）的两端分别通过合页（5）与两个侧板（7）的顶部铰接，下面板（11）的两端分别通过合页（5）与两个侧板（7）的中部铰接；

所述机器人行走驱动组件包括两套车轮组件，两个车轮组件的结构相同；所述车轮组件包括：车轮电机（8）、轴承套筒（9）、传动轴（34）、球轴承（35）和车轮（38）；所述车轮电机（8）的输出轴通过传动轴（34）与车轮（38）相连；在传动轴（34）上安装有球轴承（35），球轴承（35）外安装轴承套筒（9），轴承套筒（9）与车轮电机（8）固接；

该机器人的整体连接关系为：所述摆杆（30）的顶部通过法兰（3）水平固接载物台（1）；摆杆（30）底部穿过机器人本体上面板（6）上的限位孔后通过转动轴（23）和转动轴支架（10）与下面板（11）固连；摆杆（30）能够绕转动轴（23）转动；同时所述蜗轮蜗杆减速电机（4）通过蜗轮蜗杆减速电机架（21）固定在上面板（6）上，电位器（28）通过电位器支架（27）固定在上面板（6）上；每个侧板（7）上通过轴承套筒（9）固接一套车轮组件，其中车轮（38）位于侧板（7）的外侧，车轮电机（8）位于侧板（7）的内侧；所述转动轴（23）、导杆（15）和蜗轮蜗杆减速电机（4）的输出轴相互平行，且均垂直于轴承套筒（9）的轴向。

2.如权利要求1所述的一种多自由度可变重心两轮机器人，其特征在于，所述蜗轮蜗杆减速电机架（21）与上面板（6）之间、电位器支架（27）之间与上面板（6）之间、转动轴支架（10）与下面板（11）之间均安装有垫片。

3.如权利要求1所述的一种多自由度可变重心两轮机器人，其特征在于，所述传动轴（34）与车轮（38）之间采用螺纹配合。

4.如权利要求1所述的一种多自由度可变重心两轮机器人，其特征在于，所述上面板（6）上的限位孔限制摆杆（30）摆动的范围为+17°至-17°。

5.如权利要求1所述的一种多自由度可变重心两轮机器人，其特征在于，所述摆杆（30）的顶部通过法兰连接载物台（1）的中心位置。

Images