CN103612687B - 利用轴径向反力驱动的自平衡摇摆行走机器人 - Google Patents
利用轴径向反力驱动的自平衡摇摆行走机器人 Download PDFInfo
- Publication number
- CN103612687B CN103612687B CN201310671023.0A CN201310671023A CN103612687B CN 103612687 B CN103612687 B CN 103612687B CN 201310671023 A CN201310671023 A CN 201310671023A CN 103612687 B CN103612687 B CN 103612687B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- robot
- axis
- rotating object
- motor
- radial
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
Abstract
本发明属于智能机器人领域，具体涉及一种利用轴径向反力驱动的自平衡摇摆行走机器人，包括相互连接的动作驱动部分和动作执行部分，其特征在于：所述的动作驱动部分包括分别设置于X、Y轴方向的电机与旋转物体模组，通过电机带动旋转物体加速/减速运动，旋转物体产生X或Y轴径向反力；还包括用于监控机器人的体位状态并反馈给X、Y轴电机的元器件。本发明利用机器人内部电机加速或减速转动时带动旋转物体（例如飞轮）产生的径向反力，给予机器人前倾、后仰、左右摆动的力，促使机器人迈步运动，并运用机器人内部元器件实时监控机器人的体位状态，反馈给各轴电机以提供给机器人径向力补偿保证其前进迈步所需的电机加速度，保持其自平衡。
Description
技术领域
本发明属于智能机器人领域，具体涉及一种利用轴径向反力驱动的自平衡摇摆行走机器人。
背景技术
目前可见的机器人运动模式为轮式运动或关节运动。即通过底盘轮子滚动带动整体移动，或通过拟人的关节运动来实现机器人运动，从外观看来，机器人双腿与身体不断相对运动，其控制机构相对复杂。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种区别于现有机器人运动模式、外观看来机器人双腿与身体相对静止的利用轴径向反力驱动的自平衡摇摆行走机器人。其利用机器人内部电机加速或减速转动时带动旋转物体（例如飞轮）产生的径向反力，带动机器人摆动，即利用电机配合飞轮产生X轴、Y轴的力，给予机器人前倾、后仰、左右摆动的力，促使机器人迈步运动，并运用机器人内部元器件实时监控机器人的体位状态，反馈给各轴电机以提供给机器人径向力补偿保证其前进迈步所需的电机加速度，并防止机器人重心偏移过量而摔倒。其控制机构简单，易实现。
为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案为：利用轴径向反力驱动的自平衡摇摆行走机器人，包括相互连接的动作驱动部分和动作执行部分，其特征在于：所述的动作驱动部分包括分别设置于X、Y轴方向的电机与旋转物体模组，通过电机带动旋转物体加速/减速运动，旋转物体产生X或Y轴径向反力使整体重心偏移或摆动，并带动动作执行部分运动；还包括用于监控机器人的体位状态并反馈给X、Y轴电机的元器件。
前述的利用轴径向反力驱动的自平衡摇摆行走机器人，所述的X、Y轴呈现一夹角，X轴方向的电机与旋转物体模组控制机器人的左右摇摆方向，Y轴方向的电机与旋转物体模组控制机器人的前后摇摆方向，机器人的一次左右摇摆动作加上一次前后摇摆动作构成一次迈步动作。
前述的利用轴径向反力驱动的自平衡摇摆行走机器人，还包括与X、Y轴分别互呈夹角的Z轴和设置于Z轴方向的电机与旋转物体模组，Z轴方向的电机与旋转物体模组控制机器人的重心，Z轴方向的旋转物体产生Z轴径向反力使整体重心置中，以补偿机器人的左右和前后摇摆动作时产生的重心偏移并实现机器人原地静止不摔倒；X/Y轴电机接收到机器人体位信息反馈后，通过调整电机加速度提供径向力反馈，控制机器人左右和前后摇摆的重心偏移，防止其摔倒。
前述的利用轴径向反力驱动的自平衡摇摆行走机器人，所述的X、Y轴互相垂直，X轴与机器人的前后方向平行，X轴方向的旋转物体位于垂直于机器人的前后方向的平面内；Y轴与机器人的左右方向平行，Y轴方向的旋转物体位于垂直于机器人的左右方向的平面内。
前述的利用轴径向反力驱动的自平衡摇摆行走机器人，所述的X、Y、Z轴互相垂直，X轴与机器人的前后方向平行，X轴方向的旋转物体位于垂直于机器人的前后方向的平面内；Y轴与机器人的左右方向平行，Y轴方向的旋转物体位于垂直于机器人的左右方向的平面内；Z轴与机器人的重力方向相同，Z轴方向的旋转物体位于垂直于机器人重力方向的平面内。
前述的利用轴径向反力驱动的自平衡摇摆行走机器人，所述的元器件检测机器人的体位状态，并将体位状态反馈给X、Y、Z轴的电机，通过调整三轴电机加速度以实时提供机器人三轴的径向力补偿。
前述的利用轴径向反力驱动的自平衡摇摆行走机器人，所述的动作执行部分由左右双脚构成，旋转物体产生的X轴径向反力带动机器人交替以左右脚为支点作左右摇摆动作，旋转物体产生的Y轴径向反力带动机器人以双脚为支点作前后摇摆动作。
前述的利用轴径向反力驱动的自平衡摇摆行走机器人，所述的旋转物体为飞轮。
前述的利用轴径向反力驱动的自平衡摇摆行走机器人，所述的元器件为三轴加速度传感器。
前述的利用轴径向反力驱动的自平衡摇摆行走机器人，所述的轴径向反力与旋转物体加速旋转时的旋转方向相反，与旋转物体减速旋转时的旋转方向相同。
本发明的机器人X轴电机带动旋转物体在进行加速/减速旋转运动时，旋转物体产生的X轴径向反力将带动机器人交替以左右脚为支点做左右摇摆动作。机器人Y轴电机带动旋转物体在进行加速/减速旋转运动时，旋转物体产生的Y轴径向反力将带动机器人以双脚为支点做前后摇摆动作。左右腿交替向前迈步即实现了机器人的前行或后退运动。Z轴电机与旋转物体模组起辅助平衡和运动功能，其高速运转的陀螺效应可帮助机器人保持重心置中；带动旋转物体做加速/减速旋转运动时，旋转物体产生的径向反力可配合X\Y径向力辅助机器人迈步动作。与其同时，元器件实时监控机器人的体位状态，并反馈给三轴电机产生径向力补偿，以防止机器人重心偏移过量而摔倒。
附图说明
图1为本发明的正面结构图；
图2为本发明的侧面结构图；
图3为机器人俯视图；
其中，1机器人本体，2三轴加速度传感器，3X轴电机飞轮模组，4Y轴电机飞轮模组，5Z轴电机飞轮模组，6动作执行部分，7X轴径向反力，8Y轴径向反力，9Z轴径向反力，10X轴电机，11Y轴电机，12Z轴电机。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。
本发明提出了机器人的一新型的运动模式，利用电机带动旋转物体（比如飞轮）进行加速/减速旋转运动，加速度发生变化时飞轮产生的径向反力为整体的驱动力。
值得注意的是，X\Y\Z轴电机与旋转物体模组中的旋转物体，可以为任一高转动惯量的物体，本实施方式以飞轮举例。元器件为任一能感知机器人体位变化并作出反馈的器件，如陀螺仪、三轴加速度传感器等，本实施方式以三轴加速度传感器举例。本发明研究基础为一人形机器人，其外型可做任意改变，任何借助此原理利用其自平衡和运动效果的设计，均应归于本发明。本发明三轴为笛卡尔坐标系相互垂直的X\Y\Z三轴，任意夹角的三轴在分析时都可通过转化为笛卡尔坐标系，来实现本发明功能。
本发明为一人形、可行走、并能保持自平衡的机器人。其驱动方式不同于以往的轮式运动或关节运动，而是利用机器人内部电机带动飞轮旋转时产生的径向反力，作为机器人运动之驱动力，即动作驱动部分，并配合三轴加速度传感器反馈控制，使机器人保持平衡状况不摔倒，即实现机器人原地静止不摔倒和迈步前进两项运动。
机器人外观上看，由机器人本体1和双脚（即动作执行部分6）两部分组成，且两部分保持相对静止，机器人本体1内部有X轴电机飞轮模组3、Y轴电机飞轮模组4、Z轴电机飞轮模组5和一个三轴加速度传感器2。
图1为机器人正面图，1为机器人本体，2为机器人内部三轴加速度传感器，3为X轴电机飞轮模组。X轴与机器人的前后方向平行，X轴方向的旋转物体位于垂直于机器人的前后方向的平面内。机器人X轴电机10带动飞轮在进行加速/减速旋转运动时，飞轮产生的X轴径向反力7将带动机器人交替以左右脚为支点做左右摇摆动作。
图2为机器人侧面图，1为机器人本体，2为机器人内部三轴加速度传感器，4为Y轴电机飞轮模组。Y轴与机器人的左右方向平行，Y轴方向的旋转物体位于垂直于机器人的左右方向的平面内。机器人Y轴电机11带动飞轮在进行加速/减速旋转运动时，飞轮产生的Y轴径向反力8将带动机器人以双脚为支点做前后摇摆动作。
图3中，Z轴电机飞轮模组5起辅助平衡和运动功能。Z轴与机器人的重力方向相同，Z轴方向的旋转物体（飞轮）位于垂直于机器人重力方向的平面内。其高速运转的陀螺效应可帮助机器人保持重心置中；Z轴电机12带动飞轮做加速/减速旋转运动时，飞轮产生的Z轴径向反力9可配合X\Y径向力辅助机器人迈步动作。值得一提的是，Z轴电机飞轮模组5并不是实现机器人迈步和自平衡的必需结构，即采用X、Y轴电机飞轮模组和用于反馈控制的元器件即可实现相应功能。
运用机器人内部三轴加速度传感器2实时监控机器人的体位状态，反馈给各轴电机以提供给机器人径向力补偿保证其平衡不摔倒和前进迈步所需的电机加速度，三轴加速度传感器与X/Y/Z三轴电机飞轮模组配合可实时控制机器人左右和前后摆动的幅度。例如：假设机器人内部X\Y\Z三电机初始均为正向顺时针旋转输出，并始终保持顺时针输出不变；图1中，当X轴电机突然加速旋转时，由于飞轮的作用，机器人整体受到一X轴逆时针的径向力，使得机器人以左脚为支点依逆时针方向旋转；当三轴加速度传感器2感测到，机器人摇摆至左脚着地右脚悬空的体位时，发出信号给图2中Y轴电机飞轮模组4；Y轴电机带动飞轮做减速旋转时，产生一Y轴顺时针的径向力，使机器人向前摆动，则机器人重心前移，使机器人悬空的右脚向前运动；与此同时，机器人在X轴电机飞轮模组3做减速旋转，产生一X轴顺时针的径向力，使机器人向右摆动，右脚落地、左脚悬空；此时落地右脚的支点已经前移，即机器人右腿向前迈步了。同理重复，再使机器人左腿向前迈步。
左右腿交替向前迈步即实现了机器人的前行或后退运动。与其同时，三轴加速度传感器实时监控机器人的体位状态，并反馈给三轴电机产生径向力补偿，以防止机器人重心偏移过量而摔倒。
上述实施例不以任何形式限制本发明，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围。
Claims (10)
1.利用轴径向反力驱动的自平衡摇摆行走机器人，包括相互连接的动作驱动部分和动作执行部分，其特征在于：所述的动作驱动部分包括分别设置于X、Y轴方向的电机与旋转物体模组，通过电机带动旋转物体加速/减速运动，旋转物体产生X轴径向反力或Y轴径向反力使整体重心偏移或摆动，并带动动作执行部分运动；还包括用于监控机器人的体位状态并反馈给设置于X、Y轴方向的电机的元器件。
2.根据权利要求1所述的利用轴径向反力驱动的自平衡摇摆行走机器人，其特征在于：X、Y轴呈现一夹角，X轴方向的电机与旋转物体模组控制机器人的左右摇摆方向，Y轴方向的电机与旋转物体模组控制机器人的前后摇摆方向，机器人的一次左右摇摆动作加上一次前后摇摆动作构成一次迈步动作。
3.根据权利要求2所述的利用轴径向反力驱动的自平衡摇摆行走机器人，其特征在于：还包括与X、Y轴分别互呈夹角的Z轴和设置于Z轴方向的电机与旋转物体模组，Z轴方向的电机与旋转物体模组控制机器人的重心，Z轴方向的旋转物体产生Z轴径向反力使整体重心置中，以补偿机器人的左右和前后摇摆动作时产生的重心偏移并实现机器人原地静止不摔倒；X/Y轴电机接收到机器人体位信息反馈后，通过调整电机加速度提供径向力反馈，控制机器人左右和前后摇摆的重心偏移，防止其摔倒。
4.根据权利要求2所述的利用轴径向反力驱动的自平衡摇摆行走机器人，其特征在于：X、Y轴互相垂直，X轴与机器人的前后方向平行，X轴方向的旋转物体位于垂直于机器人的前后方向的平面内；Y轴与机器人的左右方向平行，Y轴方向的旋转物体位于垂直于机器人的左右方向的平面内。
5.根据权利要求3所述的利用轴径向反力驱动的自平衡摇摆行走机器人，其特征在于：X、Y、Z轴互相垂直，X轴与机器人的前后方向平行，X轴方向的旋转物体位于垂直于机器人的前后方向的平面内；Y轴与机器人的左右方向平行，Y轴方向的旋转物体位于垂直于机器人的左右方向的平面内；Z轴与机器人的重力方向相同，Z轴方向的旋转物体位于垂直于机器人重力方向的平面内。
6.根据权利要求5所述的利用轴径向反力驱动的自平衡摇摆行走机器人，其特征在于：所述的元器件检测机器人的体位状态，并将体位状态反馈给X、Y、Z轴的电机，通过调整三轴电机加速度以实时提供机器人三轴的径向力补偿。
7.根据权利要求1-6任意一项所述的利用轴径向反力驱动的自平衡摇摆行走机器人，其特征在于：所述的动作执行部分由左右双脚构成，旋转物体产生的X轴径向反力带动机器人交替以左右脚为支点作左右摇摆动作，旋转物体产生的Y轴径向反力带动机器人以双脚为支点作前后摇摆动作。
8.根据权利要求7所述的利用轴径向反力驱动的自平衡摇摆行走机器人，其特征在于：所述的旋转物体为飞轮。
9.根据权利要求7所述的利用轴径向反力驱动的自平衡摇摆行走机器人，其特征在于：所述的元器件为三轴加速度传感器。
10.根据权利要求1或2或3所述的利用轴径向反力驱动的自平衡摇摆行走机器人，其特征在于：所述的轴径向反力与旋转物体加速旋转时的旋转方向相反，与旋转物体减速旋转时的旋转方向相同。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201310671023.0A CN103612687B (zh) | 2013-12-12 | 2013-12-12 | 利用轴径向反力驱动的自平衡摇摆行走机器人 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201310671023.0A CN103612687B (zh) | 2013-12-12 | 2013-12-12 | 利用轴径向反力驱动的自平衡摇摆行走机器人 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN103612687A CN103612687A (zh) | 2014-03-05 |
| CN103612687B true CN103612687B (zh) | 2015-12-02 |
Family
ID=50163416
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201310671023.0A Expired - Fee Related CN103612687B (zh) | 2013-12-12 | 2013-12-12 | 利用轴径向反力驱动的自平衡摇摆行走机器人 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN103612687B (zh) |
Families Citing this family (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN106272564A (zh) * | 2015-05-29 | 2017-01-04 | 鸿富锦精密工业（深圳）有限公司 | 机器人防跌倒系统 |
| CN106681482A (zh) * | 2015-11-05 | 2017-05-17 | 丰唐物联技术（深圳）有限公司 | 基于陀螺效应的平衡方法及系统 |
| CN106892015A (zh) * | 2015-12-17 | 2017-06-27 | 赵以恒 | 一种人型机器人 |
| CN106166051B (zh) * | 2016-08-31 | 2019-08-13 | 厦门华蔚物联网科技有限公司 | 一种智能直线行走机器人 |
| US10239570B2 (en) | 2017-05-23 | 2019-03-26 | Stephen J. Lesko | Device and method for performing tilt compensation by rotating arms |
| CN108313159B (zh) * | 2018-02-07 | 2024-04-05 | 华尔嘉（泉州）机械制造有限公司 | 可摇摆踢腿的动态机器人模特 |
| CN108646771A (zh) * | 2018-05-04 | 2018-10-12 | 安徽三弟电子科技有限责任公司 | 一种基于重心偏移监测的机器人自稳定控制系统 |
| CN108897320B (zh) * | 2018-06-26 | 2020-11-24 | 清华大学 | 一种自驱动行走机器人及其控制方法 |
| CN109581292B (zh) * | 2018-10-31 | 2021-03-05 | 北京洪泰同创信息技术有限公司 | 智能家具的方位测量方法及装置 |
| WO2020113262A1 (en) * | 2018-12-03 | 2020-06-11 | The University Of Queensland | Gyroscopically stabilised legged robot |
Citations (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1472044A (zh) * | 2003-06-05 | 2004-02-04 | 上海交通大学 | 走钢丝机器人 |
| CN1739924A (zh) * | 2005-09-22 | 2006-03-01 | 上海交通大学 | 自立式动态平衡移动机器人 |
| CN201525025U (zh) * | 2009-07-08 | 2010-07-14 | 北京工业大学 | 一种独轮机器人系统 |
| CN102079348A (zh) * | 2010-12-03 | 2011-06-01 | 北京工业大学 | 自平衡载人独轮车系统及控制方法 |
| CN202075906U (zh) * | 2011-05-12 | 2011-12-14 | 北京工业大学 | 一种基于反力矩旋转机构的倒立摆系统 |
| CN202351703U (zh) * | 2011-10-10 | 2012-07-25 | 北京工业大学 | 一种独轮自平衡机器人系统 |
| US20120316683A1 (en) * | 2011-06-10 | 2012-12-13 | Samsung Electronics Co., Ltd. | Balance control apparatus of robot and control method thereof |
| CN102923204A (zh) * | 2012-11-19 | 2013-02-13 | 北京理工大学 | 一种多自由度可变重心两轮机器人 |
| CN203612099U (zh) * | 2013-12-12 | 2014-05-28 | 昆山市工业技术研究院有限责任公司 | 利用轴径向反力驱动的自平衡摇摆行走机器人 |
-
2013
- 2013-12-12 CN CN201310671023.0A patent/CN103612687B/zh not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1472044A (zh) * | 2003-06-05 | 2004-02-04 | 上海交通大学 | 走钢丝机器人 |
| CN1739924A (zh) * | 2005-09-22 | 2006-03-01 | 上海交通大学 | 自立式动态平衡移动机器人 |
| CN201525025U (zh) * | 2009-07-08 | 2010-07-14 | 北京工业大学 | 一种独轮机器人系统 |
| CN102079348A (zh) * | 2010-12-03 | 2011-06-01 | 北京工业大学 | 自平衡载人独轮车系统及控制方法 |
| CN202075906U (zh) * | 2011-05-12 | 2011-12-14 | 北京工业大学 | 一种基于反力矩旋转机构的倒立摆系统 |
| US20120316683A1 (en) * | 2011-06-10 | 2012-12-13 | Samsung Electronics Co., Ltd. | Balance control apparatus of robot and control method thereof |
| CN202351703U (zh) * | 2011-10-10 | 2012-07-25 | 北京工业大学 | 一种独轮自平衡机器人系统 |
| CN102923204A (zh) * | 2012-11-19 | 2013-02-13 | 北京理工大学 | 一种多自由度可变重心两轮机器人 |
| CN203612099U (zh) * | 2013-12-12 | 2014-05-28 | 昆山市工业技术研究院有限责任公司 | 利用轴径向反力驱动的自平衡摇摆行走机器人 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN103612687A (zh) | 2014-03-05 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN103612687B (zh) | 利用轴径向反力驱动的自平衡摇摆行走机器人 | |
| Hobbelen et al. | System overview of bipedal robots flame and tulip: Tailor-made for limit cycle walking | |
| CN108163080B (zh) | 能适应复杂崎岖地形的高负载能力的电驱动四足机器人 | |
| CN101934525B (zh) | 仿人机器人可变刚度柔性关节设计 | |
| JP2001150371A (ja) | ロボット、及びロボット用の関節装置 | |
| CN109850025B (zh) | 一种墙面跳跃的单腿机器人机构及控制方法 | |
| CN113348129B (zh) | 陀螺稳定腿式机器人 | |
| US6992456B2 (en) | Biped walking mobile system, its walk controller, and walk control method therefor | |
| US20130144441A1 (en) | Gait generating device for legged mobile robot and operational target generating device for robot | |
| CN110239644A (zh) | 一种基于柔性脊柱技术的仿生四足机器人 | |
| JP2014128868A (ja) | ロボットの歩行制御方法 | |
| CN102631277A (zh) | 摇杆式上肢康复装置及利用该装置进行康复训练的方法 | |
| Kim et al. | Experimental realization of dynamic walking for a human-riding biped robot, HUBO FX-1 | |
| CN102424075A (zh) | 基于平衡杆控制的刚柔耦合走钢丝机器人 | |
| Wang et al. | Design and modeling of a novel transformable land/air robot | |
| CN203612099U (zh) | 利用轴径向反力驱动的自平衡摇摆行走机器人 | |
| CN103963868A (zh) | 交叉空翻式三足机器人 | |
| Chang et al. | Inverted pendulum model for turn-planning for biped robot | |
| BAYRAKTAROĞLU et al. | Design and development of the ITU biped robot | |
| CN103111076B (zh) | 娱乐机器人腿部机构 | |
| Zhu et al. | Experimental approach for high speed walking of biped robot MARI-1 | |
| CN104626189B (zh) | 娱乐机器人球面三自由度并联机构 | |
| CN109129560A (zh) | 一种适用于双足机器人的柔性腰部结构及其设计方法 | |
| Chen et al. | On the motion of a reconstructed ancient Chinese wooden horse carriage | |
| Lu et al. | Development of humanoid robot and biped walking based on linear inverted pendulum model |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20151202 Termination date: 20191212 |