CN103645735B - 一种可实现自平衡的独轮车机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种可实现自平衡的独轮车机器人，包括无线模块、陀螺仪、运动控制器、和伺服驱动器，所述伺服驱动器包括摆杆伺服驱动器、腰盘伺服驱动器和独轮伺服驱动器、摆杆、腰盘和独轮；摆杆伺服驱动器、腰盘伺服驱动器和独轮伺服驱动器分别通过导线与运动控制器连接，陀螺仪和摆杆编码器采集车身姿态，将信号反馈给运动控制器，在控制程序下将信号进行处理，从而发出控制指令至摆杆伺服驱动器、腰盘伺服驱动器和独轮伺服驱动器，进而分别控制摆杆、腰盘和独轮转动，对机器人的姿态进行调节控制。本发明可在线调节摆杆与腰盘的转动惯量，加强了独轮车机器人平衡和转向的调节能力，增强了机器人对动态复杂环境的适应性。

Description

一种可实现自平衡的独轮车机器人

技术领域

本发明涉及智能机器人技术领域，具体涉及一种可实现自平衡的独轮车机器人。

背景技术

独轮车机器人是根据人类骑独轮车的力学机理设计的机器人系统，因其具有体型狭小、能源利用率高等优点而受到机器人研究人员的关注。不同于一般的静态平衡机器人，独轮车机器人属于静态不稳定而动态可稳定的力学系统，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，可进行运输和营救；利用其外形纤细转向灵活的特性，可实现对狭窄环境的监控与探测。

国外关于自平衡独轮车机器人进行了一系列研究。早期，美国加州大学的JaschavanPommeren等人成功研制独轮车自平衡机器Unibot，它结合了轮式倒立摆以及惯性轮倒立摆的驱动方式自动保持平衡。但是Unibot缺少转向机构，因此这种独轮车机器缺少转弯避障的能力。国内对独轮车机器人研究较多的是北京工业大学的阮晓钢团队，他们制作了独轮车机器人样机并做了前后、左右的平衡实验。如公开号为CN102445944A的中国发明专利，一种独轮自平衡机器人系统，该机器人系统的机身上部含有一个可左右转动的竖直放置的腰盘，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腰盘，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系统，所述的竖直放置的腰盘和水平放置的腰盘，均是通过整体转向来实现机身的平衡控制，而对机身的偏航方向没有直接作用力，且转子转动惯量不变，并未考虑人骑独轮车时腰转动和上身质量分布动态变化对转弯平衡控制的影响，故应对复杂可变环境能力弱，在航向控制方面比较困难，并且由于腰盘是做整体转动，其控制精确度较低。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于可变转动惯量腰盘控制的可实现自平衡的独轮车机器人，该独轮车机器人不仅能实现前后左右平衡以及灵活转向，而且可在线调节摆杆的转动惯量以及调整车体质心分布，从而加强了独轮车机器人平衡和转向的控制能力，使可控倾角更大，转弯半径更小，从而增强了机器人对动态复杂环境的适应性。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：

一种可实现自平衡的独轮车机器人，包括无线模块、陀螺仪、运动控制器、车架、摆杆、腰盘、独轮和伺服驱动器，所述伺服驱动器包括摆杆伺服驱动器、腰盘伺服驱动器和独轮伺服驱动器；所述摆杆伺服驱动器、腰盘伺服驱动器、独轮伺服驱动器分别通过导线与运动控制器连接，所述腰盘与腰盘伺服驱动器连接，所述独轮与独轮伺服驱动器连接，所述摆杆设置于车架上部，所述腰盘设置于车架的腰部，所述独轮则设置于车架的下部，

所述摆杆包括摆杆支架、摆杆转轴、摆杆滑块、摆杆电机、摆杆编码器，所述摆杆支架竖直设置在车架上，摆杆转轴则连接在摆杆支架的两侧之间，且摆杆转轴的一端与摆杆电机连接，摆杆转轴的另一端与摆杆编码器连接，摆杆电机和摆杆编码器通过导线分别与摆杆伺服驱动器连接；

所述摆杆滑块通过滑杆设置在摆杆支架内，摆杆滑块通过摆杆钢绳与蜗轮轴连接，蜗轮与蜗杆相配合，蜗杆与蜗杆驱动电机同轴连接，蜗轮的正反转带动摆杆滑块上下移动；

所述陀螺仪和摆杆编码器采集车身姿态，将信号反馈给运动控制器，在控制程序下将信号进行处理，从而发出控制指令至摆杆伺服驱动器；

所述摆杆伺服驱动器、腰盘伺服驱动器、独轮伺服驱动器均从运动控制器接受指令，分别控制摆杆、腰盘和独轮转动，对机器人的姿态进行调节控制。

为了可以动态改变腰盘的转动惯量，所述腰盘包括腰盘轴、腰盘轮缘、腰盘驱动电机、腰盘滑块驱动电机A和腰盘滑块驱动电机B；

所述腰盘轴一端与腰盘驱动电机连接，腰盘驱动电机固定在车身腰部，腰盘驱动电机通过导线与腰盘伺服驱动器连接；

所述腰盘轮缘通过腰盘轴与车架连接，在腰盘轮缘设有腰盘滑块，腰盘滑块与十字型摇杆通过键槽相配合，腰盘滑块与腰盘滑块之间通过连杆相互连接，腰盘滑块驱动电机B通过腰盘钢绳与腰盘滑块外面连接，可带动滑块向外移动，腰盘滑块驱动电机A通过腰盘钢绳与腰盘滑块内面连接，可带动滑块向内移动。

优选的，所述腰盘滑块为4块，分别设置于腰盘轮缘的2根垂直直径上，且两两对称。

优选的，所述腰盘驱动电机、腰盘滑块驱动电机A和腰盘滑块驱动电机B为步进电机。

优选的，所述独轮包括独轮轴、独轮电机和独轮编码器，

所述的独轮通过独轮轴与车架连接，独轮通过轮缘齿轮与独轮电机和独轮编码器相连，独轮编码器通过编码器齿轮与齿轮啮合与独轮轴连接，独轮电机和独轮编码器通过导线与独轮伺服驱动器连接，独轮伺服驱动器通过导线与运动控制器连接。

为了提高电机的加速与减速性能，进而精确控制步进行程，所述独轮电机为独轮薄饼电机。

优选的，所述摆杆滑块为2块或2块以上，沿竖直方向排列，并分布在摆杆转轴的上下两侧。

优选的，所述摆杆电机为摆杆薄饼电机。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、本发明所设计的自平衡独轮车机器人，可实现机器人原地定车平衡运动、直线平衡运动和转弯平衡运动，且平衡调整机构的重心高低可调，转动惯量大小可调，根据动量矩守恒原理，这样的系统调整倾角更大，转弯半径更小，响应速度更快。

2、不同于以往保持车身侧向平衡的摆轮或平衡杆单一设计，本发明设计成质量分部可调节的摆杆，为适应不同环境要求，摆杆可自由切换成三种工作模式：

①摆轮工作模式：摆杆高速旋转模拟摆轮，摆杆滑块同步移动，可替代传统摆轮实现转动惯量的可调性，提高转向的灵活性，可大大减小最小转弯半径；

②横杆工作模式：摆杆处于水平位置如图3，摆杆内部有可独立自由移动的滑块，可调整摆杆质量分布，也可实时调整车身质心位置，较传统平衡杆控制方式，可控能力更强，车身姿态调整更迅速，满足通过斜坡路面时需调整车身质心的要求；

③重摆工作模式：摆杆处于竖直位置如图4，并且摆杆滑块下移，摆杆重心下移模拟重摆，摆杆的小角度摆动给车身提供侧向调整力矩，且滑块位移量可控，即可实时调整重摆转动惯量大小与车身重心高低，使控制灵敏度更高，控制功能更完善，满足如高速运动重心降低与低速运动重心升高要求，满足通过起伏路面时车体重心能实时变化要求，从而使机器人运行更加平稳。

3、本发明腰盘通过移动腰盘滑块的位置可动态改变其转动惯量，由于腰盘滑块采用密度较大的金属制造，因此可以实现腰盘转动惯量在很大范围内实现近乎连续的变化，因此提高了独轮车机器人自身调节能力，大大提高了对不同环境的适应性。

4、本发明独轮采用轮缘齿轮与电机齿轮啮合传动，提高减速比和减小电机的驱动力矩，代替了传统的减速器设计，并解决了传统电机输出扭矩不足的问题。

附图说明

图1为一种可实现自平衡的独轮车机器人等角轴侧图；

图2为一种可实现自平衡的独轮车机器人左视图；

图3为一种可实现自平衡的独轮车机器人横杆工作模式前视图；

图4为一种可实现自平衡的独轮车机器人重摆工作模式前视图；

图5为腰盘的结构图；

图6为腰盘的俯视图；

图7为腰盘的仰视图；

图8为摆杆的剖视图；

图9为摆杆的等角轴侧图。

图中标号：1-无线模块；2-陀螺仪；3-车架；4-摆杆；5-摆杆编码器；6-车架板；7-腰盘；8-腰盘驱动电机；9-运动控制器；10-独轮；11-摆杆薄饼电机；12-独轮薄饼电机；13-齿轮；14-独轮编码器；15-编码器齿轮；16-轮缘齿轮；17-独轮轴；18-伺服驱动器；19-腰盘轮缘；20-十字形摇杆；21-连杆；22-腰盘滑块；23-腰盘滑块驱动电机A；24-腰盘滑块驱动电机B；25-腰盘滑轮；26-腰盘钢绳；27-摆杆支架；28-摆杆滑块；29-摆杆滑轮；30-摆杆钢绳；31-蜗轮；32-蜗杆；33-蜗杆驱动电机；34-滑杆；35-电池组。

具体实施方式

为了更清楚说明本方案的技术特点，下面结合附图和具体实施方式对本方案进行详细说明：

如图1、2所示，本发明一种可实现自平衡的独轮车机器人，为铝合金框架，包括无线模块1、陀螺仪2、运动控制器9、伺服驱动器18、车架3、车架板6、电池组35、摆杆4、腰盘7和独轮10；所述伺服驱动器18包括摆杆伺服驱动器、腰盘伺服驱动器、独轮伺服驱动器，伺服驱动器18、运动控制器9、和电池组35固定连接在车架板6上。所述腰盘7与腰盘伺服驱动器连接，所述独轮10与独轮伺服驱动器连接，所述摆杆伺服驱动器、腰盘伺服驱动器和独轮伺服驱动器分别通过导线与运动控制器9连接，所述摆杆4设置于车架3上部，所述腰盘7设置于车架3的腰部，所述独轮10则设置于车架3的下部。

如图8、9所示，所述摆杆4为可调节机械体，其包括摆杆支架27、摆杆转轴、摆杆滑块28、摆杆电机、摆杆编码器5，所述摆杆支架27竖直设置在车架3上，摆杆转轴则连接在摆杆支架27的两侧之间，且摆杆转轴的一端与摆杆电机连接，摆杆转轴的另一端与摆杆编码器5连接，摆杆电机和摆杆编码器5通过导线分别与摆杆伺服驱动器连接。

所述摆杆滑块28通过滑杆34设置在摆杆支架27内，摆杆滑块28通过摆杆钢绳30与蜗轮轴连接，摆杆钢绳30通过摆杆滑轮29，蜗轮31与蜗杆32相配合，蜗杆32与蜗杆驱动电机33同轴连接，蜗轮31的正反转带动摆杆滑块28上下移动，摆杆滑块28的移动调整摆杆4的质量分布，从而可实时改变摆杆4的转动惯量与车体质心位置。所述摆杆滑块28为4块分为两组，每组中的2块摆杆滑块28沿竖直方向排列，两组摆杆滑块28分布在摆杆转轴的上下两侧。通过调节摆杆转轴、摆杆滑块28等，摆杆4可实现圆周摆轮运动、水平微调运动与直立重摆运动三种运动控制模式。

如图5、6、7所示，所述腰盘7为可调节机械体，其包括腰盘轴、腰盘轮缘19、腰盘驱动电机8、腰盘滑块驱动电机A23和腰盘滑块驱动电机B24。

所述腰盘轴一端与腰盘驱动电机8连接，腰盘驱动电机8固定在车身腰部，腰盘驱动电机8通过导线与腰盘伺服驱动器连接。

所述腰盘轮缘19通过腰盘轴与车架3连接，在腰盘轮缘19设有腰盘滑块22，腰盘滑块22与十字型摇杆通过键槽相配合，腰盘滑块22与腰盘滑块22之间通过连杆21相互连接，每个腰盘滑块22由密度较大的金属材料制成，具有均等的质量，腰盘滑块22与十字形摇杆20采用键槽连接，可相互滑动，所述腰盘滑块22为4块，分别设置于腰盘轮缘19的2根垂直直径上，且两两对称。所述腰盘钢绳26通过腰盘滑轮25，腰盘滑块驱动电机B24通过腰盘钢绳26与腰盘滑块22外面连接，可带动滑块向外移动，腰盘滑块驱动电机A23通过腰盘钢绳26与腰盘滑块22内面连接，可带动滑块向内移动。

所述独轮10包括独轮轴17、独轮电机和独轮编码器14，所述的独轮10通过独轮轴17与车架3连接，独轮10通过轮缘齿轮16与独轮电机和独轮编码器14相连，独轮编码器14通过编码器齿轮15与齿轮13啮合与独轮轴17连接，独轮电机和独轮编码器14通过导线与独轮伺服驱动器连接，独轮伺服驱动器通过导线与运动控制器9连接。

本发明的述独轮电机和摆杆电机采用薄饼电机，薄饼电机作为独轮10的驱动动力源，其优势在于薄饼电机属于动力电机，有良好的加速与减速性能，从而精确的控制步进行程。

所述腰盘驱动电机8、腰盘滑块驱动电机A23和腰盘滑块驱动电机B24采用步进电机，步进电机作为腰盘滑块22驱动动力源，其优势在于体积较小，方便安装，能精确控制步进程，也就能够精确控制腰盘滑块22滑块运动位置，从而省去了增加额外的位移传感器去获取腰盘滑块22滑块的位置信号，因此也降低了成本。

所述陀螺仪2和摆杆编码器5采集车身姿态，将信号反馈给运动控制器9，在控制程序下将信号进行处理，从而发出控制指令至摆杆伺服驱动器。

所述摆杆伺服驱动器、腰盘伺服驱动器和独轮伺服驱动器从运动控制器9接受指令，分别通过独轮电机、摆杆电机和腰盘驱动电机8，进而控制摆杆4、腰盘7和独轮10转动，对机器人的姿态进行调节控制。

本发明一种可实现自平衡的独轮车机器人，也可以称为变结构的自平衡独轮机器人，在行进过程保持车身平衡的过程是：

独轮车机器人的主要功能是在保持车身前后俯仰平衡和侧向平衡的前提下，能够实现机器人前后运动与转弯控制，并且能够根据不同的空间环境与地貌环境改变腰盘7和摆杆4的转动惯量，提高机器人的自适应性。独轮车机器人的运动控制器9得到陀螺仪2采集的车身姿态信号，并计算出电机的驱动力矩，并计算出电机转矩所对应的加速度，发送ASCII码给摆杆伺服驱动器、腰盘伺服驱动器和独轮伺服驱动器执行控制：

（1）独轮伺服驱动器控制独轮薄饼电机12运动，独轮编码器（14）反馈独轮10速度与加速度，独轮薄饼电机12与齿轮13啮合驱动独轮10保持机器人前后方向的平衡，并能实现直线运动；摆杆伺服驱动器控制摆杆薄饼电机11运动，摆杆编码器5反馈摆杆4速度与加速度，摆杆薄饼电机11与摆杆转轴同轴，从而带动摆杆4转动保持车身侧向平衡。陀螺仪2检测到倾斜角信息送给运动控制器9，运动控制器9根据预定的运动平衡控制算法控制摆杆4转动，当陀螺仪2检测到机身向左偏移时，这时摆杆4往左转动，从而车身获得一个向右的力矩，使机身右摆。当陀螺仪2检测到机身向左偏移时，若在摆轮工作模式下，摆轮逆时针加速旋转，从而车身获得一个向右的力矩，使机身右摆；若在横杆工作模式下，如图3所示，摆杆4逆时针转转动，以使其产生转动力矩抵消机器人重力力矩的作用；若在重摆工作模式下，如图4所示，摆杆4竖直状态，两滑块下移，摆杆4的质量集中在摆杆4下端，摆杆4下端右转产生的质心偏移来抵消机器人的重心偏移。同理，当陀螺仪2检测到机身向右有偏移量时，摆杆4向右转动，使车身保持侧向平衡。

（2）腰盘伺服驱动器控制腰盘驱动电机8转动，腰盘驱动电机8与腰盘轴同轴，从而控制腰盘7转动，当需要向左转弯时，运动控制器9根据预定的运动控制算法控制腰盘7向右转动，从而车身获得一个向左的扭转力矩使机器人车身向左转弯。当外部环境变化，需要扭转力矩显著增大时，可控制腰盘滑块驱动电机B24转动，腰盘滑块22与腰盘滑块驱动电机B24通过钢绳连接，带动腰盘滑块22，并且腰盘滑块22与腰盘滑块22之间通过连杆21连接，从而四块腰盘滑块22都向外移动使腰盘7转动惯量增大，达到显著提高扭转力矩的目的。

Claims (8)

1.一种可实现自平衡的独轮车机器人，包括无线模块(1)、陀螺仪(2)、运动控制器(9)、车架(3)、摆杆(4)、腰盘(7)、独轮(10)和伺服驱动器(18)，所述伺服驱动器(18)包括摆杆伺服驱动器、腰盘伺服驱动器和独轮伺服驱动器；所述摆杆伺服驱动器、腰盘伺服驱动器、独轮伺服驱动器分别通过导线与运动控制器(9)连接，所述腰盘(7)与腰盘伺服驱动器连接，所述独轮(10)与独轮伺服驱动器连接，所述摆杆(4)设置于车架(3)上部，所述腰盘(7)设置于车架(3)的腰部，所述独轮(10)则设置于车架(3)的下部，其特征在于：

所述摆杆(4)包括摆杆支架(27)、摆杆转轴、摆杆滑块(28)、摆杆电机、摆杆编码器(5)，所述摆杆支架(27)竖直设置在车架(3)上，摆杆转轴则连接在摆杆支架(27)的两侧之间，且摆杆转轴的一端与摆杆电机连接，摆杆转轴的另一端与摆杆编码器(5)连接，摆杆电机和摆杆编码器(5)通过导线分别与摆杆伺服驱动器连接；

所述摆杆滑块(28)通过滑杆(34)设置在摆杆支架(27)内，摆杆滑块(28)通过摆杆钢绳(30)与蜗轮轴连接，蜗轮(31)与蜗杆(32)相配合，蜗杆(32)与蜗杆驱动电机(33)同轴连接，蜗轮(31)的正反转带动摆杆滑块(28)上下移动；

所述陀螺仪(2)和摆杆编码器(5)采集车身姿态，将信号反馈给运动控制器(9)，在控制程序下将信号进行处理，从而发出控制指令至伺服驱动器(18)；

所述摆杆伺服驱动器、腰盘伺服驱动器、独轮伺服驱动器均从运动控制器(9)接受指令，分别控制摆杆(4)、腰盘(7)和独轮转动，对机器人的姿态进行调节控制。

2.根据权利要求1所述的可实现自平衡的独轮车机器人，其特征在于：所述腰盘(7)包括腰盘轴、腰盘轮缘(19)、腰盘驱动电机(8)、腰盘滑块驱动电机A(23)和腰盘滑块驱动电机B(24)；

所述腰盘轴一端与腰盘驱动电机(8)连接，腰盘驱动电机(8)固定在车身腰部，腰盘驱动电机(8)通过导线与腰盘伺服驱动器连接；

所述腰盘轮缘(19)通过腰盘轴与车架(3)连接，在腰盘轮缘(19)设有腰盘滑块(22)，腰盘滑块(22)与十字型摇杆通过键槽相配合，腰盘滑块(22)与腰盘滑块(22)之间通过连杆(21)相互连接，腰盘滑块驱动电机B(24)通过腰盘钢绳(26)与腰盘滑块(22)外面连接，可带动滑块向外移动，腰盘滑块驱动电机A(23)通过腰盘钢绳(26)与腰盘滑块(22)内面连接，可带动滑块向内移动。

3.根据权利要求2所述的可实现自平衡的独轮车机器人，其特征在于：所述腰盘滑块(22)为4块，分别设置于腰盘轮缘(19)的2根垂直直径上，且两两对称。

4.根据权利要求2所述的可实现自平衡的独轮车机器人，其特征在于：所述腰盘驱动电机(8)、腰盘滑块驱动电机A(23)和腰盘滑块驱动电机B(24)为步进电机。

5.根据权利要求1所述的可实现自平衡的独轮车机器人，其特征在于：所述独轮(10)包括独轮轴(17)、独轮电机和独轮编码器(14)，

所述的独轮(10)通过独轮轴(17)与车架(3)连接，独轮(10)通过轮缘齿轮(16)与独轮电机和独轮编码器(14)相连，独轮编码器(14)通过编码器齿轮(15)与齿轮(13)啮合与独轮轴(17)连接，独轮电机和独轮编码器(14)通过导线与独轮伺服驱动器连接，独轮伺服驱动器通过导线与运动控制器(9)连接。

6.根据权利要求5所述的可实现自平衡的独轮车机器人，其特征在于：所述独轮电机为独轮薄饼电机(12)。

7.根据权利要求1所述的可实现自平衡的独轮车机器人，其特征在于：所述摆杆滑块(28)为2块以上，沿竖直方向排列，并分布在摆杆转轴的上下两侧。

8.根据权利要求1所述的可实现自平衡的独轮车机器人，其特征在于：所述摆杆电机为摆杆薄饼电机(11)。