CN103707293A - 仿真行走钢丝机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种仿真行走钢丝机器人，包括行走装置、平衡装置和检测控制装置，行走装置包带V型槽的前、后行走轮以及行走轮驱动机构，平衡装置包括平衡杆转动机构、平衡杆平动机构和平衡杆铅垂运动机构，平衡杆铅垂运动机构设于行走装置上，平衡杆平动机构设于平衡杆铅垂运动机构上，平衡杆转动机构设于平衡杆平动机构上；检测控制装置包括陀螺仪和运动控制器、伺服驱动器、无线模块以及电池组，运动控制器根据陀螺仪的信号向伺服驱动器发出指令控制行走轮行走，并于行走过程中控制转动、平动和铅垂运动的综合运动进行平衡。本发明可模拟人类走钢丝时小臂摆动和腿部屈伸的力学行为,实现机器人在刚性或柔性钢丝上自平衡运动。

Description

仿真行走钢丝机器人

（一）技术领域：

本发明涉及机器人应用技术，具体为一种能够在柔性钢丝绳上行走的仿真行走钢丝机器人。

（二）背景技术：

走钢丝机器人是自然不稳定的力学系统，可依靠带V型槽的行走轮在刚性与柔性钢丝上实现平衡控制和前、后运动。不同于一般的静态平衡机器人，走钢丝机器人具有明显的动态平衡特点，并具有明显的欠驱动特性。

走钢丝机器人与柔性钢丝绳之间通过动力学耦合来实现机器人的平衡控制和前后运动，利用其动态平衡特性，机器人不受地形影响，可将它引入复杂地形环境，进行运输和营救；利用其外形纤细且可在钢丝绳上运动的特性，可实现对狭窄环境和低空环境的监控与探测。

国内外科研人员对走钢丝机器人机构及其稳定平衡控制进行了一系列研究，为有效模拟人类在三维空间中走柔性钢丝绳的力学行为，北京邮电大学申请公布了一种《基于平衡杆控制的刚柔耦合走钢丝机器人》发明专利（申请号为201110373133.X）。

该发明的技术方案是通过转动杆的转动力矩抵消机器人重力矩的作用，利用平动杆产生的质心偏移来抵消机器人的重心偏移，但该设计的转动杆和平动杆是独立运动部件，没有相互关联，这与人类走钢丝时手臂可以同时转动和移动尚有差距；另外，该设计的驱动四杆机构会使得平动杆的质心上下运动，并且还会产生绕钢丝绳的转动力矩，从而增加平衡控制的复杂度。

（三）发明内容：

为此，本发明提出了一种仿真行走钢丝机器人，其目的在于提高机器人自身调节能力，增强对复杂参数(如绳子刚度、机体的转动惯量等)和环境的适应性，降低了系统控制的复杂度。

能够实现上述目的的仿真行走钢丝机器人，包括机体，所述机体包括行走装置、平衡装置和检测控制装置，与现有技术不同之处在于所述行走装置包括设于基板底部带V型槽的前、后行走轮以及行走轮驱动机构，所述平衡装置包括平衡杆转动机构、平衡杆平动机构和平衡杆铅垂运动机构，所述平衡杆铅垂运动机构设于基板上，所述平衡杆平动机构通过横板设于平衡杆铅垂运动机构上，所述平衡杆转动机构通过竖板设于平衡杆平动机构上；所述检测控制装置包括设于基板上的陀螺仪和运动控制器、伺服驱动器、无线模块以及电源，所述运动控制器根据陀螺仪的信号判断机体姿态进而向伺服驱动器发出指令，控制行走轮驱动机构行走，并于行走过程中控制平衡杆转动机构、平衡杆平动机构和平衡杆铅垂运动机构的综合运动来平衡机体。

所述平衡杆铅垂运动机构的一种结构包括升降架组件和升降控制组件，所述升降架组件包括四周均布且相互铰连的上、下升降连杆，所述上、下升降连杆的其余两端分别铰连于横板的底部和基板上；所述升降控制组件包括升降电机、牵引轮和牵拉绳，所述升降电机通过径向伸缩架设于升降架组件中心，所述牵引轮同轴固连于升降电机的输出轴上，所述牵拉绳对应于各上、下升降连杆设置，各牵拉绳的外端连接于对应上、下升降连杆之间的铰连点，各牵拉绳的内端缠绕于牵引轮上；升降电机通过线路与伺服驱动器连接。

上述结构中，升降电机驱动牵引轮的正反转控制牵拉绳的收缩与释放，从而可实时改变升降架组件的形状，升降架组件的形状变化带动平衡杆转动机构和平衡杆平动机构作铅垂移动，使机体模拟人体膝盖的弯曲和伸直。

所述平衡杆平动机构的一种结构包括四连杆组件和平动电机以及平动编码器，所述四连杆组件包括等长的左、右平动摆杆和平动连杆，左、右平动摆杆分别铰连于横板上，所述平动连杆的两端分别铰连左、右平动摆杆；所述平动电机和平动编码器通过各自的齿轮传动机构连接左、右平动摆杆；平动电机和平动编码器通过线路与伺服驱动器连接。

上述结构中，平动电机的正、反转动带动四连杆组件左、右摆动，实现平动连杆的左、右横向移动，实时改变平衡杆转动机构的左、右位置，使机体模拟人体张开的手臂左、右伸展，从而实现平衡杆转动机构的水平移动调节质心偏移来平衡重心偏移。

所述平衡杆转动机构的一种结构包括平衡杆、转动齿轮、转动电机和转动编码器，所述转动齿轮通过转轴安装于竖板上，所述平衡杆的中部连接于转轴上，所述转动电机和转动编码器通过各自的齿轮传动副连接转动齿轮，转动电机驱动平衡杆转动，转动编码器获取速度、加速度反馈；转动电机和转动编码器通过线路与伺服驱动器连接，实现平衡的转角和转速控制。

上述结构中，转动电机的正、反转动带动转动齿轮正、反转，从而实现平衡杆的上、下摆动，使机体模拟人体张开的手臂上、下摆动，实现转动力矩平衡重力力矩，转动编码器获取速度、加速度反馈。

所述行走轮驱动机构的一种结构包括行走电机和齿轮传动副，所述齿轮传动副包括相啮合的主动齿轮和从动齿轮，所述主动齿轮同轴与行走电机的输出轴连接，所述从动齿轮与前或后行走轮同轴固连；行走电机通过线路与伺服驱动器连接，实现前、后运动的速度与加速度控制。

本发明的有益效果：

1、本发明仿真行走钢丝机器人中，平衡杆既可以转动又可以水平移动，还可上、下铅直运动，其转动力矩用来平衡机体倾倒重力矩，水平移动用来调节机体的质心偏移，上、下铅直运动用来调整机体重心高低；这几部分的运动分别模拟了人类走钢丝时小臂运动和腿部屈伸的力学行为,从而实现机体在刚性或柔性钢丝上自平衡运动。

2、本发明中，由于平衡杆质心高低和水平偏移的调整机构在机械结构和驱动上独立分开，其力学模型容易进行解耦，从而降低了系统控制的复杂度。

（四）附图说明：

图1为本发明一种实施方式的轴侧视图。

图2为图1实施方式的背面轴侧视图。

图3为图1、图2实施方式中平衡杆铅垂运动机构的结构示意图。

图4为图1、图2实施方式中平衡杆平动机构的结构示意图。

图号标识：1、基板；2、行走轮；3、横板；4、竖板；5、运动控制器；6、伺服驱动器；7、升降连杆；8、升降电机；9、牵引轮；10、牵拉绳；11、伸缩架；12、平动电机；13、平动编码器；14、摆杆；15、平动连杆；16、平衡杆；17、转动齿轮；18、转动电机；19、转动编码器；20、行走电机；21、主动齿轮；22、从动齿轮；23、无线模块；24、电池组；25、导向轴；26、扇形齿轮。

（五）具体实施方式：

下面结合附图所示实施方式对本发明的技术方案作进一步说明。

本发明仿真行走钢丝机器人的机体主要由行走装置、平衡装置和检测控制装置构成，所述检测控制装置设于行走装置上，包括陀螺仪、运动控制器5、伺服驱动器6、无线模块23以及电池组24，所述陀螺仪、运动控制器5、伺服驱动器6、无线模块23以及电池组24之间通过相关线路相互连接，如图1、图2所示。

所述行走装置包括基板1、带V型槽的行走轮2、以及由双头行走电机20、相啮合的主动齿轮21和从动齿轮22构成的行走轮驱动机构，所述两个行走轮2前、后固装于基板1底部，所述行走电机20固装于基板1底部并处于前或后行走轮2旁，两个相同尺寸主动齿轮21分别与行走电机20的双输出轴同轴固连，两个相同尺寸从动齿轮22分别与对应的行走轮2的两轴端同轴固连；所述陀螺仪、运动控制器5、伺服驱动器6、无线模块23以及电池组24设于基板1上，所述行走电机20通过线路与伺服驱动器6连接，实现机器人前、后运动的速度与加速度控制。

所述平衡装置包括平衡杆转动机构、平衡杆平动机构和平衡杆铅垂运动机构，所述平衡杆铅垂运动机构设于基板1上，所述平衡杆平动机构通过横板3设于平衡杆铅垂运动机构上，所述平衡杆转动机构通过竖板4设于平衡杆平动机构上。

所述平衡杆铅垂运动机构包括四组升降架组件和升降控制组件，四组升降架组件即四组上、下位的升降连杆7于基板1中心四方位设置，上、下升降连杆7的相对端铰连，下升降连杆7通过支架铰连于基板1上，上升降连杆7上方设置横板3，并且上升降连杆7通过支架铰连于横板3底部，横板3的四角处设有导向轴25，所述各导向轴25分别滑动配合于基板1上对应开设的导向孔中；所述升降控制组件包括升降电机8、伸缩架11、牵引轮9和牵拉绳10，十字架形可径向伸缩的伸缩架11设于四组上、下升降连杆7之间，各伸缩支架分别与对应的上、下升降连杆7的铰连点连接，所述升降电机8安装于伸缩架11中心位置，所述牵引轮9与升降电机8的输出轴同轴固连，四根牵拉绳10沿着各伸缩支架布置，牵拉绳10的前端连接对应的上、下升降连杆7的铰连点，牵拉绳10的后端缠绕在牵引轮9上；所述升降电机8通过线路与伺服驱动器6连接，连接如图1、图2、图3所示。

所述平衡杆平动机构包括水平布置的四连杆组件、平动电机12以及平动编码器13，所述四连杆组件包括等长的左、右平动摆杆14和平动连杆15，所述左、右平动摆杆14的杆体分别铰连于横板3上，所述平动连杆15的两端铰连于左、右平动摆杆14一侧的端头；所述平动电机12和平动编码器13均设于横板3底部并分别对应于左、右平动摆杆14另一侧端头，平动电机12通过蜗轮蜗杆及齿轮传动机构（蜗轮、蜗杆、传动小齿轮和扇形齿轮26）连接左平动摆杆14的对应侧端头，平动编码器13通过齿轮传动机构（编码器齿轮和扇形齿轮26）连接右平动摆杆14的对应侧端头；平动电机12和平动编码器13通过线路与伺服驱动器6连接，如图1、图2、图3、图4所示。

所述平衡杆转动机构包括平衡杆16、双头扇形状转动齿轮17、转动电机18和转动编码器19，所述转动齿轮17通过转轴安装于竖板4的正面，所述竖板4安装于平动连杆15的卡槽内，所述平衡杆16的中部连接于转轴上并处于竖板4的背面，所述转动电机18设于竖板4背面转轴下方，位置对应于转动齿轮17的下头扇形齿位，并通过蜗轮蜗杆及齿轮传动机构（蜗轮、蜗杆和传动小齿轮）啮合转动齿轮17的下头扇形齿，所述转动编码器19设于竖板4背面转轴上方，位置对应于转动齿轮17的上头扇形齿位，并通过编码器齿轮啮合转动齿轮17的上头扇形齿；所述转动电机18和转动编码器19通过线路与伺服驱动器6连接，如图1、图2所示。

本发明的主要功能是在保持机体侧向平衡的前提下，能够实现在刚性或柔性钢丝绳上运动控制。

控制原理：

所述陀螺仪检测到机体倾斜角信息并传送给运动控制器5，运动控制器5根据预定的运动平衡控制算法并通过伺服驱动器6控制平衡杆16转动（通过控制转动电机18而实现）与水平移动（通过控制平动电机12而实现）。当陀螺仪检测到机器人向左偏移时，平衡杆16则往左转动，从而使机体获得一个向右的力矩，使机体右摆，同时平衡杆16往右水平移动，使机体质心向右调节，从而平衡机体重心向左的偏移量。同理，当陀螺仪检测到机体向右有偏移量时，平衡杆16向右转动且向左平动，使机体保持侧向平衡；平衡杆铅垂运动机构可实时调整机体重心高低，可以在平衡杆16转角速度和加速度受限时，适当降低重心，增大倾斜角度的调整范围。

Claims (5)

1.仿真行走钢丝机器人，包括机体，所述机体包括行走装置、平衡装置和检测控制装置，其特征在于：所述行走装置包括设于基板（1）底部带V型槽的前、后行走轮（2）以及行走轮驱动机构，所述平衡装置包括平衡杆转动机构、平衡杆平动机构和平衡杆铅垂运动机构，所述平衡杆铅垂运动机构设于基板（1）上，所述平衡杆平动机构通过横板（3）设于平衡杆铅垂运动机构上，所述平衡杆转动机构通过竖板（4）设于平衡杆平动机构上；所述检测控制装置包括设于基板（1）上的陀螺仪和运动控制器（5）、伺服驱动器（6）、无线模块（23）以及电池组（24），所述运动控制器（5）根据陀螺仪的信号判断机体姿态进而向伺服驱动器（6）发出指令，控制行走轮驱动机构行走，并于行走过程中控制平衡杆转动机构、平衡杆平动机构和平衡杆铅垂运动机构的综合运动来平衡机体。

2.根据权利要求1所述的仿真行走钢丝机器人，其特征在于：所述平衡杆铅垂运动机构包括升降架组件和升降控制组件，所述升降架组件包括四周均布且相互铰连的上、下升降连杆（7），所述上、下升降连杆（7）的其余两端分别铰连于横板（3）的底部和基板（1）上；所述升降控制组件包括升降电机（8）、牵引轮（9）和牵拉绳（10），所述升降电机（8）通过径向伸缩架（11）设于升降架组件中心，所述牵引轮（9）同轴固连于升降电机（8）的输出轴上，所述牵拉绳（10）对应于各上、下升降连杆（7）设置，各牵拉绳（10）的外端连接于对应上、下升降连杆（7）之间的铰连点，各牵拉绳（10）的内端缠绕于牵引轮（9）上；升降电机（8）通过线路与伺服驱动器（6）连接。

3.根据权利要求1所述的仿真行走钢丝机器人，其特征在于：所述平衡杆平动机构包括四连杆组件和平动电机（12）以及平动编码器（13），所述四连杆组件包括等长的左、右平动摆杆（14）和平动连杆（15），左、右平动摆杆（14）分别铰连于横板（3）上，所述平动连杆（15）两端分别铰连左、右平动摆杆（14）；所述平动电机（12）和平动编码器（13）通过各自的齿轮传动机构连接左、右平动摆杆；平动电机（12）和平动编码器（13）通过线路与伺服驱动器（6）连接。

4.根据权利要求1所述的仿真行走钢丝机器人，其特征在于：所述平衡杆转动机构包括平衡杆（16）、转动齿轮（17）、转动电机（18）和转动编码器（19），所述转动齿轮（17）通过转轴安装于竖板（4）上，所述平衡杆（16）的中部连接于转轴上，所述转动电机（18）和转动编码器（19）通过各自的齿轮传动副连接转动齿轮（17）；转动电机（18）和转动编码器（19）通过线路与伺服驱动器（6）连接。

5.根据权利要求1～4中任意一项所述的仿真行走钢丝机器人，其特征在于：所述行走轮驱动机构包括行走电机（20）和齿轮传动副，所述齿轮传动副包括相啮合的主动齿轮（21）和从动齿轮（22），所述主动齿轮（21）同轴与行走电机（20）的输出轴连接，所述从动齿轮（22）与前或后行走轮（2）同轴固连；行走电机（20）通过线路与伺服驱动器（6）连接。

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