CN104787140A - 仿跷跷板平衡原理的走钢丝装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种仿跷跷板平衡原理的走钢丝装置，其平衡机构包括上、下基板，上、下基板之间居中设置单连杆，左、右对称设置双连杆和电动推杆，单连杆、双连杆和电动推杆的上、下端分别铰连在上、下基板的对应位置上；其行走机构设于下基板底部，包括前、后居中设置行走轮以及行走轮驱动组件；其检测控制机构包括陀螺仪和运动控制器、伺服驱动器以及电池组，陀螺仪于下基板上居中设置，运动控制器于上基板上居中设置，伺服驱动器和电池组分别于运动控制器左、右设置，左、右电动推杆通过线路分别连接左、右伺服驱动器。本发明模拟了人类或者其他动物跷跷板平衡表演时腿部屈伸的力学行为，从而实现行走装置在钢丝上自平衡运动。
Description
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跷跷板平衡原理的走钢丝装置。
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，进行运输和营救以及对低空环境的监控与探测。
国内外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，但大都是通过力矩的调节保持机器人本体的平衡，未见有模仿杂技跷跷板平衡表演的机器人结构。上海交通大学周春林等的专利《走钢丝装置》(申请号为CN02273474.0)申请公布了一种由内环和外环组成的机器人机构，其中内环装有高速旋转的机械陀螺，当内环相对外环转动时，机械陀螺会产生的陀螺力矩来平衡机器人所受到的倾倒力矩，从而实现机器人在钢丝绳上平衡行走。但该专利机器人没有考虑钢丝的柔性对机器人的平衡影响，未能有效模拟人类或者其他动物在三维空间中平衡的力学行为.
北京邮电大学郭磊等的《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)，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，通过转动杆转动力矩抵消机器人重力矩的作用，平动杆产生的质心偏移来抵消机器人的重心偏移，该设计通过模仿人类调节平衡杆的转动和平动来控制自身平衡的走钢丝力学行为。另外，该设计的四杆驱动机构会使得机器人整体质心上下运动，从而增加平衡控制的复杂度，并且该设计的平动和转动之间以固定的关系耦合在一起，这与实际情况不相符。
发明内容
为此，本发明提出了一种仿跷跷板平衡原理的走钢丝装置，其目的在于提高走钢丝装置自身调节能力，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。
本发明仿跷跷板平衡原理的走钢丝装置，其技术方案包括行走机构、平衡机构和检测控制机构，所不同的是所述平衡机构包括上、下基板，上、下基板之间居中设置单连杆，左、右对称设置双连杆和电动推杆，所述单连杆的上下端、双连杆的上下端和电动推杆的上下端分别铰连在上下基板1、2的对应位置上；所述行走机构设于下基板底部，包括前、后居中设置的带V型槽的行走轮以及行走轮驱动组件；所述检测控制机构包括陀螺仪和运动控制器、伺服驱动器以及电池组，所述陀螺仪于下基板上居中设置，所述运动控制器于上基板或下基板上居中设置，所述伺服驱动器和电池组分别于运动控制器左、右设置，左、右电动推杆通过线路分别连接左、右伺服驱动器，所述行走轮驱动组件通过线路连接左或右伺服驱动器。
上述结构中，所述陀螺仪采集走钢丝装置姿态，将信号反馈给运动控制器，在控制程序下处理信号，从而发出控制指令；所述伺服驱动器从运动控制器接受指令，通过驱动电动推杆和行走轮驱动组件，从而控制电动推杆的伸长和收缩运动和走钢丝装置的前进运动，实现对走钢丝装置的姿态调整控制。
为提高上、下基板之间的相对稳定性，所述单连杆采用前、后设置方式，所述双连杆采用前、后设置方式，各电动推杆设于对应的前、后双连杆之间。
所述行走轮驱动组件的一种结构包括行走轮驱动步进电机和皮带轮传动副，所述皮带轮传动副的主动轮安装于行走轮驱动步进电机的输出轴上，皮带轮传动副的从动轮与后行走轮同轴安装，行走轮驱动步进电机通过线路连接左或右伺服驱动器。
所述电动推杆的一种结构包括套装的推杆和套筒，所述套筒内设有带编码器的推杆伸缩驱动步进电机和行星减速器，所述推杆伸缩驱动步进电机的输出轴连接行星减速器的输入轴，所述行星减速器的输出轴连接丝杆，所述丝杆旋合于推杆内部的螺纹孔，推杆伸缩驱动步进电机(即丝杆)的正、反旋转可实现推杆于套筒内的伸、缩，推杆伸缩驱动步进电机的转速和加速度和推杆的伸缩速度和加速度相关。
本发明的有益效果：
1、本发明仿跷跷板平衡原理的走钢丝装置中，平衡机构的调整运动包括电动推杆的伸缩运动，其中，电动推杆的运动可以调节走钢丝装置的质心偏移；这部分运动模拟了人类或者其他动物跷跷板平衡表演时腿部屈伸的力学行为，从而实现行走装置在钢丝上自平衡运动。
2、本发明中，通过左、右双连杆和左、右电动推杆的伸缩配合控制上、下基板运动范围，限制上、下基板之间的相对侧向移动，降低了控制难度。
3、本发明中，电动推杆采用编码器、推杆伸缩驱动步进电机和行星减速器一体化设计，使其结构更加紧凑，有效利用空间，能够减小噪声，增加推力，具有高的伸缩速度，增加了系统的响应速度。
附图说明
图1为本发明一种实施方式的立体图(上方侧向俯视)。
图2为图1的下方侧向仰视图。
图3为图1、图2中电动推杆的结构示意图。
图号标识：1、上基板；2、下基板；3、单连杆；4、双连杆；5、电动推杆；6、行走轮；7、电池组；8、陀螺仪；9、运动控制器；10、伺服驱动器；11、行走轮驱动步进电机；12、推杆；13、套筒；14、编码器；15、推杆伸缩驱动步进电机；16、行星减速器；17、丝杆。
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。
本发明仿跷跷板平衡原理的走钢丝装置主要由行走机构、平衡机构和检测控制机构组成。
所述平衡机构包括长方形的上、下基板1、2，上、下基板1、2水平对齐，基板的长度方向设为左、右向，基板的宽度方向设为前、后向，上、下基板1、2之间由连杆组件和电动推杆5支撑连接：所述连杆组件由单连杆3和双连杆4构成，四副双连杆4(两杆件相互铰连)于基板的四角处设置，各双连杆4的上、下端分别铰连(实现左、右方向的转动)在上、下基板1、2的对应边角处；所述电动推杆5左、右竖直设于上、下基板1、2的长度方向边缘处，电动推杆5的上、下端分别铰连(实现左、右方向的转动)在上、下基板1、2的对应边缘处，并且电动推杆5居中处于对应的前、后双连杆4之间；两根单连杆3前、后居中竖直设置并处于上、下基板1、2宽度方向的边缘处，各单连杆3的上、下端分别铰连(实现左、右方向的转动)在上、下基板1、2的对应边缘处，如图1、图2所示。
所述电动推杆5包括推杆12和套筒13，所述推杆12从套筒13的一端开口套装进入，所述套筒13底部设有带编码器14的推杆伸缩驱动步进电机15和行星减速器16，所述推杆伸缩驱动步进电机15的输出轴连接行星减速器16的输入轴，所述行星减速器16的输出轴连接丝杆17，所述丝杆17旋合于推杆12内部开设的螺纹孔中；所述电动推杆5的上端为推杆12处于套筒13外的上端，电动推杆5的下端为套筒13的低端，如图1、图2、图3所示。
所述行走机构包括前、后居中(基板长度方向的中央)设于下基板2底部的前、后行走轮6(带V型槽)以及行走轮驱动组件，前、后行走轮6的位置分别对应于前、后单连杆3，所述行走轮驱动组件包括行走轮驱动步进电机11和皮带轮传动副，所述行走轮驱动步进电机11于前、后行走轮6之间安装于下基板2底部，所述皮带轮传动副的主动轮安装于行走轮驱动步进电机11的输出轴上，皮带轮传动副的从动轮与后行走轮6同轴安装，如图1、图2所示。
所述检测控制机构包括陀螺仪8、运动控制器9、伺服驱动器10和电池组7，所述陀螺仪8于前、后单连杆3之间居中设于下基板2上，所述运动控制器9于上基板1上居中设置，所述伺服驱动器10于运动控制器9内侧左、右对称设置，所述电池组7于运动控制器9外侧左、右对称设置，所述陀螺仪8、运动控制器9、伺服驱动器10和电池组7之间通过相关线路连接，所述相关线路为常规线路设计，此处不作详解，如图1所示。
左、右电动推杆5通过线路分别与左、右伺服驱动器10相连，实现左、右电动推杆5的推力和速度控制，即左电动推杆5的推杆伸缩驱动步进电机15和编码器14通过线路分别与左伺服驱动器10连接，右电动推杆5的推杆伸缩驱动步进电机15和编码器14通过线路分别与右伺服驱动器10连接；所述走轮驱动步进电机11通过线路与左或右伺服驱动器10连接。
本发明的主要功能是在保持走钢丝装置侧向平衡的前提下，能够实现在刚性或柔性钢丝绳上运动控制，其控制原理为：
运动控制器9得到陀螺仪8采集的走钢丝装置姿态信号，按预定的控制算法计算出电动推杆5所需的输出推力和伸缩速度，并计算出推杆伸缩驱动步进电机15转矩所对应的加速度，发送ASCII码给左、右伺服驱动器10执行控制，左、右伺服驱动器10接收左、右编码器14采集到的左、右推杆伸缩驱动步进电机15的速度和加速度信号，调整对左、右推杆伸缩驱动步进电机15的控制量，实现质心改变来平衡重心偏移：当陀螺仪8检测到走钢丝装置向左偏移时，这时左侧电动推杆5伸长，向下推下基板2左侧，同时右侧电动推杆5收缩，向上拉下基板2右侧，使走钢丝装置质心向右调节，从而平衡走钢丝装置重心向左的偏移量；同理，当陀螺仪8检测到走钢丝装置向右有偏移量时，右侧电动推杆5伸长，左侧电动推杆5缩短，使走钢丝装置质心向左调节，从而平衡走钢丝装置重心向右的偏移量，使走钢丝装置保持侧向平衡。
Claims (4)
1.仿跷跷板平衡原理的走钢丝装置，包括行走机构、平衡机构和检测控制机构，其特征在于：所述平衡机构包括上、下基板(1、2)，上、下基板(1、2)之间居中设置单连杆(3)，左、右对称设置双连杆(4)和电动推杆(5)，所述单连杆(3)的上、下端、双连杆(4)的上、下端和电动推杆(5)的上、下端分别铰连在上、下基板(1、2)的对应位置上；所述行走机构设于下基板(2)底部，包括前、后居中设置的带V型槽的行走轮(6)以及行走轮驱动组件；所述检测控制机构包括陀螺仪(8)和运动控制器(9)、伺服驱动器(10)以及电池组(7)，所述陀螺仪(8)于下基板(2)上居中设置，所述运动控制器(9)于上基板(1)或下基板(2)上居中设置，所述伺服驱动器(10)和电池组(7)分别于运动控制器(9)左、右设置，左、右电动推杆(5)通过线路分别连接左、右伺服驱动器(10)，所述行走轮驱动组件通过线路连接左或右伺服驱动器(10)。
2.根据权利要求1所述的仿跷跷板平衡原理的走钢丝装置，其特征在于：所述单连杆(3)前、后设置，所述双连杆(4)前、后设置，各电动推杆(5)设于对应的前、后双连杆(4)之间。
3.根据权利要求1或2所述的仿跷跷板平衡原理的走钢丝装置，其特征在于：所述行走轮驱动组件包括行走轮驱动步进电机(11)和皮带轮传动副，所述皮带轮传动副的主动轮安装于行走轮驱动步进电机(11)的输出轴上，皮带轮传动副的从动轮与后行走轮(6)同轴安装，所述行走轮驱动步进电机(11)通过线路连接左或右伺服驱动器(10)。
4.根据权利要求1或2所述的仿跷跷板平衡原理的走钢丝装置，其特征在于：所述电动推杆(5)包括套装的推杆(12)和套筒(13)，所述套筒(13)内设有带编码器(14)的推杆伸缩驱动步进电机(15)和行星减速器(16)，所述推杆伸缩驱动步进电机(15)的输出轴连接行星减速器(16)的输入轴，所述行星减速器(16)的输出轴连接丝杆(17)，所述丝杆(17)旋合于推杆(12)内部的螺纹孔。
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