CN105171759B - 摆臂式独轮走钢丝机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种摆臂式独轮走钢丝机器人，包括调节侧向平衡的平衡杆机构、平衡质心的摆臂机构和前后行走以及调节俯仰平衡的独轮机构，所述摆臂机构建立于独轮机构上，所述平衡杆机构建立在摆臂机构上，平衡杆的转动产生反力矩抵消机械装置的倾倒力矩，摆臂的平动补偿机械装置的质心偏移，行走齿轮的运动参数实现机械装置的俯仰姿态控制及行走。本发明中，平衡杆的转动和摆臂的平动分别模拟人类走钢丝时双手的动作，行走齿轮模拟人类走钢丝的俯仰姿态调节，有效地模拟了人类走钢丝时的手臂运动和俯仰姿态的力学行为，实现机器人在刚性或柔性钢丝上自平衡运动。
Description
技术领域
本发明涉及机器人结构，具体为一种能够在柔性钢丝上行走的摆臂式独轮走钢丝机器人。
背景技术
走钢丝机器人是一种能够保持自平衡并行走于拉紧的钢丝之上的机械系统。该类机器人的命名源自于人类的高空走钢丝运动，目的在于揭示走钢丝运动的内在规律，并能够在机器人上实现这种稳定平衡运动方式。独轮走钢丝机器人很实用，可以在拉紧的绳子上行走。它的行走特技可以给人带来欢乐。为此，日本Iguchi实验室及Waseda大学开发出一种单轮移动的娱乐机器人。
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，但能够考虑到钢丝绳柔性对自稳定平衡控制影响的研究非常少。2003年上海交通大学周春林等申请的专利《走钢丝机器人》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，并且不是通过平衡杆和质心偏移来实现机器人的平衡，故未能有效模拟人类在三维空间中走柔性钢丝绳的力学行为；2011年北京邮电大学郭磊等申请的专利《基于平衡杆控制的刚柔耦合走钢丝机器人》公布了一种走钢丝机器人，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械装置的重心偏移，该设计的转动杆和平动杆通过一对齿轮进行耦合，电机驱动转动杆转动的同时，平动杆平动。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
针对现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是提出了一种有效模拟人类走钢丝时的手臂运动、身体摆动和俯仰调节，以此来进行平衡控制的摆臂式独轮走钢丝机器人。
能够解决上述技术问题的摆臂式独轮走钢丝机器人，其技术方案包括调节侧向平衡的平衡杆机构、平衡质心的摆臂机构和前后行走以及调节俯仰平衡的独轮机构，所述独轮机构包括行走齿轮(作为行走轮)和行走齿轮驱动电机以及增量式编码器，所述行走齿轮的齿面中央开设有V形槽，所述行走齿轮驱动电机于行走齿轮的轮架上安装，行走齿轮驱动电机的行走驱动电机齿轮与行走齿轮啮合，所述增量式编码器设于轮架上，其输出轴上的增量式编码器齿轮与行走齿轮啮合；所述摆臂机构通过基板设于轮架上，包括左、右摆臂和左、右转轴、前臂以及带编码器的摆臂步进电机和绝对式编码器，左、右转轴竖直安装，左、右摆臂的后端分别与左、右转轴固连，所述前臂的左、右两端分别与左、右摆臂的前端铰连，所述摆臂步进电机输出轴上的摆臂步进电机齿轮与一转轴上的转轴齿轮啮合，所述转轴齿轮还啮合绝对式编码器输出轴上的绝对式编码器齿轮；所述平衡杆机构通过支架安装于前臂上，包括平衡杆、带编码器的平衡杆步进电机，所述平衡杆步进电机于支架上安装，所述平衡杆的中部通过卡盘安装于平衡杆步进电机的输出轴上。
上述结构中，所述增量式编码器采集行走齿轮的转速进而控制行走齿轮的速度，实现俯仰平衡及行走的控制；所述绝对式编码器齿轮采集摆臂的左、右摆动幅度，从而实现质心偏移，抵消机械装置的重心偏移；所述平衡杆步进电机的编码器采集平衡杆的上、下摆动幅度，从而实现侧向平衡调节。
为使独轮机构结构紧凑，所述增量式编码器与行走齿轮驱动电机于行走齿轮斜上方两侧相对而置，所述增量式编码器齿轮和行走驱动电机齿轮于V形槽两侧分别啮合行走齿轮。
为使摆臂机构具备一定的支撑强度，所述转轴与对应摆臂之间设有支撑架。
一种转轴安装结构为，所述转轴的上、下两端分别通过上、下轴承座安装，上、下轴承座分别设于立板和基板上，所述立板于左、右转轴之间设于基板上。
本发明的有益效果：
1、本发明摆臂式独轮走钢丝机器人通过转动平衡杆产生反力矩抵消机械装置的侧向倾倒重力矩，通过摆臂机构移动平衡杆补偿机械装置的重心偏移，通过独轮机构控制机器人的俯仰平衡和行走运动，有效地模拟了人类走钢丝时的手臂运动，身体摆动和俯仰调节等力学行为，实现机器人在刚性或柔性钢丝上的综合平衡控制。
2、本发明的各部分机构分别由互不干扰的电机驱动，在机械结构上相互独立，摆臂平动与平衡杆转动实现侧向平衡解耦控制，从而降低了装置平衡控制的复杂度。
附图说明
图1为本发明一种实施方式的立体结构示意图。
图2为图1实施方式的前侧仰视图。
图3为图1实施方式的前侧俯视图。
图4为图1、图2、图3实施方式中平衡杆机构和摆臂机构的局部结构示意图。
图号标识：1、行走齿轮；2、行走齿轮驱动电机；3、增量式编码器；4、轮架；5、行走驱动电机齿轮；6、增量式编码器齿轮；7、基板；8、摆臂；9、转轴；10、前臂；11、摆臂步进电机；12、摆臂步进电机齿轮；13、转轴齿轮；14、绝对式编码器；15、绝对式编码器齿轮；16、支架；17、平衡杆；18、编码器；19、平衡杆步进电机；20、卡盘；21、支撑架；22、V形槽；23、轴承座；24、立板。
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。
本发明摆臂式独轮走钢丝机器人的机械构件包括平衡杆机构、摆臂机构和独轮机构，所述摆臂机构建立于独轮机构上，所述平衡杆机构建立在摆臂机构上。
所述独轮机构包括行走齿轮1、行走齿轮驱动电机2和增量式编码器3，所述行走齿轮1置于轮架4内，行走齿轮1两侧的轮轴于轮架4的两侧板上安装，行走齿轮1外圆周齿面的中央开设有一圈V形槽22(走钢丝的对应槽)，所述轮架4两侧板的外侧分别安装斜板，所述行走齿轮驱动电机2和增量式编码器3分别于两侧斜板的顶部相对设置，设置位置位于行走齿轮1的斜上方，行走齿轮驱动电机2输出轴上的行走驱动电机齿轮5与行走齿轮1的半边齿啮合，增量式编码器3输出轴上的增量式编码器齿轮6与行走齿轮1的另外半边齿啮合，如图1、图2、图3所示。
所述行走齿轮驱动电机2驱动行走齿轮1转动，所述增量式编码器3采集行走齿轮1的转速而控制行走齿轮1的速度，实现俯仰平衡及行走。
所述摆臂机构通过水平基板7设于独轮机构上，所述基板7通过短截立柱设于轮架4上；摆臂机构包括左、右转轴9和左、右摆臂8以及前臂10、带编码器18的摆臂步进电机11和绝对式编码器14，左右方向的立板24正对短截立柱设于基板7上，左、右转轴9分别设于立板24两侧，转轴9的上端通过上轴承座23安装在立板24上，转轴9的下端通过下轴承座23安装在基板7上，左、右摆臂8按前后方向设置，摆臂8的后端于对应转轴9上固连，摆臂8与对应转轴9之间还设有支撑架21来增强摆臂8的悬伸强度，所述前臂10左右方向横置，前臂10的左、右两端分别与左、右摆臂8的前端铰连而构成平行四边形连杆机构；一根转轴9上同轴安装转轴齿轮13，摆臂步进电机11和绝对式编码器14分别设于转轴齿轮13两侧，摆臂步进电机11输出轴上的摆臂步进电机齿轮12和绝对式编码器14输出轴上的绝对式编码器齿轮15分别与转轴齿轮13啮合，如图1、图2、图3、图4所示。
所述摆臂步进电机11通过摆臂步进电机齿轮12(小齿轮)驱动转轴齿轮13(大齿轮)转动，控制左、右摆臂8的左右同步摆动(平动)，实现质心偏移，抵消机械装置的重心偏移；所述编码器18采集摆臂步进电机11的转速，所述绝对式编码器14采集摆臂8的摆动幅度而知晓前臂10的相对位置。
所述平衡杆机构通过支架16安装，所述支架16于前臂10上安装，支架16的竖直面板与立板24平行；平衡杆机构包括带编码器18的平衡杆步进电机19和平衡杆17，所述平衡杆步进电机19前后向设置，其机体纵贯支架16的竖直面板并固定，平衡杆步进电机19的输出轴上安装卡盘20，平衡杆17于卡盘20内穿设固定，定位后的平衡杆17左、右段长度相等，如图1、图2、图3、图4所示。
所述平衡杆步进电机19驱动平衡杆17的加、减速与正、反转(期间编码器18采集平衡杆步进电机19的转速)，转动的平衡杆17产生反力矩抵消机械装置的侧向倾倒重力矩。
Claims (4)
1.摆臂式独轮走钢丝机器人，其特征在于：包括调节侧向平衡的平衡杆机构、平衡质心的摆臂机构和前后行走以及调节俯仰平衡的独轮机构，所述独轮机构包括行走齿轮(1)和行走齿轮驱动电机(2)以及增量式编码器(3)，所述行走齿轮(1)的齿面中央开设有V形槽(22)，所述行走齿轮驱动电机(2)于行走齿轮(1)的轮架(4)上安装，行走齿轮驱动电机(2)的行走驱动电机齿轮(5)与行走齿轮(1)啮合，所述增量式编码器(3)设于轮架(4)上，其输出轴上的增量式编码器齿轮(6)与行走齿轮(1)啮合；所述摆臂机构通过基板(7)设于轮架(4)上，包括左、右摆臂(8)和左、右转轴(9)、前臂(10)以及带编码器(18)的摆臂步进电机(11)和绝对式编码器(14)，左、右转轴(9)竖直安装，左、右摆臂(8)的后端分别与左、右转轴(9)固连，所述前臂(10)的左、右两端分别与左、右摆臂(8)的前端铰连，所述摆臂步进电机(11)输出轴上的摆臂步进电机齿轮(12)与一转轴(9)上的转轴齿轮(13)啮合，所述转轴齿轮(13)还啮合绝对式编码器(14)输出轴上的绝对式编码器齿轮(15)；所述平衡杆机构通过支架(16)安装于前臂(10)上，包括平衡杆(17)、带编码器(18)的平衡杆步进电机(19)，所述平衡杆步进电机(19)于支架(16)上安装，所述平衡杆(17)的中部通过卡盘(20)安装于平衡杆步进电机(19)的输出轴上。
2.根据权利要求1所述的摆臂式独轮走钢丝机器人，其特征在于：所述增量式编码器(3)与行走齿轮驱动电机(2)于行走齿轮(1)斜上方两侧相对而置，所述增量式编码器齿轮(6)和行走驱动电机齿轮(5)于V形槽(22)两侧分别啮合行走齿轮(1)。
3.根据权利要求1所述的摆臂式独轮走钢丝机器人，其特征在于：所述转轴(9)与对应摆臂(8)之间设有增强支撑强度的支撑架(21)。
4.根据权利要求1所述的摆臂式独轮走钢丝机器人，其特征在于：所述转轴(9)的上、下两端分别通过上、下轴承座(23)安装，上、下轴承座(23)分别设于立板(24)和基板(7)上，所述立板(24)于左、右转轴(9)之间设于基板(7)上。
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