CN105302148B - 可实现自平衡的陀螺式独轮车机器人系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种可实现自平衡的陀螺式独轮车机器人系统，其陀螺机构包括陀螺转子、内环架和外环架，陀螺转子通过水平安装于内环齿圈内并由转子电机驱动自转，内环齿圈安装于内环架内并由内环齿圈电机驱动旋转，内环架安装于外环齿圈内，外环齿圈安装于外环架内并由外环齿圈电机驱动旋转，陀螺转子的位置与内环齿圈正交，内环齿圈的位置与外环齿圈正交；其摆轮机构设于陀螺机构上，包括摆轮支架和摆轮，摆轮竖直安装于摆轮支架上并由摆轮电机驱动旋转；其独轮机构设于陀螺机构下，包括独轮和车叉，独轮由车叉上的薄饼电机驱动旋转。本发明利用陀螺机构作为稳定控制装置，可以实现车体侧向和前后双稳定平衡控制。
Description
技术领域
本发明涉及两轮或独轮自行车机器人，具体为一种可实现自平衡的陀螺式独轮车机器人系统。
背景技术
独轮车机器人因其具有体型狭小、能源利用率高等优点而受到机器人研究人员的关注。利用其动态平衡特性，将它引入复杂地形环境，进行运输和营救等功能；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。
国内对于独轮车机器人的研究尚处于研究性阶段，设计的独轮车机器人大多基于飞轮倒立摆或平衡杆控制形式。国内对轮车机器人研究较多的是北京工业大学的阮晓钢团队，例如北京工业大学提出的《一种独轮自平衡机器人系统》发明专利(专利公开号为CN102445944A),其机器人技术方案由一个可左右转动的竖直放置的摆盘，用来实现机器人侧向平衡控制；机身中间含有可转动的水平放置的腰盘，用来实现机器人的航向控制；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控制。东南大学提出的《一种可实现自平衡的独轮机器人》实用新型专利(专利授权号为CN202362474U)其技术方案是基于平衡杆控制的机器人，该机器人能保持侧向平衡和前后平衡，但缺少航向控制机构，很难实现转弯等复杂运动。
陀螺因其具有自稳定特性，不受磁场干扰等优点，广泛应用于航空、航海、航天和国防工业中，大多作为陀螺仪或传感器用，并没有把陀螺直接用作稳定装置。
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利用陀螺作为稳定装置的可实现自平衡的陀螺式独轮车机器人系统。
能够解决上述技术问题的可实现自平衡的陀螺式独轮车机器人，其技术方案包括陀螺机构、摆轮机构和独轮机构以及各机构运行的控制装置，其中
1、所述陀螺机构包括陀螺转子、内环架和外环架，所述陀螺转子通过转子支架水平安装于内环齿圈内并由支架上的转子电机驱动自转，所述内环齿圈安装于内环架内并由内环架上的内环齿圈电机驱动旋转，所述内环架安装于外环齿圈内，所述外环齿圈安装于外环架内并由外环架上的外环齿圈电机驱动旋转；所述外环架竖直安装于基板上，陀螺转子的位置与内环齿圈正交，内环齿圈的位置与外环齿圈正交；所述支架上设有检测陀螺转子转速的转子编码器，所述内环架上设有检测内环齿圈转速的内环齿圈编码器，所述外环架上设有检测外环齿圈转速的外环齿圈编码器。
2、所述摆轮机构设于陀螺机构上方，包括摆轮支架和摆轮，所述摆轮支架安装于外环架顶部，所述摆轮竖直安装于摆轮支架上并由摆轮支架上的摆轮电机驱动旋转，所述摆轮支架上设有检测摆轮转速的摆轮编码器。
3、所述独轮机构设于陀螺机构下方，包括独轮和车叉，所述车叉安装于基板底部，所述独轮安装于车叉内并由车叉上的薄饼电机驱动旋转，车叉上设有检测独轮转速的独轮编码器。
上述结构中，当高速自传的陀螺转子随内环齿圈一起按照一定的控制规律相对于外环齿圈万向转动时，所产生的陀螺力矩可平衡机器人受到的重力矩，保持车身平衡和实现转弯控制方式一；摆轮加减速与正反转则提供车体倾倒力矩，使车体保持一定的倾角，实现转弯控制方式二，进而可通过不同实验方式和控制效果验证曲线运动平衡控制的力学机理。
为达到较好的控制效果，所述摆轮与外环架处于同一竖直平面内。
更好的控制效果为所述独轮的位置与摆轮正交。
所述控制装置包括通过相关电路连接的电池组、航姿测量传感器、无线模块、运动控制器和伺服驱动器，控制装置实时检测车体姿态并根据车体姿态向各电机发出驱动信号、同时接收各编码器的反馈信号以进一步修正各电机运转。
本发明的有益效果：
1、本发明可实现自平衡的陀螺式独轮车机器人系统的陀螺机构可以实现陀螺转子的万向运动。
2、本发明利用陀螺机构具有自稳定的特性、不受磁场干扰的特点，直接将其作为稳定控制装置，不同于以往单一机构的单一控制，该陀螺机构可以实现车体侧向和前后双稳定平衡控制。
3、本发明的独轮可作为前后稳定控制机构，加强机器人的前后稳定平衡控制，也可作为纯驱动机构，实现机器人的匀速运动。
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实施方式中陀螺机构的立体结构示意图。
图号标识：1、陀螺转子；2、内环架；3、外环架；4、转子支架；5、内环齿圈；6、转子电机；7、内环齿圈电机；8、外环齿圈；9、外环齿圈电机；10、转子编码器；11、内环齿圈编码器；12、外环齿圈编码器；13、基板；14、摆轮支架；15、摆轮；16、摆轮编码器；17、独轮；18、车叉；19、薄饼电机；20、独轮编码器；21、陀螺机构；22、摆轮电机；23、无线模块；24、运动控制器；25、伺服驱动器；26、电池组；27、航姿测量传感器。
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。
本发明可实现自平衡的陀螺式独轮车机器人系统包括基于基板13设置的陀螺机构21、摆轮机构和独轮机构以及各机构运行的控制装置。
所述陀螺机构21包括外环架3、外环齿圈8、内环架2、内环齿圈5、转子支架4和陀螺转子1。所述外环架3竖直设置并通过底座安装于基板13上，所述外环齿圈8同轴设于外环架3内，外环架3上均布的四个外环齿圈驱动齿轮与外环齿圈8的外齿啮合，其中一个外环齿圈驱动齿轮连接于外环架3上安装的外环齿圈电机9上，于外环齿圈电机9的对称位置，另一个外环齿圈驱动齿轮连接在外环架3上安装的外环齿圈编码器12上；所述内环架2竖直安装于外环齿圈8内且位置与外环齿圈8正交，所述内环齿圈5同轴安装于内环架2内，内环架2上均布的四个内环齿圈驱动齿轮与内环齿圈5的外齿啮合，其中一个内环齿圈驱动齿轮连接在内环架2上安装的内环齿圈电机7，于内环齿圈电机7的对称位置，另一个内环齿圈驱动齿轮连接在内环架2上安装的内环齿圈编码器11；所述陀螺转子1通过转子支架4水平安装于内环齿圈5内，所述转子支架4底部和顶部分别安装连接陀螺转子1的转子电机6和转子编码器10，如图1、图2所示。
所述摆轮机构设于陀螺机构21之上，包括摆轮支架14和摆轮15，所述摆轮支架14通过连接座安装于外环架3的顶部，所述摆轮15竖直安装于摆轮支架14内且摆轮15与外环架3同处一竖直面内，摆轮支架14上安装有分别与摆轮15轮圈内齿啮合的摆轮电机22和摆轮编码器16，如图1、图2所示。
所述独轮机构设于陀螺机构21下方，包括独轮17和车叉18，所述车叉18的顶部穿过基板13与底座连接安装，所述独轮17安装于车叉18的两侧叉体内，独轮17的位置与摆轮15正交，车叉18的一侧叉体上安装的薄饼电机19连接独轮17轮圈上的内齿，车叉18同侧叉体上通过斜板安装独轮编码器20，所述独轮编码器20连接独轮17轮圈上的内齿，如图1、图2所示。
所述控制装置包括通过相关电路连接的电池组26、航姿测量传感器27、无线模块23、运动控制器24和伺服驱动器25，控制装置实时检测车体(陀螺机构21、摆轮机构和独轮机构共同构成)姿态并根据车体姿态向各电机发出驱动信号、同时接收各编码器的反馈信号以进一步修正各电机运转。
本发明独轮车机器人的主要功能是在保持车体前后俯仰平衡和侧向平衡的前提下，能够实现机器人直线运动与转弯控制，机器人在行进过程保持车体平衡的过程是：
独轮车机器人的运动控制器24得到航姿测量传感器27采集的车体姿态信号，按预定的控制算法计算出各电机的驱动力矩和各电机转矩所对应的加速度，发送ASCII码给伺服驱动器25执行控制。
当机器人侧向或俯仰倾倒时，高速自转的陀螺转子1会产生相应的进动，航姿测量传感器27测出相应倾角，进而通过预定的控制算法控制外环齿圈电机9和内环齿圈电机7改变可万向转动陀螺转子1的进动角度和进动角速度，从而调节陀螺力矩与倾倒力矩相平衡。
当机器人转弯时，摆轮15加减速与正反转提供车体倾倒力矩，车体保持一定倾角，侧向加速度用于提供机器人转弯所需要的向心加速度。
薄饼电机19驱动独轮17前后转动，控制前后平衡及行走。
Claims (2)
1.可实现自平衡的陀螺式独轮车机器人系统，其特征在于：包括陀螺机构(21)、摆轮机构和独轮机构以及各机构运行的控制装置，其中
①、所述陀螺机构包括陀螺转子(1)、内环架(2)和外环架(3)，所述陀螺转子(1)通过转子支架(4)水平安装于内环齿圈(5)内并由支架(4)上的转子电机(6)驱动自转，所述内环齿圈(5)安装于内环架(2)内并由内环架(2)上的内环齿圈电机(7)驱动旋转，所述内环架(2)安装于外环齿圈(8)内，所述外环齿圈(8)安装于外环架(3)内并由外环架(3)上的外环齿圈电机(9)驱动旋转，所述外环架(3)竖直安装于基板(13)上，陀螺转子(1)的位置与内环齿圈(5)正交，内环齿圈(5)的位置与外环齿圈(8)正交，所述支架(4)上设有检测陀螺转子(1)转速的转子编码器(10)，所述内环架(2)上设有检测内环齿圈(5)转速的内环齿圈编码器(11)，所述外环架(3)上设有检测外环齿圈(8)转速的外环齿圈编码器(12)；
②、所述摆轮机构设于陀螺机构上方，包括摆轮支架(14)和摆轮(15)，所述摆轮支架(14)安装于外环架(3)顶部，所述摆轮(15)竖直安装于摆轮支架(14)上并由摆轮支架(14)上的摆轮电机(22)驱动旋转，所述摆轮支架(14)上设有检测摆轮(15)转速的摆轮编码器(16)；
③、所述独轮机构设于陀螺机构下方，包括独轮(17)和车叉(18)，所述车叉(18)安装于基板(13)底部，所述独轮(17)安装于车叉(18)内并由车叉(18)上的薄饼电机(19)驱动旋转，车叉(18)上设有检测独轮(17)转速的独轮编码器(20)；
④、所述摆轮(15)与外环架(3)处于同一竖直平面内；
⑤、所述独轮(17)的位置与摆轮(15)正交。
2.根据权利要求1所述的可实现自平衡的陀螺式独轮车机器人系统，其特征在于：所述控制装置包括通过相关电路连接的电池组(26)、航姿测量传感器(27)、无线模块(23)、运动控制器(24)和伺服驱动器(25)，控制装置实时检测车体姿态并根据车体姿态向各电机发出驱动信号、同时接收各编码器的反馈信号以进一步修正各电机运转。
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