CN106042003B - 机器人平衡系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种机器人平衡系统，包括滑动块、检测机器人失衡状态的传感器、根据所述失衡状态给出驱动信号的控制模块和根据所述驱动信号控制所述滑动块平行于所述机器人的脚掌伸缩运动的驱动电机；该系统检测到机器人的失衡状态后，将该失衡状态转化为驱动电机的控制信号，由该驱动电机控制相应的滑动块平行于所述机器人的脚掌作伸缩运动，可以有效的实现行走式机器人在运动，站立状态下的平衡，结构简单可行。

Description

机器人平衡系统

技术领域

本发明涉及机器人运动控制技术领域，特别是涉及一种机器人平衡系统。

背景技术

近年来，许多国家纷纷投入智能机器人的研究与开发，从而智能机器人的应用范围也越来越广，机器人开发存在一个关键性问题，怎样维持机器人运动过程中始终保持平衡，不会自倒，对于这个问题，虽然各国家都尽量在结构，重心等各方面进行了很多改进，但都不能根本性解决此问题。

目前，控制机器人平衡的方式有两种：一种为配重方式平衡，这种方法加重了机器人自身的重量，对于失衡较大的情况就失去了效果，实现起来也较复杂；另一种方式为阻尼式平衡，其对于滑轮运动的机器人有效，但对于行走式机器人则无法实现平衡。

发明内容

基于此，有必要提供一种机器人平衡系统，可以有效的实现行走式机器人的平衡，结构简单可行。

一种机器人平衡系统，包括滑动块、检测机器人失衡状态的传感器、根据所述失衡状态给出驱动信号的控制模块和根据所述驱动信号控制所述滑动块平行于所述机器人的脚掌伸缩运动的驱动电机。

在其中一个实施例中，所述滑动块有四个，分别设置在所述机器人的前脚掌、脚后跟、脚掌中部内侧和脚掌中部外侧。

在其中一个实施例中，所述驱动电机有四个，分别用于控制设置在所述机器人的前脚掌、脚后跟、脚掌中部内侧和脚掌中部外侧的滑动块平行于所述机器人的脚掌伸缩运动。

在其中一个实施例中，所述传感器包括重力传感器，所述重力传感器设置在所述机器人的主控制板上。

在其中一个实施例中，还包括设置在所述机器人的脚背上支撑机器人直立的球形柱。

在其中一个实施例中，所述传感器包括压力传感器，设置在所述球形柱的侧面。

在其中一个实施例中，所述压力传感器有四个，分别设置在所述球形柱侧面以其轴线为中心的前后左右四个对称的位置。

在其中一个实施例中，还包括螺杆、轴承套和固定件，所述螺杆通过轴承套和所述驱动电机连接，所述螺杆通过所述固定件和所述滑动块固定连接。

在其中一个实施例中，还包括轮子，所述轮子设置在所述滑动块的下方，所述轮子的支撑点与所述脚掌的脚底面在同一水平面上。

在其中一个实施例中，还包括螺丝套和固定设置在所述脚掌上的平行导柱，所述螺丝套固定在所述平行导柱靠近所述滑动块的一侧，所述螺杆和所述螺丝套螺旋连接，所述螺杆设置在所述平行导柱内。

上述机器人平衡系统，检测到机器人的失衡状态后，将该失衡状态转化为驱动电机的控制信号，由该驱动电机控制相应的滑动块平行于所述机器人的脚掌作伸缩运动，可以有效的实现行走式机器人在运动，站立状态下的平衡，结构简单可行。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他实施例的附图。

图1是一实施例中一种机器人平衡系统的纵切面图；

图2是一实施例中一种机器人平衡系统的俯视图；

图3是另一实施例中一种机器人平衡系统的俯视图；

图4是一实施例中一种机器人平衡系统的信号处理框图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

参见图1和图2，图1是一实施例中一种机器人平衡系统的纵切面图，图2是一实施例中一种机器人平衡系统的俯视图。

本实施的机器人平衡系统，包括滑动块、检测机器人失衡状态的传感器11、根据所述失衡状态给出驱动信号的控制模块12和根据所述驱动信号控制滑动块1平行于所述机器人的脚掌伸缩运动的驱动电机13所述滑动块1设置在所述机器人的前脚掌。脚是机器人维持平衡的重要部位，该机器人平衡系统的主要结构设置在机器人的脚部。

行走式的机器人在行走或站立的过程中时刻需要保持平衡，当该机器人处于失衡状态时，一般有以下几种情况，前倾、后仰、左倾和右倾，其中前倾和后仰是该机器人较常出现的失衡状态，当该机器人处于前倾或后仰的失衡状态时，其倾斜角度达到一定的倾斜角度阈值，通过检测机器人失衡状态的传感器11可以检测到其倾斜角度对应的相关状态参数，控制模块12对该相关状态参数的失衡状态进行分析和处理，得到机器人的失衡状态参数，并根据该失衡状态参数给出控制滑动块1平行于机器人的脚掌伸缩运动的控制信号到驱动电机13，由驱动电机13带动该滑动块1运动，从而保持机器人的平衡。

例如，若控制模块12根据传感器11检测到的相关状态参数得到了机器人前倾的倾斜角度，该倾斜角度超过了平衡状态下的倾斜角度阈值，判断机器人处于前倾的失衡状态，控制模块12根据该倾斜角度给出控制滑动1块平行于机器人的脚掌向前伸出的控制信号，控制驱动电机13带动滑动块1向外伸出相应的长度，增加脚掌的长度和面积，从而保证机器人不会向前倾倒，维持其平衡状态。

在其中一个实施例中，参见图3，上述滑动块1有四个，分别设置在所述机器人的前脚掌、脚后跟、脚掌中部内侧和脚掌中部外侧，对应的驱动电机13有四个，分别用于控制设置在所述机器人的前脚掌、脚后跟、脚掌中部内侧和脚掌中部外侧的滑动块1平行于所述机器人的脚掌伸缩运动。

当机器人后倾严重时，通过收缩设置在前脚掌的滑动块1不能维持其平衡的情况下，控制设置在脚后跟处的滑动块1向后伸出，从而保持机器人的平衡。

当机器人在单脚运动的过程中，容易发生左右倾倒的情况，此时通过重力传感器和/或压力传感器检测到其倾斜角度对应的相关状态参数，由控制模块12通过分析处理给出控制设置在机器人脚掌中部内侧或脚掌中部外侧的滑动块1平行于脚掌的脚底面作左右伸缩运动，以控制机器人不会发生左右倾倒。

此外，机器人在运动，如跑步、转圈的过程中动作多样，其失衡状态也对应有多种，如左前倾、右后倾等，同样的，控制模块12实时获取到机器人的倾斜角度之后，对该倾斜角度进行分析，若确定机器人处于失衡状态，根据该倾斜角度给出四个驱动电机13的控制信号，控制相应的滑动块1运动，以实现机器人在运动过程中的平衡，如若机器人发生了左前倾的失衡状态，控制设置在机器人前脚掌和脚掌中部外侧的滑动块1向外伸出，以实现机器人的平衡。

在其中一个实施例中，传感器11为重力传感器111，所述重力传感器111设置在所述机器人的主控制板上。

机器人在行走或站立的过程中，当其处于不同的运动状态和姿态时，重力传感器可以检测到机器人加速度的变化，通过该加速度可以计算出机器人相对于水平面的倾斜角度。

在其中一个实施例中，还包括设置在所述机器人的脚背上支撑机器人直立的球形柱2，球形柱2包括柱状部和与柱状部连接的球形部位。该球形柱2以其球形部位的底端为固定支点，可以在一定的空间内前后左右摇摆，从而支撑机器人前后左右运动。

在其中一个实施例中，所述传感器11为压力传感器112，设置在所述球形柱2的侧面。机器人在运动的过程中，设置在球形柱2侧面的压力传感器112可以检测到该球形柱2侧面不同部位承受的压力，当机器人处于平衡状态时，其侧面不同部位承受的压力在一定的范围内波动，当机器人处于失衡状态时，其侧面局部承受的压力会超出该范围。

在其中一个实施例中，所述压力传感器112有四个，分别设置在所述球形柱2侧面以其轴线为中心的前后左右四个对称的位置。分别检测机器人处于四种失衡状态时，球形柱2不同部位承受的压力，该压力与机器人的倾斜角度呈线性关系，通过该压力值可以得到此时机器人的倾斜角度。

若根据上述倾斜角度判断机器人处于后仰的失衡状态，控制模块12根据该倾斜角度控制滑动块1向后收缩相应的长度，减小脚掌的长度和面积，从而保证机器人不会向后倾倒。

在其中一个实施例中，该机器人平衡系统还包括螺杆4、轴承套3和固定件6，所述螺杆4通过轴承套3和所述驱动电机13连接，所述螺杆4通过所述固定件6和所述滑动块1固定连接。滑动块1在驱动电机13和螺杆4的带动下平行于机器人的脚掌作前后伸缩运动。

在其中一个实施例中，该机器人平衡系统还包括轮子7，所述轮子7设置在所述滑动块1的下方，所述轮子7的支撑点与所述脚掌的脚底面在同一水平面上。驱动电机13带动滑动块1在轮子7的作用下作前后伸缩运动。

在其中一个实施例中，该机器人平衡系统还包括螺丝套5和固定设置在所述脚掌上的平行导柱8，螺丝套5固定在所述平行导柱8靠近所述滑动块1的一侧，所述螺杆4和所述螺丝套5螺旋连接，所述螺杆4设置在所述平行导柱8内。

在其中一个实施例中，参见图3，上述螺杆4、轴承套3、固定件6、轮子7、螺丝套5和平行导柱8对应四个滑动块1和驱动电机13分别设置有四个。

参见图4，图4是一实施例中一种机器人平衡系统的信号处理框图。

在其中一个实施例中，该机器人平衡系统还包括信号放大器14，所述信号放大器14的输入端连接所述传感器11，所述信号放大器14的输出端连接所述控制模块12。

在其中一个实施例中，该机器人平衡系统还包括模数转换模块15，所述模数转换模块15的输入端连接所述信号放大器14的输出端，所述模数转换模块15的输出端连接所述控制模块12。

传感器11，如压力传感器112检测到球形柱2的四个部位承受的压力后，将该压力对应的压力信号发送给信号放大器14，经放大处理后发送给模数转换模块15转化为数字信号，控制模块12接收该数字信号并进行分析和处理，得到该数字信号对应的机器人的倾斜角度，若该倾斜角度超过了机器人处于平衡状态时的倾斜角度阈值，判断机器人处于失衡状态，并根据该倾斜角度计算出为保持机器人平衡其脚掌应该向不同方向伸长或缩短的长度，控制驱动电机13带动相应的滑动块1向外伸出或收缩该长度，保持机器人在运动，站立状态下的平衡。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种机器人平衡系统，其特征在于，包括设置于机器人脚部的滑动块、检测机器人失衡状态的传感器、根据所述失衡状态给出驱动信号的控制模块和根据所述驱动信号控制所述滑动块平行于所述机器人的脚掌伸缩运动的驱动电机。

2.根据权利要求1所述的机器人平衡系统，其特征在于，所述滑动块有四个，分别设置在所述机器人的前脚掌、脚后跟、脚掌中部内侧和脚掌中部外侧。

3.根据权利要求2所述的机器人平衡系统，其特征在于，所述驱动电机有四个，分别用于控制设置在所述机器人的前脚掌、脚后跟、脚掌中部内侧和脚掌中部外侧的滑动块平行于所述机器人的脚掌伸缩运动。

4.根据权利要求1所述的机器人平衡系统，其特征在于，所述传感器包括重力传感器，所述重力传感器设置在所述机器人的主控制板上。

5.根据权利要求1所述的机器人平衡系统，还包括设置在所述机器人的脚背上支撑机器人直立的球形柱。

6.根据权利要求5所述的机器人平衡系统，其特征在于，所述传感器包括压力传感器，设置在所述球形柱的侧面。

7.根据权利要求6所述的机器人平衡系统，其特征在于，所述压力传感器有四个，分别设置在所述球形柱侧面以其轴线为中心的前后左右四个对称的位置。

8.根据权利要求1所述的机器人平衡系统，还包括螺杆、轴承套和固定件，所述螺杆通过轴承套和所述驱动电机连接，所述螺杆通过所述固定件和所述滑动块固定连接。

9.根据权利要求1所述的机器人平衡系统，还包括轮子，所述轮子设置在所述滑动块的下方，所述轮子的支撑点与所述脚掌的脚底面在同一水平面上。

10.根据权利要求8所述的机器人平衡系统，还包括螺丝套和固定设置在所述脚掌上的平行导柱，所述螺丝套固定在所述平行导柱靠近所述滑动块的一侧，所述螺杆和所述螺丝套螺旋连接，所述螺杆设置在所述平行导柱内。