CN107024938A - 一种轮式机器人的平衡系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种轮式机器人的平衡系统及其控制方法，一种轮式机器人的平衡系统，包括有机器人主体、控制芯片、倾角感应器、平衡底座；平衡底座安装在机器人主体底部；平衡底座两侧安装有一组对称的车轮，平衡底座上安装有一组完全相同的传动机构；该组传动机构关于平衡底座的几何中心点中心对称，平衡底座的倾斜角度范围为0°‑70°，车轮的半径r与所述平衡底座的边长x之间满足：2r/x≦0.94。倾角感应器安装在平衡底座上，控制芯片安装在机器人主体。本发明不仅结构简单，而且能使机器人在行走过程中完美地保持动态平衡。

Description

一种轮式机器人的平衡系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及玩具机器人生产领域，尤其涉及一种轮式机器人的平衡系统及其控制方法。

背景技术

玩具机器人在生活中越来越普遍，其中包括一些站立式的玩具机器人。站立式机器人的平衡性尤为重要，在一些以轮系为站立点的站立式机器人，在静止的状态下，很难实现机器人的平衡。目前有一些机器人加入了陀螺仪以保持机器人的平衡性，但这种结构较为复杂，生产成本高，不适宜大批量推广。针对现有的问题，有必要提出一种解决问题的技术方案。

发明内容

本发明为解决现有的问题，提供了一种轮式机器人的平衡系统，结构简单，能使机器人在行走过程中保持动态平衡，其具体的技术方案如下：

本发明提供了一种轮式机器人的平衡系统，包括有机器人主体、控制芯片、倾角感应器、平衡底座；平衡底座安装在机器人主体底部；

平衡底座两侧安装有一组对称的车轮，平衡底座上安装有一组完全相同的传动机构；该组传动机构关于平衡底座的几何中心点中心对称，以提高平衡底座的平衡性；平衡底座的倾斜角α的范围为0°-70°，车轮的半径r与平衡底座的边长x之间满足：2r/x≦0.94。

倾角感应器安装在平衡底座上，以感应平衡底座的倾斜情况。

控制芯片安装在机器人主体内部，控制芯片能接收倾角感应器的信号，并能控制传动机构。

进一步地，平衡底座两侧设有一组对称的弧形沉台，车轮设在弧形沉台内；车轮的转轴相互独立；一个传动机构独立地传动一个车轮；平衡底座的上表面还设有一组关于底架几何中心点中心对称的安装位，以安装传动机构。

进一步地，传动机构包括有电机、齿轮箱，电机的转轴与齿轮箱动力输入轴连接，齿轮箱的输出轴与车轮的转轴连接。

进一步地，车轮包括有轮框、轮胎，所述轮胎套在轮框上以增加车轮的摩擦力。

进一步地，机器人主体呈直立蛋形，以提高机器人主体的平衡性。

进一步地，一种轮式机器人的平衡系统，其控制方法包括以下过程：

S1、轮式机器人未处于站立状态时，控制芯片给传动机构输送信号，使传动机构的电机带动车轮转动，车轮转动时，轮式机器人受到一个与车轮加速度相反的惯性力，这个惯性力使轮式机器人从未站立状态变为站立状态；

S2、轮式机器人处于站立状态或处于行走状态时，倾角感应器感应平衡底座的倾斜方向，然后倾角感应器把感应到的相关信息传输到控制芯片；

S3、控制芯片对相关信息进行分析计算，然后发送信号给传动机构，控制传动机构的电机给车轮施加一个适当大小的加速度，这加速度与底座倾斜的方向相同，加速度产生的惯性力使平衡底座处于平衡，从而使轮式机器人保持站立状态。

本发明的有益效果：本发明通过物理结构、感应器、软件程序三者结合，控制轮式机器人在站立时的平衡性，不仅结构简单，还能完美地保持机器人在行走或停止时的动态平衡，适用于玩具机器人以及相关产品。

附图说明

图1为本发明实施例的整体结构图；

图2为本发明实施例的机器人主体结构示意图；

图3为本发明实施例的平衡底座结构示意图；

图4为本发明实施例的平衡底座零部件示意图；

图5为本发明实施例的工作原理示意图；

图6为本发明实施例的工作原理示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。

一种轮式机器人的平衡系统，包括有机器人主体4、控制芯片、倾角感应器、平衡底座1；平衡底座1安装在机器人主体4底部。机器人主体4与平衡底座1的结合体的外形近似蛋形，这样的外壳设计能提高机器人整体的平衡性，也增加外表观赏性。平衡底座1两侧安装有一组对称的车轮2，平衡底座1上安装有一组完全相同的传动机构3；该组传动机构3关于平衡底座1的几何中心点中心对称，以实现平衡底座1的平衡；传动机构3带动车轮2，通过控制车轮2加速度的方向与大小来控制轮式机器人整体结构的平衡。由于倾角越大自动平衡需要的加速度越大，实际上提供的加速度是有限的，只能在一定的倾斜角度内才具备自动平衡能力，所以平衡底座1的倾斜角α的限定范围为0°-70°，其倾斜角是指平衡底座1的底边x与水平面的夹角。其限定的原理为：通过调节车轮2的安装位置或者车轮2的大小，使平衡底座1距离地面的距离限定在一定范围值内，这样平衡底座1倾斜到一定的角度时，就会与地面接触，阻止平衡底座1的倾角继续增大，车轮2的半径r与平衡底座1边长的关系满足：2r/x≤0.94。倾角感应器安装在平衡底座1上，以感应平衡底座1的倾斜情况，并把感应到的信息发送到控制芯片。控制芯片安装在机器人主体4内部，控制芯片能接收倾角感应器的信号，并对其进行计算分析，然后发送控制信号给传动机构3。

进一步说明，平衡底座1两侧设有一组对称的弧形沉台，车轮2设在弧形沉台内，该弧形沉台能够与机器人主体4底端的装配位完美配合。不同车轮2的转轴相互独立，一个传动机构3独立地传动一个车轮2。这样的设计是为了能让轮式机器人在行走过程中能够转弯，另一方面，两个车轮2独立转动，能更好的控制机器人的平衡性。平衡底座1的上表面还设有一组关于平衡底座1几何中心点中心对称的安装位，以安装传动机构3。

进一步地说明，传动机构3包括有电机32、齿轮箱31，电机32的转轴与齿轮箱31动力输入轴连接，齿轮箱31的输出轴与车轮2的转轴连接。

进一步地说明：车轮2包括有轮框21、轮胎22，所述轮胎22套在轮框21上以增加车轮2的摩擦力，能够更好地调节轮式机器人的平衡性。

进一步地说明：一种轮式机器人的平衡系统，其控制方法如下：

S1、轮式机器人未处于站立状态时，控制芯片给传动机构3输送信号，使传动机构3的电机32带动车轮2转动，车轮2转动时，轮式机器人受到一个与车轮2加速度相反的惯性力，这个惯性力使轮式机器人从未站立状态变为站立状态；

S2、轮式机器人处于站立状态或处于行走状态时，倾角感应器感应平衡底座的倾斜方向，然后倾角感应器把感应到的相关信息传输到控制芯片；

S3、控制芯片对相关信息进行分析计算，然后发送信号给传动机构3，传动机构3的电机给车轮2施加一个适当大小的加速度，这加速度与平衡底座1倾斜的方向相同，加速度产生的惯性力使平衡底座1处于平衡，从而使轮式机器人保持站立状态。

本发明的工作原理：

轮式机器人的自平衡基本原理：轮式机器人要保持在直立状态，就需要像单摆一样给轮式机器人施加一个恢复力和一个阻尼力。

恢复力：当底部车轮加速运动时，轮式机器人会受到一个与加速度方向相反的惯性力，这个惯性力就是提供给轮式机器人的恢复力。

阻尼力：虽然自然状态下也存在一个阻尼力，但这个阻尼力太小，小到忽略不计，因此需要人为地添加一个阻尼力，这个阻尼力方向刚好跟轮式机器人的倾角角速度相反，大小成正比，通过倾角角速度比例关系产生一个车轮加速度，由这个车轮2加速度产生的惯性力就是提供给轮式机器人的阻尼力了。

由此可知，无论是恢复力还是阻尼力的都是来源于底部车轮2加速运动。

轮式机器人偏离了直立状态，倾斜了一定的角度，通过PID控制算法，给车轮2施加一个转动速度，由此底部车轮2加速运动，给小车产生一个恢复力，最终在阻尼力的施加下稳定在直立状态。

请参阅附图5，附图5中mg为整体所受的重力，S为重心到车轮旋转中心的距离，r为车轮半径，f为车轮和地面之间的摩擦力。当轮式机器人未直立且与地面有一定的倾角(倾角大于0小于90度)时，f＜mg·sinα·s/r，轮式机器人静止不动；当轮式机器人f增加到f＞mg·sinα·s/r时，轮式机器人从静止倾斜状态向直立状态转换；当接近平衡时，由程序控制电机提供阻尼力保证轮式机器人尽快稳定在垂直位置，当轮式机器人稳定后，状态图6。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施方式”、“一些实施方式”、“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上内容是结合具体的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换。

Claims (6)

1.一种轮式机器人的平衡系统，其特征在于，包括有机器人主体(4)、控制芯片、倾角感应器、平衡底座(1)；平衡底座(1)安装在机器人主体(4)底部；

所述平衡底座(1)两侧安装有一组对称的车轮(2)，平衡底座(1)上安装有一组完全相同的传动机构(3)；该组传动机构(3)关于平衡底座(1)的几何中心点中心对称，以提高平衡底座(1)的平衡性；所述平衡底座(1)的倾斜角α的范围为0°-70°，所述车轮(2)的半径r与所述平衡底座(1)的边长x之间满足：2r/x≦0.94。

所述倾角感应器安装在平衡底座(1)上，以感应平衡底座(1)的倾斜情况。

所述控制芯片安装在机器人主体(4)内部，控制芯片能接收倾角感应器的信号，并能控制传动机构(3)。

2.根据权利要求1所述的一种轮式机器人的平衡系统，其特征在于，所述平衡底座(1)两侧设有一组对称的弧形沉台，所述车轮(2)设在弧形沉台内；车轮(2)的转轴相互独立；一个传动机构(3)独立地传动一个车轮(2)；所述平衡底座(1)的上表面还设有一组关于平衡底座(1)几何中心点中心对称的安装位，以安装传动机构(3)。

3.根据权利要求1所述的一种轮式机器人的平衡系统，其特征在于，所述传动机构(3)包括有电机(32)、齿轮箱(31)，电机(32)的转轴与齿轮箱(31)动力输入轴连接，齿轮箱(31)的输出轴与车轮(2)的转轴连接。

4.根据权利要求1所述的一种轮式机器人的平衡系统，其特征在于，所述车轮(2)包括有轮框(21)、轮胎(22)，所述轮胎(22)套在轮框(21)上以增加车轮(2)的摩擦力。

5.根据权利要求1所述的一种轮式机器人的平衡系统，其特征在于，所述机器人主体(4)呈直立蛋形，以提高机器人主体(4)的平衡性。

6.根据1-5任一项所述的一种轮式机器人的平衡系统，其特征在于，其控制方法包括以下过程：

S1、轮式机器人未处于站立状态时，控制芯片给传动机构(3)输送信号，使传动机构(3)的电机(32)带动车轮(2)，车轮(2)转动时，轮式机器人受到一个与车轮(2)加速度相反的惯性力，这个惯性力使轮式机器人从未站立状态变为站立状态；

S2、轮式机器人处于站立状态或处于行走状态时，倾角感应器感应平衡底座(1)的倾斜方向与倾斜角度，然后倾角感应器把感应到的相关信息传输到控制芯片；

S3、控制芯片对相关信息进行分析计算，然后发送信号给传动机构(3)，传动机构(3)的电机(32)给车轮(2)施加一个适当大小的加速度，这加速度与平衡底座(1)倾斜的方向相同，加速度产生的惯性力使平衡底座(1)处于平衡，从而使轮式机器人保持站立状态。