CN107097255B - 一种利用负重实现左右自平衡的装置及负重机器人 - Google Patents

Abstract

一种利用负重实现左右自平衡的装置，包括舵机、悬臂梁、负重机构、重量测量模块、姿态测量模块、控制机构，具有转动功能的舵机通过固定机架安装在承担运输的机器人上，悬臂梁一端固定在舵机，用于装载、固定货物于前后方向上的负重机构固定在悬臂梁另一端，舵机、姿态测量模块及安装于悬臂梁上的重量测量模块均和控制机构电连接，接收重量测量模块及姿态测量模块的信号并处理的控制机构指令舵机转动，负重机构和悬臂梁随着舵机一起转动，从而调整负重机构的左右位置达到一种利用负重实现左右自平衡的装置的左右自平衡。本发明能简单、迅速、稳定地调节装置达到左右自平衡状态，且结构简单。本发明属于机器人运输装置领域。

Description

一种利用负重实现左右自平衡的装置及负重机器人

技术领域

本发明属于机器人运输装置领域，尤其涉及一种利用负重实现左右自平衡的装置及负重机器人。

背景技术

机器人技术日新月异，机器人的功能越来越强大，因此越来越多的机器人被投入运用到各个领域。具备运动性能的机器人可以用于运输货物，在一些场景中使用机器人运输货物能克服环境恶劣、人力不够、成本较高等缺点。其中，四足机器人目前技术成熟且具有较好的运动性能，在复杂地形上运动稳定、穿越性能好、抗干扰能力强，因此选择四足机器人在地面上进行运输是个较优的选择。然而，四足机器人在复杂地形上负重运输时，负重的四足机器人平衡较难控制，因此其他类型的机器人在复杂地形上时负重运输时平衡就更难控制；目前，并没有很好的方法解决这个问题。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的在于提供能够调节机器人在复杂地形负重运输时的平衡控制的一种利用负重实现左右自平衡的装置。

本发明的另一个目的是提供一种利用自身负重实现左右自平衡的负重机器人。

一种利用负重实现左右自平衡的装置，包括舵机、悬臂梁、负重机构、重量测量模块、姿态测量模块、控制机构，具有转动功能的舵机通过固定机架安装在承担运输的机器人上，悬臂梁一端固定在舵机，用于装载、固定货物于前后方向上的负重机构固定在悬臂梁另一端，舵机、姿态测量模块及安装于悬臂梁上的重量测量模块均和控制机构电连接，接收重量测量模块及姿态测量模块的信号并处理的控制机构指令舵机转动，负重机构和悬臂梁随着舵机一起转动，从而调整负重机构的左右位置达到一种利用负重实现左右自平衡的装置的左右自平衡。采用此结构的优点，采集装置的信号并通过PID算法计算处理后确定是否调动舵机，通过舵机的转动从而调整负重机构的左右位置，进而实现调整装置的左右自平衡，装置结构简单，简单、平稳地实现装置的左右自平衡。

优选的，负重机构包括用于装载货物的负重箱及固定货物的夹具组件，夹具组件安装于负重箱中且在负重箱中前后移动以夹紧货物。采用此结构的优点，在装载货物的负重箱中安装可移动的夹具组件，因此，通过移动夹具组件将货物夹紧于负重箱中，结构简单、操作方便。

优选的，夹具组件包括夹具、光杆、丝杆、轴承、光杆固定座，光杆和丝杆分别位于负重箱内的左右两侧，光杆通过光杆固定座安装在负重箱一侧的前后两端，丝杠通过轴承安装在负重箱另一侧的前后两端，夹具一端安装在丝杠上，夹具另一端安装在光杆上，夹具随着丝杆滚动从而沿着丝杆方向移动并通过光杆导向。采用此结构的优点，转动丝杆从而带动夹具在丝杆方向上移动，移动到合适的夹紧位置时，停止转动丝杆，从而轻松地将货物夹紧。

优选的，还包括便于转动丝杆的旋转把手，旋转把手螺纹连接于丝杆一端。采用此结构的优点，采用旋转把手便于操作者转动丝杆，在装载和夹紧货物时更省时省力。

优选的，夹具呈长方体薄片状，夹具高度和负重箱的高度相等，夹具两端开设安装孔，一端通过安装孔安装在光杆，另一端通过安装孔安装在丝杆，夹具通过丝杆前后移动将货物夹紧于负重箱后侧面和夹具之间。采用此结构的优点，将货物夹紧在负重箱的后侧面和夹具之间，在调整负重的位置以实现装置的左右自平衡时效果更好。

优选的，悬臂梁呈长方体状，悬臂梁两端均开设有螺纹孔，悬臂梁一端通过螺钉固定在舵机上并随着舵机的转动而转动，负重箱通过螺钉固定在悬臂梁另一端。采用此结构的优点，使用长方体状的悬臂梁并将负重机构安装在悬臂梁悬空的一端，使得负重机构的运动幅度更大，更有利于调节装置的左右自平衡。

优选的，姿态测量模块为陀螺仪传感器，陀螺仪传感器安装于固定机架上。采用此结构的优点，较为精准的测量出装置的姿态数据，为基于PID自平衡调节算法的自平衡调节提供支持。

优选的，重量测量模块为称重传感器。采用此结构的优点，能较为精准测量出负重物的重量，为后续的自平衡调节提供支持。

负重机器人，采用上述的一种利用负重实现左右自平衡的装置，还包括四足机器人，一种利用负重实现左右自平衡的装置安装于四足机器人上。采用此结构的优点，负重机器人能根据所负重的货物自动地调节左右方向的自平衡，因此负重机器人运动稳定，提升了运输的可靠性和质量。

本发明的优点：

1、本发明采用PID自平衡算法，在采集到负重机构的重量和姿态数据后，对数据进行处理，如处于不平衡状态则启动舵机，舵机转动带动负重机构的转动，从而调节装置至左右自平衡状态，因此本发明能简单、迅速、稳定地调节装置达到左右自平衡状态，满足机器在复杂地形负重运输时的要求，并且结构简单。

2、本发明使用丝杆带动夹具，移动夹具从而将货物夹紧于负重箱后侧面和夹具之间，结构简单，并具有夹紧效果好且防止过度夹紧货物以致货物损坏，夹紧于负重箱的后端使得左右自平衡调节效果更好；在丝杆一端固接旋转把手，方便操作者操作丝杆。

3、本发明使用长方体状的悬臂梁，并将负重机构安装于悬臂梁悬空的一端，因此对负重机构的位置调节范围更大、更灵活，从而对装置的左右自平衡调节效果更好。

附图说明

图1为一种利用负重实现左右自平衡的装置的轴测图。

图2为一种利用负重实现左右自平衡的装置的左视图。

图3为图2中一种利用负重实现左右自平衡的装置的俯视图。

图4为一种利用负重实现左右自平衡的装置的后视图。

其中，1为负重箱，2为夹具，3为旋转把手 4为悬臂梁，5为舵机，6为固定机架，7为轴承，8为丝杆，9为光杆，10为光杆固定座。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的具体说明。

一种负重机器人，采用一种利用负重实现左右自平衡的装置，还包括四足机器人，一种利用负重实现左右自平衡的装置安装于四足机器人上。

其中，一种利用负重实现左右自平衡的装置，包括固定机架、舵机、悬臂梁、负重机构、重量测量模块、姿态测量模块、控制机构，固定机架通过螺钉固定在承担运输的机器人上，具有转动功能的舵机安装在固定机架上，悬臂梁一端固定在舵机上，悬臂梁另一端悬空，负重机构固定在悬臂梁悬空的一端，负重机构用于装载货物并将货物夹紧于负重机构内，舵机、姿态测量模块及重量测量模块均和控制机构电连接。姿态测量模块用于测量装置的姿态数据，重量搞测量模块用于测量负重机构的重量数据。舵机内部具有电机，因此舵机能够转动。

负重机构包括负重箱和夹具组件。负重箱用于装载货物，夹具组件和负重箱配合将货物夹紧于负重箱内。夹具组件包括夹具、光杆、丝杆、轴承、光杆固定座、旋转把手；光杆和丝杆分别位于负重箱内的左右两侧，光杆通过光杆固定座安装在负重箱左侧的前后两端，丝杠通过轴承安装在负重箱右侧的前后两端；旋转把手螺纹连接于丝杆一端；夹具呈长方体薄片状，夹具高度和负重箱的高度相等，夹具两端开设安装孔，一端通过安装孔安装在光杆，另一端通过安装孔安装在丝杆，夹具随着丝杆滚动从而沿着丝杆方向移动并通过光杆导向，在本实施例中，转动旋转手柄，丝杆转动，从而夹具在丝杆方向前后移动将货物夹紧于负重箱后侧面和夹具之间。

悬臂梁呈长方体状，悬臂梁两端均开设有螺纹孔，悬臂梁一端通过螺钉固定在舵机上并随着舵机的转动而转动，负重箱通过螺钉固定在悬臂梁另一端。姿态测量模块为陀螺仪传感器，陀螺仪传感器安装于固定机架上。重量测量模块为称重传感器，重量测量模块安装于悬臂梁上。舵机为标准电动舵机，型号为辉盛的MG995。采用此结构的优点，该种舵机体积小，扭矩大，易控制，易于在本装置上安装使用。舵机转动灵活，使得装置自平衡调节反应迅速。陀螺仪传感器为JY901陀螺仪传感器，称重传感器为YZC-1B称重传感器。

本实施例中，控制机构安装于悬臂梁上。控制机构包括Arduino uno r3主控制板以及Arduino Leonardo从控制板。主控制板与JY901陀螺仪传感器以UART通信连接，以实时得到机体的偏转角度。从控制板与称重传感器电连接，与主控制板以I2C通信连接，传输负重的重量数据。舵机由主控制板控制。

机体行进过程中遇到突发情况致使机体有翻转危险时，陀螺仪传感器会得到机体的偏转角度，传输到主控制板。主控制板根据得到的偏转角度数据控制舵机往机体偏转的相反方向转动，机体的重心向翘起的方向偏移，利用重力重新回到平衡状态。控制舵机时运用PID算法，具体参数可根据称重传感器得到的负重加以调整：负重大时参数偏小，负重小时参数偏大。

本发明的工作过程和原理：负重机器人在复杂地形进行负重运输时，由于颠簸会出现不平衡的问题。运输过程中，安装在固定机架上的姿态测量模块和安装在悬臂梁上的重量测量模块不断采集装置的姿态数据和负重机构的重量数据，并将数据转换后传送给控制机构，控制机构接收到数据并处理后，通过PID自平衡算法判断负重机器人是否处于左右平衡状态。如果负重机器人处于左右自平衡状态，那么控制机构不会做出任何指令。如果负重机器人不处于左右自平衡状态，那么控制机构会根据负重重量与得到的机体偏转角度并通过PID自平衡算法来得到恢复自平衡时舵机需要转动的角度。此时，控制机构做出指令，舵机转动，悬臂梁跟随舵机转动，负重箱及装载在负重箱中的货物会随着舵机、悬臂梁的转动而转动，从而不断地调整负重机构的位置，使得负重机器人达到左右自平衡。当负重机器人达到左右自平衡状态时，控制机构不再发出指令。

本发明采用的PID自平衡算法可简单的表述如下：

其中，θ(t)为t时刻的舵机转角，为t时刻测得的机体倾角，K_p为比例系数，K_d为微分系数，K_i为积分系数。系数根据具体的使用机体及装载重量确定。装载重量可以通过悬臂梁上的称重传感器测得。由此算法可以计算出装置处于不平衡状态的不同时刻舵机需要转动的角度。

以四足机器人为例的整定系数方法：将装置安装到机体上并设定好预调节参数后，让四足机器人呈直立形态并与地面呈指定角度(根据实际使用情况而定)，启动装置并释放机器人，观察机器人的自平衡状态并调节参数至满足工作需要为止。并将参数记录。

本实施例中机器人为四足机器人，因四足机器人穿越地形能力强；但是，用于负重运输的机器人除了四足机器人，还可以为双轮机器人等其他能承担负重运输的机器或机器人。

除了本实施例提及的方式外，上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种利用负重实现左右自平衡的装置，其特征在于：包括舵机、悬臂梁、负重机构、重量测量模块、姿态测量模块、控制机构，具有转动功能的舵机通过固定机架安装在承担运输的机器人上，悬臂梁一端固定在舵机，用于装载、固定货物于前后方向上的负重机构固定在悬臂梁另一端，舵机、姿态测量模块及安装于悬臂梁上的重量测量模块均和控制机构电连接，接收重量测量模块及姿态测量模块的信号并处理的控制机构指令舵机转动，负重机构和悬臂梁随着舵机一起转动，从而调整负重机构的左右位置达到一种利用负重实现左右自平衡的装置的左右自平衡；

姿态测量模块为陀螺仪传感器，陀螺仪传感器安装于固定机架上；

重量测量模块为称重传感器；

控制机构包括Arduino uno r3主控制板以及Arduino Leonardo从控制板；主控制板与JY901陀螺仪传感器以UART通信连接，以实时得到机体的偏转角度；从控制板与称重传感器电连接，与主控制板以I2C通信连接，传输负重的重量数据；舵机由主控制板控制；

机体行进过程中遇到突发情况致使机体有翻转危险时，陀螺仪传感器会得到机体的偏转角度，传输到主控制板；主控制板根据得到的偏转角度数据控制舵机往机体偏转的相反方向转动，机体的重心向翘起的方向偏移，利用重力重新回到平衡状态；控制舵机时运用PID算法，具体参数根据称重传感器得到的负重加以调整：负重大时参数偏小，负重小时参数偏大；

采用的PID自平衡算法如下：

其中，θ(t)为t时刻的舵机转角，为t时刻测得的机体倾角，Kp为比例系数，Kd为微分系数，Ki为积分系数；系数根据具体的使用机体及装载重量确定；装载重量通过悬臂梁上的称重传感器测得；由此算法计算出装置处于不平衡状态的不同时刻舵机需要转动的角度。

2.根据权利要求1所述一种利用负重实现左右自平衡的装置，其特征在于：负重机构包括用于装载货物的负重箱及固定货物的夹具组件，夹具组件安装于负重箱中且在负重箱中前后移动以夹紧货物。

3.根据权利要求2所述一种利用负重实现左右自平衡的装置，其特征在于：夹具组件包括夹具、光杆、丝杆、轴承、光杆固定座，光杆和丝杆分别位于负重箱内的左右两侧，光杆通过光杆固定座安装在负重箱一侧的前后两端，丝杆通过轴承安装在负重箱另一侧的前后两端，夹具一端安装在丝杆上，夹具另一端安装在光杆上，夹具随着丝杆滚动从而沿着丝杆方向移动并通过光杆导向。

4.根据权利要求3所述一种利用负重实现左右自平衡的装置，其特征在于：还包括便于转动丝杆的旋转把手，旋转把手螺纹连接于丝杆一端。

5.根据权利要求3所述一种利用负重实现左右自平衡的装置，其特征在于：夹具呈长方体薄片状，夹具高度和负重箱的高度相等，夹具两端开设安装孔，一端通过安装孔安装在光杆，另一端通过安装孔安装在丝杆，夹具通过丝杆前后移动将货物夹紧于负重箱后侧面和夹具之间。

6.根据权利要求2或3所述一种利用负重实现左右自平衡的装置，其特征在于：悬臂梁呈长方体状，悬臂梁两端均开设有螺纹孔，悬臂梁一端通过螺钉固定在舵机上并随着舵机的转动而转动，负重箱通过螺钉固定在悬臂梁另一端。

7.负重机器人，采用权利要求1-6任一所述一种利用负重实现左右自平衡的装置，其特征在于：还包括四足机器人，一种利用负重实现左右自平衡的装置安装于四足机器人上。