CN107856762B - 一种摩托车型机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种摩托车型机器人，包括车架、前轮机构、转向舵机、后轮机构、后轮驱动机构和平衡机构，所述前轮机构和所述后轮机构分别设置在所述车架的前端和后端，且所述前轮机构和所述后轮机构均与所述车架转动连接，所述前轮机构与所述转向舵机传动连接，所述后轮驱动机构与所述后轮机构传动连接，所述平衡机构设置在所述车架上。本发明通过将摩托车与平衡机构进行整合，平衡机构基于倒立摆原理和动量交换原理可使整个摩托车型机器人保持直立状态，从而可减小前轮和后轮的宽度，提高其通过狭窄环境的性能。
Description
技术领域
本发明涉及机器人技术领域，特别是涉及一种摩托车型机器人。
背景技术
机器人从应用环境出发，可将机器人分为两大类，即工业机器人和特种机器人。所谓工业机器人就是面向工业领域的多关节机械手或多自由度机器人。而特种机器人则是除工业机器人之外的、用于非制造业并服务于人类的各种先进机器人，包括：服务机器人、水下机器人、娱乐机器人、军用机器人、农业机器人、机器人化机器等。
需要移动的机器人通常采用轮式结构，而传统轮式机器人至少具备一个驱动轮和两个与驱动轮不在一条直线上的支撑轮，在实际应用中存在体积过大的问题。对于两轮自平衡式机器人，其布置形式为两轮在同一轴线上，两轮中至少有一个宽度较大，整体宽度方向尺寸不可避免的会比较大，大大降低了两轮自平衡式机器人通过狭窄环境的性能。
发明内容
本发明的目的是提供一种摩托车型机器人，以解决上述现有技术存在的问题，使摩托车型机器人可保持自平衡，以提高其通过狭窄环境的性能。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
本发明提供了一种摩托车型机器人，包括车架、前轮机构、转向舵机、后轮机构、后轮驱动机构和平衡机构，所述前轮机构和所述后轮机构分别设置在所述车架的前端和后端，且所述前轮机构和所述后轮机构均与所述车架转动连接，所述前轮机构与所述转向舵机传动连接，所述后轮驱动机构与所述后轮机构传动连接，所述平衡机构设置在所述车架上。
优选地，所述前轮机构包括前轮、前轮轴叉、转向手把和转向轴套，所述转向轴套的两侧分别与一所述车架连接，所述转向手把通过轴承与所述转向轴套连接，所述前轮轴叉与所述转向手把固连，所述前轮通过前轴和轴承与所述前轮轴叉连接；所述转向舵机通过一支撑架与所述车架固连，所述转向舵机的转盘铰接有转向连杆，所述转向连杆与所述转向手把铰接，所述转向舵机的所述转盘转动能够带动所述转向手把转动。
优选地，所述后轮机构包括后轮和后轴，所述后轮通过轴承套设在所述后轴上，所述后轴的两端分别与一所述车架连接；所述后轮驱动机构包括驱动电机和主齿轮和副齿轮，所述驱动电机与所述车架固连，所述主齿轮套设在所述驱动电机的输出轴上，所述副齿轮与所述后轮连接，所述主齿轮和所述副齿轮啮合，所述驱动电机转动能够带动所述后轮绕所述后轴转动。
优选地，所述平衡机构包括平衡支架、平衡电机、动量轮和转轴，所述平衡支架的两侧分别与一所述车架的上部连接，所述平衡电机与所述平衡支架固连，所述平衡电机的输出轴与所述转轴连接，所述转轴通过轴承与所述平衡支架转动连接，所述动量轮套设在所述转轴上，所述平衡电机转动能够带动所述动量轮和所述转轴绕所述转轴的轴线旋转。
优选地，所述平衡机构还包括控制系统，控制系统包括电机驱动器、动量轮控制器和姿态采集器，姿态采集器设于所述车架上，用于检测所述车架左右倾斜的姿态数据；所述控制系统分别与所述姿态采集器和所述动量轮控制器电连接，所述动量轮控制器、所述电机驱动器和所述平衡电机依次电连接，所述控制系统获取所述姿态采集器采集的姿态数据以及所述动量轮的转动数据，利用控制算法控制所述平衡电机的输出与姿态数据和转动数据相对应的电机转动数据，从而控制所述平衡电机驱动所述动量轮转动，实现所述摩托车型机器人的直立自平衡。
优选地，所述姿态采集器包括两组三轴加速度计和两组三轴陀螺仪，两组所述三轴加速度计用于检测所述车架倾斜时的六组加速度，两组所述三轴陀螺仪用于检测车架倾斜时的六组角加速度。
优选地，所述控制系统通过所述姿态采集器获取所述车架倾斜的姿态数据，并根据所述姿态数据利用姿态测量模型计算车架倾斜的角度和车架倾斜角速度；
所述控制系统获取所述动量轮的当前角速度；
所述控制系统根据所述车架倾斜角度、所述车架倾斜角速度和所述当前角速度利用控制算法确定所述平衡电机的目标转矩；
所述控制系统通过控制平衡电机按照所述目标转矩转动，同时由所述平衡电机带动所述动量轮转动，得到所述车架调整后的修正姿态数据；
所述控制系统判断所述修正姿态数据是否等于所述车架的直立自平衡姿态数据，得到判断结果；
当所述判断结果表示是时，确定所述车架处于直立自平衡状态；
当所述判断结果表示否时，返回所述“所述控制系统通过所述姿态采集器获取所述车架倾斜的姿态数据，并根据所述姿态数据利用姿态测量模型计算车架倾斜的角度和车架倾斜角速度”的步骤。
优选地，还包括电池，所述电池设置在所述车架的下部。
优选地，还包括支脚机构，所述支脚机构设置在所述车架的下部，所述支脚机构能够在所述摩托车型机器人停止时配合所述前轮机构和所述后轮机构支撑所述摩托车型机器人；所述支脚机构包括支脚舵机和支脚，所述支脚舵机固设在所述车架上，所述支脚与所述支脚舵机的输出轴连接。
优选地，还包括设置在车架上并依次电连接的摄像头、控制系统和无线数据收发模块，所述转向舵机、所述后轮驱动机构和所述平衡机构均与所述控制系统电连接。
本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：
本发明通过将摩托车与平衡机构进行整合，平衡机构基于倒立摆原理和动量交换原理可使整个摩托车型机器人保持直立状态，从而可减小前轮和后轮的宽度，提高其通过狭窄环境的性能。
平衡机构设置在车架的中上部，位于前轮机构和后轮机构之间，有效地节约了空间并取得了良好的直立性能。电池设置在车架的下部，降低了重心，减小了平衡机构的负载。转向舵机和平衡机构配合能够实现摩托车型机器人的转向功能。通过集成摄像头以及无线数据收发模块，实现了摩托车型机器人在直立行走的同时，将图像实时反馈，使其具备了探索搜寻功能。
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的附图。
图1为本发明摩托车型机器人的整体立体结构示意图；
图2为本发明平衡机构的立体结构示意图；
其中：1-前轮，2-前轮轴叉，3-转向手把，4-转向轴套，5-转向连杆，6-转向舵机，7-平衡机构，8-后轮，9-后轴，10-车架，11-驱动电机，12-支脚舵机，13-电池，14-平衡电机，15-动量轮，16-转轴，17-支撑架，18-支脚，19-平衡支架。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种摩托车型机器人，以解决上述现有技术存在的问题，使摩托车型机器人可保持自平衡，以提高其通过狭窄环境的性能。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图1-2所示：本实施例提供了一种摩托车型机器人，包括车架10、前轮机构、转向舵机6、后轮机构、后轮驱动机构、平衡机构7、电池13和支脚机构，车架10为两块彼此平行的板材，前轮机构和后轮机构分别设置在车架10的前端和后端，前轮机构与转向舵机6传动连接，后轮驱动机构与后轮机构传动连接，平衡机构7设置在车架10的上部，电池13设置在车架10的下部，平衡机构7和电池13均位于前轮机构和后轮机构之间，以合理利用空间，减小整体体积，并降低重心。
前轮机构包括前轮1、前轮轴叉2、转向手把3和转向轴套4，转向轴套4的两侧分别与一车架10连接，转向手把3通过轴承与转向轴套4连接，使转向手把3可相对于转向轴套4转动。前轮轴叉2的上端与转向手把3固连，前轮1通过前轴和轴承与前轮轴叉2的两个叉壁连接，使前轮1可相对于前轮轴转动。转向舵机6通过一支撑架17与车架10固连，转向舵机6的转盘与两个转向连杆5的一端铰接，两个转向连杆5的另一端均与转向手把3铰接，两个转向连杆5与转向手把3的铰接点相对于转向手把3的转动中心点对称。转向舵机6与控制系统电连接，转向舵机6的转盘在控制系统的控制下转动，能够带动转向手把3转动，以实现摩托车型机器人的转向功能。
后轮机构包括后轮8和后轴9，后轮8通过轴承套设在后轴9上，后轴9的两端分别与一车架10连接。后轮驱动机构包括驱动电机11和主齿轮和副齿轮，驱动电机11与车架10固连，主齿轮套设在驱动电机11的输出轴上，副齿轮与后轮8连接，主齿轮和副齿轮啮合，后轮驱动机构与控制系统电连接，驱动电机11在控制系统的控制下转动能够带动后轮8绕后轴9转动，以实现摩托车型机器人的前进和后退功能。
如图2所示：平衡机构7包括平衡支架19、平衡电机14、动量轮15和转轴16，平衡支架19的两侧分别与一车架10的上部连接，平衡电机14与平衡支架19固连，平衡电机14的输出轴与转轴16连接，转轴16通过轴承与平衡支架19转动连接，转轴16的轴线平行于后轮8的前进方向，动量轮15套设在转轴16上，优选通过键连接，平衡机构7与控制系统电连接，平衡电机14在控制系统的控制下转动能够带动动量轮15和转轴16绕转轴16的轴线旋转。平衡机构7的控制方法基于倒立摆原理和动量交换原理，通过改变动量轮15的转速和角加速度，可给摩托车型机器人提供向左或向右的力和加速度，以使其保持直立状态。
平衡机构7还包括控制系统，控制系统包括电机驱动器、动量轮15控制器和姿态采集器，姿态采集器设于车架上，用于检测车架左右倾斜的姿态数据；姿态采集器优选包括两组三轴加速度计和两组三轴陀螺仪，两组三轴加速度计用于检测车架倾斜时的六组加速度，两组三轴陀螺仪用于检测车架倾斜时的六组角加速度。控制系统分别与姿态采集器和动量轮15控制器电连接，动量轮15控制器、电机驱动器和平衡电机14依次电连接，控制系统获取姿态采集器采集的姿态数据以及动量轮15的转动数据，利用控制算法控制平衡电机14的输出与姿态数据和转动数据相对应的电机转动数据，从而控制平衡电机14驱动动量轮15转动，实现摩托车型机器人的直立自平衡。控制算法为PID控制算法、模糊控制算法、自适应控制算法、鲁棒控制算法、自抗扰控制算法中的任意一种。
控制系统通过姿态采集器获取车架倾斜的姿态数据，并根据姿态数据利用姿态测量模型计算车架倾斜的角度和车架倾斜角速度；
控制系统获取动量轮15的当前角速度；
控制系统根据车架倾斜角度、车架倾斜角速度和当前角速度利用控制算法确定平衡电机14的目标转矩；
控制系统通过控制平衡电机14按照目标转矩转动，同时由平衡电机14带动动量轮15转动，得到车架调整后的修正姿态数据；
控制系统判断修正姿态数据是否等于车架的直立自平衡姿态数据，得到判断结果；
当判断结果表示“是”时，确定车架处于直立自平衡状态；
当判断结果表示“否”时，返回“控制系统通过姿态采集器获取车架倾斜的姿态数据，并根据姿态数据利用姿态测量模型计算车架倾斜的角度和车架倾斜角速度”的步骤。
支脚机构设置在车架10的下部，支脚机构包括支脚舵机12和支脚18，支脚舵机12固设在车架10上，支脚18与支脚舵机12的输出轴连接。支脚机构能够在摩托车型机器人停止时配合前轮机构和后轮机构支撑摩托车型机器人，在摩托车型机器人由静止转换到运动状态后，支脚舵机12旋转控制支脚18收起，以提高摩托车型机器人的离地间隙。
车架10上还设置有依次电连接的摄像头、控制系统和无线数据收发模块，摄像头可以为视频摄像头、红外摄像头和CCD摄像机中的一种或多种的组合，以便收录360°范围内的各种信息，无线数据收发模块可以为WiFi模块或网络通信模块，以便将信息传输给后方的监视器。
本实施例的摩托车型机器人共有四个工作状态。
初始静止倾斜状态：摩托车型机器人通过支脚18着地，与前轮1和后轮8构成三点支撑，使其能够实现静止倾斜状态；
静止倾斜状态到直立平衡状态：摩托车型机器人通过自平衡算法，使车体直立，同时收起支脚18，达到直立平衡状态；
直立行走状态：当摩托车型机器人处于直立平衡状态时，通过后轮驱动机构带动后轮8转动，使其能够在自平衡状态下前后移动；
平衡转向状态：当摩托车型机器人需要转向动作时，转向舵机6的转盘旋转，通过转向连杆5带动转向手把3旋转，配合摩托车型机器人的前后移动，实现其在自平衡状态下的转向。
需要说明的是：平衡机构7的数量不限于一个，也可以为多个。转向舵机6与转向手把3的传动形式以及后轮驱动机构与后轮机构的传动形式并不限于此，也可采用链传动、皮带传动、同步带传动等。后轮驱动机构不仅可以采用电机，也可以采用内燃机。
本说明书中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (5)
1.一种摩托车型机器人，其特征在于：包括车架、前轮机构、转向舵机、后轮机构、后轮驱动机构和平衡机构，所述前轮机构和所述后轮机构分别设置在所述车架的前端和后端，且所述前轮机构和所述后轮机构均与所述车架转动连接，所述前轮机构与所述转向舵机传动连接，所述后轮驱动机构与所述后轮机构传动连接，所述平衡机构设置在所述车架上；
所述前轮机构包括前轮、前轮轴叉、转向手把和转向轴套，所述转向轴套的两侧分别与一所述车架连接，所述转向手把通过轴承与所述转向轴套连接，所述前轮轴叉与所述转向手把固连，所述前轮通过前轴和轴承与所述前轮轴叉连接；所述转向舵机通过一支撑架与所述车架固连，所述转向舵机的转盘铰接有转向连杆，所述转向连杆与所述转向手把铰接，所述转向舵机的所述转盘转动能够带动所述转向手把转动；
所述后轮机构包括后轮和后轴，所述后轮通过轴承套设在所述后轴上，所述后轴的两端分别与一所述车架连接；所述后轮驱动机构包括驱动电机和主齿轮和副齿轮，所述驱动电机与所述车架固连，所述主齿轮套设在所述驱动电机的输出轴上，所述副齿轮与所述后轮连接，所述主齿轮和所述副齿轮啮合，所述驱动电机转动能够带动所述后轮绕所述后轴转动；
所述平衡机构包括平衡支架、平衡电机、动量轮和转轴，所述平衡支架的两侧分别与一所述车架的上部连接，所述平衡电机与所述平衡支架固连，所述平衡电机的输出轴与所述转轴连接，所述转轴通过轴承与所述平衡支架转动连接，所述动量轮套设在所述转轴上，所述平衡电机转动能够带动所述动量轮和所述转轴绕所述转轴的轴线旋转；
所述平衡机构还包括控制系统，控制系统包括电机驱动器、动量轮控制器和姿态采集器，姿态采集器设于所述车架上，用于检测所述车架左右倾斜的姿态数据；所述控制系统分别与所述姿态采集器和所述动量轮控制器电连接，所述动量轮控制器、所述电机驱动器和所述平衡电机依次电连接，所述控制系统获取所述姿态采集器采集的姿态数据以及所述动量轮的转动数据，利用控制算法控制所述平衡电机的输出与姿态数据和转动数据相对应的电机转动数据，从而控制所述平衡电机驱动所述动量轮转动，实现所述摩托车型机器人的直立自平衡；
所述控制系统通过所述姿态采集器获取所述车架倾斜的姿态数据，并根据所述姿态数据利用姿态测量模型计算车架倾斜的角度和车架倾斜角速度；
所述控制系统获取所述动量轮的当前角速度；
所述控制系统根据所述车架倾斜角度、所述车架倾斜角速度和所述当前角速度利用控制算法确定所述平衡电机的目标转矩；
所述控制系统通过控制平衡电机按照所述目标转矩转动，同时由所述平衡电机带动所述动量轮转动，得到所述车架调整后的修正姿态数据；
所述控制系统判断所述修正姿态数据是否等于所述车架的直立自平衡姿态数据，得到判断结果；
当所述判断结果表示是时，确定所述车架处于直立自平衡状态；
当所述判断结果表示否时，返回所述“所述控制系统通过所述姿态采集器获取所述车架倾斜的姿态数据，并根据所述姿态数据利用姿态测量模型计算车架倾斜的角度和车架倾斜角速度”的步骤。
2.根据权利要求1所述的摩托车型机器人，其特征在于：所述姿态采集器包括两组三轴加速度计和两组三轴陀螺仪，两组所述三轴加速度计用于检测所述车架倾斜时的六组加速度，两组所述三轴陀螺仪用于检测车架倾斜时的六组角加速度。
3.根据权利要求1所述的摩托车型机器人，其特征在于：还包括电池，所述电池设置在所述车架的下部。
4.根据权利要求1所述的摩托车型机器人，其特征在于：还包括支脚机构，所述支脚机构设置在所述车架的下部，所述支脚机构能够在所述摩托车型机器人停止时配合所述前轮机构和所述后轮机构支撑所述摩托车型机器人；所述支脚机构包括支脚舵机和支脚，所述支脚舵机固设在所述车架上，所述支脚与所述支脚舵机的输出轴连接。
5.根据权利要求1所述的摩托车型机器人，其特征在于：还包括设置在车架上并依次电连接的摄像头、控制系统和无线数据收发模块，所述转向舵机、所述后轮驱动机构和所述平衡机构均与所述控制系统电连接。
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