CN108415429A - 一种球上自平衡移动机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种球上自平衡移动机器人，该机器人包括电气系统和机械系统；所述电气系统包括控制器(1)、电机伺服驱动器(2)、惯性导航传感器(3)、编码器、无线通讯设备、直流电机(4)和电源系统(5)；所述机械系统包括机身、电机固定架(6)、电机连接架(7)、球轮(8)和全向轮(9)；机身顶部装有惯性导航传感器，机身底部固定直流电机，直流电机与全向轮通过联轴器固定，全向轮驱动球轮转动，实现机器人行走和自转。整个机器人结构采用集约化结构设计能够很好的通过狭窄通道。
Description
技术领域
本发明属于智能机器人范畴，尤其涉及一种能够自主进行运动平衡控制的动态平衡机器人系统。
背景技术
随着科学技术发展，社会进步，机器人正逐步走入人们的日常生活中。球上自平衡移动机器人作为一种全新概念的轮式移动机器人，其在单一球形驱动轮上达到动态稳定。具有与地面接触面小，灵活性高，且能进行全方位移动的特点。具有很高的实际应用价值。
专利201510429025.8公开了一种球形自平衡机器人，该机器人包括支架、行走球、支撑轮组件、驱动电机组件、控制器和蓄电池；所述的支架上布置有上下两层支撑轮组件，每层沿圆周方向相隔90°均布有四组支撑轮组件；通过支撑轮组件对行走球进行限位，保持支架可以绕行走球表面滑动；所述的支架上分别在纵向、横向和轴向布置有三组驱动电机组件，控制器接收控制指令后采集姿态检测器件的数据，运算后驱动电机转动，进而驱动行走球产生纵向、横向和回转方向的三个自由度的运动。机器人具有运动平稳、转向灵活、重量轻、结构简单的特性。
发明内容
针对传统双轮以及独轮机器人转弯半径大，占地面积大，灵活性差的特点。本发明在狭窄通道的适航性有显著的提升。
现有的基于动态稳定的机器人都是基于普通车轮建造的。所以该类机器人智能进行前进、后退、以及差动转向等基本功能。而本发明可以在实现以上基本功能的同时，在二维平面进行全方位的移动。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种球上自平衡移动机器人，该机器人包括电气系统和机械系统；所述电气系统包括控制器(1)、电机伺服驱动器(2)、惯性导航传感器(3)、编码器、无线通讯设备、直流电机(4)和电源系统(5)；所述机械系统包括机身、电机固定架(6)、电机连接架(7)、球轮(8)和全向轮(9)。
机身为层式框架，包括顶板(10)、中板(11)与底板(12)，顶板(10)、中板(11)与底板(12)分层均匀布置；
所述顶板(10)上固定有惯性导航传感器(3)；
所述中板(11)上固定有电源系统(5)和控制器(1)；
所述底板(12)上固定有电机伺服驱动器(2)和电机连接架(7)，电机连接架(7)与电机固定架(6)通过螺钉固定，电机固定架(6)与直流电机(4)通过螺钉固定；直流电机(4)与全向轮(9)通过联轴器连接；直流电机(4)与底板(12)的夹角为45度，三个直流电机(4)之间互呈120度夹角分布在底板(12)的底部；全向轮(9)与球轮(8)相切；直流电机(4)与编码器连接。
控制器(1)与惯性导航传感器(3)、编码器、电机伺服驱动器(2)通过杜邦线相连，无线通讯设备通过插针固定在控制器(1)上；电源系统(5)通过导线为直流电机(4)和各电子元件供电。
在底板(12)上设有滑槽，电机固定架(6)可以在滑槽上进行滑动，进而调节全向轮(9)与球轮(8)的接触位置。
顶板(10)，中板(11)和底板(12)均设有供导线穿越的孔。
顶板(10)，中板(11)和底板(12)通过铜柱(13)进行连接。
所述控制器(1)为Arduino开发板；
所述电源系统(5)包括锂电池、转换电压的电源稳压模块，锂电池与转换电压的电源稳压模块连接。
所述直流电机(4)为带减速器与编码器的直流无刷电机。
所述无线通讯设备的蓝牙模块与遥控器远程交互。
与现有技术相比较，本发明设计的顶板、中板和底板均设有供导线穿越的孔方便导线连接，提升了机器人的美观性。降低机器人的故障率。整个机器人结构采用集约化结构设计能够很好的通过狭窄通道。
附图说明
图1球上自平衡移动机器人系统机械结构等角轴测图；
图2球上自平衡移动机器人电气系统原理图。
具体实施方式
以下结合附图说明和具体实施方式对本发明做进一步的详细说明。
1.电气系统选型：
机器人的三个直流电机(4)选用德国冯哈勃2342L012CR电机套件，工作电压为12V，，输出功率17W，64:1的行星齿轮减速箱，电机配有光电式三通道光电编码器，精度为512线。3个电机伺服驱动器(2)选用L298N驱动器。惯性导航传感器(3)选用GY953九轴惯性导航传感器。
控制器(1)选用Arduino Due控制板。该控制板具有32位内核以及84Mhz的CPU时钟。
锂电池选用DUPU达普5200mAh航模锂电池。
2.硬件系统介绍：
构成机器人机身的顶板(10)，中板(11)，底板(12)为碳纤维雕刻版。
电机固定架(6)为ABS工程塑料3D打印加工而成。
电机连接架(7)为厚度1.8mm的304不锈钢加工而成。
全向轮(9)为橡胶材质，外径70mm。配套联轴器为铁镀锌材质，长55mm。全向轮(9)与联轴器装配方式为六棱柱，异形轴周相连接，带轴向固定装置。
3.电气系统的连接：
Arduino Due板、电机由电源直接供电；GY953九轴惯性导航传感器、L298N电机驱动器、电机编码器由电源经稳压模块变成5V电压后进行供电；GY953、蓝牙模块与ArduinoDUE通过串口进行通讯；L298N的IN0，IN1与Arduino Due板的数字IO口连接，使能端En与Arduino Due板的PWM波输出口连接。电机编码器与Arduino Due板的数字IO口连接。
4.电气系统的工作原理：
本实施例机器人的主要功能是在保持机身俯仰姿态平衡和横滚姿态平衡的前提下，能够实现机器人前进、后退以及转向的运动。机器人的电气系统工作原理如图2所示：Arduino获得惯导采集到的姿态、角度、速度信号，读取编码器采集到的电机转速信号，然后综合接收得到的控制命令后反馈信号，经过平衡控制算法计算出电机的电压控制量，发送相应的PWM信号给电机伺服驱动器，电机伺服驱动器控制电机的运转速度和方向，带动万向轮驱动球轮进行运动保持机器人的平衡并且实现平面的位移运动。
Claims (5)
1.一种球上自平衡移动机器人，其特征在于：该机器人包括电气系统和机械系统；所述电气系统包括控制器(1)、电机伺服驱动器(2)、惯性导航传感器(3)、编码器、无线通讯设备、直流电机(4)和电源系统(5)；所述机械系统包括机身、电机固定架(6)、电机连接架(7)、球轮(8)和全向轮(9)；
机身为层式框架，包括顶板(10)、中板(11)与底板(12)，顶板(10)、中板(11)与底板(12)分层均匀布置；
所述顶板(10)上固定有惯性导航传感器(3)；
所述中板(11)上固定有电源系统(5)和控制器(1)；
所述底板(12)上固定有电机伺服驱动器(2)和电机连接架(7)，电机连接架(7)与电机固定架(6)通过螺钉固定，电机固定架(6)与直流电机(4)通过螺钉固定；直流电机(4)与全向轮(9)通过联轴器连接；直流电机(4)与底板(12)的夹角为45度，三个直流电机(4)之间互呈120度夹角分布在底板(12)的底部；全向轮(9)与球轮(8)相切；直流电机(4)与编码器连接；
控制器(1)与惯性导航传感器(3)、编码器、电机伺服驱动器(2)通过杜邦线相连，无线通讯设备通过插针固定在控制器(1)上；电源系统(5)通过导线为直流电机(4)和各电子元件供电；
在底板(12)上设有滑槽，电机固定架(6)可以在滑槽上进行滑动，进而调节全向轮(9)与球轮(8)的接触位置；
顶板(10)，中板(11)和底板(12)均设有供导线穿越的孔；
顶板(10)，中板(11)和底板(12)通过铜柱(13)进行连接。
2.根据权利要求1所述的一种球上自平衡移动机器人，其特征在于：所述控制器(1)为Arduino开发板。
3.根据权利要求1所述的一种球上自平衡移动机器人，其特征在于：所述电源系统(5)包括锂电池、转换电压的电源稳压模块，锂电池与转换电压的电源稳压模块连接。
4.根据权利要求1所述的一种球上自平衡移动机器人，其特征在于：所述直流电机(4)为带减速器与编码器的直流无刷电机。
5.根据权利要求1所述的一种球上自平衡移动机器人，其特征在于：所述无线通讯设备的蓝牙模块与遥控器远程交互。
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