CN108436916A - 一种基于陀螺驱动器的平衡装置及其控制方法 - Google Patents

一种基于陀螺驱动器的平衡装置及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于陀螺驱动器的平衡装置及其控制方法，用于机器人平衡控制。包括一个便于携带/穿戴的“背包”，所述“背包”位于机器人重心位置，用以装置陀螺驱动器。每个陀螺驱动器包括万向支架、飞轮、传感器、电机以及其他连接结构，所述万向支架上通过固定结构连接电机Ⅰ，电机Ⅰ与角度传感器固定连接，所述万向支架铰接连接飞轮，所述万向支架纵向固定块中间固定速度传感器，并通过连接杆与飞轮轴心处相接，速度传感器固定连接电机Ⅱ。当机器人失去平衡时，偏离基准轴，产生倾斜角，角度传感器检测该倾斜角，将该信号传递至驱动器来驱动飞轮旋转，飞轮旋转后产生反作用力矩，从而使机器人恢复平衡。

Description

一种基于陀螺驱动器的平衡装置及其控制方法
技术领域
本发明涉及机器人技术领域，特别涉及一种机器人的平衡控制装置及其控制方法。
背景技术
随着现代科技的发展，机器人技术日益成熟，各种双足机器人甚至仿人机器人的出现极大地激励了科学家的研究热情。然而，机器人的平衡控制一直是机器人研究领域的一大难题。大多数机器人目前主要通过算法控制来保持平衡，但是这类机器人在复杂的外部环境下，仍然难以避免的失去平衡，甚至摔倒。如何简便有效的控制机器人平衡，并提高机器人的寿命，是该领域亟待解决的一个问题。
对于人的平衡控制，最简单的莫过于使用拐杖，然而使用这类外部辅助工具后，我们的手将无法得到自由，而且对于那些没有平衡判断能力的人，因为无法及时察觉到失衡的趋势，从而无法及时利用这类辅助工具防摔倒。对于机器人来说，这类外部辅助工具更加不适用。其他的便携式辅助装置如外骨骼，如美国生产的eLEGS，虽然有效的辅助运动，提高平衡，但是其结构笨重，操作复杂，不适合一般的使用。
申请号为201210198798.6的发明专利：一种多足机器人平衡控制方法，相比之前的机器人平衡研究仅局限于判定机器人稳定及在保证机器人稳定的前提下对机器人进行步态规划，该方法检测到多足机器人失稳后，执行预先设置的控制策略，使得机器人由失稳状态转换为静态稳定状态。但是由于执行该控制策略存在一定的算法时延，该方法并不能完全及时地恢复足式机器人的稳定。因此，如何设计一种便携的、结构简单易于控制的，且及时恢复稳定状态的平衡装置来控制机器人在复杂环境下出现的失衡问题是机器人研究领域的一大难题。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于陀螺驱动器的平衡装置，该装置安装在机器人上，能够提前检测机器人行走的失衡，并立即恢复到平衡状态。为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于陀螺驱动器的平衡装置，包括万向支架、飞轮、角度传感器、电机Ⅰ、速度传感器和电机Ⅱ，其中所述飞轮与万向支架铰接，万向支架上固定有电机Ⅰ，电机Ⅰ与角度传感器固定连接，所述万向支架纵向固定块中间固定速度传感器，并通过连接杆与飞轮轴心处相接，速度传感器固定连接电机Ⅱ。
进一步，所述万向支架由两个横向固定块和两个纵向固定块连接构成矩形框架。所述飞轮的外缘上的两点分别与万向支架的两个横向固定块的中心铰接，所述外缘上的两点位于飞轮的同一直径上。
所述电机Ⅰ固定在万向支架的横向固定块上。所述电机Ⅱ与速度传感器固定连接于万向支架的纵向固定块上。
本发明中基于陀螺驱动器的平衡装置，将所述平衡装置安装于机器人背部，用于控制机器人平衡的控制方法，包括以下步骤：
(1)角度传感器实时检测机器人相对于基准方向的倾斜角；
(2)当角度传感器检测到机器人偏离基准方向，产生倾斜角；
(3)该信号被传递至机器人的驱动器，当倾斜角超过阈值时，对平衡装置实施控制，驱动飞轮沿机器人倾斜的方向旋转，从而产生反作用力矩；
(4)若机器人偏离平衡的倾斜角逐渐增大，即机器人无法根据自身调整恢复平衡，此时驱动器将驱动飞轮加速旋转，即旋转加速度a＞0；若机器人偏离平衡的倾斜角逐渐减小，即机器人试图根据自身调整恢复平衡，此时驱动器将驱动飞轮减速旋转，即旋转加速度a＜0；
(5)机器人通过调整后恢复到平衡状态，即倾斜角在阈值范围内，此时飞轮旋转加速度a＝0，角速度为0，不产生反作用力矩，不影响机器人的正常行走。
具体地，所述平衡装置以对称的方式安装于机器人背部，用于机器人平衡控制，尤其用于带上体直立行走的足式机器人，不排除将该平衡装置用于对人的平衡控制。
本发明的有益效果如下：本发明一种基于陀螺驱动器的平衡装置，主要用于机器人平衡控制，尤其用于带上体直立行走的足式机器人，不排除将该平衡装置用于对人的平衡控制。本发明平衡装置位于一个便于携带/穿戴的“背包”内，减轻机器人在行走过程中的负担。在机器人遇到障碍等复杂的外部环境导致身体产生倾斜时，本发明平衡装置通过角度传感器立即感知其倾斜角，从而通过驱动飞轮旋转产生反作用力矩来调整机器人的平衡。同时，本发明陀螺驱动器为变速控制力矩陀螺，可以根据机器人自身的调整状态来辅助其达到平衡状态，并且不影响其在正常状态下的行走。本发明平衡装置结构简单、便于携带/穿戴，控制方法易实现，能够及时感知机器人失衡状态，并立即调整平衡，改善机器人在复杂外部环境下的稳定性和安全性问题。
附图说明
图1为本发明固定于足式机器人上部的便携式“背包”示意图；
图2为本发明控制力矩陀螺结构示意图；
图3为本发明在足式机器人失衡时平衡装置平衡控制示意图；
图4为本发明平衡装置平衡控制流程图；
图中：1-“背包”；2-1-控制力矩陀螺Ⅰ；2-2-控制力矩陀螺Ⅱ；2-3-控制力矩陀螺Ⅲ；3-万向支架；4-飞轮；5-角度传感器；6-电机Ⅰ；7-速度传感器；8-电机Ⅱ。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好的理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
如图1所示，为本发明固定于足式机器人上部的便携式“背包”示意图。本实施例一种基于陀螺驱动器的平衡装置，用于机器人平衡控制，尤其用于带上体直立行走的足式机器人，不排除将该平衡装置用于对人的平衡控制。本实施例平衡装置包括“背包”1，该“背包”1位于机器人重心位置，可以是便于携带/穿戴的一种外部壳体装置，也可以是机器人背部的一种固有结构，质量较轻。该平衡装置包括三个结构相同的控制力矩陀螺2-1,2-2和2-3，以对称方式安置于上述“背包”1内。
如图2所示，为本发明控制力矩陀螺结构示意图(其中图a为正视图，图b为侧视图)。本实施例控制力矩陀螺包括万向支架3、飞轮4、角度传感器5、电机Ⅰ6、速度传感器7、电机Ⅱ8以及其他连接结构。万向支架3由上下左右四个固定块连接，呈一矩形框架，上固定块通过圆环结构固定连接电机Ⅰ6；电机Ⅰ6与角度传感器5固定连接；在万向支架3矩形框架内铰接一个飞轮4；在万向支架3纵向固定块中间固定速度传感器7，并通过连接杆与飞轮4轴心处相接；速度传感器7固定连接电机Ⅱ8。本发明的控制力矩陀螺为变速控制力矩陀螺，根据角度传感器5检测到的倾斜角的变化，改变飞轮4旋转速度，产生变化的反作用力矩。本实施例飞轮4在电机Ⅱ8驱动下，以万向支架3形成的矩形框架为轴平面旋转。本实施例中角度传感器5感知机器人偏离基准方向的角度，并将该信号传递给电机驱动器，通过电机Ⅱ8驱动飞轮4旋转，从而产生反作用力矩；本实施例中基准方向为机器人直立的方向，也可以角度传感器5倾斜角为零的方向作为基准方向。
如图3所示，为本发明在机器人失衡时平衡装置平衡控制示意图。本实施例机器人行走过程中，当遇到障碍等复杂地形时，身体产生倾斜，内部的控制程序无法实时控制其平衡，即机器人处于失衡状态时，安置于机器人背部的陀螺驱动器平衡装置通过角度传感器5立即检测机器人偏离基准轴的倾斜角，当倾斜角超过一定阈值，通过电机Ⅱ8驱动飞轮4产生旋转，根据安装的几何位置关系，三个平衡装置2-1,2-1和2-3分别在三个不同的方向产生反作用力矩，最终合成一个净力矩输出。该机器人在输出的反作用力矩下迅速调整至平衡状态。
如图4所示，为本发明平衡装置平衡控制流程图。本实施例陀螺驱动器平衡控制的方法包括以下步骤：
(1)角度传感器5实时检测机器人相对于基准方向的倾斜角；
(2)当角度传感器5检测到机器人偏离基准方向，产生倾斜角；
(3)该信号被传递至驱动器，当倾斜角超过一定阈值，对控制力矩陀螺实施控制，驱动飞轮沿机器人倾斜的方向旋转，从而产生反作用力矩。
(4)若机器人偏离平衡的倾斜角逐渐增大，即机器人无法根据自身调整恢复平衡，此时驱动器将驱动飞轮4加速旋转，即旋转加速度a＞0；若机器人偏离平衡的倾斜角逐渐减小，即机器人试图根据自身调整恢复平衡，此时驱动器将驱动飞轮4减速旋转，即旋转加速度a＜0。
(5)机器人通过调整后恢复到平衡状态，即倾斜角在阈值范围内，此时飞轮旋转加速度a＝0，角速度为0，不产生反作用力矩，不影响机器人的正常行走。
本发明一种基于陀螺驱动器的平衡装置，主要用于机器人平衡控制，尤其用于具有直立行走的足式机器人，不排除将该平衡装置用于对人的平衡控制。本发明平衡装置位于一个便于携带/穿戴的“背包”内，减轻机器人在行走过程中的负担。在机器人遇到障碍等复杂的外部环境导致身体产生倾斜时，本发明陀螺驱动器通过角度传感器立即感知其倾斜角，从而通过驱动飞轮旋转产生反作用力矩来调整机器人的平衡。同时，本发明陀螺驱动器为变速控制力矩陀螺，可以根据机器人自身的调整状态来辅助其达到平衡状态，并且不影响其在正常状态下的行走。本发明平衡装置结构简单、便于携带/穿戴，控制方法易实现，能够及时感知机器人失衡状态，并立即调整平衡，改善机器人在复杂外部环境下的稳定性和安全性问题。
以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同代替或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。

Claims (7)

1.一种基于陀螺驱动器的平衡装置，其特征在于：包括万向支架(3)、飞轮(4)、角度传感器(5)、电机Ⅰ(6)、速度传感器(7)和电机Ⅱ(8)，其中所述飞轮(4)与万向支架(3)铰接，万向支架(3)上固定有电机Ⅰ(6)，电机Ⅰ(6)与角度传感器(5)固定连接，所述万向支架(3)纵向固定块中间固定速度传感器(7)，并通过连接杆与飞轮(4)轴心处相接，速度传感器(7)固定连接电机Ⅱ(8)。
2.根据权利要求1所述一种基于陀螺驱动器的平衡装置，其特征在于：所述万向支架(3)由两个横向固定块和两个纵向固定块连接构成矩形框架。
3.根据权利要求2所述一种基于陀螺驱动器的平衡装置，其特征在于：所述飞轮(4)的外缘上的两点分别与万向支架(3)的两个横向固定块的中心铰接，所述外缘上的两点位于飞轮(4)的同一直径上。
4.根据权利要求3所述一种基于陀螺驱动器的平衡装置，其特征在于：所述电机Ⅰ(6)固定在万向支架(3)的横向固定块上。
5.根据权利要求3所述一种基于陀螺驱动器的平衡装置，其特征在于：所述电机Ⅱ(8)与速度传感器(7)固定连接于万向支架(3)的纵向固定块上。
6.权利要求1-5任一项所述基于陀螺驱动器的平衡装置，用于控制机器人平衡的控制方法，其特征在于，将所述平衡装置安装于机器人背部，控制方法包括以下步骤：
(1)角度传感器实时检测机器人相对于基准方向的倾斜角；
(2)当角度传感器检测到机器人偏离基准方向，产生倾斜角；
(3)该信号被传递至机器人的驱动器，当倾斜角超过阈值时，对平衡装置实施控制，驱动飞轮沿机器人倾斜的方向旋转，从而产生反作用力矩；
(4)若机器人偏离平衡的倾斜角逐渐增大，此时驱动器将驱动飞轮加速旋转，即旋转加速度a＞0；若机器人偏离平衡的倾斜角逐渐减小，此时驱动器将驱动飞轮减速旋转，即旋转加速度a＜0；
(5)机器人通过调整后恢复到平衡状态，即倾斜角在阈值范围内，此时飞轮旋转加速度a＝0，角速度为0，不产生反作用力矩，不影响机器人的正常行走。
7.权利要求6所述基于陀螺驱动器的平衡装置，用于控制机器人平衡的控制方法，其特征在于：所述平衡装置中陀螺驱动器以对称的方式安装于机器人背部。
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