CN108681330A - 一种基于陀螺稳定控制的外轮圈独轮机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于陀螺稳定控制的外轮圈独轮机器人。该机器人包括外轮圈、外轮圈驱动电机、外轮圈驱动齿轮组、内框架、陀螺体支架、陀螺体、陀螺体进动伞齿轮组、陀螺自转盘式电机、陀螺体进动电机、电池组、电机驱动、控制器、姿态传感器等。其中陀螺仪位于内框架内，陀螺依靠盘式无刷电机驱动，电机支架位于内框架下方，为陀螺体进动电机和外轮圈驱动电机提供支架。电池组、控制器、驱动器位于内框架两侧及电机支架上，传感器位于机器人内框架上方。机器人外轮圈和陀螺仪姿态依靠齿轮传动，机器人整体控制其重心位于几何中心下方。该独轮机器人具有良好的前后和左右侧向平衡性。

Description

一种基于陀螺稳定控制的外轮圈独轮机器人

技术领域

本发明涉及一种新型的独轮机器人，能够通过陀螺仪进行平衡控制，属于机器人领域。

背景技术

独轮机器人是一种多变量、强耦合、非线性的复杂动力学系统，是一种新概念的移动机器人。一直以来独轮机器人受到了全世界的强烈关注。其中美国和日本在这一领域做了大量的研究。独轮机器人是典型的欠驱动多耦合系统，其俯仰、横滚、偏航互相耦合成为其设计和控制的难点。通过陀螺仪控制的独轮机器人具有效率高、不易产生波动、灵活性好等特点，并且降低了系统对驱动电机的要求。

发明内容

本发明需解决的技术问题为，设计发明一种可以利用陀螺实现自平衡的外轮圈式独轮机器人。该机器人可以实现其左右方向和前后方向的平衡，并具有良好的转向性。

1.一种基于陀螺稳定控制的外轮圈独轮机器人，其特征在于，该独轮机器人包括外轮圈，内框架滑轨，外轮圈驱动齿圈，内框架上滑轮机构，陀螺体，陀螺体支架，内框架，电机托板，内框架下滑轮机构，陀螺体进动上轴承座，陀螺体固定托盘，陀螺体旋转轴承座，陀螺体进动下轴承座，陀螺体进动电机，外轮圈驱动齿轮，陀螺自转盘式电机，外轮圈驱动电机支架，外轮圈驱动电机，陀螺体进动伞齿轮组，陀螺体进动电机支架，传感器模块，电池及陀螺自转盘式电机驱动，控制器，和外轮圈驱动电机；

陀螺体5一面安装陀螺自转盘式电机16，另一面安装陀螺体固定托盘11；陀螺自转盘式电机16固定在陀螺体支架6上，陀螺体固定托盘11则依靠陀螺体旋转轴承座12和对应轴承安装于陀螺体支架上；陀螺体支架上侧通过陀螺体进动上轴承座10和相应的轴承连接到内框架7，陀螺体支架下侧通过陀螺体进动下轴承座13连接至内框架，陀螺体支架下侧通过轴承和陀螺体进动伞齿轮组19连接至陀螺体进动电机14；内框架上方两角固定可调节内框架上滑轮机构4，内框架下方电机托板8两侧固定内框架下滑轮机构9；内框架依靠一对内框架上滑轮机构和一对内框架下滑轮机构固定于外轮圈1上的内框架滑轨2上；内框架滑轨固定在外轮圈驱动齿轮3的两侧，外轮圈包在内框架滑轨的外圈上；外轮圈驱动电机18通过外轮圈驱动电机支架17固定在陀螺体进动下轴承座上，陀螺体进动电机通过陀螺体进动电机支架20固定在电机托板上。

2.进一步，传感器模块21位于内框架上方，电池及陀螺自转盘式电机驱动22和控制器23位于内框架两侧，外轮圈驱动电机24位于电机托板上。

3.进一步，上滑轮25，上滑轮机构支架26，滑轮轴27构成内框架上滑轮机构，其中上滑轮机构支架由滑动槽调节内框架上滑轮机构位于内框架上的位置，方便内框架安装和固定；由下滑轮30，滑轮轴29，下滑轮机构支架28构成内框架下滑轮机构，其直接固定在电机托板上。

4.进一步，整体结构处于外轮圈内部。

5.进一步，机器人左右方向平衡控制依靠陀螺体旋转后进行进动产生的进动力矩；进动后产生前后方向的干扰力矩和陀螺体的位置平衡通过过载响应的控制方式得以恢复。

有益效果：与现有独轮机器人相比，本发明具有以下有益效果：

1.设计了一种全新的独轮机器人结构，机器人采用外包轮圈式结构变比现有独轮机器人其轮圈直径大，更利于保证其前后方向的姿态平衡，有效降低了控制难度。大直径的外包轮，可以使机器人在面对障碍的时候有更好的应对能力，提升了独轮机器人的实用价值。并且外包轮圈式结构使得其平衡稳定装置、电路系统、控制系统和传感器模块都在机器人内部，可以受到轮圈的保护，增加了机器人的可靠度。

2.较重的驱动结构都位于机器人几何中心下方，使得机器人重心靠下，增加的机器人的可控性。避免了现有独轮机器人头重脚轻的缺点。

3.采用单陀螺转子稳定，机器人的前后方向和左右方向采用控制解耦。在左右平衡的控制上，当传感器检测到机器人左右偏转后，将检测到的机器人倾角信息传输给控制器，控制器进行计算后控制单陀螺转子产生过载进动，使得机器人反向过载偏转一个小于原偏转的倾角，如此直至平衡。

附图说明：

图1为本发明的立体图。

图2为本发明的右视图。

图3为本发明的左视图。

图4为本发明的主视图。

图5为本发明控制电路示意图。

图6为内框架上滑轮机构立体图。

图7为内框架下滑轮机构立体图。

图中有：1.外轮圈，2.内框架滑轨，3.外轮圈驱动齿圈，4.内框架上滑轮机构，5.陀螺体，6.陀螺体支架，7.内框架，8.电机托板，9.内框架下滑轮机构，10.陀螺体进动上轴承座，11.陀螺体固定托盘，12.陀螺体旋转轴承座，13.陀螺体进动下轴承座，14.陀螺体进动电机，15.外轮圈驱动齿轮，16.陀螺自转盘式电机，17.外轮圈驱动电机支架，18.外轮圈驱动电机，19.陀螺体进动伞齿轮组，20.陀螺体进动电机支架，21.传感器模块，22.电池及陀螺自转盘式电机驱动，23.控制器，24.陀螺体进动电机及外轮圈驱动电机驱动，25.上滑轮，26.上滑轮机构支架，27.滑轮轴，28.下滑轮机构支架，29.滑轮轴，30.下滑轮。

具体实施方式：

基于陀螺稳定控制的外轮圈独轮机器人，该机器人包括外轮圈、外轮圈驱动电机、外轮圈驱动齿轮组、内框架、陀螺体支架、陀螺体、陀螺体进动伞齿轮组、陀螺自转盘式电机、陀螺体进动电机、电池组、电机驱动、控制器、姿态传感器等。

其中陀螺仪位于内框架内，陀螺依靠盘式无刷电机驱动，电机支架位于内框架下方，为陀螺仪姿态调整电机和外轮圈驱动电机提供支架。电池组、控制器、驱动器位于内框架两侧，传感器位于机器人内框架上方。机器人外轮圈和陀螺仪姿态依靠齿轮传动，机器人整体控制其重心位于几何中心下方。

本发明设计了一种新型的利用陀螺稳定控制的独轮机器人，其结构为：内框架滑轨2一共八瓣固定在外轮圈驱动齿轮3的两侧，外轮圈1包在其外圈上。内框架7依靠内框架上滑轮机构4和内框架下滑轮机构9固定于内框架滑轨2上，内框架上滑轮机构4上为可调节孔洞固定在内框架7上方便内框架安装拆卸，内框架下滑轮机构9则固定在电机托盘8上。陀螺体5一面安装陀螺自转盘式电机16，一面安装陀螺体固定托盘11。陀螺自转盘式电机16固定在陀螺体支架6上，陀螺体固定托盘11则依靠陀螺体旋转轴承座12安装于陀螺体支架6上。陀螺体支架6上侧通过陀螺体进动上轴承座10连接到内框架7，下侧通过陀螺体进动下轴承座13和陀螺体进动伞齿轮组19连接至内框架7和陀螺体进动电机14。外轮圈驱动电机18通过外轮圈驱动电机支架17固定在陀螺体进动下轴承座13上，陀螺体进动电机14通过陀螺体进动电机支架20固定在电机托板8上。

附图中未画出电池、控制器、驱动器、电调和相关线路，其按图5中标注：传感器模块21，电池及陀螺自转盘式电机驱动22，控制器23，陀螺体进动电机及外轮圈驱动电机驱动24来布置。

图6中由上滑轮25，上滑轮机构支架26，滑轮轴27构成内框架上滑轮机构4，其中上滑轮机构支架26由滑动槽可以调节内框架上滑轮机构4位于内框架7上的位置，方便内框架7安装和固定。图7中由下滑轮30，滑轮轴29，下滑轮机构支架28构成内框架下滑轮机构9，其直接固定在电机托板8上。

独轮机器人在静止和运动时保持自平衡的过程是：

独轮机器人的前后方向平衡控制通过倒立摆的平衡控制原理来实现。在图5中，传感器模块21检测出俯仰角度，将俯仰角度数据传输给控制器23，控制器会对接收到的俯仰角度数据和期望角度数据进行比较，作为输入数据放入控制算法内，产生输出的控制信号输入至驱动器中，使电机产生控制转矩从而使独轮机器人的前后方向的平衡得到控制。从而机器人的前后方向可以实现静止、加速、减速和匀速运动。

独轮机器人的左右方向平衡控制通过陀螺仪稳定原理来实现。在图5中，传感器模块21检测出左右倾角，将倾角数据传输给控制器23，控制器会对接收到的倾角和平衡角度数据进行比较，通过控制算法产生控制信号输入至控制器中，是陀螺电机产生转矩。为平衡陀螺仪进动后产生的分力矩，采用过载响应的方式通过多次过载响应是独轮机器人左右方向达到平衡。

独轮机器人控制算法涉及到PID控制，模糊控制。

Claims (5)

1.一种基于陀螺稳定控制的外轮圈独轮机器人，其特征在于，该独轮机器人包括外轮圈，内框架滑轨，外轮圈驱动齿圈，内框架上滑轮机构，陀螺体，陀螺体支架，内框架，电机托板，内框架下滑轮机构，陀螺体进动上轴承座，陀螺体固定托盘，陀螺体旋转轴承座，陀螺体进动下轴承座，陀螺体进动电机，外轮圈驱动齿轮，陀螺自转盘式电机，外轮圈驱动电机支架，外轮圈驱动电机，陀螺体进动伞齿轮组，陀螺体进动电机支架，传感器模块，电池及陀螺自转盘式电机驱动，控制器，和外轮圈驱动电机；

陀螺体(5)一面安装陀螺自转盘式电机(16)，另一面安装陀螺体固定托盘(11)；陀螺自转盘式电机(16)固定在陀螺体支架(6)上，陀螺体固定托盘(11)则依靠陀螺体旋转轴承座(12)和对应轴承安装于陀螺体支架上；陀螺体支架上侧通过陀螺体进动上轴承座(10)和相应的轴承连接到内框架(7)，陀螺体支架下侧通过陀螺体进动下轴承座(13)连接至内框架，陀螺体支架下侧通过轴承和陀螺体进动伞齿轮组(19)连接至陀螺体进动电机(14)；内框架上方两角固定可调节内框架上滑轮机构(4)，内框架下方电机托板(8)两侧固定内框架下滑轮机构(9)；内框架依靠一对内框架上滑轮机构和一对内框架下滑轮机构固定于外轮圈(1)上的内框架滑轨(2)上；内框架滑轨固定在外轮圈驱动齿轮(3)的两侧，外轮圈包在内框架滑轨的外圈上；外轮圈驱动电机(18)通过外轮圈驱动电机支架(17)固定在陀螺体进动下轴承座上，陀螺体进动电机通过陀螺体进动电机支架(20)固定在电机托板上。

2.按权利要求1所述的独轮机器人，其特征在于，传感器模块(21)位于内框架上方，电池及陀螺自转盘式电机驱动(22)和控制器(23)位于内框架两侧，外轮圈驱动电机(24)位于电机托板上。

3.按权利要求1所述的独轮机器人，其特征在于，上滑轮(25)，上滑轮机构支架(26)，滑轮轴(27)构成内框架上滑轮机构，其中上滑轮机构支架由滑动槽调节内框架上滑轮机构位于内框架上的位置，方便内框架安装和固定；由下滑轮(30)，滑轮轴(29)，下滑轮机构支架(28)构成内框架下滑轮机构，其直接固定在电机托板上。

4.按权利要求1所述的独轮机器人，其特征在于，整体结构处于外轮圈内部。

5.按权利要求1所述的独轮机器人，其特征在于，机器人左右方向平衡控制依靠陀螺体旋转后进行进动产生的进动力矩；进动后产生前后方向的干扰力矩和陀螺体的位置平衡通过过载响应的控制方式得以恢复。