CN109229260B - 一种两轮非同轴自平衡移动机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种两轮非同轴自平衡移动机器人，包括避障模块、转向模块、前轮模块、车身模块、平衡模块、电气模块、后轮模块；避障模块实时检测两轮非同轴自平衡移动机器人行驶过程中的路况，通过转向模块控制前轮模块左右转向，达到避开行驶过程中障碍物的目的，后轮模块在行驶过程中给整体提供驱动，电气模块为两轮非同轴自平衡移动机器人提供电气控制，平衡模块实时检测车身模块偏转情况并及时做出调节，使整体在行驶过程中保持平衡状态。本发明通过双飞轮陀螺效应控制一定负载的两轮自平衡移动机器人主体部分能够自动保持平衡状态，具有一定抗冲击能力，能有效避开障碍物。

Description

一种两轮非同轴自平衡移动机器人

技术领域

本发明涉及移动机器人技术领域，具体涉及一种两轮非同轴自平衡移动机器人。

背景技术

目前，轮式同轴移动机器人具有结构简单、成本低、能量利用率高等特点，是机器人研究的重要方向之一。但是轮式同轴移动机器人工作过程中可能会遇到道路狭窄、空间有限、路况复杂等情况，因此，两轮前、后排布的非同轴自平衡机器人应运而生。前、后排布的非同轴两轮自平衡机器人大大减少占用空间，可以自动修正车身倾斜角度，使之受到一定冲击后能迅速回到平衡状态，适合在路况复杂及狭窄的路面上行驶。现有的自平衡技术包括前轮转向法、重心调整法、反作用力矩法，但因地形、自身结构等制约，有反应速度慢和抗冲击能力弱等缺点。

发明内容

有鉴于此，为了实现两轮非同轴自平衡移动机器人在负载一定重物的情况下，受到一定冲击力可以快速自动恢复平衡状态，本发明提供一种基于双飞轮陀螺效应的两轮非同轴自平衡移动机器人。该两轮机器人在颠簸路面行驶或受到一定冲击力侧向产生一定倾角时，由姿态传感器实时检测其侧向倾斜角度，再通过控制系统令偏转电机带动高速旋转的飞轮以一定的角速度偏转，产生抵抗倾斜的修正力矩，从而调节两轮机器人快速达到平衡状态。

本发明通过以下技术手段解决上述问题：

一种两轮非同轴自平衡移动机器人，包括避障模块、转向模块、前轮模块、车身模块、平衡模块、电气模块、后轮模块；转向模块分别与避障模块、前轮模块连接，车身模块分别与前轮模块、后轮模块连接，电气模块分别与避障模块、转向模块、平衡模块、后轮模块电连接；平衡模块和电气模块设置在车身模块内部；

避障模块实时检测两轮非同轴自平衡移动机器人行驶过程中的路况，通过转向模块控制前轮模块左右转向，达到避开行驶过程中障碍物的目的，后轮模块在行驶过程中给整体提供驱动，电气模块为两轮非同轴自平衡移动机器人提供电气控制，平衡模块实时检测车身模块偏转情况并及时做出调节，使整体在行驶过程中保持平衡状态。

进一步地，所述车身模块由左侧板、右侧板、前挡板、后挡板、踏板、底板组成整体模型框架，立柱设置在前挡板内侧，起支撑固定连接作用，两个风扇分别装于左侧板、右侧板上，用于整车运行过程中散热。

进一步地，所述车身模块底部设置有脚轮。

进一步地，平衡模块和电气模块用隔板隔开，隔板固定于底板上。

进一步地，所述转向模块包括舵机、短同步带、舵机同步轮、上面板、头罩、转向同步轮，舵机通过舵机同步轮和短同步带带动转向同步轮转动，前轮模块中的前轮总成随着转向同步轮转动控制整车方向，避障模块中的视觉摄像头固定于上面板之上，检测整车在运行过程中遇到的障碍物并实时做出反馈。

进一步地，所述电气模块中，强电电池和弱电电池固定于底板上，电路板和控制器固定于电气支板上，电气支板通过柱体固定于底板上。

进一步地，所述控制器为树莓派。

进一步地，所述平衡模块中，偏转支座、张紧轮陀螺支座和左陀螺支座固定于底板左边，偏转支座、张紧轮陀螺支座和左陀螺支座由左连接梁固定，角传感器陀螺支座、右陀螺支座固定于底板右边，角传感器陀螺支座、右陀螺支座由右连接梁固定，其中一个陀螺固定于张紧轮陀螺支座和角传感器陀螺支座之间，另一个陀螺固定于左陀螺支座和右陀螺支座之间，偏转同步轮固定于偏转支座上，第一陀螺同步轮与张紧轮固定于张紧轮陀螺支座上，第二陀螺同步轮固定于左陀螺支座上，长同步带为双面齿同步带，保证运行过程中两个陀螺偏转角度相同、方向相反，两个自转电机分别带动两个陀螺高速旋转，角位移传感器固定于角传感器陀螺支座上，实时检测陀螺的偏转角度并反馈给电气模块中的控制器，从而通过偏转电机控制偏转同步轮，达到对陀螺偏转角实时控制的目的。

进一步地，所述平衡模块中，陀螺与上梁、下梁组成组合体，通过控制组合体的偏转来达到控制陀螺的偏转，上罩与下罩固定于组合体上，防止高速旋转的陀螺飞出造成安全隐患。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

通过双飞轮陀螺效应控制一定负载的两轮自平衡移动机器人主体部分能够自动保持平衡状态，具有一定抗冲击能力，避障模块控制前轮转向有效避开障碍物。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述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是本发明两轮非同轴自平衡移动机器人的外观示意图；

图2是本发明两轮非同轴自平衡移动机器人的内部结构示意图；

图3是本发明两轮非同轴自平衡移动机器人的主视图；

图4是本发明两轮非同轴自平衡移动机器人的俯视图；

图5是本发明两轮非同轴自平衡移动机器人的A向视图。

图中：

100.两轮非同轴自平衡移动机器人，200.避障模块，300.转向模块，400.前轮模块，500.车身模块，510.平衡模块，520.电气模块，600.后轮模块，1.前轮总成，2.舵机，3.短同步带，4.舵机同步轮，5.视觉摄像头，6.上面板，7.头罩，8.转向同步轮，9.前挡板，10.立柱，11.踏板，12.左连接梁，13.第一陀螺同步轮，14.张紧轮，15.偏转同步轮，16.隔板，17.电路板，18.树莓派，19.电气支板，20.后挡板，21.后轮总成，22.脚轮，23.弱电电池，24.强电电池，25.偏转支座，26.张紧轮陀螺支座，27.长同步带，28.左陀螺支座，29.底板，30.右连接梁，31.自转电机，32.角传感器陀螺支座，33.角位移传感器，34.偏转电机，35.风扇，36.左侧板，37.右侧板，38.上罩，39.上梁，40.陀螺，41.下梁，42.下罩，43.第二陀螺同步轮44.右陀螺支座

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面将结合附图和具体的实施例对本发明的技术方案进行详细说明。需要指出的是，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。

如图1-5所示，本发明提供一种两轮非同轴自平衡移动机器人100，包括避障模块200、转向模块300、前轮模块400、车身模块500、平衡模块510、电气模块520、后轮模块600；转向模块300分别与避障模块200、前轮模块400连接，车身模块500分别与前轮模块400、后轮模块600连接，电气模块520分别与避障模块200、转向模块300、平衡模块510、后轮模块600电连接；平衡模块510和电气模块520设置在车身模块500内部；

避障模块200实时检测两轮非同轴自平衡移动机器人行驶过程中的路况，通过转向模块300控制前轮模块400左右转向，达到避开行驶过程中障碍物的目的，后轮模块600在行驶过程中给整体提供驱动，电气模块520为两轮非同轴自平衡移动机器人提供电气控制，平衡模块510实时检测车身模块500偏转情况并及时做出调节，使整体在行驶过程中保持平衡状态。

所述车身模块500由左侧板36、右侧板37、前挡板9、后挡板20、踏板11、底板29组成整体模型框架，立柱10设置在前挡板9内侧，起支撑固定连接作用，两个风扇35分别装于左侧板36、右侧板37上，用于整车运行过程中散热。

所述车身模块500底部设置有脚轮22。

平衡模块510和电气模块520用隔板16隔开，隔板16固定于底板29上。

所述转向模块300包括舵机2、短同步带3、舵机同步轮4、上面板6、头罩7、转向同步轮8，舵机2通过舵机同步轮4和短同步带3带动转向同步轮8转动，前轮模块400中的前轮总成1随着转向同步轮8转动控制整车方向，避障模块200中的视觉摄像头5固定于上面板6之上，检测整车在运行过程中遇到的障碍物并实时做出反馈。

所述电气模块520中，强电电池24和弱电电池23固定于底板29上，电路板17和控制器固定于电气支板19上，控制器为树莓派18，电气支板19通过柱体固定于底板29上。

所述平衡模块510中，偏转支座25、张紧轮陀螺支座26和左陀螺支座28固定于底板29左边，偏转支座25、张紧轮陀螺支座26和左陀螺支座28由左连接梁12固定，角传感器陀螺支座32、右陀螺支座44固定于底板29右边，角传感器陀螺支座32、右陀螺支座44由右连接梁30固定，其中一个陀螺40固定于张紧轮陀螺支座26和角传感器陀螺支座32之间，另一个陀螺40固定于左陀螺支座28和右陀螺支座44之间，偏转同步轮15固定于偏转支座25上，第一陀螺同步轮13与张紧轮14固定于张紧轮陀螺支座26上，第二陀螺同步轮43固定于左陀螺支座28上，长同步带27为双面齿同步带，保证运行过程中两个陀螺40偏转角度相同、方向相反，两个自转电机31分别带动两个陀螺40高速旋转，角位移传感器33固定于角传感器陀螺支座32上，实时检测陀螺40的偏转角度并反馈给电气模块520中的控制器，从而通过偏转电机34控制偏转同步轮15，达到对陀螺40偏转角实时控制的目的。

所述平衡模块510中，陀螺40与上梁39、下梁41组成组合体，通过控制组合体的偏转来达到控制陀螺40的偏转，上罩38与下罩42固定于组合体上，防止高速旋转的陀螺40飞出造成安全隐患。

本发明两轮非同轴自平衡移动机器人主体部分通过前、后轮来支撑，通过转向驱动元件来控制前轮方向的改变，后轮通过驱动元件给整体提供前行动力。通过角位移传感器实时检测机器人倾斜的偏转角度，电气部分控制偏转电机带动高速自转的飞轮以一定角速度偏转，产生较大的修正力矩，使两轮机器人行驶过程中保持平衡，其中同步轮和同步带配合使用使两个飞轮偏转方向相反。头罩上放置视觉摄像头，通过反馈信息控制舵机，使两轮机器人在行驶过程中有效避开障碍物。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

通过双飞轮陀螺效应控制一定负载的两轮自平衡移动机器人主体部分能够自动保持平衡状态，具有一定抗冲击能力，避障模块控制前轮转向有效避开障碍物。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (7)

1.一种两轮非同轴自平衡移动机器人，其特征在于，包括避障模块、转向模块、前轮模块、车身模块、平衡模块、电气模块、后轮模块；转向模块分别与避障模块、前轮模块连接，车身模块分别与前轮模块、后轮模块连接，电气模块分别与避障模块、转向模块、平衡模块、后轮模块电连接；平衡模块和电气模块设置在车身模块内部；

避障模块实时检测两轮非同轴自平衡移动机器人行驶过程中的路况，通过转向模块控制前轮模块左右转向，达到避开行驶过程中障碍物的目的，后轮模块在行驶过程中给整体提供驱动，电气模块为两轮非同轴自平衡移动机器人提供电气控制，平衡模块实时检测车身模块偏转情况并及时做出调节，使整体在行驶过程中保持平衡状态；

所述转向模块包括舵机、短同步带、舵机同步轮、上面板、头罩、转向同步轮，舵机通过舵机同步轮和短同步带带动转向同步轮转动，前轮模块中的前轮总成随着转向同步轮转动控制整车方向，避障模块中的视觉摄像头固定于上面板之上，检测整车在运行过程中遇到的障碍物并实时做出反馈；

所述平衡模块中，偏转支座、张紧轮陀螺支座和左陀螺支座固定于底板左边，偏转支座、张紧轮陀螺支座和左陀螺支座由左连接梁固定，角传感器陀螺支座、右陀螺支座固定于底板右边，角传感器陀螺支座、右陀螺支座由右连接梁固定，其中一个陀螺固定于张紧轮陀螺支座和角传感器陀螺支座之间，另一个陀螺固定于左陀螺支座和右陀螺支座之间，偏转同步轮固定于偏转支座上，第一陀螺同步轮与张紧轮固定于张紧轮陀螺支座上，第二陀螺同步轮固定于左陀螺支座上，长同步带为双面齿同步带，保证运行过程中两个陀螺偏转角度相同、方向相反，两个自转电机分别带动两个陀螺高速旋转，角位移传感器固定于角传感器陀螺支座上，实时检测陀螺的偏转角度并反馈给电气模块中的控制器，从而通过偏转电机控制偏转同步轮，达到对陀螺偏转角实时控制的目的。

2.根据权利要求1所述的两轮非同轴自平衡移动机器人，其特征在于，所述车身模块由左侧板、右侧板、前挡板、后挡板、踏板、底板组成整体模型框架，立柱设置在前挡板内侧，起支撑固定连接作用，两个风扇分别装于左侧板、右侧板上，用于整车运行过程中散热。

3.根据权利要求1所述的两轮非同轴自平衡移动机器人，其特征在于，所述车身模块底部设置有脚轮。

4.根据权利要求2所述的两轮非同轴自平衡移动机器人，其特征在于，平衡模块和电气模块用隔板隔开，隔板固定于底板上。

5.根据权利要求2所述的两轮非同轴自平衡移动机器人，其特征在于，所述电气模块中，强电电池和弱电电池固定于底板上，电路板和控制器固定于电气支板上，电气支板通过柱体固定于底板上。

6.根据权利要求5所述的两轮非同轴自平衡移动机器人，其特征在于，所述控制器为树莓派。

7.根据权利要求5所述的两轮非同轴自平衡移动机器人，其特征在于，所述平衡模块中，陀螺与上梁、下梁组成组合体，通过控制组合体的偏转来达到控制陀螺的偏转，上罩与下罩固定于组合体上，防止高速旋转的陀螺飞出造成安全隐患。