CN110524510A - 一种立方体独轮机器人 - Google Patents

一种立方体独轮机器人 Download PDF

Info

Publication number
CN110524510A
CN110524510A CN201910507354.8A CN201910507354A CN110524510A CN 110524510 A CN110524510 A CN 110524510A CN 201910507354 A CN201910507354 A CN 201910507354A CN 110524510 A CN110524510 A CN 110524510A
Authority
CN
China
Prior art keywords
cube
wheel
reaction
driver
shell
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN201910507354.8A
Other languages
English (en)
Inventor
陈璐
朱晓庆
刘凯
钱义肇
徐雷桁
周祎超
袁元
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Beijing University of Technology
Original Assignee
Beijing University of Technology
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Beijing University of Technology filed Critical Beijing University of Technology
Priority to CN201910507354.8A priority Critical patent/CN110524510A/zh
Publication of CN110524510A publication Critical patent/CN110524510A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J5/00—Manipulators mounted on wheels or on carriages
    • B25J5/007—Manipulators mounted on wheels or on carriages mounted on wheels
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J9/00—Programme-controlled manipulators
    • B25J9/0009—Constructional details, e.g. manipulator supports, bases

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Robotics (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Toys (AREA)
  • Manipulator (AREA)
  • Motorcycle And Bicycle Frame (AREA)

Abstract

本发明公开了一种立方体独轮机器人，属于智能机器人技术领域。该立方体独轮机器人由立方体壳体、移动轮、反作用轮、驱动模块、控制模块以及姿态传感器组成。本发明利用在立方体壳体内的三个正交的面上的反作用轮，共同调节机体的姿态，使其可以灵活实现俯仰、横滚和航向等姿态调节，克服通过单个反作用轮控制侧平衡和转向的独轮机器人存在的航向操纵不灵活的问题，并利用所设计的双闭环控制器，有效实现立方体独轮自平衡机器人姿态控制和复杂路径跟踪控制。

Description

一种立方体独轮机器人
技术领域
本发明公开了一种立方体独轮机器人，属于智能机器人技术领域。
背景技术
自平衡机器人是一种在重力作用下本征不稳定、欠驱动机器人系统，需通过 自身姿态控制实现动态稳定的机器人装置，其独特的欠驱动、不稳定、强耦合等 特性对控制理论提出了重大的挑战，是控制理论的重要研究对象。自平衡机器人 的建模和控制问题是控制科学和机器人学研究的重要问题。独轮自平衡机器人是 自平衡机器人的典型代表，由于其只有一个轮子与地面接触，动态不稳定特性更 强，需通过姿态调节机构配合行走轮实现平衡。姿态控制问题是自平衡机器人研 究的关键技术，而且提高机器人的运动平衡性能，使机器人能更灵巧协调的运动 一直是自平衡机器人研究的热点和重要难点。
针对独轮机器人的姿态控制问题，本发明设计一种新型立方体独轮机器人， 以解决现有的独轮自平衡机器人普遍存在着航向姿态控制不灵活的问题。同时研 究得到的立方体姿态调节机构不仅可应用独轮自平衡机器人等欠驱动系统姿态 调节，还可作为独立的自平衡模块，应用于控制理论研究、空间探索和多机器人 自组装等领域。而且也可以作为作为机器人学和控制科学科研、教学的一种开放 的智能机器人研究开发平台，为控制科学、机器人研究、人工智能等领域的研究 和教学提供了实验对象。
发明内容
本发明的目的在于提出一种立方体独轮机器人，利用在立方体壳体内的三个 正交的面上的反作用轮，共同调节机体的姿态，使其可以灵活实现俯仰、横滚和 航向等姿态调节，克服通过单个反作用轮控制侧平衡和转向的独轮机器人存在的 航向操纵不灵活的问题，并利用所设计的双闭环控制器，有效实现立方体独轮自 平衡机器人姿态控制和复杂路径跟踪控制。
本发明采用的技术方案为一种立方体独轮机器人，该立方体独轮机器人由 立方体壳体1、移动轮2、反作用轮3、驱动模块4、控制模块5以及姿态传感器 6组成。
移动轮2固定在立方体壳体1的一个顶点处。反作用轮3、驱动模块4、控 制模块5以及姿态传感器6均安装在立方体壳体1上。
立方体壳体1由立方体外壳101、固定架102以及联轴器103组成，驱动模 块4包括四个电机401、电机驱动器402以及电源模块403，电机401的输出轴 通过联轴器103与所述的反作用轮3及移动轮2固定连接。控制模块5以及姿态 传感器6固定在立方体壳体1的顶部，控制模块5以及姿态传感器6固定的顶点 与移动轮2固定的顶点在同一斜对角线上。
控制模块5包括微型处理器501以及伺服驱动器502。电机驱动器402、伺 服驱动器502以及姿态传感器6与微型处理器501相连，电源模块403向电机 401、电机驱动器402、微型处理器501以及伺服驱动器502供电。电机驱动器 402与伺服驱动器502连接，伺服驱动器502控制电机驱动器402及四个电机401 的转动。
在固定移动轮2的立方体壳体1顶点处的三个面中间分别布置三个反作用 轮3，通过反作用轮3输出的耦合力矩调节立方体壳体1的俯仰、横滚和航向姿 态。立方体外壳101受到反作用轮3加减速转动产生的反作用力矩，在微型处理 器501接收姿态传感器6的反馈，控制反作用轮3的转速，控制立方体壳体1 的姿态。移动轮2、反作用轮3、驱动模块4、控制模块5以及姿态传感器6组 成立方体姿态调节机构，该立方体姿态调节机构作为一个独立自平衡模块，实现 以立方体外壳101的棱边或顶点为支点的平衡。应用于欠驱动系统的姿态控制、 控制理论研究、空间探索和多机器人自组装等领域。
四个所述的电机401中，三个电机401分别控制三个反作用轮3的转速与 转向，一个电机401控制移动轮2的转速。
本发明与现有技术相比，具有以下明显的优势和有益效果：
1、与基于水平飞轮的陀螺效应控制独轮机器人相比，本发明的平衡效果较 好，且结构简单、易于控制。
2、与侧向布置反作用轮的独轮机器人相比，本发明降低了独轮机器人航向 阻力。与水平布置反作用轮的独轮机器人相比，本发明增强了反作用轮对机器人 的调节能力。
3、较好的解决了现有的独轮自平衡机器人系统普遍存在着航向姿态调节不 灵活的问题。
附图说明
图1立方体独轮机器人系统框图。
图2立方体独轮机器人系统示意图。
图3是立方体壳体的结构示意图。
图4是驱动模块和控制模块结构示意图。
图中：1、立方体壳体，2、移动轮，3、反作用轮，4、驱动模块，5、控制 模块，6、姿态传感器。
具体实施方式
实施例1
请参阅图2，一种立方体独轮机器人，其特征在于该立方体独轮机器人包括 立方体壳体1，移动轮2，反作用轮3、驱动模块4、控制模块5以及姿态传感器 6组成。
其中，立方体主体1由立方体外壳101、固定架102以及联轴器103组成， 移动轮2固定在立方体壳体1的一个顶点处。驱动模块4包括4个电机401、电 机驱动器402以及电源模块403，其中电机401的输出轴通过联轴器103与所述 的反作用轮3固定连接。控制模块5以及姿态传感器6固定在立方体壳体1的顶 部，其中控制模块5包括微型处理器501以及伺服驱动器502。
请参阅图1，电机驱动器402、伺服驱动器502以及姿态传感器6与微型处 理器501相连，电源模块403向电机401、电机驱动器402、微型处理器501以 及伺服驱动器502供电。
一种立方体独轮机器人，其特征还在于在立方体壳体内三个正交的面上分 别布置有反作用轮，通过反作用轮输出的耦合力矩调节机体的俯仰、横滚和航向 姿态。立方体本体受到反作用轮加减速转动产生的反作用力矩，在微型处理器 501接收姿态传感器6的反馈，控制反作用轮的转速，实现立方体姿态的控制。 立方体姿态调节机构作为一个独立自平衡模块，可实现以棱边或角为支点的平 衡。可应用于欠驱动系统的姿态控制、控制理论研究、空间探索和多机器人自组 装等领域。
一种立方体独轮机器人，其特征还在于所述的四个电机401，其中三个控制 反作用轮3的转速与转向，一个控制移动轮2的转速。
实施例2
本发明完成俯仰或横滚的过程如下：1.机构从平衡位置启动，3个反作用轮3中的一或两个向相同或相反方向运动，使机构失去平衡向一侧倾倒。2.当达到 预定角度时，反作用轮3开始向相反方向运动，从而使机器人稳定在该角度或恢 复平衡状态，完成俯仰或横滚动作。
本发明完成偏航角调整的过程如下：1.确定旋转方向后，三个反作用轮3同 时向正向或反向运动。2.当接近目标偏航角时，反作用轮3向与初始运动方向 相反的方向运动，使机构可以恢复静止，稳定的状态。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进 一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用 于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改 进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种立方体独轮机器人，其特征在于：该立方体独轮机器人由立方体壳体(1)、移动轮(2)、反作用轮(3)、驱动模块(4)、控制模块(5)以及姿态传感器(6)组成；
移动轮(2)固定在立方体壳体(1)的一个顶点处；反作用轮(3)、驱动模块(4)、控制模块(5)以及姿态传感器(6)均安装在立方体壳体(1)上；
立方体壳体(1)由立方体外壳(101)、固定架(102)以及联轴器(103)组成，驱动模块(4)包括四个电机(401)、电机驱动器(402)以及电源模块(403)，电机(401)的输出轴通过联轴器(103)与所述的反作用轮(3)及移动轮(2)固定连接；控制模块(5)以及姿态传感器(6)固定在立方体壳体(1)的顶部，控制模块(5)以及姿态传感器(6)固定的顶点与移动轮(2)固定的顶点在同一斜对角线上。
2.根据权利要求1所述的一种立方体独轮机器人，其特征在于：控制模块(5)包括微型处理器(501)以及伺服驱动器(502)；电机驱动器(402)、伺服驱动器(502)以及姿态传感器(6)与微型处理器(501)相连，电源模块(403)向电机(401)、电机驱动器(402)、微型处理器(501)以及伺服驱动器(502)供电；电机驱动器(402)与伺服驱动器(502)连接，伺服驱动器(502)控制电机驱动器(402)及四个电机(401)的转动。
3.根据权利要求1所述的一种立方体独轮机器人，其特征在于：在固定移动轮(2)的立方体壳体(1)顶点处的三个面中间分别布置三个反作用轮(3)，通过反作用轮(3)输出的耦合力矩调节立方体壳体(1)的俯仰、横滚和航向姿态；立方体外壳(101)受到反作用轮(3)加减速转动产生的反作用力矩，在微型处理器(501)接收姿态传感器(6)的反馈，控制反作用轮(3)的转速，控制立方体壳体(1)的姿态；移动轮(2)、反作用轮(3)、驱动模块(4)、控制模块(5)以及姿态传感器(6)组成立方体姿态调节机构，该立方体姿态调节机构作为一个独立自平衡模块，实现以立方体外壳(101)的棱边或顶点为支点的平衡。
4.根据权利要求1所述的一种立方体独轮机器人，其特征在于：四个所述的电机(401)中，三个电机(401)分别控制三个反作用轮(3)的转速与转向，一个电机(401)控制移动轮(2)的转速。
CN201910507354.8A 2019-06-12 2019-06-12 一种立方体独轮机器人 Pending CN110524510A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201910507354.8A CN110524510A (zh) 2019-06-12 2019-06-12 一种立方体独轮机器人

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201910507354.8A CN110524510A (zh) 2019-06-12 2019-06-12 一种立方体独轮机器人

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN110524510A true CN110524510A (zh) 2019-12-03

Family

ID=68659414

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201910507354.8A Pending CN110524510A (zh) 2019-06-12 2019-06-12 一种立方体独轮机器人

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN110524510A (zh)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111273542A (zh) * 2020-01-20 2020-06-12 武汉科技大学 立方体机器人及控制系统和方法以及设计方法
CN112356011A (zh) * 2020-10-29 2021-02-12 西北工业大学 一种利用飞轮稳定测量平台的球形机器人

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2016130565A1 (en) * 2015-02-09 2016-08-18 The Regents Of The University Of California Ball-balancing robot and drive assembly therefor
CN106774342A (zh) * 2017-01-20 2017-05-31 成都炬石科技有限公司 一种增稳装置及其算法及基于该装置的独轮小车
CN206601625U (zh) * 2017-01-17 2017-10-31 北京工业大学 一种立方体飞轮倒立摆系统
CN107424503A (zh) * 2017-08-30 2017-12-01 北方工业大学 一种二阶无根系统的3d倒立摆装置及其控制方法
CN207895756U (zh) * 2017-09-22 2018-09-21 北京工业大学 一种三飞轮立方体倒立摆系统

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2016130565A1 (en) * 2015-02-09 2016-08-18 The Regents Of The University Of California Ball-balancing robot and drive assembly therefor
CN206601625U (zh) * 2017-01-17 2017-10-31 北京工业大学 一种立方体飞轮倒立摆系统
CN106774342A (zh) * 2017-01-20 2017-05-31 成都炬石科技有限公司 一种增稳装置及其算法及基于该装置的独轮小车
CN107424503A (zh) * 2017-08-30 2017-12-01 北方工业大学 一种二阶无根系统的3d倒立摆装置及其控制方法
CN207895756U (zh) * 2017-09-22 2018-09-21 北京工业大学 一种三飞轮立方体倒立摆系统

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111273542A (zh) * 2020-01-20 2020-06-12 武汉科技大学 立方体机器人及控制系统和方法以及设计方法
CN111273542B (zh) * 2020-01-20 2023-03-10 武汉科技大学 立方体机器人及控制系统和方法以及设计方法
CN112356011A (zh) * 2020-10-29 2021-02-12 西北工业大学 一种利用飞轮稳定测量平台的球形机器人

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Ryll et al. First flight tests for a quadrotor UAV with tilting propellers
Xu et al. Stabilization and path following of a single wheel robot
US9174338B2 (en) Robotic movement system
Jung et al. Omnidirectional mobile base OK-II
CN110524510A (zh) 一种立方体独轮机器人
CN109676598B (zh) 自主组装的模块化机器人
CN110815245A (zh) 用于迎宾的服务机器人
CN114013230B (zh) 一种具备墙面栖停与爬行能力的四旋翼机器人
Niu et al. Mechanical development and control of a miniature nonholonomic spherical rolling robot
CN209215939U (zh) 一种基于ros系统的全方位移动智能小车
CN208760757U (zh) 一种球形行走机器人
CN210852712U (zh) 一种四足机器人
CN212401410U (zh) 一种可翻转平衡立方体装置
Li et al. Dynamic adaptive equilibrium control for a self-stabilizing robot
CN205581644U (zh) 一种平整度自适应的机器人
CN203380887U (zh) 一种多关节仿生机器虫
KR102457384B1 (ko) 자기 균형 이륜 변신 로봇
CN111347432A (zh) 一种两轮驱动智能球形机器人
CN211568139U (zh) 一种具有运输功能的无线控制滚动球形机器人
CN210589256U (zh) 一种微型仿人两轮自平衡机器人
CN209795696U (zh) 一种自平衡移动机器人
Jung et al. Development of a fault-tolerant omnidirectional wheeled mobile robot using nonholonomic constraints
CN215417151U (zh) 教学用模块化机器人装置
Tsai et al. Robust visual tracking control of mobile robots based on an error model in image plane
CN220865529U (zh) 一种多模态智能机器人

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
RJ01 Rejection of invention patent application after publication
RJ01 Rejection of invention patent application after publication

Application publication date: 20191203