CN110587618B - 一种双球轮驱动的自平衡运动平台 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种双球轮驱动的自平衡运动平台，属于智能机器人领域。包括：前后两个球轮、限位构件、驱动机构、前轮底板、顶板、后轮底板、束紧环以及连接架；所述的限位构件，包括牛眼轴承、牛眼轴承支座、角架和连接板；所述的驱动机构，包括全向轮、联轴器、减速器、直流电机和光电编码器；所述的前球轮通过三个限位构件与前轮底板固定；所述的后球轮通过四个限位构件与后轮底板固定；所述的前轮底板通过支撑杆和固定法兰固定连接顶板，所述的前轮底板通过连接架与后轮底板连接一起。本发明的双球轮驱动的自平衡运动平台应用前景广泛，可作为人体跟随机器人或载人工具，也可运输物体，且具有良好的越障能力，可应用于众多场合。

Description

一种双球轮驱动的自平衡运动平台

技术领域

本发明属于智能机器人领域，具体涉及一种双球轮驱动的自平衡运动平台。

背景技术

随着科技高速发展，智能机器人已经被应用到人们生活的各个方面。站球机器人是一种新型智能机器人，它通过在球上达到的动态平衡，具有与地面接触面积小，可全向移动，灵活性高，能穿过狭窄通道等特点，具有广阔的应用前景。

公开号为CN108415429A的中国专利申请在2018年8月17日公开了一种球上自平衡移动机器人，该机器人包括机械系统以及电气系统。机械系统包括机身、电机固定架、电机连接架、球轮和全向轮。电气系统包括控制器、电机伺服驱动器、惯性导航传感器、编码器、无线通讯设备、直流电机和电源系统等。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。

对于被广泛研究的单球自平衡移动机器人，它的自转的实现主要靠动量守恒来进行的，也即依靠球体和其他部分之间的相对转动，球必须有一定重量，并且高速旋转，才能给机体带来一定的角加速度，这对球轮有了不必要的要求，也造成能量浪费。

发明内容

本发明针对球轮机器人自转时对球轮的不必要的要求及能量浪费的问题，提供了一种双球轮驱动的自平衡运动平台，采用双球轮驱动的设计，在保留单球自平衡移动机器人灵活性高、能穿越狭窄通道、可全向移动的特点之上，通过将机器人的运动分解，能更好的实现球轮机器人的自转，且双球驱动较单球驱动与地面有更多的接触点，在自平衡的控制上会更加的简单。

本发明所提出的一种双球轮驱动的自平衡运动平台，包括：前后两个球轮、限位构件、驱动机构、前轮底板、顶板、后轮底板、束紧环以及连接架。

所述的限位构件，包括牛眼轴承、牛眼轴承支座、角架和连接板；牛眼轴承采用开孔嵌入式固定在牛眼轴承支座上，牛眼轴承支座的上部通过连接板与角架固定连接；连接板上开有滑槽。

所述的驱动机构，包括全向轮、联轴器、减速器、直流电机和光电编码器；全向轮通过联轴器连接减速器和直流电机，直流电机连接光电编码器。

所述的前球轮通过三个限位构件与前轮底板固定；牛眼轴承与前球轮表面相接触，角架的上端固定在前轮底板上；沿前球轮中间周线安装有束紧环，束紧环通过连接板上的滑槽定位，并通过螺栓螺母进行紧固。三个限位构件、束紧环和前轮底板共同固定前球轮。所述的前球轮安装有三个驱动机构，驱动机构的全向轮与前球轮的表面相切，驱动机构的联轴器处安装电机支座，电机支座固定在前轮底板上；所述的前球轮由三个全向轮驱动，实现全向移动的功能。

所述的后球轮通过四个限位构件与后轮底板固定，牛眼轴承与后球轮表面相接触，角架的上端固定在后轮底板上；沿后球轮中间周线安装束紧环，束紧环通过连接板上的滑槽定位，并通过螺栓螺母进行紧固。四个限位构件、束紧环和后轮底板共同固定后球轮。所述的后球轮安装有一个驱动机构，驱动机构的全向轮放置在后轮底板中心的通孔，并与后球轮的表面相切，驱动机构的联轴器处安装电机支座，电机支座固定在后轮底板上；所述的后球轮通过一个全向轮驱动，实现侧行移动的功能。

所述的前轮底板通过支撑杆和固定法兰固定连接顶板，顶板上固定安装有主控板。

所述的前轮底板通过连接架与后轮底板连接一起，在连接架上固定安装有电机驱动模块。电机驱动模块通过电源线连接驱动前球轮的三个直流电机和驱动后球轮的单个直流电机。电机驱动模块还连接主控板。

所述的后轮底板上固定有电源，电源为电机驱动模块供电。

本发明与现有技术相比，具有以下优势：

(1)本发明的前后球轮的驱动方式保留了单球自平衡移动机器人灵活性高、转弯半径小、可通过狭窄通道的特点，并且能更好地实现球轮机器人的自转，且双球驱动较单球驱动与地面有更多的接触点，在自平衡的控制上会更加的简单，且具有更好的负重能力。

(2)本发明通过双球轮实现了整个机器人通过在球上的动态平衡，具有与地面接触面积小，灵活性高，可通过狭窄空间，且能全方位移动的特点，具有较高的实用价值。

(3)本发明的自平衡运动平台应用前景广泛，可作为人体跟随机器人或载人工具，也可运输物体，能够通过狭窄空间，且具有良好的越障能力，可应用于众多场合。

附图说明

图1是本发明双球轮驱动的自平衡运动平台的三维模型图；

图2是本发明的可调式牛眼轴承的安装结构示意图；a和b是两个不同角度示意图；

图3是本发明的可调式牛眼轴承与连接板、束紧环的安装结构示意图。

图中：

1-前球轮；2-牛眼轴承支座；3-束紧环；4-连接板；5-角架；6-前轮底板；7-固定法兰；

8-支撑杆；9-全向轮；10-电机支座；11-联轴器；12-减速器；13-直流电机；14-光电编码器；

15-顶板；16-主控板；17-连接架；18-电机驱动模块；19-电源；20-后轮底板；21-牛眼轴承；

22-后球轮；23-螺栓和螺母；24-滑槽；25-卡槽。

具体实施方式

为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合附图对本发明作进一步的详细和深入描述。

对于被广泛研究的单球自平衡移动机器人，它的自旋主要靠动量守恒来进行的，也即依靠球体和其他部分之间的相对转动，球必须有一定重量，并且高速旋转，才能给机体带来一定的角加速度，这对球有了不必要的要求，也造成能量浪费。而本发明所提出的双球设计可以很好的解决球轮机器人自转的问题，由于双球的设计只会使机器人在侧向处于不平衡的状态，所以在控制上会更加的简单，且机器人本身也会更加的安全，并且也不需要对球的重量进行要求。

如图1所示，本发明的双球轮驱动的自平衡运动平台，从结构上分为机械系统和电气系统两部分。机械系统主要包括：前球轮1、牛眼轴承支座2、束紧环3、连接板4、角架5、前轮底板6、固定法兰7、支撑杆8、全向轮9、电机支座10、联轴器11、减速器12、顶板15、连接架17、后轮底板20、牛眼轴承21和后球轮22。电气系统主要包括：直流电机13、光电编码器14、主控板16、电机驱动模块18和电源19。主控板16内设控制器、蓝牙模块和惯性测量单元。

前球轮1和后球轮22具有相同的体积和重量，但对于其重量并不进行限制，可以设计的很轻，不需要设计成实心，既节省了材料，也实现了轻量化，减少能耗。

牛眼轴承21、牛眼轴承支座2、连接板4和角架5组成一个限位构件。牛眼轴承21固定在牛眼轴承支座2上，牛眼轴承支座2的上部通过连接板4与角架5固定连接。连接板4上开有卡槽25，如图3所示，用于固定束紧环3。

前球轮1通过三个限位构件与前轮底板6固定连接。三个限位构件在前球轮1的周向上均匀分布，每个限位构件的牛眼轴承21与前球轮1的表面相接触，角架5的上端固定在前轮底板6上。束紧环3通过连接板4上的卡槽25进行定位，并通过螺栓螺母进行紧固，束紧环3环绕前球轮1中部周线。三个牛眼轴承21、束紧环3、三个角架5和前轮底板6共同固定前球轮1。

后球轮22通过四个限位构件与后轮底板20固定连接。四个限位构件在前球轮1的周向上均匀分布。每个限位构件的牛眼轴承21与后球轮22的表面相接触，角架5的上端固定在后轮底板20上。沿后球轮22中间周线安装束紧环3，束紧环3通过连接板4上的卡槽进行定位，并通过螺栓螺母进行紧固，通过束紧环3环绕后球轮22的中部周线。四个牛眼轴承21、束紧环3、四个角架5和后轮底板20共同固定后球轮22。

本发明中，牛眼轴承21及其安装部位对前、后球轮分别进行了限位，束紧环3提高了整个限位机构的刚度。本发明的牛眼轴承21为可调式，如图2所示，牛眼轴承21的作用是对前、后两个球轮进行限位，提高整个机构的稳定性，但本发明的机器人中对牛眼轴承21的位置度要求较高，为了减少加工精度的要求，提出了可调性设计。牛眼轴承21有开孔嵌入式、螺杆嵌入式、法兰孔型等等，为了实现可调的目的，本发明在此选用图2中的开孔嵌入式牛眼轴承，即在牛眼轴承支座2上开孔嵌入牛眼轴承21，这样牛眼轴承21可沿孔的轴线方向进行调节，安装牛眼轴承21时，通过将牛眼轴承21在所设计的牛眼轴承支座2的通孔中调节到位后，再利用螺栓和螺母23进行紧固。如图3中所示，在连接板4与牛眼轴承支座2的连接处还采用滑槽24设计，使得牛眼轴承支座2可以相对连接板4上下移动，紧固时同样利用螺栓螺母。这两处的可调行设计很大程度上减小了加工精度要求。

如图3所示，束紧环3的设计提高了整个限位机构的刚度。在机器人受载的情况下，限位机构会发生形变，而束紧环3保证牛眼轴承28和球轮的良好接触。束紧环3通过连接板4上的滑槽进行定位，并通过螺栓螺母进行紧固。

全向轮9、联轴器11、减速器12、直流电机13和光电编码器14组成了一个驱动机构。全向轮9通过联轴器11连接减速器12和直流电机13，直流电机13连接光电编码器14。

前球轮1通过三个驱动机构驱动，三个驱动机构在前球轮1的周向上均匀分布。每个驱动机构在联轴器11处安装有一个电机支座10，电机支座10固定安装在前轮底板6上，三个电机支座10分别将三个驱动机构分120°固定在前轮底板6上。每个驱动机构的全向轮9与前球轮1相切。安装在前轮底板6上的三个角架5与三个电机支座10，在前轮底板6上交叉布置。

固定后球轮22的后轮底板20的中心开有通孔，用于安装一个全向轮9，全向轮9与后球轮22的表面相切，后球轮22通过一个驱动机构驱动。驱动机构在联轴器11处安装有一个电机支座10，电机支座10固定安装在后轮底板20上。

前球轮1的前轮底板6还通过支撑杆8和固定法兰7与顶板15固定一起。主控板16通过螺钉固定在顶板15上。顶板15与固定法兰7均为3D打印件，材料为光敏树脂，支撑杆8为碳纤维杆，这样可以减轻机器人上部的重量，降低了整体重心，更利于控制。

前轮底板6通过连接架17与后轮底板26连接。电机驱动模块18通过螺钉固定在连接架17上。电源19固定在后轮底板20上，电源19通过T字头为电机驱动模块18供电。驱动前球轮1的三个直流电机13和驱动后球轮22的一个直流电机13的电源线分别连接至电机驱动模块18，由其提供电能输入。

电机驱动模块18内设的LM2596_5.0电源芯片，为主控板16提供5v电源输入，两者通过双排转接线连接在一起。

本发明的自平衡运动平台，或称自平衡运动机器人，通过前后两个球轮进行驱动，两球轮的设计使该机器人仅在侧向存在不平衡的状态。其中，前球轮1由三个驱动机构驱动转动，这样的组合方式可使前球轮1进行全向移动，即实现任意方向的移动。后球轮22通过单个驱动机构驱动转动，可保证后球轮22在侧行能够进行运动调节，实现侧向移动。前后球轮被刚性连接在一起，在本发明设计中机器人仅会在侧向存在不平衡的状态，而机器人的前球轮1和后球轮22均可以进行侧向移动，故前球轮1和后球轮22的协同控制可以保证机器人的动态自平衡。

本发明所提出的双球轮驱动的自平衡运动平台，避免了两轮机器人在驱动过程中的干涉问题。当机器人横向移动或自转时，前、后球轮均为主动轮，两个球轮同时朝一侧移动，可以实现机器人的横向移动。两个球轮协调配合可以实现机器人的多种自转状态，既可以一个轮绕另一个轮转动，也可以绕机器人中心自转，相对于单球，自转控制更容易。当机器人朝其他方向运动时，前球轮1为主动轮，后球轮22为从动轮，不会使两球轮在驱动时产生干涉，此时后球轮22的全向轮9的驱动只为保证机器人自平衡。本发明的双球轮驱动的自平衡运动平台相对于单轮机器人，自转更容易控制、自平衡更好，可靠性更好，更加适用于要求可靠性高的应用场景。

本发明实施例中，电气系统部分，主控板16上采用的控制器为stm32F103微控制器，并在主控板16上集成有MPU6050惯性测量单元和蓝牙模块，同时在电机驱动模块18上增加了74LS244缓冲器，提高了信号的驱动能力，并隔离了电机驱动模块18内的驱动芯片(BTN芯片)与主控板16的单片机芯片，保护BTN芯片和单片机芯片。电机驱动模块18采用四路BTN7971电机。其中，主控板16与电机驱动模块18的数据传输是通过IIC协议进行的。

电气系统的工作原理：主控板上集成有MPU6050运动处理传感器。在初始化完成系统各项参数后，通过MPU6050的陀螺仪、加速度计分别进行角速度、加速度等数据的采集。然后在stm32 F103微处理器中通过卡尔曼滤波算法获得更加精确的数据，利用这些数据进行数据融合，得到机器人的倾斜角，通过PID(比例-积分-微分)算法得到各个电机应有的转速。微处理器通过输出不同占空比的PWM波至电机驱动模块18，经过功率放大后，来控制各个直流电机的转速，通过带动万向轮8驱动球轮，以调节整个机器人的平衡。同样，stm32F103微处理器通过获取上位机的运动指令，可以输出给各个电机相应的控制信息，来完成相应的动作。

Claims (5)

1.一种双球轮驱动的自平衡运动平台，其特征在于，包括：前后两个球轮、限位构件、驱动机构、前轮底板、顶板、后轮底板以及连接架；

所述的限位构件，包括牛眼轴承、牛眼轴承支座、角架和连接板；牛眼轴承采用开孔嵌入式固定在牛眼轴承支座上，牛眼轴承支座的上部通过连接板与角架固定连接；连接板上开有滑槽；

所述的驱动机构，包括全向轮、联轴器、减速器、直流电机和光电编码器；全向轮通过联轴器连接减速器和直流电机，直流电机连接光电编码器；

所述的前球轮通过三个限位构件与前轮底板固定，其中每个限位构件的牛眼轴承与前球轮表面相切，角架的上端固定在前轮底板上；沿前球轮中间周线安装束紧环，束紧环通过连接板上的滑槽定位，并通过螺栓螺母进行紧固；三个限位构件、束紧环和前轮底板共同固定前球轮；所述的前球轮安装有三个驱动机构，驱动机构的全向轮与前球轮的表面相切，驱动机构的联轴器处安装电机支座，电机支座固定在前轮底板上；所述的前球轮由三个全向轮驱动，实现全向移动的功能；

所述的后球轮通过四个限位构件与后轮底板固定，其中每个限位构件的牛眼轴承与后球轮表面相切，角架的上端固定在后轮底板上；沿后球轮中间周线安装束紧环，束紧环通过连接板上的滑槽定位，并通过螺栓螺母进行紧固；四个限位构件、束紧环和后轮底板共同固定后球轮；所述的后球轮安装有一个驱动机构，驱动机构的全向轮放置在后轮底板中心的通孔，并与后球轮的表面相切，驱动机构的联轴器处安装电机支座，电机支座固定在后轮底板上；所述的后球轮通过一个全向轮驱动，实现侧向移动的功能；

所述的前轮底板通过支撑杆和固定法兰固定连接顶板，顶板上固定安装有主控板；

所述的前轮底板通过连接架与后轮底板连接一起，在连接架上固定安装有电机驱动模块；电机驱动模块通过电源线连接驱动前球轮的三个直流电机和驱动后球轮的单个直流电机；电机驱动模块还连接主控板；

所述的后轮底板上固定有电源，电源为电机驱动模块供电。

2.根据权利要求1所述的自平衡运动平台，其特征在于，所述的牛眼轴承，在安装时，沿牛眼轴承支座上的通孔的轴线方向上移动，以与球轮表面相切。

3.根据权利要求1或2所述的自平衡运动平台，其特征在于，所述的连接板，与牛眼轴承支座的连接处设计有滑槽，使得在安装时，牛眼轴承支座相对连接板能上下移动，在固定好位置后，用螺栓和螺母紧固连接。

4.根据权利要求1所述的自平衡运动平台，其特征在于，所述的自平衡运动平台在横向移动或自转时，前球轮和后球轮均为主动轮；当自平衡运动平台朝其他方向运动时，前球轮为主动轮，后球轮为从动轮。

5.根据权利要求1或4所述的自平衡运动平台，其特征在于，所述的前球轮和后球轮同时朝一侧移动时，实现自平衡运动平台的横向移动。

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