CN110696952B - 一种两轮自平衡移动机器人及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种两轮自平衡移动机器人，包括前连接板、后连接板、前轮、后轮、转向装置、检测装置和控制装置，前轮和后轮分别安装于前连接板和后连接板，前轮和后轮内设有动力装置、传动装置和制动装置；本发明还公开了一种控制方法，控制装置通过检测装置实时获得的运动状态数据与用户设定的控制目标数据相对比，如果运动状态数据与用户设定的控制目标数据相符合，控制装置保持对动力装置、制动装置和转向装置的控制；如果运动状态数据与用户设定的控制目标数据不符合，控制装置输出控制命令控制动力装置、制动装置和转向装置的工作状态改变，使机器人实现在运动过程中的平衡移动，具有全自动检测和反馈调节、稳定性高和使用方便的有益效果。

Description

一种两轮自平衡移动机器人及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种机器人及其控制方法，尤其是指一种两轮自平衡移动机器人及其控制方法。

背景技术

当前，虽然市面上出现了各种各样的两轮式移动机器人，但是已有的两轮移动机器人的基本都是两个轮子呈左右排布，且两个轮子的轴线共线。由于两个轮子呈左右排布，且两个轮子的轴线共线的机器人的转向只能靠两个轮子之间的差速进行转向，转向速度慢，灵活性和平衡性差。

发明内容

本发明的目的在于针对上述问题，提供一种全自动检测和反馈调节、稳定性高和使用方便的两轮自平衡移动机器人及其控制方法。

本发明的目的可采用以下技术方案来达到：

一种两轮自平衡移动机器人及其控制方法，包括前连接板、后连接板、前轮、后轮、转向装置、检测装置和控制装置，所述前轮和后轮通过支撑架分别安装于前连接板和后连接板，所述前轮和后轮内设有动力装置、传动装置和制动装置；所述转向装置包括第一电机、第二电机和第三电机，所述第一电机和第二电机分别安装于前连接板和后连接板上，第一电机和第二电机的转轴分别与前连接板和后连接板上的支撑架固定连接而驱动支撑架转动，所述第三电机固定安装于后连接板上，且第三电机的转轴与前连接板固定连接而驱动前连接板转动；所述检测装置检测前轮、后轮、第一电机、第二电机和第三电机的转速和转角，以及检测前连接板和后连接板的运动姿态；所述控制装置的输入端与检测装置的输出端连接，控制装置的输出端与动力装置、制动装置和转向装置连接；

控制装置通过检测装置实时测量获得的运动状态数据与用户设定的控制目标数据相对比，如果运动状态数据与用户设定的控制目标数据相符合，控制装置保持对动力装置、制动装置和转向装置的控制不改变；如果运动状态数据与用户设定的控制目标数据不符合，控制装置输出控制命令控制动力装置、制动装置和转向装置的工作状态改变，使机器人实现在运动过程中的平衡移动。

进一步地，所述检测装置包括设于支撑架上且用于检测前轮和后轮的转速和转角的第一编码器，设于第一电机、第二电机和第三电机内且用于检测其转速和转角的第二编码器，以及用于检测前连接板和后连接板的运动姿态的姿态传感器，所述第一编码器、第二编码器和姿态传感器与控制装置电连接。

进一步地，所述前连接板和后连接板上分别可拆卸盖合有前机盖和后机盖。

进一步地，所述前连接板和后连接板上设有卡槽，所述前机盖和后机盖上设有卡扣，所述卡扣卡接到卡槽内而将前连接板和后连接板上分别可拆卸盖合有前机盖和后机盖。

进一步地，所述控制装置上设有用于显示和触摸控制的屏幕。

进一步地，所述后连接板上设有可充电电池。

进一步地，所述前轮和后轮为轮毂电机。

进一步地，所述控制装置为单片机或PLC。

一种基于两轮自平衡移动机器人的控制方法，包括以下步骤：

步骤1：在开始时，机器人电气系统上电，并进行系统初始化操作以及故障诊断，若出现故障则通过屏幕显示相关故障，若系统正常则进入下一步；

步骤2：用户通过屏幕输入控制目标数据，控制目标数据作为机器人的控制装置的输入参数；

步骤3：机器人上的第一编码器实时测量前轮和后轮的转角以及转速，第一电机和第二电机内的第二编码器实时测量第一电机至第三电机的转角以及转速，姿态传感器实时测量前连接板和后连接板的姿态参数，第三电机内的第二编码器时测量前连接板和后连接板之间的相对转角以及转速，进而得到描述机器人系统状态的数据；

步骤4：控制装置将测量得到实时运动数据与用户输入的控制目标数据相结合，得到前轮、后轮、第一电机、第二电机和第三电机的控制量；

步骤5：控制装置输出相应的控制量，以控制对前轮、后轮、第一电机、第二电机和第三电机输出相对应的扭矩；

步骤6：控制装置根据实时测量得到的机器人运动状态数据与用户给定的控制目标数据对比，判断机器人系统是否达到控制目标，若达到目标则结束，若未达到控制目标，则继续控制输出，形成反馈调节系统。

实施本发明，具有如下有益效果：

1、本发明的用户输入数据到控制装置，同时控制装置通过检测装置实时测量获得的运动状态数据与用户设定的控制目标数据相结合，得出前轮、后轮、第一电机、第二电机和第三电机的控制量，然后控制装置输出相应的控制量，以控制对前轮、后轮、第一电机、第二电机和第三电机输出相对应的扭矩；最后控制装置根据实时测量得到的机器人运动状态数据与用户给定的控制目标数据对比，判断机器人系统是否达到控制目标，若达到目标则结束，若未达到控制目标，则控制装置输出控制命令控制动力装置、制动装置和转向装置的工作状态改变，使机器人实现在运动过程中的平衡移动，形成反馈调节系统。本发明的机器人通过检测装置对前轮和后轮的转速和转角，以及前连接板和后连接板的运动姿态进行实时检测，并输出控制到动力装置、制动装置和转向装置，以调节前轮和后轮的转速和转角，以及前连接板和后连接板的运动姿态，实现全自动检测和反馈调节，具有全自动控制、稳定性高和使用方便的优点。

2、本发明的卡扣卡接到卡槽内而将前连接板和后连接板上分别可拆卸盖合有前机盖和后机盖。在需要拆卸时，只需手动将卡扣脱出卡槽，即可将前机盖和后机盖分别从前连接板和后连接板上拆卸下来，具有安装和拆卸简单、方便和快速的优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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是本发明两轮自平衡移动机器人的结构示意图；

图2是图1的在拆卸下前机盖和后机盖后的结构示意图；

图3是本发明两轮自平衡移动机器人的控制方法的结构框图；

图4是本发明两轮自平衡移动机器人的控制方法的流程框图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，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。

实施例1

参照图1和图2，本实施例涉及两轮自平衡移动机器人，包括前连接板1、后连接板2、前轮3、后轮4、转向装置、检测装置和控制装置7，所述前轮3和后轮4通过支撑架8分别安装于前连接板1和后连接板2，所述前轮3和后轮4内设有动力装置、传动装置和制动装置；所述转向装置包括第一电机51、第二电机52和第三电机53，所述第一电机51和第二电机52分别安装于前连接板1和后连接板2上，第一电机51和第二电机52的转轴分别与前连接板1和后连接板2上的支撑架8固定连接而驱动支撑架8转动，所述第三电机53固定安装于后连接板2上，且第三电机53的转轴与前连接板1固定连接而驱动前连接板1转动；所述检测装置检测前轮3、后轮4、第一电机51、第二电机52和第三电机53的转速和转角，以及检测前连接板1和后连接板2的运动姿态；所述控制装置7的输入端与检测装置的输出端连接，控制装置7的输出端与动力装置、制动装置和转向装置连接；

控制装置7通过检测装置实时测量获得的运动状态数据与用户设定的控制目标数据相对比，如果运动状态数据与用户设定的控制目标数据相符合，控制装置7保持对动力装置、制动装置和转向装置的控制不改变；如果运动状态数据与用户设定的控制目标数据不符合，控制装置7输出控制命令控制动力装置、制动装置和转向装置的工作状态改变，使机器人实现在运动过程中的平衡移动。

用户输入数据到控制装置7，同时控制装置7通过检测装置实时测量获得的运动状态数据与用户设定的控制目标数据相结合，得出前轮3、后轮4、第一电机51、第二电机52和第三电机53的控制量，然后控制装置7输出相应的控制量，以控制对前轮3、后轮4、第一电机51、第二电机52和第三电机53输出相对应的扭矩；最后控制装置7根据实时测量得到的机器人运动状态数据与用户给定的控制目标数据对比，判断机器人系统是否达到控制目标，若达到目标则结束，若未达到控制目标，则控制装置7输出控制命令控制动力装置、制动装置和转向装置的工作状态改变，使机器人实现在运动过程中的平衡移动，形成反馈调节系统。本发明的机器人通过检测装置对前轮3和后轮4的转速和转角，以及前连接板1和后连接板2的运动姿态进行实时检测，并输出控制到动力装置、制动装置和转向装置，以调节前轮3和后轮4的转速和转角，以及前连接板1和后连接板2的运动姿态，实现全自动检测和反馈调节，具有全自动控制、稳定性高和使用方便的优点。

所述检测装置包括设于支撑架8上且用于检测前轮3和后轮4的转速和转角的第一编码器61，设于第一电机51、第二电机52和第三电机53内且用于检测其转速和转角的第二编码器，以及用于检测前连接板1和后连接板2的运动姿态的姿态传感器62，所述第一编码器61、第二编码器和姿态传感器62与控制装置7电连接。第一电机51、第二电机52和第三电机53均采用内部自带第二编码器的电机，例如步进电机。通过第一编码器61和第二编码器，控制装置7可以实时获得前轮3、后轮4、第一电机51到第三电机53的转速和转角，并且通过姿态传感器62，可以获得前连接板1和后连接板2之间的运动姿态。

所述前连接板1和后连接板2上分别可拆卸盖合有前机盖12和后机盖13。前机盖12和后机盖13可以起来防尘和防水的作用，进而保护安装在前连接板1和前机盖12之间，后连接板2和后机盖13之间的零件的安全，提高使用的寿命。

所述前连接板1和后连接板2上设有卡槽，所述前机盖12和后机盖13上设有卡扣，所述卡扣卡接到卡槽内而将前连接板1和后连接板2上分别可拆卸盖合有前机盖12和后机盖13。在需要拆卸时，只需手动将卡扣脱出卡槽，即可将前机盖12和后机盖13分别从前连接板1和后连接板2上拆卸下来，具有安装和拆卸简单、方便和快速的优点。

所述控制装置7上设有用于显示和触摸控制的屏幕。通过屏幕可以随时查看机器人的运动参数和状态，并且可以通过屏幕输入控制命令和相关设定数据。

所述后连接板2上设有可充电电池21。可充电电池21为检测装置和转向装置、控制装置7、前轮3和后轮4提供电能。

所述前轮3和后轮4为轮毂电机。前轮3和后轮4采用轮毂电机不仅减小了机器人整体的体积，还缩短了传动距离，简化了传动步骤，提高了传动效率。

所述控制装置7为单片机或PLC。当然，控制装置7也可以是嵌入式计算机。

本实施例还公开了一种基于两轮自平衡移动机器人的控制方法，如图3和图4所示，包括以下步骤：

步骤1：在开始时，机器人电气系统上电，并进行系统初始化操作以及故障诊断，若出现故障则通过屏幕显示相关故障，若系统正常则进入下一步；

步骤2：用户通过屏幕输入控制目标数据，控制目标数据作为机器人的控制装置7的输入参数；

步骤3：机器人上的第一编码器61实时测量前轮3和后轮4的转角以及转速，第一电机51和第二电机52内的第二编码器实时测量第一电机51至第三电机53的转角以及转速，姿态传感器62实时测量前连接板1和后连接板2的姿态参数，第三电机53内的第二编码器时测量前连接板1和后连接板2之间的相对转角以及转速，进而得到描述机器人系统状态的数据；

步骤4：控制装置7将测量得到实时运动数据与用户输入的控制目标数据相结合，得到前轮3、后轮4、第一电机51、第二电机52和第三电机53的控制量；

步骤5：控制装置7输出相应的控制量，以控制对前轮3、后轮4、第一电机51、第二电机52和第三电机53输出相对应的扭矩；

步骤6：控制装置7根据实时测量得到的机器人运动状态数据与用户给定的控制目标数据对比，判断机器人系统是否达到控制目标，若达到目标则结束，若未达到控制目标，则继续控制输出，形成反馈调节系统。

本控制方法通过控制装置7根据实时测量得到的机器人运动状态数据与用户给定的控制目标数据对比，判断机器人系统是否达到控制目标，若达到目标则结束，若未达到控制目标，则控制装置7输出控制命令控制动力装置、制动装置和转向装置的工作状态改变，使机器人实现在运动过程中的平衡移动，形成反馈调节系统。本发明的机器人通过检测装置对前轮3和后轮4的转速和转角，以及前连接板1和后连接板2的运动姿态进行实时检测，并输出控制到动力装置、制动装置和转向装置，以调节前轮3和后轮4的转速和转角，以及前连接板1和后连接板2的运动姿态，实现全自动检测和反馈调节，具有全自动控制、稳定性高和使用方便的优点。

以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (7)

1.一种两轮自平衡移动机器人，其特征在于，包括前连接板、后连接板、前轮、后轮、转向装置、检测装置和控制装置，所述前轮和后轮通过支撑架分别安装于前连接板和后连接板，所述前轮和后轮内设有动力装置、传动装置和制动装置；所述转向装置包括第一电机、第二电机和第三电机，所述第一电机和第二电机分别安装于前连接板和后连接板上，第一电机和第二电机的转轴分别与前连接板和后连接板上的支撑架固定连接而驱动支撑架转动，所述第三电机固定安装于后连接板上，且第三电机的转轴与前连接板固定连接而驱动前连接板转动；所述检测装置检测前轮、后轮、第一电机、第二电机和第三电机的转速和转角，以及检测前连接板和后连接板的运动姿态；所述控制装置的输入端与检测装置的输出端连接，控制装置的输出端与动力装置、制动装置和转向装置连接；

控制装置通过检测装置实时测量获得的运动状态数据与用户设定的控制目标数据相对比，如果运动状态数据与用户设定的控制目标数据相符合，控制装置保持对动力装置、制动装置和转向装置的控制不改变；如果运动状态数据与用户设定的控制目标数据不符合，控制装置输出控制命令控制动力装置、制动装置和转向装置的工作状态改变，使机器人实现在运动过程中的平衡移动；

所述检测装置包括设于支撑架上且用于检测前轮和后轮的转速和转角的第一编码器，设于第一电机、第二电机和第三电机内且用于检测其转速和转角的第二编码器，以及用于检测前连接板和后连接板的运动姿态的姿态传感器，所述第一编码器、第二编码器和姿态传感器与控制装置电连接；

所述控制装置上设有用于显示和触摸控制的屏幕。

2.根据权利要求1所述的一种两轮自平衡移动机器人，其特征在于，所述前连接板和后连接板上分别可拆卸盖合有前机盖和后机盖。

3.根据权利要求2所述的一种两轮自平衡移动机器人，其特征在于，所述前连接板和后连接板上设有卡槽，所述前机盖和后机盖上设有卡扣，所述卡扣卡接到卡槽内而将前连接板和后连接板上分别可拆卸盖合有前机盖和后机盖。

4.根据权利要求1所述的一种两轮自平衡移动机器人，其特征在于，所述后连接板上设有可充电电池。

5.根据权利要求1所述的一种两轮自平衡移动机器人，其特征在于，所述前轮和后轮为轮毂电机。

6.根据权利要求1所述的一种两轮自平衡移动机器人，其特征在于，所述控制装置为单片机或PLC。

7.一种基于权利要求1至6任一项所述的两轮自平衡移动机器人的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：在开始时，机器人电气系统上电，并进行系统初始化操作以及故障诊断，若出现故障则通过屏幕显示相关故障，若系统正常则进入下一步；

步骤2：用户通过屏幕输入控制目标数据，控制目标数据作为机器人的控制装置的输入参数；

步骤3：机器人上的第一编码器实时测量前轮和后轮的转角以及转速，第一电机和第二电机内的第二编码器实时测量第一电机至第三电机的转角以及转速，姿态传感器实时测量前连接板和后连接板的姿态参数，第三电机内的第二编码器时测量前连接板和后连接板之间的相对转角以及转速，进而得到描述机器人系统状态的数据；

步骤4：控制装置将测量得到实时运动数据与用户输入的控制目标数据相结合，得到前轮、后轮、第一电机、第二电机和第三电机的控制量；

步骤5：控制装置输出相应的控制量，以控制对前轮、后轮、第一电机、第二电机和第三电机输出相对应的扭矩；

步骤6：控制装置根据实时测量得到的机器人运动状态数据与用户给定的控制目标数据对比，判断机器人系统是否达到控制目标，若达到目标则结束，若未达到控制目标，则继续控制输出，形成反馈调节系统。