CN113043258A - 一种自平衡机器人及其控制方法 - Google Patents

Abstract

一种自平衡机器人，包括控制模块、轮驱动模块、传感器模块、轮组件、支撑件驱动模块和支撑件；轮驱动模块和支撑件驱动模块分别和控制模块连接；轮驱动模块和轮组件连接；支撑件驱动模块和支撑件连接；轮驱动模块、支撑件驱动模块和控制模块分别和传感器模块连接，传感器模块用于采集轮组件和支撑件的实时状态信息，并发送给轮驱动模块、支撑件驱动模块和控制模块。上述自平衡机器人，通过安装可控制的支撑件并配有传感器模块，通过控制模块的控制，完成支撑件的下放、回收等动作，能够实现自平衡机器人完全自动地启动及停止。能够防止自平衡机器人在启动或停止过程中的意外倾倒。此外，还提供上述自平衡机器人的控制方法。

Description

一种自平衡机器人及其控制方法

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，尤其涉及一种自平衡机器人及其控制方法。

背景技术

自平衡机器人是近年来新出现的一种机器人，由两轮平衡车衍生而来，机器人由两个轮子驱动。两轮平衡车在运行时由站在车上的操作者调整前后重心来保持站立或前进、后退，而自平衡机器人则是运行在无人接触的条件下通过控制器计算当前状态并发出指令驱动两个轮子进行动态调整，维持机器人站立或前进、后退。

此类两轮自平衡结构设备为了提高运动灵活性能以及减小整体体积，将整体设计成一种较特殊的结构，在运行时可以通过动态调整来保持平衡，但是在下电停止时由于结构特性无法自己保持稳定，需要通过增加支架、脚撑等机构来辅助支撑来达到稳定。目前国内的一些独轮或两轮平衡车，采用的是手动上下电解决方案。这些平衡车配有类似自行车的脚撑或支架，下电后需要手动扶住小车然后放下支架以防止小车倾倒，上电之前先手动收回支架然后再启动设备，整体的自动化智能性较低，用户体验较差。

自平衡机器人被设计成会用于远程监控、引领讲解等场景。在这种环境中，机器人可能处于四周无操作者的状态，采用手动上、下支架的方案并不合适。目前国内自平衡机器人成熟的方案较少，而关于其自动启动、停止的相关发明几乎没有。

发明内容

鉴于此，本发明提供了一种完全不需要人为参与地能够安全自动启动及停止的自平衡机器人及其控制方法。

一种自平衡机器人，包括控制模块、轮驱动模块、传感器模块、轮组件、支撑件驱动模块和支撑件；

所述轮驱动模块和所述支撑件驱动模块分别和所述控制模块连接；

所述轮驱动模块和所述轮组件连接，所述轮驱动模块用于驱动所述轮组件运动；

所述支撑件驱动模块和所述支撑件连接，所述支撑件驱动模块用于驱动所述支撑件下放或回收；

所述轮驱动模块、所述支撑件驱动模块和所述控制模块分别和所述传感器模块连接，所述传感器模块用于采集所述轮组件和所述支撑件的实时状态信息，所述传感器模块将所述轮组件的实时状态信息发送给所述轮驱动模块，所述传感器模块将所述支撑件的实时状态信息发送给所述支撑件驱动模块，所述传感器模块将所述轮组件和所述支撑件的实时状态信息发送给所述控制模块。

在一个实施例中，所述控制模块包括机器人控制单元和自平衡控制单元，所述机器人控制单元和所述自平衡控制单元连接，所述轮驱动模块和所述支撑件驱动模块分别和所述自平衡控制单元连接，所述传感器模块和所述自平衡控制单元连接。

在一个实施例中，所述支撑件为电动支架或电动脚蹬。

在一个实施例中，所述传感器模块包括第一传感器单元和第二传感器单元，所述控制模块和所述轮驱动模块分别和所述第一传感器单元连接，所述控制模块和所述支撑件驱动模块分别和所述第二传感器单元连接。

一种自平衡机器人的控制方法，包括以下步骤：

S10、初始化，读取存储的配置参数及支撑件运动时状态切换的判断依据；

S20、检测所述支撑件的位置，判断所述支撑件是否处于下放位置，若否，则进入S25，若是，则进入S30；

S25、控制所述支撑件复位，接着返回S20；

S30、保持初始状态下所述自平衡机器人静止站立或四轮运行模式，同时进行指令查询；

S40、判断所述自平衡机器人是否收到收起支撑件指令，若否，则返回S30，若是，则进入S50；

S50、控制回收所述支撑件，控制所述自平衡机器人以两轮平衡模式运行；

S60、判断所述自平衡机器人是否收到下放所述支撑件指令，若否，则进入S65，若是，则进入S70；

S65、保持所述自平衡机器人以两轮平衡模式运行；

S70、控制下放所述支撑件，控制所述自平衡机器人静止站立或进入四轮运行模式；

S80、判断所述自平衡机器人是否停止工作，若否，则返回S30，若是，则进入S85；

S85、停止工作。

在一个实施例中，所述配置参数包括所述自平衡机器人的平衡控制参数、轮组件驱动参数；

所述支撑件运动时状态切换的判断依据包括所述支撑件回收或者下放时用于判断何时为所述自平衡机器人提供动力的码盘数、所述支撑件运动时若超过限定位置所触发的电流阈值。

在一个实施例中，S20中，当检测到所述支撑件运动到所述下放位置时，则表示所述支撑件完成复位。

在一个实施例中，S50中，当检测到所述支撑件离开所述下放位置时，开始计算支撑件驱动模块转动的码盘数，当所述支撑件驱动模块转过预设的第一码盘数后，提供平衡动力，控制所述自平衡机器人动态运行。

在一个实施例中，S60中，当控制模块接收到关机指令时，则控制下放所述支撑件；

当电量低于预设安全值时，则控制下放所述支撑件；

当控制模块接收到临时停止平衡动力指令时，控制轮组件保持运动，且下放所述支撑件，配合所述支撑件末端的被动小轮，执行四轮运行模式。

在一个实施例中，S70中，当检测到所述支撑件离开回收位置时，开始计算支撑件驱动模块转动的码盘数，当所述支撑件驱动模块转过预设的第二码盘数后，停止提供平衡动力，同时所述支撑件继续运动，直至运动至所述下放位置。

上述自平衡机器人，控制模块负责自平衡机器人的启动、停止及运动等功能，且控制自平衡机器人启动后维持轮组件动态稳定的状态，向轮驱动模块发出控制指令；同时控制模块还要结合自平衡机器人当前状态进行支撑件的控制，向支撑件驱动模块发送控制指令。轮驱动模块负责根据指令驱动轮组件转动，以完成自平衡机器人的动态平衡、前进、后退及转向运动。支撑件驱动模块负责根据指令驱动支撑件进行回收和下放，以完成自平衡机器人的自动启动及停止操作。因此，上述自平衡机器人，通过安装可控制的支撑件并配有相关传感器模块，通过控制模块的控制，完成支撑件的下放、回收等动作，能够实现自平衡机器人完全自动地启动及停止。过程中不需要人为干预并且安全可靠，能够防止自平衡机器人在启动或停止过程中的意外倾倒。

上述自平衡机器人控制方法，在自平衡机器人启动后自动检测支撑件的位置，当其处于正确状态后(即支撑件处于下放位置)，才自动回收支撑件并进入机器人自平衡稳定状态。若支撑件位置不正确则先完成复位动作(即将支撑件进行下放运动，使其到达下放位置)，这样每次支撑件回收时处于同一个初始位置可以保证后续动作能够安全、准确完成。能够实现自平衡机器人完全自动地启动及停止。

附图说明

图1为一实施方式的自平衡机器人的系统模块图；

图2为图1所示的自平衡机器人的控制方法的流程图；

图3为自平衡机器人动态平衡，即支撑件回收时的状态示意图；

图4为自平衡机器人支架辅助站立状态的立体图；

图5为自平衡机器人支架辅助站立状态的主视图；

图6为自平衡机器人支架辅助站立状态的左视图；

图7为自平衡机器人支架辅助站立，即支撑件支架下放时的状态示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清晰，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。本发明中所说的固定连接，包括直接固定连接和间接固定。

如图1所示，一实施方式的自平衡机器人，包括控制模块10、轮驱动模块20、传感器模块、轮组件50、支撑件驱动模块30和支撑件60。

轮驱动模块20和支撑件驱动模块30分别和控制模块10连接。

轮驱动模块20和轮组件50连接，轮驱动模块20用于驱动轮组件50运动。

支撑件驱动模块30和支撑件60连接，支撑件驱动模块30用于驱动支撑件60下放或回收。

轮驱动模块20、支撑件驱动模块30和控制模块10分别和传感器模块连接，传感器模块用于采集轮组件50和支撑件60的实时状态信息，传感器模块将轮组件50的实时状态信息发送给轮驱动模块20，传感器模块将支撑件60的实时状态信息发送给支撑件驱动模块30，传感器模块将轮组件50和支撑件60的实时状态信息发送给控制模块10。

上述自平衡机器人，控制模块10负责自平衡机器人的启动、停止及运动等功能，且控制自平衡机器人启动后维持轮组件50动态稳定的状态，向轮驱动模块20发出控制指令；同时控制模块10还要结合自平衡机器人当前状态进行支撑件的控制，向支撑件驱动模块30发送控制指令。轮驱动模块20负责根据指令驱动轮组件50转动，以完成自平衡机器人的动态平衡、前进、后退及转向运动。支撑件驱动模块30负责根据指令驱动支撑件60进行回收和下放，以完成自平衡机器人的自动启动及停止操作。因此，上述自平衡机器人，通过安装可控制的支撑件60并配有相关传感器模块，通过控制模块10的控制，完成支撑件60的下放、回收等动作，能够实现自平衡机器人完全自动地启动及停止。过程中不需要人为干预并且安全可靠，能够防止自平衡机器人在启动或停止过程中的意外倾倒。

上述自平衡机器人能够应用在远程视频监控、引领讲解等场景。

在一个实施例中，控制模块10包括机器人控制单元12和自平衡控制单元14，机器人控制单元12和自平衡控制单元14连接，轮驱动模块20和支撑件驱动模块30分别和自平衡控制单元14连接，传感器模块和自平衡控制单元14连接。具体的，支撑件驱动模块30包括支撑件驱动电机。

具体的，机器人控制单元12负责自平衡机器人启动、停止及运动等功能，将指令交给自平衡控制单元14做下一步处理。自平衡控制单元14是机器人的核心，负责控制自平衡机器人启动后维持轮组件50动态稳定的状态，向轮驱动模块20发出控制指令；同时自平衡控制单元14还要结合自平衡机器人当前状态与机器人控制单元12发出的指令，进行支撑件60的控制，向支撑件驱动模块30发送控制指令。

在一个实施例中，支撑件60为电动支架或电动脚蹬。在一个实施例中，支撑件60为电动支架，电动支架安装在自平衡机器人的下放适宜位置。具有可转动或可伸缩的特点，下电停止时能够辅助支撑机器人站立，上电运行时能够在不影响自平衡机器人动态稳定的前提下自动收回。进一步的，在一个实施例中，电动支架分为前支撑脚和后支撑脚，前支撑脚和后支撑脚分别设于自平衡机器人的前下方和后下方。前支撑脚、后支撑脚、左轮和右轮的连线形成一个四边形结构。更进一步的，前支撑脚和后支撑脚远离自平衡机器人机体的一端均设有被动小轮。当自平衡机器人在遇到预设状态时，前支撑脚和后支撑脚下放，对自平衡机器人进行支撑，被动小轮在自平衡机器人动态运行时随左轮和右轮一起转动，形成四轮运行模式，辅助自平衡机器人平稳运行。

在一个实施例中，轮组件50安装在自平衡机器人下方，是自平衡机器人能够完成自平衡的执行机构。具体的，轮组件50包括左轮和右轮，左轮和右轮分别设于自平衡机器人的左边和右边。

在一个实施例中，传感器模块包括第一传感器单元42和第二传感器单元44，控制模块10和轮驱动模块20分别和第一传感器单元42连接。第一传感器单元42用于采集轮组件的工作状态。控制模块10和支撑件驱动模块30分别和第二传感器单元44连接。第二传感器单元44用于采集支撑件的位置信息。具体的，第二传感器单元44包括两个位置传感器。进一步的，两个位置传感器均采用距离传感器。两个传感器分别通过安装在前支撑脚和后支撑脚行程中的恰当位置来判断是否到达回收位置或下放位置。

上述自平衡机器人，机器人控制单元12、自平衡控制单元14、轮驱动模块20与支撑件驱动模块30分别采用独立的嵌入式板卡。自平衡机器人的控制方法主要布置在自平衡控制单元14、轮驱动模块20与支撑件驱动模块30的板载软件程序中。自平衡机器人底部左右为两个驱动轮，中间为装载电池、板卡的主体，头部为平板电脑。电动支架安装在机器人主体底部，前支撑脚和后支撑脚由电机驱动可以在机器人底部联动转动。当电动支架下放至前支撑脚和后支撑脚同时着地时可以支撑自平衡机器人。

请参考图2，还提供基于上述自平衡机器人的控制方法，包括以下步骤：

S10、初始化，读取存储的配置参数及支撑件运动时状态切换的判断依据。

配置参数包括自平衡机器人的平衡控制参数、轮组件驱动参数等。

支撑件运动时状态切换的判断依据包括支撑件回收或者下放时用于判断何时为自平衡机器人提供动力的码盘数、支撑件运动时若超过限定位置所触发的电流阈值等。

S10中，由控制模块读取存储的配置参数及支撑件运动时状态切换的判断依据。

S20、检测支撑件的位置，判断支撑件是否处于下放位置，若否，则进入S25，若是，则进入S30。

S20中，当检测到支撑件运动到下放位置时，则表示支撑件完成复位。该步骤中，检测的操作由传感器模块进行。

S25、控制支撑件复位，接着返回S20。

S25中，控制支撑件复位的操作为：控制支撑件向下放位置运动，直至传感器检测到其运动到下放位置时，停止支撑件运动，复位动作完成。

S30、保持初始状态下自平衡机器人静止站立或四轮运行模式，同时进行指令查询。

此时，自平衡机器人处于支架下放辅助站立的状态或者处于四轮运行模式，未进入动态平衡，只有当接收到自平衡机器人启动的指令时才会进入下一步骤，否则会继续维持此步骤，静止站立或以四轮模式运动。

S40、判断自平衡机器人是否收到收起支撑件指令，若否，则返回S30，若是，则进入S50。

S50、控制回收支撑件，控制自平衡机器人以两轮平衡模式运行。

S50中，当检测到支撑件离开下放位置时，开始计算支撑件驱动模块转动的码盘数，当支撑件驱动模块转过预设的第一码盘数后，提供平衡动力，控制自平衡机器人动态运行。

具体的，当自平衡机器人临时处于支撑件下放、无平衡动力电的情况时，进入本步骤后，控制模块立刻控制支撑件驱动模块驱动支撑件运动，回收支撑件。支撑件离开下放位置，向着回收位置运动。当控制模块通过传感器模块检测到支撑件从离开下放位置时算起，转过一定的码盘数后开始为自平衡机器人提供平衡动力，自平衡机器人进入两轮自平衡的动态稳定状态。此时支撑件继续运动，直至运动至回收位置或由于超过限位触发最大电流阈值而停止，则认为完成本步骤。

自平衡机器人在此步骤已经完成了回收支撑件，处于两轮动态平衡的状态，可以进行两轮自平衡站立、前进、后退及转向的运动。在此步骤下，自平衡机器人会忽略回收支撑件的指令，只有当系统发出下放支撑件指令时才会进入下一步骤。

图3为自平衡机器人处于自平衡状态且向前运动的示意图，此时自平衡机器人已经完成了支撑件回收，只通过两个驱动轮来动态保持平衡站立及前后转弯等动作。

S60、判断自平衡机器人是否收到下放支撑件指令，若否，则进入S65，若是，则进入S70。

S60中，支撑件的下放动作由以下三种情况触发：

一、当控制模块接收到关机指令时，则控制下放支撑件。

二、当电量低于预设安全值时，则控制下放支撑件。

三、当控制模块接收到临时停止平衡动力指令时，控制轮组件保持运动，且下放支撑件，配合支撑件末端的被动小轮，执行四轮运行模式。具体的，由于自平衡机器人潜在的某些特殊功能设计，需要临时停止平衡动力而由支撑件辅助机器人站立，此时自平衡机器人平衡系统下电(不与支撑件支撑相冲突)，但轮组件(即左轮和右轮)保留运动能力，配合支撑件末端的被动小轮，可执行四轮模式的运动。

S65、保持自平衡机器人以两轮平衡模式运行。

S70、控制下放支撑件，控制自平衡机器人静止站立或进入四轮运行模式。

S70中，当检测到支撑件离开回收位置时，开始计算支撑件驱动模块转动的码盘数，当支撑件驱动模块转过预设的第二码盘数后，停止提供平衡动力，同时支撑件继续运动，直至运动至下放位置。

下放支撑件的过程与回收支撑件类似。具体的，下放支撑件的过程如下，支撑件离开回收位置，向着下放位置运动。当控制模块通过传感器模块检测到支撑件离开回收位置时算起，转过一定的码盘数后停止为机器人平衡系统提供动力，同时支撑件继续运动，直至运动至下放位置(触发下放位置的位置传感器算起，并经过一定码盘值)或由于超过限位触发最大电流阈值而停止，最终完成下放支撑件。

图7为支架下放时，自平衡机器人在其辅助下的站立状态。下放命令开始后，电机驱动支架前后支撑脚同时向地面转动，当支架前后支撑脚恰好接触到地面时触发下放位置传感器，完成下放动作。图4、图5和图6为此时自平衡机器人站立状态的结构示意图。图4中，支撑件60辅助自平衡机器人保持站立。

S80、判断自平衡机器人是否停止工作，若否，则返回S30，若是，则进入S85。

S85、停止工作。

S80中，下放支撑件的操作如果是由正常关机或者电量过低所触发的，则自平衡机器人执行结束步骤，即停止工作。若下放支撑件的操作是临时停止所触发的，则返回S30，继续等待指令。

上述自平衡机器人及其控制方法，在自平衡机器人底部安装支撑件并在恰当的位置部署位置传感器等传感模块。在自平衡机器人启动后自动检测支撑件的位置，当其处于正确状态后(即支撑件处于下放位置)，才自动回收支撑件并进入机器人自平衡稳定状态。若支撑件位置不正确则先完成复位动作(即将支撑件进行下放运动，使其到达下放位置)，这样每次支撑件回收时处于同一个初始位置可以保证后续动作能够安全、准确完成。

支撑件回收时，控制模块通过支撑件转动的码盘数来判断何时为机器人自平衡提供动力；支撑件下放时，同样通过转动的码盘数来判断何时停止提供动力。事先恰当设置的码盘数可以防止自平衡机器人在启动时因为过早进入自平衡状态进行动态调整而导致尚未收起的支撑件与地面接触，进而引起可能的自平衡机器人失控现象。同时可以在放下支撑件时，避免过早地停止机器人自平衡稳态，产生机器人将要倾倒时支撑件才起到支撑作用的不良效果。

通过设定支撑件驱动电机的电流阈值，可以防止在位置传感器突然失去作用时支撑件运动超过行程所带来的机械损伤。

上述自平衡机器人，能够在无人辅助的情况下自动完成启动及停止过程，在过程中可以安全、可靠且顺滑地完成支架辅助站立状态与两轮动态平衡状态的切换，使得自平衡机器人能够在远程、无人的环境中应用。

以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种自平衡机器人，其特征在于，包括控制模块、轮驱动模块、传感器模块、轮组件、支撑件驱动模块和支撑件；

所述轮驱动模块和所述支撑件驱动模块分别和所述控制模块连接；

所述轮驱动模块和所述轮组件连接，所述轮驱动模块用于驱动所述轮组件运动；

所述支撑件驱动模块和所述支撑件连接，所述支撑件驱动模块用于驱动所述支撑件下放或回收；

所述轮驱动模块、所述支撑件驱动模块和所述控制模块分别和所述传感器模块连接，所述传感器模块用于采集所述轮组件和所述支撑件的实时状态信息，所述传感器模块将所述轮组件的实时状态信息发送给所述轮驱动模块，所述传感器模块将所述支撑件的实时状态信息发送给所述支撑件驱动模块，所述传感器模块将所述轮组件和所述支撑件的实时状态信息发送给所述控制模块。

2.如权利要求1所述的自平衡机器人，其特征在于，所述控制模块包括机器人控制单元和自平衡控制单元，所述机器人控制单元和所述自平衡控制单元连接，所述轮驱动模块和所述支撑件驱动模块分别和所述自平衡控制单元连接，所述传感器模块和所述自平衡控制单元连接。

3.如权利要求1所述的自平衡机器人，其特征在于，所述支撑件为电动支架或电动脚蹬。

4.如权利要求1所述的自平衡机器人，其特征在于，所述传感器模块包括第一传感器单元和第二传感器单元，所述控制模块和所述轮驱动模块分别和所述第一传感器单元连接，所述控制模块和所述支撑件驱动模块分别和所述第二传感器单元连接。

5.一种自平衡机器人的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

S10、初始化，读取存储的配置参数及支撑件运动时状态切换的判断依据；

S20、检测所述支撑件的位置，判断所述支撑件是否处于下放位置，若否，则进入S25，若是，则进入S30；

S25、控制所述支撑件复位，接着返回S20；

S30、保持初始状态下所述自平衡机器人静止站立或四轮运行模式，同时进行指令查询；

S40、判断所述自平衡机器人是否收到收起支撑件指令，若否，则返回S30，若是，则进入S50；

S50、控制回收所述支撑件，控制所述自平衡机器人以两轮平衡模式运行；

S60、判断所述自平衡机器人是否收到下放所述支撑件指令，若否，则进入S65，若是，则进入S70；

S65、保持所述自平衡机器人以两轮平衡模式运行；

S70、控制下放所述支撑件，控制所述自平衡机器人静止站立或进入四轮运行模式；

S80、判断所述自平衡机器人是否停止工作，若否，则返回S30，若是，则进入S85；

S85、停止工作。

6.如权利要求5所述的自平衡机器人的控制方法，其特征在于，所述配置参数包括所述自平衡机器人的平衡控制参数、轮组件驱动参数；

所述支撑件运动时状态切换的判断依据包括所述支撑件回收或者下放时用于判断何时为所述自平衡机器人提供动力的码盘数、所述支撑件运动时若超过限定位置所触发的电流阈值。

7.如权利要求5所述的自平衡机器人的控制方法，其特征在于，S20中，当检测到所述支撑件运动到所述下放位置时，则表示所述支撑件完成复位。

8.如权利要求5所述的自平衡机器人的控制方法，其特征在于，S50中，当检测到所述支撑件离开所述下放位置时，开始计算支撑件驱动模块转动的码盘数，当所述支撑件驱动模块转过预设的第一码盘数后，提供平衡动力，控制所述自平衡机器人动态运行。

9.如权利要求5所述的自平衡机器人的控制方法，其特征在于，S60中，当控制模块接收到关机指令时，则控制下放所述支撑件；

当电量低于预设安全值时，则控制下放所述支撑件；

当控制模块接收到临时停止平衡动力指令时，控制轮组件保持运动，且下放所述支撑件，配合所述支撑件末端的被动小轮，执行四轮运行模式。

10.如权利要求5所述的自平衡机器人的控制方法，其特征在于，S70中，当检测到所述支撑件离开回收位置时，开始计算支撑件驱动模块转动的码盘数，当所述支撑件驱动模块转过预设的第二码盘数后，停止提供平衡动力，同时所述支撑件继续运动，直至运动至所述下放位置。

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