CN115107901A - 一种单轮平衡运动装置 - Google Patents

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张子睿
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Abstract

本发明涉及机器人运动技术领域，具体涉及一种单轮平衡运动装置，包括主体框架、全向轮、行进电机、转向电机、平衡结构和齿轮传动组，平衡结构安装在主体框架侧面，全向轮安装在主体框架底部，齿轮传动组安装在主体框架上，行进电机和转向电机分别通过齿轮传动组连接全向轮，齿轮传动组包括转向主动齿轮和转向从动齿轮，主体框架底部开设有转向从动齿轮安装孔，转向从动齿轮通过轴承安装在转向从动齿轮安装孔，转向主动齿轮套装在转向电机的输出轴，转向主动齿轮与转向从动齿轮啮合，转向从动齿轮底部安装有全向轮安装座，全向轮安装在全向轮安装座上。该单轮平衡运动装置可以在任意角度快速转向，机动性高。

Description

一种单轮平衡运动装置
技术领域
本发明涉及机器人运动技术领域，具体涉及一种单轮平衡运动装置。
背景技术
机器人运动多种多样，目前主要分有节肢式和轮式两种，其中轮式有多轮结构、球式结构、履带式结构和单轮平衡结构等。
采用多全向轮结构的运动装置，虽具有转弯半径小、动作灵活等特点，但装置的底盘至少安装有三个全向轮，占用空间大。
单轮式平衡结构主要是可以前进后退但无法转向的独轮为主，而实现多角度转向的大部分采用球式结构，即改变球的运动来实现整个机器人的运动，但球式结构球体弹性较大容易导致机器人运动不稳定、控制算法过于复杂、难以操控等；而单轮式平衡结构却只能前进和后退，虽然控制算法简单，鲁棒性较好，但运动过于单一，很难应用到实际场景。
发明内容
针对现有技术中存在的技术问题，本发明的目的是：提供一种单轮平衡运动装置，该单轮平衡运动装置可以在任意角度快速转向，机动性高。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：一种单轮平衡运动装置，包括主体框架、全向轮、行进电机、转向电机、平衡结构和齿轮传动组，平衡结构安装在主体框架侧面，全向轮安装在主体框架底部，齿轮传动组安装在主体框架上，行进电机和转向电机分别通过齿轮传动组连接全向轮；
齿轮传动组包括转向主动齿轮和转向从动齿轮，主体框架底部开设有转向从动齿轮安装孔，转向从动齿轮通过轴承安装在转向从动齿轮安装孔，转向主动齿轮套装在转向电机的输出轴，转向主动齿轮与转向从动齿轮啮合，转向从动齿轮底部安装有全向轮安装座，全向轮安装在全向轮安装座上。
进一步的，齿轮传动组还包括行进主动齿轮、行进从动齿轮、行进齿轮轴、行进锥齿轮和行进斜齿轮，行进齿轮轴通过轴承安装在转向从动齿轮上，行进主动齿轮套装在行进电机的输出轴，行进从动齿轮和行进锥齿轮分别套装在行进齿轮轴的两端，行进斜齿轮同轴安装在全向轮的一侧，行进主动齿轮和行进从动齿轮啮合，行进锥齿轮与行进斜齿轮啮合。
进一步的，行进从动齿轮包括第一行进从动齿轮和第二行进从动齿轮，第二行进从动齿轮通过行进齿轮轴与行进锥齿轮连接，行进主从齿轮、第一行进从动齿轮和第二行进从动齿轮依次啮合。
进一步的，全向轮安装座上开设有锥齿轮安装孔，行进锥齿轮安装在锥齿轮安装孔内。
进一步的，平衡结构包括第一平衡电机、第二平衡电机、第一惯性轮和第二惯性轮，第一平衡电机和第二平衡电机安装在主体框架，第一平衡电机的输出轴和第二平衡电机的输出轴互相垂直，第一惯性轮安装在第一平衡电机的输出轴，第二惯性轮安装在第二平衡电机的输出轴。
进一步的，主体框架包括底座、顶板、支柱、支柱两端分别连接底座和顶板，转向从动齿轮安装孔开设在底座上，第一平衡电机安装座和第二平衡电机安装座均安装在底座侧面，第一平衡电机安装在第一平衡电机安装座，第二平衡电机安装在第二平衡电机安装座，行进电机和转向电机均安装在齿轮传动组上端。
进一步的，平衡结构还包括陀螺仪，陀螺仪安装在顶板。
进一步的，主体框架还安装有主控板，主控板分别与行进电机、转向电机和平衡结构电连接。
进一步的，主体框架还安装有无线通信器。无线通信器与主控板电连接。
总的说来，本发明具有如下优点：(1)通过转向电机、转向主动齿轮和转向从动齿轮与全向轮的配合，使该单轮平衡运动装置在维持平衡的同时，实现了在任意角度快速转向，机动性高的优点。
(2)行进电机、行进从动齿轮、行进齿轮轴、行进锥齿轮和行进斜齿轮以及全向轮的配合，使得该单轮平衡运动装置实现了移动功能的同时，结构简单，传动效率高且具有较强的可靠性。
(3)平衡结构包括平衡电机和惯性轮，通过对惯性轮转向和转动速度的调整，即可维持该单轮平衡运动装置的平衡状态。
(4)通过主控板与行进电机、控制电机以及平衡结构的连接，主控板可以实时掌握该装置的各项状态信息，通过无线通信装置实时传输给控制者，使控制者方便快速的根据信息反馈进行控制。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是本发明的齿轮传动组与平衡结构的结构示意图。
图3是本发明齿轮传动组与全向轮的结构示意图。
图4是本发明齿轮传动组与全向轮的主视图。
图5是本发明齿轮传动组的局部放大图。
其中：1为齿轮传动组，1-1为转向主动齿轮，1-2为中间转向从动齿轮，1-3为转向从动齿轮，1-4为行进主动齿轮，1-5为第一行进从动齿轮，1-6为第二行进从动齿轮，1-7为行进锥齿轮，1-8为行进斜齿轮，2-1为顶板，2-2为支柱，2-3为底座，3为转向电机，4为行进电机，5为全向轮，5-1为全向轮安装座，6为平衡机构，6-1为第一惯性轮，6-2为第一平衡电机安装座，6-3为第一平衡电机，6-4为第二惯性轮，6-5为第二平衡电机安装座，6-6为陀螺仪，7为主控板，8为无线通信器。
具体实施方式
下面将结合附图和具体实施方式来对本发明做进一步详细的说明。
一种单轮平衡运动装置，包括主体框架、全向轮5、行进电机4、转向电机3、平衡结构6和齿轮传动组1，平衡结构6安装在主体框架侧面，全向轮5安装在主体框架底部，齿轮传动组1安装在主体框架上，行进电机4和转向电机3分别通过齿轮传动组1连接全向轮5；
齿轮传动组1包括转向主动齿轮1-1和转向从动齿轮1-3，在本实施例中，转向主动齿轮1-1和转向从动齿轮1-3通过中间转向从动齿轮1-2连接在一起，中间转向从动齿轮1-2安装在底座2-3上，转向从动齿轮1-3和中间转向从动齿轮1-2之间具有一定距离，通过皮带轮(图中未画出)传动，中间转向从动齿轮1-2独立安装在底座2-3上，在转向从动齿轮1-3带动全向轮5转向时，中间转向从动齿轮1-2依然可以保证整体的动力传输可以稳定运行。
主体框架底部开设有转向从动齿轮安装孔，转向从动齿轮1-3通过轴承安装在转向从动齿轮安装孔，转向主动齿轮1-1套装在转向电机的输出轴，转向从动齿轮1-3底部安装有全向轮安装座5-1，全向轮5安装在全向轮安装座5-1上，在本实施例中，全向轮安装座5-1有两个，全向轮安装座5-1顶部与转向从动齿轮1-3顶部连接，且全向轮安装座5-1对称安装，可以跟随转向从动齿轮1-3的旋转而转动，进一步的，即可实现全向轮5的转向功能。
进一步的，齿轮传动组1还包括行进主动齿轮1-4、行进从动齿轮、行进齿轮轴(图中未画出)、行进锥齿轮1-7和行进斜齿轮1-8，行进齿轮轴通过轴承安装在转向从动齿轮1-3上，行进主动齿轮1-4套装在行进电机4的输出轴上，行进从动齿轮和行进锥齿轮1-7分别套装在行进齿轮轴的两端，行进斜齿轮1-8同轴安装在全向轮5的一侧，行进主动齿轮1-4和行进从动齿轮啮合，行进锥齿轮1-7与行进斜齿轮1-8啮合。
在本实施例中，行进从动齿轮包括第一行进从动齿轮1-5和第二行进从动齿轮1-6，行进主动齿轮1-4、第一行进从动齿轮1-5和第二行进从动齿轮1-6依次啮合，第二行进从动齿轮1-6通过行进齿轮轴与行进锥齿轮1-7连接，同时行进齿轮轴通过轴承安装在转向从动齿轮1-3上，行进齿轮轴可以跟随转向从动齿轮1-3一起转动，同时第二行进从动齿轮1-6还与第一行进从动齿轮1-5啮合，构成行星齿轮组，因此在全向轮5转向时，行进机构不会因为全向轮5的转向而产生干涉，影响装置的运动，而且齿轮传动组1内集成了用于转向的齿轮组和用于行进的齿轮组，充分利用了齿轮传动组1内的空间，大大提高了空间利用率，还简化了装置结构。
在本实施例中，齿轮传动组1上端安装有电机支撑板，行进电机4和转向电机3安装在电机支撑板上，同时，第一行进从动齿轮1-5上端固定在电机支撑板上，保证第一行进从动齿轮1-5只能旋转而不能移动，使整个齿轮传动组1更加稳定，用于行进的齿轮组和用于转向的齿轮组独立作用，不会互相干涉，进一步保证了装置运行的稳定性。
全向轮安装座5-1上开设有锥齿轮安装孔，行进锥齿轮1-7安装在锥齿轮安装孔内，进一步缩减了占用空间，减少了装置的体积。
平衡结构6包括第一平衡电机6-3、第二平衡电机(图中视角被遮挡未显示)、第一惯性轮6-1和第二惯性轮6-4，第一平衡电机6-3和第二平衡电机安装在主体框架，第一平衡电机6-3的输出轴和第二平衡电机的输出轴互相垂直，第一惯性轮6-4安装在第一平衡电机6-3的输出轴，第二惯性轮6-4安装在第二平衡电机的输出轴，在本实施例中，平衡结构6还包括陀螺仪6-6，陀螺仪6-6安装在顶板2-1，两个惯性轮重约150g，分别作用于该装置的X轴方向和Y轴方向，陀螺仪6-6可以实时获取该装置的站立姿态，包括X轴和Y轴的方向上的加速度等数据，通过对两个惯性轮的转速进行控制，即可调整该装置的平衡。
主体框架包括底座2-3、顶板2-1、支柱2-2、支柱2-2两端分别连接底座2-3和顶板2-1，转向从动齿轮安装孔开设在底座2-3上，第一平衡电机安装座6-2和第二平衡电机安装座6-5均安装在底座2-3侧面，第一平衡电机6-3安装在第一平衡电机安装座6-2，第二平衡电机安装在第二平衡电机安装座6-5，行进电机4和转向电机3均安装在齿轮传动组上端，同时顶板2-1上还安装有主控板7和无线通信器8，主控板7分别与行进电机4、转向电机3和平衡结构6电连接，无线通信器8与主控板7电连接，主控板7可以实时掌握该装置的各项状态信息，通过无线通信装置8实时传输给控制者，使控制者方便快速的根据信息反馈进行控制，同时，陀螺仪6-6、主控板7和无线通信器8均安装在顶板2-1上，并且这些电控零件整体的重心仍保持在中轴线上，便于装置保持平衡。在本实施例中，无线通信器8采用的是路由器。
在使用本发明时，在启动前，首先将该装置尽可能竖直摆放，然后启动，陀螺仪将实时检测装置的倾斜角度和倾斜速度，并将这些数据反馈给主控板。
在静止状态下，全向轮不动，主控板根据陀螺仪计算出两个惯性轮所需的参数值，通过第一平衡电机和第二平衡电机加以修正，使装置在倾斜的瞬间可以被第一惯性轮和第二惯性轮的反作用力修正回平衡点，从而通过装置的内部运动来保持整体的静态。
在运动状态下，使用路由器跟上位机通信，上位机连接操控手柄。操控手柄的信号会通过上位机传送给主控板，主控板根据该信号计算出全向轮的转向和速度，计算出行进电机和转向电机的转速。而全向轮运动产生的加速度，通过陀螺仪自带的加速度计反馈该数据。通过加速度、倾斜角度以及倾斜速度的数据即可计算出第一惯性轮和第二惯性轮在运动状态下的转速，从而实现整个装置的动态平衡。
总的来说，该装置通过转向电机、转向主动齿轮和转向从动齿轮与全向轮的配合，使该单轮平衡运动装置在维持平衡的同时，实现了在任意角度快速转向，机动性高的优点；行进电机、行进从动齿轮、行进齿轮轴、行进锥齿轮和行进斜齿轮以及全向轮的配合，使得该单轮平衡运动装置实现了移动功能的同时，结构简单，传动效率高且具有较强的可靠性；平衡结构包括平衡电机和惯性轮，通过对惯性轮转向和转动速度的调整，即可维持该单轮平衡运动装置的平衡状态；通过主控板与行进电机、控制电机以及平衡结构的连接，主控板可以实时掌握该装置的各项状态信息，通过无线通信装置实时传输给控制者，使控制者方便快速的根据信息反馈进行控制。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种单轮平衡运动装置，其特征在于，包括主体框架、全向轮、行进电机、转向电机、平衡结构和齿轮传动组，平衡结构安装在主体框架侧面，全向轮安装在主体框架底部，齿轮传动组安装在主体框架上，行进电机和转向电机分别通过齿轮传动组连接全向轮；
齿轮传动组包括转向主动齿轮和转向从动齿轮，主体框架底部开设有转向从动齿轮安装孔，转向从动齿轮通过轴承安装在转向从动齿轮安装孔，转向主动齿轮套装在转向电机的输出轴，转向主动齿轮与转向从动齿轮啮合，转向从动齿轮底部安装有全向轮安装座，全向轮安装在全向轮安装座上。
2.根据权利要求1所述的一种单轮平衡运动装置，其特征在于，齿轮传动组还包括行进主动齿轮、行进从动齿轮、行进齿轮轴、行进锥齿轮和行进斜齿轮，行进齿轮轴通过轴承安装在转向从动齿轮上，行进主动齿轮套装在行进电机的输出轴，行进从动齿轮和行进锥齿轮分别套装在行进齿轮轴的两端，行进斜齿轮同轴安装在全向轮的一侧，行进主动齿轮和行进从动齿轮啮合，行进锥齿轮与行进斜齿轮啮合。
3.根据权利要求2所述的一种单轮平衡运动装置，其特征在于，行进从动齿轮包括第一行进从动齿轮和第二行进从动齿轮，第二行进从动齿轮通过行进齿轮轴与行进锥齿轮连接，行进主从齿轮、第一行进从动齿轮和第二行进从动齿轮依次啮合。
4.根据权利要求2所述的一种单轮平衡运动装置，其特征在于，全向轮安装座上开设有锥齿轮安装孔，行进锥齿轮安装在锥齿轮安装孔内。
5.根据权利要求1所述的一种单轮平衡运动装置，其特征在于，平衡结构包括第一平衡电机、第二平衡电机、第一惯性轮和第二惯性轮，第一平衡电机和第二平衡电机安装在主体框架，第一平衡电机的输出轴和第二平衡电机的输出轴互相垂直，第一惯性轮安装在第一平衡电机的输出轴，第二惯性轮安装在第二平衡电机的输出轴。
6.根据权利要求5所述的一种单轮平衡运动装置，其特征在于，主体框架包括底座、顶板、支柱、支柱两端分别连接底座和顶板，转向从动齿轮安装孔开设在底座上，第一平衡电机安装座和第二平衡电机安装座均安装在底座侧面，第一平衡电机安装在第一平衡电机安装座，第二平衡电机安装在第二平衡电机安装座，行进电机和转向电机均安装在齿轮传动组上端。
7.根据权利要求5所述的一种单轮平衡运动装置，其特征在于，平衡结构还包括陀螺仪，陀螺仪安装在顶板。
8.根据权利要求1所述的一种单轮平衡运动装置，其特征在于，主体框架还安装有主控板，主控板分别与行进电机、转向电机和平衡结构电连接。
9.根据权利要求1所述的一种单轮平衡运动装置，其特征在于，主体框架还安装有无线通信器。无线通信器与主控板电连接。
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