CN1256218C - 走钢丝机器人 - Google Patents

Abstract

一种走钢丝机器人，属于机器人技术领域。本发明包括：外部壳体、支撑轮、陀螺、内环驱动电机、内环框架、外环框架、陀螺驱动电机、阻尼器与传感器，外部壳体固定于外环框架，外部壳体下方设有两个支撑轮，陀螺设置在内环框架里，恒速转动的陀螺驱动电机固定在内环框架上，内环框架与外环框架呈正交结构，内环驱动电机固定在外环框架上，阻尼器和传感器联结于外环框架。实验结果表明，当机械与控制系统的参数按照理论设计取定值时，机器人可以非常稳定地在钢丝上行走。

Description

走钢丝机器人

技术领域

本发明涉及一种行走机器人，尤其是一种可以在钢丝上保持平衡并行走的走钢丝机器人，属于机器人技术领域。

背景技术

以走钢丝机器人的研究情况来看，国内目前尚无研制成功的报道。经文献检索发现，贾书惠在《力学与实践》的2002年第1期撰写的《飞轮的妙用》一文中，提到利用飞轮(陀螺)可以增加机器人和走钢丝杂技演员的稳定性，并为未展开深入探讨，只提出了一种利用飞轮来提供平衡的可能。其余多数文献中提及的陀螺均用于陀螺仪或传感器，并没有把陀螺直接用作稳定装置，如清华大学出版社出版的刘希珠、雷天玉主编的《陀螺力学基础》(第三章)。利用陀螺提供机器人的稳定性来设计走钢丝机器人的方法国内没有更多的文献提及。日本有过走钢丝机械的表演，但这只是一个单支点立在钢丝上的旋转陀螺，加上机器人的外壳(两点支撑在钢丝上)以后不能保持平衡。在日本还有一种能在钢丝上行走的机器人，但它的重心在钢丝的下方，从严格的意义上讲也不能认为它是一种走钢丝机器人。至于重心在支点上方的走钢丝机器人，目前为止未见相关研究报道。

发明内容

本发明针对背景技术的不足，提供一种走钢丝机器人，使其从数学角度揭示了两支点走钢丝机器人平衡原理，为机器人平衡直立机构的设计提供了理论依据，同时通过控制使得整个机器人机构能够在钢丝上站立，并成功实现了在钢丝上的平衡及走动。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：外部壳体、支撑轮、陀螺、内环驱动电机、内环框架、外环框架、陀螺驱动电机、阻尼器与传感器，其连接方式为：外部壳体固定于外环框架，外部壳体下方设有两个制成轮，外部壳体并依靠两个支撑轮站立在钢丝上；陀螺安装在内环框架里，由一个固定在内环框架上的恒速转动的陀螺驱动电机驱动。以固定角速度转动；内环框架与外环框架呈正交结构，可以相对于外环框架转动，其转动速度由固定在外环框架上的内环驱动电机提供；阻尼器和传感器联结于外环框架，检测到机器人在钢丝上的倾斜角度，并把它变成电信号，再经过控制部分控制内环驱动电机。当陀螺随内环一起按照一定的控制规律相对于外环转动时，所产生的陀螺力矩可以与机器人所受到的重力矩相平衡，从而实现机器人站立在钢丝上不倒。

当机器人受到重力矩作用时，机器人会绕钢丝偏转。陀螺依靠电机以恒速运转以保证角动量恒定。通过控制内环驱动电机来控制内框架的进动速度从而控制陀螺力矩。合适的陀螺力矩会抵消重力矩。使用传感器来检测机器人的偏转角度，然后将角度信号转换成电压信号，再用该信号来控制内环驱动电机。这就组成了一个闭环控制系统。

陀螺随着内环框架一起在内环驱动电机的作用下相对于外环框架旋转，并且陀螺的重心位置高于内环框架的转动轴线。整个机构的平衡通过控制陀螺力矩的大小来抵消重力产生的倾倒力矩实现平衡。当机构发生倾倒时，高速旋转陀螺会产生相应的进动，并由于其陀螺效应而产生陀螺力矩，与倾倒力矩相平衡。传感器测出相应倾角，进而通过适当的控制方法控制电机改变陀螺进动角速度，从而调节陀螺力矩与倾倒力矩相平衡，使得整个机构的平衡能够保持。本发明把陀螺固定在呈十字形正交的内外环框架中，机器人外部壳体与外环框架固结，内环框架和陀螺一起可以相对外框进动，通过电机控制这一进动速度就可以控制机器人外部壳体在钢丝上以小角度摆动。其关键就在于通过一种两点支撑机器人结构和相应的闭环控制策略实现了机器人平衡。这一设计克服了两点支撑陀螺不能自平衡的缺点，并且，闭环控制策略又解决了两点支撑陀螺在摩擦等因素影响下最终会失去平衡的问题。

本发明具有实质性特点和显著进步，本发明真正实现了重心完全在钢丝上方的机械系统的自平衡，通过闭环控制和相应的控制策略解决了带有两支点框架支撑陀螺不能长久保持稳定的问题。实验结果表明，当机械与控制系统的参数按照理论设计取定值时，机器人可以非常稳定地在钢丝上行走。

附图说明

图1本发明结构示意图

具体实施方式

如图1所示，本发明包括：外部壳体1、支撑轮2、陀螺3、内环驱动电机4、内环框架5、外环框架6、陀螺驱动电机7、阻尼器与传感器8，其连接方式为：外部壳体1固定于外环框架6，外部壳体1下方设有两个支撑轮2，外部壳体1通过两个支撑轮2站立在钢丝上，陀螺3设置在内环框架5里，恒速转动的陀螺驱动电机7固定在内环框架5上，内环框架5与外环框架6呈正交结构，可相对于外环框架6转动，其转动速度由内环驱动电机4提供，内环驱动电机4固定在外环框架6上，阻尼器和传感器8联结于外环框架6，检测到机器人在钢丝上的倾斜角度，并把它变成电信号，再经过控制部分控制内环驱动电机。

陀螺3随着内环框架5一起在内环驱动电机4的作用下相对于外环框架6旋转，并且陀螺3的重心位置高于内环框架5的转动轴线。

机器人工作时，在陀螺驱动电机7上施加恒定电压，内环驱动电机4上施加控制电压，机器人整体依靠支撑轮2站立在钢丝上。陀螺3在内环框架5中高速旋转，通过控制内环驱动电机4来控制内环框架5的转动速度，机器人可以绕钢丝转动。根据陀螺力矩的产生原理和陀螺进动理论，机器人在钢丝上的倾斜角和内环框架5的转动速度有耦合关系，这样，把内环框架5的转动速度控制在一定范围内以后，机器人在钢丝上的倾斜角就会保持在一定范围内。在通过支撑轮2，机器人就可以在钢丝上前进。

Claims (3)

1、一种走钢丝机器人，包括：外部壳体(1)、支撑轮(2)、陀螺(3)、内环驱动电机(4)、内环框架(5)、外环框架(6)、陀螺驱动电机(7)、阻尼器与传感器(8)，其特征在于，外部壳体(1)固定于外环框架(6)，外部壳体(1)下方设有两个支撑轮(2)，陀螺(3)设置在内环框架(5)里，恒速转动的陀螺驱动电机(7)固定在内环框架(5)上，内环框架(5)与外环框架(6)呈正交结构，内环驱动电机(4)固定在外环框架(6)上，阻尼器和传感器(8)联结于外环框架(6)，机器人工作时，在陀螺驱动电机(7)上施加恒定电压，使得陀螺(3)在内环框架(5)中高速旋转，阻尼器和传感器(8)联结于外环框架(6)，检测到机器人在钢丝上的倾斜角度，并把它变成控制信号控制内环驱动电机(4)的旋转，带动整个内环框架(5)与陀螺(3)一起相对于外环框架旋转，从而控制陀螺力矩，使得陀螺力矩与机器人的重力矩相抵消，实现机器人在钢丝上稳定站立。

2、根据权利要求1所述的走钢丝机器人，其特征是，陀螺(3)随着内环框架(5)一起在内环驱动电机(4)的作用下相对于外环框架(6)旋转，并且陀螺(3)的重心位置高于内环框架(5)的转动轴线。

3、根据权利要求1所述的走钢丝机器人，其特征是，外部壳体(1)通过两个支撑轮(2)站立在钢丝上，内环框架(5)相对于外环框架(6)转动，其转动速度由内环驱动电机(4)提供。