CN1739924A - 自立式动态平衡移动机器人 - Google Patents

Abstract

一种自立式动态平衡移动机器人装置，包括两个分别由各自的带减速器的电机驱动旋转的轮子，机身内部的由长轴和以长轴中心为圆心的圆盘构成的飞轮，以及驱动飞轮旋转的不带减速器的飞轮电机。两个减速电机以45度的倾斜角对称安装在机器人机身的下部，两个轮子通过带有减速器的电机低速转动，飞轮通过不带减速器的飞轮电机高速带动。通过设定两个轮子和飞轮的运动方式和速度值，让飞轮产生足够大的反作用力矩，可使双轮移动机器人机身逐渐从水平的位置直立起来，达到实现自行直立的目的。本发明的机器人在自行直立过程中无需人力帮助，可以用在军事和远距离人们无法亲身实践的场合，拓宽了机器人的应用范围。

Description

自立式动态平衡移动机器人

技术领域

本发明涉及一种采用动态平衡原理平衡的自立式动态平衡移动机器人装置，通过该机器人装置上轮子的不同角度安排并增加高速转子飞轮，实现传统动态平衡移动机器人所不具备的自行直立功能，属于机器人领域。

背景技术

采用动态平衡原理实现运动的移动机器人包括独轮移动机器人和双轮移动机器人。独轮移动机器人较双轮移动机器人复杂的多，本发明涉及的范围限于更有实际应用价值的双轮动态平衡移动机器人。采用动态平衡原理实现运动的双轮移动机器人具有一些多轮移动机器人没有的优点。双轮移动机器人体积小、外形简单、相对多轮移动机器人具有较低的重心高度约束、移动灵活等。近年来，双轮移动机器人的研究与应用越来越受到研究人员的重视，对该类型机器人的控制也越来越成熟，并且已有相关的研究成果应用于日常生活中。

双轮移动机器人从本质上讲是不稳定的，这是由于仅有两个支撑点。即使以动态平衡原理实现移动，受到冲击、碰撞或干扰时也会不可避免的翻倒。目前对于启动双轮移动机器人移动都是通过人为帮助使其首先从平卧状态扶正到竖直状态，然后才开动机器人使之运动。若无人为协助该类型机器人还无法仅靠自身实现这种状态的改变，这样就会使双轮移动机器人只能局限在一个无法脱离人们活动的狭小范围，限制了机器人的使用，因此有必要在这方面对其做进一步的研究，扩大机器人使用场景和范围。另外，对于野外探测机器人和战场上用于军事观察的机器人，由于传统的多轮(三轮或三轮以上)移动机器人体积较大、不具备恶劣环境下被撞到或冲击后翻倒自行起立的功能，这使传统多轮移动机器人的应用场景被大大约束，因此发明一种具有自行直立功能的自立式机器人显得很有必要和有实用价值。然而考虑到多轮移动机器人机构上的特点，相比双轮移动机器人而言后者体积小、外形简单，易于实现自行直立的功能。经查找，中国发明专利(申请号01130912)公开了一种防倾覆两栖机器人。该发明提供了一种能够灵活运动的静态密封水陆两栖机器人，机器人的主体由两个可相对转动的轮壳构成，轮壳外缘装有叶片，可在水面上行走，两轮壳通过内部各自的电机驱动，当两电机对两轮壳的驱动速度相同时，机器人便做直线运动，速度不同时，便作转弯运动。由于机器人本身特殊的结构和外形使得机器人能够有效地防止水或其它有害的气体、水雾的侵入，同时防摔防撞，不怕翻倒，可用作玩具和特殊环境下的科学探测设备。由该发明专利摘要可知两栖机器人高度过低，不适于野外或军事场景等动态环境探测、观察使用。另外该发明专利指出机器人防摔防撞、不怕翻倒，并没有指出如何机器人翻倒后怎么在无人帮助下自行直立。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种自立式动态平衡移动机器人，能在受外力冲击翻倒后自行直立，不需人力帮助即可实现动态平衡，拓宽机器人的应用范围。

为实现这一目的，本发明所提供的一种自立式动态平衡移动机器人，包括两个分别由各自的带减速器的电机驱动旋转的轮子、机身内部的由长轴和以长轴中心为圆心的圆盘构成的飞轮、以及驱动飞轮旋转的不带减速器的飞轮电机。两个减速电机以45度的倾斜角对称安装在机器人机身的下部，两个轮子通过带有减速器的电机低速转动，飞轮通过不带减速器的飞轮电机高速带动。通过设定两个轮子和飞轮的运动方式和速度值，让飞轮产生足够大的反作用力矩，可使双轮移动机器人机身逐渐从水平的位置直立起来，达到实现自行直立的目的。

本发明的自立式动态平衡移动机器人具体结构描述如下：

本发明的自立式动态平衡移动机器人，包括两个轮子、两个齿轮组、带减速器的两个电机、飞轮、两个支承飞轮的支座、弹性联轴节、不带减速器的飞轮电机和机身。两个减速电机以机器人的垂直中心线为轴线，以45度的倾斜角对称安装在机器人机身的下部，并分别从机身两侧朝外伸出，各自通过一个齿轮组连接一个轮子。两个轮子互为90度，由各自的减速电机驱动作旋转运动。机身内部，一根位于机器人垂直轴线上的长轴和以长轴中心为圆心的圆盘构成一个对称的高速转子：飞轮，飞轮的圆盘位于两个减速电机的上方。飞轮长轴的上下两端各自与一个固定在机身上的飞轮支座以轴承方式连接。飞轮长轴的上端通过弹性联轴节与固定在机身上的飞轮电机相连。

本发明中驱动两个轮子的电机为带减速器的电机，可以驱动轮子作低速旋转。这两个减速电机经其上的安装孔固定在机身下部。驱动飞轮的电机为不带减速器的电机，安装在机器人机身内的上部，飞轮与该电机之间通过弹性联轴节相连。当机器人处于翻倒状态时，首先通过飞轮电机带动飞轮转动，并逐渐让飞轮加速，在达到一定要求后，启动两个带减速器的电机通过齿轮组带动各自连接的轮子运动，控制双轮中左、右轮的转向，使机器人在平面上旋转。当飞轮转动惯量和速度足够高以及机器人在平面上旋转速度达到一定值，机身便会在旋转运动中直立起来。

本发明的自立式动态平衡移动机器人结构简单、容易实现，由于机器人在自行直立过程中并无人力参与，从而使该类型机器人摆脱人为帮助的约束，可以用在军事和远距离人们无法亲身实践的场合，拓宽了机器人的应用范围。采用45斜角轮子安装方式可以使机器人在自行直立的过程中也能够同时行进，实现两种运动的合理结合。

附图说明

图1为本发明自立式动态平衡移动机器人的结构示意图。

图1中，1为轮子，2为齿轮组，3为减速电机，4为飞轮，5为飞轮支座，6为弹性联轴节，7为飞轮电机，8为机身。

图2是本发明自立式动态平衡移动机器人翻倒状态时的俯视简图，机器人外框代表水平面。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的技术方案作进一步描述。

本发明自立式动态平衡移动机器人的结构如图1所示，图中的机器人处在直立状态。两个减速电机3以机器人的垂直中心线为轴线，以45度的倾斜角对称安装在机器人机身8的下部，并分别从机身8两侧朝外伸出，各自通过一个齿轮组2连接一个轮子1。两个轮子1互为90度，由各自的减速电机3驱动作旋转运动。机身内部，一根位于机器人垂直轴线上的长轴和以长轴中心为圆心的圆盘构成一个对称的高速转子：飞轮4，飞轮4的圆盘位于两个减速电机3的上方。飞轮4长轴的上下两端各自与一个固定在机身上的飞轮支座5以轴承方式连接。飞轮4长轴的上端通过弹性联轴节6与固定在机身上的飞轮电机7相连。

本发明的移动机器人实现自立式动态平衡的过程如下：在该机器人初始状态为图2所示的翻倒状态时，首先通过控制电路让飞轮电机7带动飞轮4转动，使飞轮4按图2所示右端朝里左端朝外的旋转方向运动，并逐渐让飞轮4加速到极高的速度。在通过传感器获知飞轮4速度达到要求后，控制减速电机3启动并通过齿轮组2带动两个轮子1运动，必须要做到的是两个轮子中右轮转向为：其右上端朝里而左下端朝外的运动方式，即图2中右轮下面直线箭头所指方向；而双轮1中左轮转向为：其左上端朝外而右下端朝里的运动方式，即图2中左轮下面直线箭头所指方向。这样运动方式产生的效果为翻倒后机器人俯视时是绕某点逆时针打转，即图2中圆弧箭头所指方向。由于飞轮4安装在机身8上，这个打转运动同时也是飞轮4转轴的旋转运动，根据相关力学原理，飞轮4会对机身8有一个反作用力矩，当飞轮4转动惯量和速度足够高以及机器人在平面上旋转速度达到一定值，机身8便会在旋转运动中直立起来，而这个过程并无人力参与。由此使本发明的机器人具有自立式动态平衡的功能，可以摆脱人为帮助的约束，用在各种军事或远距离人们无法亲身实践的场合。

Claims (1)

1、一种自立式动态平衡移动机器人，其特征在于包括两个轮子(1)、两个齿轮组(2)、两个减速电机(3)、飞轮(4)、两个飞轮支座(5)、弹性联轴节(6)、飞轮电机(7)和机身(8)，两个减速电机(3)以机器人的垂直中心线为轴线，以45度的倾斜角对称安装在机器人机身(8)的下部，并分别从机身(8)两侧朝外伸出，各自通过一个齿轮组(2)连接一个轮子(1)，两个轮子(1)互为90度，由各自的减速电机(3)驱动作旋转运动，机身内部的飞轮(4)由位于机器人垂直轴线上的长轴和以长轴中心为圆心的圆盘构成，飞轮(4)的圆盘位于两个减速电机(3)的上方，飞轮(4)长轴的上下两端各自与一个固定在机身上的飞轮支座(5)以轴承方式连接，飞轮(4)长轴的上端通过弹性联轴节(6)与固定在机身上的飞轮电机(7)相连。

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