CN201525024U - 一种柔性两轮自平衡机器人 - Google Patents

Abstract

一种柔性两轮自平衡机器人，包括主控制器(1)、运动控制器(2)、辅助控制器(3)、伺服驱动器(4)、传感器、输入输出设备、直流电机(5)和电源系统；躯干顶板(11)上设有摄像头(12)，躯干(6)和底盘(8)均装有倾角仪、陀螺仪，躯干(6)和底盘(8)之间以装有双臂扭簧(25)和圆柱弹簧(26)的柔性关节(7)连接；主控制器(1)与运动控制器(2)、辅助控制器(3)、输入输出设备连接，运动控制器(2)与倾角仪(15，18)和陀螺仪(16，19)、伺服驱动器(4)连接，伺服驱动器(4)与直流电机(5)连接，辅助控制器(3)与超声波传感器(17)、遥控接收器(27)连接。可作为机器人学和控制科学领域交叉的综合研究对象，满足多学科研教的需要。

Description

一种柔性两轮自平衡机器人

技术领域

本实用新型涉及一种两轮移动式机器人，为工科院校的控制理论课程和机器人设计课程提供一种实验研究平台。

背景技术

两轮自平衡机器人，又称移动式倒立摆，它的行走机构为轴心相对、平行连接于机体两侧的轮子。该种机器人兼有移动式机器人的离散时间动作决策问题和倒立摆的连续时间姿态控制问题。因而，它可成为机器人学和控制科学领域交叉的综合研究对象和理想示教设备。

现有的两轮自平衡机器人的机身整体为刚性构造，例如专利ZL200510094939.X中所述机器人。从模仿人类身体来设计机器人的角度来说，刚性机体不能体现出人类躯体，尤其是腰部结构所具有的前后俯仰运动中的柔性(弹性)。然而，完全真实仿照人体，利用人工肌肉和人工关节软组织设计机器人难度大、成本高、控制复杂、不易维护，作为仅针对柔性机体机器人的平衡控制和运动控制问题的研究和示教设备并不实用。

针对上述问题，专利ZL200720103279.1设计了一种柔性两轮直立式机器人本体。该机器人引入一段圆柱弹簧连接实现柔性机身，这种设计虽然简单易行，但是存在一些不足。首先，单纯的圆柱弹簧连接方式使该机器人柔性段具有无限自由度，其中绝大部分不可控制，例如左右晃动自由度，这对于两轮直立式机器人姿态控制的研究并没有显著意义，反而带来很多不必要的麻烦。其次，在柔性关节高度不变的情况下，圆柱弹簧材料直径和圈数变化范围十分有限，直接制约柔性关节刚度值的取值范围，使机器人作为示教设备在操作性和参数调节范围上略显不足。此外，专利ZL200720103279.1仅涉及该类机器人的机械本体结构，并没有给出机器人适用的电气系统和姿态平衡控制方法。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提出一种机身具有柔性俯仰关节的两轮自平衡机器人。该机器人是一种开放式智能机器人研究开发平台，为控制科学和机器人学的研究和教学提供实验对象；运动控制方法实现该机器人的基本功能，为用户开发、使用该机器人提供参考。

本实用新型是采用以下技术手段实现的：

一种柔性两轮自平衡机器人，包括电气系统和机械本体；其中，所述电气系统包括主控制器、运动控制器、辅助控制器、电机伺服驱动器、传感器、输入输出设备、直流电机和电源系统；所述机械本体包括躯干、柔性关节、底盘、保护支架和双轮。

躯干为层式框架，顶板上固定有至少一个摄像头，顶板和底板之间由隔板分隔成若干层，躯干安装倾角仪、陀螺仪和超声波传感器；所述躯干底板和底盘之间以柔性关节连接；底盘为箱式结构，在其内部装载倾角仪、陀螺仪，直流电机分别固定在底盘两侧内壁上，电机的轴一端与轮子的轴联接，另一端接编码器；底盘底面安装有可拆卸保护支架，支架末端有悬空脚轮；双轮的轴心位于一条直线上。

所述柔性关节的顶端和底端为上、下支承圆盘、，剖面为“凸”字形，圆盘中心的通孔用于穿过电线；上、下支承圆盘以两个同心转动轴铰接，两个转动轴向外的延伸部分，各固定一个双臂扭簧，扭簧的上臂固定在上支承圆盘上，扭簧的下臂固定在下支承圆盘上；在上、下支撑圆盘之间压紧固定一段圆柱弹簧，其两端分别套在上、下支撑圆盘的凸台外。

主控制器为嵌入式计算机系统。

运动控制器选用数字信号处理器系统。

辅助控制器选用单片机或数字信号处理系统。

传感器包括：检测机器人躯干和底盘俯仰倾角变化的倾角仪，倾角速度变化的陀螺仪，检测电机转角变化的编码器，检测图像信息的摄像头，以及检测障碍物距离信息的超声波传感器。

电气系统的主控制器与运动控制器、辅助控制器、输入输出设备连接；运动控制器与倾角仪、陀螺仪、编码器、伺服驱动器相连接；辅助控制器与超声波传感器和遥控接收器连接；摄像头与主控制器；电源系统连接各电气设备供电。

前述的电源系统包括：充电电池、转换电压的电源继电器板、监测电池电压的电源监控板。

前述的直流电机选用直流力矩电机、带减速器的直流电机或直流无刷电机。

前述的输入输出设备包括：键盘、鼠标、遥控器、液晶显示屏、显示器、麦克风、扬声器。

本实用新型与现有技术相比，具有以下优点：

第一，本实用新型作为一种智能机器人，兼有移动式机器人的离散时间动作决策问题和倒立摆的连续时间姿态控制问题，因此可作为机器人学和控制科学领域交叉的综合研究对象，满足多学科研教的需要。

第二，本实用新型在保留两轮自平衡机器人的原有优点基础上，具有新的应用价值，是一种与工程实际问题联系紧密，实用价值较高的研究、示教设备。在一些实际应用中，如火箭发射，存在重心在支点之上的控制问题，而这类对象并不是限定在直线或圆形轨道上运动的，因此轨道式倒立摆对这类问题的模拟具有局限性。两轮自平衡机器人(移动式倒立摆)则更接近实际控制问题。本实用新型具有双轮行走机构，延续了两轮自平衡机器人上述优势。此外，在实际应用中，某些仿人两轮机器人的腰部关节以及两轮电动车的驾驶员腰部都可看作柔性关节而抽象为本实用新型所述结构，因此本实用新型可作为研究这类特定系统控制问题的理想对象。

第三，本实用新型改进了柔性关节的机械结构，使得它在应用中更加合理、实用。首先，引入单自由度旋转铰，将机器人柔性关节平衡的控制目标限定在俯仰自由度，从而保证系统的可控性。另外，在柔性关节高度不变的情况下，圆柱弹簧材料直径和圈数可调范围十分有限，制约了柔性关节刚度值的调节范围，而扭簧横卧的安装方式使得弹簧材料直径的选择余地大大增加，引入对称扭簧则能扩大柔性关节的刚度调节范围，使得机器人作为研究对象时具有更丰富的特性。

第四，本实用新型中的柔性关节中弹簧的动态特性是非线性的，而弹簧材料的阻尼、疲劳以及关节的摩擦带来系统参数的不确定性，这使得系统的非线性和不确定性增加，更加适合非线性控制、鲁棒控制和智能控制的研究。

第五，本实用新型的电气系统采用层式结构，各级控制器各司其职，使得机器人的处理性能更加强劲，能够有效降低应对复杂控制算法时的计算负担，这十分符合该机器人作为多用途研究平台的定位。此外，分层结构使得硬件系统具有良好的扩展能力。

第六，本实用新型的电气系统既有PC系统，也包括嵌入式系统，而且在其PC系统中能直接开发各嵌入式系统的应用软件。这样，用户在连接鼠标、键盘、显示器等I/O设备后，在机器人上直接开发多种硬件系统的程序，既方便了开发，又能够实践多种硬件体系的软件开发过程，使得机器人适用于多门课程的教学实践环节。

第七，本实用新型配备遥控系统和避障系统，使得机器人具有遥控操作和自主避障运行的双重模式。

第八，本实用新型配备视觉传感系统和语音处理系统，使得机器人可扩展视觉识别、语音识别功能。

附图说明

图1柔性两轮自平衡机器人的机械结构主视图；

图2柔性两轮自平衡机器人的电子元件布局示意图；

图3柔性两轮自平衡机器人的机械结构侧视图；

图4柔性两轮自平衡机器人底盘的俯视图；

图5柔性两轮自平衡机器人的柔性关节结构主视图；

图6柔性两轮自平衡机器人的柔性关节结构侧视图；

图7柔性两轮自平衡机器人的柔性关节俯视图；

图8柔性两轮自平衡机器人的电气系统连接示意图；

图9柔性两轮自平衡机器人的电气系统原理图；

图10柔性两轮自平衡机器人的运动控制系统框图。

具体实施方式

下面结合附图，介绍本实施例。

一、柔性两轮自平衡机器人的硬件

1.电气系统选型

主控制器1选用研祥嵌入式计算机(EPC)EC5-1717CLDNA。该系统是一款采用Intel915GM芯片组的高性能单板电脑，板载1.6GHz Pentium M处理器，256MB DDR II 533内存，集成显卡、声卡，提供各种接口。EPC的硬盘存储器38为东芝抗震硬盘MK4036GAC，存储容量40GB，工作中可抗最大2.0G振动及200G瞬时冲击。

运动控制器2选用飓风公司MSK2812系统板。该系统的处理器采用TI公司TMS320F2812DSP，系统为5V直流供电。

MSK2812的仿真器39选用飓风公司的XDS510USB，USB2.0接口。

辅助控制器3选用凌阳科技公司的SPCE061A系统板，系统为5V直流供电，处理器为16位u′nSPTM微控制器，板载麦克风36，可实现语音识别功能。

伺服驱动器4选用Copley Motion公司的AJC55-18。AJC55-18可用于位置，转速和扭矩控制，外部控制器可以通过模拟方式(±10V，扭矩，速度，位置)，PWM(扭矩，速度)，以及极性PWM方式(扭矩，速度)对目标电机进行伺服控制。AJC55-18可通过串口与PC系统通信，设定工作模式和控制器参数。

液晶显示屏17选用台湾友达光电公司的B084SN0，3.3v供电，分辨率800*600。接口包括LVDS端口，背光灯电源线。液晶显示屏的背光升压板40选用三菱公司的T511024.04，5V直流供电。

扬声器37选用一对功率为2W的无源扬声器单元。

倾角仪15、18选用Crossbow公司的CXTA-01。它主要采用高稳定性的硅微机械电容倾角传感器，以模拟信号方式输出倾斜角度。CXTA-01的测量范围为±75°，分辨率为0.05°，带宽为125Hz，8-30V直流供电，输出电压0-5V，零位电压2.5V。

陀螺仪16、19选用Silicon Sensing Systems Japan公司的CRS03。CRS03角速度传感器基于MEMS技术制造，在剧烈冲击和震动条件下仍能保持卓越的性能，温漂小并具有良好的重复性，主要参数为：量程±100°/s，直流5V供电，零位电压2.5V，测量分辨率20mV/°/s，带宽为10Hz。

选用四个Parallax公司的PING)))超声波传感器17组成的阵列作为避障传感器。PING)))为5V直流供电，具有一个超声波发射模块和一个接受模块，通过测量超声波脉冲遇到物体反射后的回波传播时间来测量距离。PING)))的测量范围2cm-3m，分辨率＜1cm。

机器人视觉传感器选用USB接口CMOS摄像头12，130万像素。

遥控系统包括遥控器33和遥控接收器27，分别为3V和5V直流供电，遥控距离20米。遥控器33有12个按键，当有键按下时，遥控接收器27的4个IO口将输出不同的电平组合。

机器人的驱动电机5选用Maxon公司的直流电机RE40套件，电机为24V供电，额定功率150W，配备26∶1的行星齿轮减速器，最大输出转矩7.5Nm，电机后端配有增量式光电编码器20，精度为1000线。

机器人的电源为24V 9Ah镍氢充电电池28。29为电源继电器板，OP-DC01上的电压转换模块将24V直流输入转为5V直流输出，用于相关设备供电。定制直流24V输入的ATX电源适配器41，输出ATX/AT接口电源，为主控制器1、硬盘存储器38、背光升压板40供电。电源监控板30OP-DY01上的单片机在检测到电压低于22.5V时，控制蜂鸣器报警。

2.机械结构与电气元件布局

本实施例总重量20kg，高度700mm，宽度400mm，长度150mm，轮子直径250mm。机器人的机械结构和电器元件布局如下：

如图1、2、3所示，躯干部分6为铝合金框架，分为上、中、下三层。躯干6的上层为前后敞口的中空屉框，内部固定主控制器1，顶板11之上通过中空的圆柱形支架42固定摄像头12。躯干6的中层由平行底面的三块亚格力隔板14隔为四小层，其中，最上一层安装硬盘存储器38、辅助控制器3和遥控接收器27，第二层安装ATX电源适配器41，第三层安装电源继电器板29和电源监控板30，第四层安装背光升压板40。躯干的中层的四周装有亚格力面板，用以保护内部电子元件以及防止中间隔板14脱落，其中前面板43上固定着液晶显示屏34和扬声器37。躯干的下层为前后敞口的中空屉框，内部装载倾角仪15和陀螺仪16。底层框架前端固定一个面朝前的带状支架44，用于安装四个超声波传感器17。

躯干底板13和底盘8顶端面之间以柔性俯仰关节7连接。柔性关节7的结构如图5、6、7所示：顶端和底端为上、下支承圆盘22、23，剖面为“凸”字形，圆盘中心开通孔用于电线穿过。在上支撑圆盘凸台面上，以沉头螺钉45固定上支座46。上支座46的方形底板中央开通孔，与支撑圆盘通孔孔径相同，装配时两孔同心。上支座46的底板两侧有竖起的圆顶角剑头形支座壁，其上开有同心的通孔。在下支撑圆盘23的相同位置以相同方式安装下支座47，下支座47与上支座46不同的是其两个侧壁均为双层，令上支座46侧壁可插入间隙紧密配合，另外，下支座壁47的通孔直径略小。上支座46两侧壁上的通孔中分别插入铜套48后与下支座47的侧壁通孔直径相同，上、下支座46、47装配时两侧壁通孔同心，在其中分别插入转动轴24，并以挡板49固定，使得上、下支承圆盘22、23能够以转动轴24为铰接点转动。两个转动轴24外侧各穿过一个双臂扭簧25，扭簧25的上臂固定在上支承圆盘22的卡槽中，扭簧的下臂末端的圆勾通过螺栓50固定在下支座47的侧壁上。在上、下支座46、47装配时，上、下支撑圆盘22、23之间压紧固定一段圆柱弹簧26，其两端分别套在上、下支撑圆盘22、23的凸台外。

如图2、4所示，机器人的底盘部分8为铝合金制箱式结构。在底盘左右两侧的中心位置各装有一组轴系，主要包括转轴51、轴承52、轴承座53等。在底盘8内部中间位置，左右轮电机5前后错开固定在齿轮传动箱54外，电机的轴通过传动齿轮55与轴系的转轴51联接。使用螺栓56将轴系的转轴53与轴辖57连接，两者之间夹持固定轮子10。在底盘8内，运动控制器2和仿真器39安装在前侧，电机伺服控制器4安装在后侧，倾角仪18、陀螺仪19和电池28安装在底部。底盘8底面有两个可拆卸保护支架9，支架末端的脚轮21在机器人直立时悬空，倾倒时脚轮21触地起到支撑保护作用。

3.电气系统连接

如图8所示，电气系统各部分的连接方法如下：

EC5-1717CLDNA与硬盘存储器38连接组成主控制器1；在EC5-1717CLDNA面板接口FP1的1、2脚之间串入触点开关58作为它的启动按钮。ATX电源适配器41连接EC5-1717CLDNA为其供电。

EC5-1717CLDNA的四个RS232串口COM1、COM2、COM3、COM4分别与MSK2812、SPCE061A、两个ACJ55-18的串口连接。此外，EC5-1717CLDNA通过USB接口连接DSP的仿真器39XDS510USB，仿真器39再与DSP的JTAG接口连接。

EC5-1717CLDNA的USB1接口与摄像头12连接，SPK接口与扬声器37连接，LVDS接口与液晶显示屏34连接。背光升压板40的一端连接液晶显示屏34的背光灯电源线，另一端的1、2、3、4线与ATX电源适配器41的直流5V输出连接，5、6线与ATX电源适配器41的GND相连。

另外，在机器人停止运动时，EC5-1717CLDNA可以连接键盘31、鼠标32和显示器35，进行程序编写与调试。

MSK2812板由电源继电器板29的+5V输出供电，它的J7接口的38，37，36，35脚，即A/D转换输入通道，分别与两个倾角仪(CXTA01)15、18和两个陀螺仪(CRS03)16、19的模拟信号输出端连接；两个陀螺仪16、19分别由MSK2812的J7接口的1和7脚，即+5V输出供电；倾角仪15、18则由电源继电器板的24V输出直接供电。

MSK2812与两个伺服控制器(AJC55-18)4间的连接包括控制信号线和编码器反馈信号线。控制信号包括电机使能信号、电机转动方向信号和PWM转速控制量信号。其中，MSK2812的J5接口的3、7脚分别与控制左、右电机的AJC55-18的J5接口的3脚连接，作为AJC55-18的使能信号线；MSK2812的J5接口的5、1脚分别与控制左、右电机的AJC55-18的J5接口的6脚连接，作为电机5转动方向选择信号线；MSK2812的J7接口17、18脚为PWM输出，分别与控制左、右电机5的(AJC55-18)4的J5接口的20脚连接，作为转速控制量信号线。左、右电机编码器20的反馈信号经AJC55-18缓存后连接至MSK2812，具体接线为左、右电机AJC55-18的J5接口的10、11脚，分别接MSK2812的J7接口的27、28脚和J6接口的13、14脚。

两个AJC55-18的J3接口的3、4脚为电源输入端，分别接电源继电器板29的+24V和GND；J2接口的3、4脚为控制电压的输出端，分别与电机的+/-输入端连接，其中3脚与电机+输入端之间串接一个电机开关59；J4接口的4、6分别为+5V和GND，分别与编码器20排线的2、3线连接，J4接口的1、8、2、9、3、10脚为编码器A通道、B通道和零位信号的共模输入端，分别接编码器排线的5、6、7、8、9、10线。

SPCE061A由电源继电器板29的+5V输出供电，它的J1接口的2～5针，分别连接超声波传感器17，1#～4#的Signal端；J2接口2～5针，分别连接遥控接收器27的输出D0～D3。

两组24V4.5Ah的镍氢电池组并联组成24V9Ah电池28。电池28经一个双刀双掷的船型开关60分别与电源继电器板29和充电器插口61连接。当船型开关60从“关”拨到“开”时，电池给开始供电，拨到“充电”时，外接直流充电器62为电池充电。

电源继电器板29的+/-输入端连接电池组28的+/-端，提供24V和5V两种直流输出，分别连接各对应设备的供电端。

电源监控板30的Vd、GND和Vin分别接电源继电器板29的+5V、GND和+24V。

4.电气系统的工作原理

本实施例机器人的主要功能是在保持机身俯仰姿态平衡的前提下，能够进行行走、转弯等运动，这种运动可以是机器人按照行为决策规则自主智能行为，也可以是按照用户即时下达的操作指令运动。由此，机器人电气系统的工作原理如图9所示：机器人的主控制器1经串口从运动控制器2和辅助控制器3读取各个传感器反馈信息和遥控操作指令并在液晶屏34上显示，然后按照运动行为决策算法计算出机器人的运动控制命令，并通过串口下达给运动控制器2；运动控制器2由模数转换模块得到倾角仪15、18、陀螺仪16、19的反馈信号，经过伺服驱动器4中继读取编码器20反馈信号，然后，综合接收到得控制命令和反馈信号，按预定的运动平衡控制算法计算出电机的转矩控制量，发送对应的PWM信号给伺服驱动器4执行；伺服驱动器4控制电机5运动，电机5带动轮子10使机器人维持机身平衡以及按主控制器1控制命令运动。

Claims (4)

1.一种柔性两轮自平衡机器人，包括电气系统和机械本体；其中，所述电气系统包括主控制器(1)、运动控制器(2)、辅助控制器(3)、电机伺服驱动器(4)、传感器、输入输出设备、直流电机(5)和电源系统；所述机械本体包括躯干(6)、柔性关节(7)、底盘(8)、保护支架(9)和双轮(10)；其特征在于：

所述躯干(6)为层式框架，顶板(11)上固定有至少一个摄像头(12)，顶板(11)和底板(13)之间由隔板(14)分隔成若干层，躯干安装倾角仪(15)、陀螺仪(16)和超声波传感器(17)；

所述躯干底板(13)和底盘(8)之间以柔性关节(7)连接；

所述底盘(8)为箱式结构，在其内部装载倾角仪(18)、陀螺仪(19)，直流电机(5)分别固定在底盘(8)两侧内壁上，电机(5)的轴一端与双轮(10)的轴联接，另一端接编码器(20)；底盘(8)底面安装有可拆卸保护支架(9)，支架(9)末端有悬空脚轮(21)；双轮(10)的轴心位于一条直线上；

所述柔性关节(7)的顶端和底端为上、下支承圆盘(22)、(23)，剖面为“凸”字形，圆盘中心的通孔用于穿过电线；上、下支承圆盘以两个同心转动轴(24)铰接，两个转动轴(24)向外的延伸部分，各固定一个双臂扭簧(25)，扭簧(25)的上臂固定在上支承圆盘(22)上，扭簧(25)的下臂固定在下支承圆盘(23)上；在上、下支撑圆盘(22)、(23)之间压紧固定一段圆柱弹簧(26)，其两端分别套在上、下支撑圆盘(22)、(23)的凸台外；

所述主控制器(1)为嵌入式计算机系统；

所述运动控制器(2)选用数字信号处理器系统；

所述辅助控制器(3)选用单片机或数字信号处理器系统；

所述传感器包括：检测机器人躯干(6)和底盘(8)俯仰倾角变化的倾角仪(15)、(18)，倾角速度变化的陀螺仪(16)、(19)，检测电机(5)转角变化的编码器(20)，检测图像信息的摄像头(12)，以及检测障碍物距离信息的超声波传感器(17)；

所述电气系统的连接关系为：主控制器(1)与运动控制器(2)、辅助控制器(3)、输入输出设备连接；运动控制器(2)与倾角仪(15)、(18)、陀螺仪(16)、(19)、编码器(20)、伺服驱动器(4)相连接；辅助控制器(3)与超声波传感器(17)和遥控接收器(27)连接；摄像头(12)与主控制器(1)；伺服驱动器(4)与直流电机(5)连接；电源系统连接各电气设备供电。

2.根据权利要求1所述的一种柔性两轮自平衡机器人系统，其特征在于：所述电源系统包括：充电电池(28)、转换电压的电源继电器板(29)、监测电池电压的电源监控板(30)。

3.根据权利要求1所述的一种柔性两轮自平衡机器人，其特征在于：所述直流电机(5)选用直流力矩电机、带减速器的直流电机或直流无刷电机。

4.根据权利要求1所述的一种柔性两轮自平衡机器人，其特征在于：所述的输入输出设备包括：键盘(31)、鼠标(32)、遥控器(33)、液晶显示屏(34)、显示器(35)、麦克风(36)、扬声器(37)。

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