CN206358274U - 一种独立态自平衡运动系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公布了一种独立态自平衡运动系统，主要包括数据处理系统、姿态传感器系统和运动系统，运动系统包含独立态单球体模块、旋转运动结构、弹簧减震结构、阻碍式夹具结构、水平运动结构、旋转运动结构固定件、圆形水平固定件和水平运动结构固定件。其特征在于：独立态单球体模块为一球体,安装于整个装置最下部；独立态单球体模块顶部安装有圆形水平固定件；圆形水平固定件外缘下表面安装有旋转运动结构和阻碍式夹具结构，旋转运动结构经旋转运动结构固定件固定；圆形水平固定件外缘上表面安装有弹簧减震结构；圆形水平固定件中部上表面通过水平运动结构固定件固定安装有水平运动结构。本实用新型优点：快速灵活，应用范围广，节能环保。

Description

一种独立态自平衡运动系统

技术领域

本实用新型涉及智能机器人领域，具体涉及一种独立态自平衡运动系统。背景技术

在机器人运动控制领域，多采用4轮以及以上的多轮驱动方案。采用这种方式可使机器人本体保持稳定，但也带来了机器人本体体积大、转弯困难等缺点，因而限制了其在空间狭小或需要快速响应等场合的应用。针对该问题，自平衡独轮平衡的控制方式被提出，如名称为“自平衡载人独轮车系统及控制方法”（公开号为CN102079348A）和名称为“自平衡载人独轮车系统”（公开号为2010206501881）的专利文献，通过使用独轮系统控制方式来获取整体系统的动态平衡，虽然整体系统的体积缩小了，但是由于还是采用传统驱动方式，所以会出现转弯半径大、不能立即转弯等问题。因此这种控制方式在空间狭小或需要快速响应等场合效率较低。本实用新型提出一种独立态自平衡运动系统，能在狭小空间快速运动；应用范围广、使用平台多并且可以快速地移植，该运动装置可应用于服务机器人行业、医疗机器人行业和便携式助力设备等多个行业；节能环保，采用电控方式，实现零污染，适应未来发展的需求。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提出一种独立态自平衡运动系统，该系统用于可移动机器人领域，例如便携式助力设备行业、医疗机器人行业和服务机器人，可解决复杂环境下转向困难、运动受限等问题。

本实用新型所采用的技术方案：一种独立态自平衡运动系统，主要包括数据处理系统、姿态传感器系统和运动系统，运动系统包含独立态单球体模块、旋转运动结构、弹簧减震结构、阻碍式夹具结构、水平运动结构、旋转运动结构固定件、圆形水平固定件和水平运动结构固定件。其特征在于：数据处理系统分别与姿态传感器系统和运动系统相连，运动系统独立态单球体模块为一球体,安装于整个装置最下部；独立态单球体模块顶部安装有圆形水平固定件；圆形水平固定件外缘下表面安装有旋转运动结构和阻碍式夹具结构，旋转运动结构经旋转运动结构固定件固定；圆形水平固定件外缘上表面安装有弹簧减震结构；圆形水平固定件中部上表面通过水平运动结构固定件固定安装有水平运动结构。

本实用新型所述旋转运动结构由旋转运动结构伺服电机与旋转运动结构摩擦轮构成，使用旋转运动结构固定件安装于圆形水平固定件表面，控制下方的独立态单球体模块做旋转运动；所述旋转运动结构摩擦轮由旋转运动结构摩擦轮内轮与旋转运动结构摩擦轮表面橡胶体构成，旋转运动结构摩擦轮表面胶体部分形成旋转运动结构摩擦轮表面橡胶间断结构，旋转运动结构摩擦轮呈球形，在旋转运动结构摩擦轮的上下左右对称的中间位置分别有一个三面凹槽旋转运动结构摩擦轮表面橡胶间断结构，中间一面是旋转运动结构摩擦轮内轮，左右两面是旋转运动结构摩擦轮表面橡胶体，旋转运动结构摩擦轮表面橡胶间断结构处于独立态单球体模块正上方，旋转运动结构伺服电机安装在旋转运动结构摩擦轮的中间上表面。该结构在独立态单球体模块做水平运动时将因旋转运动结构摩擦轮表面橡胶非间断面的摩擦而处于独立态单球体模块正上方，以使得此时旋转运动结构摩擦轮与独立态单球体模块处于分离状态，即此时旋转运动结构摩擦轮与独立态单球体模块之间没有摩擦力，使得旋转运动结构摩擦轮不影响整体系统做水平运动。

本实用新型所述所述弹簧减震结构由弹簧减震结构弹簧、弹簧减震结构滑动支撑杆和弹簧减震结构弹簧固定件加工而成，为上部结构提供支撑与减小震动。弹簧减震结构弹簧套在弹簧减震结构滑动支撑杆上，弹簧减震结构滑动支撑杆的上下端各固定连接一个弹簧减震结构弹簧固定件，所以弹簧减震结构弹簧也和这两个弹簧减震结构弹簧固定件相连。

本实用新型所述阻碍式夹具结构包括阻碍式夹具结构滑动球体、阻碍式夹具结构滑动球体模块、阻碍式夹具结构滑动球体固定件、阻碍式夹具结构滑动球体弹性片和阻碍式夹具结构滑动球体上部模块，共同控制着独立态单球体模块的位置与运动，在圆形水平固定件外缘下表面一共安装有3个阻碍式夹具结构，其中阻碍式夹具结构滑动球体固定件安装于形水平固定件外缘下表面，阻碍式夹具结构滑动其中阻碍式夹具结构滑动球体模块是一个向一侧微凹的长方形模块，模块的上端有2个对称的螺纹孔，模块的凹面下端镶嵌有一个球体阻碍式夹具结构滑动球体，阻碍式夹具结构滑动球体与独立态单球体模块相切，模块侧边的下端安装有一个阻碍式夹具结构滑动球体固定件用来固定阻碍式夹具结构滑动球体，阻碍式夹具结构滑动球体弹性片是一个缺了四角的长方形弹性片，弹性片的上下对应的位置各有2个圆孔，共4个圆孔，阻碍式夹具结构滑动球体上部模块是一个上部厚下部薄的长条状模块，上部和圆形水平固定件连接在一起，下部有2个螺纹孔，阻碍式夹具结构滑动球体弹性片上的圆孔与阻碍式夹具结构滑动球体模块和阻碍式夹具结构滑动球体上部模块上的螺纹孔一样大，通过螺丝的固定，阻碍式夹具结构滑动球体弹性片将阻碍式夹具结构滑动球体上部模块和阻碍式夹具结构滑动球体模块连接在一起。

本实用新型所述水平运动结构包括水平运动结构摩擦轮和水平运动结构伺服电机，水平运动结构摩擦轮由水平运动结构摩擦轮内轮与水平运动结构摩擦轮表面橡胶构成，以此来为整体系统提供水平运动的动力。水平运动结构摩擦轮呈圆形，存在一个内圆和一个外圆，内圆和外圆紧贴在一起，内圆是水平运动结构摩擦轮，外圆是水平运动结构摩擦轮表面橡胶，内圆中心有一圆孔，圆孔的四周有4个大小形状一样的扇形孔，水平运动结构伺服电机通过水平运动结构摩擦轮内轮中间的圆孔和水平运动结构摩擦轮固定连接在一起。在进行旋转运动的过程中，水平运动结构摩擦轮与独立态单球体模块接触面少，且两部件相切点为球体最顶点，与旋转轴共线，因此水平运动结构摩擦轮对整体系统旋转运动的影响基本没有，水平运动结构摩擦轮经固定螺母安装与水平运动结构伺服电机主轴上形成旋转运动结构，再经水平运动结构固定件安装于圆形水平固定件中部上表面。

本实用新型所述独立态单球体模块形状为一球体，处于独立态，为整体系统提供行走运动部件，是水平运动结构和旋转运动结构的控制对象。

本实用新型所述圆形水平固定件位于独立态单球体模块顶部，其作用为固定阻碍式夹具结构、水平运动结构、旋转运动结构、弹簧减震等结构。

本实用新型的优点：一种独立态自平衡运动系统运动方式灵活和不受狭窄空间的影响，能在狭小空间内方便地进行原地360度方向的快速运动；应用范围广、使用平台多并且可以快速地移植，该运动装置可应用于服务机器人行业、医疗机器人行业和便携式助力设备等多个行业；节能环保，采用电控方式，实现零污染，适应未来发展的需求。

附图说明

图1是本实用新型系统的结构图。

图2为本实用新型运动系统的整体结构正视图。

图3为本实用新型运动系统的整体结构侧视图。

图4为本实用新型运动系统的阻碍式夹具整体结构正视图。

图5为本实用新型运动系统的阻碍式夹具整体结构上视图。

图6为本实用新型运动系统的旋转运动结构摩擦轮正视图。

图7为本实用新型运动系统的旋转运动结构伺服电机上视图。

图8为本实用新型运动系统的阻碍式夹具结构滑动球体模块侧视图。

图9为本实用新型运动系统的阻碍式夹具结构滑动球体模块正视图。

图10为本实用新型运动系统的阻碍式夹具结构弹性片正视图。

图11为本发明运动系统的阻碍式夹具结构夹具固定件正视图

图12为本发明运动系统的水平运动结构摩擦轮正视图。

图13为本实用新型运动系统的水平运动结构伺服电机上视图。

图14为本实用新型运动系统的弹簧减震结构弹簧正视图。

图15为本实用新型运动系统的弹簧减震结构弹簧滑动固定件正视图。

参照附图，1为独立态单球体模块；2为旋转运动结构；3为弹簧减震结构；4为阻碍式夹具结构；5为水平运动结构；6为旋转运动结构固定件；7为圆形水平固定件；8为水平运动结构固定件；200为旋转运动结构摩擦轮；201为旋转运动结构伺服电机；202为旋转运动结构摩擦轮内轮；203为旋转运动结构摩擦轮表面橡胶体；204为旋转运动结构摩擦轮表面橡胶间断结构；301为弹簧减震结构弹簧；302为弹簧减震结构滑动支撑杆；303为弹簧减震结构弹簧固定件；401为阻碍式夹具结构滑动球体；402为阻碍式夹具结构滑动球体模块；403为阻碍式夹具结构滑动球体固定件；404为阻碍式夹具结构滑动球体弹性片；405为阻碍式夹具结构滑动球体上部模块；500为水平运动结构摩擦轮；501为水平运动结构伺服电机；502为水平运动结构摩擦轮内轮；503为水平运动结构摩擦轮表面橡胶。

具体实施方式

如图1到15所示，本实用新型是这样来工作和实施的，：一种独立态自平衡运动系统，主要包括数据处理系统(A)、姿态传感器系统(B)和运动系统(C)，运动系统(C)包含独立态单球体模块（1）、旋转运动结构（2）、弹簧减震结构（3）、阻碍式夹具结构（4）、水平运动结构（5）、旋转运动结构固定件（6）、圆形水平固定件（7）和水平运动结构固定件（8）。其特征在于：独立态单球体模块（1）为一球体,安装于整个装置最下部；独立态单球体模块（1）顶部安装有圆形水平固定件（7）；圆形水平固定件（7）外缘下表面安装有旋转运动结构（2）和阻碍式夹具结构（4），旋转运动结构（2）经旋转运动结构固定件（6）固定在圆形水平固定件（7）上；圆形水平固定件（7）外缘上表面安装有弹簧减震结构（3）；圆形水平固定件（7）中部上表面通过水平运动结构固定件（8）固定安装有水平运动结构（5）。

本实用新型所述数据处理系统（A）可以是计算机或嵌入式设备或其它能进行计算处理的装置，它用于实时读取、处理和储存姿态传感器系统（B）采集的各种运动姿态数据，以此结合当前系统状态与相关算法控制运动系统(C)，以此实现整个系统运动状态的控制。姿态传感器系统（B）包含多种运动状态传感器，例如三轴陀螺仪、角度传感器、速度/加速度传感器等传感器，该系统实时反馈当前整体系统的运动状态给数据处理系统(A)，以此使数据处理系统(A)能够实时调节整体系统运动状态并最终在设计点周围趋于平衡。

本实用新型所述独立态单球体模块(1)，安装于整个装置最下部，是整个装置的运动和支撑部件；旋转运动结构（2）由旋转运动结构伺服电机（201）和旋转运动结构摩擦轮（200）通过固定螺母组成。旋转运动结构（2）经旋转运动结构固定件（6）安装于圆形水平固定件（7）外缘下表面；弹簧减震结构（3）由弹簧减震结构弹簧（301）、弹簧减震结构滑动支撑杆（302）和弹簧减震结构弹簧固定件（303）组成，弹簧减震结构（3）再通过固定螺母固定于圆形水平固定件（7）外缘上表面；阻碍式夹具结构（4）由阻碍式夹具结构滑动球体模块（402）、阻碍式夹具结构滑动球体固定件（403）和阻碍式夹具结构滑动球体弹性片（404）组成。其中阻碍式夹具结构滑动球体固定件（403）安装于形水平固定件（7）外缘下表面。阻碍式夹具结构滑动球体（401）与独立态单球体模块（1）接触相切；水平运动结构（5）由水平运动结构摩擦轮（500）和水平运动结构伺服电机（501）组成，并通过水平运动结构固定件（8）安装于圆形水平固定件（7）中部上表面。水平运动结构摩擦轮（500）经固定螺母安装与水平运动结构伺服电机（501）主轴上形成旋转运动结构（5），再经水平运动结构固定件（8）安装于圆形水平固定件（7）中部上表面。

实例：

为了使本实用新型所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚，以下结合附图及实例，对本实用新型做进一步详细说明。本实例中择嵌入式设备作为所述数据处理系统（A），所述姿态传感器(B)可以采用现有的三轴陀螺仪，角度传感器等检测传感器或检测装置。所述数据处理系统(A)与所述姿态传感器(B)之间通过无线方式进行数据传输，所述数据处理系统(A)与所述运动系统(C)之间通过有线方式进行数据传输。所述运动系统(C)中独立态单球体模块(1)由内部硬质非金属材质与其表面高摩擦力橡胶材质构成，其形状为一球体，半径为150mm，安装于整个装置最下部；旋转运动结构(2)由旋转运动结构伺服电机(201)和旋转运动结构摩擦轮轮（200）经固定螺母安装组成，共3组，经夹角132度旋转运动结构固定件（6）均匀120度安装于3mm厚铝制圆形水平固定件（7）外缘下表面。旋转运动结构摩擦轮内轮（202）与旋转运动结构摩擦轮表面橡胶体（203）通过热成型技术构成旋转运动结构摩擦轮（200），并在旋转运动结构摩擦轮表面橡胶体（203）上形成旋转运动结构摩擦轮表面橡胶间断结构（204）；弹簧减震结构（3）由弹簧减震结构弹簧（301）、弹簧减震结构滑动支撑杆（302）、弹簧减震结构弹簧固定件（303）组成，弹簧减震结构滑动支撑杆（302）安装于弹簧减震结构弹簧（301）内部，并可在一定限度内滑动，弹簧减震结构弹簧固定件（303）安装于弹簧减震结构弹簧（301）两端。弹簧减震结构（3）再通过固定螺母均匀120度垂直固定于3mm厚铝制圆形水平固定件（7）外缘上表面；阻碍式夹具结构（4）由阻碍式夹具结构滑动球体模块（402）、阻碍式夹具结构滑动球体固定件（403）、阻碍式夹具结构滑动球体弹性片（404）组成。其中阻碍式夹具结构滑动球体固定件（403）均匀120度安装于3mm厚铝制圆形水平固定件（7）外缘下表面。阻碍式夹具结构（4）均匀夹住独立态单球体模块（1），并调节阻碍式夹具结构滑动球体（401）安装位置，使得阻碍式夹具结构滑动球体（401）与独立态单球体模块（1）接触相切，阻碍式夹具结构滑动球体弹性片（404）的调节使阻碍式夹具结构滑动球体（401）与独立态单球体模块（1）的接触处于适中的程度，防止运动的不顺畅；水平运动结构（5）由水平运动结构摩擦轮（500）和水平运动结构伺服电机（501）经固定螺母组成，并通过夹角90度水平运动结构固定件（8）安装于3mm厚铝制圆形水平固定件（7）中部上表面。水平运动结构摩擦轮（500）由水平运动结构摩擦轮内轮（502）非金属材质和水平运动结构摩擦轮表面橡胶（503）高摩擦力橡胶组成。再经夹角90度水平运动结构固定件（8）安装于3mm厚铝制圆形水平固定件（7）中部上表面。

本实用新型所述独立态自平衡运动系统的实例控制方案如下：平衡状态（静止）：通过姿态传感器系统（B）检测到角度姿态变化后输入进数据处理系统(A)，再由数据处理系统(A)同时控制所述运动系统(C)中的旋转运动结构与水平运动结构，进而同时控制独立态单球体模块（1），以控制整体装置趋于平衡；水平运动状态：在数据处理系统(A)收到水平运动指令后将结合姿态传感器系统(B)采集的各类参数数值微调所述运动系统(C)中的旋转运动结构(2)以控制整体装置保持平衡（以控制所述旋转运动伺服电机（201）实现）。同时控制所述运动系统C中的水平运动结构（5）（以控制所述水平运动伺服电机（501）实现），以驱动所述下部独立态单球体模块（1）的滚动，从而实现装置的水平运动.而且独立态单球体模块（1）做水平运动时将因旋转运动结构摩擦轮表面橡胶（203）非间断面的摩擦而处于独立态单球体模块（1）正上方，以使得此时旋转运动结构摩擦轮（200）与独立态单球体模块（1）处于分离状态，即此时旋转运动结构摩擦轮（200）与独立态单球体模块（1）之间没有摩擦力，使得旋转运动结构摩擦轮（200）不影响独立态单球体模块（1）做水平运动。

旋转运动状态：在数据处理系统（A）收到旋转指令后将结合姿态传感器系统(B)采集的各类参数数值微调所述运动系统(C)中的水平运动结构(5)（以控制所述水平运动伺服电机(501)实现）以使装置保持平衡，同时控制所述运动系统(C)中的旋转运动结构(2)（以控制所述旋转运动伺服电机(201)实现）使下部独立态单球体模块（1）进行旋转运动，从而实现整体装置的旋转运动。而且在进行旋转运动的过程中，水平运动结构摩擦轮（500）与独立态单球体模块（1）接触面少，且两部件相切点为球体最顶点，与旋转轴共线，因此水平运动结构摩擦轮（500）对旋转运动的影响基本没有。

复杂运动状态：本装置可进行复杂运动，从而实现灵活的运动方式，即在进行上述水平运动时也可同时进行旋转运动，反之亦成立。

Claims (5)

1.一种独立态自平衡运动系统，主要包括数据处理系统(A)、姿态传感器系统(B)和运动系统(C)，运动系统(C)包含独立态单球体模块（1）、旋转运动结构（2）、弹簧减震结构（3）、阻碍式夹具结构（4）、水平运动结构（5）、旋转运动结构固定件（6）、圆形水平固定件（7）和水平运动结构固定件（8），其特征在于：数据处理系统（A）分别与姿态传感器系统(B)和运动系统(C)相连，独立态单球体模块（1）为一球体,安装于整个装置最下部；独立态单球体模块（1）顶部安装有圆形水平固定件（7）；圆形水平固定件（7）外缘下表面安装有旋转运动结构（2）和阻碍式夹具结构（4），旋转运动结构（2）经旋转运动结构固定件（6）固定在圆形水平固定件（7）上；圆形水平固定件（7）外缘上表面安装有弹簧减震结构（3）；圆形水平固定件（7）中部上表面通过水平运动结构固定件（8）固定安装有水平运动结构（5）。

2.根据权利要求1中所述一种独立态自平衡运动系统，其特征在于：旋转运动结构（2）包括旋转运动结构伺服电机（201）与旋转运动结构摩擦轮（200），所述旋转运动结构摩擦轮（200）由旋转运动结构摩擦轮内轮（202）、旋转运动结构摩擦轮表面橡胶体（203）和旋转运动结构摩擦轮表面橡胶间断结构（204）构成，旋转运动结构摩擦轮（200）呈球形，在旋转运动结构摩擦轮（200）的上下左右对称的中间位置分别有一个三面凹槽旋转运动结构摩擦轮表面橡胶间断结构（204），中间一面是旋转运动结构摩擦轮内轮（202），左右两面是旋转运动结构摩擦轮表面橡胶体（203），旋转运动结构摩擦轮表面橡胶间断结构（204）处于独立态单球体模块（1）正上方，旋转运动结构伺服电机（201）安装在旋转运动结构摩擦轮（200）的中间上表面。

3.根据权利要求1中所述一种独立态自平衡运动系统，其特征在于：弹簧减震结构（3）由弹簧减震结构弹簧（301）、弹簧减震结构滑动支撑杆（302）和弹簧减震结构弹簧固定件（303）组成,弹簧减震结构弹簧（301）套在弹簧减震结构滑动支撑杆（302）上，弹簧减震结构滑动支撑杆（302）的上下端各固定连接一个弹簧减震结构弹簧固定件（303），所以弹簧减震结构弹簧（301）也和这两个弹簧减震结构弹簧固定件（303）相连。

4.根据权利要求1中所述一种独立态自平衡运动系统，其特征在于：阻碍式夹具结构（4）包括阻碍式夹具结构滑动球体（401）、阻碍式夹具结构滑动球体模块（402）、阻碍式夹具结构滑动球体固定件（403）、阻碍式夹具结构滑动球体弹性片（404）和阻碍式夹具结构滑动球体上部模块（405），在圆形水平固定件（7）外缘下表面一共安装有3个阻碍式夹具结构（4），其中阻碍式夹具结构滑动球体模块（402）是一个向一侧微凹的长方形模块，模块的上端有2个对称的螺纹孔，模块的凹面下端镶嵌有一个球体阻碍式夹具结构滑动球体（401），阻碍式夹具结构滑动球体（401）与独立态单球体模块（1）相切，模块侧边的下端安装有一个阻碍式夹具结构滑动球体固定件（403）用来固定阻碍式夹具结构滑动球体（401），阻碍式夹具结构滑动球体弹性片（404）是一个缺了四角的长方形弹性片，弹性片的上下对应的位置各有2个圆孔，共4个圆孔，阻碍式夹具结构滑动球体上部模块（405）是一个上部厚下部薄的长条状模块，上部和圆形水平固定件（7）连接在一起，下部有2个螺纹孔，阻碍式夹具结构滑动球体弹性片（404）上的圆孔与阻碍式夹具结构滑动球体模块（402）和阻碍式夹具结构滑动球体上部模块（405）上的螺纹孔一样大，通过螺丝的固定，阻碍式夹具结构滑动球体弹性片（404）将阻碍式夹具结构滑动球体上部模块（405）和阻碍式夹具结构滑动球体模块（402）连接在一起。

5.根据权利要求1中所述一种独立态自平衡运动系统，其特征在于：水平运动结构（5）包括水平运动结构摩擦轮（500）和水平运动结构伺服电机（501），水平运动结构摩擦轮（500）由水平运动结构摩擦轮内轮（502）与水平运动结构摩擦轮表面橡胶（503）构成,水平运动结构摩擦轮（500）呈圆形，存在一个内圆和一个外圆，内圆和外圆紧贴在一起，内圆是水平运动结构摩擦轮（500），外圆是水平运动结构摩擦轮表面橡胶（503），内圆中心有一圆孔，圆孔的四周有4个大小形状一样的扇形孔，水平运动结构伺服电机（501）通过水平运动结构摩擦轮内轮（502）中间的圆孔和水平运动结构摩擦轮（500）固定连接在一起。