獨輪機器人系統的制作方法

專利名稱：獨輪機器人系統的制作方法
技術領域：
本實用新型屬于智能機器人范疇，涉及一種能夠自主進行運動平衡控制進而自主騎行獨輪車的靜態不平衡機器人及其運動平衡控制方法。

背景技術：
騎行獨輪車是人類(或者其他經過專門訓練的智能水平較高的動物)需要較為高級的運動平衡技能才能完成的活動。這種能力需要經過專門的學習、訓練才能夠具備。研究一種自主機器人，模仿人類這種高級的運動平衡技能完成騎行獨輪車的任務，一直是機器人領域里的一項任務。
獨輪機器人是模仿人騎獨輪自行車的活動，建立的機器人系統，具有很高的仿生性，其出現是人工智能、智能控制、機械設計、機器人學等相關領域互相融合、快速發展的結果。與一般的靜態平衡機器人不同，獨輪機器人具有明顯的動態平衡特點，具有廣闊的應用前景由于其本身特有的復雜平衡控制問題，在科研、展示和娛樂領域可以作為極具特色的平臺和工具；利用其動態平衡特性，將它引入復雜地形環境，進行運輸、營救和探測；利用其外形纖細的特性將它用作監控機器人，實現對狹窄地方的監控；在航天領域，基于單輪機器人的原理甚至可以開發一種運動自如的特殊月球車。
相比于一般的不需要運動平衡的靜態平衡機器人(如4輪移動式機器人)，獨輪機器人具有以下顯著特點1)機器人的運動過程基礎是達到平衡狀態，即機器人必須首先能夠穩定直立，才能夠進行其他運動，并且這種運動平衡過程是個動態過程；機器人在平衡點附近不停地變化進行調節以保持平衡。這雖然增加了機器人的控制難度，但也同時使其可以完成許多復雜的運動平衡任務；2)由于只有一個輪子，獨輪機器人硬件上要更簡捷，更輕，運動上也更靈活；3)若在機器人上身機構上加入機械臂，靈巧手，頭部等后，機器人能夠以一種特有的動態平衡的方式實現相應的任務，如在極窄的路徑上騎行，騎過很窄的平衡木、原地轉身，甚至可以完成走鋼絲的高難度動作。
現有的獨輪機器人多為簡單的執行層控制結構，即機器人的本體上僅有驅動和控制的基本功能，沒有完善的宏觀規劃和視覺功能等，或者是將需要處理的的信息傳送到上位計算機進行處理的方式，而機器人本身沒有處理這些信息的能力，例如日本村田制作所開發的騎獨輪車的機器人“村田少女”，身高50cm，體重5kg，速度為5cm/s。在控制方面，左右方向(側傾)通過豎直方向轉動機器人體內配備的慣性輪來保持左右平衡。而前后方向(俯仰)上，則通過身體內的電機以鏈傳動方式轉動獨輪車的車輪來保持平衡。在檢測方面，為了控制前后方向和左右方向的平衡，在四個方向上分別配備了一個該公司的傾斜檢測陀螺傳感器。此外，還配備了用來檢測障礙物的超聲波傳感器、用來收發控制指令等的藍牙模塊、陶瓷振蕩器、檢測溫度的NTC熱敏電阻等村田制作所產品。但是“她”沒有能夠執行任務的機械臂和靈巧手、仍舊是本體沒有處理復雜信息的能力而是通過傳送到上位機進行處理、傳動方式為鏈式傳動，較為復雜、沒有可以靈活擴展的調試用腳輪組件、檢測方面僅有四個單軸陀螺，會產生角度積分偏移問題，最終導致系統不穩定等。

發明內容
針對上述問題，本實用新型設計了一種能夠騎行獨輪車的機器人本體，并且提出了獨輪機器人的運動平衡控制方法。利用該機器人系統不僅可以作為一種開放式智能機器人研究開發平臺，為控制科學、機器人學、人工智能等領域的研究和教學提供實驗對象，還可以成為娛樂、展示的極具特色的工具。
為了實現上述目的，本實用新型采取了如下技術方案 獨輪機器人系統，包括機械本體和控制系統；機械本體下部為一個可前后轉動的獨輪14，在獨輪14四周套有一個可上下調節的調試支架13，機械本體中間含有一個水平放置的，可左右轉動的慣性飛輪17；控制系統由狀態感知傳感器、運動控制器10和伺服驅動控制器以及電源系統構成，其中，狀態感知傳感器包括姿態傳感器和速度傳感器。運動控制器10接收狀態感知傳感器的信號，在控制程序下將接收信號進行處理，從而發出控制指令，伺服驅動控制器接收控制指令，通過獨輪電機12和飛輪電機18控制獨輪14和慣性飛輪17轉動，對機器人的姿態平衡作出調整。
在調試支架13下面，前后左右各設置有一個可拆卸的腳輪15。
系統中的慣性飛輪17為雙對可拆卸結構，由兩個飛輪并列組成，每個飛輪由兩個半圓結合而成。
系統中的姿態傳感器為三軸慣性導航系統和兩軸傾角儀；所述速度傳感器為安裝在獨輪電機12和飛輪電機18中的編碼器，且該編碼器帶有可進行溫度補償調整的溫度傳感器。
本發明中機器人的機械本體包括鋁合金框架構成的剛性機器人軀干；模塊化設計的二維云臺構成的機器人頭頸部；可拆卸的機械臂6；接于機械臂6端部的多指機械手7；由垂直安裝的下運動平衡組件和上平衡組件構成的總體平衡控制結構，其中，下運動平衡組件為調試支架13及獨輪電機12，上平衡組件為慣性飛輪17及飛輪電機18；控制系統的硬件支持作為姿態傳感器的傾角儀19和陀螺儀20，作為速度傳感器的安裝于驅動機構尾端的編碼器，作為運動控制器10的MTS2812數字信號處理器板卡，兩個作為伺服驅動控制器的伺服驅動器ACJ-55-18，作為電源系統的電源板卡5和充電電池模塊9。
本機器人的感知傳感器還有安裝在機器人頭部的由雙攝像頭構成的視覺傳感器1、MIC構成的聽覺傳感器和位于雙攝像頭之間的紅外線傳感器2，以及安裝在機器人腰部一周的聲納傳感器11、遙控接收器；所述控制系統還有由單片機(MCU)構成的接收聲納傳感器11、遙控接收器信號的輔助控制器和由嵌入式計算機(EPC)系統構成的接收視覺傳感器1、紅外線傳感器2、聽覺傳感器信號的主控制器3，該主控制器3可以接收運動控制器10和輔助控制器的信息，進一步為運動控制器10提供控制指令，并能通過音箱16發聲。
本機器人的腳輪主要用于機器人靜態時的支撐和固定，當機器人運動時需要拆除腳輪或將腳輪調高。機器人運動的控制方法如下 1)主控制器3按照設定的程序或接收來自遙控的用戶操作指令，及監測各傳感器反饋信息，通過運動行為決策算法計算機器人的直行和偏航速度的控制命令，下達給運動控制器10執行；其決策算法由以下步驟完成動作發生器參考用戶命令或超聲波測距信息計算出期望直行和偏航速度控制命令，然后決策器根據機器人姿態平衡的狀況判斷是否執行期望控制命令，若姿態平衡狀況良好，則期望控制命令即為實際控制命令，若姿態平衡狀況不佳，則實際控制命令為零，即先調整機器人平衡；其中，動作發生器的設計可選查表、動態規劃或專家系統算法；決策器的設計可選查表、模糊邏輯或專家系統算法； 2)在一個運動控制周期內，運動控制器10讀取機器人底座上的傾角儀19、陀螺儀20的反饋信號，與零位值比較得出傾角和傾角速度的誤差信號；其中的反饋信號由以下方法獲得運動控制器10多次采集傾角儀19和陀螺儀20的輸出信號，并經過DSP信號處理算法形成一個控制周期計算所用的反饋信號； 3)運動控制器10讀取電機編碼器的反饋信號，計算機器人速度，與主控制器3給定的控制命令對比得出誤差信號； 4)根據誤差信號，運動控制器10按預定的運動平衡控制算法計算電機的控制量，發送給伺服驅動控制器執行；其運動平衡控制算法為利用解耦控制的思想，將獲得的傾角AngleFB、AngleLR信號和傾角速度AngleAccFB、AngleAccLR信號分解到機器人的俯仰自由度方向和左右自由度方向，然后利用既定的PID控制算法，或者模糊控制，或者LQR，或者極點配置算法，或者魯棒控制算法，或者其他控制算法計算得到所需的控制量UU、UD，然后將控制量分別用以控制獨輪電機MD、慣性飛輪電機MU； 5)伺服驅動控制器控制獨輪電機12、飛輪電機18帶動調試支架13中的獨輪14、上運動平衡組件中的慣性飛輪17，使機器人維持機身平衡以及按指定方式運動；其中，通過電機電樞電流反饋閉環，實現電機的轉矩控制，且伺服控制周期遠小于機器人運動控制周期。
當調試支架13中拆除前后腳輪15，并使獨輪14和左右腳輪15在同一水平線，機器人成為倒立擺，其控制方法服從倒立擺控制方法，也可以采用上述的控制方法。當調試支架13中拆除左右腳輪15，將前后腳輪換橫裝腳輪，并使獨輪14和前后腳輪15在同一水平線，使機器人成為能夠自主騎行自行車的機器人，其控制也可以采用上述的控制方法。
本發明中的機器人可以簡化成如下最小結構只保留機械本體中的機器人軀干、總體平衡控制結構，控制系統的硬件支持中的傾角儀19、陀螺儀20、編碼器，MTS2812數字信號處理器板卡、兩個伺服驅動器ACJ-55-18、電源板卡5和充電電池模塊9。最小結構機器人的控制方法只針對運動控制器10和伺服驅動控制器，其控制程序分別運行在運動控制器10和獨輪、飛輪伺服驅動控制器4、8中，用于機器人前后左右的平衡。運動控制器10和伺服驅動控制器的控制程序分別如下 (1)運動控制器10中的程序 程序開始時，首先進行必要的初始化，完成程序使用的變量的初始化和配置DSP各寄存器狀態，主要配置控制中所需的I/O端口和A/D通道、通用定時器T1-T4，其中T1為中斷周期計時器，T2、T4為編碼器的計數器，T3為PWM信號輸出的比較計時器；然后，開啟PWM輸出，向伺服驅動控制器發送使能信號；最后，進行無限循環等待中斷到來，在每次循環中實施控制程序的檢測和控制算法； 每當T1計時滿25ms時產生中斷，DSP響應該中斷，保存當前程序現場，轉入定時中斷程序，其流程(控制程序)為 1)關閉定時器T1中斷，準備開始； 2)獲取編碼器信息。每個編碼器輸出信號為兩組正交編碼序列，DSP中的正交編碼脈沖電路對這兩組信號的上升沿和下降沿均進行計數，因此產生的時鐘頻率是每組輸入序列的四倍，所以讀取通用定時器T2、T4的計數器數值后，除以四，得到一個周期內編碼器輸出的脈沖數nu，nd， 3)計算機器人的累積直線位移、直線速度由編碼器信息可知一周期內每個輪子轉過的角度

由于控制周期T很短(25ms)，可近似計算輪子轉速

其直線速度Vx＝ω·R/2，其中R為輪子半徑，由于控制周期T很短，因此將Vx與T相乘累加到上個控制周期的累積直線位移得到當前累積直線位移，即x(t)＝x(t-T)+VxT； 4)對傾角儀19輸出的模擬電壓信號進行A/D轉換和信號獲取為避免采樣過程中偶然因素的影響，每個信號均連續采樣10次，進行A/D轉換，去掉其中最大值和最小值后求均值賦給對應的變量

通過公式θ＝(Uθ-U0)/S2，其中θ是計算得到的某個自由度上的傾角，Uθ是計算得到的電壓均值，U0是零位電壓，S2是傾角儀19的靈敏度，計算出對應機器人的傾斜角度； 5)通過SPI端口直接獲得前后自由度傾角和左右自由度傾角的傾角速度信號
6)以控制命令XC為參考輸入，以檢測到的x、Vx、θ1、

θ2、

為反饋量，通過運動平衡控制算法計算出兩個電機控制轉矩對應PWM的占空比，其中，轉矩絕對值范圍[0，6](Nm)，對應占空比為0～100％，大于等于零時為正轉，小于零時為反轉；運動平衡控制其算法為 i.根據機器人的機械系統的特點和參數，建立其數學模型，在直立平衡點線性化獲得線性狀態空間方程 其中，u＝[τd τu]T，俯仰方向傾角θ1、俯仰方向傾角速度

左右方向傾角θ2、左右方向傾角速度

ω為輪子旋轉的角度，

為輪子旋轉的角速度，η為慣性飛輪17旋轉的角度，

為慣性飛輪17角速度， ii.通過求得俯仰運動子系統與側傾運動子系統的能控矩陣均滿秩，證明兩者完全能控，系統各狀態值又均可測量獲得， iii.利用解耦控制的思想，將整個機器人系統的傾角控制任務分為俯仰自由度的傾角控制和左右自由度的傾角控制器，因此以θuc、θdc分別為兩個子系統參考輸入，狀態θi、

(i＝u，d；)，即兩個自由度的傾角，為反饋量，構造運動平衡控制系統，并采用PID控制方法設計內環的兩個傾角控制子系統的狀態反饋控制器PID控制參數采用臨界震蕩法獲得，具體為 內環俯仰自由度控制側傾自由度控制 用同樣的方法獲得機器人的位移控制外閉環的PID控制參數 外環X控制 7)刷新輸出至伺服驅動的PWM占空比和電機轉動方向； 8)設置計時器T1，重新開始25ms計時，設置T2、T4，重新開始計數； 9)開T1中斷，退出中斷控制程序； (2)伺服驅動控制器的控制程序 在伺服驅動器ACJ-55-18配套PC端的軟件COPLEY MOTION2中，通過輸入直流電機參數能夠自動計算伺服程序的PI調節參數，簡單設置控制系統結構后即可自動生成伺服控制程序，并通過串口下載固化至ACJ-55-18的存儲單元中，該伺服程序控制周期1ms，以DSP輸出的PWM信號和轉向信號分別為電機參考轉矩和參考轉向，取電樞電流為負反饋，實現電機轉矩PID伺服控制。
與現有的靜態平衡機器人(如四輪移動式機器人)相比，本實用新型提供了一種控制平臺，除了機器人學，還涉及控制科學和智能控制領，可滿足多學科科研教學的需要，并且具有以下優點 1)兩個自由度的耦合使得系統的非線性和不確定性增加，更加適合非線性控制、魯棒控制、智能控制和學習控制的研究。本實用新型的可調式調試支架不僅可以根據機器人調試的需要改變腳輪15的支撐高度，而且可以將其中一個自由度方向的腳輪15拆除，使機器人相當于三輪一線式移動倒立擺，或者兩輪自平衡機器人。
2)控制系統可分為主控制器3、運動控制器10、伺服驅動控制器三層級別，符合生物分級控制結構，各級控制器各司其職，使得機器人的處理能力和智能水平有所提高，能夠有效進行各種復雜控制算法、運動控制技能及其他智能行為的學習等的運算。
3)機器人結構采用模塊化的設計思想，最小系統以為的組件都可以拆卸更換，這為系統的維護、升級以及用戶根據需求進行柔性組裝提供了極大的方便。如可增設視覺傳感系統和語音處理系統，可運行視覺識別、語音識別功能；可配備遙控系統和避障系統，使得機器人具有遙控操作和自主避障運行的雙重模式。

圖1為獨輪機器人的機械結構主視圖； 圖2為獨輪機器人的機械結構側視圖； 圖3為獨輪機器人的電氣系統原理圖； 圖4為獨輪機器人的運動控制器主程序流程圖； 圖5為獨輪機器人最小系統的電氣系統連線圖； 圖6為獨輪機器人的運動控制系統框圖； 圖7為獨輪機器人最小系統結構主視圖。
圖中1、視覺傳感器，2、紅外線傳感器，3、主控制器，4、飛輪伺服驅動控制器，5、電源板卡，6、機械臂，7、機械手，8、獨輪伺服驅動控制器，9、充電電池模塊，10、運動控制器，11、聲納傳感器，12、獨輪電機，13、調試支架，14、獨輪，15、腳輪，16、音箱，17、慣性飛輪，18、飛輪電機，19、傾角儀，20、陀螺儀。
具體實施方式

以下結合附圖圖1-圖7對本實用新型進行詳細說明 本實用新型的自主騎行獨輪車的機器人系統包括機械本體和電氣系統(控制系統)，其中機械本體的總體結構為 軀干鋁合金支架構成的剛性機器人本體設計。
頭頸部二維云臺的模塊化設計，機器人可上下俯仰、左右轉動頭部。
機械臂6為了完成某些具體任務，使用能夠進行復雜操作的、模塊化的可拆卸機械臂。
機械手7具有能夠操作的、可更換的、模塊化多指機械手來完成任務。
總體平衡控制結構下運動平衡組件(下軸系組件)和上平衡組件(下軸系組件)垂直安裝結構。
設計原則模塊化的總體設計思想，每個組件都是一個整體，可以方便地拆卸、更換，例如機器人的頭部，可以安裝帶雙目視覺、聽覺以及音箱16的具有二維自由度的模塊化頭部，也可以安裝具有單目視覺功能的模塊化頭部。二者的更換只需要拆下固定頭部的四個螺釘，然后換上新的模塊化頭部即可。機械臂6、機械手7、聲納傳感器11等均為模塊化設計，替換、拆卸等都極為簡單。不同的模塊只要符合接口標準就可以完全通用。慣性飛輪17、獨輪14、調試支架13等全部設計為可以拆卸、更換，或者變換高度；電機功率大小可更換，預留更換空間。
機械本體包括8個主要組件 1.機器人底座組件安裝有姿態傳感器(包括傾角儀19、陀螺儀20)。
2.腰部組件安裝有充電電池模塊9，和聲納傳感器11。
3.上身組件安裝有組織級主控制器3EC3-1811工控機、控制級運動控制器10MTS2812數字信號處理器板卡、控制級輔助控制器MPCE061A開發板、飛輪和獨輪伺服驅動控制器兩個伺服驅動器ACJ-55-18、電源板卡5、以及USB轉串口通信模塊Visual USB_RS232模塊。
4.下運動平衡組件(下軸系組件)包括獨輪14、獨輪電機12、減速器、編碼器(速度傳感器)、以及滾珠軸承等。獨輪14可前后向設置(獨輪14的轉軸呈左右向)，實現了機器人前進方向的騎行運動和平衡控制。
5.上平衡組件(上軸系組件)包括慣性飛輪17、飛輪電機18、減速器、編碼器(速度傳感器)、以及滾珠軸承等。實現機器人左右方向的平衡控制。慣性飛輪17水平安裝(其轉動軸在豎直方向)。慣性飛輪為雙對可拆卸結構，當一種慣性飛輪不滿足控制要求或者需要更換其他飛輪進行相關實驗時，可將其拆卸，然后安裝上需要的飛輪，在這個過程中不需要將上軸系拆下。這樣就有效增加了系統的靈活性。
6.頭部組件可安裝視覺傳感器1、發聲裝置(音箱16)、轉動和俯仰自由度控制舵機、二維云臺的機器人脖子等。
7.機械臂組件設計有四自由度機械臂6。
8.靈巧手組件在機械臂6端部設計有三指的九自由機械手7。
其中，1、2、3項構成了機器人軀干，1、2、3、4、5項構成了機器人的基本結構。
電氣系統主要分為感覺系統，控制系統，電源系統三個系統。
感覺系統是機器人的“眼睛”，“耳朵”等獲取外界信息的組件，主要包括視覺傳感器1、紅外線傳感器2、聲納傳感器11、姿態傳感器、速度傳感器、聽覺傳感器、遙控接收。
視覺傳感器1用于檢測機器人前方的視覺圖像，采集圖像信息傳送至大腦(組織級)進行處理； 紅外線傳感器2——檢測前方有無人類活動。本實施例中紅外線傳感器為紅外微型人體感應模塊KT-0003B。
聲納傳感器11——安裝在機器人腰部的超聲波傳感器11相當于蝙蝠的嘴和耳朵，當它們工作時，機器人能夠利用該傳感器測得周圍物體的距離。從而可以組成聲納壁障系統，進而完成避障任務； 姿態傳感器——傾角儀19和陀螺儀20，傾角儀19用于檢測機器人相對于豎直位置的俯仰傾角、左右傾角。陀螺儀20用于檢測機器人三軸傾角速度。二者為機器人提供了重要的自身狀態信息。
速度傳感器是安裝于電機尾端的光電編碼器或者磁編碼器。速度傳感器將速度信號轉化為電信號傳送到運動控制器10。本實施例中采用磁編碼器作為速度傳感器。
聽覺傳感器——接收聲音信號，例如人的語音信號等。本實施例中聽覺傳感器采用MIC，集成于攝像頭上。
遙控接收——接收遙控器臨時發出的指令。
控制系統是機器人的神經中樞，它利用感覺系統提供的信號進行各種處理和映射，最終得到機器人的各種實時動作指令。它主要包括機器人的驅動級的肌肉(伺服驅動控制器及電機)，控制級的小腦控制中樞神經系統(運動控制器)和組織級的大腦神經中樞系統(主控制器)。其中，飛輪、獨輪電機及其伺服驅動控制器相當于系統的肌肉；數字信號處理器(DSP)——平衡和動作控制中樞和輔助管理系統相當于系統的小腦控制中樞神經系統，即運動控制器10和輔助控制器；工業控制計算機(EC3-1811)作為宏觀規劃和管理中樞相當于機器人的大腦神經中樞，即主控制器3。
電源系統相當于機器人的消化系統，它為機器人提供了思考和動作的所有能源。電源系統主要由電源板卡5和充電電池模塊9組成。
主控制器3為嵌入式計算機(EPC)系統，如EC3-1811工控機。
運動控制器10選用數字信號處理器(DSP)系統。
輔助控制器選用單片機(MCU)、DSP或其他嵌入式系統。
伺服驅動控制器選用伺服驅動器ACJ-55-18。
飛輪、獨輪電機可選用直流力矩電機、帶減速器的直流有刷電機或直流無刷電機。
電源系統充電電池模塊9選用鋰電池LBS-100C、電源板卡5選用PW4512。
所述電氣系統的連接關系為主控制器3與運動控制器10、輔助控制器、輸入輸出設備連接；運動控制器10與傾角儀19、陀螺儀20、編碼器、伺服驅動控制器相連接；輔助控制器與超聲波傳感器和遙控接收器(與輔助控制器一體安裝)連接；視覺傳感器1、紅外傳感器、聽覺傳感器(MIC)、音箱16(發聲裝置)與主控制器3的輸入輸出連接；充電電池模塊9經電源板卡5給各電氣設備供電。
如圖4所示，機器人運動控制方法主控制器3接收來自輸入設備(遙控接收器)的用戶操作指令；監測各傳感器反饋信息；定時參照用戶操作指令和傳感器反饋信息，通過運動行為決策算法計算機器人的直行和偏航速度控制命令，下達給運動控制器10執行；在一個運動控制周期內，運動控制器10讀取機器人底座上的傾角儀19、陀螺儀20的反饋信號，與零位值比較得出傾角和傾角速度的誤差信號；運動控制器10讀取電機上編碼器的反饋信號，計算機器人直行和偏航速度，與主控制器3給定的控制命令對比得出誤差信號；根據誤差信號，運動控制器10按預定的運動平衡控制算法計算電機的控制量，發送給伺服驅動控制器執行；伺服驅動控制器控制飛輪、獨輪電機運動，電機帶動慣性飛輪18、獨輪14運動，使機器人維持機身平衡以及按指定方式運動，其中 主控制器3接收的用戶指令，既可以是即時指令，如遙控器鍵入等，也可以是預存的指令，如程序存儲的動作順序表等；既可以是動作指令，如前進、轉彎等，也可以是任務式指令，如自主避障運行等； 主控制器3通過與運動控制器10通信間接獲取傾角儀19、陀螺儀20和編碼器的反饋信息，通過與輔助控制器通信間接獲取超聲波傳感器反饋信息和遙控輸入的指令； 主控制器3的運動行為決策算法為首先，動作發生器參考用戶命令或超聲波測距信息計算出期望直行和偏航速度控制命令，然后決策器根據機器人姿態平衡的狀況判斷是否執行期望控制命令，若姿態平衡狀況良好，則期望控制命令即為實際控制命令，若姿態平衡狀況不佳，則實際控制命令為零，即先調整機器人平衡；動作發生器的設計可選查表、動態規劃、專家系統等算法；決策器的設計可選查表、模糊邏輯、專家系統等算法。
運動控制器10通過模數(A/D)轉換和SPI端口多次采集傾角儀19和陀螺儀20的輸出信號，并經過濾波等信號處理算法形成一個控制周期計算所用的反饋信號。
運動控制器10的運動平衡控制算法為利用解耦控制的思想，將獲得的傾角AngleFB、AngleLR信號和傾角速度AngleAccFB、AngleAccLR信號分解到機器人的俯仰自由度方向和左右自由度方向，然后利用既定的PID控制算法，或者模糊控制，或者LQR，或者極點配置算法，或者魯棒控制算法，或者其他控制算法計算得到所需的控制量UU、UD，然后將控制量分別用以控制獨輪電機14、飛輪電機18運動。
伺服驅動控制器通過電機電樞電流反饋閉環，實現電機的轉矩控制，伺服控制周期遠小于機器人運動控制周期。
以上控制方法適用于拆除所有腳輪，只有獨輪的情況；也適用于拆除前后腳輪的情況。當拆除前后腳輪時，本系統為倒立擺，可以采用倒立擺的控制方法，也可以采用上述控制方法。
下面介紹本實用新型最小系統實施例。(最小系統的結構如圖7所示) 一、機器人的硬件 1.電氣系統選型 運動控制器10選用颶風數字系統(北京)有限公司MSK2812系統板。該系統的處理器采用TI公司TMS320F2812DSP，系統為5V直流供電。
MSK2812的仿真器選用颶風數字系統(北京)有限公司的XDS510USB，USB2.0接口。伺服驅動控制器選用Copley Motion公司的伺服驅動器ACJ-55-18。傾角儀19選用Crossbow公司的CXTA-02雙軸傾角儀。陀螺儀20選用Analog Device公司的ADIS16355三軸慣導系統。
機器人的驅動電機(獨輪電機12和飛輪電機18)選用Maxon公司的直流無刷電機套件EC32，24V供電，80W功率，19 0:1的行星齒輪減速器GP32C，電機配有增量式光電編碼器，精度為500線。
充電電池模塊9選用LBS-100C標準鋰電池，標稱電壓29.6V，工作范圍33.6V-24V，標稱容量150Wh，保護電路內置過充、過放、過流及短路保護，集成電量監控。
電源板卡5選用華北工控的PW-4512電源模塊，給控制器及其他電子設備供電，輸入電壓16-40V DC，輸出電壓ATX+3.3V@5A，+5V/+5VSB@5A，+12V@5A，-12V@0.8A， 2.機械結構與電氣元件布局 本實施例總重量8kg，高度520mm，寬度300mm，長度220mm，獨輪14的直徑210mm。機器人的機械結構和電器元件布局如下 如圖7所示，整個機器人為鋁合金框架，分為底座，腰部，上身三層。各部分均為前后左右敞口的立柱支撐結構，便于各種電子器件的安裝和上身電機組件的固定。各個部分的接口板均為具有中空和加固立環結構的鋁合金方形板。上身上胸腔的外部前立面，利用亞克力板固定運動控制器10和電源板卡9，右立面固定飛輪伺服驅動控制器4。中間空出充足的空間，在前后立柱上加裝電機固定板，用以在機器人的上身中心位置安裝上慣性飛輪組件。下胸腔右立面利用亞格力隔板固定下軸系驅動器(調試支架13中的獨輪14)。中間有類似人類的胸腔隔膜(中空和加固立環結構的鋁合金方形加固板)。腰部與胸腔的加固板上固定充電電池模塊9(LBS-100C標準鋰電池)。底座的主固定板中心裝傾角儀19和陀螺儀20。底座的豎裝支架上固定有調試支架13，調試支架13下面的前后左右裝有四個腳輪15。
3.電氣系統連接 如圖5所示，電氣系統各部分的連接方法如下 MSK2812板由PW-4512電源模塊的+5V輸出供電，它的J7接口的36，35腳，即A/D轉換輸入通道，38，39腳，即SPI引腳，分別與傾角儀CXTA02和陀螺儀ADIS16355的SPI信號輸出端連接；陀螺儀ADIS16355由MSK2812的J7接口提供+5V輸出供電；傾角儀CXTA02則由PW-4512電源模塊的24V輸出供電。
MSK2812與兩個伺服驅動器ACJ-55-18間的連接包括控制信號線和編碼器反饋信號線。控制信號包括電機使能信號、電機轉動方向信號和PWM轉速控制量信號。其中，MSK2812的J5接口的3、7腳分別與控制飛輪、獨輪電機的伺服驅動器ACJ-55-18的J5接口的3腳連接，作為伺服驅動器ACJ-55-18的使能信號線；MSK2812的J5接口的5、1腳分別與控制飛輪、獨輪電機ACJ-55-18的J5接口的6腳連接，作為電機轉動方向選擇信號線；MSK2812的J7接口17、18腳為PWM輸出，分別與控制飛輪、獨輪電機的伺服驅動器ACJ-55-18的J5接口的20腳連接，作為轉速控制量信號線。飛輪、獨輪電機編碼器的反饋信號經伺服驅動器ACJ-55-18緩存后連接至MSK2812，具體接線為飛輪、獨輪電機的伺服驅動器ACJ-55-18的J5接口的10、11腳，分別接MSK2812的J7接口的27、28腳和J6接口的13、14腳。
兩個伺服驅動器ACJ-55-18的J3接口的3、4腳為電源輸入端，分別接電源輸出的+24V和GND；J2接口的3、4腳為控制電壓的輸出端，分別與電機的+/-輸入端連接，其中3腳與電機+輸入端之間串接一個電機開關；J4接口的4、6分別為+5V和GND，分別與編碼器排線的2、3線連接，J4接口的1、8、2、9、3、10腳為編碼器A通道、B通道和零位信號的共模輸入端，分別接編碼器排線的5、6、7、8、9、10線。
LBS-100C標準鋰電池經一個雙刀雙擲的船型開關與PW-4512電源模塊連接。PW-4512電源模塊的+/-輸入端連接LBS-100C標準鋰電池的+/-端，提供±12V，±5V，+3.3V直流輸出，分別連接各對應設備的供電端。
4.電氣系統的工作原理 本實施例機器人的主要功能是在保持機身俯仰姿態平衡和左右姿態平衡的前提下，能夠實現控制機器人實現前后向的運動。由此，機器人電氣系統的工作原理如圖3所示機器人的運動控制器10得到傾角儀19、陀螺儀20的反饋信號，經過伺服驅動控制器中繼讀取編碼器反饋信號，然后，綜合接收到得控制命令和反饋信號，按預定的運動平衡控制算法計算出電機的轉矩控制量，發送對應的PWM信號給伺服驅動控制器執行；獨輪伺服驅動控制器8控制獨輪電機12運動，獨輪電機12帶動獨輪14保持機器人前后方向的平衡并且實現前后方向的運動。飛輪伺服驅動控制器4控制飛輪電機18旋轉運動，飛輪電機18帶動慣性飛輪17使機器人維持機身左右方向的平衡。
二、機器人系統的運動控制方法 本實施例給出獨輪機器人的前進運動模式控制系統的軟件實現，其他如機器人智能行為決策、語音操作等控制功能可以參考本實施例軟件，添加相應硬件和軟件模塊進行設計。
整個控制系統由兩部分軟件實現，分別運行在運動控制器10和伺服驅動控制器中。
1.運動控制器中的控制軟件(其原理如圖6) 運動控制器10的程序采用TI公司的CCS軟件開發，并固化在存儲單元中。程序以25ms定時中斷的方式實現機器人姿態平衡和運動的實時控制。本實施例給出主程序算法流程，涉及到DSP的資源配置、使用，可直接參考TI公司為TMS320F2812DSP提供的例程。
主程序開始時，首先進行必要的初始化，完成程序使用的變量的初始化和配置DSP各寄存器狀態，主要配置控制中所需的IO端口和A/D通道、通用定時器T1-T4(設置并開啟T1為中斷周期計時器，T2、T4為編碼器的計數器，T3為PWM信號輸出的比較計時器)。然后，開啟PWM輸出，向伺服驅動控制器發送使能信號；最后，進行無限循環等待中斷到來，在每次循環中實施主程序流程圖中的檢測和控制算法。
每當T1計時滿25ms時產生中斷，DSP響應該中斷，保存當前程序現場，轉入定時中斷程序。如圖11所示，定時中斷程序(主控制程序)的流程為 Step1關閉定時器T1中斷，準備開始。
Step2獲取編碼器信息。每個編碼器輸出信號為兩組正交編碼序列，DSP中的正交編碼脈沖電路對這兩組信號的上升沿和下降沿均進行計數，因此產生的時鐘頻率是每組輸入序列的四倍，所以讀取通用定時器T2、T4的計數器數值后，需要除以四，才能得到一個周期內編碼器輸出的脈沖數nu，nd。
Step3計算機器人的累積直線位移、直線速度。由編碼器信息可知一周期內每個輪子轉過的角度

由于控制周期T很短(25ms)，可近似計算輪子轉速

其直線速度Vx＝ω·R/2，其中R為輪子半徑。由于控制周期T很短，因此將Vx與T相乘累加到上個控制周期的累積直線位移得到當前累積直線位移，即x(t)＝x(t-T)+VxT。
Step4對傾角儀19輸出的模擬電壓信號進行A/D轉換和信號獲取。為避免采樣過程中偶然因素的影響，每個信號均連續采樣10次，進行A/D轉換，去掉其中最大值和最小值后求均值賦給對應的變量

計算底盤和軀干的傾斜角度和傾斜角速度。通過公式θ＝(Uθ-U0)/S2，其中θ是計算得到的某個自由度上的傾角，Uθ是計算得到的電壓均值，U0是零位電壓，S2是傾角儀19的靈敏度，計算出對應機器人的傾斜角度。
Step5通過SPI端口直接獲得前后自由度傾角和左右自由度傾角的傾角速度信號
Step6以控制命令XC為參考輸入，以檢測到的x、Vx、θ1、

θ2、

為反饋量，通過運動平衡控制算法計算出兩個電機控制轉矩對應PWM的占空比。其中，轉矩絕對值范圍[0，6](Nm)，對應占空比為0～100％，大于等于零時為正轉，小于零時為反轉。
Step7刷新輸出至伺服驅動控制器的PWM占空比和電機轉動方向。
Step8設置計時器T1，重新開始25ms計時，設置T2、T4，重新開始計數。
Step9開T1中斷，退出中斷控制程序。
Step6中提到的運動平衡控制算法為如圖10所示，系統采用雙閉環的控制結構，首先最外環是位置(位移)控制器K1，K1根據位置誤差和位移控制算法，計算出直線位移控制量UX，UX作為內環的控制給定，傳遞給內環-傾角控制器K2，K2利用測得的現有俯仰方向傾角θ1、俯仰方向傾角速度

左右方向傾角θ2、左右方向傾角速度

通過耦合算法計算得到電機控制轉矩[τu τd]T；位移控制器的設計選用PID控制算法；傾角控制器也采用廣泛應用的PID控制算法。整個控制系統構成雙閉環控制結構。
具體控制算法實施過程為首先，根據機器人的機械系統的特點和參數，建立其數學模型，在直立平衡點線性化獲得線性狀態空間方程 其中，u＝[τd τu]T，俯仰方向傾角θ1、俯仰方向傾角速度

左右方向傾角θ2、左右方向傾角速度

ω為輪子旋轉的角度，

為輪子旋轉的角速度，η為慣性飛輪17旋轉的角度，

為慣性飛輪17角速度。
其次，通過求得俯仰運動子系統與側傾運動子系統的能控矩陣均滿秩，證明兩者完全能控，系統各狀態值又均可測量獲得。
再利用解耦控制的思想將整個機器人系統的傾角控制任務分為俯仰自由度的傾角控制和左右自由度的傾角控制器。因此以θuc、θdc分別為兩個子系統參考輸入，狀態θi、

(i＝u，d；)，即兩個自由度的傾角，為反饋量，構造圖15中運動平衡控制系統，并采用PID控制方法設計內環的兩個傾角控制子系統的狀態反饋控制器 采用臨界震蕩法獲得具體的PID控制參數為 內環俯仰自由度控制側傾自由度控制 用同樣的方法獲得機器人的位移控制外閉環的PID控制參數 外環X控制 從而構成整個控制系統，給定控制目標為機器人前行10米，即圖16中的控制目標為10米(10米處的直線)，控制過程中傾角的變化如圖15，實際位移見圖16中的過(0，0)點的曲線。
2.伺服驅動控制器的軟件 在伺服驅動器ACJ-55-18配套的PC端軟件COPLEY MOTION2中，通過輸入直流電機參數能夠自動計算伺服程序的PI調節參數，簡單設置控制系統結構后即可自動生成伺服控制程序，并通過串口下載固化至ACJ-55-18的存儲單元中。該伺服程序控制周期1ms，以DSP輸出的PWM信號和轉向信號分別為電機參考轉矩和參考轉向，取電樞電流為負反饋，實現電機轉矩PID伺服控制。
三、機器人系統的使用 使用本實施例的機器人時，可按如下步驟操作 1.安裝硬件 2.安裝電氣系統 3.確認硬件和電氣系統連接正確。
4.將主電源的船型開關撥至“開”。
5.將機器人扶穩至直立位置。
6.打開電機開關，機器人開始平衡控制。
7.待機器人在直立位置上穩定后，不再扶持。
8.扶穩機器人后依次關閉電機開關、主電源開關。
權利要求1.獨輪機器人系統，包括機械本體和控制系統；機械本體包括鋁合金框架構成的剛性機器人軀干，模塊化設計的二維云臺構成的機器人頭頸部，可拆卸的機械臂(6)，接于機械臂(6)端部的多指機械手(7)，由垂直安裝的下運動平衡組件和上平衡組件構成的總體平衡控制結構，其中，下運動平衡組件為獨輪(14)及獨輪電機(12)，上平衡組件為慣性飛輪(17)及飛輪電機(18)；控制系統由狀態感知傳感器、運動控制器(10)和兩個伺服驅動控制器以及電源系統構成，其中，狀態感知傳感器包括姿態傳感器和速度傳感器，運動控制器(10)接收狀態感知傳感器的信號，在控制程序下將接收信號進行處理，從而發出控制指令，兩個伺服驅動控制器接收控制指令，分別通過獨輪電機(12)和飛輪電機(18)控制獨輪(14)和慣性飛輪(17)轉動，對機器人的姿態平衡作出調整；其特征在于所述慣性飛輪(17)是水平放置的，可左右轉動；在獨輪(14)四周套有一個可上下調節的調試支架(13)，在調試支架(13)下面，前后左右各設置有一個可拆卸的腳輪(15)。
2.如權利要求1所述的獨輪機器人系統，其特征在于所述慣性飛輪(17)為雙對可拆卸結構，由兩個飛輪并列組成，每個飛輪由兩個半圓結合而成。
3.如權利要求1或2所述的獨輪機器人系統，其特征在于所述姿態傳感器為傾角儀(19)和陀螺儀(20)；所述速度傳感器為安裝在獨輪電機(12)和飛輪電機(18)中的編碼器；所述運動控制器(10)為MTS2812數字信號處理器板卡；所述伺服驅動控制器為伺服驅動器ACJ-55-18；所述電源系統為電源板卡(5)和充電電池模塊(9)。
4.如權利要求3所述的獨輪機器人系統，其特征在于所述編碼器中帶有可進行溫度補償的溫度傳感器。
5.如權利要求3所述的獨輪機器人系統，其特征在于所述感知傳感器還有安裝在機器人頭部的由雙攝像頭構成的視覺傳感器(1)、MIC構成的聽覺傳感器和位于雙攝像頭之間的紅外線傳感器(2)，以及安裝在機器人腰部一周的聲納傳感器(11)、遙控接收器；所述控制系統還有由單片機(MCU)構成的接收聲納傳感器(11)、遙控接收器信號的輔助控制器和由嵌入式計算機(EPC)系統構成的接收視覺傳感器(1)、紅外線傳感器(2)、聽覺傳感器信號的主控制器(3)，該主控制器(3)可以接收運動控制器(10)和輔助控制器的信息，進一步為運動控制器(10)提供控制指令，并能通過音箱(16)發聲。
6.如權利要求5所述的獨輪機器人系統，其特征在于調試支架(13)上只設置左右腳輪(15)，并使獨輪(14)和左右腳輪(15)在同一水平線。
7.如權利要求5所述的獨輪機器人系統，其特征在于調試支架(13)上只設置前后腳輪(15)，并使獨輪(14)和前后腳輪(15)在同一水平線。
8.如權利要求3所述的獨輪機器人系統，其特征在于只保留機械本體中的機器人軀干、總體平衡控制結構，控制系統的硬件支持中的傾角儀(19)、陀螺儀(20)、編碼器，MTS2812數字信號處理器板卡、兩個伺服驅動器ACJ-55-18、電源板卡(5)和充電電池模塊(9)，作為機器人的最小結構。
專利摘要本實用新型涉及獨輪機器人系統，屬于智能機器人范疇，涉及一種能夠自主進行運動平衡控制進而自主騎行獨輪車的靜態不平衡機器人及其運動平衡控制方法。本實用新型包括機身及其平衡探測和控制系統，其特征在于機身下部為一個可前后轉動的獨輪；機身中間含有可左右轉動的水平放置的慣性飛輪；平衡探測和控制系統由運動控制器及與其連接的姿態探測器、伺服驅動控制器組成。其中，運動控制器10接收姿態傳感器的信號，按照控制程序對接收信號進行處理，進而發出控制指令通過伺服驅動控制器控制電機對機器人的姿態平衡作出調整。本實用新型提供了一種控制平臺，除了機器人學，還涉及控制科學和智能控制領域，可滿足多學科科研、教學的需要。
文檔編號G05D1/00GK201565951SQ20092010909
公開日2010年9月1日 申請日期2009年7月8日 優先權日2009年7月8日
發明者阮曉鋼, 王啟源, 胡敬敏, 于乃功, 王昱峰, 李欣源, 任紅格 申請人:北京工業大學