專利名稱：一種獨輪自平衡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，尤其是ー種能夠自主進行運動平衡控制進而自主騎行獨輪車實現多功能的動態平衡機器人系統。
背景技術：
機器人技術作為21世紀非常重要的技術，與網路技術、通信技術、基因技術、虛擬現實技術等一祥，屬于高新技術。在機器人技術發展過程中，運動平衡控制問題是機器人系統普遍存在的問題。同時人們對智能機器人的要求越來越高，智能機器人能夠進行人機交互，具有小巧的外形，能在狹窄空間內運動靈活等性能。這些要求都是靜態平衡機器人很難達到的，因此從某種程度上說，動態平衡機器人是將來智能機器人研究的必然方向和趨勢。 獨輪機器人結構屬于典型的輪式自平衡機器人移動機器人，其將機器人與地面的接觸點減小到最小，有效降低外界環境對機器人本體的影響，擴展了機器人的應用范圍。獨輪自平衡機器人作為ー種技術系統或人工系統，具有人工智能系統的典型形式和最高目標模擬人的智能行為；使機器思維，使機器具有智能。具體的，以獨輪自平衡機器人為平臺，研究智能行為模式，可以增進對生物智能行為的理解，例如學習、條件反射機制甚至進化過程等；模擬生物的智能行為使獨輪自平衡機器人具有學習、條件反射機制甚至進化等能力。獨輪機器人比一般靜態平衡機器特點更明顯，具有廣闊的應用前景利用其動態平衡特性，將它引入復雜地形環境，進行運輸、營救和礦物探測；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等。獨輪機器人是ー個高階次、多耦合、不完整的非線性系統，與一般靜態平衡機器人相比，獨輪機器人的動態不平衡特性更明顯。將系統與地面接觸點將到最低，受動態干擾少。同時它的不穩定性對控制理論和方法提出更高要求和挑戰，在自動化領域中具有更重要的理論價值和實踐價值，更能體現人類的控制水平。獨輪機器人相比于一般的不需要運動平衡的靜態平衡機器人，獨輪機器人具有以下顯著特點1)從仿生角度看，獨輪機器人的水平平衡系統模擬人類軀干，尤其是腰部結構的左右扭動動作，獨輪自平衡機器人系統及其模型比其它機器人及其模型更適用于研究仿人姿態平衡控制。2)機器人的運動過程首先能夠穩定直立，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。這雖然増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；3)若在機器人機構上加入ー個水平的轉向機構， 機器人能夠以ー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、轉彎、原地轉身，甚至可以完成走鋼絲的高難度動作。對于獨輪機器人的控制，目前許多研究者都是基于飛輪旋轉的平衡控制，但是目前在國內還沒有一個能夠獨立行走、轉彎的獨輪車，所以本實用新型的研制，無疑會對獨輪車的研究起到十分重要的推動作用。現有的獨輪機器人大部分依靠電機驅動車輪前后運動，控制機器人的前后穩定。 這種方法直接、簡單、易實現，同時靠豎直飛輪旋轉來控制側向平衡。例如美國加州大學研制成功獨輪自平衡機器Unibot，它結合了著名的“輪式倒立擺”和“慣性輪倒立擺”兩種思想，使用了類似Segway的技術以保持直立姿態該機器人采用的傾斜角測量系統的加位移計和陀螺儀，并LQR控制的豎直飛輪和底部的行走輪控制算法，成功地實現其自身的平衡。 但是Unibot沒有轉向機構，同時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等。
實用新型內容本實用新型設計了ー種基于飛輪平衡控制的獨輪自平衡機器人的系統。該系統不僅可以作為ー種控制科學中的研究平臺，為機器人學、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，本實用新型采用了如下技術方案ー種獨輪自平衡機器人系統，包括豎直飛輪(I)，豎直飛輪連接軸承(2)，豎直飛輪的電機(3)，豎直飛輪的電機的伺服驅動器(4)，上身支架(5)，水平飛輪(6)，水平飛輪的電機(7)，水平飛輪的電機的伺服驅動器(8)，慣導傳感器(9)，運動控制器(10)，電源 (11)，電源轉接板(12)，獨輪電機(13)，獨輪電機的伺服驅動器(14)，獨輪電機連接軸承
(15)，下身支架(16)，獨輪(17)，保護支架(18)，調節支架(19)，腳輪(20)，仿真器(21);主體結構由上身支架(5)、下身支架(16)和保護支架(18)組成，下身支架(16)上端與上身支架(5)固定連接，下身支架(16)兩側與保護支架(18)固定連接；豎直飛輪(I)和豎直飛輪的電機(3)通過豎直飛輪連接軸承(2)連接在一起，豎直飛輪連接軸承(2)固定在上身支架(5)上面；在豎直飛輪(I)的下面依次裝有水平飛輪出)、水平飛輪的電機(7)、慣導傳感器(9)和電源(11)，且水平飛輪(6)、水平飛輪的電機(7)、慣導傳感器(9)和電源
(11)均與上身支架(5)固定連接；在上身支架的兩側，裝有運動控制器(10)、三個伺服驅動器(4、8、14)、電源轉接板(12)、仿真器(21);獨輪通過獨輪電機連接軸承(15)和下身支架(16)連接在一起；保護支架(18)的前后兩側各安裝一個調節支架(19)，每個調節支架
(19)上安裝一個腳輪(20)，同時在保護支架(18)左右兩側各安裝一個腳輪(20);運動控制器(10)的輸出端分別與豎直飛輪的電機的伺服驅動器(4)、水平飛輪的電機的伺服驅動器⑶和獨輪電機的伺服驅動器(14)、慣導傳感器(9)、電源轉換板(12)、仿真器(21)連接；豎直飛輪的電機的伺服驅動器(4)的輸出端與豎直飛輪的電機(3)連接，豎直飛輪的電機⑶驅動豎直飛輪⑴的旋轉；水平飛輪的電機的伺服驅動器⑶的輸出端與水平飛輪的電機(7)連接，水平飛輪的電機(7)驅動水平飛輪￠)的旋轉；獨輪電機的伺服驅動器
(14)的輸出端與獨輪電機(13)連接，獨輪電機(13)驅動獨輪(17)的滾動；獨輪電機的伺服驅動器(14)、豎直飛輪的電機的伺服驅動器(4)、水平飛輪的電機的伺服驅動器(8)、豎直飛輪的電機(3)、水平飛輪的電機(7)、獨輪電機(13)分別由電源(11)直接供電，慣導傳感器(9)和運動控制器(10)由電源經過電源轉接板(12)轉換后的電壓供電。設置了ー個套在獨輪(17)四周的可上下調節的帶有四個可拆卸的腳輪(20)的調節支架(19)。所述的調試支架(19)上的腳輪(20)可拆除。獨輪自平衡機器人系統，包括機械本體和控制系統機械本體下部為ー個可前后轉動的獨輪(17)，在獨輪(17)四周套有ー個可上下調節的調節支架(19)和保護支架(18);機械本體含有可轉動的豎直飛輪(I)和水平飛輪出)；獨輪(17)和飛輪在平衡控制系統的控制下運轉，來保持機器人平衡、運動和轉向；控制系統由運動控制器(10)、傳感器
(9)和3個伺服驅動器以及電源系統構成。運動控制器接收慣導傳感器采集的姿態、位移、 速度信號，在控制程序下將信號進行處理，從而發出控制指令，三個伺服器從控制器接收指令，分別通過獨輪電機(13)、豎直飛輪的電機(3)和水平飛輪的電機(7)控制獨輪(17)和飛輪的轉動，對機器人的姿態進行控制。本實用新型的基于飛輪平衡控制的獨輪自平衡機器人的系統可按功能結構分為5 個主要部件I.側向平衡運動機構組件包括豎直飛輪(I)和豎直飛輪的電機。豎直飛輪的電機控制豎直飛輪，實現機器人左右方向的平衡控制，為機器人系統的平衡提供カ矩。2.前后平衡運動機構組件包括獨輪(17)和獨輪電機(13)，獨輪電機選控制獨輪，實現機器人前后方向的平衡控制，為機器人系統的平衡提供カ矩。3.轉向運動機構組件包括水平飛輪(6)和水平飛輪的電機(7)，水平飛輪的電機控制水平飛輪，實現機器人轉向運動控制，為機器人系統的提供旋轉カ矩。4.身軀支架組件包括上身支架(5)，下身支架(16)，獨輪(17)，運動控制器
(10)、3個伺服驅動器(4、8、14)、慣導傳感器(9)，電源(11)，電源轉接板(12)和仿真器 (21)。5.底部支架保護機構組件包括保護支架(18)、調節支架(19)和腳輪(20)。保護支架起到防止機器人由于控制失敗而發生傾倒。調節支架為了方便機器人在不同的實驗當中進行位置控制。設計原則模塊化的總體設計思想，每個組件都是ー個整體，可以方便地拆卸、更換，不同的模塊只要符合接ロ標準就可以完全通用。飛輪、獨輪、調試支架等全部設計為可以拆卸、更換，或者變換高度。本實用新型具有以下優點第一，本實用新型作為ー種智能機器人，可作為機器人學、控制科學和智能控制領域交叉的綜合研究對象，滿足多學科科研教學的需要。第二，本實用新型所設計的新型的獨輪自平衡機器人控制系統，因其具有獨特的形態、結構和控制方法，具有新的應用價值，是ー種與工程實際問題聯系緊密，實用價值較高的研究、示教、展示、娛樂設備。并且，在ー些實際應用中，如火箭發射，存在重心在支點之上的控制問題，本系統很好的模擬了這類問題，可作為研究這類特定系統控制問題的理想對象。第三，本實用新型中的三個自由度的耦合使得系統的非線性和不確定性増加，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。第四，本實用新型的所有組件均采用模塊化的設計思想，某種組件都可以拆卸更換，這為系統的維護和升級提供了極大的方便。第五，本實用新型的可調式底部支架不僅可以根據機器人調試的需要改變底部支撐高度，而且作為機器人的保護裝置，避免機器人在調試過程中的意外傾倒而摔壞。
以下結合附圖說明和具體實施方式
對本實用新型作進ー步的相信說明。
圖I基于獨輪自平衡機器人系統機械結構等角軸側圖；圖2基于獨輪自平衡機器人系統機械結構前視圖；圖3基于獨輪自平衡機器人系統機械結構后視圖；圖4基于獨輪自平衡機器人系統機械結構右視圖；圖5基于獨輪自平衡機器人系統機械結構的保護支架側視圖；圖6基于獨輪自平衡機器人系統電氣系統原理圖；圖7基于獨輪自平衡機器人系統電氣系統接線圖；圖中1_豎直飛輪，2-豎直飛輪連接軸承，3-豎直飛輪的電機，4-豎直飛輪的電機的伺服驅動器，5-上身支架，6-水平飛輪，7-水平飛輪的電機，8-水平飛輪的電機的伺服驅動器，9-慣導傳感器，10-運動控制器，11-電源，12-電源轉接板，13-獨輪電機，14-獨輪電機的伺服驅動器，15-獨輪電機連接軸承，16-下身支架，17-獨輪，18-保護支架，19-調節支架、20-腳輪、21-仿真器。
具體實施方式
下面結合圖I 圖7對本實用新型進行詳細說明下面介紹具體系統實施例。I.電氣系統選型機器人的獨輪電機13和豎直飛輪的電機3選用Maxon公司的直流無刷電機套件， 24V供電，90W功率，14 I的行星齒輪減速器GP32C，電機配有增量式光電編碼器RE35，精度為500線。水平飛輪電機7采用Maxon公司的盤式直流無刷電機套件EC90，3.5 I的行星齒輪減速器GP52C，電機配有増量式光電編碼器，精度為500線。3個伺服驅動器選用 ACJ-55-18，慣導傳感器選用 INNALABS AHRS0運動控制器選用颶風數字系統(北京)有限公司MSK2812系統板10。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 接ロ。伺服驅動控制器選用Copley Motion公司的伺服驅動器ACJ-55-18。傳感器選用 INNALABS AHRS高性能的捷聯慣導系統。充電電池模塊選用LBS-100C標準鋰電池11，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。電源轉接卡12選用華北エ控的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. 3Vi5A, +5V/+5VSBi5A, +12Vi5A, -12ViO. 8A。2.機械結構與電氣元件布局本實施例總重量13kg，高度130cm，寬度30cm，長度22cm，獨輪17的直徑210mm。 機器人的機械結構和電器元件布局如下如圖I所示，整個機器人為鋁合金框架，豎直飛輪和豎直飛輪電機通過軸承固定于上身支架。上身支架為前后左右敞ロ的立柱支撐結構，便于各種電子器件的安裝以及飛輪、電機、驅動器的固定。上身支架的外部前立面，利用亞克カ板自上而下分別固定豎直飛輪的電機的伺服驅動器、仿真器和運動控制器，電源轉換板固定在仿真器表面。上身支架的外部后立面，自上而下分別固定水平飛輪的電機的伺服驅動器和獨輪電機的伺服驅動器。 上身支架中間空出充足的空間，在豎直飛輪的下方依次加裝多個固定板，分別將水平飛輪、 水平飛輪的電機、慣導傳感器、電源固定于上身支架上。電源為可插拔的塊狀電池，在實際使用過程中相當方便，當電池沒電時，只要按ー下電池塊旁邊的開關，電池就可以順利取下來，不用擰取任何ー個螺絲，更換新電池時，順著插槽，只需輕輕一推就可以了。上身支架固定鏈接于下身支架上端，下身支架兩側固定連接保護支架，獨輪通過獨輪電機連接軸承和下身支架連接在一起。保護支架的前后兩側各安裝一個調節支架，每個調節支架上安裝一個腳輪，同時在保護支架左右兩側各安裝ー個腳輪。3.電氣系統連接如圖7所示，電氣系統各部分的連接方法如下MSK2812板(圖7,10)由PW-4512電源模塊(圖7,11)的+5V輸出供電，它的J7 接ロ的36，35腳，即A/D轉換輸入通道，38，39腳，即SPI引腳，分別與傳感器SPI信號輸出端連接；慣導傳感器(圖7，9)由MSK2812的J7接ロ提供+5V輸出供電；仿真器(圖7，21) 和MSK2812的JTAG ロ連接，編寫的程序通過仿真器(圖7，21)寫入DSP的Flash里，同時可以讀出RAM中的實時數據。MSK2812板(圖7，10)與三個伺服驅動器ACJ-55-18 (圖7，4、8、14)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接ロ的3、7、9腳分別與獨輪電機的伺服驅動器 (圖7，14)、豎直飛輪的電機的伺服驅動器(圖7，4)、水平飛輪的電機的伺服驅動器(圖7， 8)的J5接ロ的3腳連接，作為伺服驅動器ACJ-55-18的使能信號線；MSK2812的J5接ロ 的5、1、11腳分別與獨輪電機的伺服驅動器(圖7，14)、豎直飛輪的電機的伺服驅動器(圖 7，4)、水平飛輪的電機的伺服驅動器(圖7，8)的J5接ロ的6腳連接，作為電機轉動方向選擇信號線；MSK2812的J7接ロ 17、18、19腳為PWM輸出，分別控制獨輪電機的伺服驅動器 (圖7，14)、豎直飛輪的電機伺服驅動器(圖7，4)、水平飛輪的電機的伺服驅動器(圖7，8) ACJ-55-18的J5接ロ的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，具體接線為飛輪的伺服驅動器、獨輪電機的伺服驅動器ACJ-55-18的J5接ロ的10、11腳，分別接MSK2812的J7接ロ的27、28 腳和J6接ロ的13、14、15、16腳。三個伺服驅動器ACJ-55-18的J3接ロ的3、4、5腳為電源輸入端，分別接電源輸出的+24V和GND ; J2接ロ的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+輸入端之間串接ー個電機開關；J4接ロ的4、6分別為+5V和GND，分別與編碼器排線的2、3線連接，J4接ロ的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(圖7，13)經ー個雙刀雙擲的船型開關與PW-4512電源模塊 (圖7，14)連接。PW-4512電源模塊的+/_輸入端連接LBS-100C標準鋰電池的+/-端，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及轉彎的運動。由此，機器人電氣系統工作原理如圖6所示機器人的運動控制器10得到慣導傳感器9采集到的姿態、角度、速度信號，經過伺服驅動器讀取編碼器反饋信號，然后綜合接收得到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；獨輪電機的伺服驅動控制器14控制獨輪電機13運動，獨輪電機13帶動獨輪17保持機器人前后方向的平衡并且實現前后方向的運動。側向平衡的豎直飛輪的電機的伺服驅動控制器4控制豎直飛輪的電機3，使豎直飛輪電機3帶動豎直飛輪I使機器人維持機身左右方向的平衡。 平衡的方式是慣導傳感器將檢測到當前的傾斜角信息送給控制単元，控制單元依據PID控制算法或其他智能算法控制飛輪轉動，如當機器人倒向左邊時，這時豎直飛輪I往左邊轉動，豎直飛輪I會對機器人產生ー個向右的カ矩，在該カ矩左右下機器人向右擺動。當機器人超調后倒向右方時豎直飛輪I再向右邊方向轉動，對機器人產生ー個向左邊方向的カ矩使機器人調節身軀向左邊平衡。這樣機器人在左右方向上就被平衡了。水平飛輪的電機伺服驅動控制器8控制水平飛輪的電機7旋轉運動，水平飛輪的電機7帶動水平飛輪6使機器人機身轉彎。
權利要求1.ー種獨輪自平衡機器人系統，包括豎直飛輪(I)，豎直飛輪連接軸承(2)，豎直飛輪的電機(3)，豎直飛輪的電機的伺服驅動器(4)，上身支架(5)，水平飛輪(6)，水平飛輪的電機(7)，水平飛輪的電機的伺服驅動器(8)，慣導傳感器(9)，運動控制器(10)，電源(11)， 電源轉接板(12)，獨輪電機(13)，獨輪電機的伺服驅動器(14)，獨輪電機連接軸承(15)，下身支架(16)，獨輪(17)，保護支架(18)，調節支架(19)，腳輪(20)，仿真器(21);其特征在于主體結構由上身支架(5)、下身支架(16)和保護支架(18)組成，下身支架(16)上端與上身支架(5)固定連接，下身支架(16)兩側與保護支架(18)固定連接；豎直飛輪(I)和豎直飛輪的電機(3)通過豎直飛輪連接軸承(2)連接在一起，豎直飛輪連接軸承(2)固定在上身支架(5)上面；在豎直飛輪(I)的下面依次裝有水平飛輪(6)、水平飛輪的電機(7)、 慣導傳感器(9)和電源(11)，且水平飛輪(6)、水平飛輪的電機(7)、慣導傳感器(9)和電源(11)均與上身支架(5)固定連接；在上身支架的兩側，裝有運動控制器(10)、三個伺服驅動器(4、8、14)、電源轉接板(12)、仿真器(21);獨輪通過獨輪電機連接軸承(15)和下身支架(16)連接在一起；保護支架(18)的前后兩側各安裝一個調節支架(19)，每個調節支架(19)上安裝一個腳輪(20)，同時在保護支架(18)左右兩側各安裝一個腳輪(20);運動控制器(10)的輸出端分別與豎直飛輪的電機的伺服驅動器(4)、水平飛輪的電機的伺服驅動器⑶和獨輪電機的伺服驅動器(14)、慣導傳感器(9)、電源轉換板(12)、仿真器(21)連接；豎直飛輪的電機的伺服驅動器(4)的輸出端與豎直飛輪的電機(3)連接，豎直飛輪的電機⑶驅動豎直飛輪⑴的旋轉；水平飛輪的電機的伺服驅動器⑶的輸出端與水平飛輪的電機(7)連接，水平飛輪的電機(7)驅動水平飛輪(6)的旋轉；獨輪電機的伺服驅動器(14)的輸出端與獨輪電機(13)連接，獨輪電機(13)驅動獨輪(17)的滾動；獨輪電機的伺服驅動器(14)、豎直飛輪的電機的伺服驅動器(4)、水平飛輪的電機的伺服驅動器(8)、豎直飛輪的電機(3)、水平飛輪的電機(7)、獨輪電機(13)分別由電源(11)直接供電，慣導傳感器(9)和運動控制器(10)由電源經過電源轉接板(12)轉換后的電壓供電。
2.如權利要求I所述的ー種獨輪機器人系統，其特征在于設置了ー個套在獨輪(17) 四周的可上下調節的帶有四個可拆卸的腳輪(20)的調節支架(19)。
專利摘要本實用新型涉及一種獨輪自平衡機器人系統，屬于智能機器人范疇，尤其是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。本實用新型的獨輪自平衡機器人系統包括機械本體和電氣控制系統，其特征在于機身上部含有一個可左右轉動的豎直放置的飛輪，用來實現機器人的水平平衡控制；機身中間含有可轉動的水平放置的飛輪，用來實現機器人的轉彎；機身下部為一個可前后轉動的獨輪，用來實現機器人的前后平衡行走；電氣控制系統由驅動電機、運動控制器及與其連接的姿態傳感器、伺服驅動控制器組成。本實用新型系統設計提供一種控制平臺，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G05D1/02GK202351703SQ20112038243
公開日2012年7月25日 申請日期2011年10月10日 優先權日2011年10月10日
發明者劉湘, 李星輝, 潘琦, 鄧文波, 阮曉鋼, 龔道雄 申請人:北京工業大學