可實現全方位運動解耦的獨輪車裝置的制造方法
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及兩輪或獨輪自行車機器人應用技術，具體為一種可實現全方位運動解耦的獨輪車裝置。
【背景技術】
[0002]獨輪車自平衡機器人具有靜態不穩定而動態可穩定的動力學特性，因其獨輪接地的特點而使其成為一種結構輕巧、節能靈活的新型道路行走裝置，在快遞物流、服務表演等服務型行業具有潛在的應用，因此受到人們廣泛的關注。
[0003]近年來，國內外科研人員對獨輪車自平衡機器人機構樣機的搭建和平衡控制策略的設計以及驗證等領域進行了一系列相關的研究。
[0004]國內大多是采用飛輪倒立擺或平衡桿的結構形式實現機器人的控制。例如，東南大學的高丙團等人設計了一種平衡桿式的獨輪車機器人，實現了側向的平衡控制，由于該結構缺少航向機構，因而較難實現轉彎等復雜運動。
[0005]日本村田制作所推出了一款能夠在獨輪車上騎行的機器人“村田婉童”，該機構利用胸部安裝的慣性轉輪機構調節獨輪車機器人的側向平衡。其研究人員對車體側向平衡和俯仰平衡的數學模型在小角度、小位移情況下進行了結構解耦，而忽略了前后與側向動力學耦合影響。
【實用新型內容】
[0006]針對現有技術的不足，本實用新型所要解決的技術問題是提出了一種針對獨輪車機器人多變量、強耦合、非線性的復雜動力學系統而研發的可實現全方位運動解耦的獨輪車裝置。
[0007]能夠解決所述技術問題的可實現全方位運動解耦的獨輪車裝置，其技術方案包括基于基體設置的俯仰平衡調節行走機構、側向平衡調節機構和轉彎調節機構，其中
[0008]1、所述側向平衡調節機構包括上、下側向平衡框架和上、下側向平衡轉盤，各側向平衡框架通過左、右兩側的側向平衡框架轉軸安裝于基體內部，上、下側向平衡轉盤通過豎直轉盤轉軸分別安裝于上、下側向平衡框架內，所述基體上設有控制一個側向平衡框架作小角度轉動的側向平衡框架驅動電機，同側的上、下側向平衡框架轉軸之間由傳動比為1:1的側向平衡框架齒輪傳動副連接，各側向平衡框架上設有驅動對應側向平衡轉盤高速旋轉的側向平衡轉盤驅動電機，基體上設有分別檢測各側向平衡框架轉動幅度的側向平衡框架編碼器，各側向平衡框架上設有檢測對應側向平衡轉盤轉速的側向平衡轉盤編碼器。
[0009]2、所述俯仰平衡調節行走機構設于基體下方，包括獨輪和車叉，所述車叉安裝在基體底部，所述獨輪于車叉內安裝，車叉上設有驅動獨輪轉動的薄餅電機和檢測獨輪轉速的車輪編碼器。
[0010]3、所述轉彎調節機構設于基體上方，包括基于支撐架設置的左、右轉彎調節框架和左、右轉彎調節轉盤，各轉彎調節框架通過前、后兩側的轉彎調節框架轉軸安裝于支撐架內部，左、右轉彎調節轉盤通過橫向轉盤轉軸分別安裝于左、右轉彎調節框架內，所述支撐架上設有控制一個轉彎調節框架作小角度轉動的轉彎調節框架驅動電機，同側的左、右轉彎調節框架轉軸之間由傳動比為1:1的轉彎調節框架齒輪傳動副連接，各轉彎調節框架上設有驅動對應轉彎調節轉盤高速旋轉的轉彎調節轉盤驅動電機，支撐架上設有分別檢測各轉彎調節框架轉動幅度的轉彎調節框架編碼器，各轉彎調節框架上設有檢測對應轉彎調節轉盤轉速的轉彎調節轉盤編碼器。
[0011]上述結構中，利用獨輪的前、后行進來實現車體的前、后俯仰運動平衡;利用側向平衡調節機構的上、下側向平衡轉盤繞自身的高速旋轉以及上、下側向平衡框架之間的小角度相對轉動而產生的側向力矩來實現車體側向運動平衡;利用轉彎調節機構的左、右兩個轉彎調節轉盤自身的高速旋轉以及左、右轉彎調節框架之間的小角度轉動而所產生的航向力矩來實現車體轉彎運動。
[0012]為減少材料的消耗，所述側向平衡框架齒輪傳動副和轉彎調節框架齒輪傳動副均米用扇形齒輪傳動副。
[0013]常規上，所述基體上設有實時檢測車體姿態并根據車體姿態向各電機發出驅動信號、同時接收各編碼器的反饋信號以進一步修正各電機運轉的控制系統，所述控制系統包括通過相關電路連接的電池組、陀螺儀、無線模塊、運動控制器和和伺服驅動器。
[0014]本實用新型的有益效果:
[0015]本實用新型可實現全方位運動解耦的獨輪車裝置之結構在數學模型(俯仰、側向和轉彎)上得到解耦，從而大大降低了獨輪車車體運動的控制難度。
【附圖說明】
[0016]圖1是本實用新型一種實施方式的等角軸側圖。
[0017]圖2是圖1實施方式的前視圖。
[0018]圖3是圖1實施方式的后視圖。
[0019]圖4是圖1實施方式的俯視圖。
[0020]圖號標識:1、基體;2、側向平衡框架;3、側向平衡轉盤;4、側向平衡框架轉軸;5、豎直轉盤轉軸;6、側向平衡框架驅動電機;7、側向平衡轉盤驅動電機;8、側向平衡框架編碼器;9、側向平衡轉盤編碼器；10、獨輪；11、車叉；12、薄餅電機；13、車輪編碼器；14、支撐架；15、轉彎調節框架；16、轉彎調節轉盤；17、轉彎調節框架轉軸；18、側向平衡框架齒輪傳動副；19、橫向轉盤轉軸;20、轉彎調節框架驅動電機;21、轉彎調節轉盤驅動電機;22、轉彎調節框架編碼器;23、轉彎調節轉盤編碼器;24、轉彎調節框架齒輪傳動副；25、電池組;26、陀螺儀;27、無線模塊;28、運動控制器;29、伺服驅動器。
【具體實施方式】
[0021]下面結合附圖所示實施方式對本實用新型的技術方案作進一步說明。
[0022]本實用新型可實現全方位運動解耦的獨輪車裝置之技術方案包括基于基體I設置的俯仰平衡調節行走機構、側向平衡調節機構和轉彎調節機構。
[0023]所述基體I由底板和左、右側板構成，如圖1、圖2、圖3所示。
[0024]所述側向平衡調節機構包括側向平衡框架2(框架呈水平，其長度方向為左、右的橫向，其內部空間為前、后方向)和側向平衡轉盤3(盤體呈水平)，上、下兩個側向平衡框架2分別通過左、右兩側的側向平衡框架轉軸4 (左右方向的水平軸)安裝在基體I的左、右側板之間，基體I的右側板上設有一對傳動比為1:1的側向平衡框架齒輪傳動副18(扇形齒輪構成)，所述側向平衡框架齒輪傳動副18連接右側的上、下側向平衡框架轉軸4，上、下兩個側向平衡轉盤3分別通過豎直轉盤轉軸5居中安裝于上、下側向平衡框架2內；基體I的右側板上設置側向平衡框架驅動電機6，所述側向平衡框架驅動電機6通過齒輪傳動副連接右側下方的側向平衡框架轉軸4，對應于上、下側向平衡框架2于基體I的左側板上分別設置上、下側向平衡框架編碼器8，上、下側向平衡框架編碼器8分別通過齒輪傳動副連接左側的上、下側向平衡框架轉軸4，各側向平衡框架2上均設有側向平衡轉盤驅動電機7和側向平衡轉盤編碼器9，所述側向平衡轉盤驅動電機7和側向平衡轉盤編碼器9分別通過齒輪傳動副連接豎直轉盤轉軸5，如圖1、圖2、圖3所示。
[0025]上述結構中，高速旋轉的側向平衡轉盤3與小角度轉動的側向平衡框架2同時運動產生陀螺力矩，而上、下對應的兩側向平衡轉盤3和側向平衡框架2的運動方向實時相反，由此產生一對關于一平面完全對稱的陀螺力矩，該平面平行于基體I的底板且位于兩側向平衡框架2的正中間，使得這一對陀螺力矩在水平方向上分量的合成力矩能夠克服車體傾倒的重力矩，并在垂直方向上的分量能夠相互抵消，從而避免對轉彎的影響。
[0026]所述俯仰平衡調節行走機構設于基體I正下方，包括獨輪10和車叉11，所述車叉11的上端固定連接在基體I的底板上，所述獨輪10通過輪軸安裝于車叉11的兩側叉體內，車叉11的一側叉體上安裝薄餅電機12，所述薄餅電機12的輸出軸與獨輪10的鋼圈之間通過齒