專利名稱：基于平衡桿控制的剛柔耦合走鋼絲機器人的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種走鋼絲機器人，確切的說，涉及一種能夠在懸掛的柔性鋼絲上通過調整平衡桿而保持自平衡和前后移動的雙輪機器人，屬于機器人技術領域。
背景技術：
走鋼絲機器人是一種依靠驅動輪在柔性鋼絲上進行平衡行走的機器人系統(tǒng)。這種機器人具有靜態(tài)不穩(wěn)定和動態(tài)可穩(wěn)定的特點，并具有明顯的欠驅動特性，機器人本體與鋼絲繩之間通過動力學耦合來產(chǎn)生相互的約束運動。其所體現(xiàn)動力學特性的各種參數(shù)對于系統(tǒng)的平衡運動尤為重要。由于系統(tǒng)的復雜性，這些參數(shù)通常不能通過直接測量獲得，而是需要進行機器人參數(shù)的在線辨識。因此，走鋼絲機器人的研究需要綜合考慮機器人的剛性運動和鋼絲繩的柔性擺動，建立剛柔耦合的系統(tǒng)動力學模型；再基于非線性控制理論，為機器人設計控制器，提高系統(tǒng)的魯棒性。目前，國內外都對具有獨輪特征的各類機器人實現(xiàn)自穩(wěn)定平衡功能方面進行了研究，但是，相關文獻資料還是非常少。尤其是基于人類走鋼絲的雜技表演運動原理，能夠模仿人類運動功能，并在三維空間中能夠在鋼絲上自平衡行走的機器人的研究更是至今未見有相關報道?，F(xiàn)在公開報道文獻主要有宋杰文等的中國科技論文在線《機器人走鋼絲的簡易模糊控制器》和上海交通大學周春林等的專利申請。文獻《機器人走鋼絲的簡易模糊控制器》 建立了一個機器人走鋼絲的數(shù)學模型，通過模糊控制方法控制平衡桿擺動，但是，該文獻中未見關于鋼絲繩的柔性的考慮，而且該文獻未能制作走鋼絲機器人的物理樣機，只是對建立的數(shù)學模型進行簡單的仿真驗證。上海交通大學的專利申請公布了一種包括外部殼體、 支撐輪、陀螺、內環(huán)直行驅動電機、內環(huán)框架、外環(huán)框架、陀螺、直行驅動電機、阻尼器與傳感器組成的走鋼絲機器人，同樣，該專利申請沒有考慮繩子的柔性對機器人穩(wěn)定平衡的影響， 而且，其所描述的走鋼絲機器人主要是依靠陀螺運動所產(chǎn)生的陀螺效應來保持平衡，而不是通過控制平衡桿來實現(xiàn)。因為走鋼絲機器人必須配備豐富、反應快捷的感覺系統(tǒng)和思維決策系統(tǒng)，以它小巧輕便、節(jié)能的特點有可能成為代步工具。另外，在航天領域，基于走鋼絲機器人的原理還可以開發(fā)一種不受地形影響的，運動自如的月球車。走鋼絲機器人也可以用于電力或通訊系統(tǒng)中，比如在電力或通訊系統(tǒng)中完成線路巡視、線路維護、線路除冰等多種功能。因此，目前仍然有許多業(yè)內科技人員在關注和研究走鋼絲機器人的科研課題。

發(fā)明內容
有鑒于此，本發(fā)明的目的是提供一種基于平衡桿控制的剛柔耦合走鋼絲機器人， 該機器人是通過控制平衡桿來實現(xiàn)自平衡，并能在鋼絲上行走，且結構簡單，體積小巧，便于實施控制。為了達到上述發(fā)明目的，本發(fā)明提供了一種基于平衡桿控制的剛柔耦合走鋼絲機器人，其特征在于該機器人設有下述部件底盤及行進電機組成的行走裝置，由傳感器、 執(zhí)行電機、齒輪傳動機構、轉動桿與平動構件組成的平衡裝置，以及智能控制電器箱，其中，行走裝置的底盤是由承載機器人全部構件的底板與垂直豎立于底板前側的立板組成的該機器人主體框架，底板下方中心線的前后兩端分設有前后兩個滾輪，兩個滾輪之間設有用于驅動后輪轉動、實現(xiàn)機器人前后移動的行進電機，藉由該前后兩個滾輪作為支撐點，該機器人站立與行走于鋼絲上；平衡裝置的執(zhí)行電機懸固安裝于立板上部后側，該執(zhí)行電機的轉軸伸出于立板前側，轉軸上安裝有兩組平衡部件聯(lián)軸件與轉動桿構成的旋轉平衡部件和齒輪傳動的四邊形平動構件組成的重心平移平衡部件；傳感器有兩個安裝在底版上的微型航向測量 MTI (motion tracker instrument)傳感器和檢測執(zhí)行電機的轉速與角度的光電碼盤；智能控制電器箱包括分別固裝在底版上的設有數(shù)字信號處理DSP(Digital Signal Processing)芯片及其外圍電路的控制電路板、執(zhí)行電機的驅動控制箱和蓄電池。為了達到上述發(fā)明目的，本發(fā)明還提供了一種基于平衡桿控制的剛柔耦合走鋼絲機器人的控制方法，其特征在于對與執(zhí)行電機轉軸聯(lián)動的旋轉平衡部件中的轉動桿的轉動和四邊形平動構件中的平動桿的平動位移進行控制，用于調整機器人的平衡藉由轉動桿的轉動力矩抵消機器人重力力矩的作用，同時，由平動桿產(chǎn)生的質心偏移來抵消機器人的重心偏移；該兩項操作的平衡調整因子取決于大小齒輪的齒數(shù)比與四邊形平動構件中連架桿的長度。本發(fā)明走鋼絲機器人的結構創(chuàng)新特點是通過控制與執(zhí)行電機轉軸聯(lián)動的旋轉平衡部件中的轉動桿的轉動和四邊形平動構件中的平動桿的平動位移，來調整和實現(xiàn)該機器人的自平衡藉由轉動桿的轉動力矩抵消機器人重力力矩的作用，同時，由平動桿產(chǎn)生的質心偏移來抵消機器人的重心偏移。


圖1是本發(fā)明基于平衡桿控制的剛柔耦合走鋼絲機器人的結構組成示意圖。圖2是本發(fā)明基于平衡桿控制的剛柔耦合走鋼絲機器人的前視圖。圖3是本發(fā)明基于平衡桿控制的剛柔耦合走鋼絲機器人的后視圖。圖4是本發(fā)明基于平衡桿控制的剛柔耦合走鋼絲機器人的左視圖。圖5是本發(fā)明基于平衡桿控制的剛柔耦合走鋼絲機器人的右視圖。圖6是本發(fā)明基于平衡桿控制的剛柔耦合走鋼絲機器人的上視圖。圖7是本發(fā)明基于平衡桿控制的剛柔耦合走鋼絲機器人的下視圖。圖8是本發(fā)明平衡裝置中執(zhí)行電機處于轉動中的機器人的整體前視圖。圖9是本發(fā)明平衡裝置中大小齒輪嚙合傳動圖。
具體實施例方式為使本發(fā)明的目的、技術方案和優(yōu)點更加清楚，下面結合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步的詳細描述。參見圖1 圖9，介紹本發(fā)明基于平衡桿控制的剛柔耦合走鋼絲機器人的結構組成該裝置設有下述三個部件底盤及行進電機12組成的行走裝置，由傳感器2與11、執(zhí)
5行電機10、轉動桿4、齒輪傳動機構與四邊形平動構件組成的平衡裝置，以及智能控制電器箱。其中，行走裝置的底盤是由承載機器人全部構件的底板1與垂直豎立于底板1前側的立板3組成的該機器人主體框架，底板1下方中心線的前后兩端分設有前輪17和后輪15， 兩個滾輪17和15之間設有用于驅動后輪15轉動、實現(xiàn)機器人前后移動的行進電機16，藉由該前后兩個滾輪17和15作為支撐點，該機器人站立與行走于鋼絲上。本發(fā)明基于平衡桿控制的剛柔耦合走鋼絲機器人的關鍵部件平衡裝置的執(zhí)行電機10懸固安裝于立板3的上部后側，該執(zhí)行電機10的轉軸伸出于立板3的前側，其轉軸上分別固裝的小齒輪6和緊固于轉軸頂端的聯(lián)軸件5組成兩組平衡部件聯(lián)軸件5與轉動桿 4構成的旋轉平衡部件和齒輪傳動的四邊形平動構件組成的重心平移平衡部件。其中的聯(lián)軸件5設有通孔，一個具有相當長度的轉動桿4固裝在聯(lián)軸件5的通孔內，藉由該轉動桿4 的順時針或逆時針的左右轉動，以使該機器人保持其在鋼絲上的平衡狀態(tài)。小齒輪6的兩側的左右上方分別與兩個大齒輪9相嚙合，該兩個大齒輪9的輪軸通過滾動軸承固裝于立板3 ；該兩個大齒輪9和固設于其輪軸上方的兩個連架桿7，以及與連架桿7頂端聯(lián)成一體的一個平動桿8組成一個能夠隨大齒輪7轉動而使該平動桿8產(chǎn)生平動位移的四邊形平動構件。根據(jù)大齒輪9的半徑在與小齒輪6相互嚙合的情況下，選擇該兩個大齒輪9的軸承孔在立板3的安裝位置，并調整連架桿7，使得兩個連架桿7處于相互平行狀態(tài)，且其頂部的平動桿8與轉動桿4也要相互平行。執(zhí)行電機10轉動時的狀況可參看圖8所示，其中大齒輪9小齒輪6的嚙合傳動關系可參看圖9所示。兩個傳感器分別是安裝在底版1上的用于檢測機器人位置信息的微型航向測量MTI (motion tracker instrument)傳感器2和檢測執(zhí)行電機10的轉速與角度的光電碼盤11。本發(fā)明的執(zhí)行電機10是帶有減速機構與靈敏控制特性和穩(wěn)定性的空心杯電機， 其型號為SAEG motors，為北京博創(chuàng)興盛機器人技術有限公司的產(chǎn)品。因為該SAEG motors 型號的執(zhí)行電機附屬帶有檢測、監(jiān)控其電機轉軸的轉速與角度的光電碼盤；此時，平衡裝置只需配置微型航向測量MTI傳感器2。智能控制電器箱包括分別固裝在底版1上的設有數(shù)字信號處理DSP(Digital Signal Processing)芯片及其外圍電路的控制電路板13、固裝在立板3的執(zhí)行電機10下方的驅動控制箱12和蓄電池14。控制電路板13垂直安裝在蓄電池14上方，以便利于調試電路。本發(fā)明基于平衡桿控制的剛柔耦合走鋼絲機器人的工作過程如下機器人啟動后，當鋼絲發(fā)生擺動或機器人受干擾而傾斜，該機器人會因重力作用而發(fā)生傾斜，使得其重心偏離鋼絲垂直正上方時，微型航向測量MTI傳感器檢測到該機器人位置的橫滾角度和俯仰角度的偏離信息后，立即將這兩個角度信息轉化為電信號，并傳送給控制電路板，控制電路板中的數(shù)字信號處理芯片根據(jù)這兩個角度變化信息利用模型算法計算和輸出相應的電壓控制信息給執(zhí)行電機，其中的轉動數(shù)值經(jīng)由聯(lián)軸件使得轉動桿旋轉，所產(chǎn)生的轉動力矩用于抵消重力力矩的偏離；同時，轉軸上的小齒輪帶動大齒輪旋轉，再經(jīng)兩個連架桿的連接與擺動，使得平行四邊形構件中的平動桿相對機器人產(chǎn)生平動位移，使該機器人重心維持在鋼絲正上方，保持機器人平衡。另外，該執(zhí)行電機的轉速及轉軸位置信息被光電碼盤檢測并上傳到控制電路板，形成閉環(huán)反饋控制；機器人在保持自身平衡基礎上，控制電路板根據(jù)機器人的當前傾角和執(zhí)行電機的轉軸位置信息，逐步給出相應控制信號，使得平動桿和轉動桿恢復到其初始位置。再者，控制電路板根據(jù)設定指令控制行進電機轉動，以使該機器人在保持自身平衡基礎上，實現(xiàn)前后移動。本發(fā)明的另一創(chuàng)新是提供一種走鋼絲機器人的控制方法對與執(zhí)行電機轉軸聯(lián)動的旋轉平衡部件中的轉動桿的轉動和四邊形平動構件中的平動桿的平動位移進行控制，用于調整機器人的平衡藉由轉動桿的轉動力矩抵消機器人重力力矩的作用，同時，由平動桿產(chǎn)生的質心偏移來抵消機器人的重心偏移；該兩項操作的平衡調整因子取決于大小齒輪的齒數(shù)比與四邊形平動構件中連架桿的長度。該控制方法包括下列操作步驟(1)機器人啟動后，微型航向測量MTI傳感器檢測該機器人包括其橫滾角度和俯仰角度的當前狀態(tài)信息，并將檢測信息實時傳送至該智能控制電器箱中的控制電路板；(2)控制電路板根據(jù)接收到的該機器人當前狀態(tài)信息分別設定執(zhí)行電機和行進電機的轉速和轉向指令；(3)執(zhí)行電機轉動，并驅動聯(lián)軸件帶動轉動桿順時針或逆時針傳動，以使其相應產(chǎn)生的轉動力矩抵消機器人重力力矩的作用；(4)執(zhí)行電機的轉軸驅動小齒輪嚙合大齒輪產(chǎn)生轉動，通過四邊形平動構件將執(zhí)行電機的轉動轉化為平動桿的平動位移，藉由平動桿質心的移動來改變機器人的重心，以使該機器人重心保持于鋼絲上；(5)光電碼盤將執(zhí)行電機的轉軸速度和位置信息反饋給控制電路板，形成閉環(huán)控制，以使該機器人保持其在鋼絲上的自平衡；該步驟( 是與步驟(3)、同時執(zhí)行的；(6)在機器人處于平衡狀態(tài)下，控制電路板設定行進電機控制命令，完成機器人在鋼絲上的行走。以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明保護的范圍之內。
權利要求
1.一種基于平衡桿控制的剛柔耦合走鋼絲機器人，其特征在于該機器人設有下述部件底盤及行進電機組成的行走裝置，由傳感器、執(zhí)行電機、齒輪傳動機構、轉動桿與平動構件組成的平衡裝置，以及智能控制電器箱，其中，行走裝置的底盤是由承載機器人全部構件的底板與垂直豎立于底板前側的立板組成的該機器人主體框架，底板下方中心線的前后兩端分設有前后兩個滾輪，兩個滾輪之間設有用于驅動后輪轉動、實現(xiàn)機器人前后移動的行進電機，藉由該前后兩個滾輪作為支撐點， 該機器人站立與行走于鋼絲上；平衡裝置的執(zhí)行電機懸固安裝于立板上部后側，該執(zhí)行電機的轉軸伸出于立板前側， 轉軸上安裝有兩組平衡部件聯(lián)軸件與轉動桿構成的旋轉平衡部件和齒輪傳動的四邊形平動構件組成的重心平移平衡部件；傳感器有兩個安裝在底版上的微型航向測量MTI傳感器和檢測執(zhí)行電機的轉速與角度的光電碼盤；智能控制電器箱包括分別固裝在底版上的設有數(shù)字信號處理DSP芯片及其外圍電路的控制電路板、執(zhí)行電機的驅動控制箱和蓄電池。
2.根據(jù)權利要求1所述的走鋼絲機器人，其特征在于所述執(zhí)行電機的轉軸上分別固裝有小齒輪和聯(lián)軸件，其中，小齒輪兩側的左右上方分別與兩個大齒輪相嚙合，該兩個大齒輪的輪軸通過滾動軸承固裝于立板；該兩個大齒輪和固設于輪軸上方的兩個連架桿，以及與連架桿頂端聯(lián)成一體的一個平動桿組成一個能夠隨大齒輪轉動而使該平動桿產(chǎn)生平動位移的四邊形平動構件。
3.根據(jù)權利要求1所述的走鋼絲機器人，其特征在于所述執(zhí)行電機的轉軸頂端緊固的聯(lián)軸件設有通孔，一個具有相當長度的轉動桿固裝在聯(lián)軸件的通孔內，藉由該轉動桿的順時針或逆時針的左右轉動，以使該機器人保持其在鋼絲上的平衡狀態(tài)。
4.根據(jù)權利要求1所述的走鋼絲機器人，其特征在于所述執(zhí)行電機是帶有減速機構與靈敏控制特性和穩(wěn)定性的空心杯電機，其型號為SAEG motors，為北京博創(chuàng)興盛機器人技術有限公司的產(chǎn)品。
5.根據(jù)權利要求4所述的走鋼絲機器人，其特征在于所述型號為=SAEGmotors的執(zhí)行電機附屬帶有檢測、監(jiān)控其電機轉軸的轉速與角度的光電碼盤；此時，平衡裝置只需配置微型航向測量MTI傳感器。
6.一種基于平衡桿控制的剛柔耦合走鋼絲機器人的控制方法，其特征在于對與執(zhí)行電機轉軸聯(lián)動的旋轉平衡部件中的轉動桿的轉動和四邊形平動構件中的平動桿的平動位移進行控制，用于調整機器人的平衡藉由轉動桿的轉動力矩抵消機器人重力力矩的作用， 同時，由平動桿產(chǎn)生的質心偏移來抵消機器人的重心偏移；該兩項操作的平衡調整因子取決于大小齒輪的齒數(shù)比與四邊形平動構件中連架桿的長度。
7.根據(jù)權利要求6所述的控制方法，其特征在于所述方法包括下列操作步驟(1)機器人啟動后，微型航向測量MTI傳感器檢測該機器人包括其橫滾角度和俯仰角度的當前狀態(tài)信息，并將檢測信息實時傳送至該智能控制電器箱中的控制電路板；(2)控制電路板根據(jù)接收到的該機器人當前狀態(tài)信息分別設定執(zhí)行電機和行進電機的轉速和轉向指令；(3)執(zhí)行電機轉動，并驅動聯(lián)軸件帶動轉動桿順時針或逆時針傳動，以使其相應產(chǎn)生的轉動力矩抵消機器人重力力矩的作用；(4)執(zhí)行電機的轉軸驅動小齒輪嚙合大齒輪產(chǎn)生轉動，通過四邊形平動構件將執(zhí)行電機的轉動轉化為平動桿的平動位移，藉由平動桿質心的移動來改變機器人的重心，以使該機器人重心保持于鋼絲上；(5)光電碼盤將執(zhí)行電機的轉軸速度和位置信息反饋給控制電路板，形成閉環(huán)控制，以使該機器人保持其在鋼絲上的自平衡；該步驟( 是與步驟(3)、同時執(zhí)行的；(6)在機器人處于平衡狀態(tài)下，控制電路板設定行進電機控制命令，完成機器人在鋼絲上的行走。
全文摘要
一種基于平衡桿控制的剛柔耦合走鋼絲機器人，設有三個部件由底版與立板構成的底盤及行進電機組成的行走裝置，由傳感器、執(zhí)行電機、齒輪傳動機構、轉動桿與平動構件組成的平衡裝置，以及智能控制電器箱。其中關鍵部件平衡裝置的執(zhí)行電機轉軸上裝有兩組平衡部件聯(lián)軸件與轉動桿構成的旋轉平衡部件和齒輪傳動的四邊形平動構件組成的重心平移平衡部件。通過對與執(zhí)行電機轉軸聯(lián)動的旋轉平衡部件中轉動桿的轉動和四邊形平動構件中平動桿的平動位移進行控制，調整機器人的平衡藉由轉動桿的轉動力矩抵消機器人重力力矩作用，同時，由平動桿產(chǎn)生的質心偏移抵消機器人的重心偏移；從而使得該機器人實現(xiàn)自平衡，并能行走于鋼絲上。
文檔編號B62D57/02GK102424075SQ20111037313
公開日2012年4月25日 申請日期2011年11月22日 優(yōu)先權日2011年11月22日
發(fā)明者盧光磊, 郭磊, 魏世民 申請人:北京郵電大學