擺臂式獨輪走鋼絲機(jī)器人的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及機(jī)器人結(jié)構(gòu)，具體為一種能夠在柔性鋼絲上行走的擺臂式獨輪走鋼絲機(jī)器人。
【背景技術(shù)】
[0002]走鋼絲機(jī)器人是一種能夠保持自平衡并行走于拉緊的鋼絲之上的機(jī)械系統(tǒng)。該類機(jī)器人的命名源自于人類的高空走鋼絲運動，目的在于揭示走鋼絲運動的內(nèi)在規(guī)律，并能夠在機(jī)器人上實現(xiàn)這種穩(wěn)定平衡運動方式。獨輪走鋼絲機(jī)器人很實用，可以在拉緊的繩子上行走。它的行走特技可以給人帶來歡樂。為此，日本Iguchi實驗室及Waseda大學(xué)開發(fā)出一種單輪移動的娛樂機(jī)器人。
[0003]走鋼絲機(jī)器人與柔性鋼絲繩之間通過動力學(xué)耦合來實現(xiàn)機(jī)器人的平衡控制和前后運動，利用其動態(tài)平衡特性，機(jī)器人不受地形影響，可將它引入復(fù)雜地形環(huán)境，進(jìn)行運輸和營救以及對低空環(huán)境的監(jiān)控與探測。
[0004]國內(nèi)外對走鋼絲機(jī)器人機(jī)構(gòu)及其穩(wěn)定平衡控制進(jìn)行了一系列研究，但能夠考慮到鋼絲繩柔性對自穩(wěn)定平衡控制影響的研究非常少。2003年上海交通大學(xué)周春林等申請的專利《走鋼絲機(jī)器人》公布了一種由內(nèi)環(huán)和外環(huán)組成的機(jī)器人機(jī)構(gòu)，其中內(nèi)環(huán)裝有高速旋轉(zhuǎn)的機(jī)械陀螺，當(dāng)內(nèi)環(huán)相對外環(huán)轉(zhuǎn)動時，機(jī)械陀螺會產(chǎn)生陀螺力矩來平衡機(jī)器人所受到的傾倒力矩，從而實現(xiàn)機(jī)器人在鋼絲繩上平衡行走。但該專利機(jī)器人沒有考慮鋼絲的柔性對機(jī)器人的平衡影響，并且不是通過平衡桿和質(zhì)心偏移來實現(xiàn)機(jī)器人的平衡，故未能有效模擬人類在三維空間中走柔性鋼絲繩的力學(xué)行為；2011年北京郵電大學(xué)郭磊等申請的專利《基于平衡桿控制的剛?cè)狁詈献咪摻z機(jī)器人》公布了一種走鋼絲機(jī)器人，通過轉(zhuǎn)動桿轉(zhuǎn)動力矩抵消機(jī)器人重力矩的作用，平動桿產(chǎn)生的質(zhì)心偏移來抵消機(jī)械裝置的重心偏移，該設(shè)計的轉(zhuǎn)動桿和平動桿通過一對齒輪進(jìn)行耦合，電機(jī)驅(qū)動轉(zhuǎn)動桿轉(zhuǎn)動的同時，平動桿平動。該設(shè)計的平動和轉(zhuǎn)動之間以固定的關(guān)系耦合在一起，這與實際情況不相符。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提出了一種有效模擬人類走鋼絲時的手臂運動、身體擺動和俯仰調(diào)節(jié)，以此來進(jìn)行平衡控制的擺臂式獨輪走鋼絲機(jī)器人。
[0006]能夠解決上述技術(shù)問題的擺臂式獨輪走鋼絲機(jī)器人，其技術(shù)方案包括調(diào)節(jié)側(cè)向平衡的平衡桿機(jī)構(gòu)、平衡質(zhì)心的擺臂機(jī)構(gòu)和前后行走以及調(diào)節(jié)俯仰平衡的獨輪機(jī)構(gòu)，所述獨輪機(jī)構(gòu)包括行走齒輪(作為行走輪)和行走齒輪驅(qū)動電機(jī)以及增量式編碼器，所述行走齒輪的齒面中央開設(shè)有V形槽，所述行走齒輪驅(qū)動電機(jī)于行走齒輪的輪架上安裝，行走齒輪驅(qū)動電機(jī)的行走驅(qū)動電機(jī)齒輪與行走齒輪嚙合，所述增量式編碼器設(shè)于輪架上，其輸出軸上的增量式編碼器齒輪與行走齒輪嚙合；所述擺臂機(jī)構(gòu)通過基板設(shè)于輪架上，包括左、右擺臂和左、右轉(zhuǎn)軸、前臂以及帶編碼器的擺臂步進(jìn)電機(jī)和絕對式編碼器，左、右轉(zhuǎn)軸豎直安裝，左、右擺臂的后端分別與左、右轉(zhuǎn)軸固連，所述前臂的左、右兩端分別與左、右擺臂的前端鉸連，所述擺臂步進(jìn)電機(jī)輸出軸上的擺臂步進(jìn)電機(jī)齒輪與一轉(zhuǎn)軸上的轉(zhuǎn)軸齒輪嚙合，所述轉(zhuǎn)軸齒輪還嚙合絕對式編碼器輸出軸上的絕對式編碼器齒輪；所述平衡桿機(jī)構(gòu)通過支架安裝于前臂上，包括平衡桿、帶編碼器的平衡桿步進(jìn)電機(jī)，所述平衡桿步進(jìn)電機(jī)于支架上安裝，所述平衡桿的中部通過卡盤安裝于平衡桿步進(jìn)電機(jī)的輸出軸上。
[0007]上述結(jié)構(gòu)中，所述增量式編碼器采集行走齒輪的轉(zhuǎn)速進(jìn)而控制行走齒輪的速度，實現(xiàn)俯仰平衡及行走的控制；所述絕對式編碼器齒輪采集擺臂的左、右擺動幅度，從而實現(xiàn)質(zhì)心偏移，抵消機(jī)械裝置的重心偏移；所述平衡桿步進(jìn)電機(jī)的編碼器采集平衡桿的上、下擺動幅度，從而實現(xiàn)側(cè)向平衡調(diào)節(jié)。
[0008]為使獨輪機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)緊湊，所述增量式編碼器與行走齒輪驅(qū)動電機(jī)于行走齒輪斜上方兩側(cè)相對而置，所述增量式編碼器齒輪和行走驅(qū)動電機(jī)齒輪于V形槽兩側(cè)分別嚙合行走齒輪。
[0009]為使擺臂機(jī)構(gòu)具備一定的支撐強(qiáng)度，所述轉(zhuǎn)軸與對應(yīng)擺臂之間設(shè)有支撐架。
[0010]一種轉(zhuǎn)軸安裝結(jié)構(gòu)為，所述轉(zhuǎn)軸的上、下兩端分別通過上、下軸承座安裝，上、下軸承座分別設(shè)于立板和基板上，所述立板于左、右轉(zhuǎn)軸之間設(shè)于基板上。
[0011]本發(fā)明的有益效果:
[0012]1、本發(fā)明擺臂式獨輪走鋼絲機(jī)器人通過轉(zhuǎn)動平衡桿產(chǎn)生反力矩抵消機(jī)械裝置的側(cè)向傾倒重力矩，通過擺臂機(jī)構(gòu)移動平衡桿補(bǔ)償機(jī)械裝置的重心偏移，通過獨輪機(jī)構(gòu)控制機(jī)器人的俯仰平衡和行走運動，有效地模擬了人類走鋼絲時的手臂運動，身體擺動和俯仰調(diào)節(jié)等力學(xué)行為，實現(xiàn)機(jī)器人在剛性或柔性鋼絲上的綜合平衡控制。
[0013]2、本發(fā)明的各部分機(jī)構(gòu)分別由互不干擾的電機(jī)驅(qū)動，在機(jī)械結(jié)構(gòu)上相互獨立，擺臂平動與平衡桿轉(zhuǎn)動實現(xiàn)側(cè)向平衡解耦控制，從而降低了裝置平衡控制的復(fù)雜度。
【附圖說明】
[0014]圖1為本發(fā)明一種實施方式的立體結(jié)構(gòu)示意圖。
[0015]圖2為圖1實施方式的前側(cè)仰視圖。
[0016]圖3為圖1實施方式的前側(cè)俯視圖。
[0017]圖4為圖1、圖2、圖3實施方式中平衡桿機(jī)構(gòu)和擺臂機(jī)構(gòu)的局部結(jié)構(gòu)示意圖。
[0018]圖號標(biāo)識:1、行走齒輪；2、行走齒輪驅(qū)動電機(jī)；3、增量式編碼器；4、輪架；5、行走驅(qū)動電機(jī)齒輪；6、增量式編碼器齒輪；7、基板；8、擺臂；9、轉(zhuǎn)軸；10、前臂；11、擺臂步進(jìn)電機(jī)；12、擺臂步進(jìn)電機(jī)齒輪；13、轉(zhuǎn)軸齒輪；14、絕對式編碼器；15、絕對式編碼器齒輪；16、支架；17、平衡桿；18、編碼器；19、平衡桿步進(jìn)電機(jī)；20、卡盤；21、支撐架；22、V形槽；23、軸承座；24、立板。
【具體實施方式】
[0019]下面結(jié)合附圖所示實施方式對本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步說明。
[0020]本發(fā)明擺臂式獨輪走鋼絲機(jī)器人的機(jī)械構(gòu)件包括平衡桿機(jī)構(gòu)、擺臂機(jī)構(gòu)和獨輪機(jī)構(gòu)，所述擺臂機(jī)構(gòu)建立于獨輪機(jī)構(gòu)上，所述平衡桿機(jī)構(gòu)建立在擺臂機(jī)構(gòu)上。
[0021]所述獨輪機(jī)構(gòu)包括行走齒輪1、行走齒輪驅(qū)動電機(jī)2和增量式編