一种独轮自平衡机器人系统技术方案

本实用新型专利技术涉及一种独轮自平衡机器人系统，属于智能机器人范畴，尤其是一种能够自主进行运动平衡控制进而自主骑行独轮车的静态不平衡机器人。本实用新型专利技术的独轮自平衡机器人系统包括机械本体和电气控制系统，其特征在于：机身上部含有一个可左右转动的竖直放置的飞轮，用来实现机器人的水平平衡控制；机身中间含有可转动的水平放置的飞轮，用来实现机器人的转弯；机身下部为一个可前后转动的独轮，用来实现机器人的前后平衡行走；电气控制系统由驱动电机、运动控制器及与其连接的姿态传感器、伺服驱动控制器组成。本实用新型专利技术系统设计提供一种控制平台，除了机器人学，还涉及控制科学和智能控制领域，可满足多学科科研、教学的需要。（*该技术在2021年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本技术属于智能机器人范畴，尤其是ー种能够自主进行运动平衡控制进而自主骑行独轮车实现多功能的动态平衡机器人系统。
技术介绍
机器人技术作为21世纪非常重要的技术，与网路技术、通信技术、基因技术、虚拟现实技术等一祥，属于高新技术。在机器人技术发展过程中，运动平衡控制问题是机器人系统普遍存在的问题。同时人们对智能机器人的要求越来越高，智能机器人能够进行人机交互，具有小巧的外形，能在狭窄空间内运动灵活等性能。这些要求都是静态平衡机器人很难达到的，因此从某种程度上说，动态平衡机器人是将来智能机器人研究的必然方向和趋势。 独轮机器人结构属于典型的轮式自平衡机器人移动机器人，其将机器人与地面的接触点减小到最小，有效降低外界环境对机器人本体的影响，扩展了机器人的应用范围。独轮自平衡机器人作为ー种技术系统或人工系统，具有人工智能系统的典型形式和最高目标模拟人的智能行为；使机器思维，使机器具有智能。具体的，以独轮自平衡机器人为平台，研究智能行为模式，可以增进对生物智能行为的理解，例如学习、条件反射机制甚至进化过程等；模拟生物的智能行为使独轮自平衡机器人具有学习、条件反射机制甚至进化等能力。独轮机器人比一般静态平衡机器特点更明显，具有广阔的应用前景利用其动态平衡特性，将它引入复杂地形环境，进行运输、营救和矿物探測；利用其外形纤细的特性将它用作监控机器人，实现对狭窄地方的监控等。独轮机器人是ー个高阶次、多耦合、不完整的非线性系统，与一般静态平衡机器人相比，独轮机器人的动态不平衡特性更明显。将系统与地面接触点将到最低，受动态干扰少。同时它的不稳定性对控制理论和方法提出更高要求和挑战，在自动化领域中具有更重要的理论价值和实践价值，更能体现人类的控制水平。独轮机器人相比于一般的不需要运动平衡的静态平衡机器人，独轮机器人具有以下显著特点1)从仿生角度看，独轮机器人的水平平衡系统模拟人类躯干，尤其是腰部结构的左右扭动动作，独轮自平衡机器人系统及其模型比其它机器人及其模型更适用于研究仿人姿态平衡控制。2)机器人的运动过程首先能够稳定直立，才能够进行其他运动，并且这种运动平衡过程是个动态过程；机器人在平衡点附近不停地变化进行调节以保持平衡。这虽然増加了机器人的控制难度，但也同时使其可以完成许多复杂的运动平衡任务；3)若在机器人机构上加入ー个水平的转向机构， 机器人能够以ー种特有的动态平衡的方式实现相应的任务，如在极窄的路径上骑行，骑过很窄的平衡木、转弯、原地转身，甚至可以完成走钢丝的高难度动作。对于独轮机器人的控制，目前许多研究者都是基于飞轮旋转的平衡控制，但是目前在国内还没有一个能够独立行走、转弯的独轮车，所以本技术的研制，无疑会对独轮车的研究起到十分重要的推动作用。现有的独轮机器人大部分依靠电机驱动车轮前后运动，控制机器人的前后稳定。 这种方法直接、简单、易实现，同时靠竖直飞轮旋转来控制侧向平衡。例如美国加州大学研制成功独轮自平衡机器Unibot，它结合了著名的“轮式倒立摆”和“惯性轮倒立摆”两种思想，使用了类似Segway的技术以保持直立姿态该机器人采用的倾斜角測量系统的加位移计和陀螺仪，并LQR控制的竖直飞轮和底部的行走轮控制算法，成功地实现其自身的平衡。 但是Unibot没有转向机构，同时传动方式为链式传动，较为复杂、没有可以灵活扩展的调试用脚轮组件等。
技术实现思路
本技术设计了ー种基于飞轮平衡控制的独轮自平衡机器人的系统。该系统不仅可以作为ー种控制科学中的研究平台，为机器人学、人工智能等领域的研究和教学提供实验对象，还可以成为娱乐、展示的极具特色的工具。为了实现上述目的，本技术采用了如下技术方案ー种独轮自平衡机器人系统，包括竖直飞轮(I)，竖直飞轮连接轴承(2)，竖直飞轮的电机(3)，竖直飞轮的电机的伺服驱动器(4)，上身支架(5)，水平飞轮(6)，水平飞轮的电机(7)，水平飞轮的电机的伺服驱动器(8)，惯导传感器(9)，运动控制器(10)，电源 (11)，电源转接板(12)，独轮电机(13)，独轮电机的伺服驱动器(14)，独轮电机连接轴承(15)，下身支架(16)，独轮(17)，保护支架(18)，调节支架(19)，脚轮(20)，仿真器(21);主体结构由上身支架(5)、下身支架(16)和保护支架(18)组成，下身支架(16)上端与上身支架(5)固定连接，下身支架(16)两侧与保护支架(18)固定连接；竖直飞轮(I)和竖直飞轮的电机(3)通过竖直飞轮连接轴承(2)连接在一起，竖直飞轮连接轴承(2)固定在上身支架(5)上面；在竖直飞轮(I)的下面依次装有水平飞轮出)、水平飞轮的电机(7)、惯导传感器(9)和电源(11)，且水平飞轮(6)、水平飞轮的电机(7)、惯导传感器(9)和电源(11)均与上身支架(5)固定连接；在上身支架的两侧，装有运动控制器(10)、三个伺服驱动器(4、8、14)、电源转接板(12)、仿真器(21);独轮通过独轮电机连接轴承(15)和下身支架(16)连接在一起；保护支架(18)的前后两侧各安装一个调节支架(19)，每个调节支架(19)上安装一个脚轮(20)，同时在保护支架(18)左右两侧各安装一个脚轮(20);运动控制器(10)的输出端分别与竖直飞轮的电机的伺服驱动器(4)、水平飞轮的电机的伺服驱动器⑶和独轮电机的伺服驱动器(14)、惯导传感器(9)、电源转换板(12)、仿真器(21)连接；竖直飞轮的电机的伺服驱动器(4)的输出端与竖直飞轮的电机(3)连接，竖直飞轮的电机⑶驱动竖直飞轮⑴的旋转；水平飞轮的电机的伺服驱动器⑶的输出端与水平飞轮的电机(7)连接，水平飞轮的电机(7)驱动水平飞轮￠)的旋转；独轮电机的伺服驱动器(14)的输出端与独轮电机(13)连接，独轮电机(13)驱动独轮(17)的滚动；独轮电机的伺服驱动器(14)、竖直飞轮的电机的伺服驱动器(4)、水平飞轮的电机的伺服驱动器(8)、竖直飞轮的电机(3)、水平飞轮的电机(7)、独轮电机(13)分别由电源(11)直接供电，惯导传感器(9)和运动控制器(10)由电源经过电源转接板(12)转换后的电压供电。设置了ー个套在独轮(17)四周的可上下调节的带有四个可拆卸的脚轮(20)的调节支架(19)。所述的调试支架(19)上的脚轮(20)可拆除。独轮自平衡机器人系统，包括机械本体和控制系统机械本体下部为ー个可前后转动的独轮(17)，在独轮(17)四周套有ー个可上下调节的调节支架(19)和保护支架(18);机械本体含有可转动的竖直飞轮(I)和水平飞轮出)；独轮(17)和飞轮在平衡控制系统的控制下运转，来保持机器人平衡、运动和转向；控制系统由运动控制器(10)、传感器(9)和3个伺服驱动器以及电源系统构成。运动控制器接收惯导传感器采集的姿态、位移、 速度信号，在控制程序下将信号进行处理，从而发出控制指令，三个伺服器从控制器接收指令，分别通过独轮电机(13)、竖直飞轮的电机(3)和水平飞轮的电机(7)控制独轮(17)和飞轮的转动，对机器人的姿态进行控制。本技术的基于飞轮平衡控制的独轮自平衡机器人的系统可按功能结构分为5 个主要部件I.侧向平衡运动机构组件包括竖直飞轮(I)和竖直飞轮的电机。竖直飞轮的电机控制竖直飞轮，实现机本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：龚道雄，邓文波，潘琦，阮晓钢，刘湘，李星辉，
申请(专利权)人：北京工业大学，
类型：实用新型
国别省市：