一种自平衡机器人系统技术方案

本发明专利技术提供了一种自平衡机器人系统，涉及机器人技术领域。机器人本体为四立柱八横梁结构的整体框架，底部与载重组件之间通过立柱相连；三个呈环状均匀分布的驱动轮组与载重组件均通过螺栓连接，其轮缘均与球面相接触；载重组件通过万向球轴承与球面相连，承重臂的一端与环形支撑的一端重叠并设有通孔，立柱的下端穿过该重叠部的通孔通过螺母固定；承重臂的另一端与弹簧钢片固定，限位爪的一端通过螺栓与弹簧钢片固定，另一端设有万向球轴承；环形支撑的另一端与固定臂通过螺栓固定，减速器的输出轴通过键和键槽与全向轮相连；电机支座穿过固定臂与电机模块相连；直线轴穿过直线轴承与固定臂相连。主要用于机器人平衡。

A self balancing robot system

The invention provides a self balancing robot system, which relates to the technical field of robots. The robot body is an integrated framework of the four column eight beam structure, between the bottom and the load components through the column connected; three circular drive wheel group and the load evenly distributed components are connected by bolts, the flange being in contact with the ball surface; load component universal ball bearing with spherical end connected to the bearing and the supporting ring the boom of the overlapping and is provided with a through hole, the lower end of the columns through the through hole of the overlapping part of the fixed by nut; bearing arm and the other end of the spring steel sheet is fixed at one end of the claw, limiting bolt and steel spring fixed by, the other end is provided with a universal ball bearing support ring; and the other end of the fixed arm by bolts that is connected with the output shaft through the omni-directional wheel keys and keyways reducer; motor mount through the fixed arm is connected with the motor module; straight shaft bearing and a fixing arm connected through line . Mainly used for robot balance.

【技术实现步骤摘要】
一种自平衡机器人系统
本专利技术涉及机器人

技术介绍
随着人力成本的上升，移动机器人在各行各业的应用变得更加广泛。现在被广泛应用的机器人主要是轮式、履带式、足式等静平衡机器人，存在着转向不够灵活、需要占用较大的空间来维持自身稳定等弊端。内球型机器人的出现虽然一定程度上解决了上述问题，但是由于其将运动机构、传感器、控制器等部件置于球体内部，所以具有体积较大、环境感知能力较弱等缺点，目前还未有较为成熟的内球型机器人应用。外球型自平衡机器人把球作为驱动轮，将部件置于球体上方，很好的解决了转向不灵活、占用空间大等问题。外球型自平衡机器人是动平衡机器人的一种，相对于静平衡机器人具有更好的稳定性，能在地面实现任意方向运动且无转弯半径，适合在狭窄拥挤的空间中使用。中国专利CN102991600A提出了一种外球型自平衡机器人结构，但是由于运动时球体与驱动轮之间会产生滑动摩擦，所以稳定性依旧不足，且无独立的承重结构，机器人承载能力较差。目前这类外球型自平衡机器人还尚待完善。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种自平衡机器人系统，它能有效地解决机器人荷重情况下的动平衡问题。本专利技术的目的是是通过以下技术方案来实现的：一种自平衡机器人系统，包括机器人本体和远程监控辅助计算机、电源、双目深度摄像头，机器人本体为四立柱八横梁结构的整体框架，整体框架底部与载重组件之间通过立柱相连；三个呈环状均匀分布的驱动轮组与载重组件均通过螺栓连接，其轮缘均与球面相接触；载重组件通过万向球轴承与球面相连，承重臂的一端与环形支撑的一端重叠并设有通孔，立柱的下端穿过该重叠部的通孔通过螺母固定；承重臂的另一端与弹簧钢片固定，中部设有万向球轴承，限位爪的一端通过螺栓与弹簧钢片固定，另一端设有万向球轴承；环形支撑的另一端与固定臂通过螺栓固定，减速器的输出轴通过键和键槽与全向轮相连；电机支座穿过固定臂与电机模块相连；直线轴穿过直线轴承与固定臂相连；弹簧套在直线轴上，并位于固定臂和电机支座之间。所述整体框架内的搁板上设有控制系统和电源，下方的横梁中部外侧设有双目深度摄像头。所述的控制系统包括微型计算机、电机控制器、惯性传感器和室内定位模块，电机控制器、惯性传感器和室内定位模块均与微型计算机通过电缆连接。所述控制系统和驱动轮组均与电源通过电缆连接；双目深度摄像头与控制系统通过电缆连接。所述机器人本体和远程监控辅助计算机之间通过电缆连接。所述电机模块包括编码器、直流伺服电机和减速器，编码器与直流伺服电机相连，减速器与直流电机输出轴相连。所述驱动轮组由电机模块、轮组悬挂和全向轮构成，电机模块包括编码器、直流伺服电机和减速器，编码器与直流伺服电机相连，与电机同步转动，检测电机的实际转速；减速器与直流电机输出轴相连，降低输出转速，提升输出转矩；减速器的输出轴通过键和键槽与全向轮相连，将输出轴的转动转变为全向轮的转动；减速器与轮组悬挂相连。所述的轮组悬挂包括电机支座、固定臂、直线轴承、弹簧和直线轴，固定臂与环形支撑相连；电机支座穿过固定臂与电机模块相连；直线轴承与电机支座相连；直线轴穿过直线轴承与固定臂相连，限制了电机支座的位移方向；弹簧套在直线轴上，并位于固定臂和电机支座之间。轮组悬挂保证了全向轮和球之间的实时接触，使得全向轮能一直驱动球的转动。所述的双目深度摄像头能实时获取机器人所处环境的三维信息，实现机器人所处环境的三维地图构建和即时定位，为机器人的自主路径规划和导航提供基础地图。所述的控制系统由高性能微型计算机、电机控制器、惯性传感器和室内高精度定位模块组成，电机控制器、惯性传感器和室内高精度定位模块均和高性能微型计算机电连接。其中，惯性传感器用于实时采集机器人的姿态信息，室内高精度定位模块用于实时采集机器人的精确位置信息，高性能微型计算机将采集到的实时姿态信息和位置信息处理后变换为控制信号传输给电机控制器，再由电机控制器转化为直流伺服电机的控制信号控制伺服电机转动，实现机器人的平衡控制和运动控制。所述的控制系统和远程监控辅助计算机均搭载ROS(RobotOperatingSystem)机器人操作系统，该系统为分布式次级操作系统，可以实现不同设备间的数据传输，不同进程间的消息传递，使得外球型自平衡机器人系统的数据处理和控制进程可以运行在不同的计算机上，提升了机器人系统的工作效率，提高了机器人系统的拓展性。与现有的技术相比，本专利技术的优点如下：1、本专利技术整体瘦高，通过动态平衡来维持自身稳定，受到外力作用的情况下也具有较强的恢复平衡的能力，不至于倾倒，并且使用球代替传统的轮子，实现了机器人的无半径转向和全方位运动，即使在狭窄拥挤的环境中也具有较强的机动性。2、本专利技术采用全向轮作为驱动球转动的驱动轮，减小了球与驱动轮之间的滑动摩擦，增强了机器人的稳定性。机器人具有载重结构，在不影响球自由转动的情况下增加了与球的接触面积，使机器人可以承载更重的负荷。3、本专利技术使用了高精度室内定位模块、双目深度摄像头等多种传感器，并采用高性能微型计算机作为主要机上控制器，使得机器人可以自主实现地图建立、即时定位、路径规划，机器人系统智能化程度更高。4、本专利技术采用ROS作为主要的控制系统，实现了不同控制器和计算机之间的高效稳定的数据传输，并将不同任务合理的分散到同一网络中的不同计算机或控制器上，可以实时监测机器人状态以及提供辅助的数据处理，提升了机器人系统的工作效率，提高了机器人系统的拓展性。附图说明图1是机器人本体的结构示意图；图2是驱动轮组、载重组件和球的俯视结构示意图；图3是图2的A-A方向的剖视图；图4是轮组悬挂的结构示意图；图5是本专利技术的基本控制原理示意图；图6是本专利技术的控制架构图。具体实施方式下面结合附图和具体实施方式对本专利技术作进一步说明。如图1、图2所示，本专利技术涉及一种自平衡机器人系统，包括机器人本体和远程监控辅助计算机22。机器人本体上具有整体框架2、载重组件、驱动轮组14、球20、控制系统、电源1、双目深度摄像头21；四立柱八横梁结构的整体框架2由铝型材、角连接件、铝板组成，铝型材、铝板之间均通过角连接件固定连接；控制系统、双目深度摄像头21和电源1都安装在整体框架2上，整体框架2与载重组件之间通过立柱7相连；三个驱动轮组14均与载重组件通过螺栓连接，三个驱动轮组14呈环状均匀分布，且均与球20相接触，通过摩擦力驱动球20转动；载重组件通过万向球轴承9与球20相连，在保证球心位置不变的同时不影响球20的自由转动；控制系统和驱动轮组14均和电源1电连接；控制系统和驱动轮组14电连接；双目深度摄像头21和控制系统电连接；机器人本体和远程监控辅助计算机22之间通过无线通讯方式传输信息。如图3所示，所述的载重组件由立柱7、环形支撑8、万向球轴承9、弹簧钢片10、承重臂11和限位爪12组成，承重臂11通过立柱7和螺母固定在环形支撑8上；限位爪12通过弹簧钢片10与承重臂11相连，使限位爪12能够压紧球20，保证球20不从机器人本体脱出；承重臂11和限位爪12上均安装有万向球轴承9，万向球轴承9与球20相接触，将机器人本体的重力传递给球20的同时不影响球20的自由转动。所述的驱动轮组14由电机模块13、轮组悬挂16和全向轮19组成，电机模块13包括编码器、直流伺服电机和减本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种自平衡机器人系统，包括机器人本体和远程监控辅助计算机(22)、电源(1)、双目深度摄像头(21)，其特征在于，机器人本体为四立柱八横梁结构的整体框架(2)，整体框架(2)底部与载重组件之间通过立柱(7)相连；三个呈环状均匀分布的驱动轮组与载重组件均通过螺栓连接，其轮缘均与球(20)面相接触；载重组件通过万向球轴承(9)与球(20)面相连，承重臂(11)的一端与环形支撑(8)的一端重叠并设有通孔，立柱(7)的下端穿过该重叠部的通孔通过螺母固定；承重臂(11)的另一端与弹簧钢片(10)固定，中部设有万向球轴承(9)，限位爪(12)的一端通过螺栓与弹簧钢片(10)固定，另一端设有万向球轴承(9)；环形支撑(8)的另一端与固定臂(15)通过螺栓固定，减速器的输出轴通过键和键槽与全向轮(19)相连；电机支座(14)穿过固定臂(15)与电机模块(13)相连；直线轴(18)穿过直线轴承(16)与固定臂(15)相连；弹簧(17)套在直线轴(18)上，并位于固定臂(15)和电机支座(14)之间。

【技术特征摘要】
1.一种自平衡机器人系统，包括机器人本体和远程监控辅助计算机(22)、电源(1)、双目深度摄像头(21)，其特征在于，机器人本体为四立柱八横梁结构的整体框架(2)，整体框架(2)底部与载重组件之间通过立柱(7)相连；三个呈环状均匀分布的驱动轮组与载重组件均通过螺栓连接，其轮缘均与球(20)面相接触；载重组件通过万向球轴承(9)与球(20)面相连，承重臂(11)的一端与环形支撑(8)的一端重叠并设有通孔，立柱(7)的下端穿过该重叠部的通孔通过螺母固定；承重臂(11)的另一端与弹簧钢片(10)固定，中部设有万向球轴承(9)，限位爪(12)的一端通过螺栓与弹簧钢片(10)固定，另一端设有万向球轴承(9)；环形支撑(8)的另一端与固定臂(15)通过螺栓固定，减速器的输出轴通过键和键槽与全向轮(19)相连；电机支座(14)穿过固定臂(15)与电机模块(13)相连；直线轴(18)穿过直线轴承(16)与固定臂(15)相连；弹簧(17)套在直线轴(18)上，并位于固定臂(15)和电机支座(14)之间。2.根据权利要求1所述的一种...

【专利技术属性】
技术研发人员：高宏力，应宏钟，邱德军，廖丹，黄晓蓉，宋兴国，
申请(专利权)人：西南交通大学，
类型：发明
国别省市：四川,51