自动滚动行走装置及其运动控制方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种自动滚动行走装置及其运动控制方法，包括主体和轮子，所述主体内设置有陀螺组件，该陀螺组件包括至少一对陀螺、控制陀螺主动偏转的偏摆电机以及控制一对陀螺偏摆速度相同但偏摆方向相反的反向同步机构；通过控制自动滚动行走装置主体重心发生变化所产生的重力矩使得陀螺被动偏摆，和或通过偏摆电机控制陀螺主动偏摆而产生的陀螺力矩进而利用该陀螺力矩控制所述行走装置的运动以及在运动过程中保持平衡。与现有技术相比，本发明专利技术的技术效果在于：降低了姿态控制难度；提升了越障高度；能连续平稳上下楼梯；缩短了制动距离，提高制动性能；提高了加速度等等。

Automatic rolling device and its motion control method

The present invention relates to an automatic rolling walking device and its motion control method, including a body and a wheel. The body is provided with a gyroscope assembly which includes at least one pair of gyroscopes, a deflection motor controlling the active deflection of the gyroscope, and a reverse synchronizer controlling a pair of gyroscopes with the same deflection speed but opposite deflection direction. The gyroscopic torque produced by controlling the gyroscopic passive yaw caused by the change of the gravity center of the main body of the automatic rolling walking device, or by controlling the gyroscopic active yaw caused by the gyroscopic torque through the yaw motor, is then used to control the movement of the walking device and maintain balance during the movement. Compared with the prior art, the technical effect of the invention is that the difficulty of attitude control is reduced, the height of obstacle surmounting is raised, the stairs can be continuously and smoothly climbed, the braking distance is shortened, the braking performance is improved, and the acceleration is increased, etc.

【技术实现步骤摘要】
自动滚动行走装置及其运动控制方法
本专利技术涉及一种行走装置结构及控制技术，特别是涉及如机器人等产品的平衡及运动控制。
技术介绍
市场上单轮/双轮平稳车、双足机器人、双轮足机器人、球形机器人等产品的需求越来越大，各公司之间的竞争越来越激烈，但是该类产品开发对平稳控制算法及部件加工精度要求都非常高，而且很难实现以下功能或者性能不达标：1、产品姿态控制不稳定容易跌倒；2、越障高度不足；3、不能上下楼梯或不能连续上下楼梯等；4、紧急制动的制动距离长，不能满足国家规定的安全制动距离；5、加速过慢等等。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题在于避免现有技术的不足之处而提出一种高速旋转控制力矩陀螺及对该陀螺的控制策略，利用控制力矩陀螺的陀螺力矩使得降低对姿态控制的控制难度、缩短紧急制动的距离、提升越障高度、实现连续的上下楼梯功能等。本专利技术解决所述技术问题所采用的技术方案为：设计一种自动滚动行走装置，包括主体和轮子，所述主体内设置有陀螺组件，该陀螺组件包括至少一对陀螺、控制陀螺主动偏转的偏摆电机以及控制一对陀螺偏摆速度相同但偏摆方向相反的反向同步机构；通过控制自动滚动行走装置主体重心发生变化所产生的重力矩使得陀螺被动偏摆，和或通过偏摆电机控制陀螺主动偏摆而产生的陀螺力矩进而利用该陀螺力矩控制所述行走装置的运动以及在运动过程中保持平衡。进一步地：所述自动滚动行走装置是双轮机器人、双轮平衡车或球形机器人，所述主体的转动轴和轮轴同轴，设置在主体内驱动轮子的驱动电机能驱动主体相对轮轴转动而产生的重力矩。所述自动滚动行走装置是轮椅，所述主体设置的座椅前后移动而产生对轮轴的重力矩。使所述自动滚动行走装置是双轮机器人、双轮平衡车或球形机器人用一种自动滚动行走装置是双轮机器人、双轮平衡车或球形机器人的姿态调整控制方法，包括以下步骤：所述自动滚动行走装置接收到需要主体姿态调整的信息；通过偏摆电机控制陀螺主动偏摆而产生的陀螺力矩使得自动滚动行走装置的主体相对轮轴转动。一种基于上述自动滚动行走装置的加速控制方法，包括以下步骤：所述自动滚动行走装置接收到需要加速的信息；驱动电机大力矩加速驱动，由于受到反作用力矩，自动滚动行走装置的主体有向后翻转的趋势，而此时陀螺偏摆产生的陀螺力矩与反作用力矩平衡，自动滚动行走装置主体将保持姿态不变，驱动力矩的全部力矩传递给轮子，自动滚动行走装置将以最大的加速度前进；检测是否达到目标速度，如果达到目标速度，则以目标速度匀速前进。一种基于上述自动滚动行走装置的紧急制动控制方法，包括以下步骤：检测到需要紧急制动；自动滚动行走装置减速制动，由于受到反作用力矩和惯性力矩，自动滚动行走装置主体有向前翻转的趋势，而陀螺偏摆产生的陀螺力矩与反作用力矩和惯性力矩平衡，自动滚动行走装置主体将保持姿态不变；检测自动滚动行走装置是否停住，如果停住，则制动完成。一种基于上述自动滚动行走装置所述的越障控制方法，包括以下步骤：先将自动滚动行走装置主体重心前移；调整陀螺偏摆到最大可利用角度；驱动电机对轮子施加力矩越障；此时设置偏摆电机的力矩为零，驱动电机驱动轮子转动一定角度，越过障碍。将自动滚动行走装置主体恢复竖直状态。一种基于上述自动滚动行走装置的上楼梯控制方法，包括以下步骤：①先将自动滚动行走装置主体重心前移；②调整陀螺偏摆到最大可利用角度；③驱动电机对轮子施加力矩上楼；使陀螺处于被动偏摆状态，驱动电机驱动轮子转动一定的角度，上一级楼梯；④重复步骤②和步骤③，直至上完整个楼梯。一种基于上述自动滚动行走装置所述的下楼梯控制方法，包括以下步骤：①用偏摆电机将陀螺偏摆到最大可利用角度；②驱动电机驱动轮子向前滚动下楼梯，控制驱动电机给定速度为零，并用偏摆电机给陀螺施加与重力矩作用下陀螺自动偏摆方向相反的偏摆力矩，自动滚动行走装置此时在驱动电机及偏摆电机作用下缓慢滚动下楼，下完一级楼梯后自动滚动行走装置主体重心后移；③将自动滚动行走装置主体调整为竖直状态；和④重复步骤②和步骤③，直至下完整个楼梯。一种基于上述自动滚动行走装置所述的下楼梯控制方法，包括以下步骤：①用偏摆电机将陀螺偏摆到最大可利用角度；②驱动电机驱动轮子向前滚动下楼梯，控制驱动电机给定速度为零，并用偏摆电机给陀螺施加与重力矩作用下陀螺自动偏摆方向相反的偏摆力矩，自动滚动行走装置此时在驱动电机及偏摆电机作用下缓慢滚动下楼，下完一级楼梯后自动滚动行走装置主体重心后移；③驱动电机驱动轮子向前滚动下一级楼梯；④重复步骤③，直至下完整个楼梯。一种基于上述自动滚动行走装置所述的下楼梯控制方法，包括以下步骤：①用偏摆电机将陀螺偏摆到最大可利用角度；②偏摆电机将陀螺偏摆，产生的陀螺力矩使自动滚动行走装置主体重心后移；③驱动电机驱动轮子向前，下一级楼梯；④重复步骤③，直至下完整个楼梯。与现有技术相比，本专利技术的技术效果在于：降低了姿态控制难度；提升了越障高度；能连续平稳上下楼梯；缩短了制动距离，提高制动性能；提高了加速度等等。附图说明图1是本专利技术自动滚动行走装置实施例为双轮机器人的结构示意图；图2是本专利技术自动滚动行走装置实施例为双轮平衡车的结构示意图；图3是本专利技术自动滚动行走装置实施例为双轮平衡车的结构示意图；图4是本专利技术行走装置的陀螺装配结构及陀螺产生陀螺力矩但未偏转时的受力示意图；图5是图4中的一对陀螺偏转后受力分解俯视示意图；图6是现有技术中行走装置行走装置进行姿态调整时，在轮心处瞬间施加驱动力矩M的示意图；图7是现有技术中行走装置主体受到驱动力矩的反作用力矩后，向与整机运动相反的反向倾斜一定角度α的示意图；图8是现有技术中行走装置主体姿态调整完成，整机在这个过程中会向前运动了一段距离D的示意图；图9是本专利技术自动滚动行走装置进行姿态调整时，偏摆电机发出驱动力矩使陀螺进动，一对陀螺产生陀螺力矩作用于主体的示意图；图10是本专利技术自动滚动行走装置主体在陀螺力矩作用下，从初始位置发生倾斜的示意图；图11是本专利技术自动滚动行走装置主体姿态调整完成，整机几乎不发生移动的示意图；图12是本专利技术行走装置实施例双轮平衡车加速前进时的受力示意图；图13是本专利技术行走装置实施例双轮机器人越障时的受力示意图；图14是本专利技术行走装置实施例双轮机器人上楼梯时的准备状态示意图；图15是本专利技术行走装置实施例双轮机器人上完第一节楼梯时的状态示意图；图16是本专利技术行走装置实施例双轮机器人上第二节楼梯时的准备状态示意图；图17是本专利技术行走装置实施例双轮机器人上完第二节楼梯时的状态示意图。具体实施方式现结合附图对本专利技术的实施例作详细说明。一种自动滚动行走装置，包括主体和轮子，所述主体内设置有陀螺组件，该陀螺组件包括至少一对陀螺、控制陀螺主动偏转的偏摆电机以及控制一对陀螺偏摆速度相同但偏摆方向相反的反向同步机构；通过控制自动滚动行走装置主体重心发生变化所产生的重力矩使得陀螺被动偏摆，和或通过偏摆电机控制陀螺主动偏摆而产生的陀螺力矩进而利用该陀螺力矩控制所述行走装置的运动，该运动包括但不限于保持平衡、姿态调整、上下楼梯、越障、紧急加减速等等。本专利技术中，行走装置的主体是指除轮子以外的部分，以双轮机器人为例，主体包括设置在主体框架和设置在主体框架上的所有部件，比如头部与主体框架连接，那头部也属于主体的一部分。一种实施例中，如图1所示，行走本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种自动滚动行走装置，包括主体和轮子，其特征在于：所述主体内设置有陀螺组件，该陀螺组件包括至少一对陀螺、控制陀螺主动偏转的偏摆电机以及控制一对陀螺偏摆速度相同但偏摆方向相反的反向同步机构；通过控制自动滚动行走装置主体重心发生变化所产生的重力矩使得陀螺被动偏摆，和或通过偏摆电机控制陀螺主动偏摆而产生的陀螺力矩进而利用该陀螺力矩控制所述行走装置的运动以及在运动过程中保持平衡。

【技术特征摘要】
1.一种自动滚动行走装置，包括主体和轮子，其特征在于：所述主体内设置有陀螺组件，该陀螺组件包括至少一对陀螺、控制陀螺主动偏转的偏摆电机以及控制一对陀螺偏摆速度相同但偏摆方向相反的反向同步机构；通过控制自动滚动行走装置主体重心发生变化所产生的重力矩使得陀螺被动偏摆，和或通过偏摆电机控制陀螺主动偏摆而产生的陀螺力矩进而利用该陀螺力矩控制所述行走装置的运动以及在运动过程中保持平衡。2.根据权利要求1所述的自动滚动行走装置，其特征在于，所述自动滚动行走装置是双轮机器人、双轮平衡车或球形机器人，所述主体的转动轴和轮轴同轴，设置在主体内驱动轮子的驱动电机能驱动主体相对轮轴转动而产生重力矩。3.根据权利要求1所述的自动滚动行走装置，其特征在于：所述自动滚动行走装置是轮椅，所述主体设置的座椅前后移动而产生重力矩。4.一种如权利要求1至2中任一项所述的自动滚动行走装置的姿态调整控制方法，其特征在于，包括以下步骤：①所述自动滚动行走装置接收到需要主体姿态调整的信息；②通过偏摆电机控制陀螺主动偏摆而产生的陀螺力矩使得自动滚动行走装置的主体相对轮轴转动。5.一种如权利要求1至3中任一项所述的自动滚动行走装置的加速控制方法，其特征在于，包括以下步骤：①所述自动滚动行走装置接收到需要加速的信息；②驱动电机大力矩加速驱动，由于受到反作用力矩，自动滚动行走装置的主体有向后翻转的趋势，而此时陀螺偏摆产生的陀螺力矩与反作用力矩平衡，自动滚动行走装置主体将保持姿态不变，驱动力矩的全部力矩传递给轮子，自动滚动行走装置将以最大的加速度前进；③检测是否达到目标速度，如果达到目标速度，则以目标速度匀速前进。6.根据权利要求5所述的加速控制方法，其特征在于：在步骤①之后步骤②之前，通过偏摆电机带动陀螺偏摆，产生陀螺力矩使得自动滚动行走装置的主体重心前移。7.一种如权利要求1至3中任一项所述的自动滚动行走装置的紧急制动控制方法，其特征在于，包括以下步骤：①检测到需要紧急制动；②自动滚动行走装置减速制动，由于受到反作用力矩和惯性力矩，自动滚动行走装置主体有向前翻转的趋势，而陀螺偏摆产生的陀螺力矩与反作用力矩和惯性力矩平衡，自动滚动行走装置主体将保持姿态不变；③检测自动滚动行走装置是否停住，如果停住，则制动完成。8.一种如权利要求7所述的紧急制动控制方法，其特征在于，在步骤①之后步骤②之前，利用偏摆电机带动陀螺偏摆使得自动滚动行走装置主体重心后移。9.一种如权利要求7所述的紧急制动控制方法，其特征在于：制动模式为点刹制动模式，驱动力矩短时间瞬间力矩释放，电机制动力矩为0，此时主体处于重心后移状态，该状态产生的重力矩将使陀螺回摆一定角度。10.一种如权利要求1至3中任一项自动滚动行走装置所述的越障控制方法，其特征在于，包括以下步骤：①先将自动滚动行走装置主体重心前移；②调整陀螺偏摆到最大可利用角度；③驱动电机对轮子施加力矩越障；此时设置偏摆电机的力矩为零，驱动电机驱动轮子转动一定角度，越过障碍；④将自动滚动行走装置主体恢复竖直状态。11.根据权利要求10所述的越障控制方法，其特征在于，步骤①中将自动滚动行走装置主体重心前移的方法是：驱动电机对轮子施加大力矩使得自动滚动行走装置的主体重心前移；通过偏摆电机控制陀螺主动偏摆而产生的陀螺力矩使得自动滚动行走装置的主体重心前移；或者同时利用驱动电机对轮子施加大力矩和利用偏摆电机控制陀螺主动偏摆而产生的陀螺力矩而使得自动滚动行走装置的主体重心前移。12.根据权利要求10所述的越障控制方法，其特征在于，步骤④中将重心前移回复竖直状态的方法是：驱动电机瞬间对轮子字施加大力矩使得自动滚动行走装置的主体竖直；通过偏摆电机控制陀螺主动偏摆而产生的陀螺力矩使得自动滚动行走装置的主体竖直，或者同时利用驱动电机对轮子施加大力矩和利用偏摆电机控制陀螺主动偏摆而产生的陀螺力矩...

【专利技术属性】
技术研发人员：贺智威，唐斌，刘利，朱阳，
申请(专利权)人：坎德拉深圳科技创新有限公司，
类型：发明
国别省市：广东,44