一种柔性两轮自平衡机器人制造技术

一种柔性两轮自平衡机器人，包括主控制器（１）、运动控制器（２）、辅助控制器（３）、伺服驱动器（４）、传感器、输入输出设备、直流电机（５）和电源系统；躯干顶板（１１）上设有摄像头（１２），躯干（６）和底盘（８）均装有倾角仪、陀螺仪，躯干（６）和底盘（８）之间以装有双臂扭簧（２５）和圆柱弹簧（２６）的柔性关节（７）连接；主控制器（１）与运动控制器（２）、辅助控制器（３）、输入输出设备连接，运动控制器（２）与倾角仪（１５，１８）和陀螺仪（１６，１９）、伺服驱动器（４）连接，伺服驱动器（４）与直流电机（５）连接，辅助控制器（３）与超声波传感器（１７）、遥控接收器（２７）连接。可作为机器人学和控制科学领域交叉的综合研究对象，满足多学科研教的需要。（*该技术在2019年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本技术涉及一种两轮移动式机器人，为工科院校的控制理论课程和机器人设计课程提供一种实验研究平台。
技术介绍
两轮自平衡机器人，又称移动式倒立摆，它的行走机构为轴心相对、平行连接于机体两侧的轮子。该种机器人兼有移动式机器人的离散时间动作决策问题和倒立摆的连续时间姿态控制问题。因而，它可成为机器人学和控制科学领域交叉的综合研究对象和理想示教设备。 现有的两轮自平衡机器人的机身整体为刚性构造，例如专利ZL200510094939.X中所述机器人。从模仿人类身体来设计机器人的角度来说，刚性机体不能体现出人类躯体，尤其是腰部结构所具有的前后俯仰运动中的柔性(弹性)。然而，完全真实仿照人体，利用人工肌肉和人工关节软组织设计机器人难度大、成本高、控制复杂、不易维护，作为仅针对柔性机体机器人的平衡控制和运动控制问题的研究和示教设备并不实用。 针对上述问题，专利ZL200720103279. 1设计了一种柔性两轮直立式机器人本体。该机器人引入一段圆柱弹簧连接实现柔性机身，这种设计虽然简单易行，但是存在一些不足。首先，单纯的圆柱弹簧连接方式使该机器人柔性段具有无限自由度，其中绝大部分不可控制，例如左右晃动自由度，这对于两轮直立式机器人姿态控制的研究并没有显著意义，反而带来很多不必要的麻烦。其次，在柔性关节高度不变的情况下，圆柱弹簧材料直径和圈数变化范围十分有限，直接制约柔性关节刚度值的取值范围，使机器人作为示教设备在操作性和参数调节范围上略显不足。此外，专利ZL200720103279. l仅涉及该类机器人的机械本体结构，并没有给出机器人适用的电气系统和姿态平衡控制方法。技术内容本技术的目的在于提出一种机身具有柔性俯仰关节的两轮自平衡机器人。该机器人是一种开放式智能机器人研究开发平台，为控制科学和机器人学的研究和教学提供实验对象；运动控制方法实现该机器人的基本功能，为用户开发、使用该机器人提供参考。 本技术是采用以下技术手段实现的 —种柔性两轮自平衡机器人，包括电气系统和机械本体；其中，所述电气系统包括主控制器、运动控制器、辅助控制器、电机伺服驱动器、传感器、输入输出设备、直流电机和电源系统；所述机械本体包括躯干、柔性关节、底盘、保护支架和双轮。 躯干为层式框架，顶板上固定有至少一个摄像头，顶板和底板之间由隔板分隔成若干层，躯干安装倾角仪、陀螺仪和超声波传感器；所述躯干底板和底盘之间以柔性关节连接；底盘为箱式结构，在其内部装载倾角仪、陀螺仪，直流电机分别固定在底盘两侧内壁上，电机的轴一端与轮子的轴联接，另一端接编码器；底盘底面安装有可拆卸保护支架，支架末端有悬空脚轮；双轮的轴心位于一条直线上。3 所述柔性关节的顶端和底端为上、下支承圆盘、，剖面为"凸"字形，圆盘中心的通孔用于穿过电线；上、下支承圆盘以两个同心转动轴铰接，两个转动轴向外的延伸部分，各固定一个双臂扭簧，扭簧的上臂固定在上支承圆盘上，扭簧的下臂固定在下支承圆盘上；在上、下支撑圆盘之间压紧固定一段圆柱弹簧，其两端分别套在上、下支撑圆盘的凸台外。 主控制器为嵌入式计算机系统。 运动控制器选用数字信号处理器系统。 辅助控制器选用单片机或数字信号处理系统。 传感器包括检测机器人躯干和底盘俯仰倾角变化的倾角仪，倾角速度变化的陀 螺仪，检测电机转角变化的编码器，检测图像信息的摄像头，以及检测障碍物距离信息的超 声波传感器。 电气系统的主控制器与运动控制器、辅助控制器、输入输出设备连接；运动控制器 与倾角仪、陀螺仪、编码器、伺服驱动器相连接；辅助控制器与超声波传感器和遥控接收器 连接；摄像头与主控制器；电源系统连接各电气设备供电。 前述的电源系统包括充电电池、转换电压的电源继电器板、监测电池电压的电源 监控板。 前述的直流电机选用直流力矩电机、带减速器的直流电机或直流无刷电机。 前述的输入输出设备包括键盘、鼠标、遥控器、液晶显示屏、显示器、麦克风、扬声器。 本技术与现有技术相比，具有以下优点 第一，本技术作为一种智能机器人，兼有移动式机器人的离散时间动作决策 问题和倒立摆的连续时间姿态控制问题，因此可作为机器人学和控制科学领域交叉的综合 研究对象，满足多学科研教的需要。 第二，本技术在保留两轮自平衡机器人的原有优点基础上，具有新的应用价 值，是一种与工程实际问题联系紧密，实用价值较高的研究、示教设备。在一些实际应用中， 如火箭发射，存在重心在支点之上的控制问题，而这类对象并不是限定在直线或圆形轨道 上运动的，因此轨道式倒立摆对这类问题的模拟具有局限性。两轮自平衡机器人(移动式 倒立摆)则更接近实际控制问题。本技术具有双轮行走机构，延续了两轮自平衡机器 人上述优势。此外，在实际应用中，某些仿人两轮机器人的腰部关节以及两轮电动车的驾驶 员腰部都可看作柔性关节而抽象为本技术所述结构，因此本技术可作为研究这类 特定系统控制问题的理想对象。 第三，本技术改进了柔性关节的机械结构，使得它在应用中更加合理、实用。 首先，引入单自由度旋转铰，将机器人柔性关节平衡的控制目标限定在俯仰自由度，从而保 证系统的可控性。另外，在柔性关节高度不变的情况下，圆柱弹簧材料直径和圈数可调范围 十分有限，制约了柔性关节刚度值的调节范围，而扭簧横卧的安装方式使得弹簧材料直径 的选择余地大大增加，引入对称扭簧则能扩大柔性关节的刚度调节范围，使得机器人作为 研究对象时具有更丰富的特性。 第四，本技术中的柔性关节中弹簧的动态特性是非线性的，而弹簧材料的阻 尼、疲劳以及关节的摩擦带来系统参数的不确定性，这使得系统的非线性和不确定性增加， 更加适合非线性控制、鲁棒控制和智能控制的研究。 第五，本技术的电气系统采用层式结构，各级控制器各司其职，使得机器人的处理性能更加强劲，能够有效降低应对复杂控制算法时的计算负担，这十分符合该机器人作为多用途研究平台的定位。此外，分层结构使得硬件系统具有良好的扩展能力。 第六，本技术的电气系统既有PC系统，也包括嵌入式系统，而且在其PC系统中能直接开发各嵌入式系统的应用软件。这样，用户在连接鼠标、键盘、显示器等1/0设备后，在机器人上直接开发多种硬件系统的程序，既方便了开发，又能够实践多种硬件体系的软件开发过程，使得机器人适用于多门课程的教学实践环节。 第七，本技术配备遥控系统和避障系统，使得机器人具有遥控操作和自主避障运行的双重模式。 第八，本技术配备视觉传感系统和语音处理系统，使得机器人可扩展视觉识别、语音识别功能。附图说明图1柔性两轮自平衡机器人的机械结构主视图； 图2柔性两轮自平衡机器人的电子元件布局示意图； 图3柔性两轮自平衡机器人的机械结构侧视图； 图4柔性两轮自平衡机器人底盘的俯视图； 图5柔性两轮自平衡机器人的柔性关节结构主视图； 图6柔性两轮自平衡机器人的柔性关节结构侧视图； 图7柔性两轮自平衡机器人的柔性关节俯视图； 图8柔性两轮自平衡机器人的电气系统连接示意图； 图9柔性两轮自平衡机器人的电气系统原理图； 图10柔性两轮自平衡机器人的运动控制系统框图。具体实施方式以下结合附图，介绍本实施例。 —、柔性两轮自平衡机器人的硬件 1.电气系统选型 主控制器l选用研祥嵌入式计算机(EPC)E本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种柔性两轮自平衡机器人，包括电气系统和机械本体；其中，所述电气系统包括主控制器（１）、运动控制器（２）、辅助控制器（３）、电机伺服驱动器（４）、传感器、输入输出设备、直流电机（５）和电源系统；所述机械本体包括躯干（６）、柔性关节（７）、底盘（８）、保护支架（９）和双轮（１０）；其特征在于：所述躯干（６）为层式框架，顶板（１１）上固定有至少一个摄像头（１２），顶板（１１）和底板（１３）之间由隔板（１４）分隔成若干层，躯干安装倾角仪（１５）、陀螺仪（１６）和超声波传感器（１７）；所述躯干底板（１３）和底盘（８）之间以柔性关节（７）连接；所述底盘（８）为箱式结构，在其内部装载倾角仪（１８）、陀螺仪（１９），直流电机（５）分别固定在底盘（８）两侧内壁上，电机（５）的轴一端与双轮（１０）的轴联接，另一端接编码器（２０）；底盘（８）底面安装有可拆卸保护支架（９），支架（９）末端有悬空脚轮（２１）；双轮（１０）的轴心位于一条直线上；所述柔性关节（７）的顶端和底端为上、下支承圆盘（２２）、（２３），剖面为“凸”字形，圆盘中心的通孔用于穿过电线；上、下支承圆盘以两个同心转动轴（２４）铰接，两个转动轴（２４）向外的延伸部分，各固定一个双臂扭簧（２５），扭簧（２５）的上臂固定在上支承圆盘（２２）上，扭簧（２５）的下臂固定在下支承圆盘（２３）上；在上、下支撑圆盘（２２）、（２３）之间压紧固定一段圆柱弹簧（２６），其两端分别套在上、下支撑圆盘（２２）、（２３）的凸台外；所述主控制器（１）为嵌入式计算机系统；所述运动控制器（２）选用数字信号处理器系统；所述辅助控制器（３）选用单片机或数字信号处理器系统；所述传感器包括：检测机器人躯干（６）和底盘（８）俯仰倾角变化的倾角仪（１５）、（１８），倾角速度变化的陀螺仪（１６）、（１９），检测电机（５）转角变化的编码器（２０），检测图像信息的摄像头（１２），以及检测障碍物距离信息的超声波传感器（１７）；所述电气系统的连接关系为：主控制器（１）与运动控制器（２）、辅助控制器（３）、输入输出设备连接；运动控制器（２）与倾角仪（１５）、（１８）、陀螺仪（１６）、（１９）、编码器（２０）、伺服驱动器（４）相连接；辅助控制器（３）与超声波传感器（１７）和遥控接收器（２７）连接；摄像头（１２）与主控制器（１）；伺服驱动器（４）与直流电机（５）连接；电源系统连接各电气设备供电。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：阮晓钢，李欣源，赵建伟，韩红桂，王启源，于乃功，任红格，蔡建羡，
申请(专利权)人：北京工业大学，
类型：实用新型
国别省市：11[中国|北京]