[發明專利]一種柔性兩輪自平衡機器人系統及其運動控制方法

有效

• 申請號: 200910084259.8
• 申請日: 2009-05-15
• 公開（公告）號: CN101554726A
• 公開（公告）日: 2009-10-14
• 發明（設計）人: 阮曉鋼;李欣源;趙建偉;韓紅桂;王啟源;于乃功;任紅格;蔡建羨
• 申請（專利權）人: 北京工業大學
• 主分類號: B25J5/00
• 分類號: B25J5/00;B25J13/00;G09B25/02
• 代理公司: 北京思海天達知識產權代理有限公司
• 代理人: 張 慧

1.一種柔性兩輪自平衡機器人系統，包括電氣系統和機械本體；其中，所述電氣系統包括主控制器(1)、運動控制器(2)、輔助控制器(3)、電機伺服驅動器(4)、傳感器、輸入輸出設備、直流電機(5)和電源系統；所述機械本體包括軀干(6)、柔性關節(7)、底盤(8)、保護支架(9)和雙輪(10)；其特征在于：

所述軀干(6)為層式框架，頂板(11)上固定有至少一個攝像頭(12)，頂板(11)和底板(13)之間由隔板(14)分隔成若干層，軀干安裝第一傾角儀(15)、第一陀螺儀(16)和超聲波傳感器(17)；

所述軀干底板(13)和底盤(8)之間以柔性關節(7)連接；

所述底盤(8)為箱式結構，在其內部裝載第二傾角儀(18)、第二陀螺儀(19)，兩個直流電機(5)分別固定在底盤(8)左右兩側內壁上，直流電機(5)的軸一端與雙輪(10)的軸聯接，另一端接編碼器(20)；底盤(8)底面安裝有可拆卸保護支架(9)，支架(9)末端有懸空腳輪(21)；雙輪(10)的軸心位于一條直線上；

所述柔性關節(7)的頂端和底端為上支承圓盤(22)和下支承圓盤(23)，剖面為“凸”字形，上支撐圓盤和下支撐圓盤的中心通孔用于穿過電線；在上支撐圓盤凸臺面上，以沉頭螺絲(45)固定上支座(46)，上支座(46)的方形底板中央開通孔，與支撐圓盤通孔孔徑相同，裝配時兩孔同心，上支座(46)的底板兩側有豎起的圓頂角劍頭形支座壁，其上開有同心的通孔，在下支撐圓盤(23)的相同位置以相同方式固定下支座(47)，下支座(47)與上支座(46)不同的是其兩個側壁均為雙層，令上支座(46)側壁可插入間隙緊密配合，另外，下支座(47)的壁通孔直徑略小，上支座(46)兩側壁上的通孔中分別插入銅套(48)后與下支座(47)的側壁通孔直徑相同，上支座(46)和下支座(47)裝配時兩側壁通孔同心，在其中分別插入轉動軸(24)，并以擋板(49)固定，使得上支承圓盤(22)和下支承圓盤(23)能夠以轉動軸(24)為鉸接點轉動；轉動軸(24)向外的延伸部分，各固定一個雙臂扭簧(25)，扭簧(25)的上臂固定在上支承圓盤(22)上，扭簧(25)的下臂固定在下支承圓盤(23)上；在上支承圓盤(22)和下支承圓盤(23)之間壓緊固定一段圓柱彈簧(26)，其兩端分別套在上支承圓盤(22)和下支承圓盤(23)的凸臺外；

所述主控制器(1)為嵌入式計算機系統；

所述運動控制器(2)選用數字信號處理器系統；

所述輔助控制器(3)選用單片機或數字信號處理器系統；

所述傳感器包括：檢測機器人軀干(6)和底盤(8)俯仰傾角變化的第一傾角儀(15)、第二傾角儀(18)，檢測機器人軀干(6)和底盤(8)俯仰傾角速度變化的第一陀螺儀(16)、第二陀螺儀(19)，檢測直流電機(5)轉角變化的編碼器(20)，檢測圖像信息的攝像頭(12)，以及檢測障礙物距離信息的超聲波傳感器(17)；

所述電氣系統的連接關系為：主控制器(1)與運動控制器(2)、輔助控制器(3)、輸入輸出設備連接；運動控制器(2)與第一傾角儀(15)、第二傾角儀(18)、第一陀螺儀(16)、第二陀螺儀(19)、編碼器(20)、伺服驅動器(4)相連接；輔助控制器(3)與超聲波傳感器(17)和遙控接收器(27)連接；攝像頭(12)與主控制器(1)；伺服驅動器(4)與直流電機(5)連接；電源系統連接各電氣設備供電。

2.根據權利要求1所述的一種柔性兩輪自平衡機器人系統，其特征在于：所述電源系統包括：充電電池(28)、轉換電壓的電源繼電器板(29)、監測電池電壓的電源監控板(30)。

3.根據權利要求1所述的一種柔性兩輪自平衡機器人系統，其特征在于：所述直流電機(5)選用直流力矩電機或直流無刷電機。

4.根據權利要求1所述的一種柔性兩輪自平衡機器人系統，其特征在于：所述的輸入輸出設備包括：鍵盤(31)、鼠標(32)、遙控器(33)、顯示器(35)、麥克風(36)、揚聲器(37)。