[實用新型]獨輪機器人系統(tǒng)

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 200920109093.6
• 申請日: 2009-07-08
• 公開（公告）號: CN201565951U
• 公開（公告）日: 2010-09-01
• 發(fā)明（設計）人: 阮曉鋼;王啟源;胡敬敏;于乃功;王昱峰;李欣源;任紅格
• 申請（專利權）人: 北京工業(yè)大學
• 主分類號: B25J5/00
• 分類號: B25J5/00;G05D1/00
• 代理公司: 北京思海天達知識產(chǎn)權代理有限公司 11203
• 代理人: 吳蔭芳

技術領域

本實用新型屬于智能機器人范疇，涉及一種能夠自主進行運動平衡控制進而自主騎行獨輪車的靜態(tài)不平衡機器人及其運動平衡控制方法。

背景技術

騎行獨輪車是人類(或者其他經(jīng)過專門訓練的智能水平較高的動物)需要較為高級的運動平衡技能才能完成的活動。這種能力需要經(jīng)過專門的學習、訓練才能夠具備。研究一種自主機器人，模仿人類這種高級的運動平衡技能完成騎行獨輪車的任務，一直是機器人領域里的一項任務。

獨輪機器人是模仿人騎獨輪自行車的活動，建立的機器人系統(tǒng)，具有很高的仿生性，其出現(xiàn)是人工智能、智能控制、機械設計、機器人學等相關領域互相融合、快速發(fā)展的結果。與一般的靜態(tài)平衡機器人不同，獨輪機器人具有明顯的動態(tài)平衡特點，具有廣闊的應用前景：由于其本身特有的復雜平衡控制問題，在科研、展示和娛樂領域可以作為極具特色的平臺和工具；利用其動態(tài)平衡特性，將它引入復雜地形環(huán)境，進行運輸、營救和探測；利用其外形纖細的特性將它用作監(jiān)控機器人，實現(xiàn)對狹窄地方的監(jiān)控；在航天領域，基于單輪機器人的原理甚至可以開發(fā)一種運動自如的特殊月球車。

相比于一般的不需要運動平衡的靜態(tài)平衡機器人(如4輪移動式機器人)，獨輪機器人具有以下顯著特點：1)機器人的運動過程基礎是達到平衡狀態(tài)，即機器人必須首先能夠穩(wěn)定直立，才能夠進行其他運動，并且這種運動平衡過程是個動態(tài)過程；機器人在平衡點附近不停地變化進行調(diào)節(jié)以保持平衡。這雖然增加了機器人的控制難度，但也同時使其可以完成許多復雜的運動平衡任務；2)由于只有一個輪子，獨輪機器人硬件上要更簡捷，更輕，運動上也更靈活；3)若在機器人上身機構上加入機械臂，靈巧手，頭部等后，機器人能夠以一種特有的動態(tài)平衡的方式實現(xiàn)相應的任務，如在極窄的路徑上騎行，騎過很窄的平衡木、原地轉身，甚至可以完成走鋼絲的高難度動作。

現(xiàn)有的獨輪機器人多為簡單的執(zhí)行層控制結構，即機器人的本體上僅有驅動和控制的基本功能，沒有完善的宏觀規(guī)劃和視覺功能等，或者是將需要處理的的信息傳送到上位計算機進行處理的方式，而機器人本身沒有處理這些信息的能力，例如日本村田制作所開發(fā)的騎獨輪車的機器人“村田少女”，身高50cm，體重5kg，速度為5cm/s。在控制方面，左右方向(側傾)通過豎直方向轉動機器人體內(nèi)配備的慣性輪來保持左右平衡。而前后方向(俯仰)上，則通過身體內(nèi)的電機以鏈傳動方式轉動獨輪車的車輪來保持平衡。在檢測方面，為了控制前后方向和左右方向的平衡，在四個方向上分別配備了一個該公司的傾斜檢測陀螺傳感器。此外，還配備了用來檢測障礙物的超聲波傳感器、用來收發(fā)控制指令等的藍牙模塊、陶瓷振蕩器、檢測溫度的NTC熱敏電阻等村田制作所產(chǎn)品。但是“她”沒有能夠執(zhí)行任務的機械臂和靈巧手、仍舊是本體沒有處理復雜信息的能力而是通過傳送到上位機進行處理、傳動方式為鏈式傳動，較為復雜、沒有可以靈活擴展的調(diào)試用腳輪組件、檢測方面僅有四個單軸陀螺，會產(chǎn)生角度積分偏移問題，最終導致系統(tǒng)不穩(wěn)定等。

發(fā)明內(nèi)容

針對上述問題，本實用新型設計了一種能夠騎行獨輪車的機器人本體，并且提出了獨輪機器人的運動平衡控制方法。利用該機器人系統(tǒng)不僅可以作為一種開放式智能機器人研究開發(fā)平臺，為控制科學、機器人學、人工智能等領域的研究和教學提供實驗對象，還可以成為娛樂、展示的極具特色的工具。

為了實現(xiàn)上述目的，本實用新型采取了如下技術方案：

獨輪機器人系統(tǒng)，包括機械本體和控制系統(tǒng)；機械本體下部為一個可前后轉動的獨輪14，在獨輪14四周套有一個可上下調(diào)節(jié)的調(diào)試支架13，機械本體中間含有一個水平放置的，可左右轉動的慣性飛輪17；控制系統(tǒng)由狀態(tài)感知傳感器、運動控制器10和伺服驅動控制器以及電源系統(tǒng)構成，其中，狀態(tài)感知傳感器包括姿態(tài)傳感器和速度傳感器。運動控制器10接收狀態(tài)感知傳感器的信號，在控制程序下將接收信號進行處理，從而發(fā)出控制指令，伺服驅動控制器接收控制指令，通過獨輪電機12和飛輪電機18控制獨輪14和慣性飛輪17轉動，對機器人的姿態(tài)平衡作出調(diào)整。

在調(diào)試支架13下面，前后左右各設置有一個可拆卸的腳輪15。

系統(tǒng)中的慣性飛輪17為雙對可拆卸結構，由兩個飛輪并列組成，每個飛輪由兩個半圓結合而成。

系統(tǒng)中的姿態(tài)傳感器為三軸慣性導航系統(tǒng)和兩軸傾角儀；所述速度傳感器為安裝在獨輪電機12和飛輪電機18中的編碼器，且該編碼器帶有可進行溫度補償調(diào)整的溫度傳感器。