[發(fā)明專利]一種基于陀螺驅(qū)動器的平衡裝置及其控制方法

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201810535449.6
• 申請日: 2018-05-30
• 公開（公告）號: CN108436916A
• 公開（公告）日: 2018-08-24
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 李清都;柯梅花;周平;王成剛;李青嶺;楊鑫
• 申請（專利權(quán)）人: 重慶郵電大學(xué)
• 主分類號: B25J9/16
• 分類號: B25J9/16;B25J19/00;B25J9/12;B62D57/032
• 代理公司: 重慶市恒信知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 50102
• 代理人: 李金蓉

本發(fā)明公開了一種基于陀螺驅(qū)動器的平衡裝置及其控制方法，用于機器人平衡控制。包括一個便于攜帶/穿戴的“背包”，所述“背包”位于機器人重心位置，用以裝置陀螺驅(qū)動器。每個陀螺驅(qū)動器包括萬向支架、飛輪、傳感器、電機以及其他連接結(jié)構(gòu)，所述萬向支架上通過固定結(jié)構(gòu)連接電機Ⅰ，電機Ⅰ與角度傳感器固定連接，所述萬向支架鉸接連接飛輪，所述萬向支架縱向固定塊中間固定速度傳感器，并通過連接桿與飛輪軸心處相接，速度傳感器固定連接電機Ⅱ。當機器人失去平衡時，偏離基準軸，產(chǎn)生傾斜角，角度傳感器檢測該傾斜角，將該信號傳遞至驅(qū)動器來驅(qū)動飛輪旋轉(zhuǎn)，飛輪旋轉(zhuǎn)后產(chǎn)生反作用力矩，從而使機器人恢復(fù)平衡。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及機器人技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種機器人的平衡控制裝置及其控制方法。

背景技術(shù)

隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，機器人技術(shù)日益成熟，各種雙足機器人甚至仿人機器人的出現(xiàn)極大地激勵了科學(xué)家的研究熱情。然而，機器人的平衡控制一直是機器人研究領(lǐng)域的一大難題。大多數(shù)機器人目前主要通過算法控制來保持平衡，但是這類機器人在復(fù)雜的外部環(huán)境下，仍然難以避免的失去平衡，甚至摔倒。如何簡便有效的控制機器人平衡，并提高機器人的壽命，是該領(lǐng)域亟待解決的一個問題。

對于人的平衡控制，最簡單的莫過于使用拐杖，然而使用這類外部輔助工具后，我們的手將無法得到自由，而且對于那些沒有平衡判斷能力的人，因為無法及時察覺到失衡的趨勢，從而無法及時利用這類輔助工具防摔倒。對于機器人來說，這類外部輔助工具更加不適用。其他的便攜式輔助裝置如外骨骼，如美國生產(chǎn)的eLEGS，雖然有效的輔助運動，提高平衡，但是其結(jié)構(gòu)笨重，操作復(fù)雜，不適合一般的使用。

申請?zhí)枮?01210198798.6的發(fā)明專利：一種多足機器人平衡控制方法，相比之前的機器人平衡研究僅局限于判定機器人穩(wěn)定及在保證機器人穩(wěn)定的前提下對機器人進行步態(tài)規(guī)劃，該方法檢測到多足機器人失穩(wěn)后，執(zhí)行預(yù)先設(shè)置的控制策略，使得機器人由失穩(wěn)狀態(tài)轉(zhuǎn)換為靜態(tài)穩(wěn)定狀態(tài)。但是由于執(zhí)行該控制策略存在一定的算法時延，該方法并不能完全及時地恢復(fù)足式機器人的穩(wěn)定。因此，如何設(shè)計一種便攜的、結(jié)構(gòu)簡單易于控制的，且及時恢復(fù)穩(wěn)定狀態(tài)的平衡裝置來控制機器人在復(fù)雜環(huán)境下出現(xiàn)的失衡問題是機器人研究領(lǐng)域的一大難題。

發(fā)明內(nèi)容

有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提供一種基于陀螺驅(qū)動器的平衡裝置，該裝置安裝在機器人上，能夠提前檢測機器人行走的失衡，并立即恢復(fù)到平衡狀態(tài)。為達到上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：一種基于陀螺驅(qū)動器的平衡裝置，包括萬向支架、飛輪、角度傳感器、電機Ⅰ、速度傳感器和電機Ⅱ，其中所述飛輪與萬向支架鉸接，萬向支架上固定有電機Ⅰ，電機Ⅰ與角度傳感器固定連接，所述萬向支架縱向固定塊中間固定速度傳感器，并通過連接桿與飛輪軸心處相接，速度傳感器固定連接電機Ⅱ。

進一步，所述萬向支架由兩個橫向固定塊和兩個縱向固定塊連接構(gòu)成矩形框架。所述飛輪的外緣上的兩點分別與萬向支架的兩個橫向固定塊的中心鉸接，所述外緣上的兩點位于飛輪的同一直徑上。

所述電機Ⅰ固定在萬向支架的橫向固定塊上。所述電機Ⅱ與速度傳感器固定連接于萬向支架的縱向固定塊上。

本發(fā)明中基于陀螺驅(qū)動器的平衡裝置，將所述平衡裝置安裝于機器人背部，用于控制機器人平衡的控制方法，包括以下步驟：

(1)角度傳感器實時檢測機器人相對于基準方向的傾斜角；

(2)當角度傳感器檢測到機器人偏離基準方向，產(chǎn)生傾斜角；

(3)該信號被傳遞至機器人的驅(qū)動器，當傾斜角超過閾值時，對平衡裝置實施控制，驅(qū)動飛輪沿機器人傾斜的方向旋轉(zhuǎn)，從而產(chǎn)生反作用力矩；

(4)若機器人偏離平衡的傾斜角逐漸增大，即機器人無法根據(jù)自身調(diào)整恢復(fù)平衡，此時驅(qū)動器將驅(qū)動飛輪加速旋轉(zhuǎn)，即旋轉(zhuǎn)加速度a＞0；若機器人偏離平衡的傾斜角逐漸減小，即機器人試圖根據(jù)自身調(diào)整恢復(fù)平衡，此時驅(qū)動器將驅(qū)動飛輪減速旋轉(zhuǎn)，即旋轉(zhuǎn)加速度a＜0；