本發(fā)明屬于機器人運輸裝置領域，尤其涉及一種利用負重實現左右自平衡的裝置及負重機器人。

背景技術：

機器人技術日新月異，機器人的功能越來越強大，因此越來越多的機器人被投入運用到各個領域。具備運動性能的機器人可以用于運輸貨物，在一些場景中使用機器人運輸貨物能克服環(huán)境惡劣、人力不夠、成本較高等缺點。其中，四足機器人目前技術成熟且具有較好的運動性能，在復雜地形上運動穩(wěn)定、穿越性能好、抗干擾能力強，因此選擇四足機器人在地面上進行運輸是個較優(yōu)的選擇。然而，四足機器人在復雜地形上負重運輸時，負重的四足機器人平衡較難控制，因此其他類型的機器人在復雜地形上時負重運輸時平衡就更難控制；目前，并沒有很好的方法解決這個問題。

技術實現要素：

針對上述問題，本發(fā)明的目的在于提供能夠調節(jié)機器人在復雜地形負重運輸時的平衡控制的一種利用負重實現左右自平衡的裝置。

本發(fā)明的另一個目的是提供一種利用自身負重實現左右自平衡的負重機器人。

一種利用負重實現左右自平衡的裝置，包括舵機、懸臂梁、負重機構、重量測量模塊、姿態(tài)測量模塊、控制機構，具有轉動功能的舵機通過固定機架安裝在承擔運輸的機器人上，懸臂梁一端固定在舵機，用于裝載、固定貨物于前后方向上的負重機構固定在懸臂梁另一端，舵機、姿態(tài)測量模塊及安裝于懸臂梁上的重量測量模塊均和控制機構電連接，接收重量測量模塊及姿態(tài)測量模塊的信號并處理的控制機構指令舵機轉動，負重機構和懸臂梁隨著舵機一起轉動，從而調整負重機構的左右位置達到一種利用負重實現左右自平衡的裝置的左右自平衡。采用此結構的優(yōu)點，采集裝置的信號并通過pid算法計算處理后確定是否調動舵機，通過舵機的轉動從而調整負重機構的左右位置，進而實現調整裝置的左右自平衡，裝置結構簡單，簡單、平穩(wěn)地實現裝置的左右自平衡。

優(yōu)選的，負重機構包括用于裝載貨物的負重箱及固定貨物的夾具組件，夾具組件安裝于負重箱中且在負重箱中前后移動以夾緊貨物。采用此結構的優(yōu)點，在裝載貨物的負重箱中安裝可移動的夾具組件，因此，通過移動夾具組件將貨物夾緊于負重箱中，結構簡單、操作方便。

優(yōu)選的，夾具組件包括夾具、光桿、絲桿、軸承、光桿固定座，光桿和絲桿分別位于負重箱內的左右兩側，光桿通過光桿固定座安裝在負重箱一側的前后兩端，絲杠通過軸承安裝在負重箱另一側的前后兩端，夾具一端安裝在絲杠上，夾具另一端安裝在光桿上，夾具隨著絲桿滾動從而沿著絲桿方向移動并通過光桿導向。采用此結構的優(yōu)點，轉動絲桿從而帶動夾具在絲桿方向上移動，移動到合適的夾緊位置時，停止轉動絲桿，從而輕松地將貨物夾緊。

優(yōu)選的，還包括便于轉動絲桿的旋轉把手，旋轉把手螺紋連接于絲桿一端。采用此結構的優(yōu)點，采用旋轉把手便于操作者轉動絲桿，在裝載和夾緊貨物時更省時省力。

優(yōu)選的，夾具呈長方體薄片狀，夾具高度和負重箱的高度相等，夾具兩端開設安裝孔，一端通過安裝孔安裝在光桿，另一端通過安裝孔安裝在絲桿，夾具通過絲桿前后移動將貨物夾緊于負重箱后側面和夾具之間。采用此結構的優(yōu)點，將貨物夾緊在負重箱的后側面和夾具之間，在調整負重的位置以實現裝置的左右自平衡時效果更好。

優(yōu)選的，懸臂梁呈長方體狀，懸臂梁兩端均開設有螺紋孔，懸臂梁一端通過螺釘固定在舵機上并隨著舵機的轉動而轉動，負重箱通過螺釘固定在懸臂梁另一端。采用此結構的優(yōu)點，使用長方體狀的懸臂梁并將負重機構安裝在懸臂梁懸空的一端，使得負重機構的運動幅度更大，更有利于調節(jié)裝置的左右自平衡。

優(yōu)選的，姿態(tài)測量模塊為陀螺儀傳感器，陀螺儀傳感器安裝于固定機架上。采用此結構的優(yōu)點，較為精準的測量出裝置的姿態(tài)數據，為基于pid自平衡調節(jié)算法的自平衡調節(jié)提供支持。

優(yōu)選的，重量測量模塊為稱重傳感器。采用此結構的優(yōu)點，能較為精準測量出負重物的重量，為后續(xù)的自平衡調節(jié)提供支持。

負重機器人，采用上述的一種利用負重實現左右自平衡的裝置，還包括四足機器人，一種利用負重實現左右自平衡的裝置安裝于四足機器人上。采用此結構的優(yōu)點，負重機器人能根據所負重的貨物自動地調節(jié)左右方向的自平衡，因此負重機器人運動穩(wěn)定，提升了運輸的可靠性和質量。

本發(fā)明的優(yōu)點：

1、本發(fā)明采用pid自平衡算法，在采集到負重機構的重量和姿態(tài)數據后，對數據進行處理，如處于不平衡狀態(tài)則啟動舵機，舵機轉動帶動負重機構的轉動，從而調節(jié)裝置至左右自平衡狀態(tài)，因此本發(fā)明能簡單、迅速、穩(wěn)定地調節(jié)裝置達到左右自平衡狀態(tài)，滿足機器在復雜地形負重運輸時的要求，并且結構簡單。

2、本發(fā)明使用絲桿帶動夾具，移動夾具從而將貨物夾緊于負重箱后側面和夾具之間，結構簡單，并具有夾緊效果好且防止過度夾緊貨物以致貨物損壞，夾緊于負重箱的后端使得左右自平衡調節(jié)效果更好；在絲桿一端固接旋轉把手，方便操作者操作絲桿。

3、本發(fā)明使用長方體狀的懸臂梁，并將負重機構安裝于懸臂梁懸空的一端，因此對負重機構的位置調節(jié)范圍更大、更靈活，從而對裝置的左右自平衡調節(jié)效果更好。

附圖說明

圖1為一種利用負重實現左右自平衡的裝置的軸測圖。

圖2為一種利用負重實現左右自平衡的裝置的左視圖。

圖3為圖2中一種利用負重實現左右自平衡的裝置的俯視圖。

圖4為一種利用負重實現左右自平衡的裝置的后視圖。

其中，1為負重箱，2為夾具，3為旋轉把手4為懸臂梁，5為舵機，6為固定機架，7為軸承，8為絲桿，9為光桿，10為光桿固定座。

具體實施方式

下面結合附圖對本發(fā)明做進一步的具體說明。

一種負重機器人，采用一種利用負重實現左右自平衡的裝置，還包括四足機器人，一種利用負重實現左右自平衡的裝置安裝于四足機器人上。

其中，一種利用負重實現左右自平衡的裝置，包括固定機架、舵機、懸臂梁、負重機構、重量測量模塊、姿態(tài)測量模塊、控制機構，固定機架通過螺釘固定在承擔運輸的機器人上，具有轉動功能的舵機安裝在固定機架上，懸臂梁一端固定在舵機上，懸臂梁另一端懸空，負重機構固定在懸臂梁懸空的一端，負重機構用于裝載貨物并將貨物夾緊于負重機構內，舵機、姿態(tài)測量模塊及重量測量模塊均和控制機構電連接。姿態(tài)測量模塊用于測量裝置的姿態(tài)數據，重量搞測量模塊用于測量負重機構的重量數據。舵機內部具有電機，因此舵機能夠轉動。

負重機構包括負重箱和夾具組件。負重箱用于裝載貨物，夾具組件和負重箱配合將貨物夾緊于負重箱內。夾具組件包括夾具、光桿、絲桿、軸承、光桿固定座、旋轉把手；光桿和絲桿分別位于負重箱內的左右兩側，光桿通過光桿固定座安裝在負重箱左側的前后兩端，絲杠通過軸承安裝在負重箱右側的前后兩端；旋轉把手螺紋連接于絲桿一端；夾具呈長方體薄片狀，夾具高度和負重箱的高度相等，夾具兩端開設安裝孔，一端通過安裝孔安裝在光桿，另一端通過安裝孔安裝在絲桿，夾具隨著絲桿滾動從而沿著絲桿方向移動并通過光桿導向，在本實施例中，轉動旋轉手柄，絲桿轉動，從而夾具在絲桿方向前后移動將貨物夾緊于負重箱后側面和夾具之間。

懸臂梁呈長方體狀，懸臂梁兩端均開設有螺紋孔，懸臂梁一端通過螺釘固定在舵機上并隨著舵機的轉動而轉動，負重箱通過螺釘固定在懸臂梁另一端。姿態(tài)測量模塊為陀螺儀傳感器，陀螺儀傳感器安裝于固定機架上。重量測量模塊為稱重傳感器，重量測量模塊安裝于懸臂梁上。舵機為標準電動舵機，型號為輝盛的mg995。采用此結構的優(yōu)點，該種舵機體積小，扭矩大，易控制，易于在本裝置上安裝使用。舵機轉動靈活，使得裝置自平衡調節(jié)反應迅速。陀螺儀傳感器為jy901陀螺儀傳感器，稱重傳感器為yzc-1b稱重傳感器。

本實施例中，控制機構安裝于懸臂梁上?？刂茩C構包括arduinounor3主控制板以及arduinoleonardo從控制板。主控制板與jy901陀螺儀傳感器以uart通信連接，以實時得到機體的偏轉角度。從控制板與稱重傳感器電連接，與主控制板以i2c通信連接，傳輸負重的重量數據。舵機由主控制板控制。

機體行進過程中遇到突發(fā)情況致使機體有翻轉危險時，陀螺儀傳感器會得到機體的偏轉角度，傳輸到主控制板。主控制板根據得到的偏轉角度數據控制舵機往機體偏轉的相反方向轉動，機體的重心向翹起的方向偏移，利用重力重新回到平衡狀態(tài)?？刂贫鏅C時運用pid算法，具體參數可根據稱重傳感器得到的負重加以調整：負重大時參數偏小，負重小時參數偏大。

本發(fā)明的工作過程和原理：負重機器人在復雜地形進行負重運輸時，由于顛簸會出現不平衡的問題。運輸過程中，安裝在固定機架上的姿態(tài)測量模塊和安裝在懸臂梁上的重量測量模塊不斷采集裝置的姿態(tài)數據和負重機構的重量數據，并將數據轉換后傳送給控制機構，控制機構接收到數據并處理后，通過pid自平衡算法判斷負重機器人是否處于左右平衡狀態(tài)。如果負重機器人處于左右自平衡狀態(tài)，那么控制機構不會做出任何指令。如果負重機器人不處于左右自平衡狀態(tài)，那么控制機構會根據負重重量與得到的機體偏轉角度并通過pid自平衡算法來得到恢復自平衡時舵機需要轉動的角度。此時，控制機構做出指令，舵機轉動，懸臂梁跟隨舵機轉動，負重箱及裝載在負重箱中的貨物會隨著舵機、懸臂梁的轉動而轉動，從而不斷地調整負重機構的位置，使得負重機器人達到左右自平衡。當負重機器人達到左右自平衡狀態(tài)時，控制機構不再發(fā)出指令。

本發(fā)明采用的pid自平衡算法可簡單的表述如下：

其中，θ(t)為t時刻的舵機轉角，為t時刻測得的機體傾角，kp為比例系數，kd為微分系數，ki為積分系數。系數根據具體的使用機體及裝載重量確定。裝載重量可以通過懸臂梁上的稱重傳感器測得。由此算法可以計算出裝置處于不平衡狀態(tài)的不同時刻舵機需要轉動的角度。

以四足機器人為例的整定系數方法：將裝置安裝到機體上并設定好預調節(jié)參數后，讓四足機器人呈直立形態(tài)并與地面呈指定角度(根據實際使用情況而定)，啟動裝置并釋放機器人，觀察機器人的自平衡狀態(tài)并調節(jié)參數至滿足工作需要為止。并將參數記錄。

本實施例中機器人為四足機器人，因四足機器人穿越地形能力強；但是，用于負重運輸的機器人除了四足機器人，還可以為雙輪機器人等其他能承擔負重運輸的機器或機器人。

除了本實施例提及的方式外，上述實施例為本發(fā)明較佳的實施方式，但本發(fā)明的實施方式并不受上述實施例的限制，其他的任何未背離本發(fā)明的精神實質與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應為等效的置換方式，都包含在本發(fā)明的保護范圍之內。