雙飛輪走鋼絲機(jī)器人結(jié)構(gòu)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及走鋼絲機(jī)器人結(jié)構(gòu)，具體為一種雙飛輪走鋼絲機(jī)器人結(jié)構(gòu)。
【背景技術(shù)】
[0002]走鋼絲機(jī)器人是一種在柔性鋼絲上能夠保持自平衡并能夠行走的一種機(jī)械裝置，主要是通過平衡桿的轉(zhuǎn)動(dòng)及平動(dòng)來實(shí)現(xiàn)自平衡。
[0003]上海交通大學(xué)申請(qǐng)的《走鋼絲機(jī)器人》發(fā)明專利(申請(qǐng)?zhí)枮?3129064.7)。該發(fā)明的技術(shù)方案是通過陀螺作為穩(wěn)定裝置，利用陀螺的穩(wěn)定性實(shí)現(xiàn)自平衡。但該專利機(jī)器人沒有考慮鋼絲的柔性對(duì)機(jī)器人的平衡影響，陀螺高速旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的扭矩會(huì)使柔性鋼絲發(fā)生變形，從而增加了控制的難度以及不確定性。
[0004]賈書慧在《力學(xué)與實(shí)踐》的2002年第1期撰寫的《飛輪的妙用》一文中，提出可以通過驅(qū)動(dòng)飛輪獲得反力矩從而控制物體的方位，這一原理不僅可以控制航天器的姿態(tài)，而且可以增加機(jī)器人、走鋼絲雜技演員的穩(wěn)定性，該文只提出了一種利用飛輪控制平衡的可能，并未展開深入探討提出有效的解決方案。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為此，本發(fā)明提出了一種利用上、下飛輪的高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生控制側(cè)向平衡的力矩實(shí)現(xiàn)自平衡，并能通過行走輪在鋼絲上行走的雙飛輪走鋼絲機(jī)器人結(jié)構(gòu)。
[0006]本發(fā)明雙飛輪走鋼絲機(jī)器人結(jié)構(gòu)，其技術(shù)方案包括基于基板設(shè)置的平衡裝置和行走裝置以及控制裝置，所述平衡裝置包括上、下平衡框架以及上、下平衡飛輪，上、下平衡框架分別通過左、右平衡框架轉(zhuǎn)軸安裝于基板上的支撐架內(nèi)，上、下平衡飛輪通過平衡飛輪轉(zhuǎn)軸分別水平安裝于上、下平衡框架內(nèi)，所述支撐架上設(shè)有通過聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)上、下平衡框架小角度同步反向轉(zhuǎn)動(dòng)的平衡框架電機(jī)，支撐架上還設(shè)有分別檢測(cè)上、下平衡框架轉(zhuǎn)動(dòng)幅度的上、下平衡框架編碼器，上、下平衡框架上分別設(shè)有驅(qū)動(dòng)對(duì)應(yīng)平衡飛輪高速旋轉(zhuǎn)的平衡飛輪電機(jī)和檢測(cè)平衡飛輪轉(zhuǎn)速的平衡飛輪編碼器；所述行走裝置包括通過輪架安裝于基板底部的前、后鋼絲行走輪，將一個(gè)鋼絲行走輪設(shè)為主動(dòng)輪，并于對(duì)應(yīng)輪架上設(shè)置驅(qū)動(dòng)主動(dòng)輪的行走輪電機(jī)和檢測(cè)主動(dòng)輪轉(zhuǎn)速的行走輪編碼器。
[0007]所述聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)的一種形式包括上、下平衡框架從動(dòng)齒輪和平衡框架主動(dòng)齒輪，所述平衡框架主動(dòng)齒輪安裝在平衡框架電機(jī)，上、下平衡框架從動(dòng)齒輪分別安裝于上、下平衡框架轉(zhuǎn)軸上，平衡框架主動(dòng)齒輪設(shè)于上、下平衡框架從動(dòng)齒輪中間并分別與兩者嚙合。
[0008]為節(jié)省齒輪制作材料，所述平衡框架主動(dòng)齒輪采用于轉(zhuǎn)動(dòng)中心上、下對(duì)稱的扇形齒，為減小傳動(dòng)距離，與上平衡框架從動(dòng)齒輪、或與下平衡框架從動(dòng)齒輪或與上、下平衡框架從動(dòng)齒輪嚙合的扇形齒為內(nèi)齒。
[0009]所述控制裝置包括通過相關(guān)電路連接的電池組、陀螺儀、運(yùn)動(dòng)控制器和伺服驅(qū)動(dòng)器，陀螺儀實(shí)時(shí)檢測(cè)機(jī)體姿態(tài)并根據(jù)機(jī)體姿態(tài)向各電機(jī)發(fā)出驅(qū)動(dòng)信號(hào)、同時(shí)接收各編碼器的反饋信號(hào)以進(jìn)一步修正各電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。
[0010]本發(fā)明的有益效果:
[0011]1、本發(fā)明雙飛輪走鋼絲機(jī)器人結(jié)構(gòu)的平衡控制主要通過上、下平衡飛輪的高速旋轉(zhuǎn)以及上、下平衡框架的小角度轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)節(jié)來實(shí)現(xiàn)，有效控制了機(jī)體在傾斜時(shí)的姿態(tài)，實(shí)現(xiàn)了機(jī)體在剛性或柔性鋼絲上的自平衡控制。
[0012]2、本發(fā)明中，上、下平衡飛輪在機(jī)械結(jié)構(gòu)上相互獨(dú)立，上、下平衡飛輪高速反向旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生了一對(duì)在航向上相互抵消的分力矩，可以更好的抵消對(duì)柔性鋼絲的作用力，從而降低了控制難度。
[0013]3、本發(fā)明中，上、下外圈框架一直處于小角度的轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)整范圍，而平衡飛輪相對(duì)于平衡框架處于高速自轉(zhuǎn)狀態(tài)，從而產(chǎn)生調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)姿態(tài)變化的陀螺力矩。
【附圖說明】
[0014]圖1為本發(fā)明一種實(shí)施例的左等軸側(cè)視圖。
[0015]圖2為圖1的右等軸側(cè)視圖。
[0016]圖號(hào)標(biāo)識(shí):1、基板；2、平衡框架；3、平衡飛輪；4、平衡框架轉(zhuǎn)軸；5、支撐架；6、平衡飛輪轉(zhuǎn)軸；7、平衡框架編碼器；8、平衡飛輪編碼器；9、鋼絲行走輪；10、輪架；11、行走輪電機(jī)；12、行走輪編碼器；13、平衡框架從動(dòng)齒輪；14、平衡飛輪電機(jī)；15、平衡框架主動(dòng)齒輪；16、電池組；17、陀螺儀；18、運(yùn)動(dòng)控制器；19、伺服驅(qū)動(dòng)器；20、平衡框架電機(jī)。
【具體實(shí)施方式】
[0017]下面結(jié)合附圖所示實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步說明。
[0018]本發(fā)明雙飛輪走鋼絲機(jī)器人結(jié)構(gòu)之技術(shù)方案包括基于基板1設(shè)置的平衡裝置和行走裝置以及控制裝置。
[0019]所述基板1為平板，基板1上設(shè)置支撐架5，所述支撐架5由左、右側(cè)板構(gòu)成，如圖1、圖2所示。
[0020]所述平衡裝置包括上、下平衡框架2以及上、下平衡飛輪3，上、下平衡框架2水平橫置(平衡框架2的長(zhǎng)度方向?yàn)樽?、右向，平衡框?的內(nèi)空部位為前、后方向)于支撐架5的左、右側(cè)板之間，各平衡框架2通過左、右平衡框架轉(zhuǎn)軸4安裝在左、右側(cè)板上，右側(cè)上、下平衡框架轉(zhuǎn)軸4之間通過聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)連接；所述聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括上、下平衡框架從動(dòng)齒輪13和平衡框架主動(dòng)齒輪15，上、下平衡框架從動(dòng)齒輪13于右側(cè)板外分別安裝于上、下平衡框架轉(zhuǎn)軸4的軸端，于右側(cè)板外，所述平衡框架主動(dòng)齒輪15的上、下扇形齒置于上、下平衡框架從動(dòng)齒輪13之間并分別與兩者嚙合，其中上扇形齒采用內(nèi)齒與上平衡框架從動(dòng)齒輪13的外齒嚙合，驅(qū)動(dòng)上、下平衡框架2小角度同步反向轉(zhuǎn)動(dòng)的平衡框架電機(jī)20安裝于右側(cè)板內(nèi)，所述平衡框架電機(jī)20的輸出軸伸出右側(cè)板外與平衡框架主動(dòng)齒輪15安裝連接，對(duì)應(yīng)于上、下平衡框架轉(zhuǎn)軸4于左側(cè)板外分別設(shè)置上、下平衡框架編碼器7，上、下平衡框架編碼7分別通過相同傳動(dòng)比的齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)連接上、下平衡框架轉(zhuǎn)軸4 ;上、下平衡飛輪3分別水平置于上、下平衡框架2內(nèi)并通過豎直的平衡飛輪轉(zhuǎn)軸6安裝，各平衡框架2上均設(shè)有平衡飛輪電機(jī)14和平衡飛輪編碼器8，驅(qū)動(dòng)平衡飛輪3高速旋轉(zhuǎn)的平衡飛輪電機(jī)14通過齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)連接平衡飛輪轉(zhuǎn)軸6，所述平衡飛輪編碼器8通過相同傳動(dòng)比的齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)連接平衡飛輪轉(zhuǎn)軸6，如圖1、圖2所示。
[0021]所述行走裝置包括前、后鋼絲行走輪9 (帶有V形槽的滾輪)，前、后鋼絲行走輪9分別通過前、后輪架10安裝于基板1底部，將前鋼絲行走輪9設(shè)為主動(dòng)輪，前鋼絲行走輪9的V形槽兩側(cè)的輪面上開設(shè)外齒，所述輪架10的左、右兩側(cè)上分別安裝行走輪電機(jī)11和行走輪編碼器12，所述行走輪電機(jī)11輸出軸上的主動(dòng)齒輪嚙合前鋼絲行走輪9上對(duì)應(yīng)側(cè)的外齒，所述行走輪編碼器12輸出軸上的從動(dòng)齒輪嚙合前鋼絲行走輪9上對(duì)應(yīng)側(cè)的外齒，如圖1、圖2所示。
[0022]所述控制裝置包括電池組16、陀螺儀17、運(yùn)動(dòng)控制器18和伺服驅(qū)動(dòng)器19，所述電池組16、陀螺儀17、運(yùn)動(dòng)控制器18和伺服驅(qū)動(dòng)器19通過相關(guān)電路連接，陀螺儀17實(shí)時(shí)檢測(cè)機(jī)體姿態(tài)并根據(jù)機(jī)體姿態(tài)向各電機(jī)發(fā)出驅(qū)動(dòng)信號(hào)、同時(shí)接收各編碼器的反饋信號(hào)以進(jìn)一步修正各電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。
[0023]本發(fā)明的運(yùn)行方式:
[0024]機(jī)器人在鋼絲上行走過程中，陀螺儀17實(shí)時(shí)檢測(cè)機(jī)體的姿態(tài)，將檢測(cè)得的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)發(fā)送給運(yùn)動(dòng)控制器18。
[0025]當(dāng)陀螺儀17檢測(cè)到機(jī)體在鋼絲上傾斜時(shí)，將檢測(cè)到的信號(hào)傳遞給運(yùn)動(dòng)控制器18，通過伺服驅(qū)動(dòng)器19控制平衡飛輪3的轉(zhuǎn)速以及平衡框架2的轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)上、下平衡框架2小角度反向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，上、下平衡飛輪3相對(duì)于平衡框架2高速自轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速相等，但自轉(zhuǎn)方向相反，從而產(chǎn)生一對(duì)陀螺力矩，一部分作用于航向方向，一部分作用于水平方向，上、下平衡飛輪3反向自轉(zhuǎn)，產(chǎn)生一對(duì)作用于航向方向相反的力矩和水平方向相同的力矩，在航向方向上的力矩相互抵消，最終合成水平方向的力矩，調(diào)整機(jī)器人機(jī)構(gòu)的姿態(tài)，控制機(jī)構(gòu)的平衡。
[0026]行走輪編碼器12采集前鋼絲行走輪9的轉(zhuǎn)速，反饋給運(yùn)動(dòng)控制器18，通過伺服驅(qū)動(dòng)器19控制行走輪電機(jī)11驅(qū)動(dòng)前、后鋼絲行走輪9在鋼絲上的前、后行走。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.雙飛輪走鋼絲機(jī)器人結(jié)構(gòu)，其特征在于:包括基于基板(I)設(shè)置的平衡裝置和行走裝置以及控制裝置，所述平衡裝置包括上、下平衡框架(2)以及上、下平衡飛輪(3)，上、下平衡框架(2)分別通過左、右平衡框架轉(zhuǎn)軸(4)安裝于基板(I)上的支撐架(5)內(nèi)，上、下平衡飛輪(3)通過平衡飛輪轉(zhuǎn)軸(6)分別水平安裝于上、下平衡框架(2)內(nèi)，所述支撐架(5)上設(shè)有通過聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)上、下平衡框架(2)小角度反向同步轉(zhuǎn)動(dòng)的平衡框架電機(jī)(14)，支撐架(5)上還設(shè)有分別檢測(cè)上、下平衡框架(2)轉(zhuǎn)動(dòng)幅度的上、下平衡框架編碼器(7)，上、下平衡框架(2)上分別設(shè)有驅(qū)動(dòng)對(duì)應(yīng)平衡飛輪(3)高速旋轉(zhuǎn)的平衡飛輪電機(jī)(14)和檢測(cè)平衡飛輪(3)轉(zhuǎn)速的平衡飛輪編碼器(8);所述行走裝置包括通過輪架(10)安裝于基板(I)底部的前、后鋼絲行走輪(9)，將一個(gè)鋼絲行走輪(9)設(shè)為主動(dòng)輪，并于對(duì)應(yīng)輪架(10)上設(shè)置驅(qū)動(dòng)主動(dòng)輪的行走輪電機(jī)(11)和檢測(cè)主動(dòng)輪轉(zhuǎn)速的行走輪編碼器(12)。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙飛輪走鋼絲機(jī)器人結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括上、下平衡框架從動(dòng)齒輪(13)和平衡框架主動(dòng)齒輪(15)，所述平衡框架主動(dòng)齒輪(15)安裝在平衡框架電機(jī)(14)，上、下平衡框架從動(dòng)齒輪(13)分別安裝于上、下平衡框架轉(zhuǎn)軸(4)上，所述平衡框架主動(dòng)齒輪(15)設(shè)于上、下平衡框架從動(dòng)齒輪(13)中間并分別與兩者嚙入口 ο3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的雙飛輪走鋼絲機(jī)器人結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述平衡框架主動(dòng)齒輪(15)為于轉(zhuǎn)動(dòng)中心上、下對(duì)稱的扇形齒，與上平衡框架從動(dòng)齒輪(13)、或與下平衡框架從動(dòng)齒輪(13)或與上、下平衡框架從動(dòng)齒輪(13)嚙合的扇形齒為內(nèi)齒。4.根據(jù)權(quán)利要求1?3中任意一項(xiàng)所述的雙飛輪走鋼絲機(jī)器人結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述控制裝置包括通過相關(guān)電路連接的電池組(16)、陀螺儀(17)、運(yùn)動(dòng)控制器(18)和伺服驅(qū)動(dòng)器(19)，所述陀螺儀(17)實(shí)時(shí)檢測(cè)機(jī)體姿態(tài)并根據(jù)機(jī)體姿態(tài)向各電機(jī)發(fā)出驅(qū)動(dòng)信號(hào)、同時(shí)接收各編碼器的反饋信號(hào)以進(jìn)一步修正各電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種雙飛輪走鋼絲機(jī)器人結(jié)構(gòu)，其平衡裝置包括上、下平衡框架和上、下平衡飛輪，上、下平衡框架安裝于基板上的支撐架內(nèi)，上、下平衡飛輪分別水平安裝于上、下平衡框架內(nèi)，支撐架上設(shè)有通過聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)上、下平衡框架小角度同步反向轉(zhuǎn)動(dòng)的平衡框架電機(jī)，支撐架上設(shè)有分別檢測(cè)上、下平衡框架轉(zhuǎn)動(dòng)幅度的平衡框架編碼器，平衡框架上設(shè)有驅(qū)動(dòng)平衡飛輪高速旋轉(zhuǎn)的平衡飛輪電機(jī)和檢測(cè)轉(zhuǎn)速的平衡飛輪編碼器；其行走裝置包括安裝于基板底部的前、后鋼絲行走輪并設(shè)置驅(qū)動(dòng)一個(gè)鋼絲行走輪的行走輪電機(jī)和檢測(cè)轉(zhuǎn)速的行走輪編碼器。本發(fā)明有效控制了機(jī)體在傾斜時(shí)的姿態(tài)，實(shí)現(xiàn)了機(jī)體在剛性或柔性鋼絲上的自平衡控制。
【IPC分類】B25J9/16, B25J9/08
【公開號(hào)】CN105234935
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510782734
【發(fā)明人】黃用華, 張明明, 鐘艷如, 莊未, 李天生, 何淑通, 劉成舉, 江漢, 鐘永全
【申請(qǐng)人】桂林電子科技大學(xué)
【公開日】2016年1月13日
【申請(qǐng)日】2015年11月16日