雙飛輪走鋼絲機器人結(jié)構(gòu)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型涉及走鋼絲機器人結(jié)構(gòu)，具體為一種雙飛輪走鋼絲機器人結(jié)構(gòu)。
【背景技術(shù)】
[0002]走鋼絲機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械裝置，主要是通過平衡桿的轉(zhuǎn)動及平動來實現(xiàn)自平衡。
[0003]上海交通大學(xué)申請的《走鋼絲機器人》發(fā)明專利(申請?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)定性實現(xiàn)自平衡。但該專利機器人沒有考慮鋼絲的柔性對機器人的平衡影響，陀螺高速旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的扭矩會使柔性鋼絲發(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)與實踐》的2002年第I期撰寫的《飛輪的妙用》一文中，提出可以通過驅(qū)動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。
【實用新型內(nèi)容】
[0005]為此，本實用新型提出了一種利用上、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器人結(jié)構(gòu)。
[0006]本實用新型雙飛輪走鋼絲機器人結(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)動機構(gòu)驅(qū)動上、下平衡框架小角度同步反向轉(zhuǎn)動的平衡框架電機，支撐架上還設(shè)有分別檢測上、下平衡框架轉(zhuǎn)動幅度的上、下平衡框架編碼器，上、下平衡框架上分別設(shè)有驅(qū)動對應(yīng)平衡飛輪高速旋轉(zhuǎn)的平衡飛輪電機和檢測平衡飛輪轉(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，將一個鋼絲行走輪設(shè)為主動輪，并于對應(yīng)輪架上設(shè)置驅(qū)動主動輪的行走輪電機和檢測主動輪轉(zhuǎn)速的行走輪編碼器。
[0007]所述聯(lián)動機構(gòu)的一種形式包括上、下平衡框架從動齒輪和平衡框架主動齒輪，所述平衡框架主動齒輪安裝在平衡框架電機，上、下平衡框架從動齒輪分別安裝于上、下平衡框架轉(zhuǎn)軸上，平衡框架主動齒輪設(shè)于上、下平衡框架從動齒輪中間并分別與兩者嚙合。
[0008]為節(jié)省齒輪制作材料，所述平衡框架主動齒輪采用于轉(zhuǎn)動中心上、下對稱的扇形齒，為減小傳動距離，與上平衡框架從動齒輪、或與下平衡框架從動齒輪或與上、下平衡框架從動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、運動控制器和伺服驅(qū)動器，陀螺儀實時檢測機體姿態(tài)并根據(jù)機體姿態(tài)向各電機發(fā)出驅(qū)動信號、同時接收各編碼器的反饋信號以進一步修正各電機運轉(zhuǎn)。
[0010]本實用新型的有益效果:
[0011]1、本實用新型雙飛輪走鋼絲機器人結(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)動調(diào)節(jié)來實現(xiàn)，有效控制了機體在傾斜時的姿態(tài)，實現(xiàn)了機體在剛性或柔性鋼絲上的自平衡控制。
[0012]2、本實用新型中，上、下平衡飛輪在機械結(jié)構(gòu)上相互獨立，上、下平衡飛輪高速反向旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生了一對在航向上相互抵消的分力矩，可以更好的抵消對柔性鋼絲的作用力，從而降低了控制難度。
[0013]3、本實用新型中，上、下外圈框架一直處于小角度的轉(zhuǎn)動調(diào)整范圍，而平衡飛輪相對于平衡框架處于高速自轉(zhuǎn)狀態(tài)，從而產(chǎn)生調(diào)節(jié)機構(gòu)姿態(tài)變化的陀螺力矩。
【附圖說明】
[0014]圖1為本實用新型一種實施例的左等軸側(cè)視圖。
[0015]圖2為圖1的右等軸側(cè)視圖。
[0016]圖號標識: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；12、行走輪編碼器；13、平衡框架從動齒輪；14、平衡飛輪電機；15、平衡框架主動齒輪；
16、電池組；17、陀螺儀;18、運動控制器;19、伺服驅(qū)動器;20、平衡框架電機。
【具體實施方式】
[0017]下面結(jié)合附圖所示實施方式對本實用新型的技術(shù)方案作進一步說明。
[0018]本實用新型雙飛輪走鋼絲機器人結(jié)構(gòu)之技術(shù)方案包括基于基板I設(shè)置的平衡裝置和行走裝置以及控制裝置。
[0019]所述基板I為平板，基板I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的長度方向為左、右向，平衡框架2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)動機構(gòu)連接;所述聯(lián)動機構(gòu)包括上、下平衡框架從動齒輪13和平衡框架主動齒輪15，上、下平衡框架從動齒輪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，所述平衡框架主動齒輪15的上、下扇形齒置于上、下平衡框架從動齒輪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齒輪13的外齒嚙合，驅(qū)動上、下平衡框架2小角度同步反向轉(zhuǎn)動的平衡框架電機20安裝于右側(cè)板內(nèi)，所述平衡框架電機20的輸出軸伸出右側(cè)板外與平衡框架主動齒輪15安裝連接，對應(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分別通過相同傳動比的齒輪傳動機構(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14和平衡飛輪編碼器8，驅(qū)動平衡飛輪3高速旋轉(zhuǎn)的平衡飛輪電機14通過齒輪傳動機構(gòu)連接平衡飛輪轉(zhuǎn)軸6，所述平衡飛輪編碼器8通過相同傳動比的齒輪傳動機構(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I底部，將前鋼絲行走輪9設(shè)為主動輪，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11和行走輪編碼器12，所述行走輪電機11輸出軸上的主動齒輪嚙合前鋼絲行走輪9上對應(yīng)側(cè)的外齒，所述行走輪編碼器12輸出軸上的從動齒輪嚙合前鋼絲行走輪9上對應(yīng)側(cè)的外齒，如圖1、圖2所不O
[0022]所述控制裝置包括電池組16、陀螺儀17、運動控制器18和伺服驅(qū)動器19，所述電池組16、陀螺儀17、運動控制器18和伺服驅(qū)動器19通過相關(guān)電路連接，陀螺儀17實時檢測機體姿態(tài)并根據(jù)機體姿態(tài)向各電機發(fā)出驅(qū)動信號、同時接收各編碼器的反饋信號以進一步修正各電機運轉(zhuǎn)。
[0023]本實用新型的運行方式:
[0024]機器人在鋼絲上行走過程中，陀螺儀17實時檢測機體的姿態(tài)，將檢測得的數(shù)據(jù)實時發(fā)送給運動控制器18。
[0025]當(dāng)陀螺儀17檢測到機體在鋼絲上傾斜時，將檢測到的信號傳遞給運動控制器18，通過伺服驅(qū)動器19控制平衡飛輪3的轉(zhuǎn)速以及平衡框架2的轉(zhuǎn)動。當(dāng)上、下平衡框架2小角度反向轉(zhuǎn)動時，上、下平衡飛輪3相對于平衡框架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)整機器人機構(gòu)的姿態(tài)，控制機構(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，反饋給運動控制器18，通過伺服驅(qū)動器19控制行走輪電機11驅(qū)動前、后鋼絲行走輪9在鋼絲上的前、后行走。
【主權(quán)項】
1.雙飛輪走鋼絲機器人結(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)動機構(gòu)驅(qū)動上、下平衡框架(2)小角度反向同步轉(zhuǎn)動的平衡框架電機(14)，支撐架(5)上還設(shè)有分別檢測上、下平衡框架(2)轉(zhuǎn)動幅度的上、下平衡框架編碼器(7)，上、下平衡框架(2)上分別設(shè)有驅(qū)動對應(yīng)平衡飛輪(3)高速旋轉(zhuǎn)的平衡飛輪電機(14)和檢測平衡飛輪(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)，將一個鋼絲行走輪(9)設(shè)為主動輪，并于對應(yīng)輪架(10)上設(shè)置驅(qū)動主動輪的行走輪電機(11)和檢測主動輪轉(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器人結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述聯(lián)動機構(gòu)包括上、下平衡框架從動齒輪(13)和平衡框架主動齒輪(15)，所述平衡框架主動齒輪(15)安裝在平衡框架電機(14)，上、下平衡框架從動齒輪(13)分別安裝于上、下平衡框架轉(zhuǎn)軸(4)上，所述平衡框架主動齒輪(15)設(shè)于上、下平衡框架從動齒輪(13)中間并分別與兩者嚙合。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的雙飛輪走鋼絲機器人結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述平衡框架主動齒輪(15)為于轉(zhuǎn)動中心上、下對稱的扇形齒，與上平衡框架從動齒輪(13)、或與下平衡框架從動齒輪(13)或與上、下平衡框架從動齒輪(13)嚙合的扇形齒為內(nèi)齒。4.根據(jù)權(quán)利要求1?3中任意一項所述的雙飛輪走鋼絲機器人結(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)、運動控制器(18)和伺服驅(qū)動器(19)，所述陀螺儀(17)實時檢測機體姿態(tài)并根據(jù)機體姿態(tài)向各電機發(fā)出驅(qū)動信號、同時接收各編碼器的反饋信號以進一步修正各電機運轉(zhuǎn)。
【專利摘要】本實用新型公開了一種雙飛輪走鋼絲機器人結(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)動機構(gòu)驅(qū)動上、下平衡框架小角度同步反向轉(zhuǎn)動的平衡框架電機，支撐架上設(shè)有分別檢測上、下平衡框架轉(zhuǎn)動幅度的平衡框架編碼器，平衡框架上設(shè)有驅(qū)動平衡飛輪高速旋轉(zhuǎn)的平衡飛輪電機和檢測轉(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)動一個鋼絲行走輪的行走輪電機和檢測轉(zhuǎn)速的行走輪編碼器。本實用新型有效控制了機體在傾斜時的姿態(tài)，實現(xiàn)了機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】CN205166931
【申請?zhí)枴緾N201520909994
【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
【申請人】桂林電子科技大學(xué)
【公開日】2016年4月20日
【申請日】2015年11月16日