CN105235774B - 可实现转弯平衡的独轮车装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可实现转弯平衡的独轮车装置，其侧向平衡调节机构包括于基体中下部设置的上、下侧向平衡框架和基于上、下侧向平衡框架分别设置的上、下侧向平衡转盘，上、下侧向平衡转盘高速旋转，上、下侧向平衡框架作小角度相对转动；其俯仰平衡调节行走机构设于基体底部，包括独轮和车叉；其转弯调节机构设于基体上部，包括转弯调节框架和设于转弯调节框架的转弯调节转盘，左、右转弯调节转盘高速旋转，转弯调节框架作小角度转动。本发明不仅在物理结构上实现了解耦，而且数学模型也是解耦的，因此控制更为简单。

Description

可实现转弯平衡的独轮车装置

技术领域

本发明涉及两轮或独轮自行车机器人应用技术，具体为一种可实现转弯平衡的独轮车装置。

背景技术

独轮车自平衡机器人具有静态不稳定而动态可稳定的动力学特性，因其独轮接地的特点而使其成为一种结构轻巧、节能灵活的新型道路行走装置，在快递物流、服务表演等服务型行业具有潜在的应用，因此受到人们广泛的关注。

近年来，国内外科研人员对独轮车自平衡机器人机构样机的搭建和平衡控制策略的设计以及验证等领域进行了一系列相关的研究。目前在已有的独轮车机器人中，大多是基于倒立摆模型的原理，一方面通过回转轴相互正交的惯性转轮机构实现车体的转弯和侧向平衡，另一方面则通过电机驱动行走轮的运动保持车体的俯仰平衡。这种实现方法从结构上看比较简单、易于实现，而从控制原理上看有一定仿人类关节运动的效果。

例如，美国加州大学的Jascha van Pommeren等人研发的一种独轮自平衡车机器人Unibot，这种独轮车机器人成功地将“轮式倒立转”和“惯性轮倒立转”两种理念结合在了一起。

日本村田制作所推出了一款能够在独轮车上骑行的机器人“村田婉童”。“村田婉童”机构设计与Unibot结构相似，利用胸部安装的惯性转轮机构调节独轮车机器人的侧向平衡，机器人双足位于行走轮踏板上，驱动行走轮调节机器人的俯仰平衡。其研究人员对车体侧向平衡和俯仰平衡的数学模型在小角度、小位移情况下进行了结构解耦，由此忽略了前后与侧向动力学耦合影响。

与两轮自平衡机器人相比，一方面独轮机器人在结构上更加简单，也可节约空间和减轻整体重量。因此，独轮车机器人在节能环保上更有优势。另一方面它将车体与地面接触的面积降到最低使其运动更加灵活，但其多变量、强耦合、非线性的复杂动力学***也使其侧向平衡和转弯等的控制难度加大。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是提出了一种结构简单、可实现车体运动的转弯控制并且大大降低车体运动平衡控制难度的可实现转弯平衡的独轮车装置。

能够解决上述问题的可实现转弯平衡的独轮车装置，其技术方案包括基于基体设置的俯仰平衡调节行走机构、侧向平衡调节机构和转弯调节机构，其中

1、所述侧向平衡调节机构包括上、下侧向平衡框架和上、下侧向平衡转盘，各侧向平衡框架通过左、右两侧的侧向平衡框架转轴安装于基体的中下部，上、下侧向平衡转盘通过竖直转盘转轴分别安装于上、下侧向平衡框架内，所述基体上设有控制一个侧向平衡框架作小角度正反转的侧向平衡框架驱动电机，同侧的上、下侧向平衡框架转轴之间由传动比为1︰1的侧向平衡框架齿轮传动副连接，各侧向平衡框架上设有驱动对应侧向平衡转盘高速旋转的侧向平衡转盘驱动电机，基体上设有分别检测各侧向平衡框架转动幅度的侧向平衡框架编码器，各侧向平衡框架上设有检测对应侧向平衡转盘转速的侧向平衡转盘编码器。

2、所述俯仰平衡调节行走机构包括独轮和车叉，所述车叉安装在基体的底部，所述独轮于车叉内安装，车叉上设有驱动独轮转动的薄饼电机和检测独轮转速的车轮编码器。

3、所述转弯调节机构包括转弯调节框架和转弯调节转盘，所述转弯调节框架通过左、右两侧的转弯调节框架转轴安装于基体上部，所述转弯调节转盘通过纵向转盘转轴安装于转弯调节框架内，所述基体上设有控制转弯调节框架作小角度正反转的转弯调节框架驱动电机，转弯调节框架上设有驱动转弯调节转盘高速旋转的转弯调节转盘驱动电机，基体上设有检测转弯调节框架转动幅度的转弯调节框架编码器，转弯调节框架上设有检测转弯调节转盘转速的转弯调节转盘编码器。

上述结构中，利用底部独轮于地面的运动实现独轮车车体前、后俯仰运动平衡；利用中部侧向平衡调节机构中的上、下侧向平衡转盘自身的高速旋转以及相对之间的小角度转动而产生侧向力矩实现车体侧向运动平衡；利用上部转弯调节机构中转弯调节转盘自身的高速旋转运动和摆动产生力矩，该力矩的垂直分量实现车体的转弯，该力矩的水平分量与侧向平衡调节机构产生的力矩共同调节车体的侧向平衡。

为节省材料的消耗，所述侧向平衡框架齿轮传动副为扇形齿轮传动副。

常规上，所述基体上设有实时检测车体姿态并根据车体姿态向各电机发出驱动信号、同时接收各编码器的反馈信号以进一步修正各电机运转的控制***，所述控制***包括通过相关电路连接的电池组、陀螺仪、无线模块、运动控制器和和伺服驱动器。

本发明的有益效果：

1、本发明可实现转弯平衡的独轮车装置不仅在物理结构上实现了解耦，而且数学模型也是解耦的，因此控制更为简单。

2、本发明通过侧向平衡调节机构达到侧向平衡控制，通过转弯调节机构实现车体的转弯，从而达到有效控制车体侧向平衡和车体航向的目的。

附图说明

图1是本发明一种实施方式的立体结构示意图。

图2是图1实施方式的前视图。

图3是图1实施方式的后视图。

图号标识：1、基体；2、侧向平衡框架；3、侧向平衡转盘；4、侧向平衡框架转轴；5、竖直转盘转轴；6、侧向平衡框架驱动电机；7、侧向平衡转盘驱动电机；8、侧向平衡框架编码器；9、侧向平衡转盘编码器；10、独轮；11、车叉；12、薄饼电机；13、车轮编码器；14、伺服驱动器；15、转弯调节框架；16、转弯调节转盘；17、转弯调节框架转轴；18、侧向平衡框架齿轮传动副；19、纵向转盘转轴；20、转弯调节框架驱动电机；21、转弯调节转盘驱动电机；22、转弯调节框架编码器；23、转弯调节转盘编码器；24、运动控制器；25、电池组；26、陀螺仪；27、无线模块。

具体实施方式

下面结合附图所示实施方式对本发明的技术方案作进一步说明。

本发明可实现转弯平衡的独轮车装置之技术方案包括基于基体1设置的俯仰平衡调节行走机构、侧向平衡调节机构和转弯调节机构。

所述基体1由底板、中上部隔板、顶板和左、右侧板构成，如图1、图2、图3所示。

所述侧向平衡调节机构设于底板和隔板之间的基体1中下部，包括侧向平衡框架2(框架呈水平，其长度方向为左、右的横向，其内部空间为前、后方向)和侧向平衡转盘3(盘体呈水平)，上、下两个侧向平衡框架2分别通过左、右两侧的侧向平衡框架转轴4(左右方向的水平轴)安装在左、右侧板之间，基体1的右侧板上设有一对传动比为1︰1的侧向平衡框架齿轮传动副18(扇形齿轮构成)，所述侧向平衡框架齿轮传动副18连接右侧的上、下侧向平衡框架转轴4，上、下两个侧向平衡转盘3分别通过竖直转盘转轴5居中安装于上、下侧向平衡框架2内；基体1的右侧板上设置侧向平衡框架驱动电机6，所述侧向平衡框架驱动电机6通过齿轮传动副连接右侧下方的侧向平衡框架转轴4，对应于上、下侧向平衡框架2于基体1的左侧板上分别设置上、下侧向平衡框架编码器8，上、下侧向平衡框架编码器8分别通过齿轮传动副连接左侧的上、下侧向平衡框架转轴4，各侧向平衡框架2上均设有侧向平衡转盘驱动电机7和侧向平衡转盘编码器9，所述侧向平衡转盘驱动电机7和侧向平衡转盘编码器9分别通过齿轮传动副连接竖直转盘转轴5，如图1、图2、图3所示。

上述结构中，高速旋转的侧向平衡转盘3与小角度转动(正转或反转)的侧向平衡框架2同时运动产生陀螺力矩，而上、下对应的两侧向平衡转盘3和侧向平衡框架2的运动方向实时相反，由此产生一对关于一平面完全对称的陀螺力矩，该平面平行于基体1的底板且位于两侧向平衡框架2的正中间，使得这一对陀螺力矩在水平方向上分量的合成力矩能够克服车体倾倒的重力矩，并在垂直方向上的分量能够相互抵消，从而避免对转弯的影响。

所述俯仰平衡调节行走机构设于基体1的下方，包括独轮10和车叉11，所述车叉11的上端固定连接在基体1的底板上，所述独轮10通过轮轴安装于车叉11的两侧叉体内，车叉11的一侧叉体上安装薄饼电机12，所述薄饼电机12的输出轴与独轮10的钢圈之间通过齿轮传动副连接，该侧叉体上还通过斜架安装车轮编码器13，所述车轮编码器13的输出轴与独轮10的钢圈之间通过齿轮传动副连接，如图1、图2、图3所示。

所述转弯调节机构设于顶板和隔板之间的基体1上部，包括转弯调节框架15(框架呈水平，其长度方向为左、右的横向，其内部空间为上、下方向)和转弯调节转盘16(盘体呈竖直状)，所述转弯调节框架15通过左、右两侧的转弯调节框架转轴17安装在左、右侧板之间，所述转弯调节转盘16通过纵向转盘转轴19居中安装于转弯调节框架15内；基体1的右侧板上设置转弯调节框架驱动电机20，所述转弯调节框架驱动电机20通过齿轮传动副连接右侧的转弯调节框架转轴17，对应于转弯调节框架15于基体1的左侧板上设置转弯调节框架编码器22，所述转弯调节框架编码器22通过齿轮传动副连接左侧的转弯调节框架转轴17，转弯调节框架15上设有转弯调节转盘驱动电机21和转弯调节转盘编码器23，所述转弯调节转盘驱动电机21和转弯调节转盘编码器23分别通过齿轮传动副连接纵向转盘转轴19，如图1、图2、图3所示。

上述结构中，高速旋转的转弯调节转盘16与小角度转动(正转或反转)的转弯调节框架15产生陀螺力矩，该陀螺力矩的垂直分量实现车体的转弯控制，该陀螺力矩的水平分量成为侧向平衡力矩的一个微小干扰，与侧向平衡力矩共同调节车体的侧向平衡运动。

本发明的控制***设于基体1的底板上，包括通过相关电路连接的电池组25、陀螺仪26、无线模块27、伺服驱动器14和运动控制器24，控制***实时检测车体姿态并根据车体姿态向各电机发出驱动信号、同时接收各编码器的反馈信号以进一步修正各电机的运转，如图1所示。

本发明的运行方式：

机器人(独轮车装置)在运动过程中，陀螺仪25实时检测车体的姿态，当车体发生侧向倾倒时，陀螺仪25检测到姿态信号，将数据传送给运动控制器24，运动控制器24通过伺服驱动器14控制侧向平衡调节机构的侧向平衡框架驱动电机6旋转的速度，通过侧向平衡框架齿轮传动副18小角度的旋转，从而带动上、下侧向平衡框架2实时反向转动，同时运动控制器24通过伺服驱动器14驱动侧向平衡转盘3高速旋转，对应的两侧向平衡转盘3的运动方实时相同，两侧向平衡框架2的运动方向实时相反，由此产生一对关于一平面完全对称的陀螺力矩，由于该平面平行于基体1的底板且位于两侧向平衡框架2的正中间，使得这一对陀螺力矩在水平方向上分量的合成力矩能够克服车体倾倒的重力矩，并在垂直方向上的分量能够相互抵消，从而避免对转弯的影响。

与此同理，当陀螺仪25检测到转弯的航向信号时，将数据传送给运动控制器24，运动控制器24通过伺服驱动器14控制转弯调节机构的转弯调节转盘16高速旋转，同时运动控制器24通过伺服驱动器14控制转弯调节框架15小角度转动，所产生的陀螺力矩在垂直方向上分量的合成力矩能够调节车体的转弯，并在水平方向上的分量参与调节车体的侧向平衡。

车轮编码器13采集独轮10的转速，反馈给运动控制器24控制车体的前、后俯仰运动。

Claims (3)

1.可实现转弯平衡的独轮车装置，其特征在于：包括基于基体(1)设置的俯仰平衡调节行走机构、侧向平衡调节机构和转弯调节机构，其中

①、所述侧向平衡调节机构包括上、下侧向平衡框架(2)和上、下侧向平衡转盘(3)，各侧向平衡框架(2)通过左、右两侧的侧向平衡框架转轴(4)安装于基体(1)的中下部，上、下侧向平衡转盘(3)通过竖直转盘转轴(5)分别安装于上、下侧向平衡框架(2)内，所述基体(1)上设有控制一个侧向平衡框架(2)作小角度正反转的侧向平衡框架驱动电机(6)，同侧的上、下侧向平衡框架转轴(4)之间由传动比为1︰1的侧向平衡框架齿轮传动副(18)连接，各侧向平衡框架(2)上设有驱动对应侧向平衡转盘(3)高速旋转的侧向平衡转盘驱动电机(7)，基体(1)上设有分别检测各侧向平衡框架(2)转动幅度的侧向平衡框架编码器(8)，各侧向平衡框架(2)上设有检测对应侧向平衡转盘(3)转速的侧向平衡转盘编码器(9)；

②、所述俯仰平衡调节行走机构包括独轮(10)和车叉(11)，所述车叉(11)安装在基体(1)的底部，所述独轮(10)于车叉(11)内安装，车叉(11)上设有驱动独轮(10)转动的薄饼电机(12)和检测独轮(10)转速的车轮编码器(13)；

③、所述转弯调节机构包括转弯调节框架(15)和转弯调节转盘(16)，所述转弯调节框架(15)通过左、右两侧的转弯调节框架转轴(17)安装于基体(1)上部，所述转弯调节转盘(16)通过纵向转盘转轴(19)安装于转弯调节框架(15)内，所述基体(1)上设有控制转弯调节框架(15)作小角度正反转的转弯调节框架驱动电机(20)，转弯调节框架(15)上设有驱动转弯调节转盘(16)高速旋转的转弯调节转盘驱动电机(21)，基体(1)上设有检测转弯调节框架(15)转动幅度的转弯调节框架编码器(22)，转弯调节框架(15)上设有检测转弯调节转盘(16)转速的转弯调节转盘编码器(23)。

2.根据权利要求1所述的可实现转弯平衡的独轮车装置，其特征在于：所述侧向平衡框架齿轮传动副(18)为扇形齿轮传动副。

3.根据权利要求1或2所述的可实现转弯平衡的独轮车装置，其特征在于：所述基体(1)上设有实时检测车体姿态并根据车体姿态向各电机发出驱动信号、同时接收各编码器的反馈信号以进一步修正各电机运转的控制***，所述控制***包括通过相关电路连接的电池组(25)、陀螺仪(26)、无线模块(27)、运动控制器(24)和伺服驱动器(14)。