CN108515508B - 双轮机器人 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种双轮机器人，包括主体和与主体连接的车轮，所述主体内装设有陀螺组件和用于驱动车轮的驱动电机，该陀螺组件包括至少一对陀螺、控制陀螺主动偏转的偏摆电机以及控制一对陀螺偏摆速度相同但偏摆方向相反的反向同步机构；该主体上装设车轮轴，所述主体能绕该车轮轴转动；所述驱动电机驱动时，带动车轮绕车轮轴旋转，或者带动所述主体绕车轮轴转动；利用所述主体绕车轮轴转动所产生的重力矩使得陀螺自然偏摆而产生的陀螺力矩，和或利用偏摆电机驱动陀螺使得陀螺主动偏摆而产生的陀螺力矩，控制所述双轮机器人的运动或者在运动过程中保持平衡。

Description

双轮机器人
技术领域
本发明涉及机器人技术领域，特别是涉及一种双轮机器人结构。
背景技术
目前，双轮机器人的需求越来越大，但是该类产品仍然存在以下问题：产品姿态控制不稳定容易跌倒；紧急制动的距离过长，达不到国家规定的安全制动距离；越障高度不足；上下楼梯对平稳控制算法及部件加工精度要求都非常高等等。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于提出一种通过利用陀螺的自然偏摆或者通过偏摆电机控制陀螺主动偏摆而产生的陀螺力矩控制器运动和在各种运动过程中保持平衡的双轮机器人。
本发明解决所述技术问题所采用的技术方案为：
设计一种双轮机器人，包括主体和与主体连接的车轮，其特征在于：所述主体内装设有陀螺组件和用于驱动车轮的驱动电机，该陀螺组件包括至少一对陀螺、控制陀螺主动偏转的偏摆电机以及控制一对陀螺偏摆速度相同但偏摆方向相反的反向同步机构；该主体上装设车轮轴，所述主体能绕该车轮轴转动；所述驱动电机驱动时，带动车轮绕车轮轴旋转，或者带动所述主体绕车轮轴转动；利用所述主体绕车轮轴转动所产生的重力矩使得陀螺自然偏摆而产生的陀螺力矩，和或利用偏摆电机驱动陀螺使得陀螺主动偏摆而产生的陀螺力矩，控制所述双轮机器人的运动或者在运动过程中保持平衡。
进一步地：
所述车轮轴设置在主体两侧。
所述主体包括主体框架，该主体框架包括位于两端的车轮轴承安装板、位于两端的底板固定架、底板和框架侧板，所述底板两侧分别与竖向设置的底板固定架固定，底板固定架与车轮轴承安装板固定，框架侧板连接两端的车轮轴承安装板，所述车轮轴设置在车轮轴承安装板上；所述驱动电机安装于所述底板上。
所述框架侧板有两块，竖向平行设置，两块平行设置的框架侧板与两块车轮轴承安装板固定连接成一方形框架。
所述反向同步机构固定在所述框架侧板上并位于所述方形框架的上方。
一对所述陀螺竖向平行设置，上面的陀螺轴与反向同步机构联接，下面的陀螺轴设置在底板上的陀螺轴孔内。
所述传动机构是同步带传动机构。
所述同步带传动机构包括小同步带轮、大同步带轮和同步带，同步带套设于小同步带轮和大同步带轮之上，驱动电机的输出的动力依次经过小同步带轮、同步带和大同步带轮传送至车轮轴。
所述主体上方设有头部，该头部内设有能驱动其在水平面内旋转的第一电机，所述主体内设有用于驱动头部前俯和后仰的第二电机，第二电机的减速输出端借助纵向连接杆与头部连接，带动头部相对机器人主体前俯和后仰。
所述主体包括主体框架，该主体框架包括车轮轴承安装板、框架侧板、底板固定架和底板，所述底板两侧分别与竖向设置的底板固定架固定，两块平行设置的框架侧板与两块车轮轴承安装板固定连接成一方形框架，所述第二电机设置在该方形框架上。
本发明双轮机器人通过控制所述主体前倾或者后仰所产生的重力矩使得陀螺自然偏摆而产生的陀螺力矩，和或控制偏摆电机驱动陀螺使得陀螺主动偏摆而产生的陀螺力矩，使得所述双轮机器人在姿态控制、紧急制动、加速、越障以及上下楼梯等各种运动过程中保持平衡。
附图说明
图1是本发明双轮机器人实施例的外部形状示意图；
图2是所述双轮机器人实施例去除外壳后的立体结构示意图；
图3是所述双轮机器人实施例去除外壳后的纵剖面示意图；
图4是所述双轮机器人实施例去除外壳和一个轮子的立体结构示意图；
图5是所述双轮机器人的主体实施例的立体示意图一，主体框架上装设有驱动电机和传动机构；
图6是所述双轮机器人主体实施例的立体示意图之二，主体框架上装设有驱动电机、传动机构、陀螺和反向同步机构；
图7是所述双轮机器人的传动机构示意图；
图8是所述双轮机器人的头部运动控制结构剖面示意图；
图9是所述双轮机器人的头部运动控制结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例作详细说明。
如图1至图4所示，一种双轮机器人，包括主体10、位于主体10两侧的车轮20以及位于主体上方的头部30。所述主体10内装设有用于驱动车轮20的驱动电机12和陀螺组件14，该陀螺组件14包括至少一对陀螺141、控制陀螺主动偏转的偏摆电机（图中未示）以及控制一对陀螺偏摆速度相同但偏摆方向相反的反向同步机构143；该主体10两侧装设车轮轴21，所述驱动电机12借助传动机构13与车轮轴21联接，所述主体10能绕其两端的车轮轴21转动；所述驱动电机12驱动时，经传动机构13带动车轮绕车轮轴旋转；或者经传动机构13带动所述主体绕车轮轴旋转进而带动装设在主体内的所有部件前倾或者后仰，即带动整个所述主体相对车轮轴前倾或者后仰。
机器人在正常行走状态，驱动电机12驱动车轮20旋转，主体10同样受到驱动力，但由于主体内设置有陀螺组件14，当主体有向前后哪一方向的摆动趋势时，陀螺同样有向这一方向的摆动趋势。而根据陀螺的自稳定特性，陀螺会自动产生偏摆而抵消这一摆动趋势，故主体10会保持竖直。假设机器人在遇到障碍物时，车轮被障碍物挡住不能转动，驱动力矩增大，驱动主体10摆动，同样，陀螺会自动偏摆而产生与驱动力矩大小相同方向相反的陀螺力矩。但是，当陀螺偏转达到最大偏转角度时，不能再输出陀螺力矩，而驱动力矩将驱动主体10向前或者向后摆动。此时，为了让主体在陀螺力矩阻力小的情况下摆动到最大摆动角度。可以启动反向同步机构143上设置的偏摆电机锁住陀螺或者控制陀螺慢速回摆。
控制所述主体前倾或者后仰所产生的重力矩使得陀螺自然偏摆而产生的陀螺力矩，和或控制偏摆电机驱动陀螺使得陀螺主动偏摆而产生的陀螺力矩，使得所述双轮机器人在姿态控制、紧急制动、加速、越障以及上下楼梯等各种运动过程中保持平衡。
所述主体10包括主体框架11，如图5至图7所示，所述主体10的主体框架11又包括车轮轴承安装板111、框架侧板112、底板固定架113和底板114。两块平行设置的框架侧板112与两块车轮轴承安装板111固定连接成一方形框架110，所述底板114两侧分别与竖向设置的底板固定架113固定，而底板固定架113与车轮轴承安装板111固定。如图7所示，车轮轴承安装板111上设置有车轮轴承，车轮轴承内装设有车轮轴21。俩驱动电机12均安装于主体框架11的底板114上，分别借助传动机构与车轮轴21联接。所述主体框架11为各个部件提供支撑，具有高强度和刚度，稳定性强，能防止机器人工作时出现共振而导致震动和噪声。
一些实施例中，传动机构13可以是同步带传动机构。如图7所示，同步带传动机构包括小同步带轮131、大同步带轮132和同步带133，同步带133套设于小同步带轮131和大同步带轮132之上，驱动电机12的输出的动力依次经过小同步带轮131、同步带133和大同步带轮132传送至车轮轴21。
如图7所示，所述反向同步机构143固定在所述框架侧板112上并位于所述方形框架110的上方。一对陀螺141竖向平行设置，上面的陀螺轴与反向同步机构143联接，下面的陀螺轴设置在底板上的陀螺轴孔内。
如图3、图8至图9所示，所述头部30内设有能驱动其在水平面内旋转的第一电机31，所述主体10内设有用于驱动头部30前俯和后仰的第二电机32，第二电机32的减速输出端借助纵向连接杆33与头部30连接，带动头部30相对机器人主体前俯和后仰。所述第二电机32设置在主体框架11的方形框架110上。第二电机32设置在主体框架11以内，有利于降低机器人的重心，并且头部30的俯仰角度范围大。
如图3、图8和图9所示，所述机器人主体的方形框架110上靠近纵向连接杆的位置前后，均设置有用于限制纵向连接杆33的俯仰角度范围的限位感应器34。如图3所述，与纵向连接杆33交叉固定有横向连接杆16，用于连接机器人外壳。所述纵向连接杆和横向连接杆可以采用强度高和重量轻的碳纤维管。
应当理解的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，其部分细节可通过相应设计变更以其它的形式来实现。对本领域技术人员来说，可以对上述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改和替换，都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种双轮机器人，包括主体和与主体连接的车轮，其特征在于：所述主体内装设有陀螺组件和用于驱动车轮的驱动电机，该陀螺组件包括至少一对陀螺、控制陀螺主动偏转的偏摆电机以及控制一对陀螺偏摆速度相同但偏摆方向相反的反向同步机构；
该主体上装设车轮轴，所述主体能绕该车轮轴转动；所述驱动电机驱动时，带动车轮绕车轮轴旋转，或者带动所述主体绕车轮轴转动；
在不同路况下，选择利用所述主体绕车轮轴转动所产生的重力矩使得陀螺自然偏摆而产生的陀螺力矩或利用偏摆电机驱动陀螺使得陀螺主动偏摆而产生的陀螺力矩，或者同时利用所述主体绕车轮轴转动所产生的重力矩使得陀螺自然偏摆而产生的陀螺力矩和偏摆电机驱动陀螺使得陀螺主动偏摆而产生的陀螺力矩，控制所述双轮机器人的运动或者在运动过程中保持平衡。
2.根据权利要求1所述的双轮机器人，其特征在于：所述车轮轴设置在主体两侧。
3.根据权利要求1所述的双轮机器人，其特征在于：所述主体包括主体框架，该主体框架包括位于两端的车轮轴承安装板、位于两端的底板固定架、底板和框架侧板，所述底板两侧分别与竖向设置的底板固定架固定，底板固定架与车轮轴承安装板固定，框架侧板连接两端的车轮轴承安装板，所述车轮轴设置在车轮轴承安装板上；所述驱动电机安装于所述底板上。
4.根据权利要求3所述的双轮机器人，其特征在于：所述框架侧板有两块，竖向平行设置，两块平行设置的框架侧板与两块车轮轴承安装板固定连接成一方形框架。
5.根据权利要求4所述的双轮机器人，其特征在于：所述反向同步机构固定在所述框架侧板上并位于所述方形框架的上方。
6.根据权利要求5所述的双轮机器人，其特征在于：一对所述陀螺竖向平行设置，上面的陀螺轴与反向同步机构联接，下面的陀螺轴设置在底板上的陀螺轴孔内。
7.根据权利要求1所述的双轮机器人，其特征在于：所述驱动电机借助传动机构与车轮轴联接，所述传动机构是同步带传动机构。
8.根据权利要求7所述的双轮机器人，其特征在于：所述同步带传动机构包括小同步带轮、大同步带轮和同步带，同步带套设于小同步带轮和大同步带轮之上，驱动电机的输出的动力依次经过小同步带轮、同步带和大同步带轮传送至车轮轴。
9.根据权利要求1所述的双轮机器人，其特征在于：所述主体上方设有头部，该头部内设有能驱动其在水平面内旋转的第一电机，所述主体内设有用于驱动头部前俯和后仰的第二电机，第二电机的减速输出端借助纵向连接杆与头部连接，带动头部相对机器人主体前俯和后仰。
10.根据权利要求9所述的双轮机器人，其特征在于：所述主体包括主体框架，该主体框架包括车轮轴承安装板、框架侧板、底板固定架和底板，所述底板两侧分别与竖向设置的底板固定架固定，两块平行设置的框架侧板与两块车轮轴承安装板固定连接成一方形框架，所述第二电机设置在该方形框架上。
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