[发明专利]一种柔性两轮自平衡机器人系统及其运动控制方法

权利要求书

1.一种柔性两轮自平衡机器人系统，包括电气系统和机械本体；其中，所述电气系统包括主控制器(1)、运动控制器(2)、辅助控制器(3)、电机伺服驱动器(4)、传感器、输入输出设备、直流电机(5)和电源系统；所述机械本体包括躯干(6)、柔性关节(7)、底盘(8)、保护支架(9)和双轮(10)；其特征在于：

所述躯干(6)为层式框架，顶板(11)上固定有至少一个摄像头(12)，顶板(11)和底板(13)之间由隔板(14)分隔成若干层，躯干安装第一倾角仪(15)、第一陀螺仪(16)和超声波传感器(17)；

所述躯干底板(13)和底盘(8)之间以柔性关节(7)连接；

所述底盘(8)为箱式结构，在其内部装载第二倾角仪(18)、第二陀螺仪(19)，两个直流电机(5)分别固定在底盘(8)左右两侧内壁上，直流电机(5)的轴一端与双轮(10)的轴联接，另一端接编码器(20)；底盘(8)底面安装有可拆卸保护支架(9)，支架(9)末端有悬空脚轮(21)；双轮(10)的轴心位于一条直线上；

所述柔性关节(7)的顶端和底端为上支承圆盘(22)和下支承圆盘(23)，剖面为“凸”字形，上支撑圆盘和下支撑圆盘的中心通孔用于穿过电线；在上支撑圆盘凸台面上，以沉头螺丝(45)固定上支座(46)，上支座(46)的方形底板中央开通孔，与支撑圆盘通孔孔径相同，装配时两孔同心，上支座(46)的底板两侧有竖起的圆顶角剑头形支座壁，其上开有同心的通孔，在下支撑圆盘(23)的相同位置以相同方式固定下支座(47)，下支座(47)与上支座(46)不同的是其两个侧壁均为双层，令上支座(46)侧壁可插入间隙紧密配合，另外，下支座(47)的壁通孔直径略小，上支座(46)两侧壁上的通孔中分别插入铜套(48)后与下支座(47)的侧壁通孔直径相同，上支座(46)和下支座(47)装配时两侧壁通孔同心，在其中分别插入转动轴(24)，并以挡板(49)固定，使得上支承圆盘(22)和下支承圆盘(23)能够以转动轴(24)为铰接点转动；转动轴(24)向外的延伸部分，各固定一个双臂扭簧(25)，扭簧(25)的上臂固定在上支承圆盘(22)上，扭簧(25)的下臂固定在下支承圆盘(23)上；在上支承圆盘(22)和下支承圆盘(23)之间压紧固定一段圆柱弹簧(26)，其两端分别套在上支承圆盘(22)和下支承圆盘(23)的凸台外；

所述主控制器(1)为嵌入式计算机系统；

所述运动控制器(2)选用数字信号处理器系统；

所述辅助控制器(3)选用单片机或数字信号处理器系统；

所述传感器包括：检测机器人躯干(6)和底盘(8)俯仰倾角变化的第一倾角仪(15)、第二倾角仪(18)，检测机器人躯干(6)和底盘(8)俯仰倾角速度变化的第一陀螺仪(16)、第二陀螺仪(19)，检测直流电机(5)转角变化的编码器(20)，检测图像信息的摄像头(12)，以及检测障碍物距离信息的超声波传感器(17)；

所述电气系统的连接关系为：主控制器(1)与运动控制器(2)、辅助控制器(3)、输入输出设备连接；运动控制器(2)与第一倾角仪(15)、第二倾角仪(18)、第一陀螺仪(16)、第二陀螺仪(19)、编码器(20)、伺服驱动器(4)相连接；辅助控制器(3)与超声波传感器(17)和遥控接收器(27)连接；摄像头(12)与主控制器(1)；伺服驱动器(4)与直流电机(5)连接；电源系统连接各电气设备供电。

2.根据权利要求1所述的一种柔性两轮自平衡机器人系统，其特征在于：所述电源系统包括：充电电池(28)、转换电压的电源继电器板(29)、监测电池电压的电源监控板(30)。

3.根据权利要求1所述的一种柔性两轮自平衡机器人系统，其特征在于：所述直流电机(5)选用直流力矩电机或直流无刷电机。

4.根据权利要求1所述的一种柔性两轮自平衡机器人系统，其特征在于：所述的输入输出设备包括：键盘(31)、鼠标(32)、遥控器(33)、显示器(35)、麦克风(36)、扬声器(37)。