[发明专利]独轮机器人系统及其控制方法

说明书

技术领域

本发明属于智能机器人范畴，涉及一种能够自主进行运动平衡控制进而自主骑行独轮车的静态不平衡机器人及其运动平衡控制方法。

背景技术

骑行独轮车是人类(或者其他经过专门训练的智能水平较高的动物)需要较为高级的运动平衡技能才能完成的活动。这种能力需要经过专门的学习、训练才能够具备。研究一种自主机器人，模仿人类这种高级的运动平衡技能完成骑行独轮车的任务，一直是机器人领域里的一项任务。

独轮机器人是模仿人骑独轮自行车的活动，建立的机器人系统，具有很高的仿生性，其出现是人工智能、智能控制、机械设计、机器人学等相关领域互相融合、快速发展的结果。与一般的静态平衡机器人不同，独轮机器人具有明显的动态平衡特点，具有广阔的应用前景：由于其本身特有的复杂平衡控制问题，在科研、展示和娱乐领域可以作为极具特色的平台和工具；利用其动态平衡特性，将它引入复杂地形环境，进行运输、营救和探测；利用其外形纤细的特性将它用作监控机器人，实现对狭窄地方的监控；在航天领域，基于单轮机器人的原理甚至可以开发一种运动自如的特殊月球车。

相比于一般的不需要运动平衡的静态平衡机器人(如4轮移动式机器人)，独轮机器人具有以下显著特点：1)机器人的运动过程基础是达到平衡状态，即机器人必须首先能够稳定直立，才能够进行其他运动，并且这种运动平衡过程是个动态过程；机器人在平衡点附近不停地变化进行调节以保持平衡。这虽然增加了机器人的控制难度，但也同时使其可以完成许多复杂的运动平衡任务；2)由于只有一个轮子，独轮机器人硬件上要更简捷，更轻，运动上也更灵活；3)若在机器人上身机构上加入机械臂，灵巧手，头部等后，机器人能够以一种特有的动态平衡的方式实现相应的任务，如在极窄的路径上骑行，骑过很窄的平衡木、原地转身，甚至可以完成走钢丝的高难度动作。

现有的独轮机器人多为简单的执行层控制结构，即机器人的本体上仅有驱动和控制的基本功能，没有完善的宏观规划和视觉功能等，或者是将需要处理的的信息传送到上位计算机进行处理的方式，而机器人本身没有处理这些信息的能力，例如日本村田制作所开发的骑独轮车的机器人“村田少女”，身高50cm，体重5kg，速度为5cm/s。在控制方面，左右方向(侧倾)通过竖直方向转动机器人体内配备的惯性轮来保持左右平衡。而前后方向(俯仰)上，则通过身体内的电机以链传动方式转动独轮车的车轮来保持平衡。在检测方面，为了控制前后方向和左右方向的平衡，在四个方向上分别配备了一个该公司的倾斜检测陀螺传感器。此外，还配备了用来检测障碍物的超声波传感器、用来收发控制指令等的蓝牙模块、陶瓷振荡器、检测温度的NTC热敏电阻等村田制作所产品。但是“她”没有能够执行任务的机械臂和灵巧手、仍旧是本体没有处理复杂信息的能力而是通过传送到上位机进行处理、传动方式为链式传动，较为复杂、没有可以灵活扩展的调试用脚轮组件、检测方面仅有四个单轴陀螺，会产生角度积分偏移问题，最终导致系统不稳定等。

发明内容

针对上述问题，本发明设计了一种能够骑行独轮车的机器人本体，并且提出了独轮机器人的运动平衡控制方法。利用该机器人系统不仅可以作为一种开放式智能机器人研究开发平台，为控制科学、机器人学、人工智能等领域的研究和教学提供实验对象，还可以成为娱乐、展示的极具特色的工具。

为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案：

独轮机器人系统，包括机械本体和控制系统；机械本体下部为一个可前后转动的独轮14，在独轮14四周套有一个可上下调节的调试支架13，机械本体中间含有一个水平放置的，可左右转动的惯性飞轮17；控制系统由状态感知传感器、运动控制器10和伺服驱动控制器以及电源系统构成，其中，状态感知传感器包括姿态传感器和速度传感器。运动控制器10接收状态感知传感器的信号，在控制程序下将接收信号进行处理，从而发出控制指令，伺服驱动控制器接收控制指令，通过独轮电机12和飞轮电机18控制独轮14和惯性飞轮17转动，对机器人的姿态平衡作出调整。

在调试支架13下面，前后左右各设置有一个可拆卸的脚轮15。

系统中的惯性飞轮17为双对可拆卸结构，由两个飞轮并列组成，每个飞轮由两个半圆结合而成。

系统中的姿态传感器为三轴惯性导航系统和两轴倾角仪；所述速度传感器为安装在独轮电机12和飞轮电机18中的编码器，且该编码器带有可进行温度补偿调整的温度传感器。