[发明专利]基于平衡杆控制的刚柔耦合走钢丝机器人

说明书

技术领域

本发明涉及一种走钢丝机器人，确切的说，涉及一种能够在悬挂的柔性钢丝上通过调整平衡杆而保持自平衡和前后移动的双轮机器人，属于机器人技术领域。

背景技术

走钢丝机器人是一种依靠驱动轮在柔性钢丝上进行平衡行走的机器人系统。这种机器人具有静态不稳定和动态可稳定的特点，并具有明显的欠驱动特性，机器人本体与钢丝绳之间通过动力学耦合来产生相互的约束运动。其所体现动力学特性的各种参数对于系统的平衡运动尤为重要。由于系统的复杂性，这些参数通常不能通过直接测量获得，而是需要进行机器人参数的在线辨识。因此，走钢丝机器人的研究需要综合考虑机器人的刚性运动和钢丝绳的柔性摆动，建立刚柔耦合的系统动力学模型；再基于非线性控制理论，为机器人设计控制器，提高系统的鲁棒性。

目前，国内外都对具有独轮特征的各类机器人实现自稳定平衡功能方面进行了研究，但是，相关文献资料还是非常少。尤其是基于人类走钢丝的杂技表演运动原理，能够模仿人类运动功能，并在三维空间中能够在钢丝上自平衡行走的机器人的研究更是至今未见有相关报道。

现在公开报道文献主要有宋杰文等的中国科技论文在线《机器人走钢丝的简易模糊控制器》和上海交通大学周春林等的专利申请。文献《机器人走钢丝的简易模糊控制器》建立了一个机器人走钢丝的数学模型，通过模糊控制方法控制平衡杆摆动，但是，该文献中未见关于钢丝绳的柔性的考虑，而且该文献未能制作走钢丝机器人的物理样机，只是对建立的数学模型进行简单的仿真验证。上海交通大学的专利申请公布了一种包括外部壳体、支撑轮、陀螺、内环直行驱动电机、内环框架、外环框架、陀螺、直行驱动电机、阻尼器与传感器组成的走钢丝机器人，同样，该专利申请没有考虑绳子的柔性对机器人稳定平衡的影响，而且，其所描述的走钢丝机器人主要是依靠陀螺运动所产生的陀螺效应来保持平衡，而不是通过控制平衡杆来实现。

因为走钢丝机器人必须配备丰富、反应快捷的感觉系统和思维决策系统，以它小巧轻便、节能的特点有可能成为代步工具。另外，在航天领域，基于走钢丝机器人的原理还可以开发一种不受地形影响的，运动自如的月球车。走钢丝机器人也可以用于电力或通讯系统中，比如在电力或通讯系统中完成线路巡视、线路维护、线路除冰等多种功能。因此，目前仍然有许多业内科技人员在关注和研究走钢丝机器人的科研课题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种基于平衡杆控制的刚柔耦合走钢丝机器人，该机器人是通过控制平衡杆来实现自平衡，并能在钢丝上行走，且结构简单，体积小巧，便于实施控制。

为了达到上述发明目的，本发明提供了一种基于平衡杆控制的刚柔耦合走钢丝机器人，其特征在于：该机器人设有下述部件：底盘及行进电机组成的行走装置，由传感器、执行电机、齿轮传动机构、转动杆与平动构件组成的平衡装置，以及智能控制电器箱，其中，

行走装置的底盘是由承载机器人全部构件的底板与垂直竖立于底板前侧的立板组成的该机器人主体框架，底板下方中心线的前后两端分设有前后两个滚轮，两个滚轮之间设有用于驱动后轮转动、实现机器人前后移动的行进电机，藉由该前后两个滚轮作为支撑点，该机器人站立与行走于钢丝上；

平衡装置的执行电机悬固安装于立板上部后侧，该执行电机的转轴伸出于立板前侧，转轴上安装有两组平衡部件：联轴件与转动杆构成的旋转平衡部件和齿轮传动的四边形平动构件组成的重心平移平衡部件；传感器有两个：安装在底版上的微型航向测量MTI(motion tracker instrument)传感器和检测执行电机的转速与角度的光电码盘；

智能控制电器箱包括分别固装在底版上的设有数字信号处理DSP(Digital Signal Processing)芯片及其外围电路的控制电路板、执行电机的驱动控制箱和蓄电池。

为了达到上述发明目的，本发明还提供了一种基于平衡杆控制的刚柔耦合走钢丝机器人的控制方法，其特征在于：对与执行电机转轴联动的旋转平衡部件中的转动杆的转动和四边形平动构件中的平动杆的平动位移进行控制，用于调整机器人的平衡：藉由转动杆的转动力矩抵消机器人重力力矩的作用，同时，由平动杆产生的质心偏移来抵消机器人的重心偏移；该两项操作的平衡调整因子取决于大小齿轮的齿数比与四边形平动构件中连架杆的长度。

本发明走钢丝机器人的结构创新特点是：通过控制与执行电机转轴联动的旋转平衡部件中的转动杆的转动和四边形平动构件中的平动杆的平动位移，来调整和实现该机器人的自平衡：藉由转动杆的转动力矩抵消机器人重力力矩的作用，同时，由平动杆产生的质心偏移来抵消机器人的重心偏移。

附图说明