[实用新型]一种可实现自平衡的独轮机器人

说明书

技术领域

本实用新型涉及一种独轮机器人，具体来说，涉及一种可实现自平衡的独轮机器人。

背景技术

近年来，国内外对两轮自平衡机器人进行了大量的研究。两轮自平衡机器人由两个同轴的车轮独立驱动，其重心倒置于轮轴上方。采用倒立摆的平衡控制原理自主保持车体动态平衡；通过对两个轮子采用不同电机单独驱动，从而实现转弯等功能。该机器人可以适应复杂的地形变化，运动灵活，可以在一些复杂的环境里工作。

根据这样的结构，美国Segway LLC公司的Dean Kamen实用新型了世界上第一部自平衡式两轮交通工具Segway，Segway没有制动装置、引擎、传动装置和方向盘，外形小巧、运动灵活，与驾乘者如影随形。

国外关于自平衡独轮机器人进行了一系列研究，加州大学的Jascha van Pommeren等人成功研制了独轮驱动的机器人Unibot，结合了倒立摆以及惯性平衡系统的驱动方式自动保持平衡。村田制作所开发出了骑独轮车的机器人“村田少女”，通过转动机器人躯体中央配备的的惯性轮来保持左右平衡。国内关于自平衡独轮机器人的研究还很少。

相比于两轮机器人，独轮机器人只有一个轮子驱动，在节省材料，减轻重量，节约能量方面具有更大的优势；同时它减少了与地面的接触面积，因而运动更加灵活。然而独轮机器人本身是一个多变量、强耦合、非线性的复杂动力学系统，其侧向平衡和转弯等方面更难控制。

发明内容

技术问题：本实用新型所要解决的技术问题是：提供一种可实现自平衡的独轮机器人，该独轮机器人不仅能保持前后平衡和侧向平衡，而且具有加减速灵活、转向性能良好的特点。

技术方案：为解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案是：

一种可实现自平衡的独轮机器人，该独轮机器人包括支架、平衡杆、平衡杆转轴、车轮、车轮轴、皮带、码盘，以及固定在支架上的车轮电机、电池组、控制器、驱动器、倾角传感器、平衡杆转轴电机和平衡杆角度传感器；其中，

所述的车轮位于支架的下部，并且车轮通过车轮轴与支架连接，车轮轴通过皮带与车轮电机连接，车轮电机通过导线与驱动器连接，驱动器通过导线与控制器连接；

所述的平衡杆通过平衡杆转轴连接于支架的上部，平衡杆转轴的一端与平衡杆转轴电机相连，平衡杆转轴电机通过导线与驱动器连接；

所述的平衡杆角度传感器靠近平衡杆转轴电机的转轴；码盘固定连接在车轮电机的转轴上；倾角传感器的输出端和平衡杆角度传感器的输出端分别与控制器的输入端连接；平衡杆角度传感器、平衡杆转轴电机、码盘、车轮电机、控制器、驱动器和倾角传感器分别通过导线与电池组连接。

进一步，所述的可实现自平衡的独轮机器人，其特征在于，还包括摄像头，摄像头位于支架的上部，摄像头的输入端与电池组的输出端连接，摄像头的输出端与控制器的输入端连接。

进一步，所述的可实现自平衡的独轮机器人，其特征在于，还包括无线接收器，无线接收器位于支架的上部，无线接收器的输入端与电池组的输出端连接，无线接收器的输出端与控制器的输入端连接。

有益效果：与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果：

1．该独轮机器人能够保持前后平衡和侧向平衡。本实用新型的独轮机器人能够保持前后平衡：通过倾角传感器检测支架的纵向倾角，并将该纵向倾角传送控制器中。控制器将该纵向倾角与期望的纵向角度进行计算，产生控制信号。控制器将控制信号传送至驱动器。驱动器依照控制信号控制车轮电机的转矩。车轮电机通过皮带带动车轮旋转，使独轮机器人作加速或减速运动，从而独轮机器人的纵向倾角亦随之发生改变。本实用新型的独轮机器人能够保持侧向平衡：倾角传感器测量支架侧向倾角，并将侧向倾角传送至控制器。码盘测量车轮电机的转速，并计算出独轮机器人的前进速度。码盘将前进速度传送至控制器。平衡杆角度传感器测量平衡杆与支架之间的相对转角，并将相对转角信号传递给控制器。控制器接收侧向倾角、前进速度和相对转角信号后，通过计算得到控制信号。控制器将该控制信号传送至驱动器。驱动器依照控制信号，控制平衡杆转轴电机的转矩，使平衡杆绕平衡杆转轴转动，从而改变独轮机器人的侧向倾角与转弯半径。