[发明专利]一种基于姿态控制的轮滑式代步机器人

说明书

技术领域

本发明属于电动代步装置技术领域，更具体地，涉及一种基于姿态控制的轮滑式代步机器人。

背景技术

现代交通工具非常发达，对于远程交通可以通过汽车、飞机实现，对于短程交通则有自行车电动车供广大群众使用。现今交通出行提倡绿色出行，因此电动交通工具因其低碳环保、非人力驱动从而得到快速发展，现在市面上新出现的各种电动代步车就是这类交通工具发展的成果。

电动轮滑鞋是一种集合电动代步车和轮滑运动的交叉产物，其作为一种代步出行的交通工具的同时也为使用者提供轮滑运动的娱乐体验。

在中国发明专利申请公开说明书CN103263767A中公开了一种代步电动轮滑鞋，电池装载于鞋体底部。鞋体为三轮结构，前端两轮为驱动轮，后端为伏地轮，通过脚对踏板上的力作用调整前进后退速度，同时通过左右摆动赋予伏地轮径向力使轮滑鞋运动方向转动。

上述轮滑鞋代表着普遍的设计与控制方式，但是通过力传感器感应脚部作用力控制轮滑鞋运动的方式仍有不足之处，避开传感器精度不谈，首先人在轮滑上运动的时候脚部对鞋的作用力会随运动改变，如此便不能保证轮滑鞋的稳定运动；其次是该类电动轮滑需要通过脚部作用提供后轮径向力从而改变轮滑运动方向，该转向方式难以精确控制。因此，这类基于力控的电动轮滑控制方式并没有达到完全的代步功能，同时也需要使用者具有一定的普通轮滑操作经验。

在中国实用新型专利说明书CN202219076U中公开了一种电动轮滑装置，该轮滑装置的一点改进之处在于将电动轮滑的驱动电源、控制单元与轮滑车体分离，从而提供了一种系统结构以实现除了力控以外的控制方式，同时简化了轮滑鞋的结构。但是专利中各单元的连接采用有线方式，因此在实际使用中会因为线的复杂导致运动受到束缚。

因此设计一款结构简单、安全便捷的电动轮滑鞋将是此类产品的发展趋势，其势必为短途旅行提供较大的便利和娱乐性。

发明内容

本发明主要为了解决脚部作用力控制电动轮滑鞋运动的控制方式所带来的操作复杂性问题，提出一种基于姿态控制的轮滑式代步机器人，从而能代替电动轮滑鞋并使之更为便捷安全、操作方便，结构更为简单，同时也为电动轮滑鞋的发展提供一种新型策略。

本发明提出的轮滑式代步机器人包括：

轮滑鞋体，共有两个轮滑鞋体供使用者左右脚操作，其实质为四轮移动平台，左右两侧各有一个直径为96mm的包胶驱动轮，前后部各安装一个小脚万向轮，鞋体内部为控制电路板与驱动电路板，通过电路控制带有数字编码器的两个石墨电刷直流电机驱动左右两侧驱动轮转动，根据不同的速度组合可以实现移动平台的前后左右移动。轮滑鞋由钢材制成，整体质量为5.8kg，在达到载重要求的同时也能使鞋体更为牢靠，便于拆卸维修。

便携供电电源，为可充电电源，能为左右两个轮滑鞋体提供24V电压驱动，其外形为长方体铁质容器，通过两根可收缩弹簧电源线与轮滑鞋体电源线相连，容器上带有开关及能够显示当前电压示数的数码管，能提醒使用者及时充电。

控制单元，控制单元由ARM开发板组成，可以对轮滑鞋体的内部控制电路板发送命令控制轮滑鞋体的启动/关闭和驱动轮转动。

进一步的，通过无线运动捕捉传感器(Wireless Standalone Sensing System,WSSS)可以实现代步轮滑机器人的姿态控制，该传感器集成三轴加速度传感器、陀螺仪和磁场强度传感器于一身，可以实时测得传感器自身坐标系相对与大地坐标系的转动欧拉角。将WSSS传感器放置于操作者身上便可以判断操作者上身前倾/后仰、转身姿态以及两腿之间的距离，从而相对应改变轮滑式代步机器人的运动状态以实现姿态控制。

进一步的，WSSS通过2.4G无线技术将欧拉角信息传递至控制单元，通过控制单元对相关信息的计算得到轮滑鞋体运动控制命令，使用无线蓝牙串口将控制命令传送至轮滑鞋体内部控制电路。

进一步的，在轮滑鞋体踏板下四角放置四个线性压力传感器可实时监测踏板上的压力分布变化，轮滑鞋体内部放置对应信号调理电路板将压力模拟信号调理输入至控制电路板转化为数字信号，通过对相关数字信息的处理获得压力分布信息，从而可以判断使用者双脚站位并实现系统启动/关闭和紧急制动的功能。