[实用新型]可实现全方位运动解耦的独轮车装置

说明书

技术领域

本实用新型涉及两轮或独轮自行车机器人应用技术，具体为一种可实现全方位运动解耦的独轮车装置。

背景技术

独轮车自平衡机器人具有静态不稳定而动态可稳定的动力学特性，因其独轮接地的特点而使其成为一种结构轻巧、节能灵活的新型道路行走装置，在快递物流、服务表演等服务型行业具有潜在的应用，因此受到人们广泛的关注。

近年来，国内外科研人员对独轮车自平衡机器人机构样机的搭建和平衡控制策略的设计以及验证等领域进行了一系列相关的研究。

国内大多是采用飞轮倒立摆或平衡杆的结构形式实现机器人的控制。例如，东南大学的高丙团等人设计了一种平衡杆式的独轮车机器人，实现了侧向的平衡控制，由于该结构缺少航向机构，因而较难实现转弯等复杂运动。

日本村田制作所推出了一款能够在独轮车上骑行的机器人“村田婉童”，该机构利用胸部安装的惯性转轮机构调节独轮车机器人的侧向平衡。其研究人员对车体侧向平衡和俯仰平衡的数学模型在小角度、小位移情况下进行了结构解耦，而忽略了前后与侧向动力学耦合影响。

实用新型内容

针对现有技术的不足，本实用新型所要解决的技术问题是提出了一种针对独轮车机器人多变量、强耦合、非线性的复杂动力学系统而研发的可实现全方位运动解耦的独轮车装置。

能够解决所述技术问题的可实现全方位运动解耦的独轮车装置，其技术方案包括基于基体设置的俯仰平衡调节行走机构、侧向平衡调节机构和转弯调节机构，其中

1、所述侧向平衡调节机构包括上、下侧向平衡框架和上、下侧向平衡转盘，各侧向平衡框架通过左、右两侧的侧向平衡框架转轴安装于基体内部，上、下侧向平衡转盘通过竖直转盘转轴分别安装于上、下侧向平衡框架内，所述基体上设有控制一个侧向平衡框架作小角度转动的侧向平衡框架驱动电机，同侧的上、下侧向平衡框架转轴之间由传动比为1：1的侧向平衡框架齿轮传动副连接，各侧向平衡框架上设有驱动对应侧向平衡转盘高速旋转的侧向平衡转盘驱动电机，基体上设有分别检测各侧向平衡框架转动幅度的侧向平衡框架编码器，各侧向平衡框架上设有检测对应侧向平衡转盘转速的侧向平衡转盘编码器。

2、所述俯仰平衡调节行走机构设于基体下方，包括独轮和车叉，所述车叉安装在基体底部，所述独轮于车叉内安装，车叉上设有驱动独轮转动的薄饼电机和检测独轮转速的车轮编码器。

3、所述转弯调节机构设于基体上方，包括基于支撑架设置的左、右转弯调节框架和左、右转弯调节转盘，各转弯调节框架通过前、后两侧的转弯调节框架转轴安装于支撑架内部，左、右转弯调节转盘通过横向转盘转轴分别安装于左、右转弯调节框架内，所述支撑架上设有控制一个转弯调节框架作小角度转动的转弯调节框架驱动电机，同侧的左、右转弯调节框架转轴之间由传动比为1：1的转弯调节框架齿轮传动副连接，各转弯调节框架上设有驱动对应转弯调节转盘高速旋转的转弯调节转盘驱动电机，支撑架上设有分别检测各转弯调节框架转动幅度的转弯调节框架编码器，各转弯调节框架上设有检测对应转弯调节转盘转速的转弯调节转盘编码器。

上述结构中，利用独轮的前、后行进来实现车体的前、后俯仰运动平衡；利用侧向平衡调节机构的上、下侧向平衡转盘绕自身的高速旋转以及上、下侧向平衡框架之间的小角度相对转动而产生的侧向力矩来实现车体侧向运动平衡；利用转弯调节机构的左、右两个转弯调节转盘自身的高速旋转以及左、右转弯调节框架之间的小角度转动而所产生的航向力矩来实现车体转弯运动。

为减少材料的消耗，所述侧向平衡框架齿轮传动副和转弯调节框架齿轮传动副均采用扇形齿轮传动副。

常规上，所述基体上设有实时检测车体姿态并根据车体姿态向各电机发出驱动信号、同时接收各编码器的反馈信号以进一步修正各电机运转的控制系统，所述控制系统包括通过相关电路连接的电池组、陀螺仪、无线模块、运动控制器和和伺服驱动器。

本实用新型的有益效果：

本实用新型可实现全方位运动解耦的独轮车装置之结构在数学模型(俯仰、侧向和转弯)上得到解耦，从而大大降低了独轮车车体运动的控制难度。

附图说明

图1是本实用新型一种实施方式的等角轴侧图。

图2是图1实施方式的前视图。

图3是图1实施方式的后视图。

图4是图1实施方式的俯视图。