[发明专利]一种基于陀螺驱动器的平衡装置及其控制方法

说明书

本发明公开了一种基于陀螺驱动器的平衡装置及其控制方法，用于机器人平衡控制。包括一个便于携带/穿戴的“背包”，所述“背包”位于机器人重心位置，用以装置陀螺驱动器。每个陀螺驱动器包括万向支架、飞轮、传感器、电机以及其他连接结构，所述万向支架上通过固定结构连接电机Ⅰ，电机Ⅰ与角度传感器固定连接，所述万向支架铰接连接飞轮，所述万向支架纵向固定块中间固定速度传感器，并通过连接杆与飞轮轴心处相接，速度传感器固定连接电机Ⅱ。当机器人失去平衡时，偏离基准轴，产生倾斜角，角度传感器检测该倾斜角，将该信号传递至驱动器来驱动飞轮旋转，飞轮旋转后产生反作用力矩，从而使机器人恢复平衡。

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，特别涉及一种机器人的平衡控制装置及其控制方法。

背景技术

随着现代科技的发展，机器人技术日益成熟，各种双足机器人甚至仿人机器人的出现极大地激励了科学家的研究热情。然而，机器人的平衡控制一直是机器人研究领域的一大难题。大多数机器人目前主要通过算法控制来保持平衡，但是这类机器人在复杂的外部环境下，仍然难以避免的失去平衡，甚至摔倒。如何简便有效的控制机器人平衡，并提高机器人的寿命，是该领域亟待解决的一个问题。

对于人的平衡控制，最简单的莫过于使用拐杖，然而使用这类外部辅助工具后，我们的手将无法得到自由，而且对于那些没有平衡判断能力的人，因为无法及时察觉到失衡的趋势，从而无法及时利用这类辅助工具防摔倒。对于机器人来说，这类外部辅助工具更加不适用。其他的便携式辅助装置如外骨骼，如美国生产的eLEGS，虽然有效的辅助运动，提高平衡，但是其结构笨重，操作复杂，不适合一般的使用。

申请号为201210198798.6的发明专利：一种多足机器人平衡控制方法，相比之前的机器人平衡研究仅局限于判定机器人稳定及在保证机器人稳定的前提下对机器人进行步态规划，该方法检测到多足机器人失稳后，执行预先设置的控制策略，使得机器人由失稳状态转换为静态稳定状态。但是由于执行该控制策略存在一定的算法时延，该方法并不能完全及时地恢复足式机器人的稳定。因此，如何设计一种便携的、结构简单易于控制的，且及时恢复稳定状态的平衡装置来控制机器人在复杂环境下出现的失衡问题是机器人研究领域的一大难题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于陀螺驱动器的平衡装置，该装置安装在机器人上，能够提前检测机器人行走的失衡，并立即恢复到平衡状态。为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于陀螺驱动器的平衡装置，包括万向支架、飞轮、角度传感器、电机Ⅰ、速度传感器和电机Ⅱ，其中所述飞轮与万向支架铰接，万向支架上固定有电机Ⅰ，电机Ⅰ与角度传感器固定连接，所述万向支架纵向固定块中间固定速度传感器，并通过连接杆与飞轮轴心处相接，速度传感器固定连接电机Ⅱ。

进一步，所述万向支架由两个横向固定块和两个纵向固定块连接构成矩形框架。所述飞轮的外缘上的两点分别与万向支架的两个横向固定块的中心铰接，所述外缘上的两点位于飞轮的同一直径上。

所述电机Ⅰ固定在万向支架的横向固定块上。所述电机Ⅱ与速度传感器固定连接于万向支架的纵向固定块上。

本发明中基于陀螺驱动器的平衡装置，将所述平衡装置安装于机器人背部，用于控制机器人平衡的控制方法，包括以下步骤：

(1)角度传感器实时检测机器人相对于基准方向的倾斜角；

(2)当角度传感器检测到机器人偏离基准方向，产生倾斜角；

(3)该信号被传递至机器人的驱动器，当倾斜角超过阈值时，对平衡装置实施控制，驱动飞轮沿机器人倾斜的方向旋转，从而产生反作用力矩；

(4)若机器人偏离平衡的倾斜角逐渐增大，即机器人无法根据自身调整恢复平衡，此时驱动器将驱动飞轮加速旋转，即旋转加速度a＞0；若机器人偏离平衡的倾斜角逐渐减小，即机器人试图根据自身调整恢复平衡，此时驱动器将驱动飞轮减速旋转，即旋转加速度a＜0；