專利名稱：一種基于飛輪的倒立擺平衡控制系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于智能機器人范疇，尤其是一種能夠自主進行運動平衡控制的靜態(tài)不平 衡機器人。
背景技術：
倒立擺系統(tǒng)的控制是控制理論應用的一個典型范例。其機構簡單、成本較低，便于 用模擬或數(shù)字的方法進行控制。雖然其結構形式多種多樣，但無論何種結構，就其本身而 言，都是一個非最小相位、多變量、絕對不穩(wěn)定的非線性系統(tǒng)。由于倒立擺系統(tǒng)的絕對不穩(wěn) 定，必須采取有效的措施控制它。其控制方法在軍工、航天、機器人領域和一般工業(yè)過程中 都有著廣泛的用途，如機器人行走過程中的平衡控制、火箭發(fā)射中的垂直度控制和衛(wèi)星飛 行中的姿態(tài)控制等涉及到的倒置問題。同時，由于摩擦力的存在，該系統(tǒng)具有一定的不確定 性。對于這樣一個復雜系統(tǒng)的研究，從理論上將涉及系統(tǒng)控制中的許多關鍵問題如非線性 問題、魯棒性問題、鎮(zhèn)定問題、隨動問題及跟蹤問題等可以以它為例進行研究。隨著倒立擺系統(tǒng)的控制研究的不斷深入，倒立擺系統(tǒng)的種類也由簡單的單級倒立 擺發(fā)展為多種形式的倒立擺。常見的倒立擺系統(tǒng)一般由小車和擺桿兩部分構成(另有旋轉 式倒立擺等形式，但較少)，其中擺桿可能是一級、兩級甚至多級，其長度也可能是變化的。 控制的目標基本上都是通過給小車施加一個水平方向的力，使小車在期望的位置上穩(wěn)定， 而擺桿也達到豎直向上的動態(tài)平衡狀態(tài)。相比于一般的倒立擺系統(tǒng)，基于飛輪的倒立擺平衡控制系統(tǒng)具有以下顯著特點 1)平衡原理不同一般的倒立擺都是通過控制小車的速度來達到豎直擺桿的平衡，而基于 飛輪的倒立擺系統(tǒng)的底部卻是固定的，它是通過頂部飛輪的旋轉產生必要的扭矩來控制擺 桿的平衡；2)控制難度不同對于一般的倒立擺系統(tǒng)，四級倒立擺的控制目前也已經(jīng)不是 問題了，而對于基于飛輪的倒立擺系統(tǒng)而言，二級倒立擺的控制至今還沒有人去研究。3)應 用層次不同一般的倒立擺系統(tǒng)主要用來研究系統(tǒng)的穩(wěn)定性、魯棒性、鎮(zhèn)定問題等等。隨著 科技的發(fā)展，人們生活水平的提高，人們越來越追求自己生活的質量和舒適程度，于是，一 些智能機器人應用而生，由于他們的體積小、重量輕、功能多，逐漸被現(xiàn)代人追捧，其中，極 具有代表性的是獨輪機器人，它只有一個輪子，占有更小的空間，能夠以一種特有的動態(tài)平 衡的方式實現(xiàn)相應的任務，如在極窄的路徑上騎行，騎過很窄的平衡木、原地轉身，甚至可 以完成走鋼絲的高難度動作。對于它上身的控制，目前許多研究者都是基于飛輪旋轉的平 衡控制，但是目前在國內還沒有一個能夠獨立行走的獨輪車?，F(xiàn)在的倒立擺多為簡單的桿式倒立擺，為了增強其控制難度，只是擺桿的簡單疊 加，現(xiàn)實意義不是很大。它的電氣控制系統(tǒng)一般在擺桿的下端，小車的快速滑動是通過電機 帶動的皮帶來傳動，從而使輕質擺桿起擺，最終使豎直擺桿穩(wěn)定在垂直向上的位置。由于此 裝置一般體積大、質量重，從而造價也比較高。國外也有許多研究者致力于基于飛輪的倒立擺平衡控制系統(tǒng)的研究，具有代表性 的是Model IP/NC Inverted Pendulum，此系統(tǒng)采用的是110或220伏的交流供電方式；傳感器使用的是紅外傳感器，它是一種模擬傳感器，測量精度不高，影響系統(tǒng)的控制；它的保 護支架是固定的，不能調節(jié)擺桿與豎直方向的最大偏角，缺少一定的靈活性；其電氣系統(tǒng)并 沒有放在底座上，底座上也沒有可以移動的腳輪，可移動性較差。針對上述問題，本發(fā)明設計了一種基于飛輪的倒立擺平衡控制系統(tǒng)。倒立擺系統(tǒng) 利用模塊化的平衡組件中的直流伺服電機控制飛輪沿著豎直方向旋轉調節(jié)，實現(xiàn)左右方向 的平衡。檢測方面，為了實現(xiàn)倒立擺對擺桿姿態(tài)的實時檢測，本發(fā)明采用了基于微機械電子 技術的慣性導航系統(tǒng)和單軸的傾角儀獲得擺桿系統(tǒng)在二維環(huán)境中的精確姿態(tài)。為了使倒立 擺具有移動的方便性，在本發(fā)明中倒立擺系統(tǒng)的底盤下安裝了四個腳輪，當需要移動倒立 擺系統(tǒng)時，可以很方便、省力的由一個位置移動到另一個位置。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于提出一種基于飛輪的倒立擺平衡控制系統(tǒng)，從而在一定程度上 解決獨輪機器人的側向平衡控制問題。本發(fā)明的具體方案為一種基于飛輪的倒立擺平衡控制系統(tǒng)，包括擺桿和底座，其 特征在于在擺桿的頂端固定一個包含有減速器的直流無刷伺服電機，在電機旋轉軸的前端 裝有一個可隨之一起旋轉的飛輪，電機的另一端與增量式編碼器連接；擺桿的兩側安裝有 傾角傳感器和傾角速度傳感器；擺桿的底部通過擺桿旋轉軸與底座上的擺桿支撐座連接； 底座上布置有電源、伺服驅動器、電源轉接板、運動控制器，其中傾角傳感器、傾角速度傳感 器和增量式編碼器的輸出端分別于運動控制器連接，運動控制器的輸出端與伺服驅動器連 接，伺服驅動器的輸出端與增量式編碼器連接，傾角速度傳感器、伺服驅動器、電機分別由 電源直接供電，傾角速度傳感器和運動控制器由電源轉接板將電源的電壓轉換后供電。為了防止擺桿由于控制失敗發(fā)生傾倒，碰壞底座上的其他器件，可以在擺桿的兩 側對稱安裝有兩個側支架，或者在底座的兩側放置豎直保護架。其中的飛輪可以被設計成重量主要集中于圓周的形狀，以提高其轉動慣量。作為對本發(fā)明的進一步改進，可以在底座四角的下部分別安裝有具有各自的剎車 系統(tǒng)的腳輪，這樣整個系統(tǒng)可以比較方便、省力的移動位置，也可以在需要的時候固定在某 個位置。作為對本發(fā)明的進一步改進，還可以在飛輪中心套管的外部安裝一個軸承，以為 了減小飛輪重力對電機軸的壓力。本發(fā)明具有以下優(yōu)點第一，本發(fā)明的所有組件均采用模塊化的設計思想，每個組件都可以拆卸更換，如 平衡組件中控制用的慣性飛輪，當一種慣性飛輪不滿足控制要求或者需要更換其它飛輪進 行相關實驗時，可將其拆卸，然后安裝上需要的飛輪，在這個過程中不需要將平衡組件中的 其它器件拆下。這為系統(tǒng)的維護和升級提供了極大的方便。第二，本發(fā)明的可調式擺桿側支架不僅可以根據(jù)倒立擺調試的需要改變擺桿側支 架的支撐高度，而且作為擺桿組件的保護裝置，避免倒立擺在調試過程中的意外傾倒，還可 以作為擺桿的配重，使得系統(tǒng)的重心盡量向下移動，有利于減少系統(tǒng)控制的難度。第三，本發(fā)明的底座上放有系統(tǒng)控制需要的所有電子元器件，且底座下部還有便 于移動的腳輪，腳輪上有防止滑動的剎車系統(tǒng)，這樣的設計，極大的增加了系統(tǒng)的可移動性，同時也是模塊化思想的一種體現(xiàn)。以下結合


和具體實施方式
對本發(fā)明作進一步的詳細說明。

圖1基于飛輪的倒立擺平衡控制系統(tǒng)機械結構等角軸側圖；圖2基于飛輪的倒立擺平衡控制系統(tǒng)機械結構前視圖；圖3基于飛輪的倒立擺平衡控制系統(tǒng)飛輪部分局部視圖；圖4基于飛輪的倒立擺平衡控制系統(tǒng)機械結構側視圖；圖5基于飛輪的倒立擺平衡控制系統(tǒng)機械結構上視圖1 ；圖6基于飛輪的倒立擺平衡控制系統(tǒng)機械結構后視圖；圖7基于飛輪的倒立擺平衡控制系統(tǒng)機械結構上視圖2 ；圖8基于飛輪的倒立擺平衡控制系統(tǒng)電氣系統(tǒng)接線圖；圖中1-飛輪，2-軸承，3-電機支架，4-電機，5-擺桿，6-擺桿側支架，7-腳輪， 8-底座，9-擺桿旋轉軸，10-擺桿支撐座，11-軸承端蓋，12-電機套管，13-增量式編碼器， 14-傾角速度傳感器，15-傾角傳感器，16-伺服驅動器；17-運動控制器，18-電源轉接板， 19-電源，20-豎直保護架，21-底座小孔，22-小孔矩陣。
具體實施例方式實施例一1機械結構本實施例總重量7kg，高度700mm，長度400mm，寬度320mm，角輪(7)直徑38mm。倒 立擺系統(tǒng)的機械結構和電器元件布局如下(圖1):如圖2，3，4所示，整個倒立擺為鋁合金框架，主要包括飛輪1、電機套管12、擺桿5、 擺桿側支架6、底座8，腳輪7。飛輪1和電機套管12之間采用軸承2連接。電機套管12與 擺桿5之間采用電機支架3相連接。倒立擺系統(tǒng)的飛輪1為中空的十字支撐架且外圍為較 厚的鋁合金板，使得其質量大部分集中于飛輪的邊緣，增加飛輪的轉動慣量，為了減少飛輪 旋轉起來的摩擦力，本設計把中空的十字支撐架磨成一定程度的圓角，在十字支撐架的中 心突出一個空芯的套管，把電機軸插入套管，為了減小飛輪重力對電機軸的壓力，在電機套 管12的末端、飛輪中心套管的外部安裝了一個軸承，且電機套管12的末端還安裝了一個軸 承端蓋11，用以保護和固定軸承。通過飛輪中心套管上的兩個加緊螺絲加緊電機的旋轉軸， 使飛輪在高速旋轉過程中不至于被拋出去。擺桿5的兩側設置有防倒保護的擺桿側支架6， 當?shù)沽[由于某種原因沒有控制好時，擺桿5就會倒下去，如果沒有擺桿側支架6來支撐的 話，倒立擺上的一些器件就可能由于碰撞而摔壞，同時，為了使用上的方便與靈活，在擺桿5 下半部分的前后兩側各設計有10X2的小孔矩陣22(安裝方式可達9 ！種)，用以固定擺桿 側支架6，且擺桿側支架6設計成一端有一小孔，小孔的下面有一段中空的擺桿側支架6，當 擺桿側支架6的小孔固定在右列時，中空的擺桿側支架6最多有9種與小孔矩陣22左列固 定的方式。因此，擺桿側支架6可以變換多種位置安裝。擺桿5和底座8是通過一根擺桿 旋轉軸9和擺桿支撐座10連接，且旋轉軸的兩側安裝有兩個同種型號的軸承。底座10上 利用亞克力板固定運動控制器17、驅動器16和電源轉接板18，底座上的電源19為可插拔的塊狀電池，在實際使用過程中相當方便，當?shù)鬃系碾姵貨]電時，只要按一下電池塊下部 的開關，電池就可以順利取下來，不用擰取任何一個螺絲，更換新電池時，順著插槽，只需輕 輕一推就可以了。在倒立擺系統(tǒng)底座的下部四個拐角處各裝有一個腳輪7，是整個系統(tǒng)的移 動裝置，當移動到一個固定的位置時，可以利用角輪上固有的剎車裝置來固定倒立擺系統(tǒng) 的位置，以免在實驗過程中影響系統(tǒng)的控制。2.電氣系統(tǒng)選型運動控制器17選用颶風數(shù)字系統(tǒng)(北京)有限公司MTK2812系統(tǒng)板。該系統(tǒng)的 處理器采用TI公司TMS320F2812 DSP，系統(tǒng)為5V直流供電。MTK2812的仿真器選用颶風數(shù)字系統(tǒng)(北京)有限公司的XDS510USB，USB2. 0接 口。伺服驅動器16選用Copley Motion公司的ACJ-55-18。傾角傳感器15選用Crossbow 公司的CXTA-01雙軸傾角儀。傾角速度傳感器14選用的是微機械陀螺儀CRS03-02 (由于 在安裝位置處預留了其它的安裝方式，故也可以使用ADIS16355陀螺儀)。機器人的驅動電機4選用Maxon公司的直流無刷電機套件RE35，24V供電，90W功 率，3. 7 1的行星齒輪減速器GP32C，電機配有增量式光電編碼器，精度為500線。鋰電池選用LBS-100C標準鋰電池19，標稱電壓29. 6V，工作范圍33. 6V-24V，標 稱容量150Wh，保護電路內置過充、過放、過流及短路保護，集成電量監(jiān)控。電源轉接板華北工控PW-4512電源模塊18，給控制器及其他電子器件供電，輸入 電壓16-40V DC，輸出電壓ATX +3. 3Vi5A, +5V/+5VSBi5A, +12Vi5A, -12ViO. 8A。3.電氣系統(tǒng)連接如圖8所示，電氣系統(tǒng)各部分的連接方法如下MTK2812由電源轉接板18的+5V輸出供電，它的J7接口的38腳，即A/D轉換輸入 通道，J5的22腳，即SPI引腳，分別與傾角儀CXTA01和陀螺儀CRS03-02的SPI信號輸出 端連接；陀螺儀14由MTK2812的J5接口提供+5V輸出供電；傾角儀15則由電源轉接板18 的24V輸出供電。MTK2812與ACJ-55-18間的連接包括控制信號線和編碼器反饋信號線。控制信號 包括電機使能信號、電機轉動方向信號和PWM轉速控制量信號。其中，MTK2812的J7接口 的22腳與控制電機的ACJ-55-18的J5接口的3腳連接，作為ACJ-55-18的使能信號線； MTK2812的J7接口的20腳與控制電機的ACJ-55-18的J5接口的6腳連接，作為電機4轉 動方向選擇信號線；MTK2812的J7接口 19腳為PWM輸出，與控制電機4的ACJ-55-18的J5 接口的20腳連接，作為轉速控制量信號線。電機編碼器的反饋信號經(jīng)ACJ-55-18緩存后連 接至MTK2812，具體接線為ACJ-55-18的J5接口的10、11腳，分別接MTK2812的J6接口的 13,14 腳。ACJ-55-18的J3接口的3、4腳為電源輸入端，分別接電源輸出的GND和+24V ;J2 接口的3、4腳為控制電壓的輸出端，分別與電機的+/-輸入端連接，其中3腳與電機+輸入 端之間串接一個電機開關；J4接口的4、6分別為+5V和GND，分別與編碼器排線的2、3線連 接，J4接口的1、8、2、9、3、10腳為編碼器A通道、B通道和零位信號的共模輸入端，分別接編 碼器排線的5、6、7、8、9、10線。鋰電池19經(jīng)一個雙刀雙擲的船型開關與電源轉接板18連接。電源轉接板18的 +/_輸入端連接鋰電池19的+/_端，提供士 12V，士5V，士3. 3V直流輸出，分別連接各對應設備的供電端。4.電氣系統(tǒng)的工作原理本實施例倒立擺系統(tǒng)的主要功能是通過飛輪的快速旋轉產生一定的扭矩，利用飛 輪產生的扭矩抵消擺桿系統(tǒng)(包括電機)和飛輪的重力矩及摩擦力矩，使得擺桿最終穩(wěn)定 在豎直向上的位置。由此，倒立擺電氣系統(tǒng)的工作原理如圖8所示倒立擺系統(tǒng)的運動控制 器17由模數(shù)轉換模塊得到傾角儀15、陀螺儀14的檢測信號，經(jīng)過伺服驅動器16讀取編碼 器的反饋信號，然后，綜合接收到的檢測信號和反饋信號，按預定的運動平衡控制算法計算 出電機的轉矩控制量，發(fā)送對應的PWM信號給伺服驅動器16執(zhí)行；伺服驅動器16控制電機 4運動，電機帶動飛輪1旋轉使倒立擺擺桿最終穩(wěn)定在豎直向上的位置。實施例二倒立擺系統(tǒng)的飛輪1為中空的十字支撐架且外圍有較厚的鋁合金板，使得其質量 大部分集中于飛輪的邊緣，增加飛輪的轉動慣量，為了減少飛輪旋轉起來的摩擦力，可以把 中空的十字支撐架磨成一定程度的圓角，減少阻力，在十字支撐架的中心突出一個帶有螺 紋的軸，通過把此軸旋轉到電機的旋轉軸里(電機軸內預先留有軸孔)，而不是一般的垂直 加壓，為了保護電機軸，在電機軸的外面、電機套管12的末端安裝有一個軸承，且電機套管 12的末端部有電機端蓋11加以保護和固定軸承，避免由于飛輪的重量而把電機軸壓彎，這 樣，在電機地高速旋轉過程中，飛輪就不至于被拋射出去。實施例三本發(fā)明在底座8上位于擺桿5兩側表面分別預留了十排小孔21，每排兩個，如圖7 所示。當把側支架拆除時，在擺桿5兩側分別放置可調距離的豎直保護架20，可以防止擺桿 由于某種原因沒有控制好時，倒立擺上的一些器件可能由于碰撞而摔壞，另外，通過調節(jié)豎 直保護架與擺桿到距離，還可用來調節(jié)擺桿的最大偏角。實施例四由于本發(fā)明的系統(tǒng)為模塊化設計，在調試過程中，如果發(fā)現(xiàn)CRS03-02的傳感器的 精度不夠高，可以把擺桿組件中的CRS03-02換下，直接換上ADIS16355即可，因為在擺桿上 已經(jīng)預留了安裝ADIDS16355的位置，且它們的接口在MTK2812板上都可以使用。實施例五在倒立擺系統(tǒng)底座的下部四個拐角處各裝有一個腳輪7，是整個系統(tǒng)的移動裝置， 當移動到一個固定的位置時，可以利用腳輪7上固有的剎車裝置來固定倒立擺系統(tǒng)的位 置，以免在實驗過程中影響系統(tǒng)的控制。如果在實際調試過程中，發(fā)現(xiàn)倒立擺不是很容易控 制的話，也可以取掉四個腳輪7，降低倒立擺的高度，從而降低系統(tǒng)的重心。
權利要求
一種基于飛輪的倒立擺平衡控制系統(tǒng)，包括擺桿和底座，其特征在于在擺桿(5)的頂端固定一個包含有減速器的直流無刷伺服電機(4)，在電機旋轉軸的前端裝有一個可隨之一起旋轉的飛輪(1)，電機的另一端與增量式編碼器(13)連接；擺桿(5)的兩側安裝有傾角傳感器(15)和傾角速度傳感器(14)；擺桿的底部通過擺桿旋轉軸(9)與底座(8)上的擺桿支撐座(10)連接；底座(8)上布置有電源(19)、伺服驅動器(16)、電源轉接板(18)、運動控制器(17)，其中傾角傳感器(15)、傾角速度傳感器(14)的輸出端分別于運動控制器(17)連接，運動控制器(17)的輸出端與伺服驅動器(16)連接，伺服驅動器(16)的輸出端與增量式編碼器(13)連接，傾角速度傳感器(14)、伺服驅動器(16)、電機(4)分別由電源(15)直接供電，傾角速度傳感器(14)和運動控制器(17)由電源轉接板(18)將電源(15)的電壓轉換后供電。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種基于飛輪的倒立擺平衡控制系統(tǒng)，其特征在于在擺桿 (5)的兩側還對稱安裝有兩個側支架(6)。
3.根據(jù)權利要求1所述的一種基于飛輪的倒立擺平衡控制系統(tǒng)，其特征在于在底座 (8)的兩側放置豎直保護架(20)。
4.根據(jù)權利要求1所述的一種基于飛輪的倒立擺平衡控制系統(tǒng)，其特征在于所述的飛 輪(1)可以被設計成重量主要集中于圓周的形狀，以提高其轉動慣量。
5.根據(jù)權利要求1所述的一種基于飛輪的倒立擺平衡控制系統(tǒng)，其特征在于在底座 (8)四角的下部分別安裝有腳輪(7)。
6.根據(jù)權利要求5所述的一種基于飛輪的倒立擺平衡控制系統(tǒng)，其特征在于所述的腳 輪(7)具有各自的剎車系統(tǒng)。
7.根據(jù)權利要求1所述的一種基于飛輪的倒立擺平衡控制系統(tǒng)，其特征在于在飛輪 (1)中心套管的外部安裝一個軸承(2)，以為了減小飛輪重力對電機軸的壓力。
全文摘要
本發(fā)明屬于智能機器人范疇，尤其是一種能夠自主進行平衡控制的靜態(tài)不平衡機器人。本發(fā)明利用直流伺服電機控制飛輪沿著豎直方向旋轉，實現(xiàn)左右方向的平衡。檢測方面，為了實現(xiàn)擺桿在擺動過程中對自身姿態(tài)的檢測，采用基于微機械電子技術的慣性導航系統(tǒng)和傾角儀獲得擺桿的運動信息。安全性方面，在擺桿的兩側安裝了可以方便調節(jié)擺桿最大傾角的擺桿側支架，在實驗中既可以保護系統(tǒng)的元器件又能滿足不同的控制要求。為了減少控制難度，把一些電子器件如電源、運動控制器、伺服驅動器及電源轉接板等放在底座上，減少了擺桿的控制難度，增加了系統(tǒng)的穩(wěn)定性?？梢苿有苑矫妫鬃乃膫€拐角處安裝了帶有剎車功能的腳輪，便于系統(tǒng)在不同的地方進行調試。
文檔編號B25J13/00GK101850548SQ20101015122
公開日2010年10月6日 申請日期2010年4月16日 優(yōu)先權日2010年4月16日
發(fā)明者于乃功, 宋科科, 王啟源, 王昱峰, 阮曉鋼 申請人:北京工業(yè)大學