水平陀螺結(jié)構(gòu)的獨(dú)輪自平衡機(jī)器人的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及獨(dú)輪機(jī)器人領(lǐng)域，特別涉及一種水平陀螺結(jié)構(gòu)的獨(dú)輪自平衡機(jī)器人。
【背景技術(shù)】
[0002]獨(dú)輪機(jī)器人是一種新概念的移動(dòng)機(jī)器人。與其它傳統(tǒng)行走機(jī)器人相比，獨(dú)輪機(jī)器人具有單點(diǎn)著地、體積小、運(yùn)動(dòng)靈活(可原地平衡并轉(zhuǎn)向)等特點(diǎn)，因此具有獨(dú)特的應(yīng)用前景。目前，國(guó)際上還沒(méi)有出現(xiàn)單一水平轉(zhuǎn)子陀螺結(jié)構(gòu)的獨(dú)輪自平衡機(jī)器人系統(tǒng)，而且現(xiàn)有獨(dú)輪機(jī)器人存在的抗干擾能力不足和控制方法復(fù)雜等問(wèn)題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]為了解決上述的技術(shù)問(wèn)題，本實(shí)用新型提供了一種水平陀螺結(jié)構(gòu)的獨(dú)輪自平衡機(jī)器人，利用陀螺的定軸性和穩(wěn)定性使一個(gè)二維倒立不穩(wěn)定系統(tǒng)變?yōu)橐粋€(gè)二維準(zhǔn)穩(wěn)定系統(tǒng)，然后根據(jù)進(jìn)動(dòng)原理，采用旋轉(zhuǎn)配重法對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行失衡修正，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)自平衡。通過(guò)控制行走電機(jī)的正反轉(zhuǎn)可以實(shí)現(xiàn)獨(dú)輪系統(tǒng)的平移運(yùn)動(dòng)；通過(guò)控制旋轉(zhuǎn)電機(jī)的加減速可以實(shí)現(xiàn)獨(dú)輪系統(tǒng)的轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)。
[0004]本實(shí)用新型解決上述技術(shù)問(wèn)題的方案如下:
[0005]水平陀螺結(jié)構(gòu)的獨(dú)輪自平衡機(jī)器人，包括機(jī)架、平衡電機(jī)、旋轉(zhuǎn)配重、控制電路板、旋轉(zhuǎn)電機(jī)、陀螺轉(zhuǎn)子、行走輪和行走電機(jī)，
[0006]所述機(jī)架為底面封閉的空心圓筒形，機(jī)架頂面安裝一個(gè)正方形的頂板，
[0007]所述平衡電機(jī)安裝在頂板上端面，旋轉(zhuǎn)配重的一端連接平衡電機(jī)，另一端懸空，控制電路板安裝在頂板下端面的幾何中心位置，控制電路板連接平衡電機(jī)、旋轉(zhuǎn)電機(jī)和行走電機(jī)，
[0008]所述旋轉(zhuǎn)電機(jī)安裝在機(jī)架的內(nèi)部，陀螺轉(zhuǎn)子安裝在旋轉(zhuǎn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)軸上，
[0009]所述行走輪安裝在機(jī)架的底面下端面，行走電機(jī)連接驅(qū)動(dòng)行走輪，
[0010]所述旋轉(zhuǎn)配重的旋轉(zhuǎn)軸、陀螺轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)軸與機(jī)架的中心軸同軸，行走輪的支撐點(diǎn)位于機(jī)架的中心軸上。
[0011]所述機(jī)架的底面上端面通過(guò)四個(gè)螺絲安裝一個(gè)減震平臺(tái)，底面上端面與減震平臺(tái)之間的四個(gè)螺絲外面套有橡膠球。
[0012]所述行走電機(jī)對(duì)行走輪的驅(qū)動(dòng)方式為:摩擦驅(qū)動(dòng)、齒輪驅(qū)動(dòng)、鏈條驅(qū)動(dòng)或者同軸驅(qū)動(dòng)。
[0013]本實(shí)用新型相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)具有如下的優(yōu)點(diǎn):
[0014]1、機(jī)器人的平衡:本水平陀螺結(jié)構(gòu)的獨(dú)輪自平衡機(jī)器人，利用陀螺的定軸性和穩(wěn)定性使一個(gè)二維倒立不穩(wěn)定系統(tǒng)變?yōu)橐粋€(gè)二維準(zhǔn)穩(wěn)定系統(tǒng)，然后根據(jù)進(jìn)動(dòng)原理，采用旋轉(zhuǎn)配重法對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行失衡修正，因此系統(tǒng)具有了很強(qiáng)的抗擾動(dòng)能力。旋轉(zhuǎn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)陀螺轉(zhuǎn)子勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，控制電路板檢測(cè)獨(dú)輪機(jī)器人的當(dāng)前姿態(tài)，控制電路板驅(qū)動(dòng)平衡電機(jī)，使旋轉(zhuǎn)配重隨動(dòng)施加在陀螺轉(zhuǎn)子進(jìn)動(dòng)方向上傾斜指向的超前90度方位，保持機(jī)器人處于平衡狀態(tài)。當(dāng)陀螺轉(zhuǎn)子的姿態(tài)發(fā)生失衡時(shí)，旋轉(zhuǎn)配重在其進(jìn)動(dòng)方向上傾斜指向的超前90度方位施加配重，可使陀螺轉(zhuǎn)子產(chǎn)生回正力矩。在回正力矩大于使陀螺產(chǎn)生失衡的傾斜力矩時(shí)，失衡的陀螺轉(zhuǎn)子會(huì)恢復(fù)到水平姿態(tài)。而且，當(dāng)水平陀螺轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，其具有良好的定軸性，外界對(duì)其的瞬間干擾會(huì)轉(zhuǎn)化為其章動(dòng)及進(jìn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)而不至于發(fā)生崩潰性失穩(wěn)，這為控制電路板驅(qū)動(dòng)平衡電機(jī)修正機(jī)器人的平衡提供了足夠的時(shí)間。
[0015]2、機(jī)器人的轉(zhuǎn)向:獨(dú)輪機(jī)器人的轉(zhuǎn)向則是依靠控制旋轉(zhuǎn)電機(jī)帶動(dòng)陀螺轉(zhuǎn)子的加減速來(lái)實(shí)現(xiàn)，比如，當(dāng)陀螺轉(zhuǎn)子加速時(shí)，產(chǎn)生的慣性輪加速扭矩大于地面和行走輪間的摩擦阻力矩，機(jī)器人定點(diǎn)轉(zhuǎn)向，轉(zhuǎn)向方向與加速度方向相同。同樣的，當(dāng)陀螺轉(zhuǎn)子減速時(shí)，機(jī)器人的轉(zhuǎn)向方向也與加速度方向相同。
[0016]3、機(jī)器人的直線(xiàn)運(yùn)動(dòng):行走電機(jī)驅(qū)動(dòng)行走輪，機(jī)器人便可以實(shí)現(xiàn)直線(xiàn)前進(jìn)或者直線(xiàn)后退的運(yùn)動(dòng)。
[0017]4、本實(shí)用新型的獨(dú)輪自平衡機(jī)器人運(yùn)動(dòng)靈活、結(jié)構(gòu)緊湊、成本低廉，能適應(yīng)復(fù)雜的工作環(huán)境，應(yīng)用前景廣泛，可以通過(guò)簡(jiǎn)單的控制來(lái)實(shí)現(xiàn)很強(qiáng)的定點(diǎn)平衡能力，并具有很強(qiáng)的抗擾動(dòng)能力，降低了系統(tǒng)的控制難度，使本獨(dú)輪機(jī)器人系統(tǒng)便于產(chǎn)品化。
【附圖說(shuō)明】
[0018]圖1是本實(shí)用新型的水平陀螺結(jié)構(gòu)的獨(dú)輪自平衡機(jī)器人的立體圖。
[0019]圖2是機(jī)器人另一角度立體圖。
[0020]圖3是機(jī)器人第三個(gè)角度立體圖。
[0021]圖4是圖3隱藏了機(jī)架的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。
【具體實(shí)施方式】
[0022]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步說(shuō)明。
[0023]如圖1、圖2、圖3和圖4所示的水平陀螺結(jié)構(gòu)的獨(dú)輪自平衡機(jī)器人，包括機(jī)架1、平衡電機(jī)2、旋轉(zhuǎn)配重3、控制電路板4、旋轉(zhuǎn)電機(jī)5、陀螺轉(zhuǎn)子6、行走輪7和行走電機(jī)8，
[0024]本實(shí)施例的控制電路板4選用四軸多旋翼MWC Multiffii SE v2.5飛控板(MWC編程器藍(lán)牙調(diào)試模塊)。
[0025]機(jī)架I為底面封閉的空心圓筒形，機(jī)架頂面安裝一個(gè)正方形的頂板9，
[0026]平衡電機(jī)2安裝在頂板9上端面，旋轉(zhuǎn)配重3的一端連接平衡電機(jī)2，另一端懸空，控制電路板4安裝在頂板9下端面的幾何中心位置，控制電路板4連接平衡電機(jī)2、旋轉(zhuǎn)電機(jī)5和行走電機(jī)8，
[0027]旋轉(zhuǎn)電機(jī)5安裝在機(jī)架I的內(nèi)部，陀螺轉(zhuǎn)子6安裝在旋轉(zhuǎn)電機(jī)5的旋轉(zhuǎn)軸上，
[0028]行走輪7安裝在機(jī)架I的底面下端面，行走電機(jī)8連接驅(qū)動(dòng)行走輪7，
[0029]旋轉(zhuǎn)配重3的旋轉(zhuǎn)軸、陀螺轉(zhuǎn)子6的旋轉(zhuǎn)軸與機(jī)架I的中心軸同軸，行走輪7的支撐點(diǎn)位于機(jī)架I的中心軸上。
[0030]機(jī)架I的底面上端面通過(guò)四個(gè)螺絲安裝一個(gè)減震平臺(tái)10，底面上端面與減震平臺(tái)10之間的四個(gè)螺絲外面套有橡膠球11。
[0031]行走電機(jī)8對(duì)行走輪7的驅(qū)動(dòng)方式為摩擦驅(qū)動(dòng)。
[0032]上述為本實(shí)用新型較佳的實(shí)施方式，但本實(shí)用新型的實(shí)施方式并不受上述內(nèi)容的限制，其他的任何未背離本實(shí)用新型的精神實(shí)質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡(jiǎn)化，均應(yīng)為等效的置換方式，都包含在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.水平陀螺結(jié)構(gòu)的獨(dú)輪自平衡機(jī)器人，其特征在于:包括機(jī)架、平衡電機(jī)、旋轉(zhuǎn)配重、控制電路板、旋轉(zhuǎn)電機(jī)、陀螺轉(zhuǎn)子、行走輪和行走電機(jī)， 所述機(jī)架為底面封閉的空心圓筒形，機(jī)架頂面安裝一個(gè)正方形的頂板， 所述平衡電機(jī)安裝在頂板上端面，旋轉(zhuǎn)配重的一端連接平衡電機(jī)，另一端懸空，控制電路板安裝在頂板下端面的幾何中心位置，控制電路板連接平衡電機(jī)、旋轉(zhuǎn)電機(jī)和行走電機(jī)，所述旋轉(zhuǎn)電機(jī)安裝在機(jī)架的內(nèi)部，陀螺轉(zhuǎn)子安裝在旋轉(zhuǎn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)軸上， 所述行走輪安裝在機(jī)架的底面下端面，行走電機(jī)連接驅(qū)動(dòng)行走輪， 所述旋轉(zhuǎn)配重的旋轉(zhuǎn)軸、陀螺轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)軸與機(jī)架的中心軸同軸，行走輪的支撐點(diǎn)位于機(jī)架的中心軸上。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的水平陀螺結(jié)構(gòu)的獨(dú)輪自平衡機(jī)器人，其特征在于:所述機(jī)架的底面上端面通過(guò)四個(gè)螺絲安裝一個(gè)減震平臺(tái)，底面上端面與減震平臺(tái)之間的四個(gè)螺絲外面套有橡膠球。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的水平陀螺結(jié)構(gòu)的獨(dú)輪自平衡機(jī)器人，其特征在于:所述行走電機(jī)對(duì)行走輪的驅(qū)動(dòng)方式為:摩擦驅(qū)動(dòng)、齒輪驅(qū)動(dòng)、鏈條驅(qū)動(dòng)或者同軸驅(qū)動(dòng)。
【專(zhuān)利摘要】本實(shí)用新型公開(kāi)了一種水平陀螺結(jié)構(gòu)的獨(dú)輪自平衡機(jī)器人，包括機(jī)架、平衡電機(jī)、旋轉(zhuǎn)配重、控制電路板、旋轉(zhuǎn)電機(jī)、陀螺轉(zhuǎn)子、行走輪和行走電機(jī)，機(jī)架為底面封閉的空心圓筒形，機(jī)架頂面安裝一個(gè)正方形的頂板，平衡電機(jī)安裝在頂板上端面，旋轉(zhuǎn)配重的一端連接平衡電機(jī)，另一端懸空，控制電路板安裝在頂板下端面的幾何中心位置，控制電路板連接平衡電機(jī)、旋轉(zhuǎn)電機(jī)和行走電機(jī)，旋轉(zhuǎn)電機(jī)安裝在機(jī)架的內(nèi)部，陀螺轉(zhuǎn)子安裝在旋轉(zhuǎn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)軸上，行走輪安裝在機(jī)架的底面下端面，行走電機(jī)連接驅(qū)動(dòng)行走輪，旋轉(zhuǎn)配重的旋轉(zhuǎn)軸、陀螺轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)軸與機(jī)架的中心軸同軸，行走輪的支撐點(diǎn)位于機(jī)架的中心軸上。本實(shí)用新型的獨(dú)輪自平衡機(jī)器人運(yùn)動(dòng)靈活、結(jié)構(gòu)緊湊、成本低廉。
【IPC分類(lèi)】B25J11/00
【公開(kāi)號(hào)】CN204673629
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201520377645
【發(fā)明人】陳潤(rùn)恩, 閆國(guó)琦, 黎志宏, 王偉超
【申請(qǐng)人】華南農(nóng)業(yè)大學(xué)
【公開(kāi)日】2015年9月30日
【申請(qǐng)日】2015年6月3日