專利名稱：走鋼絲機(jī)器人的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種行走機(jī)器人，尤其是一種可以在鋼絲上保持平衡并行走的走鋼絲機(jī)器人，屬于機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
以走鋼絲機(jī)器人的研究情況來看，國內(nèi)目前尚無研制成功的報(bào)道。經(jīng)文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，賈書惠在《力學(xué)與實(shí)踐》的2002年第1期撰寫的《飛輪的妙用》一文中，提到利用飛輪(陀螺)可以增加機(jī)器人和走鋼絲雜技演員的穩(wěn)定性，并為未展開深入探討，只提出了一種利用飛輪來提供平衡的可能。其余多數(shù)文獻(xiàn)中提及的陀螺均用于陀螺儀或傳感器，并沒有把陀螺直接用作穩(wěn)定裝置，如清華大學(xué)出版社出版的劉希珠、雷天玉主編的《陀螺力學(xué)基礎(chǔ)》(第三章)。利用陀螺提供機(jī)器人的穩(wěn)定性來設(shè)計(jì)走鋼絲機(jī)器人的方法國內(nèi)沒有更多的文獻(xiàn)提及。日本有過走鋼絲機(jī)械的表演，但這只是一個(gè)單支點(diǎn)立在鋼絲上的旋轉(zhuǎn)陀螺，加上機(jī)器人的外殼(兩點(diǎn)支撐在鋼絲上)以后不能保持平衡。在日本還有一種能在鋼絲上行走的機(jī)器人，但它的重心在鋼絲的下方，從嚴(yán)格的意義上講也不能認(rèn)為它是一種走鋼絲機(jī)器人。至于重心在支點(diǎn)上方的走鋼絲機(jī)器人，目前為止未見相關(guān)研究報(bào)道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對(duì)背景技術(shù)的不足，提供一種走鋼絲機(jī)器人，使其從數(shù)學(xué)角度揭示了兩支點(diǎn)走鋼絲機(jī)器人平衡原理，為機(jī)器人平衡直立機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)，同時(shí)通過控制使得整個(gè)機(jī)器人機(jī)構(gòu)能夠在鋼絲上站立，并成功實(shí)現(xiàn)了在鋼絲上的平衡及走動(dòng)。
本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的，本發(fā)明包括外部殼體、支撐輪、陀螺、內(nèi)環(huán)驅(qū)動(dòng)電機(jī)、內(nèi)環(huán)框架、外環(huán)框架、陀螺驅(qū)動(dòng)電機(jī)、阻尼器與傳感器，其連接方式為外部殼體固定于外環(huán)框架，外部殼體下方設(shè)有兩個(gè)制成輪，外部殼體并依靠兩個(gè)支撐輪站立在鋼絲上；陀螺安裝在內(nèi)環(huán)框架里，由一個(gè)固定在內(nèi)環(huán)框架上的恒速轉(zhuǎn)動(dòng)的陀螺驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，以固定角速度轉(zhuǎn)動(dòng)；內(nèi)環(huán)框架與外環(huán)框架呈正交結(jié)構(gòu)，可以相對(duì)于外環(huán)框架轉(zhuǎn)動(dòng)，其轉(zhuǎn)動(dòng)速度由固定在外環(huán)框架上的內(nèi)環(huán)驅(qū)動(dòng)電機(jī)提供；阻尼器和傳感器聯(lián)結(jié)于外環(huán)框架，檢測到機(jī)器人在鋼絲上的傾斜角度，并把它變成電信號(hào)，再經(jīng)過控制部分控制內(nèi)環(huán)驅(qū)動(dòng)電機(jī)。當(dāng)陀螺隨內(nèi)環(huán)一起按照一定的控制規(guī)律相對(duì)于外環(huán)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，所產(chǎn)生的陀螺力矩可以與機(jī)器人所受到的重力矩相平衡，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人站立在鋼絲上不倒。
當(dāng)機(jī)器人受到重力矩作用時(shí)，機(jī)器人會(huì)繞鋼絲偏轉(zhuǎn)。陀螺依靠電機(jī)以恒速運(yùn)轉(zhuǎn)以保證角動(dòng)量恒定。通過控制內(nèi)環(huán)驅(qū)動(dòng)電機(jī)來控制內(nèi)框架的進(jìn)動(dòng)速度從而控制陀螺力矩。合適的陀螺力矩會(huì)抵消重力矩。使用傳感器來檢測機(jī)器人的偏轉(zhuǎn)角度，然后將角度信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，再用該信號(hào)來控制內(nèi)環(huán)驅(qū)動(dòng)電機(jī)。這就組成了一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)。
陀螺隨著內(nèi)環(huán)框架一起在內(nèi)環(huán)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的作用下相對(duì)于外環(huán)框架旋轉(zhuǎn)，并且陀螺的重心位置高于內(nèi)環(huán)框架的轉(zhuǎn)動(dòng)軸線。整個(gè)機(jī)構(gòu)的平衡通過控制陀螺力矩的大小來抵消重力產(chǎn)生的傾倒力矩實(shí)現(xiàn)平衡。當(dāng)機(jī)構(gòu)發(fā)生傾倒時(shí)，高速旋轉(zhuǎn)陀螺會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的進(jìn)動(dòng)，并由于其陀螺效應(yīng)而產(chǎn)生陀螺力矩，與傾倒力矩相平衡。傳感器測出相應(yīng)傾角，進(jìn)而通過適當(dāng)?shù)目刂品椒刂齐姍C(jī)改變陀螺進(jìn)動(dòng)角速度，從而調(diào)節(jié)陀螺力矩與傾倒力矩相平衡，使得整個(gè)機(jī)構(gòu)的平衡能夠保持。本發(fā)明把陀螺固定在呈十字形正交的內(nèi)外環(huán)框架中，機(jī)器人外部殼體與外環(huán)框架固結(jié)，內(nèi)環(huán)框架和陀螺一起可以相對(duì)外框進(jìn)動(dòng)，通過電機(jī)控制這一進(jìn)動(dòng)速度就可以控制機(jī)器人外部殼體在鋼絲上以小角度擺動(dòng)。其關(guān)鍵就在于通過一種兩點(diǎn)支撐機(jī)器人結(jié)構(gòu)和相應(yīng)的閉環(huán)控制策略實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人平衡。這一設(shè)計(jì)克服了兩點(diǎn)支撐陀螺不能自平衡的缺點(diǎn)，并且，閉環(huán)控制策略又解決了兩點(diǎn)支撐陀螺在摩擦等因素影響下最終會(huì)失去平衡的問題。
本發(fā)明具有實(shí)質(zhì)性特點(diǎn)和顯著進(jìn)步，本發(fā)明真正實(shí)現(xiàn)了重心完全在鋼絲上方的機(jī)械系統(tǒng)的自平衡，通過閉環(huán)控制和相應(yīng)的控制策略解決了帶有兩支點(diǎn)框架支撐陀螺不能長久保持穩(wěn)定的問題。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)機(jī)械與控制系統(tǒng)的參數(shù)按照理論設(shè)計(jì)取定值時(shí)，機(jī)器人可以非常穩(wěn)定地在鋼絲上行走。


圖1本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖
具體實(shí)施例方式
如圖1所示，本發(fā)明包括外部殼體1、支撐輪2、陀螺3、內(nèi)環(huán)驅(qū)動(dòng)電機(jī)4、內(nèi)環(huán)框架5、外環(huán)框架6、陀螺驅(qū)動(dòng)電機(jī)7、阻尼器與傳感器8，其連接方式為外部殼體1固定于外環(huán)框架6，外部殼體1下方設(shè)有兩個(gè)支撐輪2，外部殼體1通過兩個(gè)支撐輪2站立在鋼絲上，陀螺3設(shè)置在內(nèi)環(huán)框架5里，恒速轉(zhuǎn)動(dòng)的陀螺驅(qū)動(dòng)電機(jī)7固定在內(nèi)環(huán)框架5上，內(nèi)環(huán)框架5與外環(huán)框架6呈正交結(jié)構(gòu)，可相對(duì)于外環(huán)框架6轉(zhuǎn)動(dòng)，其轉(zhuǎn)動(dòng)速度由內(nèi)環(huán)驅(qū)動(dòng)電機(jī)4提供，內(nèi)環(huán)驅(qū)動(dòng)電機(jī)4固定在外環(huán)框架6上，阻尼器和傳感器8聯(lián)結(jié)于外環(huán)框架6，檢測到機(jī)器人在鋼絲上的傾斜角度，并把它變成電信號(hào)，再經(jīng)過控制部分控制內(nèi)環(huán)驅(qū)動(dòng)電機(jī)。
陀螺3隨著內(nèi)環(huán)框架5一起在內(nèi)環(huán)驅(qū)動(dòng)電機(jī)4的作用下相對(duì)于外環(huán)框架6旋轉(zhuǎn)，并且陀螺3的重心位置高于內(nèi)環(huán)框架5的轉(zhuǎn)動(dòng)軸線。
機(jī)器人工作時(shí)，在陀螺驅(qū)動(dòng)電機(jī)7上施加恒定電壓，內(nèi)環(huán)驅(qū)動(dòng)電機(jī)4上施加控制電壓，機(jī)器人整體依靠支撐輪2站立在鋼絲上。陀螺3在內(nèi)環(huán)框架5中高速旋轉(zhuǎn)，通過控制內(nèi)環(huán)驅(qū)動(dòng)電機(jī)4來控制內(nèi)環(huán)框架5的轉(zhuǎn)動(dòng)速度，機(jī)器人可以繞鋼絲轉(zhuǎn)動(dòng)。根據(jù)陀螺力矩的產(chǎn)生原理和陀螺進(jìn)動(dòng)理論，機(jī)器人在鋼絲上的傾斜角和內(nèi)環(huán)框架5的轉(zhuǎn)動(dòng)速度有耦合關(guān)系，這樣，把內(nèi)環(huán)框架5的轉(zhuǎn)動(dòng)速度控制在一定范圍內(nèi)以后，機(jī)器人在鋼絲上的傾斜角就會(huì)保持在一定范圍內(nèi)。在通過支撐輪2，機(jī)器人就可以在鋼絲上前進(jìn)。
權(quán)利要求
1.一種走鋼絲機(jī)器人，包括外部殼體(1)、支撐輪(2)、內(nèi)環(huán)驅(qū)動(dòng)電機(jī)(4)、內(nèi)環(huán)框架(5)、外環(huán)框架(6)、阻尼器與傳感器(8)，其特征在于還包括陀螺(3)、陀螺驅(qū)動(dòng)電機(jī)(7)，其連接方式為外部殼體(1)固定于外環(huán)框架(6)，外部殼體(1)下方設(shè)有兩個(gè)支撐輪(2)，陀螺(3)設(shè)置在內(nèi)環(huán)框架(5)里，恒速轉(zhuǎn)動(dòng)的陀螺驅(qū)動(dòng)電機(jī)(7)固定在內(nèi)環(huán)框架(5)上，內(nèi)環(huán)框架(5)與外環(huán)框架(6)呈正交結(jié)構(gòu)，內(nèi)環(huán)驅(qū)動(dòng)電機(jī)(4)固定在外環(huán)框架(6)上，阻尼器和傳感器(8)聯(lián)結(jié)于外環(huán)框架(6)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的走鋼絲機(jī)器人，其特征是，陀螺(3)隨著內(nèi)環(huán)框架(5)一起在內(nèi)環(huán)驅(qū)動(dòng)電機(jī)(4)的作用下相對(duì)于外環(huán)框架(6)旋轉(zhuǎn)，并且陀螺(3)的重心位置高于內(nèi)環(huán)框架(5)的轉(zhuǎn)動(dòng)軸線。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的走鋼絲機(jī)器人，其特征是，外部殼體(1)通過兩個(gè)支撐輪(2)站立在鋼絲上，內(nèi)環(huán)框架(5)相對(duì)于外環(huán)框架(6)轉(zhuǎn)動(dòng)，其轉(zhuǎn)動(dòng)速度由內(nèi)環(huán)驅(qū)動(dòng)電機(jī)(4)提供。
全文摘要
一種走鋼絲機(jī)器人，屬于機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明包括外部殼體、支撐輪、陀螺、內(nèi)環(huán)驅(qū)動(dòng)電機(jī)、內(nèi)環(huán)框架、外環(huán)框架、陀螺驅(qū)動(dòng)電機(jī)、阻尼器與傳感器，外部殼體固定于外環(huán)框架，外部殼體下方設(shè)有兩個(gè)支撐輪，陀螺設(shè)置在內(nèi)環(huán)框架里，恒速轉(zhuǎn)動(dòng)的陀螺驅(qū)動(dòng)電機(jī)固定在內(nèi)環(huán)框架上，內(nèi)環(huán)框架與外環(huán)框架呈正交結(jié)構(gòu)，內(nèi)環(huán)驅(qū)動(dòng)電機(jī)固定在外環(huán)框架上，阻尼器和傳感器聯(lián)結(jié)于外環(huán)框架。本發(fā)明真正實(shí)現(xiàn)了重心完全在鋼絲上方的機(jī)械系統(tǒng)的自平衡，通過閉環(huán)控制和相應(yīng)的控制策略解決了帶有兩支點(diǎn)框架支撐陀螺不能長久保持穩(wěn)定的問題。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)機(jī)械與控制系統(tǒng)的參數(shù)按照理論設(shè)計(jì)取定值時(shí)，機(jī)器人可以非常穩(wěn)定地在鋼絲上行走。
文檔編號(hào)B25J5/02GK1472044SQ0312906
公開日2004年2月4日 申請日期2003年6月5日 優(yōu)先權(quán)日2003年6月5日
發(fā)明者周春林, 陳詩毅, 宋嘉仁, 韓天璞, 殷躍紅 申請人:上海交通大學(xué)