利用軸徑向反力驅(qū)動的自平衡搖擺行走機(jī)器人的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于智能機(jī)器人領(lǐng)域，具體涉及一種利用軸徑向反力驅(qū)動的自平衡搖擺行走機(jī)器人，包括相互連接的動作驅(qū)動部分和動作執(zhí)行部分，其特征在于：所述的動作驅(qū)動部分包括分別設(shè)置于X、Y軸方向的電機(jī)與旋轉(zhuǎn)物體模組，通過電機(jī)帶動旋轉(zhuǎn)物體加速/減速運(yùn)動，旋轉(zhuǎn)物體產(chǎn)生X或Y軸徑向反力；還包括用于監(jiān)控機(jī)器人的體位狀態(tài)并反饋給X、Y軸電機(jī)的元器件。本發(fā)明利用機(jī)器人內(nèi)部電機(jī)加速或減速轉(zhuǎn)動時帶動旋轉(zhuǎn)物體（例如飛輪）產(chǎn)生的徑向反力，給予機(jī)器人前傾、后仰、左右擺動的力，促使機(jī)器人邁步運(yùn)動，并運(yùn)用機(jī)器人內(nèi)部元器件實(shí)時監(jiān)控機(jī)器人的體位狀態(tài)，反饋給各軸電機(jī)以提供給機(jī)器人徑向力補(bǔ)償保證其前進(jìn)邁步所需的電機(jī)加速度，保持其自平衡。
【專利說明】利用軸徑向反力驅(qū)動的自平衡搖擺行走機(jī)器人
[0001]
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0002]本發(fā)明屬于智能機(jī)器人領(lǐng)域，具體涉及一種利用軸徑向反力驅(qū)動的自平衡搖擺行走機(jī)器人。
[0003]
【背景技術(shù)】
[0004]目前可見的機(jī)器人運(yùn)動模式為輪式運(yùn)動或關(guān)節(jié)運(yùn)動。即通過底盤輪子滾動帶動整體移動，或通過擬人的關(guān)節(jié)運(yùn)動來實(shí)現(xiàn)機(jī)器人運(yùn)動，從外觀看來，機(jī)器人雙腿與身體不斷相對運(yùn)動，其控制機(jī)構(gòu)相對復(fù)雜。
[0005]

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]為解決上述問題，本發(fā)明提供了一種區(qū)別于現(xiàn)有機(jī)器人運(yùn)動模式、外觀看來機(jī)器人雙腿與身體相對靜止的利用軸徑向反力驅(qū)動的自平衡搖擺行走機(jī)器人。其利用機(jī)器人內(nèi)部電機(jī)加速或減速轉(zhuǎn)動時帶動旋轉(zhuǎn)物體(例如飛輪)產(chǎn)生的徑向反力，帶動機(jī)器人擺動，即利用電機(jī)配合飛輪產(chǎn)生X軸、Y軸的力，給予機(jī)器人前傾、后仰、左右擺動的力，促使機(jī)器人邁步運(yùn)動，并運(yùn)用機(jī)器人內(nèi)部元器件實(shí)時監(jiān)控機(jī)器人的體位狀態(tài)，反饋給各軸電機(jī)以提供給機(jī)器人徑向力補(bǔ)償保證其前進(jìn)邁步所需的電機(jī)加速度，并防止機(jī)器人重心偏移過量而摔倒。其控 制機(jī)構(gòu)簡單，易實(shí)現(xiàn)。
[0007]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案為:利用軸徑向反力驅(qū)動的自平衡搖擺行走機(jī)器人，包括相互連接的動作驅(qū)動部分和動作執(zhí)行部分，其特征在于:所述的動作驅(qū)動部分包括分別設(shè)置于X、Y軸方向的電機(jī)與旋轉(zhuǎn)物體模組，通過電機(jī)帶動旋轉(zhuǎn)物體加速/減速運(yùn)動，旋轉(zhuǎn)物體產(chǎn)生X或Y軸徑向反力使整體重心偏移或擺動，并帶動動作執(zhí)行部分運(yùn)動；還包括用于監(jiān)控機(jī)器人的體位狀態(tài)并反饋給X、Y軸電機(jī)的元器件。
[0008]前述的利用軸徑向反力驅(qū)動的自平衡搖擺行走機(jī)器人，所述的X、Y軸呈現(xiàn)一夾角，X軸方向的電機(jī)與旋轉(zhuǎn)物體模組控制機(jī)器人的左右搖擺方向，Y軸方向的電機(jī)與旋轉(zhuǎn)物體模組控制機(jī)器人的前后搖擺方向，機(jī)器人的一次左右搖擺動作加上一次前后搖擺動作構(gòu)成一次邁步動作。
[0009]前述的利用軸徑向反力驅(qū)動的自平衡搖擺行走機(jī)器人，還包括與X、Y軸分別互呈夾角的Z軸和設(shè)置于Z軸方向的電機(jī)與旋轉(zhuǎn)物體模組，Z軸方向的電機(jī)與旋轉(zhuǎn)物體模組控制機(jī)器人的重心，Z軸方向的旋轉(zhuǎn)物體產(chǎn)生Z軸徑向反力使整體重心置中，以補(bǔ)償機(jī)器人的左右和前后搖擺動作時產(chǎn)生的重心偏移并實(shí)現(xiàn)機(jī)器人原地靜止不摔倒；χ/Y軸電機(jī)接收到機(jī)器人體位信息反饋后，通過調(diào)整電機(jī)加速度提供徑向力反饋，控制機(jī)器人左右和前后搖擺的重心偏移，防止其摔倒。[0010]前述的利用軸徑向反力驅(qū)動的自平衡搖擺行走機(jī)器人，所述的X、Y軸互相垂直，X軸與機(jī)器人的前后方向平行，X軸方向的旋轉(zhuǎn)物體位于垂直于機(jī)器人的前后方向的平面內(nèi)；Y軸與機(jī)器人的左右方向平行，Y軸方向的旋轉(zhuǎn)物體位于垂直于機(jī)器人的左右方向的平面內(nèi)。
[0011]前述的利用軸徑向反力驅(qū)動的自平衡搖擺行走機(jī)器人，所述的X、Y、Z軸互相垂直，X軸與機(jī)器人的前后方向平行，X軸方向的旋轉(zhuǎn)物體位于垂直于機(jī)器人的前后方向的平面內(nèi)；Y軸與機(jī)器人的左右方向平行，Y軸方向的旋轉(zhuǎn)物體位于垂直于機(jī)器人的左右方向的平面內(nèi)；2軸與機(jī)器人的重力方向相同，Z軸方向的旋轉(zhuǎn)物體位于垂直于機(jī)器人重力方向的平面內(nèi)。
[0012]前述的利用軸徑向反力驅(qū)動的自平衡搖擺行走機(jī)器人，所述的元器件檢測機(jī)器人的體位狀態(tài)，并將體位狀態(tài)反饋給X、Y、Z軸的電機(jī)，通過調(diào)整三軸電機(jī)加速度以實(shí)時提供機(jī)器人三軸的徑向力補(bǔ)償。
[0013]前述的利用軸徑向反力驅(qū)動的自平衡搖擺行走機(jī)器人，所述的動作執(zhí)行部分由左右雙腳構(gòu)成，旋轉(zhuǎn)物體產(chǎn)生的X軸徑向反力帶動機(jī)器人交替以左右腳為支點(diǎn)作左右搖擺動作，旋轉(zhuǎn)物體產(chǎn)生的Y軸徑向反力帶動機(jī)器人以雙腳為支點(diǎn)作前后搖擺動作。
[0014]前述的利用軸徑向反力驅(qū)動的自平衡搖擺行走機(jī)器人，所述的旋轉(zhuǎn)物體為飛輪。
[0015]前述的利用軸徑向反力驅(qū)動的自平衡搖擺行走機(jī)器人，所述的元器件為三軸加速度傳感器。
[0016]前述的利用軸徑向反力驅(qū)動的自平衡搖擺行走機(jī)器人，所述的軸徑向反力與旋轉(zhuǎn)物體加速旋轉(zhuǎn)時的旋轉(zhuǎn)方向相反，與旋轉(zhuǎn)物體減速旋轉(zhuǎn)時的旋轉(zhuǎn)方向相同。
[0017]本發(fā)明的機(jī)器人X軸電機(jī)帶動旋轉(zhuǎn)物體在進(jìn)行加速/減速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動時，旋轉(zhuǎn)物體產(chǎn)生的X軸徑向反力將帶動機(jī)器人交替以左右腳為支點(diǎn)做左右搖擺動作。機(jī)器人Y軸電機(jī)帶動旋轉(zhuǎn)物體在進(jìn)行加速/減速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動時，旋轉(zhuǎn)物體產(chǎn)生的Y軸徑向反力將帶動機(jī)器人以雙腳為支點(diǎn)做前后搖擺動作。左右腿交替向前邁步即實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人的前行或后退運(yùn)動。Z軸電機(jī)與旋轉(zhuǎn)物體模組起輔助平衡和運(yùn)動功能，其高速運(yùn)轉(zhuǎn)的陀螺效應(yīng)可幫助機(jī)器人保持重心置中；帶動旋轉(zhuǎn)物體做加速/減速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動時，旋轉(zhuǎn)物體產(chǎn)生的徑向反力可配合X/Y徑向力輔助機(jī)器人邁步動作。與其同時，元器件實(shí)時監(jiān)控機(jī)器人的體位狀態(tài)，并反饋給三軸電機(jī)產(chǎn)生徑向力補(bǔ)償，以防止機(jī)器人重心偏移過量而摔倒。
[0018]
【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]圖1為本發(fā)明的正面結(jié)構(gòu)圖；
圖2為本發(fā)明的側(cè)面結(jié)構(gòu)圖；
圖3為機(jī)器人俯視圖；
其中，1機(jī)器人本體，2三軸加速度傳感器，3 X軸電機(jī)飛輪模組，4 Y軸電機(jī)飛輪模組，5Z軸電機(jī)飛輪模組，6動作執(zhí)行部分，7 X軸徑向反力，8 Y軸徑向反力，9 Z軸徑向反力，10 X軸電機(jī)，11 Y軸電機(jī)，12 Z軸電機(jī)。
[0020]【具體實(shí)施方式】
[0021]下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
[0022]本發(fā)明提出了機(jī)器人的一新型的運(yùn)動模式，利用電機(jī)帶動旋轉(zhuǎn)物體(比如飛輪)進(jìn)行加速/減速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，加速度發(fā)生變化時飛輪產(chǎn)生的徑向反力為整體的驅(qū)動力。
[0023]值得注意的是，X\Y\Z軸電機(jī)與旋轉(zhuǎn)物體模組中的旋轉(zhuǎn)物體，可以為任一高轉(zhuǎn)動慣量的物體，本實(shí)施方式以飛輪舉例。元器件為任一能感知機(jī)器人體位變化并作出反饋的器件,如陀螺儀、三軸加速度傳感器等,本實(shí)施方式以三軸加速度傳感器舉例。本發(fā)明研究基礎(chǔ)為一人形機(jī)器人，其外型可做任意改變，任何借助此原理利用其自平衡和運(yùn)動效果的設(shè)計，均應(yīng)歸于本發(fā)明。本發(fā)明三軸為笛卡爾坐標(biāo)系相互垂直的Χ\Υ\Ζ三軸，任意夾角的三軸在分析時都可通過轉(zhuǎn)化為笛卡爾坐標(biāo)系，來實(shí)現(xiàn)本發(fā)明功能。
[0024]本發(fā)明為一人形、可行走、并能保持自平衡的機(jī)器人。其驅(qū)動方式不同于以往的輪式運(yùn)動或關(guān)節(jié)運(yùn)動，而是利用機(jī)器人內(nèi)部電機(jī)帶動飛輪旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的徑向反力，作為機(jī)器人運(yùn)動之驅(qū)動力，即動作驅(qū)動部分，并配合三軸加速度傳感器反饋控制，使機(jī)器人保持平衡狀況不摔倒，即實(shí)現(xiàn)機(jī)器人原地靜止不摔倒和邁步前進(jìn)兩項運(yùn)動。 [0025]機(jī)器人外觀上看，由機(jī)器人本體I和雙腳(即動作執(zhí)行部分6)兩部分組成，且兩部分保持相對靜止，機(jī)器人本體I內(nèi)部有X軸電機(jī)飛輪模組3、y軸電機(jī)飛輪模組4、Z軸電機(jī)飛輪模組5和一個三軸加速度傳感器2。
[0026]圖1為機(jī)器人正面圖，I為機(jī)器人本體,2為機(jī)器人內(nèi)部三軸加速度傳感器，3為X軸電機(jī)飛輪模組。X軸與機(jī)器人的前后方向平行，X軸方向的旋轉(zhuǎn)物體位于垂直于機(jī)器人的前后方向的平面內(nèi)。機(jī)器人X軸電機(jī)10帶動飛輪在進(jìn)行加速/減速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動時，飛輪產(chǎn)生的X軸徑向反力7將帶動機(jī)器人交替以左右腳為支點(diǎn)做左右搖擺動作。
[0027]圖2為機(jī)器人側(cè)面圖，I為機(jī)器人本體,2為機(jī)器人內(nèi)部三軸加速度傳感器，4為Y軸電機(jī)飛輪模組。Y軸與機(jī)器人的左右方向平行，Y軸方向的旋轉(zhuǎn)物體位于垂直于機(jī)器人的左右方向的平面內(nèi)。機(jī)器人Y軸電機(jī)11帶動飛輪在進(jìn)行加速/減速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動時，飛輪產(chǎn)生的Y軸徑向反力8將帶動機(jī)器人以雙腳為支點(diǎn)做前后搖擺動作。
[0028]圖3中，Z軸電機(jī)飛輪模組5起輔助平衡和運(yùn)動功能。Z軸與機(jī)器人的重力方向相同，Z軸方向的旋轉(zhuǎn)物體(飛輪)位于垂直于機(jī)器人重力方向的平面內(nèi)。其高速運(yùn)轉(zhuǎn)的陀螺效應(yīng)可幫助機(jī)器人保持重心置中；Ζ軸電機(jī)12帶動飛輪做加速/減速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動時，飛輪產(chǎn)生的Z軸徑向反力9可配合X\Yg向力輔助機(jī)器人邁步動作。值得一提的是，Z軸電機(jī)飛輪模組5并不是實(shí)現(xiàn)機(jī)器人邁步和自平衡的必需結(jié)構(gòu)，即采用X、Y軸電機(jī)飛輪模組和用于反饋控制的元器件即可實(shí)現(xiàn)相應(yīng)功能。
[0029]運(yùn)用機(jī)器人內(nèi)部三軸加速度傳感器2實(shí)時監(jiān)控機(jī)器人的體位狀態(tài)，反饋給各軸電機(jī)以提供給機(jī)器人徑向力補(bǔ)償保證其平衡不摔倒和前進(jìn)邁步所需的電機(jī)加速度，三軸加速度傳感器與X/Y/Z三軸電機(jī)飛輪模組配合可實(shí)時控制機(jī)器人左右和前后擺動的幅度。例如:假設(shè)機(jī)器人內(nèi)部x\y\z三電機(jī)初始均為正向順時針旋轉(zhuǎn)輸出，并始終保持順時針輸出不變；圖1中，當(dāng)X軸電機(jī)突然加速旋轉(zhuǎn)時，由于飛輪的作用，機(jī)器人整體受到一 X軸逆時針的徑向力，使得機(jī)器人以左腳為支點(diǎn)依逆時針方向旋轉(zhuǎn)；當(dāng)三軸加速度傳感器2感測到，機(jī)器人搖擺至左腳著地右腳懸空的體位時，發(fā)出信號給圖2中Y軸電機(jī)飛輪模組4 ;Υ軸電機(jī)帶動飛輪做減速旋轉(zhuǎn)時，產(chǎn)生一 Y軸順時針的徑向力，使機(jī)器人向前擺動，則機(jī)器人重心前移，使機(jī)器人懸空的右腳向前運(yùn)動；與此同時，機(jī)器人在X軸電機(jī)飛輪模組3做減速旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生一 X軸順時針的徑向力，使機(jī)器人向右擺動，右腳落地、左腳懸空；此時落地右腳的支點(diǎn)已經(jīng)前移，即機(jī)器人右腿向前邁步了。同理重復(fù)，再使機(jī)器人左腿向前邁步。
[0030]左右腿交替向前邁步即實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人的前行或后退運(yùn)動。與其同時，三軸加速度傳感器實(shí)時監(jiān)控機(jī)器人的體位狀態(tài)，并反饋給三軸電機(jī)產(chǎn)生徑向力補(bǔ)償，以防止機(jī)器人重心偏移過量而摔倒。
[0031]上述實(shí)施例不以任何形式限制本發(fā)明，凡采用等同替換或等效變換的方式所獲得的技術(shù)方案，均落在本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【權(quán)利要求】
1.利用軸徑向反力驅(qū)動的自平衡搖擺行走機(jī)器人，包括相互連接的動作驅(qū)動部分和動作執(zhí)行部分，其特征在于:所述的動作驅(qū)動部分包括分別設(shè)置于X、Y軸方向的電機(jī)與旋轉(zhuǎn)物體模組，通過電機(jī)帶動旋轉(zhuǎn)物體加速/減速運(yùn)動，旋轉(zhuǎn)物體產(chǎn)生X或Y軸徑向反力使整體重心偏移或擺動，并帶動動作執(zhí)行部分運(yùn)動；還包括用于監(jiān)控機(jī)器人的體位狀態(tài)并反饋給X> Y軸電機(jī)的兀器件。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用軸徑向反力驅(qū)動的自平衡搖擺行走機(jī)器人，其特征在于:所述的X、Y軸呈現(xiàn)一夾角，X軸方向的電機(jī)與旋轉(zhuǎn)物體模組控制機(jī)器人的左右搖擺方向，Y軸方向的電機(jī)與旋轉(zhuǎn)物體模組控制機(jī)器人的前后搖擺方向，機(jī)器人的一次左右搖擺動作加上一次前后搖擺動作構(gòu)成一次邁步動作。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的利用軸徑向反力驅(qū)動的自平衡搖擺行走機(jī)器人，其特征在于:還包括與x、Y軸分別互呈夾角的Z軸和設(shè)置于Z軸方向的電機(jī)與旋轉(zhuǎn)物體模組，Z軸方向的電機(jī)與旋轉(zhuǎn)物體模組控制機(jī)器人的重心，Z軸方向的旋轉(zhuǎn)物體產(chǎn)生Z軸徑向反力使整體重心置中，以補(bǔ)償機(jī)器人的左右和前后搖擺動作時產(chǎn)生的重心偏移并實(shí)現(xiàn)機(jī)器人原地靜止不摔倒；X/Y軸電機(jī)接收到機(jī)器人體位信息反饋后，通過調(diào)整電機(jī)加速度提供徑向力反饋，控制機(jī)器人左右和前后搖擺的重心偏移，防止其摔倒。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的利用軸徑向反力驅(qū)動的自平衡搖擺行走機(jī)器人，其特征在于:所述的X、Y軸互相垂直，X軸與機(jī)器人的前后方向平行，X軸方向的旋轉(zhuǎn)物體位于垂直于機(jī)器人的前后方向的平面內(nèi)；Y軸與機(jī)器人的左右方向平行，Y軸方向的旋轉(zhuǎn)物體位于垂直于機(jī)器人的左右方向的平面內(nèi)。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的利用軸徑向反力驅(qū)動的自平衡搖擺行走機(jī)器人，其特征在于:所述的X、Y、Z軸互相垂直，X軸與機(jī)器人的前后方向平行，X軸方向的旋轉(zhuǎn)物體位于垂直于機(jī)器人的前后方向的平面內(nèi)；Y軸與機(jī)器人的左右方向平行，Y軸方向的旋轉(zhuǎn)物體位于垂直于機(jī)器人的左右方向的平面內(nèi)2軸與機(jī)器人的重力方向相同，Z軸方向的旋轉(zhuǎn)物體位于垂直于機(jī)器人重力方向的平面內(nèi)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的利用軸徑向反力驅(qū)動的自平衡搖擺行走機(jī)器人，其特征在于:所述的元器件檢測機(jī)器人的體位狀態(tài)，并將體位狀態(tài)反饋給X、Y、Z軸的電機(jī)，通過調(diào)整三軸電機(jī)加速度以實(shí)時提供機(jī)器人三軸的徑向力補(bǔ)償。
7.根據(jù)權(quán)利要求1-6任意一項所述的利用軸徑向反力驅(qū)動的自平衡搖擺行走機(jī)器人，其特征在于:所述的動作執(zhí)行部分由左右雙腳構(gòu)成，旋轉(zhuǎn)物體產(chǎn)生的X軸徑向反力帶動機(jī)器人交替以左右腳為支點(diǎn)作左右搖擺動作，旋轉(zhuǎn)物體產(chǎn)生的Y軸徑向反力帶動機(jī)器人以雙腳為支點(diǎn)作前后搖擺動作。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的利用軸徑向反力驅(qū)動的自平衡搖擺行走機(jī)器人，其特征在于:所述的旋轉(zhuǎn)物體為飛輪。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的利用軸徑向反力驅(qū)動的自平衡搖擺行走機(jī)器人，其特征在于:所述的元器件為三軸加速度傳感器。
10.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的利用軸徑向反力驅(qū)動的自平衡搖擺行走機(jī)器人，其特征在于:所述的軸徑向反力與旋轉(zhuǎn)物體加速旋轉(zhuǎn)時的旋轉(zhuǎn)方向相反，與旋轉(zhuǎn)物體減速旋轉(zhuǎn)時的旋轉(zhuǎn)方向相同。
【文檔編號】B62D57/032GK103612687SQ201310671023
【公開日】2014年3月5日 申請日期:2013年12月12日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月12日
【發(fā)明者】錢佳, 王瑞娟, 王魯單, 程勝, 張建偉 申請人:昆山市工業(yè)技術(shù)研究院有限責(zé)任公司