可實現(xiàn)轉(zhuǎn)彎平衡的獨輪車裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及兩輪或獨輪自行車機(jī)器人應(yīng)用技術(shù)，具體為一種可實現(xiàn)轉(zhuǎn)彎平衡的獨輪車裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]獨輪車自平衡機(jī)器人具有靜態(tài)不穩(wěn)定而動態(tài)可穩(wěn)定的動力學(xué)特性，因其獨輪接地的特點而使其成為一種結(jié)構(gòu)輕巧、節(jié)能靈活的新型道路行走裝置，在快遞物流、服務(wù)表演等服務(wù)型行業(yè)具有潛在的應(yīng)用，因此受到人們廣泛的關(guān)注。
[0003]近年來，國內(nèi)外科研人員對獨輪車自平衡機(jī)器人機(jī)構(gòu)樣機(jī)的搭建和平衡控制策略的設(shè)計以及驗證等領(lǐng)域進(jìn)行了一系列相關(guān)的研究。目前在已有的獨輪車機(jī)器人中，大多是基于倒立擺模型的原理，一方面通過回轉(zhuǎn)軸相互正交的慣性轉(zhuǎn)輪機(jī)構(gòu)實現(xiàn)車體的轉(zhuǎn)彎和側(cè)向平衡，另一方面則通過電機(jī)驅(qū)動行走輪的運動保持車體的俯仰平衡。這種實現(xiàn)方法從結(jié)構(gòu)上看比較簡單、易于實現(xiàn)，而從控制原理上看有一定仿人類關(guān)節(jié)運動的效果。
[0004]例如，美國加州大學(xué)的Jascha van Pommeren等人研發(fā)的一種獨輪自平衡車機(jī)器人Unibot，這種獨輪車機(jī)器人成功地將“輪式倒立轉(zhuǎn)”和“慣性輪倒立轉(zhuǎn)”兩種理念結(jié)合在了一起。
[0005]日本村田制作所推出了一款能夠在獨輪車上騎行的機(jī)器人“村田婉童”?！按逄锿裢睓C(jī)構(gòu)設(shè)計與Unibot結(jié)構(gòu)相似，利用胸部安裝的慣性轉(zhuǎn)輪機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)獨輪車機(jī)器人的側(cè)向平衡，機(jī)器人雙足位于行走輪踏板上，驅(qū)動行走輪調(diào)節(jié)機(jī)器人的俯仰平衡。其研究人員對車體側(cè)向平衡和俯仰平衡的數(shù)學(xué)模型在小角度、小位移情況下進(jìn)行了結(jié)構(gòu)解耦，由此忽略了前后與側(cè)向動力學(xué)耦合影響。
[0006]與兩輪自平衡機(jī)器人相比，一方面獨輪機(jī)器人在結(jié)構(gòu)上更加簡單，也可節(jié)約空間和減輕整體重量。因此，獨輪車機(jī)器人在節(jié)能環(huán)保上更有優(yōu)勢。另一方面它將車體與地面接觸的面積降到最低使其運動更加靈活，但其多變量、強(qiáng)耦合、非線性的復(fù)雜動力學(xué)系統(tǒng)也使其側(cè)向平衡和轉(zhuǎn)彎等的控制難度加大。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提出了一種結(jié)構(gòu)簡單、可實現(xiàn)車體運動的轉(zhuǎn)彎控制并且大大降低車體運動平衡控制難度的可實現(xiàn)轉(zhuǎn)彎平衡的獨輪車
目.ο
[0008]能夠解決上述問題的可實現(xiàn)轉(zhuǎn)彎平衡的獨輪車裝置，其技術(shù)方案包括基于基體設(shè)置的俯仰平衡調(diào)節(jié)行走機(jī)構(gòu)、側(cè)向平衡調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)和轉(zhuǎn)彎調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，其中
[0009]1、所述側(cè)向平衡調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)包括上、下側(cè)向平衡框架和上、下側(cè)向平衡轉(zhuǎn)盤，各側(cè)向平衡框架通過左、右兩側(cè)的側(cè)向平衡框架轉(zhuǎn)軸安裝于基體的中下部，上、下側(cè)向平衡轉(zhuǎn)盤通過豎直轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)軸分別安裝于上、下側(cè)向平衡框架內(nèi)，所述基體上設(shè)有控制一個側(cè)向平衡框架作小角度正反轉(zhuǎn)的側(cè)向平衡框架驅(qū)動電機(jī)，同側(cè)的上、下側(cè)向平衡框架轉(zhuǎn)軸之間由傳動比為1: 1的側(cè)向平衡框架齒輪傳動副連接，各側(cè)向平衡框架上設(shè)有驅(qū)動對應(yīng)側(cè)向平衡轉(zhuǎn)盤高速旋轉(zhuǎn)的側(cè)向平衡轉(zhuǎn)盤驅(qū)動電機(jī)，基體上設(shè)有分別檢測各側(cè)向平衡框架轉(zhuǎn)動幅度的側(cè)向平衡框架編碼器，各側(cè)向平衡框架上設(shè)有檢測對應(yīng)側(cè)向平衡轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速的側(cè)向平衡轉(zhuǎn)盤編碼器。
[0010]2、所述俯仰平衡調(diào)節(jié)行走機(jī)構(gòu)包括獨輪和車叉，所述車叉安裝在基體的底部，所述獨輪于車叉內(nèi)安裝，車叉上設(shè)有驅(qū)動獨輪轉(zhuǎn)動的薄餅電機(jī)和檢測獨輪轉(zhuǎn)速的車輪編碼器。
[0011]3、所述轉(zhuǎn)彎調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)包括轉(zhuǎn)彎調(diào)節(jié)框架和轉(zhuǎn)彎調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)盤，所述轉(zhuǎn)彎調(diào)節(jié)框架通過左、右兩側(cè)的轉(zhuǎn)彎調(diào)節(jié)框架轉(zhuǎn)軸安裝于基體上部，所述轉(zhuǎn)彎調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)盤通過縱向轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)軸安裝于轉(zhuǎn)彎調(diào)節(jié)框架內(nèi)，所述基體上設(shè)有控制轉(zhuǎn)彎調(diào)節(jié)框架作小角度正反轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)彎調(diào)節(jié)框架驅(qū)動電機(jī)，轉(zhuǎn)彎調(diào)節(jié)框架上設(shè)有驅(qū)動轉(zhuǎn)彎調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)盤高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)彎調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)盤驅(qū)動電機(jī)，基體上設(shè)有檢測轉(zhuǎn)彎調(diào)節(jié)框架轉(zhuǎn)動幅度的轉(zhuǎn)彎調(diào)節(jié)框架編碼器，轉(zhuǎn)彎調(diào)節(jié)框架上設(shè)有檢測轉(zhuǎn)彎調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)彎調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)盤編碼器。
[0012]上述結(jié)構(gòu)中，利用底部獨輪于地面的運動實現(xiàn)獨輪車車體前、后俯仰運動平衡；利用中部側(cè)向平衡調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)中的上、下側(cè)向平衡轉(zhuǎn)盤自身的高速旋轉(zhuǎn)以及相對之間的小角度轉(zhuǎn)動而產(chǎn)生側(cè)向力矩實現(xiàn)車體側(cè)向運動平衡；利用上部轉(zhuǎn)彎調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)中轉(zhuǎn)彎調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)盤自身的高速旋轉(zhuǎn)運動和擺動產(chǎn)生力矩，該力矩的垂直分量實現(xiàn)車體的轉(zhuǎn)彎，該力矩的水平分量與側(cè)向平衡調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)產(chǎn)生的力矩共同調(diào)節(jié)車體的側(cè)向平衡。
[0013]為節(jié)省材料的消耗，所述側(cè)向平衡框架齒輪傳動副為扇形齒輪傳動副。
[0014]常規(guī)上，所述基體上設(shè)有實時檢測車體姿態(tài)并根據(jù)車體姿態(tài)向各電機(jī)發(fā)出驅(qū)動信號、同時接收各編碼器的反饋信號以進(jìn)一步修正各電機(jī)運轉(zhuǎn)的控制系統(tǒng)，所述控制系統(tǒng)包括通過相關(guān)電路連接的電池組、陀螺儀、無線模塊、運動控制器和和伺服驅(qū)動器。
[0015]本發(fā)明的有益效果:
[0016]1、本發(fā)明可實現(xiàn)轉(zhuǎn)彎平衡的獨輪車裝置不僅在物理結(jié)構(gòu)上實現(xiàn)了解耦，而且數(shù)學(xué)模型也是解耦的，因此控制更為簡單。
[0017]2、本發(fā)明通過側(cè)向平衡調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)達(dá)到側(cè)向平衡控制，通過轉(zhuǎn)彎調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)實現(xiàn)車體的轉(zhuǎn)彎，從而達(dá)到有效控制車體側(cè)向平衡和車體航向的目的。
【附圖說明】
[0018]圖1是本發(fā)明一種實施方式的立體結(jié)構(gòu)示意圖。
[0019]圖2是圖1實施方式的前視圖。
[0020]圖3是圖1實施方式的后視圖。
[0021]圖號標(biāo)識:1、基體；2、側(cè)向平衡框架；3、側(cè)向平衡轉(zhuǎn)盤；4、側(cè)向平衡框架轉(zhuǎn)軸；5、豎直轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)軸；6、側(cè)向平衡框架驅(qū)動電機(jī)；7、側(cè)向平衡轉(zhuǎn)盤驅(qū)動電機(jī)；8、側(cè)向平衡框架編碼器；9、側(cè)向平衡轉(zhuǎn)盤編碼器；10、獨輪；11、車叉；12、薄餅電機(jī)；13、車輪編碼器；14、伺服驅(qū)動器；15、轉(zhuǎn)彎調(diào)節(jié)框架；16、轉(zhuǎn)彎調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)盤；17、轉(zhuǎn)彎調(diào)節(jié)框架轉(zhuǎn)軸；18、側(cè)向平衡框架齒輪傳動副；19、縱向轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)軸；20、轉(zhuǎn)彎調(diào)節(jié)框架驅(qū)動電機(jī)；21、轉(zhuǎn)彎調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)盤驅(qū)動電機(jī)；22、轉(zhuǎn)彎調(diào)節(jié)框架編碼器；23、轉(zhuǎn)彎調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)盤編碼器；24、運動控制器；25、電池組；26、陀螺儀；27、無線模塊。
【具體實施方式】
[0022]下面結(jié)合附圖所示實施方式對本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步說明。
[0023]本發(fā)明可實現(xiàn)轉(zhuǎn)彎平衡的獨輪車裝置之技術(shù)方案包括基于基體1設(shè)置的俯仰平衡調(diào)節(jié)行走機(jī)構(gòu)、側(cè)向平衡調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)和轉(zhuǎn)彎調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)。
[0024]所述基體1由底板、中上部隔板、頂板和左、右側(cè)板構(gòu)成，如圖1、圖2、圖3所示。
[0025]所述側(cè)向平衡調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)設(shè)于底板和隔板之間的基體1中下部，包括側(cè)向平衡框架2 (框架呈水平，其長度方向為左、右的橫向，其內(nèi)部空間為前、后方向)和側(cè)向平衡轉(zhuǎn)盤3 (盤體呈水平)，上、下兩個側(cè)向平衡框架2分別通過左、右兩側(cè)的側(cè)向平衡框架轉(zhuǎn)軸4 (左右方向的水平軸)安裝在左、右側(cè)板之間，基體1的右側(cè)板上設(shè)有一對傳動比為1: 1的側(cè)向平衡框架齒輪傳動副18 (扇形齒輪構(gòu)成)，所述側(cè)向平衡框架齒輪傳動副18連接右側(cè)的上、下側(cè)向平衡框架轉(zhuǎn)軸4，上、下兩個側(cè)向平衡轉(zhuǎn)盤3分別通過豎直轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)軸5居中安裝于上、下側(cè)向平衡框架2內(nèi)；基體1的右側(cè)板上設(shè)置側(cè)向平衡框架驅(qū)動電機(jī)6，所述側(cè)向平衡框架驅(qū)動電機(jī)6通過齒輪傳動副連接右側(cè)下方的側(cè)向平衡框架轉(zhuǎn)軸4，對應(yīng)于上、下側(cè)向平衡框架2于基體1的左側(cè)板上分別設(shè)置上、下側(cè)向平衡框架編碼器8，上、下側(cè)向平衡框架編碼器8分別通過齒輪傳動副連接左側(cè)的上、下側(cè)向平衡框架轉(zhuǎn)軸4，各側(cè)向平衡框架2上均設(shè)有側(cè)向平衡轉(zhuǎn)盤驅(qū)動電機(jī)7和側(cè)向平衡轉(zhuǎn)盤編碼器9，所述側(cè)向平衡轉(zhuǎn)盤驅(qū)動電機(jī)7和側(cè)向平衡轉(zhuǎn)盤編碼器9分別通過齒輪傳動副連接豎直轉(zhuǎn)盤