可實現自平衡的陀螺式獨輪車機器人系統技術方案

本實用新型專利技術公開了一種可實現自平衡的陀螺式獨輪車機器人系統，其陀螺機構包括陀螺轉子、內環架和外環架，陀螺轉子通過水平安裝于內環齒圈內并由轉子電機驅動自轉，內環齒圈安裝于內環架內并由內環齒圈電機驅動旋轉，內環架安裝于外環齒圈內，外環齒圈安裝于外環架內并由外環齒圈電機驅動旋轉，陀螺轉子的位置與內環齒圈正交，內環齒圈的位置與外環齒圈正交；其擺輪機構設于陀螺機構上，包括擺輪支架和擺輪，擺輪豎直安裝于擺輪支架上并由擺輪電機驅動旋轉；其獨輪機構設于陀螺機構下，包括獨輪和車叉，獨輪由車叉上的薄餅電機驅動旋轉。本實用新型專利技術利用陀螺機構作為穩定控制裝置，可以實現車體側向和前后雙穩定平衡控制。

【技術實現步驟摘要】

本技術涉及兩輪或獨輪自行車機器人，具體為一種可實現自平衡的陀螺式獨輪車機器人系統。
技術介紹
獨輪車機器人因其具有體型狹小、能源利用率高等優點而受到機器人研究人員的關注。利用其動態平衡特性，將它引入復雜地形環境，進行運輸和營救等功能；利用其外形纖細轉向靈活的特性，可實現對狹窄環境的監控與探測。國內對于獨輪車機器人的研究尚處于研究性階段，設計的獨輪車機器人大多基于飛輪倒立擺或平衡桿控制形式。國內對輪車機器人研究較多的是北京工業大學的阮曉鋼團隊，例如北京工業大學提出的《一種獨輪自平衡機器人系統》專利技術專利(專利公開號為CN102445944A),其機器人技術方案由一個可左右轉動的豎直放置的擺盤，用來實現機器人側向平衡控制；機身中間含有可轉動的水平放置的腰盤，用來實現機器人的航向控制；機身下部為一個可前后轉動的獨輪，用來實現機器人的前后平衡控制。東南大學提出的《一種可實現自平衡的獨輪機器人》技術專利(專利授權號為CN202362474U)其技術方案是基于平衡桿控制的機器人，該機器人能保持側向平衡和前后平衡，但缺少航向控制機構，很難實現轉彎等復雜運動。陀螺因其具有自穩定特性，不受磁場干擾等優點，廣泛應用于航空、航海、航天和國防工業中，大多作為陀螺儀或傳感器用，并沒有把陀螺直接用作穩定裝置。
技術實現思路
針對現有技術的不足，本技術所要解決的技術問題是提出了一種利用陀螺作為穩定裝置的可實現自平衡的陀螺式獨輪車機器人系統。能夠解決上述技術問題的可實現自平衡的陀螺式獨輪車機器人，其技術方案包括陀螺機構、擺輪機構和獨輪機構以及各機構運行的控制裝置，其中1、所述陀螺機構包括陀螺轉子、內環架和外環架，所述陀螺轉子通過轉子支架水平安裝于內環齒圈內并由支架上的轉子電機驅動自轉，所述內環齒圈安裝于內環架內并由內環架上的內環齒圈電機驅動旋轉，所述內環架安裝于外環齒圈內，所述外環齒圈安裝于外環架內并由外環架上的外環齒圈電機驅動旋轉；所述外環架豎直安裝于基板上，陀螺轉子的位置與內環齒圈正交，內環齒圈的位置與外環齒圈正交；所述支架上設有檢測陀螺轉子轉速的轉子編碼器，所述內環架上設有檢測內環齒圈轉速的內環齒圈編碼器，所述外環架上設有檢測外環齒圈轉速的外環齒圈編碼器。2、所述擺輪機構設于陀螺機構上方，包括擺輪支架和擺輪，所述擺輪支架安裝于外環架頂部，所述擺輪豎直安裝于擺輪支架上并由擺輪支架上的擺輪電機驅動旋轉，所述擺輪支架上設有檢測擺輪轉速的擺輪編碼器。3、所述獨輪機構設于陀螺機構下方，包括獨輪和車叉，所述車叉安裝于基板底部，所述獨輪安裝于車叉內并由車叉上的薄餅電機驅動旋轉，車叉上設有檢測獨輪轉速的獨輪編碼器。上述結構中，當高速自傳的陀螺轉子隨內環齒圈一起按照一定的控制規律相對于外環齒圈萬向轉動時，所產生的陀螺力矩可平衡機器人受到的重力矩，保持車身平衡和實現轉彎控制方式一；擺輪加減速與正反轉則提供車體傾倒力矩，使車體保持一定的傾角，實現轉彎控制方式二，進而可通過不同實驗方式和控制效果驗證曲線運動平衡控制的力學機理。為達到較好的控制效果，所述擺輪與外環架處于同一豎直平面內。更好的控制效果為所述獨輪的位置與擺輪正交。所述控制裝置包括通過相關電路連接的電池組、航姿測量傳感器、無線模塊、運動控制器和伺服驅動器，控制裝置實時檢測車體姿態并根據車體姿態向各電機發出驅動信號、同時接收各編碼器的反饋信號以進一步修正各電機運轉。本技術的有益效果：1、本技術可實現自平衡的陀螺式獨輪車機器人系統的陀螺機構可以實現陀螺轉子的萬向運動。2、本技術利用陀螺機構具有自穩定的特性、不受磁場干擾的特點，直接將其作為穩定控制裝置，不同于以往單一機構的單一控制，該陀螺機構可以實現車體側向和前后雙穩定平衡控制。3、本技術的獨輪可作為前后穩定控制機構，加強機器人的前后穩定平衡控制，也可作為純驅動機構，實現機器人的勻速運動。附圖說明圖1為本技術一種實施方式的立體結構示意圖。圖2為圖1實施方式中陀螺機構的立體結構示意圖。圖號標識：1、陀螺轉子；2、內環架；3、外環架；4、轉子支架；5、內環齒圈；6、轉子電機；7、內環齒圈電機；8、外環齒圈；9、外環齒圈電機；10、轉子編碼器；11、內環齒圈編碼器；12、外環齒圈編碼器；13、基板；14、擺輪支架；15、擺輪；16、擺輪編碼器；17、獨輪；18、車叉；19、薄餅電機；20、獨輪編碼器；21、陀螺機構；22、擺輪電機；23、無線模塊；24、運動控制器；25、伺服驅動器；26、電池組；27、航姿測量傳感器。具體實施方式下面結合附圖所示實施方式對本技術的技術方案作進一步說明。本技術可實現自平衡的陀螺式獨輪車機器人系統包括基于基板13設置的陀螺機構21、擺輪機構和獨輪機構以及各機構運行的控制裝置。所述陀螺機構21包括外環架3、外環齒圈8、內環架2、內環齒圈5、轉子支架4和陀螺轉子1。所述外環架3豎直設置并通過底座安裝于基板13上，所述外環齒圈8同軸設于外環架3內，外環架3上均布的四個外環齒圈驅動齒輪與外環齒圈8的外齒嚙合，其中一個外環齒圈驅動齒輪連接于外環架3上安裝的外環齒圈電機9上，于外環齒圈電機9的對稱位置，另一個外環齒圈驅動齒輪連接在外環架3上安裝的外環齒圈編碼器12上；所述內環架2豎直安裝于外環齒圈8內且位置與外環齒圈8正交，所述內環齒圈5同軸安裝于內環架2內，內環架2上均布的四個內環齒圈驅動齒輪與內環齒圈5的外齒嚙合，其中一個內環齒圈驅動齒輪連接在內環架2上安裝的內環齒圈電機7，于內環齒圈電機7的對稱位置，另一個內環齒圈驅動齒輪連接在內環架2上安裝的內環齒圈編碼器11；所述陀螺轉子1通過轉子支架4水平安裝于內環齒圈5內，所述轉子支架4底部和頂部分別安裝連接陀螺轉子1的轉子電機6和轉子編碼器10，如圖1、圖2所示。所述擺輪機構設于陀螺機構21之上，包括擺輪支架14和擺輪15，所述擺輪支架14通過連接座安裝于外環架3的頂部，所述擺輪15豎直安裝于擺輪支架14內且擺輪15與外環架3同處一豎直面內，擺輪支架14上安裝有分別與擺輪15輪圈內齒嚙合的擺輪電機22和擺輪編碼器16，如圖1、圖2所示。所述獨輪機構設于陀螺機構21下方，包括獨輪17和車叉18，所述車叉18的頂部穿過基板13與底座連接安裝，所述獨輪17安裝于車叉18的兩側叉體內，獨輪17的位置與擺輪15正本文檔來自技高網...

【技術保護點】
可實現自平衡的陀螺式獨輪車機器人系統，其特征在于：包括陀螺機構(21)、擺輪機構和獨輪機構以及各機構運行的控制裝置，其中①、所述陀螺機構包括陀螺轉子(1)、內環架(2)和外環架(3)，所述陀螺轉子(1)通過轉子支架(4)水平安裝于內環齒圈(5)內并由支架(4)上的轉子電機(6)驅動自轉，所述內環齒圈(5)安裝于內環架(2)內并由內環架(2)上的內環齒圈電機(7)驅動旋轉，所述內環架(2)安裝于外環齒圈(8)內，所述外環齒圈(8)安裝于外環架(3)內并由外環架(3)上的外環齒圈電機(9)驅動旋轉，所述外環架(3)豎直安裝于基板(13)上，陀螺轉子(1)的位置與內環齒圈(5)正交，內環齒圈(5)的位置與外環齒圈(8)正交，所述支架(4)上設有檢測陀螺轉子(1)轉速的轉子編碼器(10)，所述內環架(2)上設有檢測內環齒圈(5)轉速的內環齒圈編碼器(11)，所述外環架(3)上設有檢測外環齒圈(8)轉速的外環齒圈編碼器(12)；②、所述擺輪機構設于陀螺機構上方，包括擺輪支架(14)和擺輪(15)，所述擺輪支架(14)安裝于外環架(3)頂部，所述擺輪(15)豎直安裝于擺輪支架(14)上并由擺輪支架(14)上的擺輪電機(22)驅動旋轉，所述擺輪支架(14)上設有檢測擺輪(15)轉速的擺輪編碼器(16)；③、所述獨輪機構設于陀螺機構下方，包括獨輪(17)和車叉(18)，所述車叉(18)安裝于基板(13)底部，所述獨輪(17)安裝于車叉(18)內并由車叉(18)上的薄餅電機(19)驅動旋轉，車叉(18)上設有檢測獨輪(17)轉速的獨輪編碼器(20)。...

【技術特征摘要】
1.可實現自平衡的陀螺式獨輪車機器人系統，其特征在于：包括陀螺機構(21)、擺輪機構和獨輪機構以及各機構運行的控制裝置，其中
①、所述陀螺機構包括陀螺轉子(1)、內環架(2)和外環架(3)，所述陀螺轉子(1)通過轉子支架(4)水平安裝于內環齒圈(5)內并由支架(4)上的轉子電機(6)驅動自轉，所述內環齒圈(5)安裝于內環架(2)內并由內環架(2)上的內環齒圈電機(7)驅動旋轉，所述內環架(2)安裝于外環齒圈(8)內，所述外環齒圈(8)安裝于外環架(3)內并由外環架(3)上的外環齒圈電機(9)驅動旋轉，所述外環架(3)豎直安裝于基板(13)上，陀螺轉子(1)的位置與內環齒圈(5)正交，內環齒圈(5)的位置與外環齒圈(8)正交，所述支架(4)上設有檢測陀螺轉子(1)轉速的轉子編碼器(10)，所述內環架(2)上設有檢測內環齒圈(5)轉速的內環齒圈編碼器(11)，所述外環架(3)上設有檢測外環齒圈(8)轉速的外環齒圈編碼器(12)；
②、所述擺輪機構設于陀螺機構上方，包括擺輪支架(14)和擺輪(15)，所述擺輪支架(14)安裝于外環架(3)頂部，所述擺輪(15)豎直安裝于擺輪支...

【專利技術屬性】
技術研發人員：莊未，劉成舉，黃用華，李勝勇，黃渭，江漢，黃美發，劉夫云，鐘永全，
申請(專利權)人：桂林電子科技大學，
類型：新型
國別省市：廣西;45