专利名称：桌面型双轮自平衡机器人的制作方法
技术领域：
本发明是一种桌面型双轮自平衡机器人，属于机器人控制领域。
背景技术：
随着移动机器人研究的不断深入，双轮自平衡机器人已经成为机器人研究领域的研究热点。双轮机器人最大的特点在于，它能够实现自平衡，移动灵活，对环境变化适应能力比较强，与多轮机器人相比，它可以原地旋转，转向更加灵活，行动更加灵敏。Segway (赛格威)是双轮机器人的代表，它是以精密的陀螺仪来测量车身当前的角度状态，通过高速的CPU芯片处理所得姿态数据后，驱动电机做出相应运动以达到平衡效果。Segway问世后,广泛应用于超市,机场等公共场合。与Segway (赛格威)等一些大型双轮机器人相比，桌面型双轮机器人具有更广泛的实用性。首先，桌面型机器人的模块化的设计使它具有更强的扩展性；其次，较小的体积使它能够应用于更多的领域，比如对一些相对较小的洞穴的勘测等；再次，它的控制算法也比大型机器人简单；最后机器人的小型化使它的造价更加经济实惠，成本更加低廉。
发明内容
本发明的特点是，它的结构采用模块化设计，共由四个模块组成:主控模块，执行模块，感知模块以及电源模块，其功能丰富，可扩展性强。本发明的结构包括:主体支架1、固定在主体支架I下方的两个电机支架11、固定于两个电机支架11上的两个电机12、分别固定于两个电机12上的两个轮子9、固定于电机尾端的小磁铁15、通过铜柱4固定于主体支架I上的上层支架2、固定于主体支架I和上层支架2之间的控制芯片3、固定于主体支架I上的电池5和姿态传感器10、置于上层支架2上的电压转换器7、超声波传感器8及蓝牙模块6、以及固定于主体支架I下方两个电机12之间的霍尔传感器14、还有两个电机12前方的两个红外传感器13。电池5连接电压转换器7，为主控芯片3和电机驱动电路供电，超声波传感器8和红外传感器13以及霍尔传感器14的输出端分别与主控芯片3的输入端相连,主控芯片3的输出端与电机12相连。本发明可以获得如下功能:I)自由平衡。姿态传感器10检测机器人当前的姿态角度，将数据传输给控制芯片3，控制芯片3得出PWM波控制电机12运动，使得机器人维持平衡。2)定点平衡。保持机器人静态平衡状态下，推动机器人向前一段距离，霍尔传感器14测得机器人运动的具体位移，控制芯片3控制电机12向后移动相同的位置，使机器人回到原点位置。3)避障。机器人在平衡状态下运动，超声波传感器8不停的检测机器人前方路况，当超声波传感器8检测到前方有障碍物时，控制芯片3分别控制两个电机12的速度，实现机器人转弯，避开前方障碍物，实现避障。4)循迹。机器人在运动的过程中，置于前下方的两个红外传感器13利用红外线在不同颜色的物体表面具有不同的反射强度的特点，对轨迹进行识别，控制芯片3控制电机12运动，使机器人沿着既定的轨迹行走。5)远程遥控。机器人上安装有蓝牙模块6，它与手机和笔记本蓝牙配对。本发明结构简单，具有多种功能，并且具有较好的可拓展性。
图1为机器人总体结构图；图2为机器人下视结构图；图3为机器人的系统结构图；图4超声波传感器工作原理图；图5红外传感器工作原理图1 ;图6红外传感器工作原理图1I ；图6机器人循迹示意图。
图7机器人循迹示意图。 图中:1-下层支架，2-上层支架，3-主控芯片，4-铜柱，5-电池，6_蓝牙模块，7_电压转换器，8-超声波传感器，9-轮子，10-姿态传感器，11-电机支架，12-电机，13-红外传感器，14-霍尔传感器，15-小磁铁。
具体实施例方式下面结合附图对本发明进行进一步说明。首先对本发明的机械结构进行详细说明。如图1、图2所示，本发明的机械结构采用层式结构，成本低，易实现，易扩展。机器人的下层支架I和上层支架2均采用塑料玻璃板，较传统的金属底座，塑料玻璃板更加轻便，并且容易打孔，方便机器人日后的功能扩展。电机支架11通过左右各4个螺丝固定到机器人下支架I的下端，然后电机12通过上下各两个固定螺丝固定到电机支架11上，机器人的轮子9固定于电机12上，电机12尾端固定了检测位移用到的小磁铁15。轮子9采用的是硬质的塑料，塑料外圈套用橡胶制成的轮胎，比起普通标准的轮子，这种轮子更加轻便，可以大大减轻了电机的负担，从而减低了电机的功率，进而减少了电机的成本。上层支架2通过四根长铜柱4固定于下层支架I上，上面固定有电压转换器6以及超声波传感器7，并且方便日后机器人功能扩展以及其它各类传感器的安置。下面结合图3说明本发明的硬件系统结构。本发明一共由四个模块组成:主控模±夹，执行模块，感知模块以及电源模块。其中主控模块采用DFRduinoRoMeo主控制芯片3，执行模块是直流减速电机12，电源模块包括电池5和电压转换器7，感知模块包括姿态传感器10，超声波传感器8，霍尔传感器14，红外传感器13，蓝牙模块6。主控模块的RoMeo主控制芯片3是一块基于Arduino开放源代码的Simplel/Ο平台，具有使用类似java，C语言的开发环境。集成了 2路电机驱动模块(需单独供电)，无线数传和DF-Bluetooth蓝牙接口，多个数字与模拟IO扩展口，满足机器人实现各功能的要求。执行模块的直流减速电机12是大扭矩减速电机，额定电压为6V，额定转速为150转/分，扭力为6KG/CM，重量85G，且电机后端输出轴长为5毫米，可以安装小磁铁15。电机不仅满足机器人所需要的动力性能要求，而且方便测速装置的安装。电源模块中电池5采用7.4V的锂电池，不仅满足元器件的供电要求，而且轻小方便，通过电压转换器7的电压转换，可以分别给电机驱动模块和主控芯片供电，而主芯片有不同电压输出口，满足各传感器的供电需求。感知模块中姿态传感器10采用的是三轴加速度计与三轴陀螺仪融合模块MPU6050,体积小，易于安装，性价比很高，并且标准的I2C通信协议为线路的连接提供了大大的方便。位移传感器14用霍尔传感器，包含磁性检测元件，体积小作用距离长，信号稳定，可靠性高，频率范围广，可同时检测两个电机10的转动圈数，从而转化成机器人的位移，对位移进行时间微分即可获得机器人的速度。避障传感器8采用了 Parallax公司的PING)))超声波传感器，其最小检测距离为2CM，最大检测距离为3M。循迹传感器13采用的是TCRT5000红外传感器，其灵敏度高而且可调，四线制接口使电路连接更加方便，可有效的用于色相物料检验，所以可以很好的实现循迹功能。无线遥操作模块6采用JY-Bluetooth蓝牙模块，其风格设计简单，体积尺寸紧凑，LINK指示灯清晰明亮，用于显示模块工作状态，自带高效板载天线，天线外露使信号质量更好发射距离更远。综合图例说明本发明机器人各个功能实现的具体过程:I)自由平衡。自平衡是双轮机器人最基本也是最重要的特征。本发明采用MPU6050检测机器人当前姿态角度，利用三轴加速度计的X轴和Z轴进行反三角函数计算得出机器人当前偏离平衡位置的角度:angle_acc=arctan (ax/az)*180/η
其中angle_acc表示加速度计测量的机器人偏移角度，ax, az分别为加速度计X轴Z轴的即时测量值。利用三轴陀螺仪的Y轴测量机器人当前的角速度:Omega=(gy~Gy_offset)/Gy_gain其中Omega表示机器人当前角速度，gy为陀螺仪Y轴的即时测量值，Gy_offset为陀螺仪Y轴的满量程偏移量，Gy_gain为陀螺仪Y轴的比例因子。然后通过一阶互补滤波器，将角度与角速度融合滤波:Angle=a*(Anle+Omega*dt)+(l~a)*angle_acc其中Angle表示滤波后获得的角度值，a是由时间常数τ和采样频率dt决定的:
权利要求
1.一种桌面型双轮自平衡机器人，其特征在于:主体支架(I)、固定在主体支架(I)下方的两个电机支架(11)、固定于两个电机支架(11)上的两个电机(12)、分别固定于两个电机(12)上的两个轮子(9)、固定于电机尾端的小磁铁(15)、通过铜柱(4)固定于主体支架(I)上的上层支架(2)、固定于主体支架(I)和上层支架(2)之间的控制芯片(3)、固定于主体支架(I)上的电池(5)和姿态传感器(10)、置于上层支架(2)上的电压转换器(7)、超声波传感器(8)及蓝牙模块(6)、以及固定于主体支架(I)下方两个电机(12)之间的霍尔传感器(14)、还有两个电机(12)前方的两个红外传感器(13);电池(5)连接电压转换器(7)，为主控芯片(3)和电机驱动电路供电，超声波传感器(8)和红外传感器(13)以及霍尔传感器(14)的输出端分别与主控芯片(3)的输入端相连,主控芯片(3)的输出端与电机(12)相连。
2.根据权利要求1所述的一种桌面型双轮直立式自平衡机器人，其特征在于:实现如下功能: 1)自由平衡；姿态传感器(10)检测机器人当前的姿态角度，将数据传输给控制芯片(3 )，控制芯片(3 )得出PWM波控制电机(12 )运动，使得机器人维持平衡； 2)定点平衡；保持机器人静态平衡状态下，推动机器人向前一段距离，霍尔传感器(14)测得机器人运动的具体位移，控制芯片(3)控制电机(12)向后移动相同的位置，使机器人回到原点位置； 3)避障；机器人在平衡状态下运动，超声波传感器(8)不停的检测机器人前方路况，当超声波传感器(8)检测到前方有障碍物时，控制芯片(3)分别控制两个电机(12)的速度，实现机器人转弯，避开前方障碍物，实现避障； 4)循迹；机器人在运动的过程中，置于前下方的两个红外传感器(13)利用红外线在不同颜色的物体表面具有不同的反射强度的特点，对轨迹进行识别，控制芯片(3)控制电机(12)运动，使机器人沿着既定的轨迹行走； 5)远程遥控；机器人上安装有蓝牙模块(6)，它与手机和笔记本蓝牙配对。
全文摘要
本发明是一种桌面型双轮自平衡机器人，属于机器人控制领域。本机器人包括四个模块主控模块，电源模块，感知模块及执行模块。本发明通过姿态传感器感知机器人当前角度，使控制芯片经过一系列算法控制电机运动，维持机器人平衡；用霍尔传感器进行位移测量，将位移对时间微分可得到机器人速度，用超声波传感器检测障碍物信息，用红外传感器测机器人运动轨迹，实现机器人的定点平衡，避障，循迹等一系列的功能。该发明具有体积小，成本低，功能丰富，模块化设计，扩展能力强等优点，其应用范围更加广泛。
文档编号B25J5/00GK103170962SQ201310074108
公开日2013年6月26日 申请日期2013年3月8日 优先权日2013年3月8日
发明者于建均, 杜洪伟, 周路, 阮晓钢, 于乃功, 孙永芳, 张英坤 申请人:北京工业大学