本发明涉及一种行走装置结构及控制技术，特别是涉及如机器人等产品的平衡及运动控制。
背景技术：
市场上单轮/双轮平稳车、双足机器人、双轮足机器人、球形机器人等产品的需求越来越大，各公司之间的竞争越来越激烈，但是该类产品开发对平稳控制算法及部件加工精度要求都非常高，而且很难实现以下功能或者性能不达标：1、产品姿态控制不稳定容易跌倒；2、越障高度不足；3、不能上下楼梯或不能连续上下楼梯等；4、紧急制动的制动距离长，不能满足国家规定的安全制动距离；5、加速过慢等等。
技术实现要素：
本发明要解决的技术问题在于避免现有技术的不足之处而提出一种高速旋转控制力矩陀螺及对该陀螺的控制策略，利用控制力矩陀螺的陀螺力矩使得降低对姿态控制的控制难度、缩短紧急制动的距离、提升越障高度、实现连续的上下楼梯功能等。
本发明解决所述技术问题所采用的技术方案为：
设计一种自动滚动行走装置，包括主体和轮子，所述主体内设置有陀螺组件，该陀螺组件包括至少一对陀螺、控制陀螺主动偏转的偏摆电机以及控制一对陀螺偏摆速度相同但偏摆方向相反的反向同步机构；通过控制自动滚动行走装置主体重心发生变化所产生的重力矩使得陀螺被动偏摆，和或通过偏摆电机控制陀螺主动偏摆而产生的陀螺力矩进而利用该陀螺力矩控制所述行走装置的运动以及在运动过程中保持平衡。
进一步地：
所述自动滚动行走装置是双轮机器人、双轮平衡车或球形机器人，所述主体的转动轴和轮轴同轴，设置在主体内驱动轮子的驱动电机能驱动主体相对轮轴转动而产生的重力矩。
所述自动滚动行走装置是轮椅，所述主体设置的座椅前后移动而产生对轮轴的重力矩。
使所述自动滚动行走装置是双轮机器人、双轮平衡车或球形机器人用一种自动滚动行走装置是双轮机器人、双轮平衡车或球形机器人的姿态调整控制方法，包括以下步骤：
所述自动滚动行走装置接收到需要主体姿态调整的信息；
通过偏摆电机控制陀螺主动偏摆而产生的陀螺力矩使得自动滚动行走装置的主体相对轮轴转动。
一种基于上述自动滚动行走装置的加速控制方法，包括以下步骤：
所述自动滚动行走装置接收到需要加速的信息；
驱动电机大力矩加速驱动，由于受到反作用力矩，自动滚动行走装置的主体有向后翻转的趋势，而此时陀螺偏摆产生的陀螺力矩与反作用力矩平衡，自动滚动行走装置主体将保持姿态不变，驱动力矩的全部力矩传递给轮子，自动滚动行走装置将以最大的加速度前进；
检测是否达到目标速度，如果达到目标速度，则以目标速度匀速前进。
一种基于上述自动滚动行走装置的紧急制动控制方法，包括以下步骤：
检测到需要紧急制动；
自动滚动行走装置减速制动，由于受到反作用力矩和惯性力矩，自动滚动行走装置主体有向前翻转的趋势，而陀螺偏摆产生的陀螺力矩与反作用力矩和惯性力矩平衡，自动滚动行走装置主体将保持姿态不变；
检测自动滚动行走装置是否停住，如果停住，则制动完成。
一种基于上述自动滚动行走装置所述的越障控制方法，包括以下步骤：
先将自动滚动行走装置主体重心前移；
调整陀螺偏摆到最大可利用角度；
驱动电机对轮子施加力矩越障；此时设置偏摆电机的力矩为零，驱动电机驱动轮子转动一定角度，越过障碍。
将自动滚动行走装置主体恢复竖直状态。
一种基于上述自动滚动行走装置的上楼梯控制方法，包括以下步骤：
①先将自动滚动行走装置主体重心前移；
②调整陀螺偏摆到最大可利用角度；
③驱动电机对轮子施加力矩上楼；使陀螺处于被动偏摆状态，驱动电机驱动轮子转动一定的角度，上一级楼梯；
④重复步骤②和步骤③，直至上完整个楼梯。
一种基于上述自动滚动行走装置所述的下楼梯控制方法，包括以下步骤：
①用偏摆电机将陀螺偏摆到最大可利用角度；
②驱动电机驱动轮子向前滚动下楼梯，控制驱动电机给定速度为零，并用偏摆电机给陀螺施加与重力矩作用下陀螺自动偏摆方向相反的偏摆力矩，自动滚动行走装置此时在驱动电机及偏摆电机作用下缓慢滚动下楼，下完一级楼梯后自动滚动行走装置主体重心后移；
③将自动滚动行走装置主体调整为竖直状态；和
④重复步骤②和步骤③，直至下完整个楼梯。
一种基于上述自动滚动行走装置所述的下楼梯控制方法，包括以下步骤：
①用偏摆电机将陀螺偏摆到最大可利用角度；
②驱动电机驱动轮子向前滚动下楼梯，控制驱动电机给定速度为零，并用偏摆电机给陀螺施加与重力矩作用下陀螺自动偏摆方向相反的偏摆力矩，自动滚动行走装置此时在驱动电机及偏摆电机作用下缓慢滚动下楼，下完一级楼梯后自动滚动行走装置主体重心后移；
③驱动电机驱动轮子向前滚动下一级楼梯；
④重复步骤③，直至下完整个楼梯。
一种基于上述自动滚动行走装置所述的下楼梯控制方法，包括以下步骤：
①用偏摆电机将陀螺偏摆到最大可利用角度；
②偏摆电机将陀螺偏摆，产生的陀螺力矩使自动滚动行走装置主体重心后移；
③驱动电机驱动轮子向前，下一级楼梯；
④重复步骤③，直至下完整个楼梯。
与现有技术相比，本发明的技术效果在于：降低了姿态控制难度；提升了越障高度；能连续平稳上下楼梯；缩短了制动距离，提高制动性能；提高了加速度等等。
附图说明
图1是本发明自动滚动行走装置实施例为双轮机器人的结构示意图；
图2是本发明自动滚动行走装置实施例为双轮平衡车的结构示意图；
图3是本发明自动滚动行走装置实施例为双轮平衡车的结构示意图；
图4是本发明行走装置的陀螺装配结构及陀螺产生陀螺力矩但未偏转时的受力示意图；
图5是图4中的一对陀螺偏转后受力分解俯视示意图；
图6是现有技术中行走装置行走装置进行姿态调整时，在轮心处瞬间施加驱动力矩m的示意图；
图7是现有技术中行走装置主体受到驱动力矩的反作用力矩后，向与整机运动相反的反向倾斜一定角度α的示意图；
图8是现有技术中行走装置主体姿态调整完成，整机在这个过程中会向前运动了一段距离d的示意图；
图9是本发明自动滚动行走装置进行姿态调整时，偏摆电机发出驱动力矩使陀螺进动，一对陀螺产生陀螺力矩作用于主体的示意图；
图10是本发明自动滚动行走装置主体在陀螺力矩作用下，从初始位置发生倾斜的示意图；
图11是本发明自动滚动行走装置主体姿态调整完成，整机几乎不发生移动的示意图；
图12是本发明行走装置实施例双轮平衡车加速前进时的受力示意图；
图13是本发明行走装置实施例双轮机器人越障时的受力示意图；
图14是本发明行走装置实施例双轮机器人上楼梯时的准备状态示意图；
图15是本发明行走装置实施例双轮机器人上完第一节楼梯时的状态示意图；
图16是本发明行走装置实施例双轮机器人上第二节楼梯时的准备状态示意图；
图17是本发明行走装置实施例双轮机器人上完第二节楼梯时的状态示意图。
具体实施方式
现结合附图对本发明的实施例作详细说明。
一种自动滚动行走装置，包括主体和轮子，所述主体内设置有陀螺组件，该陀螺组件包括至少一对陀螺、控制陀螺主动偏转的偏摆电机以及控制一对陀螺偏摆速度相同但偏摆方向相反的反向同步机构；通过控制自动滚动行走装置主体重心发生变化所产生的重力矩使得陀螺被动偏摆，和或通过偏摆电机控制陀螺主动偏摆而产生的陀螺力矩进而利用该陀螺力矩控制所述行走装置的运动，该运动包括但不限于保持平衡、姿态调整、上下楼梯、越障、紧急加减速等等。本发明中，行走装置的主体是指除轮子以外的部分，以双轮机器人为例，主体包括设置在主体框架和设置在主体框架上的所有部件，比如头部与主体框架连接，那头部也属于主体的一部分。
一种实施例中，如图1所示，行走装置是双轮机器人，包括两个轮子11，以及可以相对轮轴能前倾和后仰的主体12，所述主体内设置有陀螺组件13，该陀螺组件包括至少一对陀螺14、控制陀螺主动偏转的偏摆电机15以及控制一对陀螺偏摆速度相同但偏摆方向相反的反向同步机构16，主体12底部设有驱动电机18。主体12上方设置有能相对主体12活动的头部17。
另一种实施例中，如图2所示，所述行走装置是双轮平衡车，包括两个轮子21，以及相对轮轴能前倾和后仰的主体22，所述主体内设置有陀螺组件23，该陀螺组件包括至少一对陀螺24、控制陀螺主动偏转的偏摆电机（图中未示）以及控制一对陀螺偏摆速度相同但偏摆方向相反的反向同步机构26，主体22底部设有驱动电机28。主体22前方向上延伸有用于驾驶者29控制方向的操纵杆27。
又一种实施例中，如图3所示，所述行走装置是轮椅，包括两个轮子31和主体32，所述主体内设置有陀螺组件33，该陀螺组件包括至少一对陀螺34、控制陀螺主动偏转的偏摆电机（图中未示）以及控制一对陀螺偏摆速度相同但偏摆方向相反的反向同步机构36。主体12底部设有驱动电机38。主体32上设置有可前后移动的用于使用者39就坐的座椅37。通过控制该主体的座椅前后移动而产生主体重心发生变化所产生的重力矩使得陀螺被动偏摆。
所述行走装置是双轮机器人、双轮平衡车或球形机器人时，所述主体的转动轴和轮轴同轴，设置在主体内驱动轮子的驱动电机能驱动主体相对轮轴转动而产生重力矩。所述自动滚动行走装置是轮椅，所述主体设置的座椅前后移动而产生重力矩。
本专利中，为保证只让陀螺产生所需方向上的力矩，而将另外方向的陀螺力矩相互抵销，那么陀螺需要成对设计。图4是陀螺产生陀螺力矩但未偏转时的受力示意图。图4中，x1和x2分别表示一对陀螺的自转轴，y1和y2表示分别表示一对陀螺支架轴，z1和z2分别表示一对陀螺偏摆轴，ω1和ω2分别表示一对陀螺的自转角速度，ω‘1和ω2’分别表示一对陀螺由反向同步机构控制的偏摆角速度。其中，ω1和ω2大小相同方向相反、ω‘1和ω2’也大小相同方向相反。当一对陀螺t1和t2偏摆到如图5所示的位置时，根据陀螺特性，将产生如图5所示矢量的陀螺力矩t1及t2,分解此两个矢量的陀螺力矩为t1’，t1’’和t2’，t2’’，这时相同矢量方向的t1’及t2’之和即为所需方向上的陀螺力矩，而t1’’和t2’’不是所需方向上的力矩，它们方向相反正好相互抵销。
行走装置的陀螺偏摆分为被动偏摆模式和主动偏摆模式，被动偏摆是指在机器人在运动过程中因来自路况等外部原因所产生外力矩而陀螺为了抵消外力矩产生的自然偏摆，主动偏摆是指行走装置发出信号控制偏摆电机产生所需角速度的偏摆。行走装置在一般情况下，是通过被动偏摆来适应各种工况下的平衡，但在特殊情况下，需要配合主动偏摆来协调完成动作和平衡。
主动偏摆的使用包括但不限于以下情况：
1.陀螺已经达到最大偏摆角度，需要将陀螺回摆至起始位置；
2.不需要陀螺自动偏摆的情况下，利用被动偏摆抵消自动偏摆；
3.跟随自动偏摆行程，以便对突发情况进行实时控制；
4.下楼梯时，抵消一部分重力矩，达到所设定的下楼梯力矩保证缓慢而稳定地下楼梯。
上述行走装置中，利用陀螺力矩控制所述行走装置的运动以及在运动中保持平衡的具体方法如下：
一、基于上述行走装置的姿态调整控制方法，包括以下步骤：
①所述自动滚动行走装置接收到需要主体姿态如前倾或后仰调整的信息；
②通过偏摆电机控制陀螺主动偏摆而产生的陀螺力矩使得自动滚动行走装置的主体相对轮轴转动。
现有双轮机器人和双轮平衡车等产品的主体姿态需要调整为前倾或者后仰时，需要驱动轮子瞬时输出较大力矩来达到姿态调整的目的，是间接调整方式，此时虽然姿态已调整好，但整机也已经发生了较大距离的位移，不利于机器人下一个动作的执行。
而基于本发明行走装置的结构，通过陀螺的偏摆电机驱动陀螺偏摆，陀螺便产生一个较大的陀螺力矩，该力矩会使主体的姿态前倾或后仰从而达到姿态调整的目的。由于该陀螺力矩是直接作用在所需调整的主体上，是直接调整的方式。完成姿态调整后，同时整机仅产生较短甚至不产生位移，便于机器人的下一个连惯动作执行。
现有技术中行走装置进行姿态调整时，在轮子l的轮心处瞬间施加驱动力矩m，整机有向前运动的趋势，见图6所示，主体z受到该力矩的反作用力矩，向与整机运动相反的反向倾斜一定角度α，见图7所示。由于轮子驱动力的存在，整机在这个过程中会向前运动了一段距离d，见图8。
本发明行走装置进行姿态调整时，偏摆电机发出驱动力矩使陀螺进动，从而产生陀螺力矩作用于主体，见图9所示。主体在陀螺力矩作用下，从初始位置发生倾斜，达到姿态控制目的，见图10。整个过程中，由于陀螺力矩未直接作用在轮子上，故整机几乎不发生移动，见图11。
二、基于上述行走装置的加速控制方法，包括以下步骤：
①所述自动滚动行走装置接收到需要加速的信息；
②驱动电机大力矩加速驱动，由于受到反作用力矩，自动滚动行走装置的主体有向后翻转的趋势，而此时陀螺偏摆产生的陀螺力矩与反作用力矩平衡，自动滚动行走装置主体将保持姿态不变，驱动力矩的全部力矩传递给轮子，自动滚动行走装置将以最大的加速度前进；
③检测是否达到目标速度，如果达到目标速度，则以目标速度匀速前进。
如果需要紧急加速，在步骤①之后步骤②之前，通过偏摆电机带动陀螺偏摆，产生陀螺力矩使得自动滚动行走装置的主体重心前移。
现有行走装置以双轮平衡车为例，若要加速，需驾驶者身体前倾，如不前倾是无法加速的。当身体前倾后重心偏移产生针对轮轴的重力矩，然后再驱动电机驱动轮子加速前进，在加速过程中，驱动电机在控制上施加的驱动力矩不能大于身体倾斜产生的重力矩，否则驾驶者身体将会向后翻倒，但仅靠倾斜的重力矩又不足获得足够的加速度。
而本发明行走装置如平衡车要加速前进时，驱动电机可直接驱动加速进行，也不需要驾驶者身体前倾。如图12所示，驱动电机以力矩m驱动轮子，由于反作用力矩m’的存在，会有让驾驶者与平衡车主体反向翻倒的趋势，但由于陀螺受到反作用力矩m’的作用，两个陀螺自然偏摆，产生抵销反作用力矩m’陀螺力矩t，又由于陀螺固定在主体底部，从而将使平衡车的姿态维持不变，不会向后发生翻倒。因此，平衡车即可以力矩m加速前进，不需要驾驶者身体前倾。如果配合身体前倾产生重力矩后前进加速度将进一步提升。
三、基于上述行走装置的紧急制动控制方法，包括以下步骤：
①检测到需要紧急制动；
②自动滚动行走装置减速制动，由于受到反作用力矩和惯性力矩，自动滚动行走装置主体有向前翻转的趋势，而陀螺偏摆产生的陀螺力矩与反作用力矩和惯性力矩平衡，自动滚动行走装置主体将保持姿态不变，驱动电机的所有制动力矩全部传递给轮子，机器人整机将以最大制动力矩减速制动；
③检测自动滚动行走装置是否停住，如果停住，则制动完成。
如果需要紧急刹车，在步骤①之后步骤②之前，利用偏摆电机带动陀螺偏摆使得自动滚动行走装置主体重心后移。
制动模式可以采取点刹制动模式，驱动力矩短时间瞬间力矩释放，电机制动力矩为0，此时主体处于重心后移状态，该状态产生的重力矩将使陀螺回摆一定角度。
现有技术中的行走装置以双轮机器人为例，在紧急制动时，制动力矩太小，那么制动时间过长，制动距离也较长，有的达到11米，存在较大安全隐患。制动力矩过大，机器人将不稳定，惯性力矩很可能使机器人出现翻倒风险。
而本发明可用较大的制动力矩完成紧急制动，并且制动过程中陀螺的定轴特性将稳定住惯性力矩所产生翻倒的趋势。从而使制动距离小于4米，达到国家安全标准。
四、基于上述行走装置的越障控制方法，包括以下步骤：
①先将自动滚动行走装置主体重心前移；
②调整陀螺偏摆到最大可利用角度；
③驱动电机对轮子施加力矩越障；此时设置偏摆电机的力矩为零，驱动电机驱动轮子转动一定角度，越过障碍。
④将自动滚动行走装置主体恢复竖直状态。
步骤①中，将自动滚动行走装置主体重心前移的方法，一些实施例中，可以采用：驱动电机瞬间对轮子字施加大力矩使得自动滚动行走装置的主体重心前移；或者通过偏摆电机控制陀螺主动偏摆而产生的陀螺力矩使得自动滚动行走装置的主体重心前移。
步骤④中，将行走装置重心前移回复竖直状态的方法，一些实施例中，可以采用：驱动电机瞬间对轮子字施加大力矩使得自动滚动行走装置的主体竖直；通过偏摆电机控制陀螺主动偏摆而产生的陀螺力矩使得自动滚动行走装置的主体竖直，或者同时驱动电机瞬间对轮子施加大力矩和通过偏摆电机控制陀螺主动偏摆而产生的陀螺力矩而使得自动滚动行走装置的主体竖直。
现有行走装置以双轮机器人为例，遇到较高障碍(大约200mm)时，驱动电机通过变速箱将较大驱动力矩驱动轮子越障，由于作用力与反作用的原因，机器人躯体将受到与驱动力矩大小相等，方向相反的反作用力矩m，而反作用力矩m’将会使机器人躯体沿着反作用力矩m’的方向发生旋转，此时驱动力矩m的大部分力矩将传递给机器人主体上，而传递给轮子的力矩非常小，因此机器人将无法成功越障。
但本发明行走装置如双轮机器人，如图13所示，由于陀螺的定轴特性，机器人躯体受到反作用力矩m’后，陀螺偏摆将产生陀螺力矩t，此时t与m’大小相等方向相反，两者相互抵销，机器人躯体也将保持姿态不变，不会发生旋转，所以，驱动力矩m可全部传递给轮子并成功越障。
五、基于上述行走装置的上楼梯控制方法，以双轮机器人为例包括以下步骤：
1．检测前方是否有楼梯。
一些实施例中，检测过程可以通过激光雷达扫描前方，检测前方楼梯与机器人的距离，并减速靠近楼梯。另一些实施例中，机器人正常行走，靠近楼梯后，轮子会被楼梯挡住，这时由于驱动电机使用的是速度模式，电流会增大，所以判断遇到楼梯等障碍物。
2．控制双轮对准楼梯。
一些实施例中，使用激光雷达对楼梯进行扫描，对比机器人本体位置，如两轮未对准楼梯，调节轮子转动，使两轮同时对准楼梯。另一些实施例中，给两个驱动电机较小的速度，判断两个轮子的电流差，如电流差超过一定的阈值，则判断为只有一个轮子卡住楼梯边缘。这时将电流小的轮子向前靠近，电流大的轮子向后退。循环执行对准的程序直到两个轮子都卡住楼梯边缘。
3.上第一级楼梯。
①将主体前倾到预定角度。
一些实施例中，偏摆电机或其他锁紧机构锁住陀螺的偏摆，驱动电机向后驱动，由于楼梯挡住机器人，此时主体前倾。使用imu惯性测量单元或者电机编码器检测主体前倾的角度。
另一些实施例中，使用被动模式即陀螺可自然偏摆，驱动电机向后驱动，此时陀螺偏摆，当陀螺偏摆到最大偏转角度时，主体前倾。使用imu或者电机编码器检测主体的角度
或者，利用偏摆电机直接驱动陀螺快速偏摆，产生的陀螺力矩将主体前倾。
②调整陀螺偏摆到最大可利用角度。
一些实施例中，控制驱动电机的力矩小于所述自动滚动行走装置主体的重力矩，陀螺在重力矩作用下，回摆到最大利用的角度。一些实施例中，控制驱动电机的力矩为零，能在最短时间内回摆到最大利用的角度。
另一些实施例中，控制驱动电机速度为零，使用偏摆电机，主动控制陀螺偏摆到最大可利用角度。
③两驱动电机施加力矩上楼。
设置偏摆电机的力矩为零，即陀螺在自然偏摆状态，驱动电机输出相同的大力矩驱动轮子转动一定的角度，即上楼梯。
4.上第二节楼梯。
①调整陀螺偏摆到最大可利用角度。
由于陀螺存在奇异点，即陀螺自转轴偏摆到陀螺力矩平行时将不输出陀螺力矩，那么机器人在上楼梯时不能持续地连续施加驱动力矩，如果连续驱动将会使陀螺达到奇异点。所以必须在完成第一级楼梯后，控制陀螺偏摆角度回复至原位即最大可利用角度。
一些实施例中，控制驱动电机的力矩小于所述自动滚动行走装置主体的重力矩，陀螺在重力矩作用下，回摆到最大利用的角度。一些实施例中，控制驱动电机的力矩为零，能在最短时间内回摆到最大利用的角度。
另一些实施例中，控制驱动电机速度为零，使用偏摆电机，主动控制陀螺偏摆到最大可利用角度。
②两驱动电机施加力矩上楼。
如此类推，直至检测到前方已经没有楼梯。
现有技术中的行走装置上楼梯，在轮心处施加驱动力矩；主体受到驱动力矩的反作用力矩，将发生倾斜，并在重力矩的作用下，倾斜角度迅速增大，主体不能维持平衡，易翻倒，而轮子又无法获得最大驱动力矩，整机也就无法完成爬楼梯工况。
本发明行走装置以双轮机器人为例，上楼时，第一步，调整机器人的主体前倾一定角度，以及调整陀螺偏摆到可最大可利用角度，如图14所示，为上楼做准备；第二步，驱动电机驱动轮子，陀螺以一定角速度偏摆，驱动力矩得以全部传递给轮子，使整机完成爬上第一节楼梯，如图15所示，此时一对陀螺的偏摆角度相对图12中的偏摆角度已经发生了变化；第三步，由于控制力矩陀螺存在奇异点，即陀螺自转轴偏摆到陀螺力矩平行时将不再输出陀螺力矩，所以机器人在上楼梯时不能连续施加驱动力矩，如果连续驱动将会使控制力矩陀螺达到奇异点。所以在完成第一节楼梯后，将控制陀螺偏摆的角度回复至原位或可最大可利用角度，即陀螺的偏摆角度回复到与图14中的位置，如图16所示，为上第二级楼梯做准备。一些实施例中，可以控制驱动电机的力矩为零，即驱动电机先不驱动，可以让陀螺在重力矩m的作用下，自动从图15所示的陀螺偏摆角度回摆到如图16所示的最大可利用角度。待陀螺偏摆到可最大利用偏摆行程的位置时，驱动电机再次驱动，完成翻越第二节楼梯，如图17所示。以此类推可连续上楼梯。
六、基于上述行走装置的下楼梯控制方法，包括以下步骤：
第一种下楼梯控制步骤：
1．下楼梯准备。
用偏摆电机将陀螺偏摆到最大可利用角度。
2．判断是否到达要下的楼梯边缘。
当陀螺进动角速度大于一定阈值时，判定机器人到达要下的楼梯边缘。
3.下第一级楼梯。
驱动电机驱动车轮向前驱动下楼梯，陀螺此时会往某一方向自然偏摆的趋势，但这时驱动电机给定速度为零（即让主体和陀螺无相对位置的变化），并用偏摆电机给陀螺施加反向的偏摆力矩，机器人此时在驱动电机及偏摆电机的作用下缓慢下楼，主体与整机一起翻滚。
4．确认下第一级楼梯是否成功。
此时下楼梯过程，陀螺所受的重力矩方向是不同的。当整机成功下一级楼梯瞬间，陀螺的偏摆方向即发生变化，此时传感器检测到方向变化即判定为成功下第一级楼梯。
5．检测双轮是否对准楼梯。
方法1、激光雷达对楼梯扫描，对比机器人本体位置，如两轮未对准楼梯，调节轮子转动，使两轮同时对准楼梯。
方法2、给两个主驱动电机较小的速度，判断两个轮子的电流差。如电流差超过一定的阈值，则判断为只有一个轮子卡住楼梯边缘。这时将电流小的轮子向前靠近，电流大的轮子向后退。循环执行对准的程序直到两个轮子都卡住楼梯边缘。
6．主体向后摆到设定角度。
方法1、偏摆电机或其他锁紧机构锁住陀螺的偏摆，驱动电机向后驱动，由于楼梯挡住机器人，此时主体被直接抬起。使用imu或者电机编码器检测主体的角度。
方法2、用被动模式(即陀螺可自然偏摆)。驱动电机向后驱动，此时陀螺偏摆，当陀螺偏摆到限位时，主体即可被抬起。使用imu或者电机编码器检测主体的角度。
7．下一级楼梯。
驱动电机驱动轮子向前慢速滚动下楼。
8．确认步骤7中的下楼梯是否成功。
此方式下楼梯过程，陀螺所受的重力矩方向是不同的。当整机成功下第一级楼梯瞬间，陀螺的偏摆方向即发生变化，此时传感器检测到方向变化即判定为成功下第一级楼梯。
9．重复步骤7和步骤8，直至下完楼梯，最后将主体恢复竖直状态。
第二种下楼梯控制步骤：
1．用偏摆电机将陀螺偏摆到最大利用的位置
2．偏摆电机以一定速度摆动陀螺，产生的陀螺力矩使主体向后抬起
3．检测是否到达楼梯边缘，当陀螺进动角速度大于一定阀值时，判定到达要下的楼梯边缘。
4．下一级楼梯，主驱动电机驱动车轮向前慢速驱动下楼。
5．确认下楼梯是否成功。下楼梯过程，陀螺所受的重力矩方向是不同的。当整机成功下楼梯瞬间，陀螺的偏摆方向即发生变化，此时传感器检测到方向变化即判定为成功下一节楼梯。
6．重复步骤4和步骤5，直至下完楼梯，最后将主体恢复竖直状态。
第三种下楼梯控制步骤：
1.下楼梯准备。用偏摆电机将陀螺偏摆到最大利用位置，但让主体保持在竖直状态。
2.判断机器人是否到达要下的楼梯边缘。当陀螺进动角速度大于设定阈值时，判定到达要下的楼梯边缘。
3.下一级楼梯。驱动电机驱动车轮向前驱动下楼梯，陀螺此时会有自然偏摆的趋势，这时驱动电机给定速度为零，并用偏摆电机给陀螺施加反向的偏摆力矩，机器人整机此时在驱动电机及偏摆电机作用下缓慢滚动下楼，此时主体与整机一起翻滚，主体前倾。
4.下完一节楼梯后，将主体调整为竖直状态。将驱动电机设置力矩为零，陀螺由于重力矩而自然偏摆，此时偏摆电机给陀螺施加反向的偏摆力矩，主体即可缓慢变为竖置状态。
6．重复步骤3和步骤4，直至下完楼梯。
应当理解的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，其部分细节可通过相应设计变更以其它的形式来实现。对本领域技术人员来说，可以对上述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改和替换，都应属于本发明所附权利要求的保护范围。