专利名称：平衡装置、方法和两轮机器人的制作方法
技术领域：
本发明涉及两轮机器人技术领域，具体而言，涉及一种维持两轮机器人平衡的平 衡装置、方法，以及一种自动维持平衡的两轮机器人。
背景技术：
在餐馆、办公室、医院、展会现场、大型会议集合大厅、车站及机场大厅等人员经常 走动的地方，迫切需要一种可运送食品、物品、药品、资料等任务的小型且移动灵活的自动 化作业工具，例如，小型的轮式移动机器人。目前，应用于服务的轮式移动机器人均为多轮(三轮或三轮以上)移动机器人，其 至少需要三个行走脚轮，缺点是①控制系统无法控制驱动系统实现原地转弯，不利于在狭 小空间内执行对灵活性要求比较高的任务；②当重心高于机器人的支撑机构时，机器人的 稳定性急速下降，在运动过程中、加速或减速的状态下重心会跳出由支撑机构组成封闭多 边形，造成系统整体失稳，进而倾翻。因此，相对于以上的多轮机器人，两轮机器人有着更高的适用性。现有技术中，存 在一种两轮直立式机器人本体的结构，包括头部、机身、基座，其中，头部与机身通过第一 弹簧连接，机身与基座通过第二弹簧连接，基座的底部左右两侧分别连接有左足轮和右足 轮，带动整个机器人本体移动。为该两轮机器人设置负载机构，即可以将该机器人应用于服 务场合，而使该两轮机器人维持平衡则是保证机器人能顺利工作的重要前提。现有技术中， 应用于该机器人结构的平衡方式的缺点是不能实现两轮机器人的负载变化的情况下的自 平衡。因此，需要一种平衡方式，能够使两轮机器人在其负载变化的情况下，动态地保持 平衡。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于，提供一种平衡方式，能够使两轮机器人在其负 载变化的情况下，动态地保持平衡。有鉴于此，本发明提供一种用于维持两轮机器人平衡的平衡装置，包括测量模 块，实时测量所述两轮机器人上的摆杆与竖直方向的夹角，其中，所述两轮机器人的容器通 过所述摆杆与所述两轮机器人的箱体连接，所述容器用于装载物品；控制模块，根据所述夹 角，对所述每个车轮的对应驱动电机的电枢电压进行调整，以使所述两轮机器人维持平衡。在上述技术方案中，优选地，所述测量模块通过陀螺仪来实时测量所述夹角。在上述技术方案中，优选地，所述测量模块还测量所述容器和所述物品的质量和， 测量所述每个车轮的瞬时转速，以及计算所述容器和所述物品的共同重心至所述两轮机器 人的两个车轮的轴线的距离，其中，所述两个车轮具有同一轴线；所述控制模块根据所述夹 角、所述质量和、所述瞬时转速和所述距离，来建立平衡关系，并根据所述平衡关系来调节 所述电枢电压。
在上述技术方案中，优选地，所述测量模块通过位于所述对应驱动电机上的质量 传感器来测量所述质量和，通过所述对应驱动电机的码盘来测量所述瞬时转速。在上述技术方案中，优选地，所述控制模块还结合所述对 应驱动电机的转矩变化 量、速度常数、减速比，以及所述摆杆受到的外部干扰力、所述两轮机器人的传动系统的静 摩擦力矩，来建立所述平衡关系，其中，所述外部干扰力、所述静摩擦力矩预先设置完成。在上述技术方案中，优选地，还包括设置模块，供设置所述外部干扰力和所述静 摩擦力矩。本发明还提供一种自动维持平衡的两轮机器人，包括上述平衡装置。本发明还提供一种用于维持两轮机器人平衡的平衡方法，包括步骤S202，实时 测量所述两轮机器人上的摆杆与竖直方向的夹角，其中，所述两轮机器人的容器通过所述 摆杆与所述两轮机器人的箱体连接，所述容器用于装载物品；步骤S204，根据所述夹角，对 所述每个车轮的对应驱动电机的电枢电压进行调整，以使所述两轮机器人维持平衡。在上述技术方案中，优选地，在所述步骤S202中，还测量所述容器和所述物品的 质量和，测量所述每个车轮的瞬时转速，以及计算所述容器和所述物品的共同重心至所 述两轮机器人的两个车轮的轴线的距离，其中，所述两个车轮具有同一轴线；在所述步骤 S204中，根据所述夹角、所述质量和、所述瞬时转速和所述距离，来建立平衡关系，并根据所 述平衡关系来调节所述电枢电压。在上述技术方案中，优选地，通过陀螺仪来实时测量所述夹角，通过位于所述对应 驱动电机上的质量传感器来测量所述质量和，通过所述对应驱动电机的码盘来测量所述瞬 时转速。通过上述技术方案，可以实现一种维持两轮机器人平衡的平衡装置、方法，以及一 种自动维持平衡的两轮机器人，能够使两轮机器人在其负载变化的情况下，动态地保持平衡。
图1是根据本发明的一个实施例的维持两轮机器人平衡的平衡装置的框图图2是根据本发明的一个实施例的维持两轮机器人平衡的平衡方法的流程图；图3是根据本发明的一个实施例的使用维持两轮机器人平衡的平衡方法的两轮 机器人的结构示意图；图4是根据本发明的一个实施例的使用维持两轮机器人平衡的平衡方法的两轮 机器人的力学平衡示意图。
具体实施例方式为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实 施方式对本发明进行进一步的详细描述。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可 以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明并不限于下面公开的具体实 施例的限制。图1是根据本发明的一个实施例的维持两轮机器人平衡的平衡装置的框图。
如图1所示，本发明提供一种用于维持两轮机器人平衡的平衡装置S100，包括 测量模块S102，实时测量所述两轮机器人上的摆杆与竖直方向的夹角，其中，所述两轮机器 人的容器通过所述摆杆与所述两轮机器人的箱体连接，所述容器用于装载物品；控制模块 S104，根据所述夹角，对所述每个车轮的对应驱动电机的电枢电压进行调整，以使所述两轮 机器人维持平衡。 在上述技术方案中，所述测量模块S102通过陀螺仪来实时测量所述夹角。在上述技术方案中，所述测量模块S102还测量所述容器和所述物品的质量和，测 量所述每个车轮的瞬时转速，以及计算所述容器和所述物品的共同重心至所述两轮机器人 的两个车轮的轴线的距离，其中，所述两个车轮具有同一轴线；所述控制模块S104根据所 述夹角、所述质量和、所述瞬时转速和所述距离，来建立平衡关系，并根据所述平衡关系来 调节所述电枢电压。在上述技术方案中，所述测量模块S102通过位于所述对应驱动电机上的质量传 感器来测量所述质量和，通过所述对应驱动电机的码盘来测量所述瞬时转速。在上述技术方案中，所述控制模块S104还结合所述对应驱动电机的转矩变化量、 速度常数、减速比，以及所述摆杆受到的外部干扰力、所述两轮机器人的传动系统的静摩擦 力矩，来建立所述平衡关系，其中，所述外部干扰力、所述静摩擦力矩预先设置完成。在上述技术方案中，还包括设置模块，供设置所述外部干扰力和所述静摩擦力 矩。本发明还提供一种自动维持平衡的两轮机器人，包括上述平衡装置S100。本发明还提供一种用于维持两轮机器人平衡的平衡方法，包括步骤S202，实时 测量所述两轮机器人上的摆杆与竖直方向的夹角，其中，所述两轮机器人的容器通过所述 摆杆与所述两轮机器人的箱体连接，所述容器用于装载物品；步骤S204，根据所述夹角，对 所述每个车轮的对应驱动电机的电枢电压进行调整，以使所述两轮机器人维持平衡。在上述技术方案中，在所述步骤S202中，还测量所述容器和所述物品的质量和， 测量所述每个车轮的瞬时转速，以及计算所述容器和所述物品的共同重心至所述两轮机器 人的两个车轮的轴线的距离，其中，所述两个车轮具有同一轴线；在所述步骤S204中，根据 所述夹角、所述质量和、所述瞬时转速和所述距离，来建立平衡关系，并根据所述平衡关系 来调节所述电枢电压。在上述技术方案中，通过陀螺仪来实时测量所述夹角，通过位于所述对应驱动电 机上的质量传感器来测量所述质量和，通过所述对应驱动电机的码盘来测量所述瞬时转 速。以下结合图3、图4对本发明的维持两轮机器人平衡的平衡方法进行说明。图3是 根据本发明的一个实施例的使用维持两轮机器人平衡的平衡方法的两轮机器人的结构示 意图。如图3所示，为本实施例中应用平衡方法进行平衡控制的一种两轮非稳定移动服 务机器人本体的结构容器1为圆盘形的，其直径为25cm，深5cm，材料为尼龙；容器也可以换成为长方体形。机器人箱体10由左右侧板、底板和顶盖组成，箱体外壳材料采用的是硬铝12，箱体 10 的尺寸为 35cmX46cmX 13cm。控制器7，它由PC/104板、电源板和驱动板组成。6为供电电池。该机器人的左右直流有刷驱动电机4和8，通过法兰固定于机器人箱体10上，两个 驱动电机4和8选用Maxon公司的直流电机RE40套件，为24V供电，额定电压为150W，配备 50 1的谐波减速器，最大输出扭矩为5Nm，电机4和8后端配有增量式光电编码器，精度 1000线。在电机的末端装有霍尔数字码盘，通过它控制器7可以读入左右电机4和8的转 角信号，通过控制器7的计算处理可以计算出转动角度和角 速度等。电机通过减速器与左 右两轮3和9连接。两个行走轮为两个完全相同的橡胶行走轮，直径为25cm。陀螺仪5包含两个部件角速度传感器和角度传感器，可以测得摆杆2与竖直方向 的夹角以及摆杆倾斜时的角速度。摆杆材料采用的是不锈钢材料，直径为25mm，长为60cm。 控制器7综合陀螺仪5和电机码盘反馈回来的信号，然后输出合适的信号，通过驱动器驱动 左右电机运转。质量传感器11为一组两个同质传感器，分别置于驱动电机4和驱动电机8上，用 来测定机器人负载的质量数据。如上所述的一种两轮移动服务机器人本体，其平衡方法进行平衡操作的步骤如 下步骤一、从驱动电机的产品说明书上获取转矩变化量k、速度常数1^、减速比I等 参数；同时，人为设定以下参数摆杆受到的外部干扰力Fdp，两轮服务机器人的传动系统的 静摩擦力矩Mf,所述两轮移动服务机器人本体在平衡状态下受到的总阻力矩Mf及地面摩擦 力提供的静阻力f ；测量得到左右两轮的半径r ；步骤二、获取托盘及托盘内物品的质量Hi1、摆杆与竖直方向的夹角θ、行走轮的瞬 时转速η ；在摆杆的上部安装质量传感器和陀螺仪，通过质量传感器获得托盘及托盘内物品 的质量Hi1 ；通过陀螺仪得到摆杆与竖直方向的夹角θ ；通过电机所带码盘测量得到行走轮 的瞬时转速η;步骤三、获取托盘及托盘内物品的重心到所述两轮机器人的左右两轮轴线间的距 离1 ；步骤四、判断机器人是否处于转弯状态，如果处于转弯状态，执行步骤八；否则，执 行步骤五；步骤五、根据如图4所示的机器人的力学平衡模型中的左右两行走轮的力矩平衡 关系得到公式1和公式2 Mf = niigl · sin θ +Fdp · 1+Mf(1)f · r+MF = 0(2)其中，Mf为机器人的阻力矩之和。根据直流电机的特性得到公式3和公式4 Md = i · k · (n0-n) X 1(Γ3(3)η0 = kn · Uind(4)其中，Md为瞬时转矩；Uind为线圈感应电压；两轮机器人在直线运动时实现平衡需满足公式5
Md 与 f · r = 0(5)步骤六、将公式1、公式2、公式3带入公式5，得到公式6 m.gl-sine + F -l + Mf =i-~{n0 - η)χIO"3
Αη ( 6 )将公式4带入公式6，得到公式7
mygl-sme + Fd -1 + Μf =i-~(kn-Uind - η)χIO'3
An( 7 )用电枢电压U代替线圈的感应电压Uind，公式7改写为
+Fdp-I +Mf =i-~(kn-U-n)xlO'3
Δη( 8 )步骤七、根据角度θ调节电压U，使两轮机器人达到平衡。步骤八、首先执行步骤五至步骤七的操作，使两轮机器人实现平衡；然后通过在两 电机上加载不同的电压值，使电机的运动速度不一致，达到实现两轮机器人的转弯运动的 目的。综上所述，根据本发明的技术方案，可以实现一种维持两轮机器人平衡的平衡装 置、方法，以及一种自动维持平衡的两轮机器人，使得两轮机器人相对于其他结构的机器 人，有如下优点①该两轮移动机器人具有体积小、重量轻、结构简单；②该两轮移动机器人能够在地面上任意移动、零半径转弯等特点；③该两轮移动机器人载物方便、迅捷，并且环保节能。以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技 术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修 改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
一种用于维持两轮机器人平衡的平衡装置，其特征在于，包括测量模块，实时测量所述两轮机器人上的摆杆与竖直方向的夹角，其中，所述两轮机器人的容器通过所述摆杆与所述两轮机器人的箱体连接，所述容器用于装载物品；控制模块，根据所述夹角，对所述每个车轮的对应驱动电机的电枢电压进行调整，以使所述两轮机器人维持平衡。
2.根据权利要求1所述的平衡装置，其特征在于，所述测量模块通过陀螺仪来实时测 量所述夹角。
3.根据权利要求1所述的平衡装置，其特征在于，所述测量模块还测量所述容器和所 述物品的质量和，测量所述每个车轮的瞬时转速，以及计算所述容器和所述物品的共同重 心至所述两轮机器人的两个车轮的轴线的距离，其中，所述两个车轮具有同一轴线；所述控制模块根据所述夹角、所述质量和、所述瞬时转速和所述距离，来建立平衡关 系，并根据所述平衡关系来调节所述电枢电压。
4.根据权利要求3所述的平衡装置，其特征在于，所述测量模块通过位于所述对应驱 动电机上的质量传感器来测量所述质量和，通过所述对应驱动电机的码盘来测量所述瞬时 转速。
5.根据权利要求3所述的平衡装置，其特征在于，所述控制模块还结合所述对应驱动 电机的转矩变化量、速度常数、减速比，以及所述摆杆受到的外部干扰力、所述两轮机器人 的传动系统的静摩擦力矩，来建立所述平衡关系，其中，所述外部干扰力、所述静摩擦力矩 预先设置完成。
6.根据权利要求5所述的平衡装置，其特征在于，还包括设置模块，供设置所述外部干扰力和所述静摩擦力矩。
7.一种自动维持平衡的两轮机器人，其特征在于，包括如权利要求1至6中任一项所述 的平衡装置。
8.一种用于维持两轮机器人平衡的平衡方法，其特征在于，包括步骤S202，实时测量所述两轮机器人上的摆杆与竖直方向的夹角，其中，所述两轮机器人的容器通过所述摆杆与所述两轮机器人的箱体连接，所述容器 用于装载物品；步骤S204，根据所述夹角，对所述每个车轮的对应驱动电机的电枢电压进行调整，以使 所述两轮机器人维持平衡。
9.根据权利要求8所述的平衡方法，其特征在于，在所述步骤S202中，还测量所述容器 和所述物品的质量和，测量所述每个车轮的瞬时转速，以及计算所述容器和所述物品的共 同重心至所述两轮机器人的两个车轮的轴线的距离，其中，所述两个车轮具有同一轴线；在所述步骤S204中，根据所述夹角、所述质量和、所述瞬时转速和所述距离，来建立平 衡关系，并根据所述平衡关系来调节所述电枢电压。
10.根据权利要求9所述的平衡方法，其特征在于，通过陀螺仪来实时测量所述夹角， 通过位于所述对应驱动电机上的质量传感器来测量所述质量和，通过所述对应驱动电机的 码盘来测量所述瞬时转速。
全文摘要
本发明提供一种用于维持两轮机器人平衡的平衡装置，包括测量模块，实时测量两轮机器人上的摆杆与竖直方向的夹角，其中，两轮机器人的容器通过摆杆与两轮机器人的箱体连接，容器用于装载物品；控制模块，根据夹角，对每个车轮的对应驱动电机的电枢电压进行调整，以使两轮机器人维持平衡。本发明还提供一种用于维持两轮机器人平衡的平衡方法，以及一种自动维持平衡的两轮机器人。通过本发明的技术方案，可以使两轮机器人在其负载变化的情况下，动态地保持平衡。
文档编号G05D1/08GK101980094SQ20101053430
公开日2011年2月23日 申请日期2010年11月3日 优先权日2010年11月3日
发明者戴福全, 李潮全, 白阳, 邵洁, 高学山, 黄强 申请人:北京理工大学