一种7DOF两轮多姿态机器人的制作方法

本发明属于轮式移动机器人技术领域，尤其涉及一种7dof两轮多姿态移动机器人。

背景技术：

目前，轮式移动机器人的发展面临前所未有的机遇与挑战，轮式移动机器人的应用也越来越广泛，涉及军用、民用、教育、科研等领域。一方面，机器人新技术发展日新月异，需要进一步加强理论与方法研究，加强面向信息化环境的控制、计算与通讯一体，以及控制、决策与管理一体化的研究。轮式机器人复杂的动力学模型，多学科交叉的分析与设计特点，以及复合控制、解耦控制、重构控制的方法与实时算法、抗干扰精确控制、无人系统自主化、姿态感知及评估及其对不确定性的适应性等内容的研究，对轮式机器人控制效果的姿态测试和实验提出了更高的要求。另一方面，随着人工智能技术与无人自主技术的发展，两轮多姿态机器人，包括无人驾驶自行车、两轮平衡车、独轮平衡车作为一种复杂的智能技术一直是控制领域、智能交通、机器人领域、人工智能等领域中热点研究对象，是各大中场院校教学、科研的实验载体，同时也是交通领域中用以代步的全便民装置、娱乐设施。

目前，自行车和平衡车是最常见的两轮车，但自行车只有在具有一定速度时才容易实现平衡，难以实现静止平衡；而平衡车虽然可以做到低速或者静止平衡，但难以做到高速行驶，且两轮同轴，不利于通过狭窄路段。为此，目前实现自主行驶的平衡车和自行车式机器人并不多见。较为常见的轮式机器人多为三轮或者四轮式移动机器人或者交通工具，其优点在于系统稳定，算法简单、易于控制，但这类机器人或者交通工具体积大、灵活性差、便捷性差，展示功能单一、趣味性差，难以实现多自由度的运动。

此外，作为教学、科研平台，三轮或者四轮移动机器人由于结构稳定、姿态变化单一，对高级控制算法和控制理论的考验和验证性较弱。

综上所述，本发明提供一种集训练、实验、教学、科研、代步、娱乐、运输等功能为一体，并可以实现多姿态变换的两轮多姿态移动机器人，对我国轮式机器人、双足仿人机器人、智能交通、便捷运输，以及人工智能等相关领域的发展具有重要的现实意义。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种集训练、实验、教学、科研、代步、娱乐、便捷运输等功能为一体，并可以实现多姿态变换的两轮多姿态移动机器人，对我国轮式机器人、双足仿人机器人、智能交通、便捷运输，以及人工智能等相关领域的发展具有重要的现实意义。

本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：

一种7dof两轮多姿态机器人，包括车体、左车轮、右车轮、一对车轮动力机构、一对车轮转向机构；一对车轮动力机构及一对车轮转向机构分别对称安装在车体左右两侧，一对所述车轮动力机构可分别与左车轮、右车轮固定连接并驱动其移动，所述车轮转向机构分别控制左车轮、右车轮的转向，使得左车轮、右车轮既可实现同轴的平衡车式运动，也可实现两轮平面平行的自行车式运动。

进一步的，所述车轮动力机构包括轮毂电机、轮毂电机支座机构、轮毂电机固联立轴、中空轴导电滑环、轮毂电机转向同步带轮；所述轮毂电机安装在车轮内，所述轮毂电机支座机构一端与轮毂电机的输出轴固定连接，另一端固定连接所述轮毂电机固联立轴的一端，所述轮毂电机固联立轴另一端固定安装所述轮毂电机转向同步带轮，所述中空轴导电滑环固定在轮毂电机固联立轴上，所述轮毂电机固联立轴通过轴承固定在所述车体上。

进一步的，所述车轮转向机构包括转向电机、连轴器、转向传动轴、转向输出带轮；所述转向电机固定在车体上，并通过联轴器与转向传动轴连接，所述转向传动轴通过轴承安装在车体上，所述转向输出带轮安装在转向传动轴上，并通过同步带与轮毂电机转向同步带轮连接，实现车轮的转向。

进一步的，所述车体包括壳体和骨架；所述骨架包括一对“几”字型侧板、电机安装板、转向传动轴安装板，一对所述侧板平行设置，且一对所述侧板之间的两侧对称固定安装所述电机安装板、转向传动轴安装板，所述转向电机固定安装在所述电机安装板上，所述转向传动轴穿过所述转向传动轴安装板并与其通过轴承固定连接。

进一步的，所述壳体包括外罩、车体底板、控制箱顶板、控制箱侧板，控制箱顶板、车体底板固定在“几”字型侧板上，控制箱侧板分别与车体底板、控制箱顶板固定连接共同形成控制箱，所述外罩能将所述控制箱及骨架罩在其内。

进一步的，还包括电气控制系统与姿态检测系统，所述电气控制系统与姿态检测系统包括轮毂电机驱动器、转向电机驱动器、工控机、陀螺仪、can通讯模块以及内置于电机的光电编码器；陀螺仪安装在车体上，用以检测机器人的运行姿态，所述光电编码器可以检测机器人运行的位置、转动方向角度；所述轮毂电机驱动器、转向电机驱动器、光电编码器、陀螺仪均与所述工控机电路连接，所述工控机通过can通讯模块与上位机通讯连接。

进一步的，所述轮毂电机支座机构包括固定螺母、竖连杆、横连杆；所述固定螺母与轮毂电机输出端通过轴承连接，所述竖连杆一端与固定螺母固定连接，另一端与横连杆一端固定连接，轮毂电机固联立轴一端与横连杆固定连接，所述竖连杆、横连杆上均设有加强筋。

本发明的优点和积极效果是：

1、本发明所述机器人具有7个自由度的运动，分别为：左/右驱动轮毂的旋转、左/右转向、机器人整体在轮毂电机的驱动下的前进、机器人车体以左/右两轮毂与地面的接触点所在的直线轴的旋转(侧向倾倒)、在左/右轮毂电机形成平衡车式运动时绕竖直轴自旋运动；

2、本发明的机器人，集实际应用、实验、教学、科研等功能为一体，可以实现7个自由度的运动，并可以实现机器人的多姿态变换，灵活、便捷，能完成特定场合下的运输、救援、代步、娱乐等功能；同时，本发明可以作为智能控制、人工智能、机器人等学科的典型教学、科研实验平台和研究载体，可以用以检验各种智能算法的有效性；

3、本发明在结构上具有轮式双足机器人的特点，既可以实现自行车式运动，也可以变换成两轮平衡车式运动，又可以实现绕竖直轴的自旋运动，姿态复杂、多样、是机器人、人工智能、智能控制等领域的典型的研究载体，对进一步推进我国机器人、智能控制、人工智能、智能交通等理论与技术的发展、应用领域的拓展、智能技术教育的普及、相关应用人才的培训、培养具有重大的意义。

附图说明

以下将结合附图和实施例来对本发明的技术方案作进一步的详细描述，但是应当知道，这些附图仅是为解释目的而设计的，因此不作为本发明范围的限定。此外，除非特别指出，这些附图仅意在概念性地说明此处描述的结构构造，而不必要依比例进行绘制。

图1为本发明实施例提供的7dof两轮多姿态机器人的外观示意图；

图2为图1中去掉部分结构后的示意图；

图3为本发明实施例中提供的车轮动力机构、车轮转向机构的结构示意图；

图4为本发明实施例中提供的机器人车体骨架结构示意图；

图5为本发明实施例中提供的机器人控制箱结构示意图；

图6为本发明实施例中外罩示意图；

图7为本发明实施例中提供的控制系统组成电气原理框图；

具体实施方式

首先，需要说明的是，以下将以示例方式来具体说明本发明的具体结构、特点和优点等，然而所有的描述仅是用来进行说明的，而不应将其理解为对本发明形成任何限制。此外，在本文所提及各实施例中予以描述或隐含的任意单个技术特征，或者被显示或隐含在各附图中的任意单个技术特征，仍然可在这些技术特征(或其等同物)之间继续进行任意组合或删减，从而获得可能未在本文中直接提及的本发明的更多其他实施例。另外，为了简化图面起见，相同或相类似的技术特征在同一附图中可能仅在一处进行标示。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面就结合图1至图7来具体说明本发明。

实施例1

如图1～7所示，本实施例提供的一种7dof两轮多姿态机器人，包括车体、左车轮28、右车轮29、一对车轮动力机构2、一对车轮转向机构3；一对车轮动力机构2及一对车轮转向机构3分别对称安装在车体左右两侧，一对所述车轮动力机构可分别与左车轮、右车轮固定连接并驱动其移动，所述车轮转向机构分别控制左车轮、右车轮的转向，使得左车轮、右车轮既可实现同轴的平衡车式运动，也可实现两轮平面平行的自行车式运动。

本实施例所述的车体包括壳体和骨架4；所述骨架4包括一对“几”字型侧板，如图4中，侧板16、25，电机安装板23、两片转向传动轴安装板19、21，一对所述侧板平行设置，且一对所述侧板之间的两侧对称通过螺丝安装所述电机安装板、转向传动轴安装板，所述转向电机固定安装在所述电机安装板上，所述转向传动轴穿过所述转向传动轴安装板并与其通过轴承固定连接；所述壳体包括外罩27、车体底板5、控制箱顶板26、控制箱侧板1，控制箱顶板26、车体底板5固定在“几”字型侧板上，控制箱侧板分别与车体底板5、控制箱顶板26固定连接共同形成控制箱，所述外罩27能将所述控制箱及骨架罩在其内。

在本实施例中，所述车轮动力机构2包括：轮毂电机14、轮毂电机支座机构、轮毂电机固联立轴9、中空轴导电滑环8、立轴轴承支座7、轮毂电机转向同步带轮6；所述轮毂电机14为轮毂式直流伺服电机，安装在左车轮或/和右车轮内，通过轮毂电机支座机构与轮毂电机的输出轴固定在一起；在本实施例中，所述轮毂电机14为单出轴电机，针对单出轴电机的结构，可以考虑：所述轮毂电机支座机构包括固定螺母13、竖连杆11、横连杆10、竖连杆加强筋12、横连杆加强筋15；所述轮毂电机固联立轴9与横连杆10通过螺丝固定连接，所述中空轴导电滑环8内圈固定在轮毂电机固联立轴9上；所述轮毂电机固联立轴9与立轴轴承支座7通过轴承安装在一起，可以绕轴线旋转；所述轮毂电机转向同步带轮6安装在轮毂电机固联立轴上端，且通过同步带18与车轮转向机构3连接，并由转向电机24驱动可以实现360度的旋转运动。

本实施例中的轮毂电机14为单出轴电机，但本发明并不限于此类电机，凡能实现所述功能的传动或者动力装置均可以，例如还可以采用双出轴的轮毂电机，则相应的轮毂电机支座机构可以采用自行车轮毂的安装方式。

本实施例的所述车轮转向机构3包括转向电机24、连轴器22、转向传动轴20、转向输出带轮17；所述转向电机24固定在电机安装板23上，通过联轴器22与转向传动轴20连接，所述转向传动轴20通过轴承安装在转向传动轴安装板19、21之间，所述转向输出带轮17安装在转向传动轴20上端，并通过同步带18与轮毂电机转向同步带轮6连接，实现轮毂电机14转向；

具体的，在本实施例中，所述车轮转向机构3所有结构件之间的安装均遵循典型的机械传动设计与安装的一般原理。

还包括电气控制系统与姿态检测系统，所述电气控制系统与姿态检测系统包括轮毂电机驱动器、转向电机驱动器、工控机、陀螺仪、can通讯模块以及内置于轮毂电机及转向电机的光电编码器；工控机运行速度和数据处理能力强，可以实现高复杂度控制算法和扩展多种智能算法，包括基于人工智能、模式识别理论与技术的无人驾驶算法、定位、循迹、地图构建等；陀螺仪安装在车体上，用以检测机器人的左右、前后、俯仰、横滚等运行姿态，所述光电编码器可以检测电机的旋转角度及角速度，以此可解算出机器人行驶的距离、速度、加速度、方向；所述轮毂电机驱动器、转向电机驱动器、光电编码器、陀螺仪均与所述工控机电路连接，所述工控机通过通讯模块与上位机通讯连接，具体的，如图7所示，轮毂电机及转向电机的光电编码器及各电机的驱动器通过can总线与工控机连接，陀螺仪通过通讯线与工控机连接，其他的急停开关、起动开关、通讯元器件、稳压元件在所述电气控制系统与姿态检测系统中的位置及连接关系属于本领域技术人员所熟知的，可如图7所示进行布置，在此不再赘述。

并且，进一步的可以考虑，所述电气控制系统与姿态检测系统及相关的供电电池以及急停开关、起动开关、通讯元器件、稳压元件、线缆等电气元器件均安装在控制箱合适位置，这里不进行具体要求，需要指出的是，所述电气控制系统与姿态检测系统及相关的供电电池以及急停开关、起动开关、通讯元器件、稳压元件、线缆等电气元器件的连接关系均采用常规的连接方式，属于本领域技术人员所熟知的，在此不再赘述。

实施案例二姿态变换与自主控制

所述的7dof多姿态机器人基本动力学模型为平衡车动力学模型和自行车动力学模型；在适当的控制策略下，可以实现多种运动姿态及不同姿态的变换，包括自行车运行模式、平衡车运行模式、自行车运行模式变换到平衡车运行模式、平衡车运行模式变换到自行车运行模式、以及自行车运行模式与平衡车运行模式之间的多种过渡姿态；在自行车运行模式下，两个动力轮均可以作为前或者后轮；在平衡车运行模式下，平衡车两轮同步运行时，即可以实现前进、又可以实现后退，同时，也可以实现机器人绕过车体中心的竖直轴自旋运动。

以上实施例对本发明进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。