专利名称：一种智能自平衡交通机器人的制作方法
技术领域：
在本实用新型涉及一种机器人，特别是一种能自动实现前后和左右平衡的交通机器人，属于可由于代步的交通工具。
背景技术：
自行车、摩托车、汽车等陆地交通工具发展至今，除了动力来源和材料的应用以夕卜，在原理上没有更大的突破。自平衡车，打破了传统的思维理念，为新交通工具的诞生、发展和应用开辟了新的道路。利用重力能源，可以为人们在陆地上进行安全、平稳、绿色的运输提供更加有效的技术解决方案。上个世纪末，美国发明家狄恩.卡门(Dean Kamen)与他的DEKA研发公司(DEKAResearch and Development Corp.)团队发明设计了一种电力驱动、具有自我平衡能力的个人用运输载具，可以让人们骑着它在都市里面毫无障碍地移动，并称之为“思维车”。思维车的发明构思是建立在“动态稳定”(DynamicStabilization)的基本原理上,也就是基于车辆本身的自动平衡能力。以内置的精密固态陀螺仪(Solid-StateGyroscopes)来判断车身所处的姿势状态，透过精密且高速的中央微处理器计算出适当的指令后，驱动马达来做到平衡的效果。思维车上的构造包括四大主要部件车轮和发动机组、传感器系统、电脑控制系统和操作员控制系统。主要的传感器系统是一组陀螺仪，通过利用陀螺仪具有保持其旋转轴所指的方向不变的特性对思维车的姿态数据进行精准地数据采集。思维车装有3 5个陀螺仪传感器，用以完成探测前、后方向的倾斜度和侧倾程度。由于思维车的系统设计复杂，且需采用多个陀螺仪，制造成本高，同时也显著增加了其软硬件的维护的成本。北京工业大学的专利号为ZL201020650188.1的实用新型专利公开了一种自平衡载人独轮车系统，包括行走单元和控制单元；行走单元的行走轮设置在系统的下方，行走轮的上方设有机架，机架的上方设有平衡轮，平衡轮的上方设有控制独轮车前后运动速度的操控手柄；机架内设有电源和运动控制单元，操控手柄连接到传感器组件上；控制单元包括运动控制单元，与运动控制单元连接的操控手柄，由倾角传感器、惯性传感器组成的传感器组件，以及平衡轮轮毅电机驱动单元和行走轮轮毅电机驱动单元；平衡轮的轴线与行走轮的轴线垂直并且不相交。该发明创造虽然实现了独轮车不同行进速度下在前后方向和左右方向的平衡控制，但结构复杂，制造成本高。总之，而对于一些短距离且无需承担过重运输任务的情况，常规的交通机器人由于体积大，对于能源的消耗以及占用空间面积都比较大，很不环保。传统的交通机器人，还存在着以下缺点人力交通机器人费力且效率低；而传统的电力或其他动力的交通机器人由于体积大、质量大，因此对于能源需求较大，对于一些短距离且无需承担过重运输任务的情况显得非常不经济。
发明内容[0007]本实用新型的目的在于提供一种智能自平衡交通机器人，对于机器人的前后平衡和左右平衡分别采用了不同的智能平衡技术方案，采用较低成本的发明构思，解决交通机器人的平衡问题，并提供一种具有结构简单、灵活性强、响应迅速、操作容易且安全稳定的实用智能交通机器人。为实现上述目的，本实用新型提供了如下技术方案一种智能自平衡交通机器人，包括基架本体、运动执行机构、驱动系统、控制系统、信号传感系统和为所述各机构系统供电的电源系统，所述电源系统还装有电源总开关，所述基架本体包括底盘架和与其固定连接的踏板，所述控制系统安装于所述底盘架上，所述运动执行机构包括与地面发生位移的接地装置，所述接地装置至少为一个，所述接地装置通过旋转主轴与所述底盘架转动连接，所述接地装置与旋转主轴固定连接，所述底盘架和旋转主轴构成平衡的一级倒立摆，所述驱动系统驱动包括至少一个电机，所述电机执行所述控制系统输出的正反转指令，所述旋转主轴由所述电机来驱动，进而带动所述接地装置与地面发生位移，所述信号传感系统包括至少一个机器人姿态传感器，所述姿态传感器向所述控制系统实时反馈传输所述基架本体前后倾斜的角度信号，所述运动执行机构还包括维持所述接地装置左右平衡的惯性元件，所述惯性元件也通过芯轴与所述底盘架转动连接，所述惯性元件也与所述芯轴固定连接，且所述芯轴与所述旋转主轴的轴线平行，所述芯轴也由所述一个电机来驱动，进而带动所述惯性元件高速旋转。进一步，所述惯性元件为圆形的质量盘，所述质量盘以其芯轴为轴进行惯性高速旋转；所述踏板上设有垫式软体薄膜开关，所述薄膜开关的信号引出线与所述控制系统的初始化信号接收端相连接。本实用新型的接地装置的方案一为所述接地装置为为两个同轴的主驱动轮子，两个同轴的主驱动轮子分别并列间隔安装于底盘架的左右两侧，形成长轴距的运动执行机构，所述踏板位于两个所述主驱动轮子之间的所述底盘架的上表面上。本实用新型的接地装置的方案二为所述接地装置为履带机构，所述履带机构的主动轮和旋转主轴构成旋转摆。本实用新型的的接地装置的方案三为所述接地装置为机械腿，所述机械腿和旋转主轴构成支撑摆。进一步，所述姿态传感器为角度传感器。进一步，所述主驱动轮子与所述质量盘相结合，所述质量盘内含于所述主驱动轮子的轮毂外圈内，并绕相同的转动轴线转动，所述主驱动轮子与所述质量盘共用一个电机，在所述质量盘的转动轴和所述主驱动轮子的轮毂传动主轴之间加装大传动比机构，所述主驱动轮子相比质量盘为低速运动件，所述大传动比机构具有一个自由度，所述电机的传动轴直接驱动所述大传动比机构的原动件，所述大传动比机构的从动执行件间接传动所述质量盘和所述主驱动轮子；所述大传动比机构为轮系，所述轮系的原动件和从动执行件为齿轮、摩擦轮或链轮；所述轮系为行星轮系，所述行星轮系的太阳轮的传动轴直接与所述主驱动轮子的旋转主轴固定连接，所述行星轮系的从动执行件与所述惯性元件固定连接。进一步，所述基架本体上固定连接有方向操纵杆，所述方向操纵杆的顶端固定安装把手，所述方向操纵杆的底部与转向轮子的中心轴的端部铰接，并向所述中心轴传输扭矩，从而带动转向轮子左右摆动。[0016]进一步，所述把手的中部通过同轴的柱形短套筒与方向操纵杆活动连接，所述柱形短套筒与所述方向操纵杆的顶端固定连接，所述把手与所述柱形短套筒间隙配合，所述把手沿所述柱形短套筒的内腔进行微动直线滑移，所述柱形短套筒的内壁和所述把手的外壁对应处通过凹凸结合部互相嵌合形成滑移限位机构，在把手轴向上的所述凹凸结合部的凸缘两侧与凹槽边之间空隙内设有弹性体，所述柱形短套筒的内壁或与其相对应的所述把手的外壁区域设有检测所述把手滑移的位移传感器，所述位移传感器向控制系统传输位移信号;本实用新型的位移传感器的方案一为所述位移传感器为霍尔式位移传感器，霍尔式位移传感器的磁铁和霍尔元件分别安装于所述柱形短套筒的内壁上或与其相对应的所述把手的外壁上，霍尔元件的信号输出端与所述控制系统的信号接收端连接。本实用新型的位移传感器的方案二为所述位移传感器为电阻式位移传感器，电阻式位移传感器的电阻体和可移动的电刷分别安装于所述柱形短套筒的内壁上或与其相对应的所述把手的外壁上，所述电阻式位移传感器的信号输出端与所述控制系统的信号接收端连接。进一步，所述底盘架上安装座位。进一步，所述底盘架的左右侧均安装有挡泥板，挡泥板的上部向对应的主驱动轮子的上方延伸；所述方向操纵杆包括外杆和内杆，内杆插接在外杆内并通过锁紧旋钮固定。本实用新型相比现有技术的有益效果是本实用新型交通机器人的平衡采用组合平衡的技术方案交通机器人的左右平衡通过质量盘受控高速转动来实现，基于高速旋转的惯性体具有保持其自转轴姿态的定轴特性，质量盘转动时的离心力会使其自身保持平衡；交通机器人的前后平衡通过角度传感器进行倾斜参数采集，经控制系统进行数据处理，最后指令电机驱动接地装置前进或后退加以实现。根据交通机器人行进姿态在不同方向上的受力特点，采用不同的稳定平衡方案，可以更加有效地实现交通机器人自平衡。2.采用质量盘高速旋转的驼螺效应，在实现交通机器人的左右平衡的同时，质量盘高速旋转还会产生进动性，还会辅助接地装置运动，质量盘成为储能蓄能器并能间断地释放能量，优化运动执行机构的动作效率。3.本实用新型在踏板上设有垫式软体薄膜开关，在启动电源开关对系统加电时，交通机器人并不能保持平衡，只有踏上踏板，启动垫式软体薄膜开关后，控制系统才开始初始化，使交通机器人保持平衡，防止交通机器人加电迅速平衡导致碰伤使用者；此外，还可以防止在斜坡上突然启动交通机器人时，发生溜坡而导致危险事故。4.本实用新型的方向控制系统采用可抽动的把手，带动传感器，构造简单，可以很好地实现转向动作。5.由于质量盘在地面接触装置内部高速旋转，能有效地保持左右平衡，体积小巧，可以使本交通机器人在最小的空间实现原地转向功能，克服普通两轮平衡车车体较大而导致空间占用的不足，操作简单，安全可靠，适用于广泛的人群。
[0027]图1是本实用新型第一个实施例的原理图。图2是本实用新型第一个实施例的立体示意图。图3是本实用新型的操纵杆安装霍尔式位移传感器的结构示意图。图4是本实用新型的方向操纵杆安装电阻式位移传感器的结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例，对本实用新型的具体实施方式
作进一步详细描述。以下实施例用于说明本实用新型，但不用来限制本实用新型的范围。实施例1 :如图1-3所示，一种智能自平衡交通机器人，包括基架本体、运动执行机构、驱动系统、控制系统4、信号传感系统和为所述各机构系统供电的电源系统5，所述电源系统还装有电源总开关，所述基架本体包括底盘架13和与其固定连接的踏板，所述控制系统4安装于所述底盘架13上，所述运动执行机构包括与地面发生位移的接地装置，所述接地装置至少为一个，所述接地装置通过旋转主轴与所述底盘架13转动连接，所述接地装置与旋转主轴固定连接，所述底盘架13和旋转主轴构成平衡的一级倒立摆，所述驱动系统驱动包括至少一个电机6，所述电机6执行所述控制系统4输出的正反转指令，所述旋转主轴由所述电机6来驱动，进而带动所述接地装置与地面发生位移，所述信号传感系统包括至少一个机器人姿态传感器1，所述姿态传感器I向所述控制系统4实时反馈传输所述基架本体前后倾斜的角度信号，所述运动执行机构还包括维持所述接地装置左右平衡的惯性元件，所述惯性元件也通过芯轴与所述底盘架3转动连接，所述惯性元件也与所述芯轴固定连接，且所述芯轴与所述旋转主轴的轴线平行，所述芯轴也由所述一个电机6来驱动，进而带动所述惯性元件高速旋转。进一步，所述惯性元件为圆形的质量盘，所述质量盘以其芯轴为轴进行惯性高速旋转；所述踏板上设有垫式软体薄膜开关2，所述薄膜开关2的信号引出线与所述控制系统4的初始化信号接收端相连接。进一步，所述接地装置为为两个同轴的主驱动轮子12，两个同轴的主驱动轮子12分别并列间隔安装于底盘架13的左右两侧，形成长轴距的运动执行机构，所述踏板位于两个所述主驱动轮12子之间的所述底盘架13的上表面上。进一步，所述姿态传感器I为角度传感器。进一步，所述主驱动轮子12与所述质量盘相结合，所述质量盘内含于所述主驱动轮子12的轮毂外圈内，并绕相同的转动轴线转动，所述主驱动轮子与所述质量盘共用一个电机，在所述质量盘的转动轴和所述主驱动轮子的轮毂传动主轴之间加装大传动比机构，所述主驱动轮子相比质量盘为低速运动件，所述大传动比机构具有一个自由度，所述电机6的传动轴直接驱动所述大传动比机构的原动件，所述大传动比机构的从动执行件间接传动所述质量盘和所述主驱动轮子；所述大传动比机构为轮系，所述轮系的原动件和从动执行件为齿轮、摩擦轮或链轮；所述轮系为行星轮系，所述行星轮系的太阳轮的传动轴直接与所述主驱动轮子的旋转主轴固定连接，所述行星轮系的从动执行件与所述惯性元件固定连接。进一步，所述基架本体上固定连接有方向操纵杆，所述方向操纵杆的顶端固定安装把手7，所述方向操纵杆的底部与转向轮子的中心轴的端部铰接，并向所述中心轴传输扭矩，从而带动转向轮子左右摆动。进一步，所述把手7的中部通过同轴的柱形短套筒14与方向操纵杆活动连接，所述柱形短套筒14与所述方向操纵杆的顶端固定连接，所述把手7与所述柱形短套筒14间隙配合，所述把手7沿所述柱形短套筒14的内腔进行微动直线滑移，所述柱形短套筒17的内壁和所述把手的外壁对应处通过凹凸结合部互相嵌合形成滑移限位机构，在把手轴向上的所述凹凸结合部的凸缘两侧与凹槽边之间空隙内设有弹性体15，所述柱形短套筒的内壁或与其相对应的所述把手的外壁区域设有检测所述把手滑移的位移传感器5，所述位移传感器5向控制系统传输位移信号；所述位移传感器为霍尔式位移传感器，霍尔式位移传感器的磁铁16和霍尔元件17分别安装于所述柱形短套筒14的内壁上或与其相对应的所述把手7的外壁上，霍尔元件17的信号输出端与所述控制系统4的信号接收端连接。进一步，所述底盘架13上安装座位。进一步，所述底盘架13的左右侧均安装有挡泥板11，挡泥板11的上部向对应的主驱动轮子12的上方延伸；所述方向操纵杆包括外杆10和内杆8,内杆8插接在外杆10内并通过锁紧旋钮8固定，挡泥板的设计使本实用新型经过积水路面也不易沾湿衣物，同时操作人员可以通过旋松或旋紧所述锁紧旋钮来调整方向操纵杆的高度，以适应不同的人群。实施例2 :本实施例与实施例1基本相同，其不同之处在于所述接地装置为履带机构，所述履带机构的主动轮和旋转主轴构成旋转摆。实施例3 :本实施例与实施例1基本相同，其不同之处在于所述接地装置为机械腿，所述机械腿和旋转主轴构成支撑摆。实施例4 :如图1、2、4所示,本实施例与实施例1基本相同,其不同之处在于所述位移传感器为电阻式位移传感器，电阻式位移传感器的电阻体18和可移动的电刷19分别安装于所述柱形短套筒14的内壁上或与其相对应的所述把手7的外壁上，所述电阻式位移传感器的信号输出端与所述控制系统4的信号接收端连接。以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本实用新型的保护范围。
权利要求1.一种智能自平衡交通机器人，包括基架本体、运动执行机构、驱动系统、控制系统、信号传感系统和为所述各机构系统供电的电源系统，所述电源系统还装有电源总开关，所述基架本体包括底盘架和与其固定连接的踏板，所述控制系统安装于所述底盘架上，所述运动执行机构包括与地面发生位移的接地装置，所述接地装置至少为一个，所述接地装置通过旋转主轴与所述底盘架转动连接，所述接地装置与旋转主轴固定连接，所述底盘架和旋转主轴构成平衡的一级倒立摆，所述驱动系统驱动包括至少一个电机，所述电机执行所述控制系统输出的正反转指令，所述旋转主轴由所述电机来驱动，进而带动所述接地装置与地面发生位移，所述信号传感系统包括至少一个机器人姿态传感器，所述姿态传感器向所述控制系统实时反馈传输所述基架本体前后倾斜的角度信号，其特征在于所述运动执行机构还包括维持所述接地装置左右平衡的惯性元件，所述惯性元件也通过芯轴与所述底盘架转动连接，所述惯性元件也与所述芯轴固定连接，且所述芯轴与所述旋转主轴的轴线平行，所述芯轴也由所述一个电机来驱动，进而带动所述惯性元件高速旋转。
2.根据权利要求1所述的一种智能自平衡交通机器人，其特征在于所述惯性元件为圆形的质量盘，所述质量盘以其芯轴为轴进行惯性高速旋转；所述踏板上设有垫式软体薄膜开关，所述薄膜开关的信号引出线与所述控制系统的初始化信号接收端相连接。
3.根据权利要求2所述的一种智能自平衡交通机器人，其特征在于所述接地装置为为两个同轴的主驱动轮子，两个同轴的主驱动轮子分别并列间隔安装于底盘架的左右两侧，形成长轴距的运动执行机构，所述踏板位于两个所述主驱动轮子之间的所述底盘架的上表面上。
4.根据权利要求2所述的一种智能自平衡交通机器人，其特征在于所述接地装置为履带机构，所述履带机构的主动轮和旋转主轴构成旋转摆；或，所述接地装置为机械腿，所述机械腿和旋转主轴构成支撑摆。
5.根据权利要求1 4中任意一项所述的一种智能自平衡交通机器人，其特征在于 所述姿态传感器为角度传感器。
6.根据权利要求3所述的一种智能自平衡交通机器人，其特征在于所述主驱动轮子与所述质量盘相结合，所述质量盘内含于所述主驱动轮子的轮毂外圈内，并绕相同的转动轴线转动，所述主驱动轮子与所述质量盘共用一个电机，在所述质量盘的转动轴和所述主驱动轮子的轮毂传动主轴之间加装大传动比机构，所述主驱动轮子相比质量盘为低速运动件，所述大传动比机构具有一个自由度，所述电机的传动轴直接驱动所述大传动比机构的原动件，所述大传动比机构的从动执行件间接传动所述质量盘和所述主驱动轮子；所述大传动比机构为轮系，所述轮系的原动件和从动执行件为齿轮、摩擦轮或链轮；所述轮系为行星轮系，所述行星轮系的太阳轮的传动轴直接与所述主驱动轮子的旋转主轴固定连接，所述行星轮系的从动执行件与所述惯性元件固定连接。
7.根据权利要求3所述的一种智能自平衡交通机器人，其特征在于所述基架本体上固定连接有方向操纵杆，所述方向操纵杆的顶端固定安装把手，所述方向操纵杆的底部与转向轮子的中心轴的端部铰接，并向所述中心轴传输扭矩，从而带动转向轮子左右摆动。
8.根据权利要求7所述的一种智能自平衡交通机器人，其特征在于所述把手的中部通过同轴的柱形短套筒与方向操纵杆活动连接，所述柱形短套筒与所述方向操纵杆的顶端固定连接，所述把手与所述柱形短套筒间隙配合，所述把手沿所述柱形短套筒的内腔进行微动直线滑移，所述柱形短套筒的内壁和所述把手的外壁对应处通过凹凸结合部互相嵌合形成滑移限位机构，在把手轴向上的所述凹凸结合部的凸缘两侧与凹槽边之间空隙内设有弹性体，所述柱形短套筒的内壁或与其相对应的所述把手的外壁区域设有检测所述把手滑移的位移传感器，所述位移传感器向控制系统传输位移信号，其中，所述位移传感器为霍尔式位移传感器，霍尔式位移传感器的磁铁和霍尔元件分别安装于所述柱形短套筒的内壁上或与其相对应的所述把手的外壁上，霍尔元件的信号输出端与所述控制系统的信号接收端连接；或，所述位移传感器为电阻式位移传感器，电阻式位移传感器的电阻体和可移动的电刷分别安装于所述柱形短套筒的内壁上或与其相对应的所述把手的外壁上，所述电阻式位移传感器的信号输出端与所述控制系统的信号接收端连接。
9.根据权利要求7所述的一种智能自平衡交通机器人，其特征在于所述底盘架上安装座位。
10.根据权利要求7所述的一种智能自平衡交通机器人，其特征在于所述底盘架的左右侧均安装有挡泥板，挡泥板的上部向对应的主驱动轮子的上方延伸；所述方向操纵杆包括外杆和内杆，内杆插接在外杆内并通过锁紧旋钮固定。
专利摘要本实用新型公开了一种自平衡智能交通机器人，包括基架本体、运动执行机构、驱动系统、控制系统、信号传感系统和为各机构系统供电的电源系统，基架本体包括底盘架和与其固定连接的踏板，运动执行机构包括接地装置，接地装置通过旋转主轴与底盘架转动连接，驱动系统驱动包括至少一个电机，可带动接地装置与地面发生位移，信号传感系统包括机器人姿态传感器，可实时反馈传输基架本体前后倾斜的角度信号，运动执行机构还包括维持接地装置左右平衡的惯性元件，惯性元件也通过芯轴与底盘架转动连接，且芯轴与旋转主轴的轴线平行，芯轴也由一个电机来驱动，进而带动惯性元件高速旋转。本交通机器人结构简单、灵活性强、响应迅速、操作容易且安全稳定。
文档编号G05D1/08GK202879697SQ20122050148
公开日2013年4月17日 申请日期2012年9月27日 优先权日2012年9月27日
发明者吴海林 申请人:仙居县威隆能动力科技有限公司