一种单足自平衡机器人的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种单足自平衡机器人，属于机器人应用领域。其特征在于以STM32F103C8T6为控制核心，主要包括电源稳压电路、蓝牙通信电路、OLED显示电路、陀螺仪控制电路，以F2807S?H桥为电机驱动，驱动电源稳压电路、驱动逻辑电路、驱动主电路、驱动光耦隔离电路，以3号足球为机器人的单足，实现机器人在足球上保持平衡。利用OLED屏幕和安卓手机人机界面，实现人机交互，通过蓝牙模块进行通讯。手机控制界面上设有：前进、后退、左转、右转、停止等控件，当用户打开总开关时，手机通过蓝牙将指令发送，机器人接收到指令后通过对指令的配对做出相应的动作，在这过程中保持机器人平衡。
【专利说明】一种单足自平衡机器人
【技术领域】
[0001] 本实用新型涉及一种单足自平衡机器人，属于机器人应用领域。
【背景技术】
[0002] 单足自平衡机器人的概念是二十世纪八十年代提出来的，是属于轮式移动机器人 中的一种，并且结合了自主移动的思想，是一种特殊的轮式移动机器人，其本质为不稳定自 主移动机器人。单足自平衡机器人源于倒立摆的模型，经过对其进行数学模型建立和分析， 该系统是一个非线性、强耦合、多变量和自然不稳定的系统。在探测机器人领域，传统机 器人的移动平台，基本上都由三个以上的车轮或履带实现的，在静止状态下，有很好的稳定 性，但是这些方案只能在低重心移动时具有很好的平衡性，如果机器人的重心偏高或重心 突然改变，容易摔倒，例如在刹车时，这严重限制了它的应用领域。在正常人类环境中，制作 机器人的时候必须将传感器等必须放置在一个合理高度，使得机器人重心偏高，影响运行 稳定性，容易发生侧倾等。另外，如果在狭窄的道路中行走，传统的多轮车或履带车如果需 要转向，均需要一个合适的转弯半径，给生活带来了极大的不便。虽然双轮平衡系统相对于 四轮系统，在体积和适应性方面已经有了很大的进步，但根本问题尚未解决。
[0003] 单足的自平衡机器人是依靠自身的平衡系统使其在一个球形轮上平稳站立。与地 面只有一个接触点，相比起传统的多轮车，具有更好的灵活性，可以无需转向地在任何方向 上移动，同时能够避免传统车辆因重心改变而倒下，能够适用于狭窄、拥挤和很多扰动因素 的环境。 实用新型内容
[0004] 本实用新型要解决的技术问题是提供一种单足自平衡机器人，为解决传统的机器 人在狭窄、拥挤和扰动因素多的环境中自由移动，单足平衡机器人突破了传统意义上的机 器人移动平台的概念，单个轮子处于共轴的两个平行平面上，与地面只有一个接触点，实现 差动式运动，零半径转向，具有更好的灵活性，对机器人重心偏高或重心突然改变，具有很 好的调整能力。
[0005] 本实用新型提供的一种单足自平衡机器人，包括单片机、蓝牙、陀螺仪、电机驱动、 电机电源、总开关、0LED显示器、电机、万向轮、控制界面，所述单片机分别控制电源稳压电 路、蓝牙通信电路、0LED显示电路、陀螺仪控制电路，所述电机驱动可驱动电源稳压电路、驱 动逻辑电路、驱动主电路、驱动光耦隔离电路，所述电源稳压电路的输入端与电池相接，输 出端分别与蓝牙通信电路电源端、0LED显示电路电源端、陀螺仪控制电路电源端相接；所 述电机驱动电源稳压电路的输入端与电池相接，输出端分别与电机驱动逻辑电路电源端、 电机驱动主电路电源端、电机驱动光耦隔离电路电源端相接。
[0006] 所述控制器为STM32F103C8T6单片机。
[0007] 所述电机驱动为F2807S Η桥。
[0008] 所述万向轮为3号足球。
[0009] 所述陀螺仪包括三轴加速度传感器、三轴电子罗盘传感器、三轴陀螺仪传感器。
[0010] 所述控制界面设有：前进、后退、左转、右转、停止等控件，当用户打开总开关时，手 机通过蓝牙将指令发送，机器人接收到指令后通过对指令的配对做出相应的动作，在这过 程中保持机器人平衡。
[0011] 所述电源稳压电路由S1、U1三端稳压器AMS1117、电容C1-C6组成。其中，输入B+ 与锂电池的正极相接，B-与锂电池的负极相接，正极从开关S1的2脚输入，开关S1的1脚 不接，3脚与电容C1、C2及三端稳压器的输入即3脚VIN相接，电容C1、C2的另一端分别接 地，三端稳压器AMS1117的1脚接地，2脚输出V0UT与C3、C4、C5、C6 -端相接，电容C3、C4、 C5、C6另一端接地，最后由标号为+3V3的端子输出，给电路供电。
[0012] 所述蓝牙通信电路图由蓝牙模块、MCU STM32F103和电源接口组成，输入VCC与锂 电池的正极相接，GND与锂电池的负极相接给电路供电。蓝牙模块的TX信号端与MCU的21 引脚相连，蓝牙模块的RX信号端与MCU的22引脚相连。
[0013] 所述0LED显示电路由0LED显示模块、MCU STM32F103和电源端口组成，输入VCC 端口与稳压电路的输出口相接，GND则与地相接，给电路供电。0LED显示模块的SCL和SDA 信号端分别与MCU的PA8和PA9相接，显示模块的RST复位端口与MCU的PA10相接，其中 D/C位选端口与MCU的ΡΑ11相接。
[0014] 所述陀螺仪控制电路由MPU9150芯片、MCU STM32F103、电容C7-C10、电阻R1、R2组 成，电容C7 -端接3V3、另一端接MPU9150的1脚，电容C8 -端接地、另一端接MPU9150的10 脚，电容C9 一端接MPU9150的18脚、另一端接MPU9150的20脚，电容C10 -端接MPU9150 的13脚、另一端接地，电阻R1 -端接3V3、另一端接MPU9150的24脚，电阻R2 -端接3V3、 另一端接MPU9150的23脚，MPU9150的3端口输入3V3与稳压电路的输出端口正极相接， 15和17端口则与GND相接，给陀螺仪电路供电。MPU9150的XDA端口 6和XCL端口 7分别 与 MCUSTM32F103 的 PB13 和 PB12 相连。
[0015] 所述电机驱动电源稳压电路由电容C11-C16、指示灯LED1、电感L1、电阻R3、稳 压三极管LM2940S12组成，电容C11 一端接地、另一端接电源，电容C12 -端接地、另一端 接电源，电容C13 -端接地、另一端接LM2940S12的1脚，电容C14 一端接地、另一端接 LM2940S12的1脚，电感L1 一端接电源、另一端接LM2940S12的1脚，电容C15 -端接地、另 一端接LM2940S12的3脚，电容C16 -端接地、另一端接LM2940S12的3脚，电阻R3 -端接 LM2940S12的3脚，另一端接LED 1阳极，LED 1的阴极接地。2IV端口接电源正极，GND接电 源负极，输出可得到12V电压。
[0016] 所述电机驱动逻辑电路，由电阻R4-R7、逻辑器HEF4011BT U2-U4组成，12V接稳压 电路的输出端，INTI、INT2、INT3、INT4为PWM波输出，HEF4011BD为二输入与非门逻辑器， 电阻R4 -端接INT1、另一端接U4的3脚，电阻R5 -端接INT2、另一端接U4的4脚，电阻 R6 -端接INT4、另一端接U4的11脚，电阻R7 -端接INT3、另一端接U4的10脚。
[0017] 所述电机驱动主电路，由电容C17-C20、续流二极管D1-D6、M0S管IRF2807SQ1-Q4、 电阻R8-R13,半桥驱动器IR2104S U5-U6组成，JP1端口接电机，VCC接电池正极，12V接稳 压电路的输出端，GND接地，U5的2脚接IN1，3脚接电阻R8 -端，电阻R8另一端接电源，U5 的1脚接电源，U5的4脚接地，U5的6脚接VS1，U5的8脚接VB1，二极管D3阳极接电源，阴 极接电容C17 -端，电容C17另一端接VS1，二极管D1阴极接U5的7脚，阳极接Q1的1脚， 电阻R9 -端接U5的7脚，另一端接Q1的1脚，二极管D5阴极接U5的5脚，阳极接Q2的 1脚，电阻R10 -端接U5的5脚，另一端接Q2的1脚，Q2的3脚接地，Q2的2脚接Q1的3 脚，Q1的2脚接电源，电容C18 -端接Q1的2脚，另一端接地，电容C19 一端接Q3的2脚， 另一端接地，二极管D2阴极接U6的7脚，阳极接Q3的1脚，电阻R11 -端接U6的7脚，另 一端接Q3的1脚，Q3的3脚接Q4的2脚，Q4的3脚接地，二极管D6阴极接U6的5脚，阳 极接Q4的1脚，电阻R12 -端接U6的5脚，另一端接Q4的1脚，U6的6脚接VS2, U5的8 脚接VB2，U6的4脚接地，U6的2脚接IN2,二极管D4阳极接U6的1脚，阴极接电容C20 - 端，电容C20另一端接VS2,电阻R13 -端接U6的3脚，另一端接电源。
[0018] 所述电机驱动光耦隔离电路，由电阻R14-R20、PS2801光电耦合器U7组成，12V接 稳压电路的输出端，3. 3V电压由控制器提供。JP2为控制信号输入端口，1接控制器3. 3V，2 接控制器地，3接控制器B3,4接控制器B6, 5接控制器A14,6接控制器B7。电阻R12 -端 接U7的8脚，另一端接电源3V3,电阻R15 -端接U7的5脚，另一端接电源3V3,电阻R16 一端接U7的3脚，另一端接电源3V3,电阻R17 -端接U7的1脚，另一端接电源3V3,电阻 R17-端接U7的16脚，另一端接电源12V，电阻R18-端接U7的14脚，另一端接电源12V， 电阻R19 -端接U7的12脚，另一端接电源12V，电阻R20 -端接U7的10脚，另一端接电 源12￥，价的2脚接01，价的4脚接？1，价的6脚接02，价的8脚接？2，价的9、11、13、 15脚接地。
[0019] 本实用新型的有益效果是：突破了传统意义上的机器人移动平台的概念，单个轮 子处于共轴的两个平行平面上，与地面只有一个接触点，实现差动式运动，零半径转向，具 体更好的灵活性，对机器人重心偏高或重心突然改变，具体很好的调整能力。
【专利附图】
【附图说明】
[0020] 图1为本实用新型的原理框图。
[0021] 图2为本实用新型的主视图（1 :框架2 :电机驱动3 :独立电源4 :0LED5 :控制器6 : 蓝牙7 :电机电源8 :稳压模块9 :总开关10 :电机11 :万向轮)。
[0022] 图3为本实用新型的电源稳压电路图。
[0023] 图4为本实用新型的蓝牙通信电路图。
[0024] 图5为本实用新型的0LED显示电路图。
[0025] 图6为本实用新型的陀螺仪控制电路图。
[0026] 图7为本实用新型的电机驱动电源稳压电路图。
[0027] 图8为本实用新型的电机驱动逻辑电路图。
[0028] 图9为本实用新型的电机驱动主电路图。
[0029] 图10为本实用新型的电机驱动光耦隔离电路图。
【具体实施方式】
[0030] 以下结合说明书附图对本实用新型做进一步说明。
[0031] 一种单足自平衡机器人，以STM32F103C8T6为控制核心，以MPU-9150实现姿态检 测，主要包括三轴加速度传感器、三轴电子罗盘传感器、三轴陀螺仪传感器，以F2807S Η桥 为电机驱动，以3号足球为机器人的单足，实现机器人在足球上保持平衡。利用0LED屏幕 和安卓手机人机界面，实现人机交互，通过蓝牙模块进行通讯。手机控制界面上设有：前进、 后退、左转、右转、停止等控件，当用户打开总开关时，手机通过蓝牙将指令发送，机器人接 收到指令后通过对指令的配对做出相应的动作，在这过程中保持机器人平衡。
[0032] 图3为本实用新型的电源稳压电路图，图中稳压管AMS1117给单片机 STM32F103C8T6提供一个稳定的3. 3V电源。稳压管AMS1117的输入电压范围为 2. 7V-13. 2V，输出电压为3. 3V。B+和B-两端分别连接320mA的锂电池的正负端。开关S1 控制控制器的启动和停止。图中的电容均用来滤波，100nF的电容用来过滤低频波，4. 7uF 的电容用来过滤高频波。
[0033] 图4为本实用新型的蓝牙通信电路图，图中蓝牙的VCC引脚需输入3. 3V-5V的电 压，实际运用中使用4. 2V的锂电池供电，蓝牙模块的GND接锂电池的负极。蓝牙模块的RX 和TX是串行端口，与MCU的USART3中的RX3和TX3相连，用来数据传输。
[0034] 图5为本实用新型的0LED显示电路图，图中0LED模块的VCC引脚需输入3. 3V的 电压，3. 3V电压可从上述的稳压电路中获得，GND则接地。0LED模块的SCL和SDA是I2C协 议的信号端口，与MCU的PA8和PA9相连，用来数据传输。0LED模块的复位端口与MCU的 PA10相接，GPI0 口 PA10置高时则模块内数据全部复位，也可以用来清屏，PA10置低则不做 反应，其中D/C位选端口与MCU的ΡΑ11相接。
[0035] 图6为本实用新型的陀螺仪控制电路图，图中3引脚需输入3. 3V的电压，3. 3V电 压可从上述的稳压电路中获得，15和17引脚则接地。MPU9150的6和7引脚分别是XDA和 XCL。XDA和XCL是I2C传输协议的两个信号端，这两个信号端分别与MCU的ΡΒ13和ΡΒ12 相接完成信号传输。图中的电容均用来滤波，2200PF的电容用来过滤低频波，其他的电容用 来过滤高频波。
[0036] 图7为本实用新型的电机驱动电源稳压电路图，图中稳压管LM2940S12给逻 辑芯片和半桥驱动器提供一个稳定的12V电源。稳压管LM2940S12的输入电压范围为 13. 6V-26V，输出电压为12V。21V和GND两端分别连接21V的锂电池的正负端。图中的电 容均用来滤波，l〇〇nF的电容用来过滤低频波，100uF的电容用来过滤高频波，LED1作为指 示灯，以暗灭判断是否上电。
[0037] 图8为本实用新型的电机驱动逻辑电路图，图中控制电路使用与非门逻辑器使得 控制端口可用0和1来控制电机正反转，PWM波占空比来控制电机转速，使得电机控制达到 最少输入引脚、独立控制的最优效果。
[0038] 图9为本实用新型的电机驱动主电路图，图中IRF2807S为M0S管，漏极电流为 82A，最大电压为75V。IR2104S为常用半桥驱动器，电路通过在半桥驱动器中使用高压电平 位移电路可以得到所需的工作频率而无需脉冲变压器驱动功率开关，提高了电路的频率稳 定性。
[0039] 图10为本实用新型的电机驱动光耦隔离电路图，将控制信号通过光电耦合减少 外界对控制信号的干扰，并且可将3. 3V的控制信号转换到12V的逻辑器可接受电压信号。
[0040] 虽然本实用新型已以较佳实施例公开如上，但其并非用以限定本实用新型，任何 熟悉此技术的人，在不脱离本实用新型的精神和范围内，都可做各种的改动与修饰，因此本 实用新型的保护范围应该以权利要求书所界定的为准。
【权利要求】
1. 一种单足自平衡机器人，其特征在于包括单片机、蓝牙、陀螺仪、电机驱动、电机电 源、总开关、OLED显示器、电机、万向轮、控制界面，所述单片机分别控制电源稳压电路、蓝牙 通信电路、OLED显示电路、陀螺仪控制电路，所述电机驱动驱动电源稳压电路、驱动逻辑电 路、驱动主电路、驱动光耦隔离电路，所述电源稳压电路的输入端与电池相接，输出端分别 与蓝牙通信电路电源端、OLED显示电路电源端、陀螺仪控制电路电源端相接；所述电机驱 动电源稳压电路的输入端与电池相接，输出端分别与电机驱动逻辑电路电源端、电机驱动 主电路电源端、电机驱动光耦隔离电路电源端相接。
2. 根据权利要求1所述的一种单足自平衡机器人，特征在于，所述单片机为一个 STM32F103C8T6 单片机。
3. 根据权利要求1所述的一种单足自平衡机器人，特征在于，所述电机驱动为F2807S Η桥。
4. 根据权利要求1所述的一种单足自平衡机器人，特征在于，所述万向轮为3号足球。
5. 根据权利要求1所述的一种单足自平衡机器人，特征在于，所述陀螺仪包括三轴加 速度传感器、三轴电子罗盘传感器、三轴陀螺仪传感器。
6. 根据权利要求1所述的一种单足自平衡机器人，特征在于，所述控制界面设有：前 进、后退、左转、右转、停止等控件，当用户打开总开关时，手机通过蓝牙发送指令，机器人接 收到指令后通过对指令的配对做出相应的动作，在这过程中保持机器人平衡。
7. 根据权利要求1所述的一种单足自平衡机器人，特征在于，所述电源稳压电路由S1、 U1三端稳压器AMS1117、电容C1-C6组成，其中，输入Β+与锂电池的正极相接，Β-与锂电池 的负极相接，正极从开关S1的2脚输入，开关S1的1脚不接，3脚与电容Cl、C2及三端稳 压器的输入即3脚VIN相接，电容C1、C2的另一端分别接地，三端稳压器AMS1117的1脚接 地，2脚输出V0UT与C3、C4、C5、C6 -端相接，电容C3、C4、C5、C6另一端接地，最后由标号 为+3V3的端子输出，给电路供电。
8. 根据权利要求1所述的一种单足自平衡机器人，特征在于，所述OLED显示电路由 OLED显示模块、MCU STM32F103和电源端口组成，其中输入VCC端口与稳压电路的输出口相 接，GND则与地相接，给电路供电，OLED显示模块的SCL和SDA信号端分别与MCU的PA8和 PA9相接，显示模块的RST复位端口与MCU的PA10相接，其中D/C位选端口与MCU的PA11 相接。
9. 根据权利要求1所述的一种单足自平衡机器人，特征在于，所述陀螺仪控制电路由 MPU9150芯片、MCU STM32F103、电容C7-C10、电阻Rl、R2组成，其中，电容C7 -端接3V3、 另一端接MPU9150的1脚，电容C8 -端接地、另一端接MPU9150的10脚，电容C9 一端接 MPU9150的18脚、另一端接MPU9150的20脚，电容C10 -端接MPU9150的13脚、另一端接 地，电阻R1 -端接3V3、另一端接MPU9150的24脚，电阻R2 -端接3V3、另一端接MPU9150 的23脚，MPU9150的3端口输入3V3与稳压电路的输出端口正极相接，15和17端口则与 GND相接，给陀螺仪电路供电，MPU9150的XDA端口 6和XCL端口 7分别与MCU STM32F103 的PB13和PB12相连。
10. 根据权利要求1所述的一种单足自平衡机器人，特征在于，所述电机驱动电源稳压 电路由电容C11-C16、指示灯LED1、电感L1、电阻R3、稳压三极管LM2940S12组成，所述电 机驱动逻辑电路，由电阻R4-R7、逻辑器HEF4011BT U2-U4组成，所述电机驱动主电路，由电 容 C17-C20、续流二极管 D1-D6、MOS 管 IRF2807S Q1-Q4、电阻 R8-R13,半桥驱动器 IR2104S U5-U6组成，所述电机驱动光耦隔离电路，由电阻R14-R20、PS2801光电耦合器U7组成。
【文档编号】G05D1/02GK203838557SQ201420155484
【公开日】2014年9月17日 申请日期:2014年4月2日 优先权日:2014年4月2日
【发明者】毛丽民, 吴余生, 徐本连, 谭平亚, 刘叔军, 朱培逸, 戴广成, 沈超, 周琪琪, 胡建秋 申请人:常熟理工学院