[实用新型]水平陀螺结构的独轮自平衡机器人

说明书

技术领域

本实用新型涉及独轮机器人领域，特别涉及一种水平陀螺结构的独轮自平衡机器人。

背景技术

独轮机器人是一种新概念的移动机器人。与其它传统行走机器人相比，独轮机器人具有单点着地、体积小、运动灵活(可原地平衡并转向)等特点，因此具有独特的应用前景。目前，国际上还没有出现单一水平转子陀螺结构的独轮自平衡机器人系统，而且现有独轮机器人存在的抗干扰能力不足和控制方法复杂等问题。

发明内容

为了解决上述的技术问题，本实用新型提供了一种水平陀螺结构的独轮自平衡机器人，利用陀螺的定轴性和稳定性使一个二维倒立不稳定系统变为一个二维准稳定系统，然后根据进动原理，采用旋转配重法对系统进行失衡修正，实现系统自平衡。通过控制行走电机的正反转可以实现独轮系统的平移运动；通过控制旋转电机的加减速可以实现独轮系统的转向运动。

本实用新型解决上述技术问题的方案如下：

水平陀螺结构的独轮自平衡机器人，包括机架、平衡电机、旋转配重、控制电路板、旋转电机、陀螺转子、行走轮和行走电机，

所述机架为底面封闭的空心圆筒形，机架顶面安装一个正方形的顶板，

所述平衡电机安装在顶板上端面，旋转配重的一端连接平衡电机，另一端悬空，控制电路板安装在顶板下端面的几何中心位置，控制电路板连接平衡电机、旋转电机和行走电机，

所述旋转电机安装在机架的内部，陀螺转子安装在旋转电机的旋转轴上，

所述行走轮安装在机架的底面下端面，行走电机连接驱动行走轮，

所述旋转配重的旋转轴、陀螺转子的旋转轴与机架的中心轴同轴，行走轮的支撑点位于机架的中心轴上。

所述机架的底面上端面通过四个螺丝安装一个减震平台，底面上端面与减震平台之间的四个螺丝外面套有橡胶球。

所述行走电机对行走轮的驱动方式为：摩擦驱动、齿轮驱动、链条驱动或者同轴驱动。

本实用新型相对于现有技术具有如下的优点：

1、机器人的平衡：本水平陀螺结构的独轮自平衡机器人，利用陀螺的定轴性和稳定性使一个二维倒立不稳定系统变为一个二维准稳定系统，然后根据进动原理，采用旋转配重法对系统进行失衡修正，因此系统具有了很强的抗扰动能力。旋转电机驱动陀螺转子匀速转动，控制电路板检测独轮机器人的当前姿态，控制电路板驱动平衡电机，使旋转配重随动施加在陀螺转子进动方向上倾斜指向的超前90度方位，保持机器人处于平衡状态。当陀螺转子的姿态发生失衡时，旋转配重在其进动方向上倾斜指向的超前90度方位施加配重，可使陀螺转子产生回正力矩。在回正力矩大于使陀螺产生失衡的倾斜力矩时，失衡的陀螺转子会恢复到水平姿态。而且，当水平陀螺转子高速旋转时，其具有良好的定轴性，外界对其的瞬间干扰会转化为其章动及进动运动而不至于发生崩溃性失稳，这为控制电路板驱动平衡电机修正机器人的平衡提供了足够的时间。

2、机器人的转向：独轮机器人的转向则是依靠控制旋转电机带动陀螺转子的加减速来实现，比如，当陀螺转子加速时，产生的惯性轮加速扭矩大于地面和行走轮间的摩擦阻力矩，机器人定点转向，转向方向与加速度方向相同。同样的，当陀螺转子减速时，机器人的转向方向也与加速度方向相同。

3、机器人的直线运动：行走电机驱动行走轮，机器人便可以实现直线前进或者直线后退的运动。

4、本实用新型的独轮自平衡机器人运动灵活、结构紧凑、成本低廉，能适应复杂的工作环境，应用前景广泛，可以通过简单的控制来实现很强的定点平衡能力，并具有很强的抗扰动能力，降低了系统的控制难度，使本独轮机器人系统便于产品化。

附图说明

图1是本实用新型的水平陀螺结构的独轮自平衡机器人的立体图。

图2是机器人另一角度立体图。

图3是机器人第三个角度立体图。

图4是图3隐藏了机架的内部结构图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明。

如图1、图2、图3和图4所示的水平陀螺结构的独轮自平衡机器人，包括机架1、平衡电机2、旋转配重3、控制电路板4、旋转电机5、陀螺转子6、行走轮7和行走电机8，

本实施例的控制电路板4选用四轴多旋翼MWC MultiWii SE v2.5飞控板(MWC编程器蓝牙调试模块)。

机架1为底面封闭的空心圆筒形，机架顶面安装一个正方形的顶板9，