技术领域
[0001] 本
发明涉及一种走钢丝机器人，确切的说，涉及一种能够在悬挂的柔性钢丝上通过调整平衡杆而保持自平衡和前后移动的双轮机器人，属于
机器人技术领域。
背景技术
[0002] 走钢丝机器人是一种依靠
驱动轮在柔性钢丝上进行平衡行走的机器人系统。这种机器人具有静态不稳定和动态可稳定的特点，并具有明显的欠驱动特性，
机器人本体与
钢丝绳之间通过动
力学耦合来产生相互的约束运动。其所体现动力学特性的各种参数对于系统的平衡运动尤为重要。由于系统的复杂性，这些参数通常不能通过直接测量获得，而是需要进行机器人参数的在线辨识。因此，走钢丝机器人的研究需要综合考虑机器人的刚性运动和钢丝绳的柔性摆动，建立刚柔耦合的系统动力学模型；再基于非线性控制理论，为机器人设计
控制器，提高系统的鲁棒性。
[0003] 目前，国内外都对具有独轮特征的各类机器人实现自稳定平衡功能方面进行了研究，但是，相关文献资料还是非常少。尤其是基于人类走钢丝的杂技表演运动原理，能够模仿人类运动功能，并在三维空间中能够在钢丝上自平衡行走的机器人的研究更是至今未见有相关报道。
[0004] 现在公开报道文献主要有宋杰文等的中国科技论文在线《机器人走钢丝的简易模糊控制器》和上海交通大学周春林等的
专利申请。文献《机器人走钢丝的简易模糊控制器》建立了一个机器人走钢丝的数学模型，通过模糊控制方法控制平衡杆摆动，但是，该文献中未见关于钢丝绳的柔性的考虑，而且该文献未能制作走钢丝机器人的物理样机，只是对建立的数学模型进行简单的仿真验证。上海交通大学的专利申请公布了一种包括外部壳体、
支撑轮、陀螺、内环直行驱动
电机、内环
框架、外环框架、陀螺、直行
驱动电机、阻尼器与
传感器组成的走钢丝机器人，同样，该专利申请没有考虑绳子的柔性对机器人稳定平衡的影响，而且，其所描述的走钢丝机器人主要是依靠陀螺运动所产生的陀螺效应来保持平衡，而不是通过控制平衡杆来实现。
[0005] 因为走钢丝机器人必须配备丰富、反应快捷的感觉系统和思维决策系统，以它小巧轻便、节能的特点有可能成为代步工具。另外，在航天领域，基于走钢丝机器人的原理还可以开发一种不受地形影响的，运动自如的月球车。走钢丝机器人也可以用于电力或通讯系统中，比如在电力或通讯系统中完成线路巡视、线路维护、线路除
冰等多种功能。因此，目前仍然有许多业内科技人员在关注和研究走钢丝机器人的科研课题。
发明内容
[0006] 有鉴于此，本发明的目的是提供一种基于平衡杆控制的刚柔耦合走钢丝机器人，该机器人是通过控制平衡杆来实现自平衡，并能在钢丝上行走，且结构简单，体积小巧，便于实施控制。
[0007] 为了达到上述发明目的，本发明提供了一种基于平衡杆控制的刚柔耦合走钢丝机器人，其特征在于：该机器人设有下述部件：底盘及行进电机组成的行走装置，由传感器、执行电机、
齿轮传动机构、转动杆与平动构件组成的平衡装置，以及智能控制电器箱，其中，[0008] 行走装置的底盘是由承载机器人全部构件的
底板与垂直竖立于底板前侧的
立板组成的该机器人主体框架，底板下方中心线的前后两端分设有前后两个滚轮，两个滚轮之间设有用于驱动后轮转动、实现机器人前后移动的行进电机，藉由该前后两个滚
轮作为支撑点，该机器人站立与行走于钢丝上；
[0009] 平衡装置的执行电机悬固安装于立板上部后侧，该执行电机的
转轴伸出于立板前侧，转轴上安装有两组平衡部件：联轴件与转动杆构成的旋转平衡部件和
齿轮传动的四边形平动构件组成的
重心平移平衡部件；传感器有两个：安装在底板上的微型航向测量MTI（motion tracker instrument）传感器和检测执行电机的转速与
角度的光电码盘；该执行电机的转轴上分别固装有
小齿轮和联轴件，其中，小齿轮两侧的左右上方分别与两个大齿轮相
啮合，该两个大齿轮的轮轴通过
滚动轴承固装于立板；该两个大齿轮和固设于轮轴上方的两个连架杆，以及与连架杆顶端联成一体的一个平动杆组成一个能够随大齿轮转动而使该平动杆产生平动位移的四边形平动构件；
[0010] 智能控制电器箱包括分别固装在底板上的设有数字
信号处理DSP（Digital Signal Processing）芯片及其外围
电路的控制
电路板、执行电机的驱动控制箱和
蓄电池。
[0011] 为了达到上述发明目的，本发明还提供了一种基于平衡杆控制的刚柔耦合走钢丝机器人的控制方法，其特征在于：对与执行电机转轴联动的旋转平衡部件中的转动杆的转动和四边形平动构件中的平动杆的平动位移进行控制，用于调整机器人的平衡：藉由转动杆的转动力矩抵消机器人重力力矩的作用，同时，由平动杆产生的质心偏移来抵消机器人的重心偏移；该两项操作的平衡调整因子取决于大小齿轮的齿数比与四边形平动构件中连架杆的长度；所述方法包括下列操作步骤：
[0012] （1）机器人启动后，微型航向测量MTI传感器检测该机器人包括其
横滚角度和
俯仰角度的当前状态信息，并将检测信息实时传送至该智能控制电器箱中的控制电路板；
[0013] （2）控制电路板根据接收到的该机器人当前状态信息分别设定执行电机和行进电机的转速和转向指令；
[0014] （3）执行电机转动，并驱动联轴件带动转动杆顺
时针或逆时针传动，以使其相应产生的转动力矩抵消机器人重力力矩的作用；
[0015] （4）执行电机的转轴驱动小齿轮啮合大齿轮产生转动，通过四边形平动构件将执行电机的转动转化为平动杆的平动位移，藉由平动杆质心的移动来改变机器人的重心，以使该机器人重心保持于钢丝上；
[0016] （5）光电码盘将执行电机的转轴速度和
位置信息反馈给控制电路板，形成闭环控制，以使该机器人保持其在钢丝上的自平衡；该步骤（5）是与步骤（3）、（4）同时执行的；
[0017] （6）在机器人处于平衡状态下，控制电路板设定行进电机控制命令，完成机器人在钢丝上的行走。
[0018] 本发明走钢丝机器人的结构创新特点是：通过控制与执行电机转轴联动的旋转平衡部件中的转动杆的转动和四边形平动构件中的平动杆的平动位移，来调整和实现该机器人的自平衡：藉由转动杆的转动力矩抵消机器人重力力矩的作用，同时，由平动杆产生的质心偏移来抵消机器人的重心偏移。
附图说明
[0019] 图1是本发明基于平衡杆控制的刚柔耦合走钢丝机器人的结构组成示意图。
[0020] 图2是本发明基于平衡杆控制的刚柔耦合走钢丝机器人的前视图。
[0021] 图3是本发明基于平衡杆控制的刚柔耦合走钢丝机器人的后视图。
[0022] 图4是本发明基于平衡杆控制的刚柔耦合走钢丝机器人的左视图。
[0023] 图5是本发明基于平衡杆控制的刚柔耦合走钢丝机器人的右视图。
[0024] 图6是本发明基于平衡杆控制的刚柔耦合走钢丝机器人的上视图。
[0025] 图7是本发明基于平衡杆控制的刚柔耦合走钢丝机器人的下视图。
[0026] 图8是本发明平衡装置中执行电机处于转动中的机器人的整体前视图。
[0027] 图9是本发明平衡装置中大小齿轮啮合传动图。
具体实施方式
[0028] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和
实施例对本发明作进一步的详细描述。
[0029] 参见图1~图9，介绍本发明基于平衡杆控制的刚柔耦合走钢丝机器人的结构组成：该装置设有下述三个部件：底盘及行进电机12组成的行走装置，由传感器2与11、执行电机10、转动杆4、齿轮传动机构与四边形平动构件组成的平衡装置，以及智能控制电器箱。其中，行走装置的底盘是由承载机器人全部构件的底板1与垂直竖立于底板1前侧的立板3组成的该机器人主体框架，底板1下方中心线的前后两端分设有前轮17和后轮15，两个滚轮17和15之间设有用于驱动后轮15转动、实现机器人前后移动的行进电机16，藉由该前后两个滚轮17和15作为支撑点，该机器人站立与行走于钢丝上。
[0030] 本发明基于平衡杆控制的刚柔耦合走钢丝机器人的关键部件：平衡装置的执行电机10悬固安装于立板3的上部后侧，该执行电机10的转轴伸出于立板3的前侧，其转轴上分别固装的小齿轮6和紧固于转轴顶端的联轴件5组成两组平衡部件：联轴件5与转动杆4构成的旋转平衡部件和齿轮传动的四边形平动构件组成的重心平移平衡部件。其中的联轴件5设有通孔，一个具有相当长度的转动杆4固装在联轴件5的通孔内，藉由该转动杆4的顺时针或逆时针的左右转动，以使该机器人保持其在钢丝上的平衡状态。小齿轮6的两侧的左右上方分别与两个大齿轮9相啮合，该两个大齿轮9的轮轴通过
滚动轴承固装于立板3；该两个大齿轮9和固设于其轮轴上方的两个连架杆7，以及与连架杆7顶端联成一体的一个平动杆8组成一个能够随大齿轮7转动而使该平动杆8产生平动位移的四边形平动构件。根据大齿轮9的半径在与小齿轮6相互啮合的情况下，选择该两个大齿轮9的轴承孔在立板3的安装位置，并调整连架杆7，使得两个连架杆7处于相互平行状态，且其顶部的平动杆8与转动杆4也要相互平行。执行电机10转动时的状况可参看图8所示，其中大齿轮9小齿轮6的啮合传动关系可参看图9所示。两个传感器分别是安装在底板1上的用于检测机器人位置信息的微型航向测量MTI（motion tracker instrument）传感器2和检测执行电机10的转速与角度的光电码盘11。
[0031] 本发明的执行电机10是带有减速机构与灵敏控制特性和
稳定性的空心杯电机，其型号为：SAEG motors，为北京博创兴盛机器人技术有限公司的产品。因为该SAEG motors型号的执行电机附属带有检测、监控其电机转轴的转速与角度的光电码盘；此时，平衡装置只需配置微型航向测量MTI传感器2。
[0032] 智能控制电器箱包括分别固装在底板1上的设有
数字信号处理DSP（Digital Signal Processing）芯片及其外围电路的控制电路板13、固装在立板3的执行电机10下方的驱动控制箱12和
蓄电池14。控制电路板13垂直安装在蓄电池14上方，以便利于调试电路。
[0033] 本发明基于平衡杆控制的刚柔耦合走钢丝机器人的工作过程如下：机器人启动后，当钢丝发生摆动或机器人受干扰而倾斜，该机器人会因重力作用而发生倾斜,使得其重心偏离钢丝垂直正上方时，微型航向测量MTI传感器检测到该机器人位置的横滚角度和俯仰角度的偏离信息后，立即将这两个角度信息转化为
电信号，并传送给控制电路板，控制电路板中的数字
信号处理芯片根据这两个角度变化信息利用模型
算法计算和输出相应的
电压控制信息给执行电机，其中的转动数值经由联轴件使得转动杆旋转，所产生的转动力矩用于抵消重力力矩的偏离；同时，转轴上的小齿轮带动大齿轮旋转，再经两个连架杆的连接与摆动，使得平行四边形构件中的平动杆相对机器人产生平动位移，使该机器人重心维持在钢丝正上方，保持机器人平衡。另外，该执行电机的转速及转轴位置信息被光电码盘检测并上传到控制电路板，形成闭环反馈控制；机器人在保持自身平衡
基础上，控制电路板根据机器人的当前倾角和执行电机的转轴位置信息，逐步给出相应
控制信号，使得平动杆和转动杆恢复到其初始位置。再者，控制电路板根据设定指令控制行进电机转动，以使该机器人在保持自身平衡基础上，实现前后移动。
[0034] 本发明的另一创新是提供一种走钢丝机器人的控制方法：对与执行电机转轴联动的旋转平衡部件中的转动杆的转动和四边形平动构件中的平动杆的平动位移进行控制，用于调整机器人的平衡：藉由转动杆的转动力矩抵消机器人重力力矩的作用，同时，由平动杆产生的质心偏移来抵消机器人的重心偏移；该两项操作的平衡调整因子取决于大小齿轮的齿数比与四边形平动构件中连架杆的长度。该控制方法包括下列操作步骤：
[0035] （1）机器人启动后，微型航向测量MTI传感器检测该机器人包括其横滚角度和俯仰角度的当前状态信息，并将检测信息实时传送至该智能控制电器箱中的控制电路板；
[0036] （2）控制电路板根据接收到的该机器人当前状态信息分别设定执行电机和行进电机的转速和转向指令；
[0037] （3）执行电机转动，并驱动联轴件带动转动杆顺时针或逆时针传动，以使其相应产生的转动力矩抵消机器人重力力矩的作用；
[0038] （4）执行电机的转轴驱动小齿轮啮合大齿轮产生转动，通过四边形平动构件将执行电机的转动转化为平动杆的平动位移，藉由平动杆质心的移动来改变机器人的重心，以使该机器人重心保持于钢丝上；
[0039] （5）光电码盘将执行电机的转轴速度和位置信息反馈给控制电路板，形成闭环控制，以使该机器人保持其在钢丝上的自平衡；该步骤（5）是与步骤（3）、（4）同时执行的；
[0040] （6）在机器人处于平衡状态下，控制电路板设定行进电机控制命令，完成机器人在钢丝上的行走。
[0041] 以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何
修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。
