專利名稱：一種慣性輪式二輪機(jī)器人穩(wěn)定裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及機(jī)器人智能化控制領(lǐng)域，尤其涉及一種慣性輪式二輪機(jī)器人穩(wěn)定
直O(jiān)
背景技術(shù)：
隨著近年來高集成度與高速數(shù)字技術(shù)的飛速發(fā)展，控制技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展和完 善，再加上新的更先進(jìn)的制造工藝的不斷產(chǎn)生，從而使得機(jī)器人領(lǐng)域發(fā)生了翻天覆地的變 化。同時電子技術(shù)，信息技術(shù)在機(jī)器人方面的大量應(yīng)用，使得機(jī)器人在自動控制方面有了深 遠(yuǎn)的進(jìn)步，進(jìn)一步推動了機(jī)器人的技術(shù)朝著自動化，智能化的方向發(fā)展。雖然現(xiàn)在市場上的 機(jī)器人琳瑯滿目，但是大多數(shù)都是三輪或者三輪以上的，極少數(shù)有兩輪的機(jī)器人，因為兩輪 機(jī)器人是一個不穩(wěn)定系統(tǒng)，需要一個穩(wěn)定裝置，否則就會跌倒。
發(fā)明內(nèi)容本實用新型的目的在于，提供一種慣性輪式二輪機(jī)器人穩(wěn)定裝置，該裝置能自動 保持二輪機(jī)器人前行駛，能在行駛過程中處于穩(wěn)定狀態(tài)，保持平衡，不會跌倒。為了實現(xiàn)上述任務(wù)，本實用新型的技術(shù)方案是這樣實現(xiàn)的一種慣性輪式二輪機(jī)器人穩(wěn)定裝置，包括自行車，其特征在于，在自行車上安裝固定 有檢測單元、控制單元和穩(wěn)定單元；檢測單元和控制單元連接，控制單元和穩(wěn)定單元相連接。所述檢測單元由單軸陀螺儀傳感器和三軸加速度傳感器組成。單軸陀螺儀傳感器 采用型號為ADXRS610陀螺儀，用于測量自行車左右傾斜時的角速度。三軸加速度傳感器采 用型號為ADXL335的三軸加速度傳感器，其根據(jù)重力引起的加速度，計算出自行車相對于 水平面的傾斜角度。所述控制單元采用飛思卡爾公司生產(chǎn)的MC9S12)(DP512單片機(jī)，其包含高性能、低 功耗的16位微處理器，RISC結(jié)構(gòu)，八通道P麗，8路10位ADC。所述穩(wěn)定單元由平衡輪、540直流電機(jī)和H橋電機(jī)驅(qū)動電路組成。平衡輪采用直徑 為150mm的橡膠輪胎，其旋轉(zhuǎn)軸線與自行車軸線平行且位于自行車縱軸的正上方，其旋轉(zhuǎn) 時可產(chǎn)生用于抵消使自行車傾倒的力矩。本實用新型根據(jù)固定在自行車上的單軸陀螺儀傳感器和三軸加速度傳感器，測量 計算獲得自行車的側(cè)向角度、角速度和角加速度，并將這些信息傳送給控制單元，控制單元 接收并處理上述信息后，計算得出自行車傾倒的方向和傾倒角度，然后向H橋電機(jī)驅(qū)動電 路輸出控制信號，使其驅(qū)動固定在車身上的直流電機(jī)向自行車傾倒的方向旋轉(zhuǎn)，從而帶動 平衡輪旋轉(zhuǎn)。平衡輪旋轉(zhuǎn)時所產(chǎn)生的力矩與自行車的傾倒力矩相反，從而其與傾倒力矩相 互抵消，使自行車保持平穩(wěn)，不跌倒。

圖1為本實用新型的結(jié)構(gòu)框圖；[0011]圖2為本實用新型的平衡輪和驅(qū)動電機(jī)安裝示意圖；圖3為本實用新型的電機(jī)驅(qū)動原理圖；圖4為本實用新型的工作流程圖。
以下結(jié)合附圖對本實用新型作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
具體實施方式
本實用新型的慣性輪式二輪機(jī)器人穩(wěn)定裝置，包括自行車，其特征在于，在自行車 上安裝固定有檢測單元、控制單元和穩(wěn)定單元；檢測單元和控制單元連接，控制單元和穩(wěn)定 單元相連接。檢測單元由單軸陀螺儀傳感器和三軸加速度傳感器組成，單軸陀螺儀傳感器選 用AD)(RS610單軸陀螺儀傳感器，其是一款角速度范圍為300° /S的MEMS角速度傳感器， 提供了精確的參考電壓和溫度輸出的補(bǔ)償技術(shù)。該傳感器Z軸響應(yīng)、寬頻抗高振動，2000g 沖擊耐受力，模擬電壓信號輸出。三軸加速度傳感器選用ADXL335三軸加速度傳感器，它 是美國模擬器件公司新近推出的一款帶有信號調(diào)理電路且可提供模擬電壓輸出的小量程、 小尺寸、低功耗三軸加速度計。它不僅可以測量靜態(tài)加速度，還可以測量動態(tài)加速度，具有 IOOOOg的額定耐沖壓強(qiáng)度，具有良好的Og偏壓穩(wěn)定性和良好的靈敏度。參照圖1，ADXRS610單軸陀螺儀傳感器和ADXL335三軸加速度傳感器分別與 MC9S12XDP512單片機(jī)的ADO和ADl相連接，AD)(RS610單軸陀螺儀傳感器輸出的角速度信號 和ADXL335三軸加速度傳感器輸出的角度信號分別進(jìn)入MC9S12)(DP512單片機(jī)的ADO和ADl 口進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換。H橋電機(jī)驅(qū)動電路分別與單片機(jī)的控制信號輸出端口和540直流電機(jī)相 連接，其根據(jù)單片機(jī)所輸出的控制信號控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。540直流電機(jī)與平衡輪相連接， 當(dāng)直流電機(jī)正反轉(zhuǎn)時，帶動平衡輪也正反轉(zhuǎn)，從而所產(chǎn)生的力矩抵消自行車的傾倒力矩，使 自行車保持平穩(wěn)。平衡輪和直流電機(jī)的安裝參照圖2，其中標(biāo)號1為540直流電機(jī)，標(biāo)號2為平衡輪， 標(biāo)號3為支撐桿。平衡輪2通過軸心安裝在支撐桿3上，540直流電機(jī)固定在平衡輪2上， 平衡輪2與540直流電機(jī)1以齒輪嚙合的方式進(jìn)行傳動。540當(dāng)直流電機(jī)1轉(zhuǎn)動時，通過齒 輪帶動平衡輪2繞著支撐桿3進(jìn)行正反轉(zhuǎn)。本實用新型采用標(biāo)準(zhǔn)微型馬達(dá)公司生產(chǎn)的540直流電機(jī)。該電機(jī)額定電壓為 7. 2V，空載電流為2A，轉(zhuǎn)速可達(dá)16200r/min ；最大轉(zhuǎn)矩為10. 9Ν·πι。由于MC9S12XDP512單 片機(jī)輸出PWM無法直接驅(qū)動此直流電機(jī)，因此需要通過H橋電機(jī)驅(qū)動電路來驅(qū)動。為簡化 電路設(shè)計，H橋電機(jī)驅(qū)動電路采用集成電機(jī)驅(qū)動芯片MC33886對電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動和控制。參 照圖3，集成電機(jī)驅(qū)動芯片MC33886的Dl和D2腳直接接高電平和地，使其按預(yù)設(shè)方式工作， mi接MC9S12XDP512單片機(jī)的PWM3 口，IN2接地，OUTl和0UT2輸出功率放大后的相應(yīng)的 控制信號，分別接540直流電機(jī)的正負(fù)極，以控制電機(jī)轉(zhuǎn)動。通過調(diào)整MC9S12)(DP512單片 機(jī)PWM3 口輸出的PWM占空比，實現(xiàn)電機(jī)以不同的速度正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)。參照圖4，本實用新型的具體工作流程如下系統(tǒng)上電，程序初始化后，ADXRS610 單軸陀螺儀傳感器開始實時的檢測自行車的側(cè)向角速度，ADXL335三軸加速度傳感器開始 實時的檢測自行車的側(cè)向角度，兩個傳感器且實時的將所檢測到的側(cè)向角速度信息和側(cè)向 角度信息以模擬電壓的形式傳送給MC9S12)(DP512單片機(jī)。MC9S12)(DP512單片機(jī)接收所傳
4送過來的信息后，通過A/D轉(zhuǎn)換將模擬電壓值轉(zhuǎn)換為數(shù)字電壓后，結(jié)合數(shù)字量的側(cè)向角速 度信息和側(cè)向角度信息的大小，計算得出自行車欲傾倒的方向和傾倒角度大小。根據(jù)計算 得到的自行車傾倒的方向和傾倒角度大小，MC9S12)(DP512單片機(jī)的PWM4和PWM5管腳輸出 不同占空比的PWM信號，該P(yáng)WM信號輸入H橋電機(jī)驅(qū)動電路將該信號放大后輸出給540直 流電機(jī)，以控制540直流電機(jī)的轉(zhuǎn)動方向和轉(zhuǎn)動速度，540直流電機(jī)帶動平衡輪2旋轉(zhuǎn)，平衡 輪2旋轉(zhuǎn)時對車身的反作用力矩方向與自行車傾倒力矩剛好相反，從而使自行車保持直立 穩(wěn)定狀態(tài)。
權(quán)利要求1.一種慣性輪式二輪機(jī)器人穩(wěn)定裝置，包括自行車，其特征在于，在自行車上安裝固 定有檢測單元、控制單元和穩(wěn)定單元；檢測單元和控制單元連接，控制單元和穩(wěn)定單元相連 接。
2.如權(quán)利要求1所述的慣性輪式二輪機(jī)器人穩(wěn)定裝置，其特征在于，所述的檢測單元 由單軸陀螺儀傳感器和三軸加速度傳感器組成。
3.如權(quán)利要求1所述的慣性輪式二輪機(jī)器人穩(wěn)定裝置，其特征在于，所述的穩(wěn)定單元 由H橋電機(jī)驅(qū)動電路、直流電機(jī)和平衡輪組成，其中，平衡輪的旋轉(zhuǎn)軸線與自行車軸線平行 且位于自行車縱軸的正上方，平衡輪旋轉(zhuǎn)時用于產(chǎn)生抵消使自行車傾倒的力矩。
4.如權(quán)利要求2所述的慣性輪式二輪機(jī)器人穩(wěn)定裝置，其特征在于，所述的單軸陀螺 儀傳感器選擇ADXRS610陀螺儀；三軸加速度傳感器選擇ADXL335三軸加速度傳感器。
5.如權(quán)利要求3所述的慣性輪式二輪機(jī)器人穩(wěn)定裝置，其特征在于，所述的平衡輪與 直流電機(jī)以齒輪嚙合的方式進(jìn)行傳動。
6.如權(quán)利要求3所述的慣性輪式二輪機(jī)器人穩(wěn)定裝置，其特征在于，所述的平衡輪采 用直徑為150mm的橡膠輪胎。
7.如權(quán)利要求3所述的慣性輪式二輪機(jī)器人穩(wěn)定裝置，其特征在于，所述的直流電機(jī) 選擇540直流電機(jī)。
專利摘要本實用新型公開了一種慣性輪式二輪機(jī)器人穩(wěn)定裝置，包括自行車，在自行車上安裝固定有、控制單元和穩(wěn)定單元；檢測單元由單軸陀螺儀傳感器和三軸加速度傳感器組成，穩(wěn)定單元由平衡輪、540直流電機(jī)和H橋電機(jī)驅(qū)動電路組成，控制單元為單片機(jī)，根據(jù)檢測單元測量計算獲得自行車的側(cè)向角度、角速度和角加速度，并將這些信息傳送給控制單元，控制單元接收并處理上述信息后，計算得出自行車傾倒的方向和傾倒角度，然后向H橋電機(jī)驅(qū)動電路輸出控制信號，使其驅(qū)動固定在車身上的直流電機(jī)向自行車傾倒的方向旋轉(zhuǎn)，從而帶動平衡輪旋轉(zhuǎn)。平衡輪旋轉(zhuǎn)時所產(chǎn)生的力矩與自行車的傾倒力矩相反，從而其與傾倒力矩相互抵消，使自行車保持平穩(wěn)，不跌倒。
文檔編號G05B19/042GK201856757SQ20102056427
公開日2011年6月8日 申請日期2010年10月18日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月18日
發(fā)明者嚴(yán)尹鑫, 吳付威, 吳初娜, 韓毅 申請人:長安大學(xué)