动平衡独轮移动机器人本体.pdf

本发明公开了一种动平衡独轮移动机器人本体，包括一单体转动轮，在转动轮的中心轮毂上固联一中心轴；一实现载物的配重物，与转动轮位于同一平面上；一支撑机构，包括一套固在中心轴上的第一连杆，及连接配重物的第二连杆，第一连杆与第二连杆通过一中枢转轴实现连接；至少带有一可驱动中心轴转动的电机。当所述的支撑机构连接配重物的总长度大于转动轮的半径时，支撑机构及配重物位于转动轮的上方；且还带有可驱动中枢转轴转动的电机。当所述的支撑机构连接配重物的总长度小于转动轮的半径时，支撑机构及配重物嵌套在转动轮里面，方向为铅直向上或向下。其利用其匹配相应的控制单元可以实现载物行进的功能。并还可解决独轮车的平衡问题。

权利要求书
1、  一种动平衡独轮移动机器人本体，包括一单体转动轮，其特征在于：
在转动轮的中心轮毂上固设一中心轴；
一实现载物的配重物，与转动轮位于同一平面上；
一支撑机构，包括一套固在中心轴上的第一连杆，及连接配重物的第二连杆，第一连杆与第二连杆通过一中枢转轴实现连接；
至少带有一可驱动中心轴转动的电机。

2、  根据权利要求1所述的动平衡独轮移动机器人本体，其特征在于：所述的支撑机构连接配重物的总长度大于转动轮的半径，支撑机构及配重物位于转动轮的上方；且还带有可驱动中枢转轴转动的电机。

3、  根据权利要求2所述的动平衡独轮移动机器人本体，其特征在于：所述支撑机构的第一连杆下端为叉形结构，两叉端套装在中心轴上，驱动中心轴转动的电机输出轴直接与中心轴固联。

4、  根据权利要求2所述的动平衡独轮移动机器人本体，其特征在于：它还包括一把手装置，固定在支撑机构或配重物上。

5、  根据权利要求1所述的动平衡独轮移动机器人本体，其特征在于：所述的支撑机构连接配重物的总长度小于转动轮的半径，支撑机构及配重物嵌套在转动轮里面，方向为铅直向上或向下；中心轴的两端固定在扁球形壳体上，驱动中心轴转动的电机通过齿轮组带动中心轴转动。

6、  根据权利要求5所述的动平衡独轮移动机器人，其特征在于：转动轮为扁球形封闭式结构。

7、  根据权利要求2所述的动平衡独轮移动机器人，其特征在于：所述的配重物为可供人骑座的座椅。

说明书动平衡独轮移动机器人本体
技术领域
本发明属于机器人应用技术领域，尤其涉及一种独轮的移动机器人本体。
背景技术
单轮机器人的研究具有广阔的应用前景：利用其水陆两栖的特性，将它引入到海滩和沼泽地等环境，进行运输、营救和矿物探测；利用其外形纤细的特性将它用作监控机器人，实现对狭窄地方的监控；在航天领域，基于单轮机器人的原理可以开发一种不受地形影响、运动自如的月球车。
香港中文大学研制的单轮稳定机器人样机Gyrover_1和Gyrover_2，从外观上看只有一个轮子，运动起来很像一个陀螺。这种单轮机器人用陀螺仪来实现其运动的稳定，其结构中共有3个电机，采用马达带动一个悬挂飞轮高速旋转，使得高速和低速运动时都很稳定，利用倾侧电机控制飞轮的角度从而控制转向，驱动电机改变内部质心的位置从而驱动机器人的前进或后退。该机器人运动时能够较为稳定的行走和自由转弯，但三个电机驱动，结构复杂。
发明内容
本发明的目的是提供一种动平衡独轮移动机器人本体，利用其匹配相应的控制单元可以实现载物行进的功能。并还可解决独轮机器人的平衡问题，为独轮机器人的深入研究提供了理论方法及结构模型。
为实现上述目的，本发明采取以下设计方案：
一种动平衡独轮移动机器人本体，包括一单体转动轮，在转动轮的中心轮毂上固联一中心轴；一实现载物的配重物，与转动轮位于同一平面上；一支撑机构，包括一套固在中心轴上的第一连杆，及连接配重物的第二连杆，第一连杆与第二连杆通过一中枢转轴实现连接；至少带有一可驱动中心轴转动的电机。
当所述的支撑机构连接配重物的总长度大于转动轮的半径时，支撑机构及配重物位于转动轮的上方；且还带有可驱动中枢转轴转动的电机。
当所述的支撑机构连接配重物的总长度小于转动轮的半径时，支撑机构及配重物嵌套在转动轮里面，方向为铅直向上或向下；中心轴的两端固定在扁球形壳体上，驱动中心轴转动的电机通过齿轮组带动中心轴转动。
本发明动平衡独轮移动机器人本体还可应用到其他领域，如将配重物改为可供人骑座的座椅，供人作为一种娱乐健身或应用到特殊场合下的行进工具。
本发明的优点是：
1、相对两轮以上行走的机器人来说，具有体积小、易于携带、停放方便的特点。
2、结构简单，平衡性能良好，适用范围广，能满足不同尺寸要求。
附图说明
图1a是本发明动平衡独轮移动机器人一实施例结构示意图(侧视)
图1b是图1a所示实施例结构示意图(前视)
图2是本发明另一实施例结构示意图(示意性简图，不包括转动轮的轴条)
图3是本发明又一实施例结构示意图(示意性简图，不包括转动轮的轴条)
图4是带有把手的动平衡独轮移动机器人结构示意图
图5是不带把手的动平衡独轮移动机器人结构示意图
以下结合附图及具体实施例对做进一步详细说明：
具体实施方式
参阅图1至图5所示，本发明动平衡独轮移动机器人本体的最主要基本架构包括一单体转动轮1，一支撑机构，一随转动轮同行进的配重物8，在本体上设置控制其实现前后方向的控制单元及实现左右方向的控制单元。本发明所述的动平衡独轮移动机器人本体是指一种机器人的机械结构体，不包括智能控制部分。控制单元的智能控制部分可针对多种功能另行开发，其将不作为本申请的主体。
图1a和图1b示出了本发明动平衡独轮移动机器人一主体结构，包括：在转动轮1的中心轮毂上固联一中心轴2，中心轴2穿设在第一连杆4下端，可驱动中心轴转动的电机3与可驱动中枢转轴转动的电机5安装在第一连杆4上，第一连杆4与第二连杆7通过中枢转轴6相连接，配重物8与第二连杆7固联。所述的配重物8应与转动轮1位于同一平面上，此实施例中，支撑机构连接配重物的总长度大于转动轮的半径，支撑机构及配重物位于转动轮的上方，且所述支撑机构的第一连杆下端为叉形结构，两叉端套装在中心轴2上，驱动中心轴转动的电机3输出轴直接与中心轴固联。
它还包括一把手装置，固定在支撑机构上，参见图4。
图2及图3示出了本发明动平衡独轮移动机器人另外两个实施例的主体结构形式：此种形式中支撑机构连接配重物的总长度小于转动轮的半径，支撑机构及配重物嵌套在转动轮里面，方向为铅直向上或向下；中心轴2的两端固定在扁球形壳体上，驱动中心轴转动的电机3通过齿轮组带动中心轴转动。
转动轮可以为扁球形封闭式结构，封闭式结构可以防止灰尘或外界杂物进入，对内部驱动设备起保护作用，在侧面开门方便维修操作。
本发明动平衡独轮移动机器人的电机3驱动中心轴2及转动轮1转动，实现前后方向的控制，另一个可驱动中枢转轴转动的电机5带动第二连杆7及配重物8绕轴摆动，实现左右方向的控制。两个电机提供两个正交的扭矩，转动轮和两个连杆的摆动实现两个方向的平衡控制，结构简单，且易于控制。
本发明所提出的动平衡独轮移动机器人亦可实现载人功能，作为一种交通工具使用。其中将配重物8改装为座椅，由人的重量作为配重。当独轮机器人有把手装置时(如图4所示)，人可以通过操纵把手来实现左右平衡，前后平衡仍由转动轮实现。当机器人无把手时(如图5所示)，电机控制座椅带动人的运动实现左右平衡，前后平衡如上所述。
本发明的工作过程及原理是：当机器人有向前跌倒趋势时，电机3控制转动轮1转动，使得转动轮1向前运动；当机器人有向后跌倒趋势时，电机3控制转动轮1向后运动；当机器人有向左跌倒趋势时，电机5控制第二连杆7及配重物8绕中枢转轴向右摆动；当机器人有向右跌倒趋势时，电机5控制第二连杆7及配重物8绕轴6向左摆动。当机器人在两个方向上都有跌倒趋势时，两个电机同时工作，带动相应的部件产生运动，调整整个系统重心的位置，使机器人平衡。电机的启控由智能控制单元实现，此不赘述。
第一连杆4与第二连杆7组成的关节处，第二连杆7只可以绕中枢转轴6摆动，中枢转轴6为水平方向。当转动轮1前进或者后退时，第一连杆4与第二连杆7、配重物8一起运动，只有机器人产生左右跌倒趋势时，第二连杆7及固联在其上的配重物8才产生左右摆动，此时第一连杆4并没有运动。
转动轮半径可以小于支撑机构连接配重物的总长度，此时支撑机构及配重物位于轮上方(见图1)；转动轮半径也可以大于支撑机构及配重物总长度，这种情况下，支撑机构、配重物、中心轴、电机可以嵌套在转动轮平面，方向可以为铅直向上或向下，此时，转动轮可以为扁球形，电机3安装在连杆4上，通过齿轮传动带动转动轮转动。