独轮机器人
技术领域
本实用新型属于机器人技术领域，涉及一种独轮机器人。
背景技术
当前，用于在管道内部或复杂地形进行摄像与检测的全自动机器人的应用越来越广泛，其可执行一些对人工有危险、甚至人工无法完成的任务，如在狭小空间、污染环境、危险环境行走并执行任务，还具备比人力成本低、耐用度高、无疲倦感等优点。
现有的该类机器人大多为四足机器人或履带式机器人，体积庞大，不利于携带，而且转向能力差，适应复杂狭小环境的能力弱。为此，中国专利公开了一种独轮机器人[申请公布号为CN105320130A]，它主要由车轮及行走电机、锂电池组、控制板、左右平衡块、左右平衡伺服电机、丝杠、外壳、提手和固定底板等构成。当传感器测得车体向右倾斜时，在ARM处理器控制下驱动左右平衡伺服电机旋转，带动丝杠旋转使得左右平衡块向左移动，直至车体保持垂直。
虽然上述的独轮机器人具有体积小的优点，但其仍存在以下问题：当遇到突发情况时，机身失稳，无法再通过行走电机来维持机身的平衡，机身向前或向后倾倒，易造成机身上各构件的损坏；若机器人在狭小空间内倾倒后，无法对其进行回收。
实用新型内容
本实用新型的目的是针对现有的技术存在上述问题，提出了一种遇突发情况时不易失稳的独轮机器人。
本实用新型的目的可通过下列技术方案来实现：
独轮机器人，包括由行走电机驱动的车轮和设于车轮上的行走架，所述的行走架上设有电池、平衡感应组件和控制电路板，所述的行走架上还设有用于防止失衡后的行走架倾倒的防倾杆以及配合防倾杆用于使失衡后的行走架复位的驱动组件。
电池为独轮机器人的工作提供电能；平衡感应组件用于感应行走架的平衡状态；控制电路板的信号输入端与平衡感应组件连接，控制电路板的信号输出端与行走电机和驱动组件连接。当行走架处于平衡状态时，由行走架、行走电机、电池、平衡感应组件、控制电路板、防倾杆和驱动组件构成的整体的重心位于车轮的纵向中心线上。当遇突发情况，如车轮撞到无法越过的障碍时，行走架由于惯性会绕着车轮的中轴线向前转动，上述整体的重心前移，行走架失衡，平衡感应组件将信号传递给控制电路板，控制电路板控制驱动组件动作，驱动组件驱动防倾杆摆动或直线运动，使防倾杆抵靠到地面上以达到防止行走架绕车轮的中轴线继续转动的目的。随后在驱动组件的作用下配合防倾杆使失衡后的行走架复位，有利于在狭小的空间内对独轮机器人进行回收。
在上述的独轮机器人中，所述的驱动组件包括固定在行走架上的驱动电机，所述驱动电机的转轴与车轮的中轴线平行，所述防倾杆的一端与驱动电机的转轴固连，所述防倾杆的另一端至驱动电机转轴的距离大于驱动电机的转轴至行走平面的距离。
当机器人处于平衡状态时，防倾杆远离驱动电机转轴的一端与行走平面不接触；当机器人失衡时，驱动电机带动防倾杆绕着驱动电机转轴的中轴线摆动，此时防倾杆远离驱动电机转轴的一端由上往下运动，直至防倾杆抵靠到行走平面以达到防止行走架倾倒的目的。当行走架失衡后，驱动电机驱动抵靠到行走平面上的防倾杆继续摆动，使行走架绕着车轮的中轴线旋转至平衡状态。
在上述的独轮机器人中，所述的驱动电机为两个且分别沿车轮的纵向中心线对称设置，每个所述驱动电机的转轴上均固连有一个防倾杆，两个所述的防倾杆沿车轮的纵向中心线对称设置。
其中一个驱动电机和防倾杆可防止失衡后的行走架向前倾倒，并能使向前失衡的行走架复位；另一个驱动电机和防倾杆可防止失衡后的行走架向后倾倒，并能使向后失衡的行走架复位。
机器人可通过平衡感应组件维持平衡，也可通过两个防倾杆来维持机器人的平衡，即由驱动电机驱动防倾杆的摆动来改变防倾杆的重心位置，从而改变由行走架、行走电机、电池、平衡感应组件、控制电路板、防倾杆和驱动组件构成的整体的重心位置，以此来达到平衡机器人的目的。
在上述的独轮机器人中，所述驱动电机转轴的中轴线在行走平面上的投影与车轮的中轴线在行走平面上的投影重合，所述的防倾杆位于车轮的侧方。
当车轮需要左转向时，位于右侧的防倾杆抵靠到行走平面上使车轮向左侧倾斜，配合车轮的滚动实现左转向，此时位于左侧的防倾杆可防止车轮完全倾倒；当车轮需要右转向时，位于左侧的防倾杆抵靠在行走平面上使车轮向右倾斜，配合车轮的滚动实现右转向，此时位于右侧的防倾杆可防止车轮完全倾倒。
在上述的独轮机器人中，所述的防倾杆远离驱动电机转轴的一端设有滚轮，所述滚轮的中轴线与驱动电机的转轴平行。由于设有滚轮，可减少防倾杆在行走平面上的磨损，提高使用寿命。
在上述的独轮机器人中，所述的行走架包括位于车轮上方的平台、固连在平台上且位于车轮左侧的第一支撑板以及位于车轮右侧的第二支撑板，所述的驱动电机设于平台上。充分利用平台的上部空间来安装驱动电机，减小机器人在左右方向上的尺寸，使机器人能进入狭小空间，提高了机器人的适用范围。
为了使行走架保持平衡，行走架沿车轮的纵向中心线对称设置，在第一支撑板上设置电气箱，将平衡感应组件和控制电路板等设置在电气箱内，将电池设置在第二支撑板上，且电气箱与电池沿车轮的纵向中心线对称设置。
在上述的独轮机器人中，所述的行走电机为轮毂电机，所述的轮毂电机设于车轮内，所述轮毂电机的转轴的左端连接在第一支撑板上，其右端连接在第二支撑板上。其中，轮毂电机的重心位于车轮的纵向中心线上。
在上述的独轮机器人中，所述的行走架上设有头部，所述的头部与行走架之间设有云台结构。可在头部上设置摄像机/传感器/照明光源/牵引接口等，可实现摄像、气体检测、线缆牵引等操作，通过无线网络将采集的数据传输回使用者。多个独轮机器人同时使用时，可用于信号的中继。
在上述的独轮机器人中，所述的云台结构包括固定在行走架上的其转轴沿水平方向延伸的第一电机以及固定在第一电机的转轴上的第二电机，所述第二电机的转轴与第一电机的转轴垂直，所述的头部固定在电机电机的转轴上。第一电机的中轴线与车轮的中轴线平行，当头部处于水平状态时第二电机的转轴纵向延伸。第一电机和第二电机分别由控制电路板控制，当第一电机动作时可实现头部的俯仰动作，当第二电机动作时可实现头部的左右摇摆动作，提高头部的观测范围。
在上述的独轮机器人中，所述的平衡感应组件为陀螺仪。
与现有技术相比，本独轮机器人具有以下优点：
结构简单、部署容易、携带性好；工作可靠、体积小，对狭小空间的适应性好、通过性好；可在极端环境实现多种功能，适用面广；工作时可对机器人的部件进行有效保护，提高了使用寿命，同时可回收处于狭小空间的机器人，降低了使用成本。
附图说明
图1是本实用新型提供的实施例一的正视图。
图2是本实用新型提供的实施例一的结构示意图。
图3是本实用新型提供的实施例二的正视图。
图4是本实用新型提供的实施例二的结构示意图。
图中，1、车轮；2、电池；3、防倾杆；4、驱动电机；5、滚轮；61、平台；62、第一支撑板；63、第二支撑板；7、头部；81、第一电机；82、第二电机；9、电气箱。
具体实施方式
以下是本实用新型的具体实施例并结合附图，对本实用新型的技术方案作进一步的描述，但本实用新型并不限于这些实施例。
实施例一
如图1和图2所示的独轮机器人，包括由行走电机驱动的车轮1和设于车轮1上的行走架，行走架包括位于车轮1上方的平台61、固连在平台61上且位于车轮1左侧的第一支撑板62以及位于车轮1右侧的第二支撑板63，第一支撑板62、第二支撑板63和平台61一体成型。车轮1为橡胶轮，行走电机为轮毂电机，且轮毂电机设于车轮1内，轮毂电机的转轴的左端连接在第一支撑板62上，其右端连接在第二支撑板63上。
如图1和图2所示，在第一支撑板62上设置电气箱9，在电气箱9内设置控制电路板和用于感应行走架的平衡状态的平衡感应组件，平衡感应组件为陀螺仪，在控制电路板上设置ARM处理器芯片和伺服电机驱动器，ARM处理器芯片的信号输入端与陀螺仪连接，ARM处理器芯片的信号输出端与伺服电机驱动器连接，伺服电机驱动器用于控制行走电机的动作。如图1所示，在第二支撑板63上设置为独轮机器人的工作提供电能的电池2，电气箱9与电池2沿车轮1的纵向中心线对称设置。
在行走架上还设有用于防止失衡后的行走架倾倒的防倾杆3以及配合防倾杆3用于使失衡后的行走架复位的驱动组件。当行走架处于平衡状态时，由行走架、行走电机、电池2、平衡感应组件、控制电路板、防倾杆3和驱动组件构成的整体的重心位于车轮1的纵向中心线上。当遇突发情况，如车轮1撞到无法越过的障碍时，行走架由于惯性会绕着车轮1的中轴线向前转动，上述整体的重心前移，行走架失衡，平衡感应组件将信号传递给控制电路板，控制电路板控制驱动组件动作，驱动组件驱动防倾杆3摆动或直线运动，使防倾杆3抵靠到地面上以达到防止行走架绕车轮1的中轴线继续转动的目的。随后在驱动组件的作用下配合防倾杆3使失衡后的行走架复位，有利于在狭小的空间内对独轮机器人进行回收。
具体的，如图1和图2所示，驱动组件包括固定在平台61上的由伺服电机驱动器控制的驱动电机4，充分利用平台61的上部空间来安装驱动电机4，减小机器人在左右方向上的尺寸，使机器人能进入狭小空间，提高了机器人的适用范围。如图1所示，驱动电机4的转轴与车轮1的中轴线平行，驱动电机4的转轴位于车轮1中轴线的正上方，防倾杆3位于车轮1的侧方，防倾杆3的一端与驱动电机4的转轴固连，防倾杆3的另一端至驱动电机4转轴的距离大于驱动电机4的转轴至行走平面的距离。
当机器人处于平衡状态时，防倾杆3远离驱动电机4转轴的一端与行走平面不接触。当机器人失衡时，陀螺仪将信号传递给ARM处理器芯片，ARM处理器芯片控制伺服电机驱动器，伺服电机驱动器控制驱动电机4的动作，从而使防倾杆3绕着驱动电机4转轴的中轴线摆动，此时防倾杆3远离驱动电机4转轴的一端由上往下运动，直至防倾杆3抵靠到行走平面以达到防止行走架倾倒的目的。当行走架失衡后，驱动电机4驱动抵靠到行走平面上的防倾杆3继续摆动，使行走架绕着车轮1的中轴线旋转至平衡状态。
如图1所示，驱动电机4为两个且分别沿车轮1的纵向中心线对称设置，每个驱动电机4的转轴上均固连有一个防倾杆3，两个防倾杆3沿车轮1的纵向中心线对称设置。一个驱动电机4和防倾杆3可防止失衡后的行走架向前倾倒，并能使向前失衡的行走架复位；另一个驱动电机4和防倾杆3可防止失衡后的行走架向后倾倒，并能使向后失衡的行走架复位。
机器人通过两个防倾杆3来维持机器人的平衡，即在ARM处理器芯片的作用下，由驱动电机4驱动防倾杆3的摆动来改变防倾杆3的重心位置，从而改变由行走架、行走电机、电池2、平衡感应组件、控制电路板、防倾杆3和驱动组件构成的整体的重心位置，以此来达到平衡机器人的目的。
当车轮1需要左转向时，位于右侧的防倾杆3抵靠到行走平面上使车轮1向左侧倾斜，配合车轮1的滚动实现左转向，此时位于左侧的防倾杆3可防止车轮1完全倾倒；当车轮1需要右转向时，位于左侧的防倾杆3抵靠在行走平面上使车轮1向右倾斜，配合车轮1的滚动实现右转向，此时位于右侧的防倾杆3可防止车轮1完全倾倒。
如图1和图2所示，防倾杆3远离驱动电机4转轴的一端设有滚轮5或轴承，滚轮5或轴承的中轴线与驱动电机4的转轴平行，可减少防倾杆3在行走平面上的磨损，提高使用寿命。
如图1和图2所示，在工作台上设有头部7。头部7上设置摄像机/传感器/照明光源/牵引接口等，可实现摄像、气体检测、线缆牵引等操作，通过无线网络将采集的数据传输回使用者；当多个独轮机器人同时使用时，可用于信号的中继。
实施例二
本实施例的结构原理同实施例一的结构原理基本相同，不同的地方在于，在头部7与工作台之间设有云台结构。
如图3和图4所示，云台结构包括固定在行走架上的其转轴沿水平方向延伸的第一电机81以及固定在第一电机81的转轴上的第二电机82，第二电机82的转轴与第一电机81的转轴垂直，头部7固定在电机电机的转轴上。具体的，如图3所示，第一电机81的中轴线与车轮1的中轴线平行，当头部7处于水平状态时第二电机82的转轴纵向延伸。
第一电机81和第二电机82由伺服电机驱动器驱动，当第一电机81动作时可实现头部7的俯仰动作，当第二电机82动作时可实现头部7的左右摇摆动作，提高头部7的观测范围。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本实用新型精神作举例说明。本实用新型所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本实用新型的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
