能在傾倒後重新自動站立的自平衡機器人的製作方法

2024-01-30 07:10:15

本實用新型屬於能在傾倒後自行重新站立的特種機器人領域，具體涉及一種能在傾倒後重新自動站立的自平衡機器人。

背景技術：

目前，具有自平衡功能的機器人控制方法已取得了長足進步，一種雙輪自平衡機器人的結構如圖1至圖2所示，其包括控制箱體7和兩套平衡走行輪機構6，每一套平衡走行輪機構6包括走行輪6-1和走行步進電機6-2，走行輪6-1受走行步進電機6-2驅動，而兩個走行步進電機6-2彼此對稱地安裝在控制箱體7下方並由控制箱體7內的基於陀螺儀的自平衡系統進行分別的獨立控制。該雙輪自平衡機器人具有整體對稱性，其重心位於控制箱體7的豎直中心線上。該雙輪自平衡機器人能夠在其控制箱體7的豎直中心線與豎直方向呈±20度傾角的範圍內自動調整平衡姿態，通過使走行輪6-1向發生傾斜的方向加速運動，可以重新調整整體重心，實現平衡機器人的屹立不倒。

然而，在實際應用的過程中，上述的雙輪自平衡機器人往往被應用在極其複雜和危險的工作環境中，以替代人去完成探測、搜救或傳遞物資等工作。這些複雜或危險的工況的地面並不平坦，機器人的行進路線出現坑窪不平、晃動搖擺等路況的情形時有發生，這可能導致機器人因未能保持平衡而發生傾覆倒下。例如，在地震後的廢墟廠房中行進的機器人，很可能在餘震發生時失去平衡而傾倒。

但是，現有的雙輪自平衡功能的機器人通常均不具備傾倒後自行重新站立的能力，因此也就無法在其自身傾倒後繼續完成工作任務。

技術實現要素：

為了解決現有雙輪自平衡功能的機器人通常均不具備傾倒後自行重新站立的能力，因此無法適應由地震造成的行進路線坑窪不平、晃動搖擺等複雜路況的技術問題，本實用新型提供一種能在傾倒後重新自動站立的自平衡機器人。

本實用新型解決技術問題所採取的技術方案如下：

能在傾倒後重新自動站立的自平衡機器人，其包括兩套平衡走行輪機構、門形控制箱體、兩個支撐臂、支撐臂軸座、兩個支撐臂回位到位開關和走行輪機構座板；所述門形控制箱體包括兩個控制箱、上端連接板和兩個傾倒觸點開關，在控制箱的中段側壁上設有支撐臂驅動電機安裝孔，兩個控制箱的支撐臂驅動電機安裝孔彼此同軸對稱布置；所述上端連接板的下端與兩個控制箱的上端面均分別固連，其三者共同形成一個門字型的整體結構，兩個控制箱各自的控制電路均通過上端連接板彼此連接；所述兩個傾倒觸點開關分別固連在一個對應控制箱的側壁上，所述的兩個傾倒觸點開關的傾倒觸點探測端頭彼此朝向相反，且傾倒觸點探測端頭均位於門字型的整體結構的外部；支撐臂包括支臂、支臂滾輪和支臂步進電機，支臂的前端設有滾輪軸承座，支臂的後端設有支臂軸承安裝盲孔，所述支臂步進電機的轉子軸杆同軸固連於支臂軸承安裝盲孔的背面；支臂滾輪的轉軸穿過滾輪軸承座上的軸孔，其二者轉動連接；支撐臂軸座包括軸座板、兩個滾珠軸承和軸承連杆，軸座板下部的側壁上設有軸承連杆安裝孔，所述軸承連杆的中段與軸承連杆安裝孔同軸固連，兩個滾珠軸承對稱地分布在軸座板的兩側，軸承連杆的兩端均分別與一個對應滾珠軸承的內環同軸固連；所述兩個支撐臂對稱地布置在軸座板的兩側，每一個支臂步進電機均分別嵌入並固連於一個對應的支撐臂驅動電機安裝孔內，每一個滾珠軸承的外環均嵌入並固連於一個對應的支臂軸承安裝盲孔內；所述兩個支撐臂回位到位開關對稱地布置在軸座板的兩側，支撐臂回位到位開關的上端與上端連接板的底面固連，兩個支撐臂回位到位開關各自的回位觸點探測端頭分別與一個對應滾輪軸承座的中點對齊；回位觸點探測端頭插入到滾輪軸承座轉動圓周外徑的距離為5mm；所述走行輪機構座板包括基座板和兩個支撐臂限位開關，所述基座板的兩個長邊上分別設有一個缺口，缺口的寬度大於支臂的寬度，每一個缺口均與一個支撐臂相對應；每一個支撐臂限位開關的下端面均與一個對應缺口後方的基座板的上端固連；所述兩個支撐臂限位開關各自的限位觸點探測端頭彼此朝向相反；所述走行輪通過走行輪軸座固連在走行輪機構座板的下方，兩套平衡走行輪機構對稱地布置在軸座板的兩側。

所述位於軸座板同一側的傾倒觸點開關、支臂步進電機、支撐臂回位到位開關、支撐臂限位開關和平衡走行輪機構均與其所對應一側的控制箱電氣連接。

所述的兩個支撐臂同步反向運動。

本實用新型的有益效果是：該能在傾倒後重新自動站立的自平衡機器人在固有自平衡功能的基礎之上，將門形控制箱體設置為由上端連接板彼此連接的兩個控制箱三者共同組成門字型的整體結構。從而在保持整體結構對稱性的前提下，為增設兩個支撐臂提供了空間。分別設置在兩個控制箱上的支臂步進電機能夠驅動兩個對稱設置的支撐臂做同步反向旋轉，支臂滾輪的外緣與地面接觸後，其同時與兩個鎖止的走行輪共同構成三點支撐的穩定狀態，從而在支臂後續的進一步轉動過程中，得以使門形控制箱體圍繞兩個走行輪的共同軸線旋轉抬升。

位於基座板上分別設有兩個彼此反向的支撐臂限位開關，當支撐臂限位開關被支臂觸發時，說明門形控制箱體與水平面的傾角已進入了足以啟動自平衡系統的狀態，從而可以恢復並啟動自平衡機器人的自平衡能力，使其自行豎立並繼續保持平衡狀態。支撐臂還具有回位功能，在兩個支撐臂的同步反向回位旋轉和抬升過程中，其二者始終保持對稱，從而有助於自動平衡系統繼續維持機器人的整體平衡狀態。當滾輪軸承座的外側壁與其對應的回位觸點探測端頭接觸時，兩個支撐臂在豎直姿態下停止動作，並停留在門形控制箱體的門字型的整體結構內部，從而得到保護。

此外該能在傾倒後重新自動站立的自平衡機器人還具有結構簡單實用，自動智能等優點。

附圖說明

圖1是現有雙輪自平衡機器人的立體圖；

圖2是現有雙輪自平衡機器人的自平衡原理示意圖；

圖3是本實用新型能在傾倒後重新自動站立的自平衡機器人的立體圖；

圖4是圖3的主視圖；

圖5是本實用新型的能在傾倒後重新自動站立的自平衡機器人在其兩個支撐臂同時回位並水平伸直姿態下的應用示意圖；

圖6是圖5的爆炸結構示意圖；

圖7是本實用新型門形控制箱體的爆炸結構示意圖；

圖8是本實用新型支撐臂的立體結構示意圖；

圖9是本實用新型支撐臂軸座的爆炸結構示意圖；

圖10是本實用新型支撐臂回位到位開關分別與上端連接板以及軸座板的裝配位置的示意圖；

圖11是本實用新型走行輪機構座板的立體結構示意圖；

圖12是本實用新型的能在傾倒後重新自動站立的自平衡機器人在傾倒後重新站立時的應用示意圖；

圖13是本實用新型的能在傾倒後重新自動站立的自平衡機器人的在軸座板側壁所在平面下的剖面示意圖；

圖14是本實用新型的能在傾倒後重新自動站立的自平衡機器人在傾倒後完全站立時的應用示意圖；

圖15是本實用新型的支撐臂在豎直方向上回位到位時的剖面示意圖。

具體實施方式

下面結合附圖對本實用新型做進一步詳細說明。

如圖3至圖11所示，本實用新型的能在傾倒後重新自動站立的自平衡機器人包括兩套平衡走行輪機構6以及門形控制箱體1、兩個支撐臂2、支撐臂軸座3、兩個支撐臂回位到位開關4和走行輪機構座板5。門形控制箱體1包括兩個控制箱1-1、上端連接板1-2和兩個傾倒觸點開關1-3，在控制箱1-1的中段側壁上設有支撐臂驅動電機安裝孔1-1-1，兩個控制箱1-1的支撐臂驅動電機安裝孔1-1-1彼此同軸對稱布置。上端連接板1-2的下端與兩個控制箱1-1的上端面均分別固連，其三者共同形成一個門字型的整體結構，兩個控制箱1-1各自的控制電路均通過上端連接板1-2彼此連接。兩個傾倒觸點開關1-3分別固連在一個對應控制箱1-1的側壁上，的兩個傾倒觸點開關1-3的傾倒觸點探測端頭1-3-1彼此朝向相反，且傾倒觸點探測端頭1-3-1均位於門字型的整體結構的外部。

支撐臂2包括支臂2-1、支臂滾輪2-2和支臂步進電機2-3，支臂2-1的前端設有滾輪軸承座2-1-2，支臂2-1的後端設有支臂軸承安裝盲孔2-1-1，支臂步進電機2-3的轉子軸杆同軸固連於支臂軸承安裝盲孔2-1-1的背面。支臂滾輪2-2的轉軸穿過滾輪軸承座2-1-2上的軸孔，其二者轉動連接。

支撐臂軸座3包括軸座板3-1、兩個滾珠軸承3-3和軸承連杆3-2，軸座板3-1下部的側壁上設有軸承連杆安裝孔3-1-1，軸承連杆3-2的中段與軸承連杆安裝孔3-1-1同軸固連，兩個滾珠軸承3-3對稱地分布在軸座板3-1的兩側，軸承連杆3-2的兩端均分別與一個對應滾珠軸承3-3的內環同軸固連。

兩個支撐臂2對稱地布置在軸座板3-1的兩側，每一個支臂步進電機2-3均分別嵌入並固連於一個對應的支撐臂驅動電機安裝孔1-1-1內，每一個滾珠軸承3-3的外環均嵌入並固連於一個對應的支臂軸承安裝盲孔2-1-1內。

兩個支撐臂回位到位開關4對稱地布置在軸座板3-1的兩側，支撐臂回位到位開關4的上端與上端連接板1-2的底面固連，兩個支撐臂回位到位開關4各自的回位觸點探測端頭4-1分別與一個對應滾輪軸承座2-1-2的中點對齊。回位觸點探測端頭插入到滾輪軸承座2-1-2轉動圓周外徑的距離為5mm，因此，當滾輪軸承座2-1-2位於豎直最高點時，回位觸點探測端頭4-1能與滾輪軸承座2-1-2接觸。走行輪機構座板5包括基座板5-1和兩個支撐臂限位開關5-2，基座板5-1的兩個長邊上分別設有一個缺口5-1-1，缺口5-1-1的寬度大於支臂2-1的寬度，每一個缺口5-1-1均與一個支撐臂2相對應。每一個支撐臂限位開關5-2的下端面均與一個對應缺口5-1-1後方的基座板5-1的上端固連。兩個支撐臂限位開關5-2各自的限位觸點探測端頭5-2-1彼此朝向相反。

走行輪6-1通過走行輪軸座固連在走行輪機構座板5的下方，兩套平衡走行輪機構6對稱地布置在軸座板3-1的兩側。

位於軸座板3-1同一側的傾倒觸點開關1-3、支臂步進電機2-3、支撐臂回位到位開關4、支撐臂限位開關5-2和平衡走行輪機構6均與其所對應一側的控制箱1-1電氣連接。兩個支撐臂2可以同步反向運動。傾倒觸點開關1-3、支撐臂回位到位開關4和支撐臂限位開關5-2均採用歐姆龍牌SS-5GL2型微動開關。支臂步進電機2-3採用淘寶網出售的億星科技牌42BYG48-71型步進電機，走行電機52選用淘寶網出售的詩凱科技牌SK3530型高性能直流減速電機。

具體應用本實用新型的能在傾倒後重新自動站立的自平衡機器人時，當該雙輪自平衡機器人傾倒後，其傾倒觸點開關1-3上的傾倒觸點探測端頭1-3-1與地面碰撞，並促使傾倒觸點開關1-3向控制箱1-1發出傾倒到位觸發命令，控制箱1-1依據其所接收到的傾倒到位觸發命令向兩個支臂步進電機2-3同時發出支臂啟動命令，並同時向兩個走行步進電機6-2發出鎖止命令。兩個支臂步進電機2-3同步反向旋轉並驅動兩個支撐臂2從如圖15所示的豎直最高點開始同步反向運動。

如圖12所示，當一個支臂滾輪2-2的外緣與地面接觸後，其同時與兩個鎖止的走行輪6-1共同構成三點支撐的穩定狀態，從而在支臂2-1後續的進一步轉動過程中，得以使門形控制箱體1圍繞兩個走行輪6-1的共同軸線旋轉抬升。如圖13所示，當一個支臂2-1接近其所對應的缺口5-1-1內並壓迫觸發對應的限位觸點探測端頭5-2-1時，支撐臂限位開關5-2向控制箱1-1發出直立到位觸發命令，控制箱1-1依據其所接收到的直立到位觸發命令同時向兩個走行步進電機6-2發出解鎖和平衡啟動命令，同時控制箱1-1還向兩個支臂步進電機2-3同時發出反轉回位啟動命令。解鎖後的走行步進電機6-2自動在其舊有的基於陀螺儀的自平衡系統的控制下，向傾斜的方向加速前進，並通過重新調整重心位置使整個自平衡機器人重新回復豎立和自平衡狀態。

如圖14至圖15所示，兩個支臂步進電機2-3在接收到反轉回位啟動命令以後，開始同步反向回位旋轉，並分別驅動其所對應的支撐臂2回位和抬升，當滾輪軸承座2-1-2的外側壁與其對應的回位觸點探測端頭4-1接觸時，支撐臂回位到位開關4向控制箱1-1發出回位到位停止命令，控制箱1-1依據其所接收到的回位到位停止命令同時向兩個支臂步進電機2-3發出回位停止命令，促使兩個支撐臂2在豎直姿態下停止動作，並停留在門形控制箱體1的門字型的整體結構內部，從而得到保護。