一種基于姿態控制的輪滑式代步機器人制造技術

本發明專利技術公開了一種基于姿態控制的輪滑式代步機器人，包括左右輪滑鞋體、便攜電源、通信控制裝置和姿態檢測系統。輪滑鞋體共有兩個為四輪結構，其左右部位各有一個驅動輪，前后部位各有一個小腳萬向輪，通過電機帶動驅動輪轉動可實現輪滑鞋體的全方位移動。24V直流便攜電源為輪滑鞋體提供電力驅動。姿態檢測系統由六個無線運動捕捉傳感器(WSSS)的相對空間關系得到操作者上身姿態以識別其運動意圖，并通過調整輪滑鞋體驅動輪轉動速度而實現。通信控制裝置接收WSSS傳感器信息并輔以姿態算法生成速度命令并傳送至輪滑鞋體控制器控制驅動輪轉動。本輪滑式代步機器人為日常出行提供了一種集代步和娛樂功能于一身的工具，亦為代步車提供了一套新型控制方法。

【技術實現步驟摘要】
一種基于姿態控制的輪滑式代步機器人
本專利技術屬于電動代步裝置
，更具體地，涉及一種基于姿態控制的輪滑式代步機器人。
技術介紹
現代交通工具非常發達，對于遠程交通可以通過汽車、飛機實現，對于短程交通則有自行車電動車供廣大群眾使用。現今交通出行提倡綠色出行，因此電動交通工具因其低碳環保、非人力驅動從而得到快速發展，現在市面上新出現的各種電動代步車就是這類交通工具發展的成果。電動輪滑鞋是一種集合電動代步車和輪滑運動的交叉產物，其作為一種代步出行的交通工具的同時也為使用者提供輪滑運動的娛樂體驗。在中國專利技術專利申請公開說明書CN103263767A中公開了一種代步電動輪滑鞋，電池裝載于鞋體底部。鞋體為三輪結構，前端兩輪為驅動輪，后端為伏地輪，通過腳對踏板上的力作用調整前進后退速度，同時通過左右擺動賦予伏地輪徑向力使輪滑鞋運動方向轉動。上述輪滑鞋代表著普遍的設計與控制方式，但是通過力傳感器感應腳部作用力控制輪滑鞋運動的方式仍有不足之處，避開傳感器精度不談，首先人在輪滑上運動的時候腳部對鞋的作用力會隨運動改變，如此便不能保證輪滑鞋的穩定運動；其次是該類電動輪滑需要通過腳部作用提供后輪徑向力從而改變輪滑運動方向，該轉向方式難以精確控制。因此，這類基于力控的電動輪滑控制方式并沒有達到完全的代步功能，同時也需要使用者具有一定的普通輪滑操作經驗。在中國技術專利說明書CN202219076U中公開了一種電動輪滑裝置，該輪滑裝置的一點改進之處在于將電動輪滑的驅動電源、控制單元與輪滑車體分離，從而提供了一種系統結構以實現除了力控以外的控制方式，同時簡化了輪滑鞋的結構。但是專利中各單元的連接采用有線方式，因此在實際使用中會因為線的復雜導致運動受到束縛。因此設計一款結構簡單、安全便捷的電動輪滑鞋將是此類產品的發展趨勢，其勢必為短途旅行提供較大的便利和娛樂性。
技術實現思路
本專利技術主要為了解決腳部作用力控制電動輪滑鞋運動的控制方式所帶來的操作復雜性問題，提出一種基于姿態控制的輪滑式代步機器人，從而能代替電動輪滑鞋并使之更為便捷安全、操作方便，結構更為簡單，同時也為電動輪滑鞋的發展提供一種新型策略。本專利技術提出的輪滑式代步機器人包括：輪滑鞋體，共有兩個輪滑鞋體供使用者左右腳操作，其實質為四輪移動平臺，左右兩側各有一個直徑為96mm的包膠驅動輪，前后部各安裝一個小腳萬向輪，鞋體內部為控制電路板與驅動電路板，通過電路控制帶有數字編碼器的兩個石墨電刷直流電機驅動左右兩側驅動輪轉動，根據不同的速度組合可以實現移動平臺的前后左右移動。輪滑鞋由鋼材制成，整體質量為5.8kg，在達到載重要求的同時也能使鞋體更為牢靠，便于拆卸維修。便攜供電電源，為可充電電源，能為左右兩個輪滑鞋體提供24V電壓驅動，其外形為長方體鐵質容器，通過兩根可收縮彈簧電源線與輪滑鞋體電源線相連，容器上帶有開關及能夠顯示當前電壓示數的數碼管，能提醒使用者及時充電。控制單元，控制單元由ARM開發板組成，可以對輪滑鞋體的內部控制電路板發送命令控制輪滑鞋體的啟動/關閉和驅動輪轉動。進一步的，通過無線運動捕捉傳感器(WirelessStandaloneSensingSystem,WSSS)可以實現代步輪滑機器人的姿態控制，該傳感器集成三軸加速度傳感器、陀螺儀和磁場強度傳感器于一身，可以實時測得傳感器自身坐標系相對與大地坐標系的轉動歐拉角。將WSSS傳感器放置于操作者身上便可以判斷操作者上身前傾/后仰、轉身姿態以及兩腿之間的距離，從而相對應改變輪滑式代步機器人的運動狀態以實現姿態控制。進一步的，WSSS通過2.4G無線技術將歐拉角信息傳遞至控制單元，通過控制單元對相關信息的計算得到輪滑鞋體運動控制命令，使用無線藍牙串口將控制命令傳送至輪滑鞋體內部控制電路。進一步的，在輪滑鞋體踏板下四角放置四個線性壓力傳感器可實時監測踏板上的壓力分布變化，輪滑鞋體內部放置對應信號調理電路板將壓力模擬信號調理輸入至控制電路板轉化為數字信號，通過對相關數字信息的處理獲得壓力分布信息，從而可以判斷使用者雙腳站位并實現系統啟動/關閉和緊急制動的功能。本輪滑式代步機器人優點在于能夠實現電源與輪滑鞋體的分離，不同于附在電動鞋上的電源，此舉能夠簡化輪滑鞋體結構。無線技術的加入則進一步簡化了輪滑系統的結構。同時使用姿態控制的方法代替常用的腳步作用力控制，從而實現完全的代步功能，令輪滑式代步機器人的控制更為精確，操作更為簡單，適用于普遍大眾的娛樂與短程出行使用。附圖說明圖1為本專利技術輪滑式代步機器人體正面示意圖(除去頂層安裝板)；圖2為本專利技術輪滑式代步機器人體側面示意圖；圖3為本專利技術輪滑式代步機器人輪滑鞋體背面示意圖(除去底部安裝板)；圖4為本專利技術輪滑式代步機器人輪滑鞋體頂層安裝板和底部安裝板示意圖；圖5為本專利技術輪滑式代步機器人便攜供電電源示意圖；圖6為本專利技術輪滑式代步機器人通信控制裝置示意圖，其中(a)為內部電路結構(b)為外殼結構；圖7為本專利技術輪滑式代步機器人所使用的WSSS傳感器示意圖；圖8為本專利技術輪滑式代步機器人的控制系統結構圖；圖9為本專利技術輪滑式代步機器人所使用的WSSS姿態檢測系統示意圖；圖10為本專利技術輪滑式代步機器人(a)操作者前傾/后仰示意圖(b)操作者轉身示意圖(c)輪滑鞋體轉彎數學模型示意圖；圖11為本專利技術輪滑式代步機器人輪滑鞋體前進/后退運動示意圖(a)正常狀態(b)反常狀態；圖12為本專利技術輪滑式代步機器人通信控制中心板程序流程圖；圖13為本專利技術輪滑式代步機器人輪滑鞋體控制板程序流程圖。具體實施方式為了使本專利技術的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本專利技術進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本專利技術，并不用于限定本專利技術。此外，下面所描述的本專利技術各個實施方式中所涉及到的技術特征只要彼此之間未構成沖突就可以相互組合。本輪滑式代步機器人輪滑鞋體結構如圖1、圖2、圖3、圖4所示，輪滑鞋的主體骨架由頂層安裝板1、中間安裝板2和底部安裝板3構成。中間安裝板2正面四角處安裝有四個滑柱4，通過六角螺絲可將頂層安裝板1固定于滑柱4上。中間安裝板2正面四角處亦安裝了四個傳感器安裝座5，可將四路壓力傳感器固定于傳感器安裝座5上，本設計中令滑柱4的高度略低于壓力傳感器6安裝在傳感器安裝座5上的高度，如此可令操作者對頂層安裝板的作用力完全分布于四路壓力傳感器6上。中間安裝板2背面前后兩端安裝有軸承座7，將小腳輪8安裝于軸承座7上作為承重萬向輪。在承重萬向輪附近安裝有直流無刷電機9，與減速箱、齒輪箱構成一套電機驅動系統。電機一端安裝數字編碼器10，另一端在電機軸上安裝有電機聯軸器11，電機聯軸器11為齒輪型結構。直流無刷電機9通過電機安裝座12固定于中間安裝板背面。中間安裝板2背面左右兩側安裝著驅動輪16，并分別通過兩個驅動輪安裝座13固定于安裝板上。驅動輪軸上安裝有驅動輪聯軸器14并固定在兩個驅動輪安裝座13之間，該驅動聯軸器14亦為齒輪型結構。因此通過將齒輪型履帶15套在電機聯軸器11和驅動輪聯軸器14之上可以實現電機9和驅動輪16的聯動，通過控制電機轉動速度便能控制驅動輪16的轉動速度。驅動輪16上包有橡膠墊能夠增大摩擦系數提高抓地力。本設計中將驅動輪16的輪底和小腳本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種基于姿態控制的輪滑式代步機器人，其特征在于，包括兩個輪滑鞋、供電電源及通信控制裝置，其中：所述輪滑鞋的主體骨架由頂層安裝板(1)、中間安裝板(2)和底部安裝板(3)構成；頂層安裝板(1)固定于中間安裝板(2)上；中間安裝板(2)正面四角處安裝了四個傳感器安裝座(5)，可將四路壓力傳感器(6)固定于四個傳感器安裝座(5)上；中間安裝板(2)背面前后兩端安裝有軸承座(7)，將小腳輪(8)安裝于軸承座(7)上作為承重萬向輪；在承重萬向輪附近安裝有直流無刷電機(9)，直流無刷電機(9)與減速箱、齒輪箱構成一套電機驅動系統；直流無刷電機(9)一端安裝數字編碼器(10)，另一端在直流無刷電機(9)的軸上安裝有電機聯軸器(11)；直流無刷電機(9)通過電機安裝座(12)固定于中間安裝板(2)的背面；中間安裝板(2)背面左右兩側安裝著驅動輪(16)，并分別通過兩個驅動輪安裝座(13)固定于安裝板(3)上；驅動輪(16)軸上安裝有驅動輪聯軸器(14)并固定在兩個驅動輪安裝座(13)之間；底部安裝板(3)固定于電機安裝座(12)和驅動輪安裝座(13)上；中間安裝板(2)中部留出一個方形空洞(17)用于放置本輪滑式代步機器人的電路系統；電路系統由四塊電路板組成，從頂層到底層依次為電源供電板、外設驅動板、主控制板和壓力信號調理板，四路壓力傳感器通過信號線連接于信號調理板接口(18)上，電機編碼器(10)連接于外設驅動電路板接口(19)上，電源供電板接入兩根系統電源線(20)并通過電壓轉化電路為電機驅動系統、電路系統和壓力傳感器供電；主控制板板載ST系列ARM微控制器能夠寫入嵌入式程序控制電動鞋外設；電路板之間通過接插件固定在一起，并固定在底部安裝板(3)上；在底部安裝板(3)上留有一個孔洞(22)，其作用一是引出藍牙串口線連接至貼附在底板上的藍牙串口(23)上，二是露出主控制板的JTAG接口(24)可供程序下載與調試；所述供電電源的前面板有兩個接口(25)可提供兩路24V直流驅動電壓，前面板中心放置電源開關(26)以及數碼管(27)顯示當前電壓示數，若電壓不足可通過充電口(28)為電源充電；本電源后面板上有兩個把手(29)方便提攜，放置于背包中即可攜帶使用；電源通過兩根彈簧電源線(30)分別與兩個輪滑鞋體的電源供電線(20)相連為輪滑鞋提供電力驅動；所述通信控制裝置中的控制中心板(32)通過串口線獲得WSSS傳感器接收器(33)接收到的姿態信息幀，經過處理判斷后形成控制左右兩個輪滑鞋的速度控制命令幀并通過兩個藍牙串口(34)分別發送至左右輪滑鞋體上的藍牙串口(23)上；WSSS傳感器接收器(33)使用2.4G無線通信技術接收外部WSSS傳感器(38)的信號并轉化為串口信息輸出。...

【技術特征摘要】
1.一種基于姿態控制的輪滑式代步機器人，其特征在于，包括兩個輪滑鞋、便攜供電電源及通信控制裝置，其中：所述輪滑鞋的主體骨架由頂層安裝板(1)、中間安裝板(2)和底部安裝板(3)構成；頂層安裝板(1)固定于中間安裝板(2)上；中間安裝板(2)正面四角處安裝了四個傳感器安裝座(5)，可將四路壓力傳感器(6)固定于四個傳感器安裝座(5)上；中間安裝板(2)背面前后兩端安裝有軸承座(7)，將小腳輪(8)安裝于軸承座(7)上作為承重萬向輪；在承重萬向輪附近安裝有直流無刷電機(9)，直流無刷電機(9)與減速箱、齒輪箱構成一套電機驅動系統；直流無刷電機(9)一端安裝數字編碼器(10)，另一端在直流無刷電機(9)的軸上安裝有電機聯軸器(11)；直流無刷電機(9)通過電機安裝座(12)固定于中間安裝板(2)的背面；中間安裝板(2)背面左右兩側安裝著驅動輪(16)，并分別通過兩個驅動輪安裝座(13)固定于安裝板(3)上；驅動輪(16)軸上安裝有驅動輪聯軸器(14)并固定在兩個驅動輪安裝座(13)之間；底部安裝板(3)固定于電機安裝座(12)和驅動輪安裝座(13)上；中間安裝板(2)中部留出一個方形空洞(17)用于放置本輪滑式代步機器人的電路系統；電路系統由四塊電路板組成，從頂層到底層依次為電源供電板、外設驅動板、主控制板和壓力信號調理板，四路壓力傳感器通過信號線連接于信號調理板接口(18)上，電機編碼器(10)連接于外設驅動電路板接口(19)上，電源供電板接入兩根系統電源供電線(20)并通過電壓轉化電路為電機驅動系統、電路系統和壓力傳感器供電；主控制板板載ST系列ARM微控制器能夠寫入嵌入式程序控制電動鞋外設；電路板之間通過接插件固定在一起，并固定在底部安裝板(3)上；在底部安裝板(3)上留有一個孔洞(22)，其作用一是引出藍牙串口線連接至貼附在底板上的藍牙串口(23)上，二是露出主控制板的JTAG接口(24)可供程序下載與調試；所述便攜供電電源的前面板有兩個接口(25)可提供兩路24V直流驅動電壓，前面板中心放置電源開關(26)以及數碼管(27)顯示當前電壓示數，若電壓不足可通過充電口(28)為電源充電；本電源后面板上有兩個把手(29)方便提攜，放置于背包中即可攜帶使用；電源通過兩根彈簧電源線(30)分別與兩個輪滑鞋體的系統電源供電線(20)相連為輪滑鞋提供電力驅動；所述通信控制裝置中的控制中心板(32)通過串口線獲得WSSS傳感器接收器(33)接收到的姿態信息幀，經過處理判斷后形成控制左右兩個輪滑鞋的速度控制命令幀并通過兩個藍牙串口(34)分別發送至左右輪滑鞋體上的藍牙串口(23)上；WSSS傳感器接收器(33)使用2.4G無線通信技術接收外部WSSS傳感器(38)的信號并轉化為串口信息輸出。2.如權利要求1所述的基于姿態控制的輪滑式代步機器人，其特征在于，所述WSSS傳感器內部包含集三軸加速度傳感器、陀螺儀、磁場強度傳感器于一身的姿態模塊芯片、無線傳輸芯片和內部供電電源，外殼上帶有WSSS啟動開關(39)和通訊/充電接口(40)，該接口有四個接頭，兩個作為供電的+5V/GND接口，當傳感器內部電源指示燈顯示電量不足時可通過專用充電器為傳感器充電；另兩個為TX/RX串口接頭，可使該傳感器能夠工作于有線和無線模式；WSSS傳感器外殼上畫有坐標系X軸和Y軸，此坐標系代表該傳感器自身的坐標系，其Z軸方向由右手法則可得到；該傳感器在空間中處于任意姿態都能測得相對大地坐標系的轉動歐拉角，也就是將傳感器坐標系與大地坐標系重合后繞著傳感器坐標系的三個坐標軸轉動相對應的歐拉角時即可得到當前傳感器坐標系的空間姿態；WSSS傳感器將歐拉角的信息存儲于數據幀上并不斷發送信息幀，WSSS接收器便不斷接收這類信息幀并通過串口傳出歐拉角信息至控制中心板上。3.如權利要求1或2所述的基于姿態控制的輪滑式代步機器人，其特征在于，中間安裝板(2)正面四角處安裝有四個滑柱(4)，通過六角螺絲可將頂層安裝板(1)固定于滑柱(4)上。4.如權利要求3所述的基于姿態控制的輪滑式代步機器人，其特征在于，滑柱(4)的高度略低于壓力傳感器(6)...

【專利技術屬性】
技術研發人員：黃劍，盧暢川，晏箐陽，
申請(專利權)人：華中科技大學，
類型：發明
國別省市：湖北;42