仿真行走钢丝机械装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及机器人应用技术，具体为一种能够在柔性钢丝绳上行走的仿真行走钢丝机械装置。
【背景技术】
[0002]走钢丝机器人是自然不稳定的力学系统，可依靠带V型槽的行走轮在刚性与柔性钢丝上实现平衡控制和前、后运动。不同于一般的静态平衡机器人，走钢丝机器人具有明显的动态平衡特点，并具有明显的欠驱动特性。
[0003]走钢丝机器人与柔性钢丝绳之间通过动力学耦合来实现机器人的平衡控制和前后运动，利用其动态平衡特性，机器人不受地形影响，可将它引入复杂地形环境，进行运输和营救以及对低空环境的监控与探测。
[0004]国内外科研人员对走钢丝机器人机构及其稳定平衡控制进行了一系列研宄，为有效模拟人类在三维空间中走柔性钢丝绳的力学行为，北京邮电大学申请公布了一种《基于平衡杆控制的刚柔耦合走钢丝机器人》发明专利(申请号为201110373133.X)。
[0005]该发明的技术方案是通过转动杆的转动力矩抵消机器人重力矩的作用，利用平动杆产生的质心偏移来抵消机器人的重心偏移，但该设计的转动杆和平动杆是独立运动部件，没有相互关联，这与人类走钢丝时手臂可以同时转动和移动尚有差距；另外，该设计的驱动四杆机构会使得平动杆的质心上下运动，并且还会产生绕钢丝绳的转动力矩，从而增加平衡控制的复杂度。
[0006]上海交通大学周春林等的专利申请公布了一种由内环和外环组成的机器人机构，其中内环装有高速旋转的机械陀螺，当内环相对外环转动时，机械陀螺会产生的陀螺力矩来平衡机器人所受到的倾倒力矩，从而实现机器人在钢丝绳上平衡行走。但该专利机器人没有考虑钢丝的柔性对机器人的平衡影响，并且不是通过平衡杆和重心偏移来实现机器人的平衡，故未能有效模拟人类在三维空间中走柔性钢丝绳的力学行为。
【实用新型内容】
[0007]为此，本实用新型提出了一种仿真行走钢丝机械装置，其目的在于利用更加接近人类走钢丝运动的控制方式实现机械装置走钢丝运动，提高走钢丝机械装置的自我平衡控制能力，增强对复杂参数(如钢丝绳柔性、机体的转动惯量和平台的震动等)和外部环境干扰的适应性。
[0008]能够实现上述目的的仿真行走钢丝机械装置，其技术方案(I )包括基于水平基板设置的行走机构、平衡机构和检测控制机构，所述行走机构设于基板底部，所述检测控制机构设于基板上，所不同的是所述平衡机构包括平衡杆转动组件和平衡杆质心调节组件，所述平衡杆转动组件包括平衡杆、转动轴和带编码器的平衡杆转动电机，左、右向的支撑板垂直设于基板上，前、后向的转动轴通过轴承安装于支撑板上，所述平衡杆的中部安装于转动轴的一端，所述平衡杆转动电机安装于转动轴的另一端；所述平衡杆质心调节组件设于平衡杆的轴孔内，包括相互旋合的丝杠和螺母滑块以及滑块移动步进电机，所述滑块移动步进电机居中设置，丝杠和螺母滑块左、右设置，左、右丝杠分别与滑块移动步进电机左、右端的输出轴连接，在滑块移动步进电机的驱动下，左、右螺母滑块向左或右移动。
[0009]能够实现上述目的的仿真行走钢丝机械装置，其技术方案(II )包括基于水平基板设置的行走机构、平衡机构和检测控制机构，所述行走机构设于基板底部，所述检测控制机构设于基板上，所不同的是所述平衡机构包括平衡杆转动组件和平衡杆质心调节组件，所述平衡杆转动组件包括平衡杆、转动轴和带编码器的平衡杆转动电机，左、右向的支撑板垂直设于基板上，前、后向的转动轴通过轴承安装于支撑板上，所述平衡杆的中部安装于转动轴的一端，所述平衡杆转动电机安装于转动轴的另一端；所述平衡杆质心调节组件设于平衡杆的轴孔内，包括相互旋合的丝杠和螺母滑块以及滑块移动步进电机，左、右滑块移动步进电机居中设置，丝杠和螺母滑块左、右设置，左、右丝杠分别与左、右滑块移动步进电机的输出轴连接，在左、右滑块移动步进电机的同步驱动下，左、右螺母滑块向左或右移动。
[0010]上述结构中，平衡杆的转动力矩用来平衡行走机械装置倾倒重力矩，螺母滑块同向运动用来调节行走机械装置的质心偏移；这两部分的运动分别模拟了人类走钢丝时平衡杆的转动和平动的力学行为，从而实现了走钢丝机器装置在刚性或柔性钢丝上的自平衡运动。
[0011]所述行走机构的一种结构形式包括带V型槽的前、后行走轮以及行走轮驱动组件，所述行走轮驱动组件包括行走轮驱动步进电机和皮带轮传动副，所述皮带轮传动副的主动轮安装于行走轮驱动步进电机的输出轴上，皮带轮传动副的从动轮与后行走轮同轴安装。
[0012]所述检测控制机构的一种结构形式包括陀螺仪和运动控制器、伺服驱动器以及电池组，所述陀螺仪、运动控制器、伺服驱动器以及电池组之间通过相关线路连接，所述运动控制器根据陀螺仪的信号判断行走装置姿态进而向伺服驱动器发出指令控制行走机构行走，并于行走过程中控制平衡装置来平衡行走装置。
[0013]本实用新型的有益效果:
[0014]1、本实用新型仿真行走钢丝机械装置中，平衡调整包括平衡杆的转动和螺母滑块的移动，螺母滑块的移动既可以实现调节平衡杆的转动惯量，还可以用于调节平衡杆的质心位置，进而改变行走机械装置的质心位置。
[0015]2、本实用新型中，采用可以实时调节平衡杆转动惯量的平衡杆质心调节组件，在平衡杆转动角速度和加速度受到限制或者在不同倾角下需要的反力矩不同时，调节转动惯量，以减轻控制负担，实现更好的控制效果。
[0016]3、本实用新型中，螺母滑块、螺母滑块移动步进电机和丝杠均位于平衡杆内部，受外界干扰的影响小，而且使行走机械装置外观更加简洁可靠。
[0017]4、本实用新型中，由于平衡杆转动组件和平衡杆质心调节组件分别由互不干扰的电机分别进行驱动，在机械结构上相互独立，其力学模型容易解耦，从而降低了系统控制难度。
【附图说明】
[0018]图1为本实用新型一种实施方式的前侧俯视立体图。
[0019]图2为图1实施方式的后侧俯视立体图。
[0020]图3为图1实施方式的前侧仰视立体图。
[0021]图4为图1、图2、图3实施方式中平衡杆及其内部结构示意图。
[0022]图号标识:1、基板；2、前行走轮；3、后行走轮；4、陀螺仪；5、运动控制器；6、伺服驱动器；7、电池组；8、支撑板；9、平衡杆；10、转动轴；11、编码器；12、平衡杆转动电机；13、丝杠；14、螺母滑块；15、滑块移动步进电机；16、行走轮驱动步进电机。
【具体实施方式】
[0023]下面结合附图所示实施方式对本实用新型的技术方案作进一步说明。
[0024]本实用新型仿真行走钢丝机械装置主要由行走机构、平衡机构和检测控制机构构成，所述检测控制装置设于水平基板I上，包括陀螺仪4、运动控制器5、伺服驱动器6以及电池组7，所述陀螺仪4、运动控制器5、伺服驱动器6以及电池组7之间通过相关线路连接，如图1、图2所示。
[0025]所述行走机构设于水平基板I底部，包括带V型槽的前、后行走轮2、3以及皮带轮传动副和行走轮驱动步进电机16构成的行走轮驱动机构，前、后行走轮2、3通过轮架前、后固装于基板I底部的对称中心线上，所述行走轮驱动步进电机16固装于基板I底部并处于前、后行走轮2、3之间，皮带轮传动副的小主动轮同