專利名稱：智能無人電動車硬件平臺的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及智能無人電動車的硬件平臺，主要包括:智能電動車機(jī)器人的舵機(jī)控制平臺和無人電動車的保護(hù)裝置。無人電動車的平衡問題是國內(nèi)外研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)之一，其主要的難點(diǎn):在實(shí)時性的要求下，設(shè)計智能控制算法調(diào)節(jié)把手的轉(zhuǎn)向，從而保證無人電動車的平衡性。由于電動自行車靈活性大、所需的空間較小、價格相對便宜、不污染環(huán)境、不消耗不可生能源，所以電動自行車機(jī)器人極有可能成為21世紀(jì)重要的交通工具之一。
背景技術(shù)：
仿生機(jī)器人是目前國內(nèi)外研究領(lǐng)域的機(jī)器人領(lǐng)域中熱點(diǎn)、重點(diǎn)和難點(diǎn)之一。仿生機(jī)器人主要是通過觀察自然界某種動物的結(jié)構(gòu)和功能，讓機(jī)器人從外形和功能角度上模擬真實(shí)動物，最終幫助人類解決一些重復(fù)的、繁重的、危險的問題。研究仿生機(jī)器人具有很多優(yōu)勢。因?yàn)樗M對象在大自然中經(jīng)過長期的“優(yōu)勝劣汰”和“適者生存”而生存下來，動物的結(jié)構(gòu)和智能性必定是值得人類不斷學(xué)習(xí)的，特別是人類自身的結(jié)構(gòu)和行為。著名的仿生機(jī)器人包括:仿生魚機(jī)器人、大狗機(jī)器人、蟑螂機(jī)器人、打太極拳機(jī)器人，跳舞機(jī)器人、彈鋼琴機(jī)器人，雙棲機(jī)器人、螞蟻機(jī)器人、反恐機(jī)器人、深海作業(yè)機(jī)器人、無人偵察機(jī)、焊接機(jī)器人等等。智能自行車機(jī)器人也是國內(nèi)外機(jī)器人界研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)之一。首先，中國是一個自行車大國，若能設(shè)計一群自行車機(jī)器人，則有利于提高民族的影響力；其次，有利于搭建一個全新的、有趣的、有挑戰(zhàn)的實(shí)驗(yàn)控制平臺，也可以提高同學(xué)們的研究熱情；再次，有利于保護(hù)環(huán)境和不消耗不可再生資源。特別值得注意，隨著環(huán)境問題越來越突出，電動車可能會逐漸代替一些污染高的交通工具，則電動車機(jī)器人對于環(huán)保宣傳來說，也是十分重要的事情。最后，有利于形成一種全新的廣告推銷和宣傳方式。自從19世紀(jì)末，許多科學(xué)家開始對自行車的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行建模和分析，并對自行車的穩(wěn)定性進(jìn)行了定性和定量的討論，但由于動力學(xué)方程很復(fù)雜，影響的因素很多，自行車機(jī)器人研究始終處于緩慢前進(jìn)的狀態(tài)，實(shí)質(zhì)性困難始終沒有突破。直到20世紀(jì)末，隨著計算機(jī)技術(shù)和傳感器技術(shù)不斷提高，使對自行車機(jī)器人平衡控制問題帶來新技術(shù)和新思想，同時多種多樣的自行車機(jī)器人也不斷出現(xiàn)。騎自行車“村田頑童”是村田制作所自主研發(fā)的自行車機(jī)器人。騎車的技術(shù)十分的高超，因?yàn)槟茉谄胶饽旧稀白杂伞钡剡\(yùn)動?！按逄镱B童”主要擁有高精度的陀螺儀、藍(lán)牙無線傳送模塊、透光陶瓷鏡頭、揚(yáng)聲器、蓄電池、電源模塊等等。它展現(xiàn)了村田制作所擁有很強(qiáng)的開發(fā)能力、高端的傳感技術(shù)和高精度控制技術(shù)；“村田頑童”的主要作用是用于企業(yè)宣傳，提聞企業(yè)的知名度。騎獨(dú)輪車“村田婉童”也是村田制作所自主研發(fā)的獨(dú)輪車。在先進(jìn)的傳感器作用下能實(shí)現(xiàn)啟動、行駛、轉(zhuǎn)彎、剎車等基本操作，也具備很強(qiáng)的平穩(wěn)能力，能實(shí)現(xiàn)空中停車等動作，即在傾斜度的傳感器 、高精度陀螺儀、實(shí)現(xiàn)小型獨(dú)輪車機(jī)器人的高精準(zhǔn)的控制，其主要的工作原理:通過旋轉(zhuǎn)圓盤來消除左右方向的傾斜力。但是該機(jī)器人成本很高、而且機(jī)械元件要求也很高，主要應(yīng)用也是提升企業(yè)的知名度?？傮w而言，電動車機(jī)器人研究處于萌芽階段，相關(guān)理論和產(chǎn)品不太成熟。電動自行車機(jī)器人本質(zhì)上是一個非線性、強(qiáng)耦合、實(shí)時性的復(fù)雜系統(tǒng)，故實(shí)現(xiàn)平衡問題是一個具有很挑戰(zhàn)的問題，導(dǎo)致自行車機(jī)器人還處于未成熟理論研究階段和仿真階段。

發(fā)明內(nèi)容
本專利主要涉及智能無人電動車機(jī)器人的硬件部分，包括可調(diào)節(jié)的舵機(jī)安放裝置、電動車的保護(hù)裝置和電腦保護(hù)架。可調(diào)節(jié)的舵機(jī)安放裝置是電動車機(jī)器人硬件方面中最重要的裝置之一，將直接影響控制把手的控制精度和控制效果；電動車的保護(hù)裝置是電動車機(jī)器人研究時所必備的部分，因?yàn)樵谇捌谡{(diào)整過程中，電動車還不太能自我保持平衡，容易出現(xiàn)不穩(wěn)定的、震動的狀態(tài)，使電動車機(jī)器人出現(xiàn)斜倒現(xiàn)象，從而損壞其他元器件。為了解決該問題，我們設(shè)計了自我保護(hù)裝置，保證電動車機(jī)在調(diào)試階段，保護(hù)無人電動車上的其他元器件。(I)控制系統(tǒng)的硬件部分智能電動車機(jī)器人最核心的思想:根據(jù)傳感器所采集的信息，控制算法計算出所調(diào)節(jié)的變化量，將變化量轉(zhuǎn)化成舵機(jī)的轉(zhuǎn)動，最終通過連桿的作用控制電動車把手的轉(zhuǎn)動，使智能無人電動車的保持平衡和向前運(yùn)動。故舵機(jī)的安裝位置十分重要，不但需要起固定舵機(jī)的作用，而且還能調(diào)節(jié)連桿的長度。首先，舵機(jī)的安放裝置由一個剛性很強(qiáng)的材料構(gòu)成，保證舵機(jī)在轉(zhuǎn)動中能夠固定不動。其次，把手的傳動裝置是將舵機(jī)的轉(zhuǎn)動力量傳到把手上去，所以在該裝置中，傳動材料要求:(a)質(zhì)量要??；(b)具有一定的剛性，在傳遞力量的時候不會被折斷。根據(jù)以上的要求，選擇二級連桿的裝 置作為傳動裝置。從仿生學(xué)的角度看，二級連桿類似于手的結(jié)構(gòu)，從這個角度上看，智能電動車機(jī)器人也是一種仿人機(jī)器人。再次，考慮成本的問題和把手的控制要求，采用了左右兩邊加傳動裝置的方法，這種裝置的特點(diǎn)是:選擇較小力矩的舵機(jī)則能達(dá)到控制把手的要求，即降低舵機(jī)的要求；同時模仿人類騎自行車的方式。(2)智能無人電動車保護(hù)裝置智能無人電動車的保護(hù)裝置是防止在調(diào)試階段中自行車受到不必要的損壞，主要實(shí)現(xiàn)手段:在智能無人電動車的兩側(cè)加上兩個萬向輪，保證自行車機(jī)器人達(dá)到平衡狀態(tài)。在制作過程中，先不是使用萬向輪作為支撐輪，而是兒童自行車的塑料輪子，后者的缺點(diǎn)是:無人自行車的轉(zhuǎn)向則十分困難，尤其是大角度的轉(zhuǎn)向。其次，無人電動車的保護(hù)裝置是采用三角型的支持系統(tǒng)。由于電動車自行車重量較大，一般都在50kg以上，那么萬向輪到轉(zhuǎn)軸的支持系統(tǒng)必須十分堅(jiān)實(shí)，不然會把支持系統(tǒng)壓壞。根據(jù)以上的要求，故選擇三角形的支持系統(tǒng)。在制作過程中，我們也使用了直角型的支持系統(tǒng)，但是當(dāng)電動車斜倒時，直角型的支持系統(tǒng)很容易弄壞，即電焊直角處位置容易變形。(3)電腦固定裝置和保護(hù)裝置在未來的實(shí)驗(yàn)中，由于智能性的要求，需要對傳感器采集的大量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，故無人電動自行車上需要考慮增加一臺筆記本電腦，用于大量的數(shù)據(jù)處理和圖像處理。但在運(yùn)行的過程中，無人電動車隨時都可能發(fā)生斜倒，故筆記本的固定裝置和保護(hù)裝置十分重要。該裝置主要框架是由鋼條所構(gòu)成小盒子，但與電腦所接觸的地方需要用柔軟的東西過構(gòu)成，以便更好地保護(hù)電腦。本發(fā)明的主要優(yōu)點(diǎn):(1)運(yùn)用可調(diào)節(jié)的、可伸縮的安放裝置，則能通過不同情況調(diào)節(jié)把手到舵機(jī)的垂直距離，也能二根連桿的夾角為90度，使舵機(jī)所傳送的力量最大。(2)控制系統(tǒng)的硬件是通過二級連桿的結(jié)構(gòu)，將舵機(jī)的力量傳動把手上去，該結(jié)構(gòu)十分類似于人的大臂和小臂的連接結(jié)構(gòu)。(3)無人電動車傳動裝置是由二個舵機(jī)構(gòu)成，不但降低舵機(jī)的要求，而且為協(xié)調(diào)控制問題提供了實(shí)驗(yàn)平臺。(4)無人電動支撐輪為萬向輪，能“自由”的轉(zhuǎn)向和運(yùn)動，具備很強(qiáng)的靈活性。(5)無人電動自行車的支持裝置是一種三角形結(jié)構(gòu)，不易受到損壞。(6)電腦保護(hù)裝置的主要框架是鋼或者鐵，但與電腦相接處是柔軟的泡模。


圖1可調(diào)節(jié)的舵機(jī)安放裝置圖2智能無人電動車的保護(hù)裝置圖3電腦的固定裝置和保護(hù)裝置具體實(shí)施(1)所需的材料和工具
權(quán)利要求
1.智能無人電動自行車是一個很好的自動控制實(shí)驗(yàn)平臺，主要包括以下幾個部分舵機(jī)的安放裝置、無人電動自行車的傳動系統(tǒng)，智能無人電動車保護(hù)裝置、電腦固定裝置和保護(hù)裝置。
2.舵機(jī)的安放裝置是由上下二塊鐵板所構(gòu)成。可根據(jù)不同的車長和不同的車高，調(diào)節(jié)二塊鐵板的位置，以便達(dá)到舵機(jī)、二級的連桿和自行車把手在同一水平面上。
3.傳動系統(tǒng)主要由左右二級連桿構(gòu)成。為了降低舵機(jī)的轉(zhuǎn)動要求，傳動裝置由左右傳動子系統(tǒng)所組成。為了模仿人手的工作原理，傳動裝置主要是由二級連桿構(gòu)成。
4.為了保證無人自行車在調(diào)試過程中不倒下，需在左右兩邊安裝二個萬向輪。(未來的目標(biāo)當(dāng)無人自行車運(yùn)動起來時，左右萬向輪能拉起來，不與地面接觸，最終達(dá)到智能無人自行車機(jī)器人的要求)。
5.為了保證無人自行車的中心控制系統(tǒng)(電腦)不被損壞，需安裝一個電腦保護(hù)裝置，使電腦在運(yùn)行的過程中不會被損壞。
全文摘要
智能無人電動自行車機(jī)器人是一個很好的自動控制實(shí)驗(yàn)平臺，也是國內(nèi)外研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)之一，也具有很大的發(fā)展前景。硬件平臺主要包括電動自行車的改裝和整體框架的實(shí)現(xiàn)。(1)舵機(jī)的安放裝置。保證舵機(jī)在轉(zhuǎn)動時，將舵機(jī)轉(zhuǎn)動的力量傳到把手上去，用于控制把手的轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)向。(2)無人電動自行車的傳動系統(tǒng)。采用左右二級傳動子系統(tǒng)，有利于減少對舵機(jī)的扭矩要求，以及模擬人手的運(yùn)動方式。(3)無人電動車的保護(hù)裝置。防止無人電動車在調(diào)試過程中出現(xiàn)倒下現(xiàn)象，從而保護(hù)無人自行車的設(shè)備不被破壞。(4)電腦的固定和保護(hù)裝置。保證在調(diào)試過程中必須保護(hù)好電腦的安全。
文檔編號B60L15/00GK103253331SQ201210034648
公開日2013年8月21日 申請日期2012年2月16日 優(yōu)先權(quán)日2012年2月16日
發(fā)明者劉軍, 任雪梅, 李陽銘, 馬曉賀 申請人:劉軍, 馬曉賀, 李陽銘