一种新型自平衡越障机构的设计与建模

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1、一种新型自平衡越障机构的设计与建模吕琼莹杨柳（长春理工大学机电工程学院吉林长春130022）摘要：本文设计开发一种新型自平衡越障小车，该车是一辆左右两轮各自独立驱动，通过先进的微处理器，倾角传感器等控制系统以及车体机械装置来控制左右两摆臂前后摆动，实现整车平衡和越障功能。本文对自平衡越障小车的机械结构进行设计，阐述了其运动工作原理、和运动规划行走姿态，以及对其进行牛顿力学建模。关键词：自平衡越障机械结构原理规划建模Modelinganddesignofanewtypeofself-balancingmechanismobstacl

2、eQingyingLvLiuYang（CollegeofMechanicalandElectricEngineering，ChangchunUniversityofScienceandTechnology，Changchun130022，China.Corresponding author：LiuYang，E-mail：yangliu_1114@163.com）Abstract:Inthispaper,thedesigndevelopmentofanewtypeofself-balanceobstaclecar,thecarisa

3、caronleftandrightwheelsindependentlydriven,throughadvancedmicroprocessor.Theinclinationsensorincontrolsystemandthemechanicalbodydevicetocontrolabouttwoswingarmswingingbackandforth,realizevehiclebalanceandobstaclefunction.Thisarticleonself-balanceobstaclecarmechanicals

4、tructuredesign,expoundsitsworkingprinciple,andmotionplanningwalkingposture,andtheofNewtonianmechanicsmodeling.Keywords:self-balancingobstaclemechanicalstructureprincipleplanningmodeling0引言平行轮智能小车是继摩托车、汽车之后人们正在研究的一种新型的代步工具。首先，它小巧玲珑，占地面积小，可以在道路上行驶。其次，可以有效地降低油耗、清洁大气减少环境污

5、染。其开发设计着眼于未来交通代步工具的主流，本文从提高自平衡小车越障功能出发，设计开发一种新型轮式自平衡快速移动越障机构。1功能分析与设计方案作为自平衡越障机构这类机器人，其基本功能也就是自平衡移动和越障功能，典型的越障移动方式：履带式、脚足式、轮式。表1为这几种经典越障移动方式的优缺点[2-6]。表1典型的越障移动方式以及优缺点比较移动方式优点缺点履带式支撑面积大，对路面适应性强地面破坏性大，灵活性差脚足式对步行环境要求低，较高的越障能力行进速度较慢，控制实现复杂，稳定性和可靠性低轮式运作平稳，操作简单，速度快相对越障能力较差由

6、于本课题设计的自平衡越障小车在越障性能需求分析的基础上，要求自重轻，运作平稳，操作简单，机动灵活，绿色环保，轮式移动机器人具有成本低、结构和控制简单、能量利用率高等特点。故采用一种新型的移动方式——轮腿式结构。2机械结构设计应用软件CATIA建立自平衡越障小车的三维模型，如图1。自平衡越障小车的总体结构包括车轮、摆臂、车体、控制系统等。图1自平衡越障小车CATIA模型3运动工作原理以及运动规划由于两轮自平衡电动车的两轮结构，使得它的重心在上、支点在下，故在非控制状态（或静态）下为一不稳定系统。然而，可以利用倒立摆系统的控制原理，通

7、过微处理器的控制使它能够如倒立摆一样稳定在一个平衡位置处，并能在保持平衡的状态下按照使用者的指令要求正常运行。两轮自平衡电动车实际上是一级直线式倒立摆和旋转式倒立摆的结合体，它的控制原理与倒立摆系统的基本一致。更形象地说，自平衡电动车的工作原理更像人行走的过程。两轮自平衡越障小车的基本思想是:当测量倾斜角度的传感器检测到车体产生倾斜时，控制系统根据测得的倾角产生一个相应的力矩，通过控制电机驱动两个车轮朝车身要倒下的方向运动，车轮迅速两个方向移动以保持小车自身的动态平衡。同时，遇到障碍物的时候，由电机驱动的小车摆臂可以移动一定的高度

8、越过障碍，此时，自平衡系统和越障系统同时工作。（1）当行走在平地的时候，位于小车两侧的摆臂垂直于地面，如图2a，当车体不能保持前后平衡时，借助于倾角传感器，使两摆臂被电机独立驱动工作，如图bc。整体通过控制系统使动态不稳定状态保持小车稳定行驶。(a