CN105148496B - 一种基于姿态控制的轮滑式代步机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于姿态控制的轮滑式代步机器人，包括左右轮滑鞋体、便携供电电源、通信控制装置和姿态检测系统。轮滑鞋体共有两个为四轮结构，其左右部位各有一个驱动轮，前后部位各有一个小脚万向轮，通过电机带动驱动轮转动可实现轮滑鞋体的全方位移动。24V直流便携电源为轮滑鞋体提供电力驱动。姿态检测系统由六个无线运动捕捉传感器(WSSS)的相对空间关系得到操作者上身姿态以识别其运动意图，并通过调整轮滑鞋体驱动轮转动速度而实现。通信控制装置接收WSSS传感器信息并辅以姿态算法生成速度命令并传送至轮滑鞋体控制器控制驱动轮转动。本轮滑式代步机器人为日常出行提供了一种集代步和娱乐功能于一身的工具，亦为代步车提供了一套新型控制方法。

Description

一种基于姿态控制的轮滑式代步机器人

技术领域

本发明属于电动代步装置技术领域，更具体地，涉及一种基于姿态控制的轮滑式代步机器人。

背景技术

现代交通工具非常发达，对于远程交通可以通过汽车、飞机实现，对于短程交通则有自行车电动车供广大群众使用。现今交通出行提倡绿色出行，因此电动交通工具因其低碳环保、非人力驱动从而得到快速发展，现在市面上新出现的各种电动代步车就是这类交通工具发展的成果。

电动轮滑鞋是一种集合电动代步车和轮滑运动的交叉产物，其作为一种代步出行的交通工具的同时也为使用者提供轮滑运动的娱乐体验。

在中国发明专利申请公开说明书CN103263767A中公开了一种代步电动轮滑鞋，电池装载于鞋体底部。鞋体为三轮结构，前端两轮为驱动轮，后端为伏地轮，通过脚对踏板上的力作用调整前进后退速度，同时通过左右摆动赋予伏地轮径向力使轮滑鞋运动方向转动。

上述轮滑鞋代表着普遍的设计与控制方式，但是通过力传感器感应脚部作用力控制轮滑鞋运动的方式仍有不足之处，避开传感器精度不谈，首先人在轮滑上运动的时候脚部对鞋的作用力会随运动改变，如此便不能保证轮滑鞋的稳定运动；其次是该类电动轮滑需要通过脚部作用提供后轮径向力从而改变轮滑运动方向，该转向方式难以精确控制。因此，这类基于力控的电动轮滑控制方式并没有达到完全的代步功能，同时也需要使用者具有一定的普通轮滑操作经验。

在中国实用新型专利说明书CN202219076U中公开了一种电动轮滑装置，该轮滑装置的一点改进之处在于将电动轮滑的驱动电源、控制单元与轮滑车体分离，从而提供了一种系统结构以实现除了力控以外的控制方式，同时简化了轮滑鞋的结构。但是专利中各单元的连接采用有线方式，因此在实际使用中会因为线的复杂导致运动受到束缚。

因此设计一款结构简单、安全便捷的电动轮滑鞋将是此类产品的发展趋势，其势必为短途旅行提供较大的便利和娱乐性。

发明内容

本发明主要为了解决脚部作用力控制电动轮滑鞋运动的控制方式所带来的操作复杂性问题，提出一种基于姿态控制的轮滑式代步机器人，从而能代替电动轮滑鞋并使之更为便捷安全、操作方便，结构更为简单，同时也为电动轮滑鞋的发展提供一种新型策略。

本发明提出的轮滑式代步机器人包括：

轮滑鞋体，共有两个轮滑鞋体供使用者左右脚操作，其实质为四轮移动平台，左右两侧各有一个直径为96mm的包胶驱动轮，前后部各安装一个小脚万向轮，鞋体内部为控制电路板与驱动电路板，通过电路控制带有数字编码器的两个石墨电刷直流电机驱动左右两侧驱动轮转动，根据不同的速度组合可以实现移动平台的前后左右移动。轮滑鞋由钢材制成，整体质量为5.8kg，在达到载重要求的同时也能使鞋体更为牢靠，便于拆卸维修。

便携供电电源，为可充电电源，能为左右两个轮滑鞋体提供24V电压驱动，其外形为长方体铁质容器，通过两根可收缩弹簧电源线与轮滑鞋体电源线相连，容器上带有开关及能够显示当前电压示数的数码管，能提醒使用者及时充电。

控制单元，控制单元由ARM开发板组成，可以对轮滑鞋体的内部控制电路板发送命令控制轮滑鞋体的启动/关闭和驱动轮转动。

进一步的，通过无线运动捕捉传感器(Wireless Standalone Sensing System,WSSS)可以实现代步轮滑机器人的姿态控制，该传感器集成三轴加速度传感器、陀螺仪和磁场强度传感器于一身，可以实时测得传感器自身坐标系相对与大地坐标系的转动欧拉角。将WSSS传感器放置于操作者身上便可以判断操作者上身前倾/后仰、转身姿态以及两腿之间的距离，从而相对应改变轮滑式代步机器人的运动状态以实现姿态控制。

进一步的，WSSS通过2.4G无线技术将欧拉角信息传递至控制单元，通过控制单元对相关信息的计算得到轮滑鞋体运动控制命令，使用无线蓝牙串口将控制命令传送至轮滑鞋体内部控制电路。

进一步的，在轮滑鞋体踏板下四角放置四个线性压力传感器可实时监测踏板上的压力分布变化，轮滑鞋体内部放置对应信号调理电路板将压力模拟信号调理输入至控制电路板转化为数字信号，通过对相关数字信息的处理获得压力分布信息，从而可以判断使用者双脚站位并实现系统启动/关闭和紧急制动的功能。

本轮滑式代步机器人优点在于能够实现电源与轮滑鞋体的分离，不同于附在电动鞋上的电源，此举能够简化轮滑鞋体结构。无线技术的加入则进一步简化了轮滑系统的结构。同时使用姿态控制的方法代替常用的脚步作用力控制，从而实现完全的代步功能，令轮滑式代步机器人的控制更为精确，操作更为简单，适用于普遍大众的娱乐与短程出行使用。

附图说明

图1为本发明轮滑式代步机器人体正面示意图(除去顶层安装板)；

图2为本发明轮滑式代步机器人体侧面示意图；

图3为本发明轮滑式代步机器人轮滑鞋体背面示意图(除去底部安装板)；

图4为本发明轮滑式代步机器人轮滑鞋体顶层安装板和底部安装板示意图；

图5为本发明轮滑式代步机器人便携供电电源示意图；

图6为本发明轮滑式代步机器人通信控制装置示意图，其中(a)为内部电路结构(b)为外壳结构；

图7为本发明轮滑式代步机器人所使用的WSSS传感器示意图；

图8为本发明轮滑式代步机器人的控制系统结构图；

图9为本发明轮滑式代步机器人所使用的WSSS姿态检测系统示意图；

图10为本发明轮滑式代步机器人(a)操作者前倾/后仰示意图(b)操作者转身示意图(c)轮滑鞋体转弯数学模型示意图；

图11为本发明轮滑式代步机器人轮滑鞋体前进/后退运动示意图(a)正常状态(b)反常状态；

图12为本发明轮滑式代步机器人通信控制中心板程序流程图；

图13为本发明轮滑式代步机器人轮滑鞋体控制板程序流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本轮滑式代步机器人轮滑鞋体结构如图1、图2、图3、图4所示，轮滑鞋的主体骨架由顶层安装板1、中间安装板2和底部安装板3构成。中间安装板2正面四角处安装有四个滑柱4，通过六角螺丝可将顶层安装板1固定于滑柱4上。中间安装板2正面四角处亦安装了四个传感器安装座5，可将四路压力传感器固定于传感器安装座5上，本设计中令滑柱4的高度略低于压力传感器6安装在传感器安装座5上的高度，如此可令操作者对顶层安装板的作用力完全分布于四路压力传感器6上。

中间安装板2背面前后两端安装有轴承座7，将小脚轮8安装于轴承座7上作为承重万向轮。在承重万向轮附近安装有直流无刷电机9，与减速箱、齿轮箱构成一套电机驱动系统。电机一端安装数字编码器10，另一端在电机轴上安装有电机联轴器11，电机联轴器11为齿轮型结构。直流无刷电机9通过电机安装座12固定于中间安装板背面。中间安装板2背面左右两侧安装着驱动轮16，并分别通过两个驱动轮安装座13固定于安装板上。驱动轮轴上安装有驱动轮联轴器14并固定在两个驱动轮安装座13之间，该驱动联轴器14亦为齿轮型结构。因此通过将齿轮型履带15套在电机联轴器11和驱动轮联轴器14之上可以实现电机9和驱动轮16的联动，通过控制电机转动速度便能控制驱动轮16的转动速度。驱动轮16上包有橡胶垫能够增大摩擦系数提高抓地力。本设计中将驱动轮16的轮底和小脚承重轮8的轮底设计在同一水平面上，如此本轮滑式代步机器人轮滑鞋体能够平稳放置于平地上。

底部安装板3可通过六角螺丝固定于电机安装座12和驱动轮安装座13上。中间安装板2中部留出一个方形空洞17用于放置本轮滑式代步机器人的电路系统。电路系统由四块电路板组成，从顶层到底层依次为电源供电板、外设驱动板、主控制板和压力信号调理板，从图1和图4中看出四路压力传感器通过信号线连接于信号调理板接口18上，电机编码器10则连接于外设驱动电路板接口19上，电源供电板接入两根系统电源供电线20并通过电压转化电路为电机系统、电路系统和压力传感器供电。主控制板板载ST系列ARM微控制器能够写入嵌入式程序控制电动鞋外设。电路板之间通过接插件固定在一起，并通过信号调理板上的铜柱21与螺丝固定在底部安装板3上。在底部安装板3上留有一个孔洞22，其作用一是引出蓝牙串口线连接至贴附在底板上的蓝牙串口23上，二是露出主控制板的JTAG接口24可供程序下载与调试。

上述描述为左轮滑鞋体结构，右轮滑体机械结构与左轮滑鞋体相对称，内部结构完全一致。

本轮滑式代步机器人的便携供电电源如图5所示，为长方体结构铝制外壳电源。电源前面板有两个接口25可提供两路24V直流驱动电压，前面板中心放置电源开关26以及数码管27显示当前电压示数，若电压不足可通过充电口28为电源充电。本电源后面板上有两个把手29方便提携，放置于背包中即可携带使用。电源通过两根弹簧电源线30分别与两个轮滑鞋体的系统电源供电线20相连为轮滑鞋提供电力驱动，采用弹簧电源线30能够根据操作者的身高以及电源携带位置调节电源线的长度，达到多适用性的目的。

本轮滑式代步机器人的通信控制装置如图6所示，其外形为长方体塑料盒子31，拆开盒子后内部安装着一套通信系统。通信控制中心板32通过串口线获得WSSS传感器接收器33接收到姿态信息帧，经过处理判断后形成控制左右两个轮滑鞋的速度控制命令帧并通过两个蓝牙串口34分别发送至左右轮滑鞋体上的蓝牙串口23上。WSSS传感器接收器33使用2.4G无线通信技术接收外部WSSS传感器38的信号并转化为串口信息输出。整套通信系统通过一个5V输出的移动电源35供电驱动，若是电量不足可拆卸下来重新充电。在本通信控制装置的外壳盒子上留有几个孔洞能暴露WSSS接收器的天线36和蓝牙串口34以提高信号强度，同时留出通信控制中心板的JTAG接口37可供通信程序下载与调试。本通信控制装置使用时绑于操作者腹部或置于电源背包处即可。

本轮滑式代步机器人的姿态检测装置如图7所示，图中所示为单个WSSS传感器A1，整套姿态检测系统共有六个结构一致的WSSS传感器(A1,B1,C1,D1,E1,F1)，只是标记号不同以示区别。WSSS传感器外形为长方体塑料壳子，内部包含集三轴加速度传感器、陀螺仪、磁场强度传感器于一身的姿态模块芯片、无线传输芯片和内部供电电源，外壳上带有WSSS启动开关39和通讯/充电接口40，该接口有四个接头，两个作为供电的+5V/GND接口，当传感器内部电源指示灯显示电量不足时可通过专用充电器为传感器充电；另两个为TX/RX串口接头，这样可使该传感器能够工作于有线和无线模式。WSSS传感器外壳上画有坐标系X轴和Y轴，此坐标系代表该传感器自身的坐标系，其Z轴方向由右手法则可得到。该传感器在空间中处于任意姿态都能测得相对大地坐标系的转动欧拉角(Roll、Pitch、Yaw)，也就是将传感器坐标系与大地坐标系重合后绕着传感器坐标系的三个坐标轴转动相对应的欧拉角时即可得到当前传感器坐标系的空间姿态。WSSS传感器将欧拉角的信息存储于数据帧上并不断发送信息帧，WSSS接收器便不断接收这类信息帧并通过串口传出欧拉角信息至控制中心板上。

本发明整体结构及各装置之间的关系如图8所示，通过运动绷带将六个WSSS传感器绑在操作者指定身体部位上，每一个传感器无间断通过无线方式发送包含其姿态信息的数据帧，利用安装在通信控制装置内部的WSSS接收器可以接收到这些信息帧，并通过串口传递至通信控制中心板中处理。姿态信息经过处理后得到左右轮滑鞋体的速度命令并通过蓝牙串口无线传输，当安装于轮滑鞋体底部的蓝牙串口与通信控制装置内的蓝牙串口配对后便可接收到速度命令传递至轮滑鞋控制板以执行命令。放置于背包内的便携供电电源通过电源线为左右轮滑鞋体提供电力驱动。

作为本发明的一个实施例，我们分析本轮滑式代步机器人进行简单的前进/后退运动的情况。如图9所示，姿态传感系统中六个WSSS传感器按照图中方式通过运动绑带固定于操作者身上，操作者的行动意图通过WSSS传感器F1和D1坐标系之间的相对关系决定。在前进/后退的判断中，本发明意图通过操作者上半身的前倾/后仰姿态分别控制轮滑鞋的前进/后退运动，且前倾/后仰程度越大速度越快，当操作者笔直站立于轮滑鞋上时则速度为零。如图10(a)所示，假设操作者上半身前倾时，放置于胸部的WSSS F1传感器Z轴向量与放置于腹部的WSSS D1传感器Z轴向量之间在两者构成的平面内有一个夹角设为正值，当操作者笔直站立时该夹角值为零，当操作者后仰时该夹角为负值，因此可以通过该夹角的正负与大小判断操作者的前倾后仰姿态及程度，进而能够决定轮滑鞋体的前进后退运动状态。以腰部的WSSS传感器坐标系作为基准坐标系，则通过一系列的欧拉角旋转可令基准坐标系的方向与胸部的WSSS传感器坐标系一致，而上文所提到夹角正是基准坐标系绕其X轴旋转的Roll角。

借助WSSS传感器输出的欧拉角信息能够获得从大地坐标系到该WSSS传感器自身坐标系的旋转变换矩阵，设绕X轴旋转的俯仰角Roll为φ，饶Y轴旋转的滚转角Pitch为θ，绕Z轴旋转的航向角Yaw为ψ，采用Z-Y-X欧拉角表示空间坐标系，则设基准坐标系为B，当前坐标系为P，旋转矩阵

则在计算前文所述Roll角时，需要借助大地坐标系作为传递媒介，即：则矩阵形式同上，则联立矩阵3行1列和3行2列的数值即可求得φ的值亦即夹角的值。

为了简化前进/后退的模型，本发明设定前进/后退时左右轮滑鞋体四个驱动轮具有相同的速度，且速度大小与倾角大小呈正比关系，具体实施方案为：设定前进速度最大值为后退的最大速度为设定夹角的有效范围为并根据实际情况设定夹角阈值为则前进/后退的速度决定表达式为：

将该公式和对应参数编入控制器程序中即可通过获得角的大小直接求取驱动轮在前进/后退运动状态下的速度。

作为本发明的一个实施例，我们分析本轮滑式代步机器人进行转弯运动的情况。本发明意图通过WSSS传感器F1的坐标系和D1坐标系之间的相对位置关系识别操作者转向意图。如图10(b)所示，当操作者的上半身扭转时胸部WSSS传感器F1的Z轴与腰部WSSS传感器D1的Z轴在水平面上会产生一个夹角η，依据该夹角的正负与大小便可得知操作者上半身的转向与程度。本发明意图将轮滑鞋体的转向控制设计为与操作者上半身转向一致，即操作者上半身左转时轮滑鞋体左转，上半身右转则轮滑鞋体右转，当上半身的转向程度较小时，则保持直行不变。通过观察可以发现η角即为WSSS D1传感器绕自身Y轴旋转到达WSSSF1方向的Yaw角大小，据上文分析，即为坐标系旋转矩阵中的θ角，因此同测量前倾/后仰角度的方法类似，以大地坐标系为媒介，通过旋转矩阵的3行1列值可直接求得θ角的大小。

如图10(c)所示，建立轮滑鞋体的转弯模型，以左转为例，左右轮滑鞋体分别用两个“工”形几何图形表示，设轮滑鞋体宽为2d，左轮滑鞋体左驱动轮速度为v_2L，右驱动轮速度为v_2R，右轮滑鞋体左驱动轮速度为v_3L，右驱动轮速度为v_3R，v₂为左鞋中心点速度，v₃为右鞋中心点速度，当左右轮滑鞋体保持当前相对位置不变时，即图中两轮滑鞋体中心距离a和Δβ＝β_r-β_l的值保持恒定时，则根据几何特性可以得到四个驱动轮的速度分别为：其中为了获得四个驱动轮的速度便需要测得上述公式中的所有参数。

对于参数a，此参数为两轮滑鞋体之间的距离，当操作者按照指定位置站立在轮滑鞋体上时可以使用操作者的双腿距离代替，由图9可知姿态检测系统的其余四个WSSS传感器分别置于操作者左大腿、左小腿、右大腿和右小腿上，若要测得两腿之间的距离，便可以设定腰部WSSS传感器D1坐标系为基准坐标系，当求得A1和E1传感器原点在D1坐标系下的坐标后便可以在D1坐标系的X-Z平面内算出A1、E1传感器间的距离，亦即双腿距离。

空间坐标变换的平移变化为沿着当前坐标系的某坐标轴移动某一距离得到新的坐标系位置，相应平移矩阵为因此以右腿为例，从图9中可看出E1传感器坐标系的Y轴方向与小腿方向一致，C1传感器坐标系Y轴与大腿方向一致，则从E1坐标系转化到D1坐标系的变化矩阵为

则E1的原点在D1坐标系下的坐标为同理求得则两腿之间的距离

对于参数β_l和参数β_r，此参数为左右轮滑鞋方向与基准坐标系X轴之间的夹角，当把WSSS传感器A1和E1的坐标系Z轴方向分别视为轮滑鞋体方向并将WSSS传感器D1的坐标系视为基准坐标系时，则可以通过坐标变换的方法求得A1和E1在各自坐标系下Z轴单位点在与A1和E1原点重合的D1坐标系下的坐标值，进而求得与D1坐标系X轴的相应夹角。对于参数∠a，此参数为两轮滑鞋体中心连线向量与基准坐标系的夹角，该连线向量在计算双腿距离时可以得到，因此将D1坐标系视为基准坐标系后便可求得该夹角参数。

作为本发明的一个实施例，结合轮滑鞋体前进/后退运动可完善其转弯运动。结合图10(c)以左转为例，当操作者上半身转向时会令WSSS传感器F1和D1的Z轴之间产生一个η角，给予该角一个阈值范围[η_minη_max]，小于该范围则判定为左转，大于该范围则判定为右转，处于该范围之内则判定为无转向意图。驱动轮速度决定公式中的轮滑鞋体中心速度由轮滑鞋体前一运动状态决定，亦即当姿态检测系统判断操作者有转向意图时需先判断轮滑鞋体前一状态下是否拥有前进/后退的速度，即速度是否同时为零。若不为零，则左转时将这一速度赋予左轮滑鞋体左驱动轮，进而可以算出其余三个驱动轮速度；右转时则将该速度赋予右轮滑鞋体右驱动轮。若前一状态速度为零，则操作者意图为原地转向，因此左转时将左轮滑鞋体左驱动轮设为零，根据η角偏离阈值范围的程度决定左轮滑鞋体右驱动轮的速度，偏离程度越大则速度越快，右轮滑鞋体的两个驱动轮速度依然由驱动轮速度公式求得；右转时则令右轮滑鞋体右驱动轮为零，根据η角决定右轮滑鞋体左驱动轮速度，进而求得其余驱动轮速度。作为例子，假定轮滑鞋左转，则左鞋左轮速度v_2L首先被确定，具体公式为：

其中K_t为旋转比例系数，由实验确定。轮滑鞋若为右转，则右鞋右轮速度v_3R首先被确定，决定公式类似于上述公式。

上述三个实施例的运动控制策略可以满足本发明在正常情况下的全方位行动，为了能够使控制效果更为精确，需要求操作者将姿态检测系统的传感器能够准确放置于身体指定部位。同时由于此类传感器易受磁场干扰，因此本发明不适用于强磁场环境中。

作为本发明的一个实施例，我们还需要考虑左右轮滑鞋体在前进/后退运动中出现的左右轮滑鞋体方向不一致的问题的解决方法。若轮滑鞋体进入前进/后退的状态，四个驱动轮都被赋予相同的速度，那方向不一致的左右轮滑鞋体势必会相撞，因此需要在轮滑鞋运动的过程中不断改变其前进方向，通过对左右驱动轮速度进行补偿即可实现。如图11(b)中所示情况，只需相对应增加右鞋左驱动轮的速度即可令左右轮滑鞋体方向再次统一，如图11(a)所示。该速度补偿并不是一个定值，其大小与左右轮滑鞋体方向夹角和两鞋间的距离有关，其决定公式为：式中参数来源可见图10(c)，两鞋方向夹角等同于β_r-β_l，而两鞋距离即为a，至于K₁，K₂，K₃数值由实验而定，如有需要可进行调整。

作为本发明的一个实施例，放置于轮滑鞋体顶层安装板下的四路压力传感器作用有两点：其一为机器人启动检测，当把电源、传感器和控制器的开关闭合后需要依靠压力传感器来检测是否有人站立在顶层安装板上，同时如图11所示，当操作者的脚按照图中方式踩在顶层安装板上时，四路压力传感器会受到不同大小的作用力，如若将脚踩位置改变，压力传感器总受力不变但是分配在不同传感器上的作用力比例有所变化，因此通过检测四路压力传感器受力比重即可判断操作者是否按照图11所示的正规踩踏位置站立在轮滑鞋体上，如若比重不处于正常范围则不能启动本轮滑式代步机器人，直至操作者正确调整站立位置后才能正常启动；其二为制动检测，当操作者在行驶过程因希望停止操作或者遇到紧急情况时脚离开上层安装板或移动至偏离标准站位很大的位置时，本轮滑鞋体会自动停止工作，将驱动轮速度设定为零。无论是左轮滑鞋体还是右轮滑鞋体，只要四路压力传感器检测到受作用力为零或作用力分配达到异常比例时即可判断系统处于制动状态，将自动停止整个机器人工作。中间安装板内部的电路系统中的信号调理板能将四路传感器信号调理为控制板能识别的电压信号并通过A/D转换得到压力信号的数字值供程序处理。

如图12所示，通信控制中心的板的程序流程反映了本轮滑式代步机器人的工作流程，最终实现的目标在于将WSSS姿态传感器的信息转化为控制轮滑鞋运动的依据，亦即实现姿态控制。进一步说明，本轮滑式代步机器人轮滑鞋体的每一个驱动轮的最终速度决定公式为：V＝V_turnor(V_straight+V_compensate)，当根据图中流程计算得到对应速度分量即可求出驱动轮的最终速度。进一步说明，WSSS传出的姿态信息帧格式如下：

程序中根据帧中标号可判断该帧是从哪一路WSSS传感器传来的。进一步说明，通信中心控制板发送的速度控制命令帧格式如下：

程序中对驱动轮速度的计算会出现小数，因此为了提高精确度，需要将小数值保留并传送于轮滑鞋体控制板上。

如图13所示，轮滑鞋体主控制板上的程序流程图描述了速度控制命令如何在轮滑鞋内部执行和压力传感器作用机理。进一步说明，由于轮滑鞋体采用数字编码器控制直流电机转动，因此可以使用数字PID的控制方法稳定驱动轮的速度变化过程，以速度命令帧中的速度作为期望值，通过数字编码器获得当前速度值，两者之差输入至增量式PID控制器中便构成了速度的反馈控制，在6.4ms内即可达到指定速度。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于姿态控制的轮滑式代步机器人，其特征在于，包括两个轮滑鞋、便携供电电源及通信控制装置，其中：

所述轮滑鞋的主体骨架由顶层安装板(1)、中间安装板(2)和底部安装板(3)构成；顶层安装板(1)固定于中间安装板(2)上；中间安装板(2)正面四角处安装了四个传感器安装座(5)，可将四路压力传感器(6)固定于四个传感器安装座(5)上；中间安装板(2)背面前后两端安装有轴承座(7)，将小脚轮(8)安装于轴承座(7)上作为承重万向轮；在承重万向轮附近安装有直流无刷电机(9)，直流无刷电机(9)与减速箱、齿轮箱构成一套电机驱动系统；直流无刷电机(9)一端安装数字编码器(10)，另一端在直流无刷电机(9)的轴上安装有电机联轴器(11)；直流无刷电机(9)通过电机安装座(12)固定于中间安装板(2)的背面；中间安装板(2)背面左右两侧安装着驱动轮(16)，并分别通过两个驱动轮安装座(13)固定于安装板(3)上；驱动轮(16)轴上安装有驱动轮联轴器(14)并固定在两个驱动轮安装座(13)之间；底部安装板(3)固定于电机安装座(12)和驱动轮安装座(13)上；中间安装板(2)中部留出一个方形空洞(17)用于放置本轮滑式代步机器人的电路系统；电路系统由四块电路板组成，从顶层到底层依次为电源供电板、外设驱动板、主控制板和压力信号调理板，四路压力传感器通过信号线连接于信号调理板接口(18)上，电机编码器(10)连接于外设驱动电路板接口(19)上，电源供电板接入两根系统电源供电线(20)并通过电压转化电路为电机驱动系统、电路系统和压力传感器供电；主控制板板载ST系列ARM微控制器能够写入嵌入式程序控制电动鞋外设；电路板之间通过接插件固定在一起，并固定在底部安装板(3)上；在底部安装板(3)上留有一个孔洞(22)，其作用一是引出蓝牙串口线连接至贴附在底板上的蓝牙串口(23)上，二是露出主控制板的JTAG接口(24)可供程序下载与调试；

所述便携供电电源的前面板有两个接口(25)可提供两路24V直流驱动电压，前面板中心放置电源开关(26)以及数码管(27)显示当前电压示数，若电压不足可通过充电口(28)为电源充电；本电源后面板上有两个把手(29)方便提携，放置于背包中即可携带使用；电源通过两根弹簧电源线(30)分别与两个轮滑鞋体的系统电源供电线(20)相连为轮滑鞋提供电力驱动；

所述通信控制装置中的控制中心板(32)通过串口线获得WSSS传感器接收器(33)接收到的姿态信息帧，经过处理判断后形成控制左右两个轮滑鞋的速度控制命令帧并通过两个蓝牙串口(34)分别发送至左右轮滑鞋体上的蓝牙串口(23)上；WSSS传感器接收器(33)使用2.4G无线通信技术接收外部WSSS传感器(38)的信号并转化为串口信息输出。

2.如权利要求1所述的基于姿态控制的轮滑式代步机器人，其特征在于，所述WSSS传感器内部包含集三轴加速度传感器、陀螺仪、磁场强度传感器于一身的姿态模块芯片、无线传输芯片和内部供电电源，外壳上带有WSSS启动开关(39)和通讯/充电接口(40)，该接口有四个接头，两个作为供电的+5V/GND接口，当传感器内部电源指示灯显示电量不足时可通过专用充电器为传感器充电；另两个为TX/RX串口接头，可使该传感器能够工作于有线和无线模式；WSSS传感器外壳上画有坐标系X轴和Y轴，此坐标系代表该传感器自身的坐标系，其Z轴方向由右手法则可得到；该传感器在空间中处于任意姿态都能测得相对大地坐标系的转动欧拉角，也就是将传感器坐标系与大地坐标系重合后绕着传感器坐标系的三个坐标轴转动相对应的欧拉角时即可得到当前传感器坐标系的空间姿态；WSSS传感器将欧拉角的信息存储于数据帧上并不断发送信息帧，WSSS接收器便不断接收这类信息帧并通过串口传出欧拉角信息至控制中心板上。

3.如权利要求1或2所述的基于姿态控制的轮滑式代步机器人，其特征在于，中间安装板(2)正面四角处安装有四个滑柱(4)，通过六角螺丝可将顶层安装板(1)固定于滑柱(4)上。

4.如权利要求3所述的基于姿态控制的轮滑式代步机器人，其特征在于，滑柱(4)的高度略低于压力传感器(6)安装在传感器安装座(5)上的高度，可令操作者对顶层安装板的作用力完全分布于四路压力传感器(6)上。

5.如权利要求1或2所述的基于姿态控制的轮滑式代步机器人，其特征在于，在通信控制装置的外壳盒子上留有几个孔洞，能暴露WSSS接收器的天线(36)和蓝牙串口(34)以提高信号强度，同时留出通信控制中心板的JTAG接口(37)可供通信程序下载与调试。

6.如权利要求1或2所述的基于姿态控制的轮滑式代步机器人，其特征在于，通过运动绷带将六个WSSS传感器绑在操作者指定身体部位上，每一个传感器无间断通过无线方式发送包含其姿态信息的数据帧，利用安装在通信控制装置内部的WSSS接收器接收到这些信息帧，并通过串口传递至通信控制中心板中处理；姿态信息经过处理后得到左右轮滑鞋体的速度命令并通过蓝牙串口无线传输，当安装于轮滑鞋体底部的蓝牙串口与通信控制装置内的蓝牙串口配对后便可接收到速度命令传递至轮滑鞋控制板以执行命令；放置于背包内的便携供电电源通过电源线为左右轮滑鞋体提供电力驱动。

7.如权利要求1或2所述的基于姿态控制的轮滑式代步机器人，其特征在于，所述压力传感器还用于：其一为机器人启动检测，当把电源、传感器和控制器的开关闭合后需要依靠压力传感器来检测是否有人站立在顶层安装板上，当操作者的脚按照设定方式踩在顶层安装板上时，四路压力传感器会受到不同大小的作用力，如若将脚踩位置改变，压力传感器总受力不变但是分配在不同传感器上的作用力比例有所变化，因此通过检测四路压力传感器受力比重即可判断操作者是否按照设定的正规踩踏位置站立在轮滑鞋体上，如若比重不处于正常范围则不能启动本轮滑式代步机器人，直至操作者正确调整站立位置后才能正常启动；其二为制动检测，当操作者在行驶过程因希望停止操作或者遇到紧急情况时脚离开上层安装板或移动至偏离标准站位很大的位置时，本轮滑鞋体会自动停止工作，将驱动轮速度设定为零；无论是左轮滑鞋体还是右轮滑鞋体，只要四路压力传感器检测到受作用力为零或作用力分配达到异常比例时即可判断系统处于制动状态，将自动停止整个机器人工作；中间安装板内部的电路系统中的信号调理板能将四路传感器信号调理为控制板能识别的电压信号并通过A/D转换得到压力信号的数字值供程序处理。

8.如权利要求1或2所述的基于姿态控制的轮滑式代步机器人，其特征在于，在直行情况下，所述通信控制装置计算前进/后退的速度V_straight的表达式为：

将该公式和对应参数编入控制器程序中即可通过获得绕X轴旋转的俯仰角角的大小直接求取驱动轮在前进/后退运动状态下的速度，其中设定为前进速度最大值，为后退的最大速度，为夹角的有效范围，为根据实际情况设定的夹角阈值；

左右轮滑鞋体在前进/后退运动中出现左右轮滑鞋体方向不一致时，所述通信控制装置对应增加右鞋左驱动轮的速度令左右轮滑鞋体方向再次统一，其计算公式为：式中K1，K2，K3数值由实验而定，β_r-β_l为两鞋方向夹角，a为两鞋距离；

每一个驱动轮的最终速度公式为：V＝V_straight+V_compensate。

9.如权利要求1或2所述的基于姿态控制的轮滑式代步机器人，其特征在于，在转弯情况下，所述通信控制装置计算四个驱动轮的速度分别为：

$v_{2L}=v_2(1-\frac{dsin({\mathrm{\β}}_r-{\mathrm{\β}}_l)}{\left|a\right|{\mathrm{sin\θ}}_r})$

$v_{2R}=v_2(1+\frac{dsin({\mathrm{\β}}_r-{\mathrm{\β}}_l)}{\left|a\right|{\mathrm{sin\θ}}_r})$

$v_{3L}=v_3(1-\frac{dsin({\mathrm{\β}}_r-{\mathrm{\β}}_l)}{\left|a\right|{\mathrm{sin\θ}}_l})$

$v_{3R}=v_3(1+\frac{d\sin ({\mathrm{\β}}_r-{\mathrm{\β}}_l)}{\left|a\right|{\mathrm{sin\θ}}_l})$

其中，设轮滑鞋体宽为2d，v_2L为左轮滑鞋体左驱动轮速度，v_2R为右驱动轮速度，v_3L为右轮滑鞋体左驱动轮速度，v_3R为右驱动轮速度，v₂为左鞋中心点速度，v₃为右鞋中心点速度，a为两轮滑鞋体中心距离，β_r-β_l为两鞋方向夹角。

10.如权利要求1或2所述的基于姿态控制的轮滑式代步机器人，其特征在于，所述通信控制装置的外形为长方体塑料盒子。