雷尼绍方案:两轮机器人小车|自平衡大考验

国际金属加工网 2021年11月30日

石川淳先生在东京电机大学(TDU)的机器人与机电一体化学科任教,他向工学部的学生们提出一项考验:制作一辆两轮自平衡机器人小车

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挑战

石川淳先生对学生们提出的考验是:如何解决经典的控制理论难题 — 倒立摆

学生们需要设计并集成一个高效的三件式解决方案,包括倾斜角度传感、控制逻辑和电机驱动电路。

对于为此控制应用设计的PCB(印刷电路板),尺寸小且重量轻是集成到车把内的决定性要素。他们对PCB的结构进行了优化,以确保在最小的封装尺寸内集成所有必需的功能

解决方案

将PCB控制板安装在车把内,位于摆锤的顶部,承载所有必需的电子电路。

轮式平台的底部有两条轴:连接车轮的水平轴和由紧凑型直流电机驱动的垂直轴。两条轴的交叉处装有一个简单的锥齿轮传动装置,电机通过此传动装置可朝任意方向驱动车轮。 系统必须将方向保持在近乎垂直的极小角度范围内,才能进行有效控制。如果小车朝任一方向倾斜超过30 °,则可能会失去稳定性。为保持平衡,必须以经过精密计算的加速度和速度连续驱动车轮。

 

在电机轴上

耦合编码器

为达到预期的运动控制性能,学生们需要一个高分辨率位置编码器监控和调节电机输出。而且,这个编码器还必须小巧轻便,能够容纳在小车纤薄的垂直结构中

经过深思熟虑,他们最终选择了雷尼绍关联公司RLS的RM08磁旋转编码器。这款非接触式、无摩擦磁旋转编码器仅重2 g(包括电缆),具有铝制传感器外罩,直径为8 mm,厚度仅为3 mm。

学生们设计了一个细窄的尼龙衬圈,作为电机轴与RM08编码器的磁励体之间的机械连接,而这个设计只增加了不到0.5 g的重量

RM08编码器产生12位分辨率输出(每转4,096步),可用于运行速度高达30,000 rpm的应用,精度达到±0.3 °。 

结果

东京电机大学的学生们设计出一个运动控制方案,使用RM08高速磁旋转编码器以12位分辨率测量角度旋转,令两轮机器人小车保持自平衡直立

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RM08编码器的防护等级达到IP68,专用于集成到各种大批量OEM应用中,性能非常可靠。

还有一点也很重要,磁旋转编码器还解决了这辆小车苛刻的物理设计限制。它的外形极为紧凑且轻巧,帮助学生们同时克服了空间和负载限制。

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(雷尼绍Renishaw)

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