CN101259856B - 倒置滚轮式定位移动机器人 - Google Patents

Abstract

一种机器人技术领域的倒置滚轮式定位微型移动机器人，本发明包括：三个倒置滚轮装置、一个光电定位装置、机器人本体，其中：三个倒置滚轮装置等间距地设置在机器人本体的边缘上，光电定位装置位于机器人本体的底部。所述倒置滚轮装置，包括球形滚轮、第一驱动滚轴、第二驱动滚轴、第一普通滚轴、第二普通滚轴、第一伺服电机、第二伺服电机、第一码盘、第二码盘、第一传动带、第二传动带、三个传动球。本发明能够实现机器人的全方位快速运动，且达到10um级的定位，并可以满足无回转半径的全方位移动。

Description

倒置滚轮式定位移动机器人

技术领域

本发明涉及的是一种机器人技术领域的装置，具体是一种倒置滚轮式定位移动机器人。

背景技术

一般移动机器人运动方式分为轮式或腿式。轮式机构一般具有非完整约束，即在某一方向的运动受到限制，不能全向移动，而使用轮式机构实现全向运动的系统大多有多个轮子协调运动实现。这种结构增加了系统的复杂度，而且由于多个轮子的传动误差，提高了协调运动的难度，给实现真正意义上的全向运动带来困难。而且，对于机器人而言，采用多轮驱动时，通过机器人轮子上编码器进行机器人定位精度，其定位精度很难满足要求。而腿式机器人模拟生物运动方式，通常采用压电驱动材料，可以实现高精度定位，但其运行速度相对较慢，效率低。

经对现有技术文献的检索发现，中国专利申请号为：200580003210.5，名称为：腿式机器人以及腿式机器人的行走控制，该专利包括：躯体、可摆动地连接在躯体上的腿联合体、腿部步态数据的存储装置、躯体步态数据的存储装置、检测实际的躯体运动的躯体运动检测装置、计算目标躯体运动与实际的躯体运动之间的偏差的偏差的计算装置及修正装置，该专利计算出腿式机器人的目标躯体运动与实际的躯体运动的偏差，并根据计算出的偏差对所述目标躯体运动进行修正。该专利模拟生物运动方式，有腿、躯干等结构，工艺难度较大，为了使机器人两条腿行走，并保持平衡，使用了一些检测装置及反馈控制，体积较大，实行复杂，移动速度也比较慢，且没有定位。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中存在的不足，提供了一种倒置滚轮式定位移动机器人，使其能够满足不同任务对机器人的需求，即全向要求，速度需求和精度需求，并能实现10um级定位，特别适合在微小尺寸限制的条件下实现无回转半径的高精度全方位移动。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：三个倒置滚轮装置、一个光电定位装置、机器人本体，其中：三个倒置滚轮装置等间距地设置在机器人本体的边缘上，光电定位装置位于机器人本体的底部。

所述倒置滚轮装置，包括球形滚轮、第一驱动滚轴、第二驱动滚轴、第一普通滚轴、第二普通滚轴、第一伺服电机、第二伺服电机、第一码盘、第二码盘、第一传动带、第二传动带、三个传动球，其中：

第一驱动滚轴和第二驱动滚轴相互垂直，第一普通滚轴和第二普通滚轴也相互垂直，并均平行于机器人本体表面且与球形滚轮接触，三个传动球固定于球形滚轮上方呈对称分布，并均与球形滚轮接触，第一传动带一端与第一伺服电机转动轴相连，另一端与第一驱动滚轴相连，与第一传动带相连，第一码盘设置在第一伺服电机转动轴上；

第二伺服电机和第一伺服电机的转动轴相互垂直，第二传动带一端与第二伺服电机转动轴相连，另一端与第二驱动滚轴相连，与第二传动带相连，第二码盘设置在第二伺服电机转动轴上。

所述倒置滚轮装置，还包括：第一松紧控制轮、第二松紧控制轮，第一松紧控制轮设置在第一伺服电机转动轴和第一驱动滚轴之间，第二松紧控制轮设置在第二伺服电机转动轴和第二驱动滚轴之间。

所述机器人本体为一圆形底板。

所述光电定位装置，位于机器人本体的中心位置。

所述的光电定位装置，包括发光二极管、透镜组件、光学引擎以及控制芯片，其中：发光二极管发出的光透过透镜组件到达光学引擎，光学引擎位于机器人本体的底部中心位置，其表面与机器人本体的底部平面平行，光学引擎与控制芯片通过电线相连。

所述的透镜组件，包括两面反光镜和一个凸透镜，两面反光镜用来反射发光二级管的光线，其位置可调，只要能够照亮机器人本体底部中心地面，凸透镜位于光学引擎正下方，使机器人本体底部中心地面在光学引擎上成像，从而使光学引擎接收并纪录图像。

所述光学引擎，在机器人移动时拍摄记录一系列的移动轨迹的连贯图像，并将图像传输给控制芯片。

所述控制芯片，接收光学引擎的一系列图像，通过对这些图像上特征点位置的变化进行分析，得到机器人的移动方向和移动距离，并控制三个倒置滚轮装置的运动状态。

本发明移动时，倒置滚轮装置的运动是由两个伺服电机提供动力，伺服电机通过传动带带动两根驱动滚轴，驱动滚轴与球形滚轮紧密接触，使球形滚轮运动起来。两根驱动滚轴是两个垂直方向的，使得球形滚轮在平面内有两个驱动方向，实现了全方位运动。码盘可以用来精确反馈控制电机，从而实现平面内全方位高精度运动。

在本发明装置移动过程中，发光二极管发出光线，照亮机器人底部地面，底部地面反射回的一部分光线，经过透镜组件，传输到光学引擎内成像，机器人的移动轨迹便会被记录为一组高速拍摄的连贯图像，最后利用光电定位装置内部的控制芯片，对移动轨迹上摄取的一系列图像进行分析处理，通过对这些图像上特征点位置的变化进行分析，判断机器人的移动方向和移动距离，并控制三个倒置滚轮装置中的伺服电机协调驱动，实现平面内全方位快速高效运动，实现无回转半径的移动，完成机器人的定位。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：本发明通过倒置滚轮装置的设计，使得机器人在转向时与地面的摩擦为纯滚动摩擦，可提高机器人的运动速度和效率，并实现无回转半径的高精度全方位移动。由于没有腿、躯干等复杂结构，工艺难度较低，机器人的体积可以做成微型。光电定位装置的设计，使得机器人在运动时能实现10um的定位。本发明能够满足机器人在各种领域的需求，提高机器人的移动效率，为实现高精度机器人作业系统提供新的解决方案。

附图说明

图1为本发明结构底部示意图；

图2为光电定位装置结构垂直剖面图；

图3为倒置滚轮装置结构侧视图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，本实施例包括：三个倒置滚轮装置2、一个光电定位装置3、机器人本体1，其中：三个倒置滚轮装置2等间距地设置在机器人本体1的边缘上，光电定位装置3位于机器人本体1的底部。

如图3所示，所述的倒置滚轮装置2，包括球形滚轮8、第一驱动滚轴9、第二驱动滚轴10、第一普通滚轴11、第二普通滚轴12、第一伺服电机13、第二伺服电机14、第一码盘15、第二码盘16、第一传动带19、第二传动带20、三个传动球，其中：

第一驱动滚轴9和第二驱动滚轴10相互垂直，第一普通滚轴11和第二普通滚轴12之间也相互垂直，并均平行于机器人本体1表面且与球形滚轮8接触，三个传动球固定于球形滚轮8上方呈对称分布，并均与球形滚轮8接触，第一传动带19一端与第一伺服电机13转动轴相连，另一端与第一驱动滚轴9相连，第一松紧控制轮17位于第一伺服电机13转动轴和第一驱动滚轴9之间，与第一传动带19相连，第一码盘15设置在第一伺服电机13转动轴上，用来记录第一伺服电机13转动的速度和圈数；

第二伺服电机14和第一伺服电机13的转动轴相互垂直，第二传动带20一端与第二伺服电机14转动轴相连，另一端与第二驱动滚轴10相连，第二码盘16设置在第二伺服电机14转动轴上。

所述倒置滚轮装置2，包括：第一松紧控制轮17、第二松紧控制轮18，第一松紧控制轮17设置在第一伺服电机13转动轴和第一驱动滚轴9之间，可在第一传动带19运动的垂直方向作调整；第二松紧控制轮18设置在第二伺服电机14转动轴和第二驱动滚轴10之间，可在第二传动带20运动的垂直方向作调整。

所述机器人本体1为一圆形底板。

所述光电定位装置3，位于机器人本体1的中心位置。

如图2所示，所述的光电定位装置3，包括发光二极管6、透镜组件、光学引擎8以及控制芯片7，其中：发光二极管6发出的光透过透镜组件到达光学引擎8，光学引擎8位于机器人本体1的底部中心位置，其表面与机器人本体1的底部平面平行，光学引擎8与控制芯片7通过电线相连。

所述的透镜组件，包括两面反光镜4和一个凸透镜5，两面反光镜4用来反射发光二级管6的光线，其位置可调，只要能够照亮机器人本体1底部中心地面，凸透镜5位于光学引擎8正下方，使机器人本体1底部中心地面在光学引擎8上成像，从而使光学引擎8接收并纪录图像。

所述光学引擎8，在机器人移动时拍摄记录一系列的移动轨迹的连贯图像，并将图像传输给控制芯片7。

所述的光学引擎8为安捷伦的ADNS-2051传感器，每秒可拍摄上千张800DPI的图像，经过控制芯片7分析处理可以使定位精度达到10um级别。

所述控制芯片7，接收光学引擎8的一系列图像，通过对这些图像上特征点位置的变化进行分析，得到机器人的移动方向和移动距离，并控制三个倒置滚轮装置2的运动状态。

所述的控制芯片7为SMC522控制芯片。

本实施例移动时，由第一伺服电机13和第二伺服电机14提供动力。第一伺服电机13通过第一传动带19带动第一驱动滚轴10，使球形滚轮21在X方向运动，第二伺服电机14通过第二传动带20带动第二驱动滚轴11，使球形滚轮21在Y方向运动。球形滚轮21在平面内有两个驱动方向，实现了全方位运动。第一码盘15、第二码盘16可以用来反馈控制第一伺服电机13、第二伺服电机14，从而实现平面内全方位高精度运动。

在本实施例装置移动过程中，发光二极管6发出光线，照亮机器人底部地面，底部地面反射回的一部分光线，经过透镜组件4，传输到光学引擎8内成像，机器人的移动轨迹便会被记录为一组高速拍摄的连贯图像，最后利用光电定位装置3内部的控制芯片7，对移动轨迹上摄取的一系列图像进行分析处理，通过对这些图像上特征点位置的变化进行分析，判断机器人的移动方向和移动距离，并控制三个倒置滚轮装置2中的伺服电机协调驱动，实现平面内全方位快速高效运动，实现无回转半径的移动，完成机器人的定位。

本实施例通过倒置滚轮装置2使得机器人在转向时与地面的摩擦为纯滚动摩擦，可提高机器人的运动速度和效率，并实现无回转半径的高精度全方位移动。由于没有腿、躯干等复杂结构，工艺难度较低，机器人的体积可以做成微型。光电定位装置的设计，使得机器人在运动时能实现10um的定位。本实施例能够满足机器人在各种领域的需求，提高机器人的移动效率，为实现高精度机器人作业系统提供新的解决方案。

Claims (5)

1.一种倒置滚轮式定位移动机器人，包括：机器人本体，其特征在于，还包括：三个倒置滚轮装置、一个光电定位装置，其中：三个倒置滚轮装置等间距地设置在机器人本体的边缘上，光电定位装置位于机器人本体的底部；

所述的光电定位装置，包括：发光二极管、透镜组件、光学引擎以及控制芯片，其中：发光二极管发出的光透过透镜组件到达光学引擎，光学引擎位于机器人本体的底部中心位置，该光学引擎的表面与机器人本体的底部平面平行，光学引擎与控制芯片通过电线相连；

所述倒置滚轮装置，包括球形滚轮、第一驱动滚轴、第二驱动滚轴、第一普通滚轴、第二普通滚轴、第一伺服电机、第二伺服电机、第一码盘、第二码盘、第一传动带、第二传动带、三个传动球、第一松紧控制轮、第二松紧控制轮，其中：

第一驱动滚轴和第二驱动滚轴相互垂直，第一普通滚轴和第二普通滚轴也相互垂直，并均平行于机器人本体表面且与球形滚轮接触，三个传动球固定于球形滚轮上方呈对称分布，并均与球形滚轮接触，第一传动带一端与第一伺服电机转动轴相连，另一端与第一驱动滚轴相连，第一松紧控制轮位于第一伺服电机转动轴和第一驱动滚轴之间，与第一传动带相连，第一码盘设置在第一伺服电机转动轴上；

第二伺服电机和第一伺服电机的转动轴相互垂直，第二传动带一端与第二伺服电机转动轴相连，另一端与第二驱动滚轴相连，第二松紧控制轮设置在第二伺服电机转动轴和第二驱动滚轴之间，与第二传动带相连，第二码盘设置在第二伺服电机转动轴上。

2.根据权利要求1所述的倒置滚轮式定位移动机器人，其特征是，所述光学引擎，在机器人移动时拍摄记录一系列的移动轨迹的连贯图像，并将图像传输给控制芯片。

3.根据权利要求1所述的倒置滚轮式定位移动机器人，其特征是，所述控制芯片，接收光学引擎的一系列图像，通过对这些图像上特征点位置的变化进行分析，得到机器人的移动方向和移动距离，并控制三个倒置滚轮装置的运动状态。

4.根据权利要求1所述的倒置滚轮式定位移动机器人，其特征是，所述机器人本体为一圆形底板。

5.根据权利要求1所述的倒置滚轮式定位移动机器人，其特征是，所述光电定位装置，位于机器人本体的中心位置。

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