CN101281010A - 球形移动机器人用测试平台 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种球形移动机器人用测试平台，包括：一底座，其中心位置固定一底座轴承座；一位于底座上方的底框，其为半方形的三边框架，底横边框的中心位置通过由第一电机驱动的底板驱动轴与底座的底座轴承座间采用轴承套合连接；一外框，其两纵边框的中心位置通过由第二电机驱动的转动连接件与底框的两对应纵边框的头端连接；一内框，其两横边框的中心位置通过由第三电机驱动的转动连接件与外框的两对应横边框的中心位置连接；在内框上设有固定夹紧球形移动机器人的单元装置。球形移动机器人可压紧在内框中，其球壳的姿态随着3个转轴转角的变化而变化。球形机器人测试平台3个转轴的转动可以模拟球形移动机器人的空间运动和姿态变化。

Description

球形移动机器人用测试平台

技术领域

本发明涉及一种球形移动机器人用测试平台。

背景技术

当前在军事侦察，智能攻击、工业生产、野外探险、火星月球探测等活动中，移动机器人的应用越来越广泛。球形移动机器人是一种以球形或近似球形为外壳的移动机器人。球形移动机器人与地面的接触方式是一点接触，其移动和转向灵活方便，具有全方位运动和零转弯半径的特点，适应道路的能力强。近年来，国内外许多学者相继开展了球形机器人的研究，使之成为新兴并迅速发展的一种特种机器人。

世界上对球形移动机器人的研究只是近十多年的事情。而关于滚动约束的非完整系统的运动规划和反馈镇定的研究，在国际上尚未取得较成熟的系统化的研究成果，已经提出的各种方法因为巨大的计算量目前仍停留在仿真验证阶段，实验性的结果很少。所以球形移动机器人的非线性控制策略的研究具有相当的难度和挑战性。缺乏实验结果的支持几乎成了制约球形移动机器人非线性控制策略发展的一个瓶颈。如何建立一个可以模拟球形移动机器人空间运动和姿态变化的测试平台，为相关理论提供准确、可靠的实验数据，是解决球形移动机器人非线性控制问题的关键所在。目前，世界上针对球形移动机器人测试、实验平台的研究很少；建立稳定、可靠的测试平台，进行球形移动机器人性能测试和非线性控制策略实验研究的实例几乎没有。

发明内容

本发明的目的是提供一种球形移动机器人用测试平台，球形机器人测试平台是一种能够在球形机器人运动位置相对固定的情况下完成对球形机器人运动特性进行测试的装置。它可以模拟球形移动机器人空间运动和姿态变化供近似模拟球形机器人与地面接触的非完整约束特性的测试，以满足球形移动机器人性能测试、非线性控制策略实验研究的要求。

为实现上述目的，本发明采取以下设计方案：

一种球形移动机器人用测试平台，其包括：

一底座，其中心位置与一底座轴承座固定连接；

一位于底座上方的底框，其为半方形的三边框架(也可采用近似半方形如U形等或半圆形)，底横边框的中心位置通过由第一电机驱动的底板驱动轴与底座的底座轴承座间采用轴承套合连接；

一方形框架(也可采用圆形)的外框，其两纵(向)边框的中心位置通过由第二电机驱动的转动连接件与底框的两对应纵(向)边框的头端连接；

一方形框架(也可采用圆形)的内框，其两横(向)边框的中心位置通过由第三电机驱动的转动连接件与外框的两对应横(向)边框的中心位置连接；

在内框上设有固定夹紧球形移动机器人的单元装置。

所述的固定夹紧球形移动机器人的单元装置为可调式，包括：

一对位于内框内且相对于内框的水平中轴线对称布置的上、下压板，上、下压板的中心位置分别开有用来压紧球形移动机器人的圆孔；

一固定在内框两横边框间用于调节上、下压板间距和定位上、下压板的传动丝杠，传动丝杠与上、下压板对应侧端上的传动螺母采用螺纹传动。

一固定在内框两横边框间的光杠导轨，光杠导轨与上、下压板对应另一侧端上的导轨套筒采用间隙套合。

本发明的优点是：

1、可以提供一个模拟球形移动机器人空间运动和姿态变化的测试平台，以为相关理论提供准确、可靠的实验数据，从而填补了此领域现有技术中的空白。

2、本发明球形移动机器人用测试平台稳定、可靠，配合外接的控制电路可实现精确的控制及精密的测试。

3、固定夹紧球形移动机器人的单元装置的传动螺母与传动丝杠间采用梯形螺纹传动，工艺性、对中性好且强度高。

4、内框、外框、底框、底座、上压板、下压板均采用铝合金材料制成，刚度和强度性能好且整体质量轻。

附图说明

图1为本发明球形移动机器人用测试平台结构示意图

图2为本发明上压板结构示意图

具体实施方式

如图1所示，本发明球形移动机器人用测试平台主要由内框5、外框2、底框10、底座13和使得它们相邻部件间能够相互转动的装置及位于内框内的可固定夹紧球形移动机器人的单元装置组合构成。

本实施例中内框5采用方形或圆形框架设计，在内框上设有的固定夹紧球形移动机器人的单元装置采用可调式为佳，该装置可采用一对可固定夹紧球形移动机器人的上、下压板及可调节上、下压板间距的传动丝杠17，它与上、下压板对应侧端上的传动螺母22、18采用螺纹传动。参见图1所示，一较佳实施例是：上、下压板相对于内框5的水平中轴线对称布置，固连在上(下)压板一端通孔处的传动螺母22(18)与传动丝杠17间采用梯形螺纹传动，梯形螺纹传动具有工艺性、对中性好和强度高的优点。上压板另一端固连的导轨套筒4与下压板另一端固连的光杠导轨11采用间隙套合。

所述的上压板21的外形均如图2所示(下压板19结构相同)，其中心位置开有用来压紧球形移动机器人9的圆孔，两端开有供固定传动螺母18、22和导轨套筒4、12的通孔。

传动丝杠17与丝杠轴承座23间通过轴承实现灵活的相对转动，光杠导轨11与导轨座3之间一般不需要相对转动，其配合段采用间隙配合。丝杠轴承座23及导轨座3均与内框5固连，故通过传动丝杠17和传动螺母22(18)间的相对转动，就可以改变上(下)压板21(19)的位置，实现上、下压板的定位。而传动丝杠17与上(下)压板21(19)上的传动螺母22(18)配合的两段传动螺纹旋向相反，这样可以实现上压板22、下压板18沿传动丝杠17和光杠导轨11的轴线反方向移动。就可以将不同大小的球形移动机器人9稳定地压紧在内框5中，使其随着内框5一起运动。

当然，可调式固定夹紧球形移动机器人的单元装置还可以采用其他方式，比如两端同时采用传动螺母与传动丝杠间螺纹的传动方式，等等。

所述的外框2亦采用方形框架(可为圆形)设计，其上(下)横向边框的中心位置内侧分别与转动连接件24(14)的单侧法兰盘固连。转动连接件24、14具有两个可相对转动的法兰盘，其中转动连接件25的相对转动可由第三电机1驱动。转动连接件24、14的另一侧法兰盘固连于内框5的上、下边中心位置外侧。从而内框5可沿轴线A相对于外框2转动。

所述的底框10采用半方形或近似半方形(如U形、半圆形等)框架(开放式，只具有三边框或半圈框)设计，其左、右边顶端内侧分别与转动连接件20、7的单侧法兰盘固连。转动连接件20、7亦具有两个可相对转动的法兰盘，同样转动连接件7的相对转动可由第二电机8驱动。转动连接件20、7的另一侧法兰盘固连于外框2的左、右边中心位置外侧。从而外框2可沿轴线B相对于底框10转动。

底座13可以为盘形，可以放置于水平地面或水平工作台面上(亦可以依测试现场需要而定)，其应是相对于地面静止不动。转动连接件16通过一端的法兰盘与底框10下边中心位置外侧固连，其另一端与底座13中心位置的底座轴承座采用轴承套合连接。转动连接件16两端法兰盘的相对转动可由第一电机15驱动，从而底框10可沿轴线C相对于底座13转动。由上述中的描述可看出，本发明设计的转动连接件可以采用套设在同一转动轴上的一对可相对转动的法兰结构。

内框5、外框2、底框10、底座13、上压板21、下压板19均可采用铝合金材料制成，上述构件采用此材料制成在保证其具有一定的刚度和强度的同时，还可以减轻整体质量。

本发明的工作原理是：内框与外框、外框与底框、底框与底座间均可以相对转动，内框与外框、外框与底框的2个转轴互相正交，外框与底框、底框与底座2个转轴互相正交，即球形移动机器人测试平台具有3个转动自由度。球形移动机器人由上、下压板压紧在内框中，随内框一起运动，而这3个转轴的转动可以分别模拟球形移动机器人的滚动、俯仰和偏转的这3种空间运动和姿态变化。球形移动机器人球壳的姿态随着3个转轴转角的变化而变化，从而测试平台3个转轴的转动就可以完全描述和模拟球形移动机器人的空间运动和姿态变化。

为配合外接检测电路完成对球形机器人性能的测试，应在3个转轴上都安装有光电编码器，它可以实时地检测并向上位机(或外围的控制、检测电路)反馈角位移和角速度信息。通过电机在转轴上施加与转向相反的外力矩，又可以近似地模拟地面对球形移动机器人的阻尼作用。

上述各实施例可在不脱离本发明的范围下加以若干变化，故以上的说明所包含及附图中所示的结构应视为例示性，而非用以限制本发明的申请专利范围。

Claims (6)

1、一种球形移动机器人用测试平台，其特征在于包括：

一底座，其中心位置固定一底座轴承座；

一位于底座上方的底框，其为-方形的三边框架或“U”形框架，底横边框的中心位置通过由第一电机驱动的底板驱动轴与底座的底座轴承座间采用轴承套合连接；

一方或圆形框架的外框，其两纵向边框的中心位置通过由第二电机驱动的转动连接件与底框的两对应纵向边框的头端连接；

一方或圆形框架的内框，其两横向边框的中心位置通过由第三电机驱动的转动连接件与外框的两对应横向边框的中心位置连接；

在内框上设有固定夹紧球形移动机器人的单元装置。

2、根据权利要求1所述的球形移动机器人用测试平台，其特征在于：所述的固定夹紧球形移动机器人的单元装置为可调式夹紧装置。

3、根据权利要求2所述的球形移动机器人用测试平台，其特征在于所述的可调式固定夹紧球形移动机器人的单元装置包括：

位于内框内且相对于内框的水平中轴线对称布置的上、下压板，上、下压板的中心位置分别开有用来压紧球形移动机器人的圆形通孔；

一对用于调节上、下压板间距的调节杆装置。

4、根据权利要求3所述的球形移动机器人用测试平台，其特征在于：所述的一对调节杆装置：

其一为固定在内框两横向边框间用于调节上、下压板间距和定位上、下压板的传动丝杠，传动丝杠与上、下压板对应侧端上的传动螺母采用螺纹传动；

另一为固定在内框两横向边框间的光杠导轨，光杠导轨与上、下压板对应另一侧端上的导轨套筒采用间隙套合以使上、下压板可沿光杠导轨自如移动。

5、根据权利要求3所述的球形移动机器人用测试平台，其特征在于：所述的一对调节杆装置为：

一对固定在内框两横向边框间用于调节上、下压板间距和定位上、下压板的传动丝杠，传动丝杠与上、下压板两侧端上的传动螺母采用螺纹传动。

6、根据权利要求4或5所述的球形移动机器人用测试平台，其特征在于：所述的传动丝杠与上、下压板对应侧端上的传动螺母间采用梯形螺纹传动。

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