CN103552617B - 具有稳定平台可弹跳的全向滚动球形机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有稳定平台可弹跳的全向滚动球形机器人，包括机械悬浮机构、制动机构和跳跃机构。通过在内置悬浮机构上加装多种传感器，完成机器人多领域功能的实现。并通过在一个透明球壳内加装机械悬浮支架装置，配合直流旋转磁极式制动电机、转向电机、电磁铁，完成机器人的平面及弹跳机动。

Description

具有稳定平台可弹跳的全向滚动球形机器人

技术领域

本发明属于机械、电子、通讯多领域结合，具体涉及一种适用于隐蔽侦察、环境探测等侦测领域的微型球形机器人结构。

背景技术

随着科技的发展，机器人在各种领域尤其是危险工作领域逐步替代人类。由于球形机器人具有良好的动、静态平衡性，同时具备良好的密封性，可以在无人、沙尘、潮湿、腐蚀性的恶劣环境中工作，并具有水陆两栖功能。可应用于环境监测、国防装备、娱乐等领域，相对于传统机器人有着独特的优势。

目前，侦查机器人主要分为轮式和履带式两种结构。虽然，轮式与履带式结构在现在机车中得到了广泛的应用，机动性能上优于其他种类机器人，但是在实际应用中仍不可避免地出现如下问题：1、体积大；2、易侧翻；3、结构易损坏；4、侦查方式不灵活。复杂的机械结构，使轮式、履带式机器人在保证机动性的前提下严重限制了机器人体积的进一步缩小，不能很好适应对隐蔽性要求高的侦查工作。由于传统机车体积庞大、质量大、重心低，极少出现侧翻现象。但是机器人相对较小、质量不大，在复杂地形中极易产生侧翻现象。并且，在面对复杂环境时，轮或者履带极易损坏，使机器人失去机动能力。此外，由于体积、结构等限制，传统机器人只能通过地面机动达到预定地点，而需侦查的环境有时甚至是瞬息万变的，侦查效率低、速度慢、适应性差等问题逐渐暴露出来。

国内球形机器人研究仍处于起步阶段，大多数设计都不能很好地将稳定的平台、高机动性、体积微型、连续跳跃等功能完善地结合起来，本发明通过特殊的机械结构、简单有效的制动方式，将上述优势结合起来，提供了球形机器人的一种新的发展思路。

发明内容

发明目的

针对传统轮式、履带式侦查机器人体积大、易侧翻、易损坏、侦查方式不灵活等问题，同时为解决现有球形机器人机动能力不足、大多没有稳定平台等问题，本发明设计了一种可以在复杂环境下实施稳定、隐蔽、灵活侦查工作的一种外壳透明、体积小、具有稳定平台、机动性较强的球形机器人。

技术方案

本发明是通过以下技术方案来实现的：

一种具有稳定平台可弹跳的全向滚动球形机器人，包括机械悬浮机构、制动机构和跳跃机构，其特征在于：

机械悬浮机构包括万向轮、支架、太阳能电池板和控制平台，在球体外壳内垂直方向上设有三条支架，每条支架的两个端部分别装有万向轮并使万向轮与球体外壳相接触，每条支架与球心组成的平面间两两相距120°；相邻支架上端部之间装有太阳能电池板，并与支架形成笼状结构；支架穿过控制平台，并通过弹跳开关将控制平台固定在指定高度；支架底端装有感应线圈。

制动机构包括转向电机和制动电机，转向电机电磁线圈固定在控制平台上，转向电机的轴与固定转向电机磁铁的转向电机外壳相连，并使转向电机外壳与制动电机相连。

跳跃机构包括金属丝、弹簧、电磁铁、滑块、强磁铁、弹跳开关和电磁线圈；其中，强磁铁镶嵌在滑块中，滑块穿过支架通过绕在支架上的弹簧与控制平台相连，并能够在支架上滑动；滑块末端通过金属丝与弹跳开关相连；电磁线圈缠绕在电磁铁上。

控制平台上方设有摄像头，摄像头方向与制动电机方向一致。

控制平台上设置有信息采集平台，信息采集平台包括影音采集系统、无线传输系统、空间定位系统、拓展功能接口。

制动电机包括电机外壳、固定轴，电机外壳内侧设有永磁铁，外侧装有胶皮外壳；电机外壳上连接有电刷；固定轴上设有制动电机电磁线圈，制动电机电磁线圈分别与电源和换向器相连，电刷连接换向器；轴承内环与固定轴相连，轴承外环与电机外壳相连。

优点及效果

本发明具有如下优点及有益效果：

（1）、通过弹跳机构，可仅使万向轮与球壁接触，使内部平台在任意时刻保持水平状态，保证控制平台在任意时刻的水平。

（2）、由于特殊的机械结构，使本发明的体积相比同类机器人有很大的优势。

（3）、特殊的结构设计和坚固的球体外壳使机器人有效抗击外来冲击的影响，保持内部结构不受损坏。

（4）、可以通过在内壁加涂层的方式有效防止辐射、电磁波波等干扰，能适应更加复杂的环境，符合信息化条件下侦察需求。

（5）、通过无线充电以及太阳能电池板相互配合的能源供应系统，同时保证了机器人的密闭性以及续航能力。

（6）、信号收发装置通过统一的USB2.0通讯协议与智能设备相连接，可进行跨平台操控，避免了携带设备的重复。

附图说明

图1为本发明的主视图；

图2为图1的侧视图；

图3为跳跃机构结构图；

图4为制动电机主视图；

图5为制动电机侧视图；

图6为信息采集平台示意图；

图7为机器人控制系统示意图。

附图标记说：

1、球体外壳，2、万向轮，3、支架，4、太阳能电板，5、金属丝，6、强磁铁，7、摄像头，8、弹簧，9、电磁铁，10、控制平台，11、弹跳开关，12、转向电机，13、制动电机，14、感应线圈，15、滑块，16、电磁线圈，17、转向电机电磁线圈，18、转向电机磁铁，19、转向电机外壳，20、胶皮外壳，21、永磁铁，22、电机外壳，23、电源，24、电刷，25、轴承，26、换向器，27、固定轴，28、制动电机电磁线圈。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的说明：

如图1-图5所示，本发明是一种具有稳定平台可弹跳的全向滚动球形机器人，包括机械悬浮机构、制动机构和跳跃机构，其特征在于：

机械悬浮机构包括万向轮2、支架3、太阳能电池板4和控制平台10，在球体外壳1内垂直方向上设有三条支架3，每条支架的两个端部分别装有万向轮2并使万向轮2与球体外壳1接触，每条支架与球心组成的平面间两两相距120°；相邻支架3上端部之间装有太阳能电池板4并与支架3形成笼状结构；支架3穿过控制平台10，并通过弹跳开关11将控制平台10固定在指定高度；支架3底端装有感应线圈14。

制动机构包括转向电机12和制动电机13，转向电机12的转向电机电磁线圈17固定在控制平台10上，转向电机12的轴与固定转向电机磁铁18的转向电机外壳19相连，并使转向电机外壳19与制动电机13相连，这样可以使摄像头7方向与制动电机13方向一致。

机器人的动力是特殊设计的直流旋转磁极式制动电机13包括电机外壳22、固定轴27。电机外壳22内侧设有永磁铁21，外侧装有胶皮外壳20与球体内壁接触，电机外壳22上连接有电刷24，固定轴27上设有制动电机电磁线圈28，制动电机电磁线圈28分别与电源23和换向器26相连，电刷24连接换向器26。轴承25内环与固定轴27相连，轴承25外环与电机外壳22相连。电机使用直流电源，完成磁极旋转，达到制动的目的。电机工作时由电源23同时将三组制动电机电磁线圈28通电，将每个线圈末端分别接入换向器26。通电之后，电刷接通一组线圈产生磁场，使电机外壳22与连接在外壳上的电刷24一起发生转动，当转动超过一定角度时，电刷24接通下一组线圈，使电机持续保持转动状态。

跳跃机构包括金属丝5、弹簧8、电磁铁9、滑块15、强磁铁6、弹跳开关11和电磁线圈16；其中，电磁铁9固定在支架3上，控制平台10通过弹跳开关11固定，强磁铁6镶嵌在滑块15中，滑块15穿过支架3通过绕在支架上的弹簧8与控制平台10相连，并能够在支架3上滑动；滑块15末端通过金属丝5与弹跳开关11相连；电磁线圈16缠绕在电磁铁9上。电磁线圈16通电时，滑块15受排斥力作用向上滑动，弹簧8蓄能；当其滑动到预定高度时，牵引金属丝5打开跳跃开关11，弹簧8的弹性势能转化为系统向上的动能，机器人完成弹跳动作；电磁线圈16断电时，受重力作用，控制平台10回落，弹跳开关11将控制平台10重新固定，机器人恢复到弹跳之前的状态。

为了保持整体机器人的密闭性与续航能力，本发明采用无线充电与太阳能混合供电方式，通过下部磁感应线圈14与顶部的太阳能电板4作为能量来源。

机器人采用全密闭透明球体外壳，给机器人提供稳固的防护功能的同时，也给内部摄像头提供了一个良好的视角。其内部安装的主要由6个万向轮2、支架3、控制平台10构成的机械悬浮结构，可使内部的控制平台10始终处于水平状态。

控制平台10上方设有摄像头7，摄像头7方向与制动电机13方向一致。还可加装摄像头7、麦克风、陀螺仪、gps等传感器构成包含影音采集系统、无线传输系统、空间定位系统在内的如图6所示的信息采集平台。我们还在信息采集平台上预留一定数量的拓展功能接口，使机器人可以搭载更多专业传感器，适应更多领域。

如图7所示，无线传输系统由机器人端和手持端的2.4G无线信号收发装置组成，实现采集信息与控制信号的无线交互。通过USB接口将手持端的2.4G无线信号收发模块与搭载Android、Windows、ios等操作系统的智能设备相连接，实现跨平台的控制与数据处理。

Claims (4)

1.一种具有稳定平台可弹跳的全向滚动球形机器人，包括机械悬浮机构、制动机构和跳跃机构，其特征在于：机械悬浮机构包括万向轮（2）、支架（3）、太阳能电池板（4）和控制平台（10），在球体外壳（1）内垂直方向上设有三条支架（3），每条支架的两个端部分别装有万向轮（2）并使万向轮（2）与球体外壳（1）相接触，每条支架与球心组成的平面间两两相距120°；相邻支架（3）上端部之间装有太阳能电池板（4），并与支架（3）形成笼状结构；支架（3）穿过控制平台（10），并通过弹跳开关（11）将控制平台固定在指定高度；支架（3）底端装有感应线圈（14）；制动机构包括转向电机（12）和制动电机（13），转向电机电磁线圈（17）固定在控制平台（10）上，转向电机（12）的轴与固定转向电机磁铁（18）的转向电机外壳（19）相连，并使转向电机外壳（19）与制动电机（13）相连；跳跃机构包括金属丝（5）、弹簧（8）、电磁铁（9）、滑块（15）、强磁铁（6）、弹跳开关（11）和电磁线圈（16）；其中，强磁铁（6）镶嵌在滑块（15）中，滑块（15）穿过支架（3）通过绕在支架上的弹簧（8）与控制平台（10）相连，并能够在支架（3）上滑动；滑块（15）末端通过金属丝（5）与弹跳开关（11）相连；电磁线圈（16）缠绕在电磁铁（9）上。

2.根据权利要求1所述的具有稳定平台可弹跳的全向滚动球形机器人，其特征在于：控制平台（10）上方设有摄像头（7），摄像头（7）方向与制动电机（13）方向一致。

3.根据权利要求1所述的具有稳定平台可弹跳的全向滚动球形机器人，其特征在于：控制平台（10）上设置有信息采集平台，信息采集平台包括影音采集系统、无线传输系统、空间定位系统、拓展功能接口。

4.根据权利要求1所述的具有稳定平台可弹跳的全向滚动球形机器人，其特征在于：制动电机（13）包括电机外壳（22）、固定轴（27），电机外壳（22）内侧设有永磁铁（21），外侧装有胶皮外壳（20），电机外壳（22）上连接有电刷（24）；固定轴（27）上设有制动电机电磁线圈（28），制动电机电磁线圈（28）分别与电源（23）和换向器（26）相连，电刷（24）连接换向器（26）；轴承（25）内环与固定轴（27）相连，轴承（25）外环与电机外壳（22）相连。