CN104002887B - 快速转向球形机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种快速转向球形机器人。它包括两侧共8对球面球足、8对球足连杆机构、两个球足驱动机构、一个中央的球状轮框和一个中央的摆锤机构其特征在于：所述8对球面球足分别通过8对球足连杆机构活动连接两个球足驱动机构所述驱动研述两个球足驱动机构分别安装在中央球状轮框体两侧壁上；所述中央摆锤机构固定安装在所述中央球状轮框体内；所述中央摆锤机构内有无刷电机驱动中央摆锤机构改变自身重心，控制机器人在中轴法线方向前后移动；所述两个球足驱动机构内各有舵机分别经8对球足连杆机构驱动8对球面球足的开合角，从而达到改变机器人中轴线上的左右倾角。本发明高速行进下能平稳转向，灵活性好，并且其结构具有普适性。
Description
技术领域
本发明涉及球形机器人领域，特别是一种快速转向球形机器人。
背景技术
球形机器人作为一款全封闭的机器人，在科学探索上有着极为特殊的优势。为了探索一些特殊恶劣环境，如沙丘、雪地、冰缝等，传统的轮式或者足式机器人会面对各类的问题。球形机器人具有一定的野外适应能力而获得关注。但同样目前大部分的内驱动球型机器人都会在转向时减速，从而保证机器人在转向时不失控，有的甚至转向必须在停止后才能完成。在自然界中，诸如犰狳或者球马陆，尽管它们都具有球状形态，但在主要运动形式上还是非球形运动的。所以如何突破球形机器人恒球态的理念，从而达到更优良的控制，使其完成任务。相比2013年台北Wei-Hsi Chen等人制作的OmniQiu，需要找到一种适用于大尺寸，小质量体积比的结构，使其满足更多的场合。
国外，Rotundus作为唯一一款成熟的商用球形机器人，其驱动类型就属于配重摆驱动式，在其官网上介绍到它能在诸如机场、发电厂、火车站等地完成安全监测等任务，具有良好的运动可控性，但整体巡航速度只能维持在正常步行速度。
发明内容
为了克服现有的球形机器人高速转向时的运动不稳定性,本发明的目的在于提供一种能在高速行进中克服转动惯性力的快速转向球形机器人。
为达到上述目的，本发明的构思是：
本发明包括两侧各8对球足以及中央的摆锤式驱动结构；球足展开机构安装在中央摆锤式结构的两侧；其中：
1)8对球足的特征在于：聚乳酸材质的球足通过球形铰链与球足上的滑片相连，球形铰链与2组碳纤维杆相连，碳纤维杆之间也通过铰链连接，最后固定在中央的舵盘上，舵盘与大扭矩舵机相连，使其在具备整体强度的同时，还具备较高的韧性。
2)中央摆锤式驱动结构：周圈采用带有弹性轮辐结构的轮胎结构，同样使用聚乳酸材料，两侧固定板使用碳素纤维板，内部包含无刷电机、减速器、射频接收模块、导电滑环等元器件，通过3d打印技术定制聚乳酸材料使其高度有机结合，将所有的元器件整合成为摆锤的一部分，同样也提高了整体强度。
根据上述发明构思，本发明采用下属技术方案：
一种快速转向球形机器人，它包括两侧共8对球面球足、8对球足连杆机构、两个球足驱动机构、一个中央球状轮框体和一个中央摆锤机构其特征在于：所述8对球面球足分别通过8对球足连杆机构活动连接两个球足驱动机构，所述两个球足驱动机构分别安装在中央球状轮框体两侧壁上；所述中央摆锤机构固定安装在所述中央球状轮框体内；所述中央摆锤机构内有无刷电机驱动中央摆锤机构改变自身重心，控制机器人在中轴法线方向前后移动；所述两个球足驱动机构内各有舵机分别经8对球足连杆机构驱动8对球面球足的开合角，从而达到改变机器人中轴线上的左右倾角。
所述的中央球状轮框体由采用带有弹性球状轮框的聚乳酸球状轮框两侧面固定连接碳素纤维圆形板构成，聚乳酸球状轮框为分割成4部分以减小3d打印的体积，聚乳酸球状轮框分割件间通过螺柱连接，碳素纤维圆形板与聚乳酸球状轮框通过螺栓相连。
所述的球足驱动机构包括一个舵机、一个碳素纤维舵盘和一个舵机架，所述舵机通过舵机架固定安装所述中央球状轮框体侧面的碳素纤维圆形板上，舵机的输出转轴连接安装碳素纤维舵盘。
所述每个球足连杆机构包括两根碳纤维杆、一个铰链和一个滑槽，所述两根碳纤维杆通过铰链端头铰连，其中一根碳纤维杆的另一端与所述碳素纤维舵盘铰连；而另一根碳纤维杆的另一端头与滑槽滑配，滑槽粘结固定在所述球面球足的内壁上，而且该碳纤维杆中部活动支承于一块固定板上，该固定板与所述碳素纤维圆形板固定连接。
所述的球面球足呈爪片球面梯形，其梯形底边通过一个铰链与所述碳素纤维圆形板铰连，而中部内壁上粘结固定所述滑槽；所述8对球面球足闭合后与所述聚乳酸球状轮框一起形成圆球状。
所述的中央摆锤机构，包括减速器、摆锤支架、导电滑环、所述无刷电机、无刷电机电调、电池、配重块、控制板、无线射频模块和姿态传感器，制成的所述摆锤支架与螺栓连接使其高度有机结合，无刷电机无刷电机电调与减速器通过螺栓相连，并安置在整套摆锤机构的顶部位置，从而获得良好的传动性能；电池与配重块通过胶水相粘结，并安置整套摆锤机构的底部位置，从而获得最大的力矩值；控制板、无线射频模块以及姿态传感器，所有的电子控制模块，独立安置在整套摆锤机构的外部位置，方便调试；最后所有的信号线通过安置在减速器旁的导电滑环，从而避免内部线缠绕的问题。包含所有的元器件整合成为一体化的摆锤，也进一步提高了摆锤的整体强度。
本发明实现平稳运动的工作原理是：
1.机器人在由静止启动时，球足展开，使中央的运动主轴处于水平姿态，从而获得一个良好的起步姿态。
2.在平地行进中，球形机器人在获得一定初始速度，使得自身转动惯量具备陀螺自稳状态，收起球足，降低风阻，同时也起到一定防护作用。
3.转向时球形机器人，展开球足，使中央运动主轴与地面呈一定夹角即转向角。
本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：
1.本发明的实现了球形机器人快速平稳转向，并且不受限于体积的变化，提出基于结构变化的转向控制，简化了运动控制，并且减轻了内部的重量，使得摆锤比重进一步增大，提高控制性能。
2.本发明解决了现有球形机器人运动不平稳的缺陷，起步球足展开，保证静态平稳，高速收拢，减少空气阻尼，同时防止不可预见因素对高速行进的球形机器人造成的伤害。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明球足收拢状态图。
图2是本发明球足水平展开图。
图3是本发明球足驱动结构图。
图4是本发明球摆锤的结构图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
实施例一：
参见图1～图4，本快速转向球形机器人包括两侧共8对球面球足(1)、8对球足连杆机构(4)、两个球足驱动机构(21)、一个中央球状轮框体(23)和一个中央摆锤机构(22)其特征在于：所述8对球面球足(1)分别通过8对球足连杆机构(4)活动连接两个球足驱动机构(21)，所述两个球足驱动机构(21)分别安装在中央球状轮框体(23)两侧壁上；所述中央摆锤机构(22)固定安装在所述中央球状轮框体(23)内；所述中央摆锤机构(22)内有无刷电机(13)驱动中央摆锤机构改变自身重心，控制机器人在中轴法线方向前后移动；所述两个球足驱动机构(21)内各有舵机(8)分别经8对球足连杆机构(4)驱动8对球面球足(1)的开合角，从而达到改变机器人中轴线上的左右倾角。
实施例二：
本实施例与实施例一基本相同，特别之处如下：
所述的中央球状轮框体(23)由采用带有弹性球状轮框的聚乳酸球状轮框(2)两侧面固定连接碳素纤维圆形板(7)构成，聚乳酸球状轮框(2)为分割成4部分以减小3d打印的体积，聚乳酸球状轮框(2)分割件间通过螺柱连接，碳素纤维圆形板(7)与聚乳酸球状轮框(2)通过螺栓相连。
所述的球足驱动机构(21)包括一个舵机(8)、一个碳素纤维舵盘(9)和一个舵机架(10)，所述舵机(8)通过舵机架(10)固定安装所述中央球状轮框体(23)侧面的碳素纤维圆形板(7)上，舵机(8)的输出转轴连接安装碳素纤维舵盘(9)。
所述每个球足连杆机构(4)包括两根碳纤维杆(4a1、4a2)、一个铰链(4b)和一个滑槽(3)，所述两根碳纤维杆(4a1、4a2)通过铰链(4b)端头铰连，其中一根碳纤维杆(4a1)的另一端与所述碳素纤维舵盘(9)铰连；而另一根碳纤维杆(4a2)的另一端头与滑槽(3)滑配，滑槽(3)粘结固定在所述球面球足(1)的内壁上，而且该碳纤维杆(4a2)中部活动支承于一块固定板(5)上，该固定板(5)与所述碳素纤维圆形板(7)固定连接。
所述的球面球足(1)呈爪片球面梯形，其梯形底边通过一个铰链(24)与所述碳素纤维圆形板(7)铰连，而中部内壁上粘结固定所述滑槽(3)；所述8对球面球足闭合后与所述聚乳酸球状轮框(2)一起形成圆球状。
所述的中央摆锤机构(22)，包括减速器(17)、摆锤支架(11)、导电滑环(12)、所述无刷电机(13)、无刷电机电调(14)、电池(15)、配重块(16)、控制板(18)、无线射频模块(19)和姿态传感器(20)，制成的所述摆锤支架(11)与螺栓连接使其高度有机结合，无刷电机(13)无刷电机电调(14)与减速器(17)通过螺栓相连，并安置在整套中央摆锤机构(22)的顶部位置，从而获得良好的传动性能；电池(15)与配重块(16)通过胶水相粘结，并安置整套中央摆锤机构(22)的底部位置，从而获得最大的力矩值；控制板(18)、无线射频模块(19)以及姿态传感器(20)，所有的电子控制模块，独立安置在整套中央摆锤机构(22)的外部位置，方便调试；最后所有的信号线通过安置在减速器(17)旁的导电滑环(12)，从而避免内部线缠绕的问题。包含所有的元器件整合成为一体化的摆锤，也进一步提高了摆锤的整体强度。
实施例三：
参见图1～图4，本快速转向球形机器人包括两侧各8对球足(1)展开机构以及中央的摆锤式驱动结构。
1)所述的球足(1)展开机构：由聚乳酸材质制成的球足(1)，以及两对碳纤维杆(4a)以及三套球形铰链组成，球足上的滑片槽(3)与碳纤维杆(4a1、4a2)相连，并通过固定板(5)加强刚度，球足(1)通过尼龙铰链(6)与碳素纤维圆形板(7)连接；
2)碳素纤维舵盘(9)与碳纤维杆(4a1、4a2)通过铰链(4b)相连，碳素纤维舵盘(9)上等分8孔，与8组碳纤维杆(4a1、4a2)通过铰链(4b)相连，不同结构的碳素纤维舵盘(9)，决定不同情况下的运动规划。
3)舵机(8)通过舵机支架(10)固定在中央模块的碳素纤维圆形板(7)两侧，大扭矩高精度的舵机(8)提供精确地执行位置，以及充当弹簧阻尼系统，为机器人减震。
4)所述中央模块由聚乳酸材质的球状轮框(2)为主体支撑结构，带有弹性轮辐结构的轮胎内部螺旋支撑结构既减轻球轮的整体重量，同时进一步加强机器人的减震系统。
5)所述中央驱动模块包含导电滑环(12)、无刷电机(13)、电池(15)、配重块(16)、减速器(17)、控制板(18)、无线射频模块(19)、姿态传感器(20)等，所有模块由聚乳酸材质制成的摆锤支架(11)集中，使整体成为一个高度集合的整体，保护内部电路系统的同时，也为动力执行的可靠性提供了保障。
实施例四：
本实施例与实施例三基本相同，特别之处如下：
1)所述的聚乳酸材质球壳(1、2)由3d打印制成，由于3d打印的各向异性，所以其结构取决于力学性能，一般将层积面置于非受力面。
2)在运动过程中，利用舵机(8)的大扭矩完成球足(1)的开合动作，在此过程中，会遇到冲击载荷，交替复变载荷等影响，通过良好的碳纤维杆(4a1、4a2)布置，将各种载荷有效的控制在安全范围内，保障其工作的可靠性。
3)所述的驱动以及转向性能要求，可靠工作的前提是具备良好的摩擦阻尼，因此在设计时，胎纹或外置耐磨材料的选型也是必不可少的。
本发明的工作过程如下：本球体结构可实现球形机器人高速转向时的平稳工作。
独有的可展开式球足(1)结构，可保证球形机器人具备在高速转向的情况下，能平稳过渡。安装在中央的无刷电机(13)，通过减速器(17)，提供大扭矩驱动整个球型机器人，电机电调(14)、电池(15)以及控制板(18)安装在摆锤支架(11)内部。接受控制指令的无线射频模块(19)安装在摆锤支架(11)外侧。整个中央驱动模块由此中央摆锤机构(22)以及聚乳酸材质的球状轮框(2)组成，通过两侧的碳素纤维圆形板(7)加强整体刚度，同时聚乳 酸球状轮框(2)中螺旋式的轮辐，可以为整体球提供良好的减震能力。外部两侧的8对球足(1)，通过32根碳纤维杆(4a1、4a2)通过碳素纤维舵盘(9)与舵机(8)通过铰链(4b)相连，通过改变舵机(8)的转向角度，改变球足(1)的开合角度从而改变整个球型机器人的转向。这32根碳纤维杆(4a1、4a2)还将承担起为机器人转向时遇到的冲击载荷减震的功能。在机器人起步阶段，球足(1)以水平姿态展开，保证在初始阶段具有良好的稳定性，而当机器人获得一定初始速度后，根据机器人内部的姿态传感器(20)，判断是否收拢球足(1)，或是依照变向指令执行两侧不同的开合角度。
上述具体实施方式用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明做出的任何修改和改变，都落在本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种快速转向球形机器人，包括两侧共8对球面球足(1)、8对球足连杆机构(4)、两个球足驱动机构(21)、一个中央球状轮框体(23)和一个中央摆锤机构(22)；其特征在于：所述8对球面球足(1)分别通过8对球足连杆机构(4)活动连接两个球足驱动机构(21)，所述两个球足驱动机构(21)分别安装在中央球状轮框体(23)两侧壁上；所述中央摆锤机构(22)固定安装在所述中央球状轮框体(23)内；所述中央摆锤机构(22)内有无刷电机(13)驱动中央摆锤机构改变自身重心，控制机器人在中轴法线方向前后移动；所述两个球足驱动机构(21)内各有舵机(8)分别经8对球足连杆机构(4)驱动8对球面球足(1)的开合角，从而达到改变机器人中轴线上的左右倾角。
2.根据权利要求1所述的快速转向球形机器人，其特征在于：所述的中央球状轮框体(23)由采用带有弹性球状轮框的聚乳酸球状轮框(2)两侧面固定连接碳素纤维圆形板(7)构成，聚乳酸球状轮框(2)为分割成4部分以减小3d打印的体积，聚乳酸球状轮框(2)分割件间通过螺柱连接，碳素纤维圆形板(7)与球状轮框(2)通过螺栓相连。
3.根据权利要求2所述的快速转向球形机器人，其特征在于：所述的球足驱动机构(21)包括一个舵机(8)、一个碳素纤维舵盘(9)和一个舵机架(10)，所述舵机(8)通过舵机架(10)固定安装所述中央球状轮框体(23)侧面的碳素纤维圆形板(7)上，舵机(8)的输出转轴连接安装碳素纤维舵盘(9)。
4.根据权利要求3所述的快速转向球形机器人，其特征在于：所述每个球足连杆机构(4)包括两根碳纤维杆(4a1、4a2)、一个铰链(4b)和一个滑槽(3)，所述两根碳纤维杆(4a1、4a2)通过铰链(4b)端头铰连，其中一根碳纤维杆(4a1)的另一端与所述碳素纤维舵盘(9)铰连；而另一根碳纤维杆(4a2)的另一端头与滑槽(3)滑配，滑槽(3)粘结固定在所述球面球足(1)的内壁上，而且该碳纤维杆(4a2)中部活动支承于一块固定板(5)上，该固定板(5)与所述碳素纤维圆形板(7)固定连接。
5.根据权利要求4所述的快速转向球形机器人，其特征在于：所述的球面球足(1)呈爪片球面梯形，其梯形底边通过一个铰链(24)与所述碳素纤维圆形板(7)铰连，而中部内壁上粘结固定所述滑槽(3)；所述8对球面球足闭合后与所述聚乳酸球状轮框(2)一起形成圆球状。
6.根据权利要求2所述的快速转向球形机器人，其特征在于：所述的中央摆锤机构(22)，包括减速器(17)、摆锤支架(11)、导电滑环(12)、所述无刷电机(13)、无刷电机电调(14)、电池(15)、配重块(16)、控制板(18)、无线射频模块(19)和姿态传感器(20)，制成的所述摆锤支架(11)与螺栓连接使其高度有机结合，无刷电机(13)无刷电机电调(14)与减速器(17)通过螺栓相连，并安置在整套中央摆锤机构(22)的 顶部位置，从而获得良好的传动性能；电池(15)与配重块(16)通过胶水相粘结，并安置整套中央摆锤机构(22)的底部位置，从而获得最大的力矩值；控制板(18)、无线射频模块(19)以及姿态传感器(20)，所有的电子控制模块，独立安置在整套中央摆锤机构(22)的外部位置，方便调试；最后所有的信号线通过安置在减速器(17)旁的导电滑环(12)，从而避免内部线缠绕的问题，包含所有的元器件整合成为一体化的摆锤，也进一步提高了摆锤的整体强度。
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