CN104802871A - 球形结构探测机器人 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种新型球形机器人，包括第一多边球形壳体(1)、第二多边球形壳体(2)、电磁铁(4)，其中，第一多边球形壳体(1)、第二多边球形壳体(2)共同拼接成完整球形外壳，其中，电磁铁(4)的铁芯沿球形径向设置，其一端固定在第一多边球形壳体(1)的内壁，通过电磁铁(4)的铁芯的伸缩来控制第一多边球形壳体(1)沿球形径向的伸缩。本申请的球形机器人的有益效果主要在于：克服现有球形机器人运动足布置不均匀、驱动机构设置复杂、需设置重心调节机构等不足，结构简单、重力分布均匀、运动灵活、稳定可控性强，同时具有滚动、零半径转弯、跳跃等运动模式；设计合理，实用性强，具有在崎岖地面环境下运动的能力。

Description

球形结构探测机器人

技术领域

本发明涉及一种具有复合运动方式的全方位自由移动机器人装置，具体来说，涉及一种通过电磁铁控制来实现滚动移位和跳跃避障的球形机器人。

背景技术

球形机器人是一种具有球形壳体，以滚动和跳跃方式行走的机器人。由于在行进过程中具有运动灵活、零半径转弯等优点，在当今各行业中具有广泛应用，但是在崎岖地形上运动能力有限，遇到障碍物就束手无策，很难越过高度超过限制的障碍物。机器人的广泛应用对其在的地面通过能力、自由移动和环境适应能力提出了更高的要求，这也就提出了球形结构多足机器人的研究意义。球形结构多足机器人借助电磁铁的控制能力灵活控制其自由滚动和跳跃运动。具备很强的实用价值。

随着现代机器人技术的飞速发展，各种各样的机器人投入到了实际使用和当中。其中，球形机器人具有良好的动态和静态平衡性，不会因为碰撞跌落产生失稳状态，以及高机动性、灵活性等特点。目前，国内外也已经研究出很多结构不同的球形机器人，但是现有的球形机器人都是半球不可伸缩式或半球可伸缩式的。因此，在某些特殊环境和场合里极大地限制住了球形机器人的应用。

发明内容

有鉴于此，本申请的发明人开发了一种机器人，具体地说是球形机器人。

本发明的目的在于克服现有球形机器人运动足布置不均匀，驱动机构设置复杂，需设置重心调节机构等不足，提供一种具备结构简单、运动灵活、稳定可控性强等优点可滚动、零半径转弯、可跳跃的球形机器人。

根据本发明的实施例，提供了一种新型球形机器人，包括第一多边球形壳体(1)、第二多边球形壳体(2)、电磁铁(4)，其中，第一多边球形壳体(1)、第二多边球形壳体(2)共同拼接成完整球形外壳，其中，电磁铁(4)的铁芯沿球形径向设置，其一端固定在第一多边球形壳体(1)的内壁，通过电磁铁(4)的铁芯的伸缩来控制第一多边球形壳体(1)沿球形径向的伸缩。

本发明的球形机器人的有益效果主要在于：克服现有球形机器人运动足布置不均匀、驱动机构设置复杂、需设置重心调节机构等不足，结构简单、重力分布均匀、运动灵活、稳定可控性强，同时具有滚动、零半径转弯、跳跃等运动模式；设计合理，实用性强，具有在崎岖地面环境下运动的能力。

附图说明

图1是根据本发明的实施例的球形结构探测机器人的总体构成示意图；

图2是根据本发明的实施例的球形结构探测机器人的非运动状态的外观示意图；

图3是根据本发明的实施例的球形结构探测机器人的运动状态的伸缩结构示意图；

图4是根据本发明的实施例的球形结构探测机器人的滚动状态的原理示意图；

图5是根据本发明的实施例的球形结构探测机器人的跳跃运动状态的原理示意图；

图6是根据本发明的实施例的球形结构探测机器人的控制原理示意图。

具体实施方式

下面，结合附图对技术方案的实施作进一步的详细描述。

本领域的技术人员能够理解，尽管以下的说明涉及到有关本发明的实施例的很多技术细节，但这仅为用来说明本发明的原理的示例、而不意味着任何限制。本发明能够适用于不同于以下例举的技术细节之外的场合，只要它们不背离本发明的原理和精神即可。

另外，为了避免使本说明书的描述限于冗繁，在本说明书中的描述中，可能对可在现有技术资料中获得的部分技术细节进行了省略、简化、变通等处理，这对于本领域的技术人员来说是可以理解的，并且这不会影响本说明书的公开充分性。

再者，本领域的技术人员应当理解，本说明书的附图仅为用来说明本发明的原理的示意图，其中的各个部分/模块并非完整和对应的表示，不构成对本发明的限制。本发明的实施例可按照实际应用而对附图进行添加/修改，或省略附图中示出的各个部分。

首先，说明本发明的基本原理。

本发明的球形结构多足探测机器人，外观为由多块五边球形壳体与六边球形壳体拼接而成的完整球形壳体，可通过五边球形壳体的伸缩来控制机器人进行运动。例如，球形壳壳体为12块五边球形壳体(1)与20块六边球形壳体(2)的拼接体，避免了之前球形机器人靠控制调节其重心的偏移驱动其行走的运动形式，此球形机器人重力分布均匀，不需要设置重心机械调节装置。机器人依靠球形外观的壳体形变驱动机器人进行运动。其中12块五边球形壳体为机器人的运动足，可以控制其伸缩来完成机器人运动。可以根据不同的用途设计不同尺寸的球形机器人，并选择规格不同的电磁铁(4)，改变球形机器人的承载能力以适应不同的环境需求。

根据本发明的实施例，所述球形机器人借助电磁铁铁芯的伸缩来控制五边球形壳体的形变(伸缩)。每块五边球形壳体的中心位置固定一个电磁铁，电磁铁的整体设置呈伞形布局，通过控制相邻的几个电磁铁铁芯的运动，满足球体的反向运动需求。从整体结构来讲，可以达到受力均布的状态。

根据本发明的实施例，所述球形机器人的运动形态主要包括滚动运动和跳跃运动。其中滚动运动时可以完成直线滚动和转弯滚动，可以通过控制模块实现几种运动状态并存的复合运动，以达到自由运动状态。

根据本发明的实施例，机器人内部有12台伸缩式电磁铁，与五边球形壳体相连接，电磁铁通电使其铁芯伸出，带动机器人外壳体产生外凸形变，使机器人会产生反向运动。通过改变五边球形壳体足的伸缩状况实现机器人的滚动运动和机器人的定向跳跃。

根据本发明的实施例的球形机器人体积较小，可以便携手持，用于救灾探测过程中，进入搜救人员无法深入的区域执行环境探测任务。机器人可以被搜救人员抛掷，从而到达目标区域附近，再自行运动到目标区域；也可以在救援钻孔通道内滚动，到达被封闭的目标区域。当机器人位于救援钻孔内部时，可通过伸出全部运动足使机器人通过运动足端与孔壁的摩擦力支撑稳定在救援钻孔孔壁内部。

下面具体说明本发明的根据本发明的实施例的球形结构探测机器人的结构和工作原理。

图1是根据本发明的实施例的球形结构探测机器人的总体构成示意图。

如图1所示，根据本发明的实施例的球形结构探测机器人主要包括五边球形壳体1、六边球形壳体2、电磁铁支撑骨架3、电磁铁4、电磁铁固定块5、防尘罩6、控制仓7、电源8、控制模块9。通过电磁铁4铁芯的伸缩来控制五边球形壳体的形变。

其中，多个五边球形壳体1和六边球形壳体2按照常见的足球拼接模式，拼接成完整的球形壳体；电磁铁4通过电磁铁固定块5安装在五边球形壳体1的内壁中心位置，沿着球体径向设置；为了保证机器人整体结构受力均匀，将电磁铁支撑骨架3设计为和此球形机器人壳体图案一致且同心的小半径结构，即，电磁铁支撑骨架3与机器人外壳具有同样多的五边球形壳体和六边球形壳体，且拼接方式完全一致；电磁铁4在双层壳体(由五边球形壳体1和六边球形壳体2组成的机器人外壳、以及电磁铁支撑骨架3)之间运动；防尘罩6贴合在球形机器人外壳内壁上，形状和壳体结构一致，中心预留安装电磁铁的电磁铁固定块5；电源8和控制模块9固定安装在控制仓7内部，其共同位于球形机器人的中心(球体中心)，控制模块9连接到每个电磁铁4、并控制每个电磁铁4的伸缩。

图2是根据本发明的实施例的球形结构探测机器人的非运动状态的外观示意图。

如图2所示，本发明的球形机器人的外壳体在非运动状态下可以达到完全封闭的状态。

图3是根据本发明的实施例的球形结构探测机器人的运动状态的伸缩结构示意图。

如图3所示，控制模块9通过控制电磁铁4来控制球形机器人的外壳体中的四足(四个五边球形壳体1)完成运动状态，其中，运动足11至14处于伸出状态。可通过动态控制电磁铁4的伸缩量，达到直线、转弯和弹跳等运动状态。

图4是根据本发明的实施例的球形结构探测机器人的滚动状态的原理示意图。

如图4所示，控制模块9通过控制电磁铁4来控制其中的四足完成滚动运动状态，具体地，运动足22和23相继向地面蹬踏产生反作用力，成为滚动的驱动力，足21和24侧向伸出，用来保持/修正球体的滚动方向。当足22滚过地面后缩回，下一个触地足23继续伸出、并在产生滚动后缩回，循环往复，提供循环不断滚动的驱动力。通过控制电磁铁4使足21和足24伸出量不一致，可以控制机器人滚动走向。

图5是根据本发明的实施例的球形结构探测机器人的跳跃运动状态的原理示意图。

如图5所示，控制模块9通过控制电磁铁4来控制其中的三足完成跳跃状态，运动足31至33在需要跳跃时突然伸出，实现伸出动能向机器人本体跳跃势能的转换。可控制其电磁铁4的伸缩量不一致(即，通过调整每个足的伸出距离)，可以控制机器人跳跃的方向。

图6是根据本发明的实施例的球形结构探测机器人的控制原理示意图。

如图6所示，根据本发明的实施例，机器人控制系统由以嵌入式计算机为核心的电磁铁驱动控制系统及其传感器组成。在嵌入式计算机通过驱动放大电路将控制信号放大从而控制各个电磁铁(1至12)伸缩，每一个电磁铁对应一个驱动端口，并具有单独的地址，因此机器人每一个足都对应有其单独地址(ID)，共12个。机器人搭载有应变压力传感器，用于感知机器人表面是否与地面接触，并能够判断机器人的位置姿态。信号处理电路用于接收应变压力传感器的传感信号，并将其转换为数字信号传送到嵌入式计算机。视频采集模块用于拍摄周围环境，由嵌入式计算机接收并发送到用户终端(例如，遥控器)，并根据地形数据调整机器人的运动方式。

根据本发明的实施例，所述球形机器人通过应变压力传感器(1至12)，可以感知机器人某一足与地面是否接触。将其ID反馈回计算机后，计算机可以判断出机器人哪些足是处于接触地面状态，从而可以判断出机器人与地面之间的姿态。机器人计算机根据预设的行走目标以及当前的姿态，判断下一步哪些足应该伸出及伸出多少，并把ID发给相应的电磁铁驱动端口。在驱动放大电路获得相应的控制命令后，将其转化为驱动信号，控制电磁铁伸缩，从而实现下一步动作。如此反复，实现了机器人的运动。

根据本发明的实施例，通过用户终端(例如，各种手持设备)来遥控实现对机器人的运动控制，当用户(遥控人员)判断机器人通过滚动即可通过当前地面环境时，则控制机器人进行滚动。如果遥控人员判断机器人无法滚动过当前地面环境时，则可以尝试通过跳跃的方式通过。

下面举例说明机器人的运动控制方式和步骤。

由遥控人员为机器人确定行驶方向后，由触地足伸出，将机器人向前撑，机器人产生滚动，当下一个足接触地面后，伸出足开始收回，新的触地足伸出，从而实现直线滚动。当需要调整方向时，触地足侧方的足伸出，将机器人向转向方向支撑，从而产生转向滚动。机器人根据触地端的压力传感器的压力变化判断足端是否与地面接触以及与地面接触的程度。

机器人方向的判断方法：根据每个足外端面上加装的贴片式压力应变片的数值，可以判定那个足是处于与地面接触的状态的。通过比较计算相邻足的压力值大小，可以计算出机器人与地面的相对姿态，从而进一步判断机器人按照遥控人员指令进行滚动行驶时，是否需要姿态的调整以及采用哪种运动状态进行调整。

综上所述，本领域的技术人员能够理解，对本发明的上述实施例能够做出各种修改、变型、以及替换，其均落入如所附权利要求限定的本发明的保护范围。例如，尽管上面例举了多块五边球形壳体与六边球形壳体拼接成球形这样的具体实施方式，但本领域的技术人员能够理解，还可以采用其它各种形状的壳体进行拼接，所述形状包括但不限于三角形、四边形、七边形……等等。

Claims (9)

1.一种球形结构探测机器人，包括第一多边球形壳体(1)、第二多边球形壳体(2)、电磁铁(4)，

其中，第一多边球形壳体(1)、第二多边球形壳体(2)共同拼接成完整球形外壳，

其中，电磁铁(4)的铁芯沿球形径向设置，其一端固定在第一多边球形壳体(1)的内壁，通过电磁铁(4)的铁芯的伸缩来控制第一多边球形壳体(1)沿球形径向的伸缩。

2.根据权利要求1所述的球形结构探测机器人，其中，第一多边球形壳体(1)是五边球形壳体(1)，第二多边球形壳体(2)是六边球形壳体(2)，其按照常规的足球拼接方式，拼接成完整球形外壳。

3.根据权利要求2所述的球形结构探测机器人，还包括电磁铁支撑骨架(3)、电磁铁固定块(5)、防尘罩(6)、控制模块(9)、电源(8)、控制仓(7)，

其中，电磁铁(4)通过电磁铁固定块(5)安装在五边球形壳体(1)的内壁中心位置，沿着球体径向设置，

其中，电磁铁支撑骨架(3)为与球形外壳图案一致且同心的小半径结构，电磁铁(4)的铁芯能够在球形外壳以及电磁铁支撑骨架(3)之间作径向运动，

防尘罩(6)贴合在球形外壳内壁上，形状和壳体结构一致，中心预留安装电磁铁(4)的电磁铁固定块(5)，

电源(8)和控制模块(9)固定安装在控制仓(7)内部，其共同位于球形的球心，

控制模块(9)连接到每个电磁铁(4)、并控制每个电磁铁(4)的铁芯的伸缩。

4.根据权利要求3所述的球形结构探测机器人，其中，控制模块(9)通过控制电磁铁(4)来控制彼此相邻的四个五边球形壳体(1)的伸缩。

5.根据权利要求4所述的球形结构探测机器人，其中，控制模块(9)通过控制电磁铁(4)来控制所述四个五边球形壳体(1)中的两个沿前后运动方向依次伸缩，另两个相对于前后运动方向而侧向伸缩。

6.根据权利要求3所述的球形结构探测机器人，其中，控制模块(9)通过控制电磁铁(4)来控制彼此相邻的三个五边球形壳体(1)的同步伸缩。

7.根据权利要求1所述的球形结构探测机器人，其中，控制模块(9)包括嵌入式计算机、信号处理电路、视频采集模块、应变压力传感器，

其中，应变压力传感器被安装在每个第一多边球形壳体(1)和第二多边球形壳体(2)的端面上，用于感知球形结构探测机器人的球形表面是否与地面接触，由此判断球形结构探测机器人的位置姿态，其中，将与地面接触的第一多边球形壳体(1)确定为触地足，

信号处理电路用于接收应变压力传感器的传感信号，并将其转换为数字信号传送到嵌入式计算机，

视频采集模块用于拍摄周围环境，由嵌入式计算机将视频采集模块拍摄的图像发送到用户终端。

8.根据权利要求7所述的球形结构探测机器人，其中，控制模块(9)通过以下控制步骤控制球形结构探测机器人的滚动运动：

在确定机器人的运动方向之后，触地足伸出，当有下一个触地足接触地面时，伸出的触地足开始收回，新的触地足伸出，从而实现直线滚动，

当需要转向时，触地足侧方的第一多边球形壳体(1)伸出，将机器人向转向方向支撑，从而产生转向滚动。

9.根据权利要求8所述的球形结构探测机器人，其中，控制模块(9)通过以下步骤判断球形结构探测机器人的姿态：

根据每个第一多边球形壳体(1)的应变压力传感器的传感数值，计算出球形结构探测机器人与地面的相对姿态。