CN106584474A - 不倒翁机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了不倒翁机器人。不倒翁机器人配置成能够在跌倒或被推倒的情况下自行恢复自立稳定状态，并且，所述不倒翁机器人包括壳体以及位于壳体的下部分的至少一个轮，使得所述不倒翁机器人在自立稳定状态下能够移动，其中所述壳体的下部分配置为大体半球体。

Description

不倒翁机器人

技术领域

本发明涉及自主移动智能机器人技术领域，特别涉及不倒翁机器人。

背景技术

目前自主移动式智能机器人大多数采用轮式结构，这类机器人都是平面式底盘设计，当受到外力被推倒或被障碍物绊倒后，不能够自主站起，需要人扶起。这使得这类机器人在实际应用中适应性受到限制。

发明内容

根据本发明的一个方面，提供一种不倒翁机器人，配置成能够在跌倒或被推倒的情况下自行恢复自立稳定状态，并且，所述不倒翁机器人包括壳体以及位于壳体的下部分的至少一个轮，使得所述不倒翁机器人在自立稳定状态下能够移动，其中所述壳体的下部分配置为大体半球体。

在一个实施例中，大体半球体的所述壳体的下部分的面对地面的部分被配置为平面部，所述至少一个轮安装于所述平面部使得所述至少一个轮的外缘顶部在所述大体半球体的外球面所在的球面轮廓上或包含在所述大体半球体的外球面所在的球面轮廓内。

在一个实施例中，不倒翁机器人还包括传感器，配置成检测不倒翁机器人是否偏离自立稳定状态。

在一个实施例中，所述不倒翁机器人配置成当所述传感器感测到所述不倒翁机器人由自立稳定状态开始偏离自立稳定状态时采取应急制动以停止所述轮的转动。

在一个实施例中，所述不倒翁机器人配置为使得在不倒翁机器人自行站立起来的过程中所述轮慢速地前后转，即慢速顺时针转一下再逆时针转一下，循环反复，以便在不倒翁机器人逐渐站起过程中轮子刚刚接触地面的时候，通过轮子的滚动使得不倒翁机器人的壳体相应地产生侧向移动，从而不倒翁机器人能够自行调整好位姿和与地面的接触点。

在一个实施例中，所述不倒翁机器人的重心在直立情况下比大体半球体的几何中心靠近地面。

在一个实施例中，不倒翁机器人的壳体的上部分配置成在不倒翁机器人在任意位置倒地时着地点均在所述大体半球体的外表面所在的球面轮廓上或凸出于所述球面轮廓外。

在一个实施例中，不倒翁机器人的壳体的上部分配置成接续壳体的下部分，使得壳体的上部分的外表面是壳体的下部分的大体半球体的外球面的外切面。

在一个实施例中，不倒翁机器人的壳体的上部分配置成接续壳体的下部分，并且壳体的上部分的外表面使得机器人在任意角度和位置倒地后壳体的上部分的外表面与地面的接触点均要落在壳体的下部分的所述大体半球体的外球面上或者外球面之外。

在一个实施例中，不倒翁机器人的至少一个轮为驱动轮，能够驱动不倒翁移动。

本发明的不倒翁机器人可以自行稳定站立，也可以移动，并且可以在被推倒或被绊倒的情况下自行恢复自立稳定状态，适应性强。

附图说明

图1为本发明一个实施例的不倒翁机器人的正面示意图(a)和侧面示意图(b)；

图2为本发明一个实施例的不倒翁机器人自行恢复自立状态的过程示意图；

图3为本发明一个实施例的不倒翁机器人合力和合力矩的示意图，图a中合力F和合力矩M均为0，图b中合力为0而合力矩大于0。

具体实施方式

尽管本发明容许各种修改和可替换的形式，但是它的具体的实施例通过例子的方式在附图中示出，并且将详细地在本文中描述。然而，应该理解，随附的附图和详细的描述不是为了将本发明限制到公开的具体形式，而是相反，是为了覆盖落入由随附的权利要求限定的本发明的精神和范围中的所有的修改、等同形式和替换形式。附图是为了示意，因而不是按比例地绘制的。

下面根据附图说明本发明的多个实施例。

本发明的一个实施例提供一种不倒翁机器人10，配置成能够在跌倒或被推倒的情况下自行恢复自立稳定状态，并且，所述不倒翁机器人10包括壳体以及位于壳体的下部分12的至少一个轮13，使得所述不倒翁机器人10在自立稳定状态下能够移动，其中所述壳体的下部分12配置为大体半球体。壳体的下部分可以具有一定的硬度，使得能够在壳体的下部分接触地面时不会变形，例如凹陷或破损。

不倒翁机器人10的自立稳定状态指的是不倒翁机器人10处于直立时的位姿，此时不倒翁机器人10可以保持稳定的静止状态，也可以保持行走移动过状态。不倒翁机器人10被推倒或被绊倒是相对于不倒翁机器人10的自立稳定状态而言的。当不倒翁机器人10着地点的任何一个位置离开地面的时候可以被视作不倒翁机器人10偏离自立稳定状态，不倒翁机器人10配置为可以从任何偏离自立稳定状态的状态恢复为自立稳定状态。

不倒翁机器人10可以仅有一个轮13，此时，不倒翁机器人10具有其他着地点，然而，虽然其他着地点不是滑轮13，但是在平滑地面的情况下不倒翁机器人10也可以移动。不倒翁机器人10可以有两个轮13，此时不倒翁机器人10可以不具有其他着地点，不倒翁机器人10可以通过平衡配重和螺旋砣平衡，使用两个轮13自行保持自立稳定状态。不倒翁机器人10可以有三个轮13，此时不倒翁机器人10可以通过三个轮13保持自立稳定状态，然而，不倒翁机器人10可以具有其他着地点。不倒翁机器人10可以有三个以上轮13，这些轮13布置在不倒翁机器人10的所述壳体的下部分12。例如，如图1所示，不倒翁机器人10具有四个轮13，分别布置在所述平面的四周，有利地，轮13可以旋转，其中一个轮13或两个轮13作为驱动轮13，其它轮13可以自由旋转，沿着驱动轮13驱动移动的方向调整自己的方向，并沿着不倒翁机器人10移动方向滚动。

不倒翁机器人10的所述壳体的下部分12指的是壳体的靠近地面的部分，并不规定壳体的下部分12是不倒翁机器人10的靠近地面的一半，壳体的下部分12可以是不倒翁机器人10的一部分，例如体积上小于一半的部分，也可以是多于不倒翁机器人10的一半的部分。不倒翁机器人10的所述壳体的下部分12配置为大体半球体，指的是不倒翁机器人10的所述壳体的下部分12可以是严格的半球体，也可以是接近半球体，例如半球体的一部分和其他形状的平滑接续形成的形状，也可以是两个球面或多个球面的平滑接续形成的接近球面的具有平滑表面的大体球体形状。不倒翁机器人10的所述壳体的下部分12优选具有硬度，这是有利的，因为在不倒翁机器人10恢复自立状态时所述壳体的下部分12受到力，所述壳体的下部分12的具有硬度的表面使得摩擦力减小。底部为接近球形并且具有一定硬度，因而摩擦力小，便于不倒翁回到原来位置。

在本发明的一个实施例中，不倒翁机器人10的大体半球体的所述壳体的下部分12的面对地面的部分被配置为平面部14，所述至少一个轮13安装于所述平面部14使得所述至少一个轮13的顶部在所述大体半球体的外球面所在的球面轮廓上或包含在所述大体半球体的外球面所在的球面轮廓内。

根据本实施例，所述壳体的下部分12的面对地面的部分类似被削去，这样所述壳体的下部分12可以仍然看作大体球体形状，由于设置平面部14，轮13的安装更加方便。为了保证不倒翁机器人10自行恢复自立状态，轮13的外缘顶部可以位于大体半球体的外球面所在的球面轮廓上或包含在所述大体半球体的外球面所在的球面轮廓内。这样，不倒翁机器人10自行恢复自立状态时，不倒翁机器人10与地面的接触点可以从不倒翁机器人10的其他部位，例如大体半球体的球面上过渡到轮13的外周上，从而着地点转移到轮13上。

在本发明的一个实施例中，不倒翁机器人10还可以包括传感器(未示出)，配置成检测不倒翁机器人10是否偏离自立稳定状态。传感器可以是重力传感器、倾角传感器，也可以是其他传感器。当所述不倒翁机器人10配置成当所述传感器感测到所述不倒翁机器人10由自立稳定状态开始偏离自立稳定状态时采取应急制动，停止所述轮13的转动。

在不倒翁机器人10偏离自立稳定状态后，例如跌倒，不倒翁机器人10的壳体的下部分12的轮13或其他着地点离开地面，不倒翁机器人10的壳体的下部分12或壳体的上部分11的其他部位A与地面接触，例如到达图2(a)中示出的状态，此时不倒翁机器人10达到向左(如图所示)偏离自立稳定状态的极限状态，不倒翁机器人10在自身所受的重力的作用下开始恢复自立状态，即向右摇摆，沿着不倒翁机器人10的壳体的下部分12的外表面的弧面的一个着地点A滚动，直到不倒翁机器人10的轮13接触地面，此时，轮13开始来回地转动，轮13的运动帮助不倒翁机器人10恢复自立状态。图2示出了重心O相对于壳体的下部分12的外表面的弧面的着地点A的位置示意图。由于重心一直保持在着地点A的靠近轮一侧，在重力的作用下，不倒翁机器人最终将朝向轮靠近地面方向滚动。

在本发明的一个实施例中，在不倒翁机器人10自行站立起来的过程中，所述轮13由被制动的状态恢复成慢速地来回转动，即，慢速顺时针转一下再逆时针转一下，循环反复，以便在机器人10逐渐站起过程中轮13刚刚接触地面的时候，通过轮13的滚动使得不倒翁机器人10的壳体相应地产生一定的侧向移动，从而机器人10能够自行调整好位姿和与地面的接触点。在本实施例中，不倒翁机器人的所有轮都可以自行转动，即所有轮都被电机驱动。

在本发明的另一实施例中，不倒翁机器人10的仅一个轮是驱动轮，此时，在不倒翁机器人10倒地之后，传感器检测到不倒翁机器人10偏离直立稳定状态，不倒翁机器人10制动所有轮，随后不倒翁机器人10在重力的作用下开始朝向轮接近地面的方向滚动，被制动的轮首先接触地面，最终不倒翁机器人10恢复直立稳定状态。

根据本发明的实施例，所述不倒翁机器人10的重心在直立情况下比大体半球体的几何中心靠近地面。此处，当所述壳体的下部分12是标准的半球体时，几何中心就是球心。重心越靠近地面越有利于不倒翁机器人10恢复自立状态。不倒翁原理是：上轻下重的物体比较稳定，也就是说重心越低越稳定。当不倒翁在竖立状态处于平衡时，重心和接触点的距离最小，即重心最低。在不倒翁机器人10偏离平衡位置后，重心总是升高的，它的重力与它的着地点之间就产生了一个力矩，由于这个力矩的作用，使不倒翁要恢复原来的状态。因此，这种状态的平衡是稳定平衡(如附图3所示)。所以不倒翁无论如何摇摆，总是不倒的。

势能低的物体比较稳定，物体一定会向着势能低的状态变化。当不倒翁倒下的时候，由于集中了大部分重心的底座被抬高，造成势能增加，所以不倒翁要回复原来的位置。

从杠杆原理来说，不倒翁倒下时，重心的作用点一直处于端部，不管支点在哪里，虽然底座的力臂较短，但是力矩＝力×力臂，不倒翁还是会因为底座那头力矩大而回复到原来位置。

底部为球形，摩擦力小，便于不倒翁回到原来位置。

根据本发明的实施例，不倒翁机器人10的壳体的上部分11配置成在不倒翁机器人10在任意位置倒地时着地点均在所述大体半球体的外球面所在的球面轮廓上或凸出于所述球面轮廓外。

不倒翁机器人10的壳体的上部分11配置成接续壳体的下部分12，使得壳体的上部分11的外表面是壳体的下部分12的大体半球体的外球面的外切面。

在本发明的另一实施例中，不倒翁机器人10的壳体的上部分11配置成接续壳体的下部分12，并且壳体的上部分11的外表面使得机器人10在任意角度和位置倒地后壳体的上部分11的外表面与地面的接触点均要落在所述壳体的下部分12的所述大体半球体的外球面上或者外球面之外。

图1中示出的实施例中，不倒翁机器人10壳体的上部分11具有截头锥形形状。在本发明的另一实施例中，不倒翁机器人10壳体的上部分11具有接近圆柱形形状。

根据本发明的实施例的不倒翁机器人10还可以包括驱动电机，用以驱动至少一个轮的转动。

根据本发明的实施例的不倒翁机器人10还可以包括处理器，用于接收传感器的感测信号，并根据感测信号控制轮的制动和转动。例如，当收到传感器检测到不倒翁机器人10偏离直立稳定状态，处理器控制以制动轮滚动。在一种情况下，处理器制动轮的滚动，直到不倒翁机器人10恢复直立稳定状态。

在一种实施例中，当收到传感器感测到不倒翁机器人10朝向恢复直立状态方向滚动的信号，处理器控制轮来回转动。

虽然本总体专利构思的一些实施例已被显示和说明，本领域普通技术人员将理解，在不背离本总体专利构思的原则和精神的情况下，可对这些实施例做出改变，本发明的范围以权利要求和它们的等同物限定。

Claims (10)

1.一种不倒翁机器人，配置成能够在跌倒或被推倒的情况下自行恢复自立稳定状态，并且，所述不倒翁机器人包括壳体以及位于壳体的下部分的至少一个轮，使得所述不倒翁机器人在自立稳定状态下能够移动，其中所述壳体的下部分配置为大体半球体。

2.如权利要求1所述的不倒翁机器人，其中大体半球体的所述壳体的下部分的面对地面的部分被配置为平面部，所述至少一个轮安装于所述平面部使得所述至少一个轮的外缘顶部在所述大体半球体的外球面所在的球面轮廓上或包含在所述大体半球体的外球面所在的球面轮廓内。

3.如权利要求1所述的不倒翁机器人，还包括传感器，配置成检测不倒翁机器人是否偏离自立稳定状态。

4.如权利要求3所述的不倒翁机器人，其中所述不倒翁机器人配置成当所述传感器感测到所述不倒翁机器人由自立稳定状态开始偏离自立稳定状态时采取应急制动以停止所述轮的转动。

5.如权利要求1所述的不倒翁机器人，其中所述不倒翁机器人配置为使得在不倒翁机器人自行站立起来的过程中所述轮慢速地前后转，即慢速顺时针转一下再逆时针转一下，循环反复，以便在不倒翁机器人逐渐站起过程中轮子刚刚接触地面的时候，通过轮子的滚动使得不倒翁机器人的壳体相应地产生侧向移动，从而不倒翁机器人能够自行调整好位姿和与地面的接触点。

6.如权利要求1所述的不倒翁机器人，其中所述不倒翁机器人的重心在直立情况下比大体半球体的几何中心靠近地面。

7.如权利要求1所述的不倒翁机器人，其中不倒翁机器人的壳体的上部分配置成在不倒翁机器人在任意位置倒地时着地点均在所述大体半球体的外表面所在的球面轮廓上或凸出于所述球面轮廓外。

8.如权利要求7所述的不倒翁机器人，其中不倒翁机器人的壳体的上部分配置成接续壳体的下部分，使得壳体的上部分的外表面是壳体的下部分的大体半球体的外球面的外切面。

9.如权利要求7所述的不倒翁机器人，其中不倒翁机器人的壳体的上部分配置成接续壳体的下部分，并且壳体的上部分的外表面使得机器人在任意角度和位置倒地后壳体的上部分的外表面与地面的接触点均要落在壳体的下部分的所述大体半球体的外球面上或者外球面之外。

10.如权利要求1所述的不倒翁机器人，其中不倒翁机器人的至少一个轮为驱动轮，能够驱动不倒翁移动。