CN106914902A - 一种无线充电的全封闭球型机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种无线充电的全封闭球型机器人。包括球型机器人的内部结构与球壳、用于发射能量的无线输电模块，用于接收能量的无线受电模块，用于管理电池的电池管理模块，用于控制电池开断的感应开关模块，用于提供电能的电池模块，用于产生控制命令的外部控制模块、用于控制球型机器人的主控模块、用于与主控模块进行无线通讯的无线通信模块、本发明具有可无线充电、结构灵活、响应速度快、封闭性好、控制途径广泛等优点，可广泛地应用于休闲娱乐、辅助探测等方面。
Description
技术领域
本发明涉及球型机器人，特别是一种无线充电的全封闭球型机器人。
背景技术
从1996年第一个具有圆球外壳的球型机器人出现开始，球型机器人的研究已经开展了20年，在此期间国内外的众多学者相继提出了许多结构，其中一种即全封闭型球型机器人。全封闭型球型机器人其内部结构与外部环境相分离，具有良好的封闭性，可以适应多种环境下的工作。但是相对的，由于其特有的封闭性，球型机器人的电能供应、数据采集等方面受到了较大的限制。
发明内容
基于上述的目标，本发明的主要解决球型机器人的电能供应、封闭性，同时，简化控制方式及结构。
为了达到上述目的，本发明提出的技术方案为：
无线充电的全封闭球型机器人组成包括无线输电模块、无线受电模块、电池管理模块、感应开关模块、电池模块、稳压模块、主控模块、球体姿态模块、外部控制模块、无线通信模块、驱动模块、电机模块；其中，
无线输电模块，在球体外部，将外部电源的电能转化成能量传输给无线受电模块；
无线受电模块，安装在球体内部，用于接收无线输电模块发送的能量，与电池管理模块连接为充电提供电能；
电池管理模块，安装在球体内部，接收无线受电模块发送的能量；控制向电池模块输入的电流及电压的大小，最终完成对电池充电的管理；
感应开关模块，用于控制整个系统电路的通断，所述开关模块由常闭型干簧管构成，通过外部磁性物质接近改变通断状态，连接电池模块以及电池管理模块；
电池模块，安装在球体内部，用于提供电能；连接到5V稳压模块产生其他模块所需求的电能，连接到驱动模块提供驱动的电能；
稳压模块，安装在球体内部，用于将电源模块电压转换为5V与3.3V电压，为无线通信模块、主控模块、球体姿态模块供电；
主控模块，接收来自无线通信模块的控制命令，向无线通信模块发送查询命令，查询外部控制模块是否在线；接收来自球体姿态模块的角度、地磁数据，并将其融合，并按照融合结果生成PWM波发送给驱动模块，所述主控模块为STM32F103C8T6；
球体姿态模块，安装在球体内部，用于检测球体在运行过程中的姿态参数，包含三轴角速度、三轴加速度、地磁方向，将其融合成角度和地磁信息发送给主控模块；
外部控制模块，在球体外部，可为包含蓝牙或者NRF24L01的设备或模块，用于产生控制命令或者采集所处平面倾斜角度，通过自身的无线通信功能发送到球内无线通信模块；
无线通信模块，安装在球体内部，用于实现无线通信，通过无线功能接收外部控制模块的控制命令或所处平面的倾斜角度；接收主控模块的查询命令，查询外部控制模块或者是否在线；将倾斜角度或控制命令发送到主控模块；
驱动模块，安装在球体内部，用于为电机提供驱动电流，接收来自主控模块的控制命令，向电机模块提供驱动电流；
综上所述，本发明所述一种无线充电的全封闭球型机器人其电池模块为系统提供电能；主控模块处理相关信号，控制驱动模块；无线通信模块用于实现无线通讯；外部控制模块用于提供控制命令或者本模块所处平面的角度；球体姿态模块用于获取球体当前姿态；感应开关模块控制整个系统电路的通断；电源模块用于为整体供电；无线输电模块用于实现无线充电能量的发送；无线受电模块用于实现无线充电能量的接收；驱动模块用于执行主控模块的控制指令；电机模块用于提供动力。因此，本发明具有结构简单、使用方便的特点。另外，本发明采用的无线输电模块、无线受电模块、电源管理模块、感应开关模块、电池模块、稳压模块、球体姿态模块、无线通信模块、外部控制模块、主控模块、驱动模块、电机模块可靠性均较高，故本发明具有较高的可靠性。
附图说明
图1为本发明机械结构原理图1。
图2为本发明机械结构原理图2。
图3为本发明机械结构原理图3。
图4为本发明机械结构原理图4。
图5为本发明机械结构原理图5。
图6为本发明的电路工作总体流程图。
图7为本发明所述驱动模块的组成结构示意图。
图8为本发明所述稳压模块组的组成结构示意图。
图9为本发明外部控制模块的工作示意图。
图10为本发明无线通信模块的组成结构示意图。
图11为本发明球体姿态模块的组成结构示意图。
图12为本发明无线受电模块的组成结构示意图。
图13为本发明电源管理模块的组成结构示意图。
图14为本发明感应开关模块的组成结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施方式对本发明作进一步地详细描述。
本发明所述球型机器人包括球壳1和设置于球壳1内的内部结构主体2。
请参阅图1、图2、图3、图4、图5。
内部结构主体2设置于球壳1内，主体包括：21主体执行部件、22辅助部件两部分。21包括电机组211、配重组212、平衡机构组213、电机套组214、核心控制板215、电池216和无线充电217-1、无线开关217-2、支撑框架组218、两个轮子2110。22包括避震机构221、连接及传动机构万向轮组222。
电机组211包含主驱动电机2111-1和2111-2为两个轮子提供动力和平衡飞轮驱动电机2112为两个相同的反向旋转的平衡飞轮提供高速动力。
配重组212的配重块当主体2运动时产生偏移，致使主体中心偏移，配合整体中心共同为球体提供驱动力。
平衡机构组213包括驱动电机2112为飞轮提供充足的动力和平衡飞轮2131、2132用来克服重力矩保证球体的平衡及其附带连接反向机构齿轮2133保证两个飞轮等速反向高速旋转。电机套组214由2141和2142构成，2141支撑两个主驱动电机2111并支撑框架组2181和核心控制板壳2182。电机套2142支撑核心控制板。支撑框架组218包含框架2181、2182、2183、2184，框架2181支撑电池216、核心控制板壳2182和框架2183，框架2183支撑三对框架2184。避震机构221由三对相同的弹簧组成，并于框架2181活口连接，起到避震作用。连接及传动机构222由三对框架2184支撑着万向轮组219最终完成主体和球壳的动态连接。
对高速旋转的飞轮平衡解释。旋转的陀螺角速度矢量与重力矩的乘机遵循右手螺旋定则，也就是它们的叉积垂直于两矢量决定的平面，因此陀螺重心的运动也将遵循叉积的方向，简单来讲就是运动的陀螺重心不沿重力方向运动。
本发明所述的球型机器人在通过无线控制工作时，核心控制板215控制驱动电机2111-1和2111-2正、反旋转利用轮子2110和球壳1的摩擦力带动主体21、22偏移，主体的偏移导致内部结构主体21重心发生变化进而使球型机器人前进和后退；核心控制板215控制平衡驱动电机2112随倾角的增加转速增加维持主体的平衡；核心控制板215通过分别控制驱动电机2111-1和2111-2而实现零角度转弯；具体通过外部控制模块发送的指令实现理想的运动。
图6为本发明所述电路工作总体流程图。如图6所示，外部控制模块9将外部控制模块所在平面的角度或者控制命令通过无线通信模块8发送到主控模块10，主控模块将角度或控制命令处理后生成的PWM波发送给驱动模块12来驱动电机13使球型机器人运动，电池模块5通过5V稳压模块6与3.3V稳压模块7分别为球体姿态模块11、无线通信模块8进行供电，无线输电模块1为无线受电模块2提供电能，经电池管理模块3为电池模块5进行充电，感应开关模块4控制电池通断的状态。
图7为本发明所述驱动模块的组成结构示意图。如图7所示，驱动模块的任务是驱动两只电机，一只驱动模块负责驱动一只电机，以两片驱动芯片为核心组成。由于每个驱动芯片的驱动方式完全相同，故本图只说明其中一个驱动电机的原理图。驱动芯片的PWM输入端125、PWM输入端127以及使能端122直接与主控模块的101、102、103端口相连，输出端126与输出端129分别与电机13的131、132相连，控制电机13正反转。驱动芯片的芯片电源端接5V电源、驱动电源端接7.2V电源，地端接地。
图8为本发明所述稳压模块组的组成结构示意图。如图8所示，稳压模块组包括3.3V稳压模块7和5V稳压模块6，其中3.3V稳压模块7包括3.3V稳压芯片、电容C1、电容C2、电容C3和电容C4。稳压芯片的输入端与电容C1、C2一端相连并连接7.2V电压，电容C1、C2的另一端接地；同样稳压芯片的输出端与电容C3、C4一端相连并连接5V电压，电容C3、C4的另一端接地。其中5V稳压模块6包括5V稳压芯片、电容C5、电容C6、电容C7和电容C8，其电路连接方式与3.3V稳压模块7的连接方式相同。
图9为本发明外部控制模块的工作示意图。如图9所示，外部姿态模块91可以将当前外部控制模块所在平面的角度，无线通信模块8可以与无线通讯模块92进行数据的相互传输，无线通讯模块92可以与外部姿态模块91进行信号的传输，人为输入93生成控制命令94传输到无线通信模块92，从而达到了外部控制模块发送角度或控制命令的功能。
图10为本发明无线通信模块的组成结构示意图。如图10所示，无线通信模块包括无线通信模块81，由集成无线芯片组成。无线芯片81的接收端812与发送端811分别与主控模块10的端口104、105连接，可以相互通信；电源端811接5V电压，地端815接地；信号端814与外部设备的信号端相连接；外部设备需要支持通过蓝牙或NRF24L01传输数据，但是对外部设备类型没有固定的要求。
图11为本发明球体姿态模块的组成结构示意图。如图11所示，球体姿态模块由集成传感器芯片组成，传感器芯片的电源端112与地端114分别接5V与地；数据端115与主控模块10的数据端107连接，时钟端113与主控模块10的时钟端106连接；主控模块10向传感器芯片发送时钟信号，球体姿态模块定时将数据信息传输给主控模块，由主控模块处理数据并执行相应的动作以达到传感器的检测效果。
图12为本发明无线受电模块的组成结构示意图。如图12所示，无线受电模块由球壳内部的接收端感应线圈201和电源整流模块202构成。无线输电模块1将能量送入无线受电模块2内的接收感应线圈201，接收感应线圈201经过电源整流模块202整流，最后通过整流送入电池管理模块3。借此来达到无线充电的功能。
图13为本发明电源管理模块的组成结构示意图，如图13所示，集成芯片电池管理芯片3是电池管理模块的主要部分，电池管理芯片的输入电源端31与地端34分别无线受电模块2的输出203与地端204，电池检测端32接电池正极51，以检测当前的电池状态，控制电池充放电；输出电源33与感应开关模块4相连接；感应开关模块4的输出电源41与电池5的正极51相连接，地端43与电池5的负极52相连接，从而达到管理电池充电状态的功能。
图14为本发明感应开关模块的组成结构示意图。如图14所示，感应开关由磁铁41和球内部的干簧管42构成。通过磁铁的磁力，将干簧管分合，达到分合电池管理模块3和电池模块5的联系的目的，从而进行电源的分合以及对整体供电的控制。
综上所述，以上仅为本发明较佳实施方式而已，并非限于本发明的保护范围。凡在本发明精神和方案基础上所做的任何修改和改进等，都应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种无线充电的全封闭球型机器人，其特征在于，所述无线充电的全封闭球型机器人包括无线输电模块、无线受电模块、电池管理模块、感应开关模块、电池模块、稳压模块、主控模块、球体姿态模块、外部控制模块、无线通信模块、驱动模块、电机模块其中，
无线输电模块，在球体外部，将外部电源的电能转化成能量传输给无线受电模块；
无线受电模块，安装在球体内部，用于接收无线输电模块发送的能量，与电池管理模块连接为充电提供电能；
电池管理模块，安装在球体内部，接收无线受电模块发送的能量；控制向电池模块输入的电流及电压的大小，最终完成对电池充电的管理；
感应开关模块，用于控制整个系统电路的通断，所述开关模块由常闭型干簧管构成，通过外部磁性物质接近改变通断状态，连接电池模块以及电池管理模块；
电池模块，安装在球体内部，用于提供电能；连接到5V稳压模块产生其他模块所需求的电能，连接到驱动模块提供驱动的电能；
稳压模块，安装在球体内部，用于将电源模块电压转换为5V与3.3V电压，为无线通信模块、主控模块、球体姿态模块供电；
主控模块，接收来自无线通信模块的控制命令，向无线通信模块发送查询命令，查询外部控制模块是否在线；接收来自球体姿态模块的角度、地磁数据，并将其融合，并按照融合结果生成PWM波发送给驱动模块，所述主控模块为STM32F103C8T6；
球体姿态模块，安装在球体内部，用于检测球体在运行过程中的姿态参数，包含三轴角速度、三轴加速度、地磁方向，将其融合成角度和地磁信息发送给主控模块；
外部控制模块，在球体外部，可为包含蓝牙或者NRF24L01的设备或模块，用于产生控制命令或者采集所处平面倾斜角度，通过自身的无线通信功能发送到球内无线通信模块；
无线通信模块，安装在球体内部，用于实现无线通信，通过无线功能接收外部控制模块的控制命令或所处平面的倾斜角度；接收主控模块的查询命令，查询外部控制模块或者是否在线；将倾斜角度或控制命令发送到主控模块；
驱动模块，安装在球体内部，用于为电机提供驱动电流，接收来自主控模块的控制命令，向电机模块提供驱动电流。
2.根据权利要求1所述的无线充电的全封闭球型机器人，其特征在于，所述主控模块由STM32F103C8T6单片机组成。
3.根据权利要求3所述的无线充电的全封闭球型机器人，其特征在于，所述电机模块包括电机、电机固定装置；其中，
电机安装于电机固定装置内，电机轴与橡胶轮胎相连，橡胶轮胎与球壳直接接触从而通过电机的转动可以实现球的前进转向与平衡的控制。
4.根据权利要求1所述的无线充电的全封闭球型机器人，其特征在于，所述感应开关模块由常闭型干簧管构成，通过引线接至球壳内部电路板上，依靠感应外部磁性控制整个系统电路的通断。
5.根据权利要求1所述的无线充电的全封闭球型机器人，其特征在于，所述无线通信模块为蓝牙透传模块与NRF24L01模块的组合。
6.根据权利要求1所述的无线充电的全封闭球型机器人，其特征在于，所述球体姿态模块为整合性六轴运动处理组件与地磁计的组合。
7.根据权利要求1所述的无线充电的全封闭球型机器人，其特征在于，所述外部控制模块独立于球体，可以由人为输入、外部姿态采集两种方式以2.4GhzISM频段无线的形式发送数据。
8.根据权利要求1所述的无线充电的全封闭球型机器人，其特征在于，所述无线输电模块，由外部电源与发射线圈组成，其中，
发射线圈直径200mm，由直径0.5mm漆包铜丝绕制而成，共7匝。
9.根据权利要求1所述的无线充电的全封闭球型机器人，其特征在于，所述无线受电模块，由电源整流模块与200mm接收线圈组成，其中，
电源整流模块输出电流大小为600mA，输出电压大小为12V；
接收线圈直径200mm，由直径0.5mm漆包铜丝绕制而成，共7匝。
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| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20170704 |
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