CN107139190A - 一种滑块式重心调节机构及控制和使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种滑块式重心调节机构及控制和使用方法，属于机器人控制领域。机构包括底盖和滑块装置，滑块装置由前支架、后支架、丝杠、光杆、滑块、下齿轮、上齿轮、电机组成。所述滑块装置通过设置在所述底盖上前支架和后支架固定在底盖上；所述前、后支架上通过轴承连接丝杠和光杆，所述丝杠和光杆上穿设有滑块，所述丝杠的一端穿过所述后支架的轴承后，连接下齿轮，所述下齿轮啮合上齿轮，所述上齿轮固定连接在电机的输出端，所述电机固定在所述后支架上部。本发明具有良好的俯仰运动能力和一定的环境适应能力，稳定可靠，运动灵活，可用于资源勘察，打捞、救助等任务，在未来的作战任务中也能发挥重要作用。

Description

一种滑块式重心调节机构及控制和使用方法

技术领域

本发明属于机器人控制领域。涉及一种滑块式重心调节机构，特别是关于一种可广泛应用于水下或是空中微小型智能机器人的俯仰姿态控制的模块化装置。

背景技术

微小型智能机器人，因其体积小、成本低、功耗低、研究耗时短、多样的运动能力强，无论从军事还是民用的角度看，都具有巨大的应用前景。为了拓展机器人可到达的领域，三维运动能力必不可少。特别是针对水下机器人和空中机器人来说，如何实现其在水下和空中的俯仰运动一直都是机器人领域的研究热点和难点。设计一个易于安装和拆卸并且可以广泛应用于小型机器人的模块化俯仰机构，结合机器人在二维平面内的推进方式，实现机器人三维运动是机器人领域中亟待解决的问题。

针对利用重心调节机构来实现俯仰运动，《新型两关节机器鱼的研制及实验研究》给出了一种方案，本申请的滑块装置与《新型两关节机器鱼的研制及实验研究》文中的升潜模块相比具有显著的区别，理由如下：

1)《新型两关节机器鱼的研制及实验研究》的升潜装置通过一个滑动螺旋传动副(直齿圆柱大齿轮、丝杠)实现活塞的前后移动，完成吸排水，从而实现机器鱼升潜。由此可见，《新型两关节机器鱼的研制及实验研究》的升潜装置相当于一个活塞式液压缸，其活塞外侧的缸筒须与外部水环境相通，且通过活塞的运动来控制外部水的吸排，因此防水机构设计难度大，且对周围水环境的扰动比较大。而本申请的滑块装置置于机器人体内，只需要整体密封防水，用经典的o型圈即可实现，同时对周围水环境的扰动非常小，具有很好的隐蔽性能。此外，《新型两关节机器鱼的研制及实验研究》中通过电机控制活塞运动来吸排水实现升潜，吸排水的速度受到排水孔面积的影响，并且与对环境的扰动成正比。吸排水速度越快，实时性越好，但大大增加了对环境的扰动。也就是说它的实时性和稳定性是相矛盾的。相比较而言，本申请的滑块装置靠电机直接控制滑块的移动来改变重心实现升潜，其实时性和稳定性都能够得到保证。

随着水下深度的增加，水下压力增大，《新型两关节机器鱼的研制及实验研究》所述的升潜装置排水所需的动力增大，对机械装置的强度和防水性能以及电机的力矩的要求增大。而本申请的滑块升潜装置则不涉及这个问题。

2)对比《新型两关节机器鱼的研制及实验研究》的升潜装置包括直流力矩电机、直齿圆柱小齿轮、直齿圆柱大齿轮、丝杠、缸筒、活塞、丝杠端盖、缸筒端盖、电机支座、轴承总成，由于其丝杠必须与活塞一起移动，因此其结构相对比较复杂，成本高。而本申请的滑块装置仅包括两支架、丝杠、光杆、上齿轮、下齿轮和电机，丝杠只在两支架间转动，从而带动滑块移动，其机械结构非常简单，成本低，并且经过简单改装，就可以广泛应用于各种小型水下推进器中，具有适应范围广、稳定性高、可移植性好等优点。

3)此外，对比《新型两关节机器鱼的研制及实验研究》的升潜装置还会涉及到空气压缩的问题，虽然可能气压并不是很大，但是对机械结构和材质要求相对较高，并且在升潜过程中随着缸筒内气压的不断变化，对整体的密封性能也会产生一定的影响。而本申请的滑动装置则不涉及该问题。

综上所述，本申请中的滑块装置相对于对比《新型两关节机器鱼的研制及实验研究》中的升潜模块具有突出的实质性特点和显著的进步。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种结构简单、控制效果明显、环境扰动小且能实现俯仰运动的模块化重心调节结构，应用于水下或是空中微小型智能机器人的俯仰姿态控制的模块化装置。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种滑块式重心调节机构，其特征在于：它包括底盖和滑块装置，滑块装置由前支架、后支架、丝杠、光杆、滑块、下齿轮、上齿轮、电机组成。所述滑块装置通过设置在所述底盖上前支架和后支架固定在底盖上；所述前、后支架上通过轴承连接丝杠和光杆，所述丝杠和光杆上穿设有滑块，所述丝杠的一端穿过所述后支架的轴承后，连接下齿轮，所述下齿轮啮合上齿轮，所述上齿轮固定连接在电机的输出端，所述电机固定在所述后支架上部。

如上所述一种滑块式重心调节机构的控制方法，其特征在于：应用于水下或是空中微小型智能机器人的俯仰姿态控制上，所述电机采用的是串口电机(或其他电机或小马达)，串口电机的转动角位移通过上、下齿轮的传动带动丝杠转动，进而带动丝杠上的滑块实现线位移；其中，串口电机是由单片机通过串口发送命令来控制的。

如上所述一种滑块式重心调节机构的使用方法，其特征在于：应用于水下或是空中微小型智能机器人的俯仰姿态控制上；当机器人以较高的速度前进时，配置好滑块的位置，机器人能在水平面内前进和左右转弯；但是一旦改变滑块的位置，机器人就会作俯仰运动；当滑块从平衡位置朝机器人头部方向前移，则机器人重心前移，机器人头部表现出下低的趋势，在机器人推进力的作用下，机器人实现下俯运动，在一定范围内，滑块移动的距离越多，机器人下俯越快；同样地，当滑块从平衡位置朝机器人尾部方向移动时，机器人重心后移，头部上扬，在机器人推进力的作用下，机器人作上仰运动；通过改变滑块的位置和移动速度能灵活的调整其俯仰的速度，结合机器人推进力的作用，最终实现三维运动。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明采用的滑块装置，通过改变滑块的重量占整个机器人的比例，调整机器人俯仰运动的效果。通过滑块的移动，可以改变机器人重心，在一定前进速度的前提下，完成俯或是仰的运动，结合机器人的推进力，不仅可以使机器人在复杂的非结构环境中实现多种步态，而且实现了机器人的三维运动能力。2、本发明采用的滑块装置是基于改变重心位置来实现俯仰运动的原理，整个装置置于机器人体内整体密封，所以对周围环境的扰动非常小，具有很好的隐蔽性能。3、本发明采用的滑块装置原理通俗，并且经过简单改装，就可以广泛应用于各种小型空中或是水下推进器中，具有适应范围广、稳定性高、可移植性好等优点。本发明具有良好的三维运动能力和一定的环境适应能力，稳定可靠，运动灵活，可用于资源勘察，打捞、救助等任务，在未来的空中及海上作战任务中也能发挥重要作用。

附图说明

图1是本发明的重心调节装置示意图

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

如图1所示，滑块装置包括由轻质铝合金材料制成的前支架2和后支架3上，二者通过螺钉固定在底盖1上，在前支架2和后支架3的上、下圆形孔中通过轴承连接丝杠4和光杆5，在丝杠4和光杆5上穿设有滑块6，丝杠4的一端穿过后支架3的圆孔后连接下齿轮7，下齿轮7与上齿轮8啮合，上齿轮8固定连接电机9的输出端，电机9固定连接在后支架3的上部。电机9采用的是串口电机，串口电机的转动角位移通过上、下齿轮8、7的传动带动丝杠4转动，进而带动丝杠4上的滑块6实现线位移。其中，串口电机是由单片机通过串口发送命令来控制的。

当机器人以较高的速度前进时，配置好滑块6的位置，机器人可以在水平面内前进和左右转弯。但是一旦改变滑块6的位置，机器人就会作俯仰运动。比如，滑块6从平衡位置朝机器人头部方向前移，则机器人重心前移，机器人头部表现出下低的趋势，在机器人推进力的作用下，机器人实现下俯运动，在一定范围内，滑块6移动的距离越多，机器人下俯越快。同样地，当滑块6从平衡位置朝机器人尾部方向移动时，机器人重心后移，头部上扬，在机器人推进力的作用下，机器人作上仰运动。通过改变滑块6的位置和移动速度可以灵活的调整其俯仰的速度，结合机器人推进力的作用，最终实现三维运动。

上述各实施例仅是本发明的优选实施方式，在本技术领域内，凡是基于本发明技术方案上的变化和改进，不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (3)

1.一种滑块式重心调节机构，其特征在于：包括底盖和滑块装置，滑块装置由前支架、后支架、丝杠、光杆、滑块、下齿轮、上齿轮、电机组成。所述滑块装置通过设置在所述底盖上前支架和后支架固定在底盖上；所述前、后支架上通过轴承连接丝杠和光杆，所述丝杠和光杆上穿设有滑块，所述丝杠的一端穿过所述后支架的轴承后，连接下齿轮，所述下齿轮啮合上齿轮，所述上齿轮固定连接在电机的输出端，所述电机固定在所述后支架上部。

2.如权利要求1所述一种滑块式重心调节机构的控制方法，其特征在于：应用于水下或是空中微小型智能机器人的俯仰姿态控制上，所述电机采用的是串口电机，串口电机的转动角位移通过上、下齿轮的传动带动丝杠转动，进而带动丝杠上的滑块实现线位移；其中，串口电机是由单片机通过串口发送命令来控制的。

3.如权利要求1所述一种滑块式重心调节机构的使用方法，其特征在于：应用于水下或是空中微小型智能机器人的俯仰姿态控制上；当机器人以较高的速度前进时，配置好滑块的位置，机器人能在水平面内前进和左右转弯；但是一旦改变滑块的位置，机器人就会作俯仰运动；当滑块从平衡位置朝机器人头部方向前移，则机器人重心前移，机器人头部表现出下低的趋势，在机器人推进力的作用下，机器人实现下俯运动，在一定范围内，滑块移动的距离越多，机器人下俯越快；同样地，当滑块从平衡位置朝机器人尾部方向移动时，机器人重心后移，头部上扬，在机器人推进力的作用下，机器人作上仰运动；通过改变滑块的位置和移动速度能灵活的调整其俯仰的速度，结合机器人推进力的作用，最终实现三维运动。