CN107891416B - 一种电磁驱动式球形机器人及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电磁驱动式球形机器人及其控制方法，球体支架、主控制器和电源，球体支架包括若干空心容腔以及用于将空心容腔连接成球体支架的空心管道，空心管道内部均放置有若干可滚动的小球空心容腔包括上下两个腔体，上腔体中设置有电磁铁，下腔体用于容纳小球，下腔体与空心管道形成相通的空腔作为小球的运动通道，主控制器用于控制电源给电磁铁的通、断电时机，采用磁铁驱动，驱动方向可以随意控制，可以向任何方向转动。

Description

一种电磁驱动式球形机器人及其控制方法

技术领域

本发明属于机器人技术领域，具体涉及一种电磁驱动式球形机器人及其控制方法。

背景技术

机器人在现代生活中正逐渐替代人类发挥着日益重要的作用。近年来，随着机器人技术的迅速发展、应用范围的扩大和自动化程度的进一步提高，人们对机器人的功能提出了更高的要求，特别是需要各种具有较合理的机器人优化结构和不同程度智能的机器人装置。与此同时，机器人面临的工作环境也越来越恶劣，如星际探索、极地勘测、军事侦察以及反恐活动等。在这些应用领域中地形环境往往很复杂，存在各式各样的障碍物或沟渠，有时还存在危险性，这就要求机器人具有很强的机动性和灵活性。传统的安防依靠人力，开销大，且存在一定的疏漏。很多企业和家庭的安防仍停留在红外监控和视频监控阶段，而且存在停电状态，所以传统安防会受到诸多限制。而现有的球形结构机器人驱动方式比较单一，主要靠重力产生偏心距来提供动力，这种结构缺点是不能任意调整机器人前进的角度，且结构笨重。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种电磁驱动式球形机器人及其控制方法，本发明设计合理，通过设置电磁铁及为电磁铁和小铁球，以及为小铁球的滚动提供路径的空心管道，使小铁球可以顺着管道移动，流向空心容腔内，使球体中心偏移，由于重力产生动力带动球体转动，球形转弯半径很小，可以轻易的实现转弯半径接近零的原地自旋转弯。

为达到上述目的，本发明所述一种电磁驱动式球形机器人包括球体支架、主控制器和蓄电池，球体支架包括若干空心容腔以及用于将空心容腔连接成球体支架的空心管道，空心管道内部均放置有若干可滚动的小球，小球能够被电磁铁吸引，空心容腔包括上下两个腔体，上腔体中设置有电磁铁，下腔体用于容纳小球，下腔体与空心管道形成相通的空腔作为小球的运动通道，每个空心容腔中均设置有磁力传感器，球体支架内部固定设置有位置传感器、速度传感器、主控制器和蓄电池，磁力传感器、位置传感器、速度传感器和蓄电池均与主控制器通信连接。

进一步的，还包括设置在球体支架中的三自由度云台，三自由度云台包括俯仰轴、方位轴和滚转轴，俯仰轴包括空腔，和穿过空腔的转动轴，转动轴一端与电机的输出轴连接，另一端通过俯仰轴座与空心容腔连接，空腔通过方位轴与半球体支架联通，半球体支架中设置有滚动轴，滚动轴一端伸出半球体支架，且伸出半球体支架的一端与相机架固定连接，空腔中设置有方位电机，方位电机的输出轴与转动轴垂直，方位电机用于驱动半球体支架进行圆周运动，半球体支架中设置有同时垂直于俯仰轴和方位轴的滚转电机。

进一步的，方位电机与方位控制驱动模块连接，电机与俯仰驱动控制模块连接、滚转电机与滚转驱动控制模块连接，方位控制驱动模块、俯仰驱动控制模块和滚转驱动控制模块均与主控制器连接。

进一步的，磁力传感器用于确定电磁铁是否工作以及当前磁铁的磁力大小并将测量到的磁力信息反馈给主控制器；位置传感器用于确定当前球形机器人以及三自由度云台的位置并将位置信息反馈给主控制器；速度传感器用于测量球形机器人的运动速度并将速度信息反馈给主控制器；主控制器用于接收磁力传感器、位置传感器以及速度传感器传递的信息，并根据接收到的信息判断机器人运动轨迹是否为设定的轨迹，然后根据判断结果向蓄电池、方位控制驱动模块、俯仰驱动控制模块和滚转驱动控制模块发出控制信号、以控制蓄电池给电磁铁通，断电的时机，以及三自由度云台中各个电机的工作状态，使机器人的运动轨迹保持不变且三自由度云台始终保持给定的初始姿态。

进一步的，球体支架包括26个空心容腔，26个空心容腔中有8个含有3个空心管道连接口，18个含有4个空心管道连接口，含有3个空心管道连接口设置在是斜向45度方向，9个含有4个空心管道连接口均匀设置在球体支架的最大圆环上，另外9个含有4个空心管道连接口均匀设置在球体支架的另一个半径最大的圆环上，上述两个圆环相互垂直。

进一步的，蓄电池为锂离子蓄电池。

进一步的，每个空心容腔中均设置有锂离子蓄电池，每块锂离子蓄电池与和与其位于同一空心容腔的电磁铁连接，所有的锂离子蓄电池通过导线与主控制器连接。

进一步的，锂离子蓄电池设置在俯仰轴的空腔中，锂离子蓄电池的输入端与主控制器连接，设置与电磁铁数量相同数量的输出端分别连接至不同的电磁铁。

一种电磁驱动式球形机器人的控制方法，包括以下步骤：

步骤1，设定机器人的运动轨迹和运动速度，以及机器人上摄像装置的初始位置；

步骤2，机器人上设置的传感器测量机器人和摄像装置的位置信息、速度信息，并将测量到的信息传递给主控制器，主控制器根据接收到的信息，计算机器人转过的角度，并根据计算结果对摄像装置的位置进行校正，使摄像装置保持初始视角，同时判断机器人的是否在设定的轨迹上运动，若在设定的轨迹上则不动作，若不在设定的轨迹上，发送控制信号至蓄电池，通过蓄电池给予电磁铁电流的大小控制机器人的运动轨迹；摄像装置设置在具有三个自由度的装置上，主控制器通过控制设置在具有三个自由度的装置上的驱动控制模块和电机实现对摄像装置位置的控制。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益的技术效果，本发明采用磁铁驱动，行动灵活，几乎没有死角，转弯半径很小，可以轻易的实现转弯半径接近零的原地自旋转弯；其球形结构可以自由地向任何方向旋转实现全方位滚动行走，所以对球形机器人来说所有的位置都是稳定的，采用自动控制，通过设置在机器人上的传感器实时向主控制器发送信息，主控制器进行计算并向驱动控制模块发出控制命令，使摄像装置始终保持在同一视角，拍摄的画面清晰、连续，为使用者提供了方便。

进一步的，还包括设置在球体支架中的三自由度云台，三自由度云台包括俯仰轴、方位轴和滚转轴，俯仰轴包括空腔，和穿过空腔的转动轴，转动轴一端与电机的输出轴连接，另一端通过俯仰轴座与空心容腔连接，空腔通过方位轴与半球体支架联通，半球体支架中设置有滚动轴，滚动轴一端伸出半球体支架，且伸出半球体支架的一端与相机架固定连接，空腔中设置有方位电机，方位电机的输出轴与转动轴垂直，方位电机用于驱动半球体支架进行圆周运动，半球体支架中设置有同时垂直于俯仰轴和方位轴的滚转电机，该结构充分利用内部空间，在内部安装三自由度云台，云台内部和外部可以安装各种检测传感器或者摄像头，并且该三自由度云台可以保证传感器的位置始终为设定的方向，这样可以抵消其他干扰对传感器的影响。

进一步的，方位电机与方位控制驱动模块连接，电机与俯仰驱动控制模块连接、滚转电机与滚转驱动控制模块连接，方位控制驱动模块、俯仰驱动控制模块和滚转驱动控制模块均与主控制器连接，通过控制器对三自由云台三个自由度进行自动控制，操作方便。

进一步的，磁力传感器用于确定电磁铁是否工作以及当前磁铁的磁力大小并将测量到的磁力信息反馈给主控制器；位置传感器用于确定当前球形机器人以及三自由度云台的位置并将位置信息反馈给主控制器；速度传感器用于测量球形机器人的运动速度并将速度信息反馈给主控制器；主控制器用于接收磁力传感器、位置传感器以及速度传感器传递的信息，并根据接收到的信息判断机器人运动轨迹是否为设定的轨迹，然后根据判断结果向蓄电池、方位控制驱动模块、俯仰驱动控制模块和滚转驱动控制模块发出控制信号、以控制蓄电池给电磁铁通，断电的时机，以及三自由度云台中各个电机的工作状态，使机器人的运动轨迹保持不变且三自由度云台始终保持给定的初始姿态，通过传感器与控制器间的配合，可以实现目标检测，目标跟踪和视觉伺服的功能。由于球形机器人所有零部件都封装在一个球体支架内，因此其内部部件可以得到球壳的可靠保护。

进一步的，球体支架包括26个空心容腔，26个空心容腔中有8个含有3个空心管道连接口，18个含有4个空心管道连接口，含有3个空心管道连接口设置在是斜向45度方向，9个含有4个空心管道连接口均匀设置在球体支架的最大圆环上，另外9个含有4个空心管道连接口均匀设置在球体支架的另一个半径最大的圆环上，上述两个圆环相互垂直。可以覆盖360度方向。

进一步的，蓄电池为锂离子蓄电池，性价比高，适应环境广泛。

附图说明

图1为球形安防机器人的外形结构示意图；

图2为含有4个空心管道连接口结构示意图；

图3为含有3个空心管道连接口构示意图；

图4为球形安防机器人的云台结构示意图；

附图中：1—空心容腔，2—方位轴，3—俯仰电机，4—橡胶套筒，5—空心管道，6—俯仰轴座，7—俯仰轴，71—空腔、8—滚转轴，9—相机架，10—半球体支架。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

参照图1至图4，本发明包括管型支架组成的球体支架和三自由度云台，球体支架包括若干节点以及连接节点的管道，其结构是以空心容腔1为节点将空心管道5连接成球体支架，空心容腔1设置在球体支架表面，空心管道5之间通过橡胶套筒4连接，空心容腔1为圆柱形，每个空心容腔1分为上下两个腔体，上腔体用于容置电磁铁，下腔体用于容纳小小铁球，中间不相通，下腔体与空心管道5形成相通的空腔作为小球的运动通道，空心容腔1及空心管道5采用非磁性材料，所有的关节通过空心管道5连通，空心管道5内部均放置有若干可滚动的小球，小球由铁、钴和镍等能被磁铁吸引的金属制成，优选铁材料。

参照图2，含有4个空心管道连接口包括1个空心容腔1和4个与空心容腔1联通的空心管道5，4个空心管道5位于空心容腔1的同一高度位置且均匀分布在空心容腔1的外周。

参照图3，含有3个空心管道连接口包括1个空心容腔1和3个与空心容腔1联通的空心管道5，3个空心管道5位于空心容腔1的同一高度位置且均匀分布在空心容腔1的外周。

参照图4，三自由度云台包括俯仰轴7、方位轴2和滚转轴8，俯仰轴7和球体支架的一条直径相重合，俯仰轴7包括转动轴和一个空腔71，转动轴穿过空腔71，转动轴一端与俯仰电机3的输出轴连接，另一端通过俯仰轴座6与空心容腔连接，空腔71上方设置有方位轴2，方位轴2为圆筒，方位轴2上连接有半球体支架10，半球体支架10通过方位轴2与空腔联通，半球体支架10中设置有滚动轴8，滚动轴8一端伸出半球体支架10，且伸出半球体支架10的一端与相机架9固定连接，相机架9中设置有相机或摄像头，相机或摄像头与主控制器连接。俯仰电机3控制俯仰轴7的转动，空腔中还设置有方位电机，方位电机的输出轴与转动轴垂直，方位电机用于驱动半球体支架10进行圆周运动，半球体支架10的运动轨迹形成的平面与俯仰轴7平行。半球体支架10中设置有同时垂直于俯仰轴7和方位轴2的滚转电机，用来控制相机架9的滚转，相机架9的运动轨迹形成的平面与方位轴2和俯仰轴7所构成的平面相平行，俯仰电机3、方位电机和滚转电机均为无刷直流电机，三自由度的驱动点包括无刷直流电机和相应的控制模块，相应的控制模块分别为位于空腔内的方位驱动控制模块、与空心容腔1相接的电机座上的俯仰驱动控制模块、在与方位轴2顶端相接的小球壳体内的滚转驱动控制模块。控制系统包括主控制器和传感器，传感器包括一个位置传感器，一个速度传感器和磁力传感器，磁力传感器的数量与节点的数量一致，上述所有的传感器、方位控制模块、俯仰控制模块和滚转控制模块均与主控制器通过导线连接。位置传感器和速度传感器均位于三自由度云台上，磁力传感器位于空心容腔内，主控制器位于俯仰轴7的腔体内，主控制器采用DSP28335，主控制器接收到这些传感器的信号，并对信号加以分析来控制电磁铁的通电顺序及断电的时机，电磁铁由主控制器通过控制蓄电池给、断电，通过传感器与控制器间的配合，可以实现目标检测，目标跟踪和视觉伺服的功能。具体为：磁力传感器用于确定电磁铁是否工作以及当前磁铁的磁力大小并将结果反馈给主控制器，主控制器根据反馈的结果来判断当前磁铁是否接通，并且根据当前情况判断是否加大电流来增大磁力；位置传感器用于确定当前球形机器人以及三自由度云台的位置；速度传感器用于测量球形机器人的运动速度；主控制器用于接收磁力传感器、位置传感器以及磁力传感器传递的信号，并据此分析该球形机器人运动轨迹是否为设定的轨迹并且实时的调节三自由度云台的位置，相机或摄像头的的拍摄角度保持不变，然后主控制器根据计算的参数控制蓄电池给电磁铁的通、断电时机以控制本机器人的运动。

本发明的工作过程如下：

当设定好运动轨迹时候，主控制器根据初始位置时电磁铁的编号顺序，计算出最优的通电次序，这时球形机器人内部管道的小球沿着管道到达空心容腔附近，同时磁力传感器给主控制器反馈各个电磁铁的工作情况。随后因为小铁球的重力产生的重力矩带动机器人的运动，并且位于三自由度上的位置传感器和速度传感器测量出当前机器人的运动状态以及三自由度云台的位置信息，将这些信息反馈给主控制器，主控制将这些数据分析后向方位驱动控制模块、俯仰驱动控制模块、滚转驱动控制模块以及电磁铁发送控制指令，进而控制三自由度云台电机和各个电磁铁的工作，使机器人的运动轨迹保持不变且三自由度云台始终保持给定的初始姿态，方便三自由度云台上的相机或摄像头进行画面捕捉。

由于球形机器人所有零部件都封装在一个球壳内，因此其内部部件可以得到球壳的可靠保护。

蓄电池与主控制器及电磁铁的连接方式为以下方式中的任意一种：

一种方式是：每个空心容腔1中均设置有蓄电池，即蓄电池的数量与电磁铁的数量一致，每块蓄电池与和与其位于同一空心容腔1的电磁铁连接，所有的蓄电池通过导线与主控制器连接。

另一种方式是：仅有一个蓄电池，该蓄电池设置在俯仰轴7的空腔中，蓄电池的输入端与主控制器连接，设置与电磁铁数量相同数量的输出端分别连接至不同的电磁铁。

优选的，球体支架的节点数量为26，球体支架包括若干空心管道5、26个空心容腔1、26个电磁铁、若干小铁球以及若干套筒。26个空心容腔1中有8个含有3个空心管道连接口，18个含有4个空心管道连接口，含有3个空心管道连接口设置在是斜向45度方向，9个含有4个空心管道连接口均匀设置在球体支架的最大圆环上，另外9个含有4个空心管道连接口均匀设置在球体支架的另一个半径最大的圆环上，以上两个圆环相互垂直，可以覆盖360度方向。

球形安防机器人具有一个球形或类球形的外壳，以滚动方式行走，该球体主支架是由26个节点相连的管状通道组成，这26个节点分别位于壳体的的水平对称平面、竖直对称平面以及45°方向，位于45°方向的节点与球心之间的连线与水平对称平面的夹角为45°，使每个节点在转动时候保证有三个节点同时与地面接触，考虑控制和重量的优化性选择26个节点，每个节点中均设置有一个控制电磁铁，通过控制控制电磁铁的通电顺序，来控制机器人的运动方向和时机，每一段空心管道5内部均放置有若干可滚动的小球，这些小铁球可以顺着管道移动，流向空心容腔1内，使球体支架中心偏移，由于重力产生动力带动球体转动。球形机器人的行走驱动是通过控制磁铁对内部可滚动小铁球的吸附改变自身重心的位置产生的转矩并结合外界摩擦力产生滚动运动。

从球形机器人的外形来说，球形结构可以使其内部体积最大化，也可以提供最佳的力用以抵抗内部过压或压力不足，这种特性对于水下或太空应用也是非常有利的。其最大的特点是运动方式特殊，球形的外壳将使机器人能在失稳后获得最大的稳定性，与用轮子滚动行走的轮式机器人相比，不存在“翻倒”的问题，并且能在多个方向上实现滚动；与步行或爬行机器人相比，具有运动速度快、承载能力强的特点，而且具有仅靠重力来驱动，只需要控制各个磁铁的通电顺序就可以实现球形机器人的运动，具有驱动少、控制简单的优势。另外，球形机器人造型新颖别致，行动灵活，几乎没有死角，转弯半径很小，可以轻易的实现转弯半径接近零的原地自旋转弯；其球形结构可以自由地向任何方向旋转实现全方位滚动行走，所以对球形机器人来说所有的位置都是稳定的；在球形机器人执行未知环境探测等任务的过程中，当与障碍物或其他运动机构发生碰撞时，球形结构具有较强的自我恢复能力，球形的外壳也使机器人能够轻易滚过粗糙的地形。同时，由于球体滚动点接触的阻力相对滑动或轮式装置的线接触的运动阻力小得多，所以球形机器人还具有运动效率高、能量消耗小的优点。

Claims (8)

1.一种电磁驱动式球形机器人，其特征在于，包括球体支架、主控制器和蓄电池，球体支架包括若干空心容腔（1）以及用于将空心容腔（1）连接成球体支架的空心管道（5），空心管道（5）内部均放置有若干可滚动的小球，小球能够被电磁铁吸引，空心容腔（1）包括上下两个腔体，上腔体中设置有电磁铁，下腔体用于容纳小球，下腔体与空心管道（5）形成相通的空腔作为小球的运动通道，每个空心容腔（1）中均设置有磁力传感器，球体支架内部固定设置有位置传感器、速度传感器、主控制器和蓄电池，磁力传感器、位置传感器、速度传感器和蓄电池均与主控制器通信连接；

球体支架包括26个空心容腔（1），26个空心容腔（1）中有8个含有3个空心管道连接口，18个含有4个空心管道连接口，含有3个空心管道连接口设置在是斜向45度方向，9个含有4个空心管道连接口均匀设置在球体支架的最大圆环上，另外9个含有4个空心管道连接口均匀设置在球体支架的另一个半径最大的圆环上，上述两个圆环相互垂直。

2.根据权利要求1所述的一种电磁驱动式球形机器人，其特征在于，还包括设置在球体支架中的三自由度云台，三自由度云台包括俯仰轴（7）、方位轴（2）和滚转轴（8），俯仰轴（7）包括空腔（71），和穿过空腔（71）的转动轴，转动轴一端与俯仰电机（3）的输出轴连接，另一端通过俯仰轴座（6）与空心容腔（1）连接，空腔（71）通过方位轴（2）与半球体支架（10）联通，半球体支架（10）中设置有滚动轴（8），滚动轴（8）一端伸出半球体支架（10），且伸出半球体支架（10）的一端与相机架（9）固定连接，空腔（71）中设置有方位电机，方位电机的输出轴与转动轴垂直，方位电机用于驱动半球体支架（10）进行圆周运动，半球体支架（10）中设置有滚转电机，用于控制相机架的滚转。

3.根据权利要求2所述的一种电磁驱动式球形机器人，其特征在于，方位电机与方位控制驱动模块连接，俯仰电机（3）与俯仰驱动控制模块连接、滚转电机与滚转驱动控制模块连接，方位控制驱动模块、俯仰驱动控制模块和滚转驱动控制模块均与主控制器连接。

4.根据权利要求3所述的一种电磁驱动式球形机器人，其特征在于，磁力传感器用于确定电磁铁是否工作以及当前磁铁的磁力大小并将测量到的磁力信息反馈给主控制器；位置传感器用于确定当前球形机器人以及三自由度云台的位置并将位置信息反馈给主控制器；速度传感器用于测量球形机器人的运动速度并将速度信息反馈给主控制器；主控制器用于接收磁力传感器、位置传感器以及速度传感器传递的信息，并根据接收到的信息判断机器人运动轨迹是否为设定的轨迹，然后根据判断结果向蓄电池、方位控制驱动模块、俯仰驱动控制模块和滚转驱动控制模块发出控制信号，以控制蓄电池给电磁铁通、断电的时机，以及三自由度云台中各个电机的工作状态，使机器人的运动轨迹保持不变且三自由度云台始终保持给定的初始姿态。

5.根据权利要求1所述的一种电磁驱动式球形机器人，其特征在于，所述蓄电池为锂离子蓄电池。

6.根据权利要求5所述的一种电磁驱动式球形机器人，其特征在于，每个空心容腔（1）中均设置有锂离子蓄电池，每块锂离子蓄电池与和与其位于同一空心容腔（1）的电磁铁连接，所有的锂离子蓄电池通过导线与主控制器连接。

7.根据权利要求5所述的一种电磁驱动式球形机器人，其特征在于，锂离子蓄电池设置在俯仰轴（7）的空腔（71）中，锂离子蓄电池的输入端与主控制器连接，设置与电磁铁数量相同数量的输出端分别连接至不同的电磁铁。

8.一种权利要求4所述的电磁驱动式球形机器人的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，设定机器人的运动轨迹和运动速度，以及机器人上摄像装置的初始位置；

步骤2，机器人上设置的传感器测量机器人和摄像装置的位置信息、速度信息，并将测量到的信息传递给主控制器，主控制器根据接收到的信息，计算机器人转过的角度，并根据计算结果对摄像装置的位置进行校正，使摄像装置保持初始视角，同时判断机器人的是否在设定的轨迹上运动，若在设定的轨迹上则不动作，若不在设定的轨迹上，发送控制信号至蓄电池，通过蓄电池给予电磁铁电流的大小控制机器人的运动轨迹。