CN109702755A - 一种云台与底盘均可360度旋转的移动射击机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种云台与底盘均可度旋转的移动射击机器人，包括底盘、云台、发射机构和电源模块，云台包括云台电机、云台支撑板、云台侧板和俯仰电机，云台电机为无刷电机，云台侧板固定在云台支撑板的两侧，俯仰电机安装在其中一侧云台侧板的上端；发射机构包括弹舱、弹舱盖控制舵机、弹舱盖、枪管和子弹发射检测模块，所述俯仰电机的摆动输出端与弹舱底部固定，弹舱盖控制舵机安装在弹舱的另一侧并控制弹舱盖的启闭，枪管连接在弹舱的出弹口，子弹发射检测模块套装枪管的前端。该机器人的云台相对底盘可以实现360度无限制的旋转，实现巡检过程对四周环境的无死角监控，以及对移动目标的快速追踪和打击，同时提高机器人关键部件闪避攻击的能力。

Description

一种云台与底盘均可360度旋转的移动射击机器人

技术领域

本发明涉及一种机器人，具体涉及一种云台与底盘均可360度旋转的移动射击机器人，属于机器人技术领域。

背景技术

移动射击机器人是一种具备主动发射弹丸进行攻击能力的机器人，被广泛用于机器人竞赛、巡逻安保、物料投送等领域。现有射击机器人一般由底盘和云台两个部分组成，底盘部分多采用具备全方位移动能力的麦克纳姆轮底盘，云台部分包括射击机构和图像传输系统等，云台通过回转支承结构安装在底盘上，通过云台驱动电机实现云台与底盘之间的相对转动。但是现有射击机器人云台与底盘之间由于存在导线的牵扯，导致云台相对底盘只能在一定角度内相对摆动，因此，机器人在攻击状态下云台需要跟随目标，从而导致在攻击状态下底盘无法做大幅度摆动，只能实现平移运动，运动形式简单，这种运动模式容易被对方掌握运动规律并对关键部位进行打击，严重时会造成机器人的损坏。为了解决上述问题，目前已有一些解决方案，即通过导线滑环解决导线牵扯的问题，但滑环一般安装在云台驱动电机与云台之间，安装上滑环之后会使机器人高度增加，重心上升，使机器人的机动性严重下降，所以这种方案依然存在较大的缺陷。

同时，现有的射击机器人普遍具备巡检功能。随着巡检要求的提高，机器人巡检过程中能否360度无死角监控四周环境也成为评价机器人巡检能力的重要指标之一。而射击机器人的摄像头一般安装在射击机构的前端，由于云台摆动范围有限，若想做到360度无死角监控必须在移动过程中不断旋转底盘，使整个机器人在前进过程中360度旋转，然而这种运动方式消耗功率大，大幅减少了机器人的运行时间，同时对麦克纳姆轮的磨损也进一步增大。

发明内容

为了克服现有技术存在的各种不足，本发明提供一种云台与底盘均可360度旋转的移动射击机器人，该机器人的云台相对底盘可以实现360度无限制的旋转，实现巡检过程对四周环境的无死角监控，以及对移动目标的快速追踪和打击，同时提高机器人关键部件闪避攻击的能力，结构简单，适用范围广。

为了实现上述发明目的，本发明一种云台与底盘均可度旋转的移动射击机器人，包括底盘、云台、发射机构和电源模块，底盘包括车体和安装在车体底部的四个车轮；云台安装在底盘上，发射机构安装在云台上，电源模块设置在底盘上；

所述云台包括云台电机、云台支撑板、云台侧板和俯仰电机，云台电机为无刷电机，包括上转盘和下转盘，下转盘安装在车体上端底板上，上转盘固定在云台支撑板的下方，云台侧板固定在云台支撑板的两侧，俯仰电机安装在其中一侧云台侧板的上端；

发射机构包括弹舱、弹舱盖控制舵机、弹舱盖、枪管和子弹发射检测模块，所述俯仰电机的摆动输出端与弹舱底部固定，弹舱盖控制舵机安装在弹舱的另一侧并控制弹舱盖的启闭，枪管连接在弹舱的出弹口，子弹发射检测模块套装枪管的前端。

所述云台电机中的下转盘即无刷电机的定子，上转盘即无刷电机的转子，利用半导体开关器件来实现电子换向的，即用电子开关器件代替传统的接触式换向器和电刷，由于没有导线的牵扯和机械结构的干涉，云台能够实现360度无限制的转动；云台的上下摆动由俯仰电机控制，上下俯仰角可达到±30度，保证机器人有广泛的视野和无死角的攻击范围。

进一步的，弹舱内设有子弹拨弹机构，枪管的两侧对称地开设有缺口，且枪管两侧缺口处对称地安装有摩擦轮，摩擦轮由安装在摩擦轮上端的摩擦轮电机驱动两个摩擦轮反向高速旋转；子弹拨弹机构包括拨齿、拨盘和拨齿电机，拨齿电机安装在拨盘的底部，拨齿电机的转轴伸入拨盘内并与拨齿相连。

进一步的，车轮为麦克纳姆轮，车体下端安装有悬挂机构，悬挂机构包括减震器，电机座和电机，电机安装在电机座内，电机的输出轴与麦克纳姆轮相连，减震器下端铰接在电机座一端，减震器上端通过铰接座连接在车体的底部，电机座另一端通过合页或者铰接座铰接在车体的底部。

电机座与车体之间、电机座与减震器之间均为转动连接，减震器相较于重力方向有一定倾角。当机器人通过不平整路面时，电机座会因颠簸而沿着前端铰接部位转动，并将颠簸产生的冲击力传递给减震器，从而有效缓解颠簸，提高机器人运动的平顺度。

通过电机可控制每个麦克纳姆轮的转速，实现机器人向不同方位的移动，从而达到全方位移动的能力。

进一步的，云台支撑板上设有嵌入式电脑，摄像头安装在子弹发射检测模块的上方，子弹发射检测模块正下方设有激光发射器，通过子弹发射检测模块能够检测是否有子弹射出，确保机器人或操作人员能够知道射击动作是否完成，激光发射器可在人工操作射击时起到辅助瞄准的作用；摄像头上方安装有图像传输模块，摄像头拍摄的影像传输至嵌入式电脑或者通过图像传输模块传输至监控室，嵌入式电脑识别图片中的标志从而自动规划机器人的巡检路径；嵌入式电脑内的主控板分别发出控制指令至车轮电机驱动板、摩擦轮电机、拨齿电机、云台电机驱动板以及俯仰电机驱动板。

云台电机的中心开设有通孔，通孔内安装有导电滑环。

导电滑环是利用导电环的滑动接触、静电耦合或电磁耦合，在固定座架转动部件与滚动或滑动部件之间传递电信号和电能传递的精密输电装置，机器人通过导电滑环可以实现云台与底盘之间数据信号及动力传递，同时避免传统导线对云台转动的限制，可以实现云台底盘相对的无限制转动。

云台电机内安装有磁性角度编码器。所述编码器用于感知底盘与云台之间的相对位置，从而在制过程中保证机器人的动作精度。

所述电源模块包括电池和电池架；电池通过卡扣固定在电池架内，电池架固定在车体上。所述电池作为机器人的供电部件，分别为嵌入式电脑以及各控制电机等设备提供电源。

底盘的四周还分别设有与车体相连的保护机构，车轮两侧的保护机构的结构为挡在车轮外部的框架，悬挂结构前后两端的保护机构的结构为挡在悬挂机构外侧的挡板。

本发明相对于现有技术，具有如下的优点及效果：

1)机器人云台能够相对底盘进行无限制的360度旋转，使得云台运动不受底盘限制，有效提高云台运动的灵活性和追踪目标的能力；

2)机器人在巡检过程中可保持云台360度旋转，利用固定在发射机构上的摄像头即可实现360度无死角监视机器人四周环境，结构简单紧凑；

3)通过云台和底盘转动速度的叠加实现云台的快速转动，使得云台追踪目标的能力进一步提升。

附图说明

图1为本发明结构爆炸示意图；

图2为本发明实施例的悬挂结构示意图；

图3为本发明实施例的发射机构局部结构示意图；

图4为本发明实施例的全视角巡检模式运动示意图；

图5为本发明实施例的电控结构示意图；

图中：1、车轮；2、悬挂机构；2-1、减震器；2-2、电机座；2-3、电机；2-4、合页；2-5、铰接座；3、保护机构；4、车体；5、云台电机；5-1、上转盘；5-2、下转盘；6、云台支撑板；7、嵌入式电脑；8、云台侧板；9、俯仰电机；10、弹舱；11、控制舵机；12、弹舱盖；13、枪管；14、摄像头；15、摩擦轮；16、摩擦轮电机；17、激光；18、子弹发射检测模块；19、图像传输模块；20、拨齿；21、拨盘；22、拨弹电机；23、电池；24、电池架。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做详细的阐述。

如图1所示，一种云台与底盘均可360度旋转的移动射击机器人，包括底盘、云台、发射机构和电源模块，底盘包括车体4和安装在车体底部的四个车轮1；云台安装在底盘上，发射机构安装在云台上，电源模块设置在底盘上；

所述云台包括云台电机5、云台支撑板6、云台侧板8和俯仰电机9，云台电机5为无刷电机，包括上转盘5-1和下转盘5-2，下转盘5-2安装在车体4上端底板上，上转盘5-1固定在云台支撑板6的下方，云台侧板8固定在云台支撑板6的两侧，俯仰电机9安装在其中一侧云台侧板8的上端；

发射机构包括弹舱10、弹舱盖控制舵机11、弹舱盖12、枪管13和子弹发射检测模块18，所述俯仰电机9的摆动输出端与弹舱10底部固定，弹舱盖控制舵机11安装在弹舱10的另一侧并控制弹舱盖12的启闭，枪管13连接在弹舱10的出弹口，子弹发射检测模块8套装枪管13的前端。

所述云台电机5中的下转盘5-2即无刷电机的定子，上转盘5-1即无刷电机的转子，利用半导体开关器件来实现电子换向的，即用电子开关器件代替传统的接触式换向器和电刷，由于没有导线的牵扯和机械结构的干涉，云台能够实现360度无限制的转动；云台的上下摆动由俯仰电机9控制，上下俯仰角可达到±30度，保证机器人有广泛的视野和无死角的攻击范围。

如图1和图3所示，进一步的，弹舱10内设有子弹拨弹机构，枪管13的两侧对称地开设有缺口，且枪管13两侧缺口处对称地安装有摩擦轮15，摩擦轮15由安装在摩擦轮上端的摩擦轮电机16驱动两个摩擦轮反向高速旋转；子弹拨弹机构包括拨齿20、拨盘21和拨齿电机22，拨齿电机22安装在拨盘21的底部，拨齿电机22的转轴伸入拨盘21内并与拨齿20相连。

如图1所示，车轮1为麦克纳姆轮，车体下端安装有悬挂机构2，悬挂机构2包括减震器2-1，电机座2-2和电机2-3，电机2-3安装在电机座2-2内，电机2-3的输出轴与麦克纳姆轮相连，减震器2-1下端铰接在电机座2-2一端，减震器2-1上端通过铰接座2-5连接在车体4的底部，电机座2-2另一端通过合页2-4或者铰接座铰接在车体4的底部。

电机座2-2与车体4之间、电机座2-2与减震器2-1之间均为转动连接，减震器2-1相较于重力方向有一定倾角。当机器人通过不平整路面时，电机座2-2会因颠簸而沿着前端铰接部位转动，并将颠簸产生的冲击力传递给减震器2-1.从而有效缓解颠簸，提高机器人运动的平顺度。

通过电机2-3可控制每个麦克纳姆轮的转速，实现机器人向不同方位的移动，从而达到全方位移动的能力。

如图1和图5所示，云台支撑板6上设有嵌入式电脑7，摄像头14安装在子弹发射检测模块18的上方，子弹发射检测模块18正下方设有激光发射器17，通过子弹发射检测模块18能够检测是否有子弹射出，确保机器人或操作人员能够知道射击动作是否完成，激光发射器17可在人工操作射击时起到辅助瞄准的作用；摄像头14上方安装有图像传输模块19，摄像头14拍摄的影像传输至嵌入式电脑7或者通过图像传输模块19传输至监控室，嵌入式电脑17识别图片中的标志从而自动规划机器人的巡检路径；嵌入式电脑17内的主控板分别发出控制指令至车轮电机2-3驱动板、摩擦轮电机16、拨齿电机22、云台电机5驱动板以及俯仰电机9驱动板。

云台电机5的中心开设有通孔，通孔内安装有导电滑环。

导电滑环是利用导电环的滑动接触、静电耦合或电磁耦合，在固定座架转动部件与滚动或滑动部件之间传递电信号和电能传递的精密输电装置，机器人通过导电滑环可以实现云台与底盘之间数据信号及动力传递，同时避免传统导线对云台转动的限制，可以实现云台底盘相对的无限制转动。

云台电机5内安装有磁性角度编码器。所述编码器用于感知底盘与云台之间的相对位置，从而在制过程中保证机器人的动作精度。

如图1所示，所述电源模块包括电池23和电池架24；电池23通过卡扣固定在电池架24内，电池架24固定在车体4上。所述电池作为机器人的供电部件，分别为嵌入式电脑以及各控制电机等设备提供电源。

底盘的四周还分别设有与车体4相连的保护机构3，车轮1两侧的保护机构3的结构为挡在车轮外部的框架，悬挂结构2前后两端的保护机构3的结构为挡在悬挂机构外侧的挡板。

现结合附图对本发明工作过程做详细的阐述：

如图1至图5所示，机器人底盘平移和旋转时，嵌入式电脑7内的主控板对得到的指令数据进行计算，计算出每个驱动电机对应的转速，主控板通过CAN总线将电机的控制数据发送给电机驱动板，由电机驱动板实现对电机的精确控制，保证机器人的运动精度，利用麦克纳姆轮的特性，控制每个车轮的转速，即可实现机器人向不同方位的移动，从而达到全方位移动的能力；

机器人云台为两自由度云台，云台的摆动由云台电机5控制，云台的上下摆动由俯仰电机9控制，主控板对得到的指令进行计算，通过CAN总线将云台电机和俯仰电机需要的动作发送给两个电机对应的电机驱动板，由电机驱动板对电机的动作进行闭环控制，以实现对云台运动的精准控制。

机器人在跟踪目标时，云台和底盘可以同时向目标方向旋转，底盘转动的最大速度为ω₁，云台电机5的最大转速为ω₂，此时云台的转动速度为(ω₁+ω₂)，因此可以实现对目标的快速跟踪与瞄准；由于云台转速快于底盘，在云台锁定目标后，云台电机5提供与底盘转速相反的转速-ω₁，此时云台保持静止的状态，底盘将继续转动直到底盘追踪上云台为止；底盘与云台之间的相对位置关系通过安装在云台电机5内的磁性角度编码器感知，控制过程中使用PID控制保证机器人的动作精度。

当机器人接受到发射指令时，子弹拨弹电机21旋转一定角度，与电机直连的拨盘20也随之转动，此时位于拨盘21拨齿20之间的BB弹将被向前推入枪管13中，BB弹经过枪管13两侧的摩擦轮15的挤压和加速后，经过枪管射出。摩擦轮15的转速可以情况进行调节，转速越高对目标的攻击力也越大。

配合上述的工作过程，机器人共有几种工作模式，可根据实际情况需求选择不同的工作模式。

攻击模式：操作人员通过电脑上的配套软件对机器人进行实时控制，其控制方式与传统的第一人称射击游戏操作方式类似，可以使操作人员快速上手。当目标快速移动时，操作人员只需移动鼠标，云台便会跟随目标进行瞄准。由于云台可以实现无限制的360度旋转，所以机器人能够在不移动底盘的情况下通过云台实现对目标的追踪和射击，从而极大的提高了机器人对目标的跟踪能力和反应速度。

巡检模式：摄像头14实时采集路面情况，并将图像数据传送至嵌入式电脑7中，嵌入式电脑7识别图片中的标志从而自动规划机器人的巡检路径；在巡检过程中，图像传输模块19会将机器人当前的画面实时传回监控室，保证相关人员能够随时了解机器人的情况。当遇到障碍时或路面标识遭到破坏时，机器人将发出警报，并由相关人员手动操作。

全视角巡检模式：如图4所示，底盘将按照预定路线前进，借助底盘内的惯性传感器实现对机器人的位置判断；运动时，云台将相对的与底盘进行360度旋转，借助摄像头14实现对机器人周围360度的无死角自动检测，同样的，也可在云台内设置雷达，雷达在和云台一同转动的过程中实现对四周环境的扫描。当扫描到障碍物时，机器人将重新规划路径，避开障碍物的影响，扫描的画面将实时传回监控室，以保证相关人员能随时了解机器人的情况。

手动模式：操作人员可以使用电脑对机器人进行远程操作，操作方式简单通用，无需额外的学习成本。机器人当前的视角将有图像传输模块传送回操作人员的电脑中，从而保证操作人员实时了解机器人所处的情况，以便第一时间做出处理。

Claims (8)

1.一种云台与底盘均可360度旋转的移动射击机器人，包括底盘、云台、发射机构和电源模块，底盘包括车体(4)和安装在车体底部的四个车轮(1)；云台安装在底盘上，发射机构安装在云台上，电源模块设置在底盘上；其特征在于，

所述云台包括云台电机(5)、云台支撑板(6)、云台侧板(8)和俯仰电机(9)，云台电机(5)为无刷电机，包括上转盘(5-1)和下转盘(5-2)，下转盘(5-2)安装在车体(4)上端底板上，上转盘(5-1)固定在云台支撑板(6)的下方，云台侧板(8)固定在云台支撑板(6)的两侧，俯仰电机(9)安装在其中一侧云台侧板(8)的上端；

发射机构包括弹舱(10)、弹舱盖控制舵机(11)、弹舱盖(12)、枪管(13)和子弹发射检测模块(18)，所述俯仰电机(9)的摆动输出端与弹舱(10)底部固定，弹舱盖控制舵机(11)安装在弹舱(10)的另一侧并控制弹舱盖(12)的启闭，枪管(13)连接在弹舱(10)的出弹口，子弹发射检测模块(8)套装枪管(13)的前端。

2.根据权利要求1所述的云台与底盘均可360度旋转的移动射击机器人，其特征在于，弹舱(10)内设有子弹拨弹机构，枪管(13)的两侧对称地开设有缺口，且枪管(13)两侧缺口处对称地安装有摩擦轮(15)，摩擦轮(15)由安装在摩擦轮上端的摩擦轮电机(16)驱动两个摩擦轮反向高速旋转；子弹拨弹机构包括拨齿(20)、拨盘(21)和拨齿电机(22)，拨齿电机(22)安装在拨盘(21)的底部，拨齿电机(22)的转轴伸入拨盘(21)内并与拨齿(20)相连。

3.根据权利要求2所述的云台与底盘均可360度旋转的移动射击机器人，其特征在于，车轮(1)为麦克纳姆轮，车体下端安装有悬挂机构(2)，悬挂机构(2)包括减震器(2-1)，电机座(2-2)和电机(2-3)，电机(2-3)安装在电机座(2-2)内，电机(2-3)的输出轴与麦克纳姆轮相连，减震器(2-1)下端铰接在电机座(2-2)一端，减震器(2-1)上端通过铰接座(2-5)连接在车体(4)的底部，电机座(2-2)另一端通过合页(2-4)或者铰接座铰接在车体(4)的底部。

4.根据权利要求1至3任一权利要求所述的云台与底盘均可360度旋转的移动射击机器人，其特征在于，云台支撑板(6)上设有嵌入式电脑(7)，摄像头(14)安装在子弹发射检测模块(18)的上方，子弹发射检测模块(18)正下方设有激光发射器(17)，摄像头(14)上方安装有图像传输模块(19)；摄像头(14)拍摄的影像传输至嵌入式电脑(7)或者通过图像传输模块(19)传输至监控室，嵌入式电脑识别图片中的标志从而自动规划机器人的巡检路径；嵌入式电脑(17)内的主控板分别发出控制指令至车轮电机(2-3)驱动板、摩擦轮电机(16)、拨齿电机(22)、云台电机(5)驱动板以及俯仰电机(9)驱动板。

5.根据权利要求4所述的云台与底盘均可360度旋转的移动射击机器人，其特征在于，云台电机(5)的中心开设有通孔，通孔内安装有导电滑环。

6.根据权利要求5所述的云台与底盘均可360度旋转的移动射击机器人，其特征在于，云台电机(5)内安装有磁性角度编码器。

7.根据权利要求6所述的云台与底盘均可360度旋转的移动射击机器人，其特征在于，所述电源模块包括电池(23)和电池架(24)；电池(23)通过卡扣固定在电池架(24)内，电池架(24)固定在车体(4)上。

8.根据权利要求7所述的云台与底盘均可360度旋转的移动射击机器人，其特征在于，底盘的四周还分别设有与车体(4)相连的保护机构(3)，车轮(1)两侧的保护机构(3)的结构为挡在车轮外部的框架，悬挂结构(2)前后两端的保护机构(3)的结构为挡在悬挂机构外侧的挡板。