CN110355773A - 一种带外摆臂的滚动机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种带外摆臂的滚动机器人，现有的滚动机器人内置的摆动块产生的驱动力矩较小，驱动力不足，控制精度受影响的问题。本装置包括可滚动的壳体，所述壳体左右侧壁之间架设水平设置的主轴，主轴可相对壳体转动，主轴中心设有水平设置并与主轴相互垂直的副轴，副轴可自转并可随主轴转动，副轴两端悬空，且副轴两端的下方固定吊设有内摆动块，所述主轴的两端固定有设置在壳体之外的外摆臂。本发明在壳体外侧设置外摆臂，提升整体的驱动力矩，使机器人控制响应速度提升，且控制精度更加稳定；探测装置挂接在外摆臂上，不仅拆装更加方便，具有更大的探测角度和探测范围；外摆臂上将探测装置集中布置在左右方向的中部，更有利于行走和转弯的稳定性。
Description
技术领域
本发明属于智能机器人领域，涉及一种钟摆式的滚动机器人，特别涉及一种带外摆臂的滚动机器人。
背景技术
机器人是一种通过手动或者自动控制，模拟人类完成各种指令的一种智能化装置。机器人可以代替人体进行各种复杂精细的操作，也可以代替人类进入复杂、危险的环境进行探索作业，保证人员安全。现有的机器人有固定设置、在一定区域范围内进行操作的固定式机器人，也有可移动的，通过机械腿、履带、滚轮等结构实现机器人的行走移动。移动式机器人可以代替人类进入一些复杂、危险的场景，如有毒害气体的空间、火场等，采集信号，指导救援。
滚动机器人是移动式机器人的一种，球形机器人的壳体可以是任何适合滚动的形状，如圆球形、椭球型、鼓型、面数较多的多面体型等等，其依靠壳体自身的滚动行进。如本申请人2018年10月29日提交的中国专利，申请号为2018112678220，名称为一种全景信息采集滚动机器人，该装置在壳体左右侧壁之间架设水平设置的主轴，所述壳体为以主轴为轴线的回转体，所述主轴中心设有水平设置并与主轴相互垂直的副轴，副轴两端悬空，且副轴两端的下方吊设有摆动块，在主轴的两端分别设置摄像头，透过壳体获取壳体两侧前后的图像进行拼合，在机器人行进过程中获取周围环境的全景信息。该装置机器人的行进、转弯通过设置在壳体内的摆动块摆动实现，内置的摆动块产生的驱动力矩较小，驱动力不足，控制精度受影响；内置的摄像头受壳体结构限制，可视角度受限，位置设置要求较高。
发明内容
本发明的目的在于针对现有的滚动机器人内置的摆动块产生的驱动力矩较小，驱动力不足，控制精度受影响的问题，提供一种带外摆臂的滚动机器人。本装置还解决了内置的摄像头受壳体结构限制，可视角度受限，位置设置要求较高的问题。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种带外摆臂的滚动机器人，包括可滚动的壳体，其特征在于：所述壳体左右侧壁之间架设水平设置的主轴，主轴可相对壳体转动，主轴中心设有水平设置并与主轴相互垂直的副轴，副轴可自转并可随主轴转动，副轴两端悬空，且副轴两端的下方固定吊设有内摆动块，所述主轴的两端固定有设置在壳体之外的外摆臂。本装置中内摆动块和外摆臂均可随主轴前后摆动，改变内摆动块和外摆臂的重心位置，使内摆动块和外摆臂的重心位置朝前摆动，则壳体朝前行走，反之内摆动块和外摆臂的重心位置朝后摆动，则壳体朝后行走；当壳体中线两侧为弧面时，内摆动块还可以随副轴左右摆动，使内摆动块的重心向一侧偏移，使壳体在前后行走的同时向一侧倾斜，利用壳体的弧面完成转弯。传统方案中，作为驱动件的摆动块仅为内摆动块，探测装置设置在主轴或者壳体上，成为负载。内摆动块受壳体内部空间的限制，力臂长度受限，导致驱动力矩受限，而且壳体自重和壳体内其他机构的自重均属于负载，相比内摆动块的力矩，负载比重大，机器人的响应速度受到影响较大，且控制精度也会受到一定的影响。本方案中，作为驱动件的摆动块包括内摆动块、外摆臂以及设置在外摆臂上的探测装置，在壳体外侧设置外摆臂及外摆臂上的探测装置附件，外摆臂的力臂长度突破了壳体内部空间的限制，可以离壳体的球心更远，可以提升整体的驱动力矩，使机器人控制响应速度提升，且控制精度更加稳定。另外，外摆臂的存在使机器人有着外置的悬挂空间，可以将相机、摄像头、雷达等探测装置挂接在外摆臂上，不仅拆装更加方便，而且外挂的探测装置不受壳体的阻挡限制，具有更大的探测角度和探测范围，并且探测装置可以作为驱动件而不是负载，提高滚动机器人可摆动的驱动件的质量占比，改善控制性能。壳体内置的探测装置需要靠主轴两端设置，以获得更好的探测角度，或者嵌设在壳体上随壳体转动，这些安装方式导致壳体的重量往两侧分散，不利于横向的重心稳定，行走和转弯控制稳定性变差；本装置外摆臂上可以将探测装置集中布置在左右方向的中部，使机器人的重心集中在中部，更有利于行走和转弯的稳定性。行走时，外摆臂的摆动角度小且基本稳定，外摆臂上的探测装置可以获得一个相对稳定的搭载平台，获取的信息稳定。
作为优选，所述外摆臂为连接主轴两端的一体结构、或者为在主轴两端分体设置的分体结构。主轴两端的外摆臂可以为分体也可以为一体结构，只要保证两侧外摆臂的重心平衡即可。
作为优选，所述外摆臂可以设置一个或者多个，所述外摆臂的重心位于壳体的中垂线上。
作为优选，所述外摆臂为连接主轴两端的半环形或半方框型，所述外摆臂的中部设有云台，所述云台上设置有探测装置。
作为优选，所述探测装置为相机、摄像头、雷达中的一种或多种。
作为优选，所述云台的一侧设有控制云台转动的云台电机。
作为优选，所述主轴上设有主轴驱动装置，所述主轴和副轴的交叉处设置有副轴驱动装置。
作为优选，主轴驱动装置包括一个主轴驱动电机，所述主轴驱动电机偏置固定在主轴上，主轴驱动电机轴线和主轴轴线平行，主轴驱动电机和主轴上分别设置有相互啮合的主轴驱动齿轮，主轴驱动电机输出端设有减速器，所述副轴驱动装置包括设置在主轴上的副轴驱动电机，副轴驱动电机和副轴上分别设有相互啮合的副轴驱动齿轮，副轴驱动电机输出端设有减速器。主轴驱动电机启动时候产生一个相对于主轴偏置的力矩，使主轴转动。
作为优选，所述壳体为左右对称结构，壳体环绕主轴的环周中部为前后方向运动的圆环形主滚道。主滚道可以采用高强度耐磨材料制成。
作为优选，所述壳体为球形、椭球形、横置的圆柱型或者鼓型。壳其中，球形、椭球形或者鼓型在主滚道的两侧均为弧形过度，便于转弯，圆柱型的壳体适用以前后运动为主的极端情况。壳体也可为拟合为球形、椭球型、圆柱型、鼓型的多面体结构，只要面数足够多，如30面体，也可达到滚动的效果，这种改变应视为球形、椭球型、圆柱型、鼓型的等同替换。
本发明在壳体外侧设置外摆臂，外摆臂的力臂长度突破了壳体内部空间的限制，可以提升整体的驱动力矩，使机器人控制响应速度提升，且控制精度更加稳定；外摆臂的存在使机器人有着外置的悬挂空间，可以将相机、摄像头、雷达等探测装置挂接在外摆臂上，不仅拆装更加方便，而且外挂的探测装置不受壳体的阻挡限制，具有更大的探测角度和探测范围；外摆臂上可以将探测装置集中布置在左右方向的中部，使机器人的重心集中在中部，更有利于行走和转弯的稳定性。
附图说明
图1是本发明的球形壳体结构示意图。
图2是本发明的椭球型壳体结构示意图。
图3是本发明的圆柱型壳体结构示意图。
图4是本发明的鼓型壳体结构示意图。
图5是本发明的球形壳体内部静止状态正视结构示意图。
图6是本发明的球形壳体静止状态俯视结构示意图。
图7是本发明的球形壳体内部转弯状态正视结构示意图。
图8是本发明的球形壳体前进状态侧视结构示意图。
图中：1、壳体，2、主轴，3、副轴，4、内摆动块，5、主轴驱动装置，6、副轴驱动装置，7、外摆臂，8、工业相机，9、激光雷达，10、云台电机。
具体实施方式
下面通过具体实施例并结合附图对本发明进一步说明。
实施例：一种带外摆臂的滚动机器人，如图5-8所示。本装置包括可滚动的壳体1，壳体为环绕水平主轴的回转体结构，壳体可以为图1所示的球形，也可以为图2所示的椭球型，也可以为图3所示的圆柱型，也可以为图4所示的鼓型等等。所述壳体1左右侧壁之间架设水平设置的主轴2，主轴可相对壳体转动，主轴两端与壳体采用轴承可转动连接。壳体为左右对称结构，壳体环绕主轴的环周中部为前后方向运动的圆环形主滚道。
如图5、7所示，主轴2中心设有水平设置并与主轴相互垂直的副轴3，副轴可自转并可随主轴转动，副轴两端悬空，且副轴两端的下方固定吊设有内摆动块3，内摆动块与副轴不可相对转动。所述主轴2上设有主轴驱动装置5，所述主轴2和副轴3的交叉处设置有副轴驱动装置6。主轴驱动装置包括一个主轴驱动电机，所述主轴驱动电机固定吊设在主轴的下方，主轴驱动电机轴线和主轴轴线相互平行，主轴驱动电机和主轴上分别设置有相互啮合的主轴驱动齿轮，构成传递扭矩的主轴驱动齿轮组，主轴驱动电机输出端设有减速器，所述副轴驱动装置包括设置在主轴上的副轴驱动电机，副轴驱动电机和副轴上分别设有相互啮合的副轴驱动齿轮，构成传递副轴转动扭矩的副轴驱动齿轮组，副轴驱动电机输出端设有减速器。
如图6、8所述主轴的两端固定有设置在壳体1之外的外摆臂7。外摆臂7的重心位置位于壳体中线，外摆臂7可以为分体设置，左右对立且相互对称。本实施例中外摆臂7为连接主轴两端的半环形一体设置，外摆臂也可以设置为连接主轴两端的半框型，半框型结构与半环形功能一致，本领域技术人员可以轻松类比，在此不做展开，应视为等同替换。所述外摆臂的中部设有云台，所述云台上设置有探测装置。探测装置包括工业相机8、激光雷达9，云台还包括云台电机10，在外摆臂摆动时，云台电机可以随之转动，调节工业相机8、激光雷达9角度，保持最佳设置角度、更好的获取信息。
壳体内还设置控制系统，控制系统包括用于检测机器人和驱动系统的即时动态的动态状态传感器以及PID控制器，传感器包括GPS、至少一个陀螺仪，至少一个加速度传感器及码盘。GPS、陀螺仪、加速度传感器、PID控制器可以安装在主轴和副轴的交叉处，码盘安装在电机输出轴上。并且它们各自的检测数据通过有线或无线传输到控制单元或外部的远程计算机以供进一步处理。
具体的，控制系统包括三轴陀螺仪，三轴加速度传感器和三轴地磁计，即所谓的九轴传感器，以及与电机数量对应的码盘。因此，控制系统能够检测动态状态的任何变化，例如方向，速度，高度等的突然变化。
如图7、8所示，当滚动机器人需要前进或者后退时，主轴驱动装置带动主轴转动，副轴设置在主轴中部且两端悬空，因此副轴被主轴带动绕主轴转动一个角度，从而带动内摆动块向前或者向后摆动，同时外摆臂也随主轴向前或向后摆动，造成整体质心的前移或者后移，从而带动滚动机器人前进或者后退。当滚动机器人需要转弯时，主轴持续转动保持滚动机器人稳定前进或者后退，同时副轴驱动装置驱动副轴绕自身轴线转动，带动内摆动块向左侧或者右侧摆动，使整体质心向一侧偏移，使滚动机器人向一侧倾斜，从而实现转弯。
Claims (10)
1.一种带外摆臂的滚动机器人，包括可滚动的壳体，其特征在于：所述壳体左右侧壁之间架设水平设置的主轴，主轴可相对壳体转动，主轴中心设有水平设置并与主轴相互垂直的副轴，副轴可自转并可随主轴转动，副轴两端悬空，且副轴两端的下方固定吊设有内摆动块，所述主轴的两端固定有设置在壳体之外的外摆臂。
2.根据权利要求1所述的一种带外摆臂的滚动机器人，其特征在于：所述外摆臂为连接主轴两端的一体结构、或者为在主轴两端分体设置的分体结构。
3.根据权利要求1或2所述的一种带外摆臂的滚动机器人，其特征在于：所述外摆臂可以设置一个或者多个，所述外摆臂的重心位于壳体的中垂线上。
4.根据权利要求1或2所述的一种带外摆臂的滚动机器人，其特征在于：所述外摆臂为连接主轴两端的半环形或半方框型，所述外摆臂的中部设有云台，所述云台上设置有探测装置。
5.根据权利要求4所述的一种带外摆臂的滚动机器人，其特征在于：所述探测装置为相机、摄像头、雷达中的一种或多种。
6.根据权利要求4所述的一种带外摆臂的滚动机器人，其特征在于：所述云台的一侧设有控制云台转动的云台电机。
7.根据权利要求1或2所述的一种带外摆臂的滚动机器人，其特征在于：所述主轴上设有主轴驱动装置，所述主轴和副轴的交叉处设置有副轴驱动装置。
8.根据权利要求7所述的一种带外摆臂的滚动机器人，其特征在于：主轴驱动装置包括一个主轴驱动电机，所述主轴驱动电机偏置固定在主轴上，主轴驱动电机轴线和主轴轴线平行，主轴驱动电机和主轴上分别设置有相互啮合的主轴驱动齿轮，主轴驱动电机输出端设有减速器，所述副轴驱动装置包括设置在主轴上的副轴驱动电机，副轴驱动电机和副轴上分别设有相互啮合的副轴驱动齿轮，副轴驱动电机输出端设有减速器。
9.根据权利要求1或2所述的一种带外摆臂的滚动机器人，其特征在于：所述壳体为左右对称结构，壳体环绕主轴的环周中部为前后方向运动的圆环形主滚道。
10.根据权利要求1或2所述的一种带外摆臂的滚动机器人，其特征在于：所述壳体为球形、椭球形、横置的圆柱型或者鼓型。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination |