CN111347432A - 一种两轮驱动智能球形机器人 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种两轮驱动智能球形机器人。该两轮驱动智能球形机器人包括：第一半球和第二半球，第一半球和第二半球合成球体，所述球体用于作为机器人的主体；设置于所述球体内的底盘部件；设置于底盘部件上方的驱动装置，驱动装置包括驱动电机、第一驱动轮和第二驱动轮；支撑部件，包括支撑架和支撑导轮，支撑导轮与第一驱动轮及第二驱动轮形成多点支撑；搭载平台用于作为固定支撑部件及驱动装置的平台，从而使所述球体内的部件固定于同一平台；设置于所述搭载平台上的硬件系统，用于控制所述机器人进行运动功能或者互动功能。该两轮驱动智能球形机器人摒弃了常用的人形机器人模式、运动方式多样且设计成本较低。

Description

一种两轮驱动智能球形机器人

技术领域

本发明涉及机器人的技术领域，具体涉及一种两轮驱动的智能球形机器人。

背景技术

机器人技术作为20世纪以来最具创造性和最伟大的发明之一，在工业智能制造、批量生产和公众服务等方面发挥着越来越重要的作用，已成为一个国家科学技术和工业技术发展水平的重要标志之一。在众多种类机器人中，教育娱乐机器人的发展应用与学生的思维能力发展和动手实践能力等的培养密不可分，对其深入研究是顺应时代发展的潮流之举。

目前，教育娱乐机器人产品在本体研发上的差别不大，其技术研究主要集中于运动控制、导航与视觉识别、智能监控及人工智能等方向。虽然许多教育娱乐机器人提高了自主学习及人机交互能力，但其运动方式及外形设计仍存在着的同质化。教育娱乐机器人多以人形为参考，集成了运动机构、控制系统、语音系统、以及屏显或氛围灯等。市场上现有的教育娱乐机器人如：公子小白、巴巴腾、亿家智宝、勇艺达、智伴等。虽然在人工智能上性能优越，但仍存在以下不足：机器人运动方式单一，受运动环境限制；体积较大，外形设计同质化，无法调动儿童学习兴趣；成本高，控制、语音系统性能参差不齐，有些能听懂人类指令，有些只能够进行语音内容提示。

针对现有技术中教育娱乐机器人所存在运动方式单一、外形设计同质化及成本高等问题，急需一种运动方式多样、操作方式简单、外形能够提升儿童兴趣且成本较低的机器人。

发明内容

针对现有技术中教育娱乐机器人所存在运动方式单一、操作方式复杂、外形设计同质化及成本高等问题，本发明实施例提出一种两轮驱动的智能球形机器人。该两轮驱动的智能球形机器人摒弃了常用的人形机器人模式、运动方式多样且设计成本较低。

该双轮驱动的智能球形机器人的具体方案如下：一种两轮驱动智能球形机器人，其特征在于，所述机器人包括：第一半球和第二半球，所述第一半球和第二半球合成球体，所述球体用于作为机器人的主体；底盘部件，设置于所述球体内；驱动装置，包括驱动电机、第一驱动轮和第二驱动轮，设置于所述底盘部件上方；支撑部件，包括支撑架和支撑导轮，所述支撑导轮与所述第一驱动轮及第二驱动轮形成多点支撑；搭载平台，用于作为固定所述支撑部件及所述驱动装置和搭载硬件系统的平台，从而使所述球体内的部件固定于同一平台；硬件系统，设置于所述搭载平台上，用于控制所述机器人进行运动功能或者互动功能。

优选地，所述支撑导向轮包括第一支撑导向轮和第二支撑导向轮，所述第一支撑导向轮、第二支撑导向轮、第一驱动轮和第二驱动轮形成四点支撑，所述四点支撑处于同一球形工作面上。

优选地，所述第一驱动轮和所述第二驱动轮分别与所述球体的内壁接触，将驱动轮的加速度增量传递到所述球体的内壁工作面上。

优选地，所述硬件系统包括主控制器板、电池和无线充电模块、伺服电机驱动模块、智能语音模块、姿态采集模块、蓝牙通信模块及LED氛围灯。

优选地，所述主控制板为ARM Cortex-A系列微处理器。

优选地，所述电池和无线充电模块设置于所述球形机器人的球体底部。

优选地，所述伺服电机驱动模块包括直流减速电机及霍尔码盘传感器，以实时监测和控制驱动电机的运动状态。

优选地，所述智能语音模块包括麦克风阵列、扬声器和语音处理单元。

优选地，所述姿态采集模块包括三轴MES陀螺仪、加速度计及磁强计，以采集球形机器人的球体姿态。

优选地，所述硬件系统中的控制单元采用PID控制算法，在所述PID控制算法中将球形机器人的球体的俯仰角、航向角作为反馈环控制量。

从以上技术方案可以看出，本发明实施例具有以下优点：

本发明实施例所提供的两轮驱动智能球形机器人摒弃了教育娱乐机器人传统意义上的“人形结构”，采用球形结构配合LED氛围灯渲染，设计简单更益于儿童兴趣培养。本发明实施例所提供的两轮驱动智能球形机器人相比于常规的球形机器人改变重心的驱动方式，采用两轮驱动方式，运动更加灵活，控制更加简单，稳定性更高本发明实施例所提供的两轮驱动智能球形机器人的上位机选用移动终端，开发平台、技术更加成熟，且增加了智能语音系统，提供了人机交互功能。

附图说明

图1为本发明实施例中提供的两轮驱动智能球形机器人的结构示意图；

图2为图1所示实施例中硬件系统的结构示意图；

图3为图1所示实施例主板控制器的PID控制的流程示意图。

附图中标号说明：

100、球形机器人 11、第一半球 13、第二半球

2、支撑架 31、第一支撑轮 33、第二支撑轮

4、搭载平台 5、电机槽 61、第一驱动轮

62、第二驱动轮 7、直流减速电机 8、底盘

9、硬件系统 90、主控制器板 91、惯性导航模块

92、蓝牙通信模块 93、电源模块 94、电机驱动模块

95、扬声器 96、麦克风阵列 200、移动终端

97、无线充电模块

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”“第四”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的实施例能够以除了在这里图示或描述的内容以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

如图1所示，本发明实施例中提供的两轮驱动智能球形机器人的结构示意图。一种两轮驱动智能球形机器人100包括：第一半球11和第二半球13，第一半球11和第二半球13合成球体，所述球体用于作为机器人100的主体；设置于所述球体内的底盘部件8；设置于底盘部件8上方的驱动装置，驱动装置包括驱动电机、第一驱动轮61和第二驱动轮63；支撑部件，包括支撑架2和支撑导轮，支撑导轮与第一驱动轮61及第二驱动轮63形成多点支撑；搭载平台4用于作为固定支撑部件及驱动装置和搭载硬件系统9的平台，从而使所述球体内的部件固定于同一平台；设置于所述搭载平台上的硬件系统9，用于控制所述机器人进行运动功能或者互动功能。

继续参照图1，在该实施例中，支撑导向轮包括第一支撑导向轮31和第二支撑导向轮32。第一支撑导向轮31、第二支撑导向轮32、第一驱动轮61和第二驱动轮63形成四点支撑，所述四点支撑处于同一球形工作面上。通过同一球形工作面上的四点支撑，有效地增强了球形机器人100在运动过程中的稳定性。

第一驱动轮61和第二驱动轮63分别与所述球体的内壁接触，将驱动轮的加速度增量传递到所述球体的内壁工作面上。第一驱动轮61和第二驱动轮63分别由一个驱动电机进行驱动，硬件系统9中的主控器板90通过控制两个驱动电机的转矩及转速实现直线及转弯运动。

继续参照图1，球形机器人100还可以包括直流减速电机7和用于固定直流减速电机7的电机槽5。电机槽5设置于搭载平台4的下方，且与底盘8连接。

如图2所示，图1所示实施例中硬件系统的结构示意图。在图2所示实施例中，硬件系统9包括主控制器板90、电池模块93、无线充电模块97、电机驱动模块94、智能语音模块、姿态采集模块、蓝牙通信模块93及LED氛围灯。

主控制器板90具体可以采用型号为ARM Cortex-A系列微处理器。ARM Cortex-A系列微处理器的性价比较高，支持ARM32或64位指令集，完全兼容早期的ARM处理器，可提供经济有效的高性能配置。

在该实施例中，电池模块93和无线充电模块97设置于所述球形机器人100的球体底部。球形机器人100采用球形密封结构，电池模块93和无线充电模块97置于球体底部，可以有效地降低重心，并且使得无线充电更加便捷。

电机驱动模块94包括减速电机7及霍尔码盘传感器，以实时监测和控制驱动电机的运动状态。霍尔码盘传感器可以实时检测驱动电机的运动状态，减速电机7可以有效地将第一驱动轮61和第二驱动轮63的驱动力降低。

继续参照图2所示，智能语音模块包括麦克风阵列96、扬声器95和语音处理单元。智能语音模块可以与移动终端200连接，从而获取云资讯，并通过扬声器95和麦克风阵列96形成语音互动。

继续参照图2所示，姿态采集模块包括三轴MES陀螺仪、加速度计及磁强计，以采集球形机器人的球体姿态。三轴MES陀螺仪、加速度计及磁强计通过多种惯性检测方式，可以精确地采集球形机器人100的球体姿态。

蓝牙通信模块93连接了主控制器板90及移动终端200。蓝牙通信模块93通过无线方式在主控制器板90及移动终端200之间进行数据传输。

硬件系统中9的控制单元采用PID控制算法，在所述PID控制算法中将球形机器人的球体的俯仰角、航向角作为反馈环控制量。

如图3所示，图1所示实施例主板控制器的PID控制的流程示意图。PID控制算法可以有效地实现对球形机器人100的平衡、航向及位置控制。在图3所示实施例中，PID控制算法的反馈环控制量包括俯仰角、航向角。

本发明实施例所提供的两轮驱动智能球形机器人摒弃了教育娱乐机器人传统意义上的“人形结构”，采用球形结构配合LED氛围灯渲染，设计简单更益于儿童兴趣培养。

本发明实施例所提供的两轮驱动智能球形机器人相比于常规的球形机器人改变重心的驱动方式，采用两轮驱动方式，运动更加灵活，控制更加简单，稳定性更高本发明实施例所提供的两轮驱动智能球形机器人的上位机选用移动终端，开发平台、技术更加成熟，且增加了智能语音系统，提供了人机交互功能。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种两轮驱动智能球形机器人，其特征在于，所述机器人包括：

第一半球和第二半球，所述第一半球和第二半球合成球体，所述球体用于作为机器人的主体；

底盘部件，设置于所述球体内；

驱动装置，包括驱动电机、第一驱动轮和第二驱动轮，设置于所述底盘部件上方；

支撑部件，包括支撑架和支撑导轮，所述支撑导轮与所述第一驱动轮及第二驱动轮形成多点支撑；

搭载平台，用于作为固定所述支撑部件及所述驱动装置和搭载硬件系统的平台，从而使所述球体内的部件固定于同一平台；

硬件系统，设置于所述搭载平台上，用于控制所述机器人进行运动功能或者互动功能。

2.根据权利要求1所述的一种两轮驱动智能球形机器人，其特征在于，所述支撑导向轮包括第一支撑导向轮和第二支撑导向轮，所述第一支撑导向轮、第二支撑导向轮、第一驱动轮和第二驱动轮形成四点支撑，所述四点支撑处于同一球形工作面上。

3.根据权利要求1所述的一种两轮驱动智能球形机器人，其特征在于，所述第一驱动轮和所述第二驱动轮分别与所述球体的内壁接触，将驱动轮的加速度增量传递到所述球体的内壁工作面上。

4.根据权利要求1所述的一种两轮驱动智能球形机器人，其特征在于，所述硬件系统包括主控制器板、电池和无线充电模块、伺服电机驱动模块、智能语音模块、姿态采集模块、蓝牙通信模块及LED氛围灯。

5.根据权利要求4所述的一种两轮驱动智能球形机器人，其特征在于，所述主控制板为ARM Cortex-A系列微处理器。

6.根据权利要求4所述的一种两轮驱动智能球形机器人，其特征在于，所述电池和无线充电模块设置于所述球形机器人的球体底部。

7.根据权利要求4所述的一种两轮驱动智能球形机器人，其特征在于，所述伺服电机驱动模块包括直流减速电机及霍尔码盘传感器，以实时监测和控制驱动电机的运动状态。

8.根据权利要求4所述的一种两轮驱动智能球形机器人，具特征在于，所述智能语音模块包括麦克风阵列、扬声器和语音处理单元。

9.根据权利要求4所述的一种两轮驱动智能球形机器人，其特征在于，所述姿态采集模块包括三轴MES陀螺仪、加速度计及磁强计，以采集球形机器人的球体姿态。

10.根据权利要求1所述的一种两轮驱动智能球形机器人，其特征在于，所述硬件系统中的控制单元采用PID控制算法，在所述PID控制算法中将球形机器人的球体的俯仰角、航向角作为反馈环控制量。

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