CN112249183B - 一种类球形机器人 - Google Patents

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Abstract

本发明属于移动机器人领域，并具体公开了一种类球形机器人。该类球形机器人包括类球形外壳、驱动单元以及控制单元，其中：类球形外壳为由六边形支撑面和五边形驱动面组成的类球形多面体；驱动单元包括预设数量的驱动组件，每个驱动组件分别安装在其对应的五边形驱动面上；控制单元设置在类球形外壳的内部，用于控制驱动组件进行伸缩，以驱动类球形机器人运动。该类球形机器人利用控制单元控制驱动单元伸缩以驱动类球形机器人翻转，在运动过程中保持与运动平面之间为线接触，不仅运动可控，且运动阻力较小，在静止过程中保持与运动平面之间为面接触，具有高的静态稳定性。

Description

一种类球形机器人
技术领域
本发明属于移动机器人领域，更具体地，涉及一种类球形机器人。
背景技术
球形机器人是一类具有球形或类球形外壳，以滚动为主要运动方式的移动机器人。相较于传统轮式、轨道式或足式移动机器人而言，球形机器人不仅具有可实现全向滚动的巨大优势，还具有运动速度快、运动灵活性高、能量消耗低和环境适应性好等优点。此外，球形机器人将驱动机构、控制器件和能源系统等封装在球壳内部，结构紧凑，空间利用率高，密封性能优良。因此，球形机器人在勘探、搜救和服务等领域表现出广阔的应用前景。
然而，一方面，传统球形机器人在运动过程中与运动平面之间为近似点接触，导致其运动稳定性能较差，容易偏离运动轨迹，运动控制困难。同时，由于球形外壳的静态不稳定性，传统球形机器人在断电状态下通常需要采用辅助结构或借助外界条件才能保持稳定，导致机器人整体重量增加、运动灵活性降低。另一方面，传统球形机器人的驱动方式主要采用小车、重摆等内部驱动装置通过质心偏移、动量守恒等原理引发系统不平衡来实现翻滚运动。这类驱动装置结构复杂、零部件多，使得机器人的控制难度大、控制精度低、实用性能差。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种类球形机器人，其壳体为由六边形支撑面和五边形驱动面组成的类球形多面体，从而保证该类球形机器人在运动过程中保持与运动平面之间为线接触，并在静止过程中保持与运动平面之间为面接触，因而具有运动可控性高、能够保持静态稳定的优势。
为实现上述目的，本发明提出了一种类球形机器人，该类球形机器人包括类球形外壳、驱动单元以及控制单元，其中：所述类球形外壳为由六边形支撑面和五边形驱动面组成的类球形多面体；所述驱动单元包括预设数量的驱动组件，每个所述驱动组件分别安装在其对应的所述五边形驱动面上；所述控制单元设置在所述类球形外壳的内部，用于控制所述驱动组件进行伸缩，以驱动所述类球形机器人运动；运动时，所述六边形支撑面与地面接触，相邻所述五边形驱动面上的驱动组件伸长，使得该类球形机器人绕六边形支撑面与该驱动组件相对的棱边翻转，并稳定在相邻的六边形支撑面上，随后该驱动组件收缩。
作为进一步优选地，所述驱动组件为具有双程形状记忆效应的形状记忆合金弹簧，所述控制单元包括电源和电路控制组件，所述形状记忆合金弹簧与所述电源和电路控制组件连接，工作时通过所述电路控制组件控制所述形状记忆合金弹簧通电或断电，从而控制所述形状记忆合金弹簧伸长或收缩。
作为进一步优选地，所述形状记忆合金弹簧采用Ni-Ti形状记忆合金制成，其中Ni元素的质量百分比为54％～56％。
作为进一步优选地，利用激光选区熔化成形工艺制备所述形状记忆合金弹簧，具体工艺参数包括：激光功率为150W～250W，扫描速度为1000mm/s～1400mm/s，单层粉末厚度为30μm～40μm，扫描间距为80μm～120μm。
作为进一步优选地，训练所述形状记忆合金弹簧使其具有双程形状记忆效应的具体过程为：将所述形状记忆合金弹簧在室温下进行压缩变形，然后置于450℃～600℃下退火2min～5min，随后冷却至室温；重复上述变形后退火的处理过程4次～10次，使所述形状记忆合金弹簧具有双程形状记忆效应。
作为进一步优选地，所述类球形外壳中相邻的所述六边形支撑面的公共棱边采用倒圆角设计。
作为进一步优选地，所述类球形外壳由两个3D打印制得的半球壳装配而成，该半球形壳采用聚乳酸材料制成。
作为进一步优选地，所述半球形壳的制备工艺参数包括：聚乳酸丝材直径为1mm～2mm，喷头预热温度为190℃～220℃，底板预热温度为50℃～65℃，单层厚度为0.1mm～0.4mm，打印速度为30mm/s～100mm/s。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：
1.本发明提供了一种类球形机器人，其壳体为由六边形支撑面和五边形驱动面组成的类球形多面体，能够保证该类球形机器人在运动过程中保持与运动平面之间为线接触，并在静止时与运动平面之间保持面接触，同时利用控制单元控制驱动单元伸缩以驱动类球形机器人翻转，使得该类球形机器人运动可控并且能够保持静态稳定，从而克服了传统球形机器人在运动过程中与运动平面之间为近似点接触所导致的运动稳定性差、容易偏离运动轨迹、运动控制困难等问题；
2.尤其是，本发明提供的类球形机器人采用形状记忆合金弹簧为驱动组件，并利用电源和电路控制组件控制其通电或断电，以控制该形状记忆合金弹簧伸长或收缩，进而实现对类球形机器人的驱动，相较于传统小车、重摆等内部驱动装置，具有结构简洁、控制简单、响应速度快、能量消耗低等优点；并且通过实时控制底部六边形支撑面周围不同位置的形状记忆合金弹簧的伸长或收缩，可实现多方位、连续翻转运动，无需繁琐的机械结构，实现了球形机器人的轻质化、小型化和智能化；
3.此外，本发明采用3D打印技术制备具备复杂形状的类球形外壳，具有工艺简单、操作方便、节省材料的优势。
附图说明
图1是按照本发明优选实施例构建的类球形机器人的结构示意图；
图2是按照本发明优选实施例构建的类球形机器人中类球形外壳的爆炸图；
图3是本发明优选实施例提供的形状记忆合金弹簧的制备流程图；
图4是本发明优选实施例提供的形状记忆合金弹簧的装配示意图，其中(a)为主视图，(b)为剖视图；
图5是本发明优选实施例提供的类球形机器人的运动过程示意图，其中(a)为主视图，(b)为仰视图；
图6是本发明优选实施例提供的类球形机器人从位置1运动到位置2的运动路径示意图，其中(a)为运动平面上的运动路径，(b)为类球形机器人的翻转路径。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：
1-类球形外壳，2-驱动单元，3-控制单元。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1所示，本发明实施例提供了一种类球形机器人，该类球形机器人包括类球形外壳1、驱动单元2以及控制单元3，其中：类球形外壳1为由20个六边形支撑面和12个五边形驱动面组成的类球形多面体；驱动单元2包括预设数量的驱动组件，每个驱动组件分别安装在其对应的五边形驱动面上；控制单元设置在类球形外壳1的内部，用于控制驱动单元2的伸缩，以驱动类球形机器人运动；运动时，六边形支撑面与地面接触，相邻五边形驱动面上的驱动组件伸长(该六边形支撑面有三个相邻的五边形驱动面，根据运动轨迹选择相应的一个五边形驱动面，使其驱动组件伸长)，使得该类球形机器人绕六边形支撑面与该驱动组件相对的棱边翻转，并稳定在相邻的六边形支撑面上，随后该驱动组件收缩。
进一步，如图4所示，驱动组件为形状记忆合金弹簧，其安装在五边形驱动面的内陷式环形凹槽内；控制单元3包括电源和电路控制组件，形状记忆合金弹簧的两端分别通过环形凹槽底部小孔和中心孔与电源和电路控制组件连接。优选地，连接形状记忆合金弹簧顶端的导线穿过中心孔与电源和电路控制组件连接，连接形状记忆合金弹簧底端的导线穿过环形凹槽底部小孔与电源和电路控制组件连接。工作时通过电路控制组件控制与底部六边形支撑面相邻的、不同位置的形状记忆合金弹簧通电或断电，从而控制该形状记忆合金弹簧伸长或收缩，以利用其自身形状记忆效应所产生的推力，实现多方位、连续翻滚运动。该形状记忆合金弹簧采用Ni-Ti形状记忆合金制成，其中Ni元素的质量百分比为54％～56％，剩余的为Ti和杂质(杂质含量<1％)。
如图3所示，在本发明的一个优选实施例中利用激光选区熔化成形工艺制备形状记忆合金弹簧，具体工艺参数包括：激光功率为150W～250W，扫描速度为1000mm/s～1400mm/s，单层粉末厚度为30μm～40μm，扫描间距为80μm～120μm。训练形状记忆合金弹簧使其具有双程形状记忆效应的具体过程为：将形状记忆合金弹簧在室温下进行压缩变形，然后置于450℃～600℃下退火2min～5min，随后冷却至室温；重复上述变形后退火的处理过程4次～10次，使形状记忆合金弹簧具有双程形状记忆效应。形状记忆合金弹簧在低温下为压缩状态，通电后在焦耳热的作用下升温并伸长，断电后冷却并恢复压缩状态。
进一步，如图2所示，类球形外壳1由两个3D打印制得的半球壳装配而成，该半球形壳采用高分子材料或复合材料，如聚乳酸材料制成。半球形壳的制备工艺参数包括：聚乳酸丝材直径为1mm～2mm，喷头预热温度为190℃～220℃，底板预热温度为50℃～65℃，单层厚度为0.1mm～0.4mm，打印速度为30mm/s～100mm/s。类球形外壳1中相邻的六边形支撑面的公共棱边采用倒圆角设计，以减小类球形机器人在运动过程中的阻力。
如图5所示，本发明提供的类球形机器人的运动原理为：当类球形机器人以六边形支撑面Ax为底面与地面接触时，内置控制单元3将适当电流注入与该六边形支撑面Ax相邻的形状记忆合金弹簧Sx，形状记忆合金弹簧Sx在焦耳热作用下升温并伸长，从而推动类球形机器人绕六边形支撑面Ax上与形状记忆合金弹簧Sx相对的棱边Lx翻转，并稳定在以六边形支撑面Ax+1为底面与地面接触的状态。随后，内置控制单元3将电流断开，该形状记忆合金弹簧Sx不再生热，弹簧温度降低并通过自身的形状记忆效应自动恢复至原始压缩状态。接下来，通过内置控制单元3控制底部六边形支撑面Ax+1相邻的任一形状记忆合金弹簧，类球形机器人将按照上述运动规律，绕六边形支撑面Ax+1上与被触发形状记忆合金弹簧相对的棱边继续翻滚。以此类推，通过实时控制与底部六边形支撑面相邻的、不同位置的形状记忆合金弹簧的伸、缩状态，即可控制类球形机器人沿着预定路径翻滚。
下面根据优选实施例对本发明提供的类球形机器人作进一步说明。
(1)3D打印类球形外壳的设计与制备
3D打印类球形外壳是由20个六边形支撑面和12个五边形驱动面组成的类球形多面体，六边形支撑面采用边长为20mm的等边六边形，五边形驱动面采用边长为20mm的等边五边形，相邻六边形支撑面的公共棱边采用倒圆角设计以减小类球形机器人在运动过程中的阻力，圆角半径为3mm。所有五边形驱动面上均设置一个內陷式环形凹槽用以安装形状记忆合金弹簧，环形凹槽外直径为25mm，内直径为17mm，槽深度为10mm，环形凹槽中心凸台高度为3mm，凸台中心孔直径为10mm。凹槽底部设有一直径为2mm的小孔，用于穿过连接形状记忆合金弹簧和内置电源及电路控制组件的导线。类球形外壳采用聚乳酸材料，并通过熔融沉积法成形，成形过程中，类球形外壳被均分成两个半球壳单独成形，类球形外壳最终由两个3D打印半球壳装配而成。3D打印类球形外壳的具体成形工艺为：聚乳酸丝材直径为1.75mm，喷头预热温度为210℃，底板预热温度为60℃，单层厚度为0.25mm，打印速度为80mm/s。
(2)4D打印形状记忆合金弹簧的设计与制备
形状记忆合金弹簧直径为17mm，线径为1.2mm，弹簧的有效圈数为10，伸展状态下高度为40mm，压缩状态下高度为12mm。形状记忆合金弹簧采用Ni-Ti形状记忆合金，该Ni-Ti形状记忆合金中各元素的质量百分比为：Ni 54～56％，余为Ti和不可避免的杂质(杂质含量<1％)。4D打印Ni-Ti形状记忆合金弹簧采用激光选区熔化增材制造技术成形，其具体工艺参数为：激光功率为200W，扫描速度为1000mm/s，单层粉末厚度为30μm，扫描间距为120μm。4D打印Ni-Ti形状记忆合金弹簧通过训练获得双程形状记忆效应，可在低温压缩状态和高温伸展状态下实现可逆转变。训练过程具体包括：将4D打印Ni-Ti弹簧在室温进行压缩变形后置于500～560℃退火2～5min，随后空冷至室温，循环“变形+退火”的处理过程4～10次。
(3)类球形外壳与形状记忆合金弹簧的组装
4D打印Ni-Ti形状记忆合金弹簧安装在3D打印类球形外壳上的內陷式环形凹槽内，弹簧两端分别通过环形凹槽底部小孔和中心孔与内置电源和电路控制组件连接。优选地，连接弹簧顶端的导线穿过中心孔与内置电源和电路控制系统连接，连接弹簧底端的导线穿过环形凹槽底部的小孔与内置电源和电路控制系统连接，连接导线采用直径为0.4mm的漆包铜线。
(4)类球形机器人的运动
当类球形机器人以某一六边形支撑面Ax为底面与地面接触时，内置电路控制组件将适当电流注入与六边形支撑面Ax相邻的形状记忆合金弹簧Sx，形状记忆合金弹簧Sx在焦耳热作用下升温并伸长，从而推动类球形机器人绕六边形支撑面Ax上与形状记忆合金弹簧Sx相对的棱边Lx翻转，并稳定在以六边形支撑面Ax+1为底面与地面接触的状态。随后，内置电路控制组件将电流断开，形状记忆合金弹簧Sx不再产热，其温度降低并通过自身的形状记忆效应自动恢复至原始压缩状态。接下来，通过内置电路控制组件控制底部六边形支撑面Ax+1相邻的任一形状记忆合金弹簧，类球形机器人将按照上述运动规律，绕六边形支撑面Ax+1上与被触发形状记忆合金弹簧相对的棱边继续翻滚。以此类推，通过实时控制与底部六边形支撑面相邻的、不同位置的形状记忆合金弹簧的伸、缩状态，即可控制类球形机器人沿着预定路径翻滚。根据上述运动原理，可以对该类球形机器人进行路径规划。例如，如图6所示，当一种基于4D打印的类球形机器人需要从位置1运动到位置2时，选择路径A(如实线所示)和路径B(如虚线所示)两种运动路径进行S形翻滚运动均可实现。
本领域的技术人员容易理解，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种类球形机器人，其特征在于，该类球形机器人包括类球形外壳(1)、驱动单元(2)以及控制单元(3)，其中：所述类球形外壳(1)为由六边形支撑面和五边形驱动面组成的类球形多面体；所述驱动单元(2)包括预设数量的驱动组件，每个所述驱动组件分别安装在其对应的所述五边形驱动面上；所述控制单元(3)设置在所述类球形外壳(1)的内部，用于控制所述驱动组件进行伸缩，以驱动所述类球形机器人运动；运动时，所述六边形支撑面与地面接触，相邻所述五边形驱动面上的驱动组件伸长，使得该类球形机器人绕六边形支撑面与该驱动组件相对的棱边翻转，并稳定在相邻的六边形支撑面上，随后该驱动组件收缩；所述驱动组件为具有双程形状记忆效应的形状记忆合金弹簧，所述控制单元(3)包括电源和电路控制组件，所述形状记忆合金弹簧与所述电源和电路控制组件连接，工作时通过所述电路控制组件控制所述形状记忆合金弹簧通电或断电，从而控制所述形状记忆合金弹簧伸长或收缩。
2.如权利要求1所述的类球形机器人，其特征在于，所述形状记忆合金弹簧采用Ni-Ti形状记忆合金制成，其中Ni元素的质量百分比为54％～56％。
3.如权利要求1所述的类球形机器人，其特征在于，利用激光选区熔化成形工艺制备所述形状记忆合金弹簧，具体工艺参数包括：激光功率为150W～250W，扫描速度为1000mm/s～1400mm/s，单层粉末厚度为30μm～40μm，扫描间距为80μm～120μm。
4.如权利要求1所述的类球形机器人，其特征在于，训练所述形状记忆合金弹簧使其具有双程形状记忆效应的具体过程为：将所述形状记忆合金弹簧在室温下进行压缩变形，然后置于450℃～600℃下退火2min～5min，随后冷却至室温；重复上述变形后退火的处理过程4次～10次，使所述形状记忆合金弹簧具有双程形状记忆效应。
5.如权利要求1所述的类球形机器人，其特征在于，所述类球形外壳(1)中相邻的所述六边形支撑面的公共棱边采用倒圆角设计。
6.如权利要求1～5任一项所述的类球形机器人，其特征在于，所述类球形外壳(1)由两个3D打印制得的半球形壳装配而成，该半球形壳采用聚乳酸材料制成。
7.如权利要求6所述的类球形机器人，其特征在于，所述半球形壳的制备工艺参数包括：聚乳酸丝材直径为1mm～2mm，喷头预热温度为190℃～220℃，底板预热温度为50℃～65℃，单层厚度为0.1mm～0.4mm，打印速度为30mm/s～100mm/s。
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