CN112476454A

CN112476454A - 具有稳定平台可对外感知球形机器人

Info

Publication number: CN112476454A
Application number: CN202011462139.XA
Authority: CN
Inventors: 孙汉旭; 李明刚; 马龙
Original assignee: Beijing University of Posts and Telecommunications
Current assignee: Beijing University of Posts and Telecommunications
Priority date: 2020-12-11
Filing date: 2020-12-11
Publication date: 2021-03-12

Abstract

本发明公开一种具有稳定平台可对外感知球形机器人，所述机器人包括球壳、驱动电机、重摆、重摆提升机构、激光雷达、深度相机、云台机构和伸缩机构。球壳分为三个部分，左右球冠和中间部分；左右球冠与云台电机动子连接，保证其不随中间部分球壳滚动；激光雷达和深度相机分别安装在左右球冠内，并通过伸缩机构伸出球冠外；中间部分球壳通过电机和齿轮传动驱动；重摆提升机构由直线模组、齿轮系统、提升电机和重摆组成。本发明提出的球形机器人通过云台机构维持左右球冠内激光雷达和深度相机的水平状态，使其在球形机器人运动时仍能正常工作，同时通过重摆提升机构实现质心的径向变化，满足非恶劣情况下球形机器人的对外感知和灵活运动需求。

Description

具有稳定平台可对外感知球形机器人

技术领域

本发明涉及一种球形机器人，具体地说是一种具有稳定平台可对外感知球形机器人。

技术背景

球形机器人具有良好的密封性，平衡性强且运动灵活(运动阻力小，可全方位移动)，在星球探索、危险环境检测、管道探测和家庭娱乐等领域具有显著优势和应用前景。

目前难以为球形机器人提供一个稳定的平台以用于搭载设备。对于平面上运动的球体而言，其姿态是十分不稳定的，实现球形机器人运动过程中的姿态控制一直是个难题。对于这一问题，可以从优化结构设计和优化控制方法两个方面进行改进，例如结构方面可以在球心处开辟空间设计一个自稳定平台，控制方面可以将三个姿态角状态量加入到控制器中去。

现有的球形机器人内部安装有高精度定位测向板卡，可以对球形机器人进行实时定位。虽然该定位板卡理论精度可达到厘米级，但其应用要求为室外且远离建筑物100米以上，使其能够同时接收多颗卫星信号，定位要求较高。面对应用需求为室内或者城市楼宇密集区时，现有球形机器人无法进行精准定位，极大的限制了球形机器人的应用领域。目前，深度相机和激光雷达已被广泛应用于移动机器人领域，单线激光雷达可以获取二维360°的深度信息点，精度可以达到毫米级别，但单一激光雷达的移动形机器人无法实现空间避障、地图构建、场景识别等功能；单一深度相机可同时获得大尺度三维空间和物体的彩色图像和深度信息，但存在测量距离有限、可视角度小、特殊情况下数据丢失、不适用于能见度低的情况等缺点。因此有必要将深度相机和激光雷达进行功能融合，从而弥补严密遮挡下定位侧向板卡效用减弱的缺点，提高球形机器人的自主感知和定位精度，使球形机器人更好地应对室内和室外较为局限的环境，提高球形机器人精准运动能力、物体识别能力和避障能力，这对球形机器人技术的发展有重要意义。

发明内容

本发明提出一种具有稳定平台可对外感知球形机器人，目的是弥补现有球形机器人的不足，并为今后球形机器人研发设计提供方案参考。

为实现上述目的，发明提供的解决方案是：

本发明提出一种具有稳定平台的可对外感知球形机器人，其包括球壳、三个方向的驱动电机、云台机构、激光雷达、深度相机、伸缩机构、重摆提升机构。其特征在于，所述球壳分为三个部分，左右球冠和中间部分，左右球冠通过云台电机与中间部分连接，左右球冠安装在云台电机动子上，云台电机定子安装在中间部分，所述左右球冠内安装有伸缩机构，所述伸缩机构上安装有激光雷达或深度相机，所述中间部分内安装有主轴框架、重摆提升机构、电池系统、三个方向驱动电机、传动齿轮系统、控制器和其他电子元件。

所述球冠采用透明玻璃材质，球冠顶部与伸缩机构末端固定，并能与球冠分离，所述可分离顶部最小直径要求为能保证激光雷达或深度相机能够不受阻碍地从球冠中伸出。

上述伸缩机构采用可线性叠加伸缩机构，且两侧有支撑杆，其有效伸展长度应能保证激光雷达或深度相机能够不受球壳遮挡，其次激光雷达或深度相机通过X轴云台电机与伸缩机构连接，X轴云台电机动子通过支架与激光雷达或深度相机连接，X轴云台电机定子与伸缩机构连接。

上述左右球冠通过Y轴云台电机与中间部分连接，Y轴云台电机动子与左右球冠连接，Y轴云台电机定子与中间部分连接。

上述激光雷达、深度相机、伸缩机构、X轴云台电机，其特征在于，其安装位置和伸缩方向与球形机器人过球心的Y轴共线，其供电线路和信号线路通过Y轴云台电机的滑环与中间球内的电源系统和控制系统连接。

上述中间球采用碳纤维材质，中间球内安装有主轴框架、重摆提升机构、电池系统、三个方向驱动电机、传动齿轮系统、控制器和其他电子元件，所述重摆提升机构由直线模组、电机、重摆、电源系统和直线驱动电机组成，所述直线驱动电机安装在重摆提升机构下方，实现重摆在Z轴方向上的移动，重摆安装在直线模组滑块上，所述重摆为空心方槽，电源系统安装在重摆方槽内，重摆提升机构转动轴线位于其长轴方向上2/3处，重摆提升机构通过X轴方向驱动电机实现绕过球形机器人中心X轴摆动。

上述传动齿轮系统的大齿轮安装在中间部分球壳内，小齿轮安装在Y轴电机轴上，所述Y轴电机定子与主轴框架连接。

本发明的运动原理为：

上述中间部分球壳Y轴电机转动时，电机转子通过传动齿轮系统带动中间部分绕Y轴方向滚动。

Y轴云台电机转子在中间部分球壳转动的同时，以相同的角速度反向转动，保证左右球冠相对于地面没有转动。

上述中间部分球壳X轴电机转动时，电机转子带动重摆提升机构绕X轴方向摆动，此时球形机器人质心向左或向右偏移。

左右球冠内的X轴云台电机在球形机器人向左或向右倾斜时，以相同的角速度反向转动，保证激光雷达或深度相机始终保持水平状态。

由角动量守恒原理，通过重摆提升系统微调球形机器人质心与中心的距离可以实现球形机器人的运行速度和内部机构微调整。

本发明的有点与效益：

本发明所述的具有稳定平台的可对外感知球形机器人的云台机构，可以给球形机器人在运动过程中提供一个稳定平台；激光雷达和深度相机的引入使得球形机器人能在非恶劣的室内或者复杂环境中感知周围物体；质心可变使得球形机器人运动控制和姿态调整更加方便。

附图说明

图1为本发明具有稳定平台的可对外感知球形机器人收缩模式下的结构示意图；

图2为本发明具有稳定平台的可对外感知球形机器人倾斜伸展模式下的结构示意图；

图3为本发明具有稳定平台的可对外感知球形机器人内部框架结构示意图；

图4为本发明具有稳定平台的可对外感知球形机器人中间部分球壳半边结构示意图；

图5为本发明具有稳定平台的可对外感知球形机器人球冠结构示意图；

图中的附图标记为：1-左半球冠；2-中间部分；3-右球冠；4-激光雷达；5-Y轴云台电机；6-重摆提升机构；7-内部框架；8-X轴电机；9-传动传动系统；10-X轴云台电机；11-伸缩机构；12-深度相机；13-Y轴电机；6-1-直线模组；6-2-重摆；6-3-直线驱动电机；7-1-Y轴电机驱动器；7-2-联轴器；7-3-控制器；7-4-数传模块；7-5-变压器；7-6-X轴电机驱动器。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：

图1为本发明具有稳定平台的可对外感知球形机器人收缩模式下的结构示意图，包括球壳、云台机构、激光雷达4、深度相机12、伸缩机构11、重摆提升机构6、内部框架7、驱动电机等。左右球冠1和3采用透明玻璃材质，中间部分2球壳采用碳纤维材质，中间部分2球壳分成两部分，闭合时通过螺钉连接。左右球冠1和3如图5所示，其通过X轴云台电机10相对中间部分等速反向转动，激光雷达4和深度相机12通过Y轴云台机构5与地面保持相对水平状态。所述云台电机5和10内部集成驱动器、编码器和IMU，可实时测量球形机器人位姿变化，并实时作出调整，保证传感器始终保持水平状态，并且云台电机5和10中间留有滑环安装孔，实现中间部分2球壳内的控制器和电源与球冠1和3内部元器件的通讯和供电。图1所示的伸缩机构11安装在球冠1和3中轴线内，由微型直线电机和可叠加线性伸缩机构组成，伸缩机构11一端与球冠1和3截面连接，另一端与球冠1和3顶部连接，球冠1和3顶部为独立部件，其与球冠1和3已分割开来。

图1所示传动齿轮系统9的大齿轮安装在中间部分2球壳内，小齿轮安装在X轴电机8轴上，所述X轴电机8定子与内部框架7连接。中间部分2球壳X轴电机8转动时，电机转子通过传动齿轮系统9带动中间部分2绕X轴方向滚动。由角动量守恒原理，通过重摆提升机构6微调球形机器人质心与中心的距离可以实现球形机器人的运行速度和内部机构微调整。

图2为本发明具有稳定平台的可对外感知球形机器人倾斜伸展模式下的结构示意图，Y轴电机13驱动重摆提升机构6绕Y轴顺时针转动某个角度时时，球壳以相同的角度向左倾斜，Y轴云台电机5则带动激光雷达4或深度相机12绕Y轴逆时针转动相同角度，使其仍处于水平状态。在非恶劣情况下，球形机器人将启动伸展模式，通过多种传感模式进行对外感知；在恶劣情况下，球形机器人处于收缩状态，球形机器人通过相机12进行对外视频监控。

图3为本发明具有稳定平台的可对外感知球形机器人内部框架结构示意图，内部框架上除了安装有X轴8和Y轴电机13，还有对应的驱动器7-1和7-6以及整个球形机器人的控制器7-3；变压器7-5用于将电源电压转变为不同元器件所需的电压；数传模块7-4用于收发数据信息；由于框架左端安装有传动齿轮系统9，为了保持内部平衡，框架上的元器件均尽量靠右侧安装；重摆提升机构6通过联轴器7-2和内部框架7连接；重摆提升机构6由直线模组6-1、重摆6-2和直线驱动电机6-3组成，直线模组6-1通过直线驱动电机6-3驱动，直线驱动电机6-3为小型力矩电机，集成驱动和编码器，重摆6-2和滑块一体安装，球形机器人的电源系统装在重摆方槽内，随重摆运动。

图4为本发明具有稳定平台的可对外感知球形机器人中间部分球壳半边结构示意图，为了便于安装内部框架及其元器件，将球壳中间部分2一分为二，安装完内部装置之后再将两部分对齐合并，并通过螺钉连接；为了提高球壳的支撑能力，在保证不影响重摆提升机构6摆动以及内部框架7摆动情况下，在球壳内增加方形支撑架。

Claims

1.一种具有稳定平台的可对外感知球形机器人，其包括球壳、三个方向的驱动电机、云台机构、激光雷达、深度相机、伸缩机构、重摆提升机构。其特征在于，所述球壳分为三个部分，左右球冠和中间部分，左右球冠通过云台电机与中间部分连接，左右球冠安装在云台电机动子上，云台电机定子安装在中间部分，所述左右球冠内安装有伸缩机构，所述伸缩机构上安装有激光雷达或深度相机，所述中间部分内安装有主轴框架、重摆提升机构、电池系统、三个方向驱动电机、传动齿轮系统、控制器和其他电子元件。

2.如权利要求1所述的一种具有稳定平台的可对外感知球形机器人，其特征在于，所述球壳分为三个部分，左右球冠和中间部分，所述球冠采用透明玻璃材质，所述中间部分采用碳纤维材质，中间部分又分成两个部分，在将中间部分内机构安装好之后将两个部分闭合，并用螺钉固定。

3.如权利要求1所述的一种具有稳定平台的可对外感知球形机器人，其特征在于，球冠顶部与伸缩机构末端固定，并能与球冠分离，所述可分离顶部最小直径要求为能保证激光雷达或深度相机能够不受阻碍地从球冠中伸出。

4.如权利要求1所述的一种具有稳定平台的可对外感知球形机器人，其特征在于，所示伸缩机构采用可线性叠加伸缩机构，且两侧有支撑杆，其有效伸展长度应能保证激光雷达或深度相机能够不受球壳遮挡，其次激光雷达或深度相机通过X轴云台电机与伸缩机构连接，X轴云台电机动子通过支架与激光雷达或深度相机连接，X轴云台电机定子与伸缩机构连接。

5.如权利要求1所述的一种具有稳定平台的可对外感知球形机器人，其特征在于，左右球冠通过Y轴云台电机与中间部分连接，Y轴云台电机动子与左右球冠连接，Y轴云台电机定子与中间部分连接。

6.如权利要求3所述的激光雷达、深度相机、伸缩机构、X轴云台电机，其特征在于，其安装位置和伸缩方向与球形机器人过球心的Y轴共线，其供电线路和信号线路通过Y轴云台电机的滑环与中间球内的电源系统和控制系统连接。

7.如权利要求1所述的一种具有稳定平台的可对外感知球形机器人，其特征在于，所述中间球采用碳纤维材质，中间球内安装有主轴框架、重摆提升机构、电池系统、三个方向驱动电机、传动齿轮系统、控制器和其他电子元件，所述重摆提升机构由直线模组、电机、重摆、电源系统和直线驱动电机组成，所述直线驱动电机安装在重摆提升机构下方，实现重摆在Z轴方向上的移动，重摆安装在直线模组滑块上，所述重摆为空心方槽，电源系统安装在重摆方槽内，重摆提升机构转动轴线位于其长轴方向上2/3处，重摆提升机构通过X轴方向驱动电机实现绕过球形机器人中心X轴摆动。

8.如权利要求1所述的一种具有稳定平台的可对外感知球形机器人，其特征在于，所述传动齿轮系统的大齿轮安装在中间球部分，小齿轮安装在X轴电机轴上，所述X轴电机定子与主轴框架连接。