CN112896352A - 一种球形机器人 - Google Patents

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张金龙
李鑫
陈宇轩
仲佳俊
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Abstract

本发明涉及一种球形机器人，包括球形外壳以及设于球形外壳内的驱动机构，所述球形外壳的外部设有球形保护外壳，所述球形外壳和球形保护外壳之间连接有若干个第一弹簧，所述球形外壳的外表面连接有第二固定环，所述球形保护外壳的内表面连接有第一固定环，所述第一固定环和第二固定环连接，所述球形外壳和球形保护外壳之间设有缓冲气囊；所述驱动机构包括动力输出机构、控制模块和信号传输模块，动力输出机构产生的偏心力矩使球形外壳滚动和转向。该球形机器人，采用了双球壳体结构，通过缓冲气囊和弹簧减震达到减震的效果，有效地抑制形变，具有良好的环境适应性和长续航性，同时其内部的驱动机构采用对称设计，在移动过程中更加的稳定。

Description

一种球形机器人
技术领域
本发明属于机器人领域，具体涉及一种稳定性高的球形机器人。
背景技术
“机器人”一词最早起源于1920年捷克剧作家卡雷尔·凯佩克的科幻情节剧《罗萨姆的万能机器人》中，直到1962年美国联合控制公司研制出第一台实用工业机器人Unimate，从此，机器人开始替代人们进行繁重的体力劳动。
机器人按照移动性分类，可以分为固定机器人和移动机器人。其中移动机器人作为目前科学技术发展最活跃的领域之一，得到了世界各国的普遍关注。移动机器人按照移动方式主要分为轮式/履带式移动机器人和腿足式机器人。轮式/履带式机器人具有承载能力大、移动速度快的优点，但其运动稳定性及对环境的适应能力较差：腿足式机器人越野性能好，但其缺点是运动机构自由度多，控制复杂。因此设计一种行走速度快、越野性能好的移动机器人，既可以像轮式机器人快速移动，又可以像腿足式机器人能够适应崎岖不平的环境，显然是一个很有研究价值的领域。在这种背景下，一种新型移动机器人一球形机器人应运而生。
球形机器人是一种以球形外壳滚动实现行走的机器人。球体是自然界天然的优质滚动体，其最大的特点是可以全向滚动，球形的外壳使机器人在失稳后能够具有自稳定性；与用轮子滚动行走的轮式/履带式机器人相比，具有良好的越障性能力，不存在“翻倒”的问题；与步行或爬行的腿足式机器人相比，具有移动速度快的特点，而且具有驱动少、控制简单的优点；同时，由于球体滚动时与地面点接触的运动阻力相对轮式装置线接触的运动阻力小的多，因此球形机器人还具有运动效率高、能耗低的优点。
由于具有以上独特优势，球形机器人己经成为一个全新的研究领域，具有广泛的研究空间和应用前景。例如，在生活娱乐方面，其外形没有棱角，可用于儿童的娱乐教育；工业应用方面，其转向和密封性能好，可用于管道检测、水下实验等；国防以及空间探索方面，其自我保护和环境适应能力强，可用于安全检查、任务执行等。另外，在理论研究方面，由于球形机器人是一个欠驱动、非线性、非完整系统，可以为从事力学和控制理论的研究人员提供一个检验其理论正确性与否的有效实验平台。
但是就目前市场上常见的一些球形机器人多是采用单层外壳的设计，且体型较小，应用的领域较窄，一旦其外壳出现形变或时破损，则会导致其内部的驱动机构以及控制机构的运行障碍，容易出现路线偏差、电器件损坏等问题。
发明内容
本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种结构简单，设计合理的一种球形机器人。
本发明通过以下技术方案来实现上述目的：
一种球形机器人，包括球形外壳以及设于球形外壳内的驱动机构，所述球形外壳的外部设有球形保护外壳，所述球形外壳和球形保护外壳之间连接有若干个第一弹簧，所述球形外壳的外表面连接有第二固定环，所述球形保护外壳的内表面连接有第一固定环，所述第一固定环和第二固定环连接，所述球形外壳和球形保护外壳之间设有缓冲气囊；
所述驱动机构包括动力输出机构、控制模块和信号传输模块，动力输出机构产生的偏心力矩使球形外壳滚动和转向，控制模块控制动力输出机构的动力输出，信号传输模块用于控制模块和外界控制端之间的信号连接。
作为本发明的进一步优化方案所述动力输出机构包括电机仓、连接在电机仓下端的电池仓以及连接在电机仓上端的顶部支架，所述电机仓和顶部支架之间连接有若干个第二弹簧。
作为本发明的进一步优化方案所述电机仓内设有若干个对称分布的驱动电机，所述驱动电机输出轴端连接有主动轮，所述主动轮位于电机仓的外部，且主动轮和球形外壳的内表面接触。
作为本发明的进一步优化方案所述顶部支架上设置有若干个对称分布的高速轴承，所述高速轴承内设有从动轮轴，且从动轮轴的中部位置连接有从动轮，所述从动轮和球形外壳的内表面接触。
作为本发明的进一步优化方案所述电池仓内设有电池，驱动电机、控制模块均和电池电连接，所述电池仓内设有无线充电模块，无线充电模块与电池电连接。
作为本发明的进一步优化方案所述顶部支架的下端连接有配重块，配重块位于若干个第一弹簧之间。
作为本发明的进一步优化方案所述控制模块包括单片机系统板、六轴传感器模块、电机驱动模块、编码器模块和GPS模块，所述六轴传感器模块、电机驱动模块、编码器模块和GPS模块均与单片机系统板连接。
作为本发明的进一步优化方案所述信号传输模块包括蓝牙模块，蓝牙模块和单片机系统板连接。
作为本发明的进一步优化方案若干个所述第一弹簧的一端连接有外凸式圆弧连接件，第一弹簧的另一端连接有内凹式圆弧连接件，外凸式圆弧连接件与球形保护外壳的内表面连接，内凹式圆弧连接件与球形外壳的外表面连接。
本发明的有益效果在于：
1)本发明采用了双球壳体结构，通过缓冲气囊和弹簧减震达到减震的效果，有效地抑制形变，具有良好的环境适应性和长续航性；
2)本发明中球形外壳内部的驱动机构采用对称和紧凑的内部结构设计，在移动过程中更加的稳定，采用无线充电技术可以减少其内部与外界的接触，能够保证球体的稳定性；
3)本发明结构简单，稳定性高，设计合理，便于实现。
附图说明
图1是本发明球形外壳和球形保护外壳的相配合视图；
图2是本发明的剖面结构示意图；
图3是本发明驱动机构的结构示意图；
图4是本发明中滚动摩擦力偶的示意图；
图5是本发明中球形外壳的受力示意图。
图中：1、球形外壳；2、球形保护外壳；3、第一固定环；4、第二固定环；5、第一弹簧；6、电机仓；601、驱动电机；602、主动轮；7、顶部支架；701、高速轴承；702、从动轮轴；703、从动轮；8、电池仓；9、第二弹簧。
具体实施方式
下面结合附图对本申请作进一步详细描述，有必要在此指出的是，以下具体实施方式只用于对本申请进行进一步的说明，不能理解为对本申请保护范围的限制，该领域的技术人员可以根据上述申请内容对本申请作出一些非本质的改进和调整。
实施例1
如图1-3所示，一种球形机器人，包括球形外壳1以及设于球形外壳1内的驱动机构，球形外壳1的外部设有球形保护外壳2，球形外壳1和球形保护外壳2之间连接有若干个第一弹簧5，球形外壳1的外表面连接有第二固定环4，球形保护外壳2的内表面连接有第一固定环3，第一固定环3和第二固定环4连接，球形外壳1和球形保护外壳2之间设有缓冲气囊；
球形外壳1以及球形保护外壳2采用了高度透明的有机玻璃亚克力材质，其可以起到保护内部机构的作用，又能使得机器人凭借球壳与地面的摩擦力驱使其前进，同时可以使得无线电波的传输不受材质的影响，并可以直接对其内部机构的运转进行直观的观察，达到了较好的使用效果。而其中的缓冲气囊的材料为热塑性聚氨酯弹性符合材料TPU，具有弹性和可变形性，且密闭透明，达到缓冲保护效果。
球形外壳1以及球形保护外壳2均采用两个半球壳对称拼接而成，在球形机器人的球壳装配上，将两个半球壳上下对称安装，在球壳左右两侧各取若干个孔，用于与相应的固定环连接。其中需要注意的是，在第一固定环3和第二固定环4上均设有铷磁铁，用于使得固定环之间的吸引力更强。
驱动机构包括动力输出机构、控制模块和信号传输模块，动力输出机构产生的偏心力矩使球形外壳1滚动和转向，控制模块控制动力输出机构的动力输出，信号传输模块用于控制模块和外界控制端之间的信号连接。
动力输出机构包括电机仓6、连接在电机仓6下端的电池仓8以及连接在电机仓6上端的顶部支架7，电机仓6和顶部支架7之间连接有若干个第二弹簧9。第二弹簧9起到缓冲以及施加反向作用力，可以使得主动轮602和从动轮702均能够与球形外壳1内表面充分接触，使得驱动电机601在驱动主动轮602旋转时能够对球形外壳1施加一定的摩擦力，以此来驱使球形外壳1以及球形保护外壳2的滚动。
电机仓6内设有若干个对称分布的驱动电机601，驱动电机601输出轴端连接有主动轮602，主动轮602位于电机仓6的外部，且主动轮602和球形外壳1的内表面接触。
顶部支架7上设置有若干个对称分布的高速轴承701，高速轴承701内设有从动轮轴702，且从动轮轴702的中部位置连接有从动轮703，从动轮703和球形外壳1的内表面接触。
电池仓8内设有电池，驱动电机601、控制模块均和电池电连接，电池仓8内设有无线充电模块，无线充电模块与电池电连接。无线充电模块用于为电池充电，可以较为便捷的为电池充电且不需要连接端口。
顶部支架7的下端连接有配重块，配重块位于若干个第一弹簧5之间。更能增强球体运动的平稳性，使得球体在滚动过程中更加的稳定。
控制模块包括单片机系统板、六轴传感器模块、电机驱动模块、编码器模块和GPS模块，六轴传感器模块、电机驱动模块、编码器模块和GPS模块均与单片机系统板连接。单片机系统板的型号为STM32F103RCT6，六轴传感器模块的型号为MPU-6050，电机驱动模块的型号为L298N，GPS模块的型号为NEO-6M。
信号传输模块包括蓝牙模块，蓝牙模块和单片机系统板连接，蓝牙模块的型号为HC-05。蓝牙模块用于与外界控制端信号连接，可以通过蓝牙控制球体的滚动速度和滚动方向。
若干个第一弹簧5的一端连接有外凸式圆弧连接件，第一弹簧5的另一端连接有内凹式圆弧连接件，外凸式圆弧连接件与球形保护外壳2的内表面连接，内凹式圆弧连接件与球形外壳1的外表面连接。第一弹簧5均匀的分布在两层壳体之间，可以有效的起到抗震减压的效果，且可以防止外壳形变而对球体滚动造成较大的影响。
如图4所示，在滚动摩擦问题中，由于接触部分变形产生的阻碍物体滚动的力偶称为滚动摩阻力偶。如图4(a)所示，当球体受到较小的水平力Ft作用后，球体有滚动趋势；由于接触变形，球体与接触面的约束反力将非均匀的分布，如图4(b)所示，将分布力系合成Fn和F两个力，如图4(c)所示，这时Fn偏离AC一微小距离s，当主动力Ft不断增大时，Fn偏离AC的距离s也随之增加，滚动摩阻力偶矩sFn平衡产生滚动趋势的力偶(Ft、F)。当主动力Ft增大到某个值时，球体处于将滚未滚的临界平衡状态，s达到最大值，滚动摩阻力偶矩达到最大值，称为最大滚动摩阻力偶矩，用Mmax表示。若力Ft再增加，球体就会滚动。将力Fn、F平移到A点，如图4(d)所示，Fn的平移产生附加力偶矩成sFn，即为滚动摩阻力偶Mf，滚动摩阻力偶矩的最大值Mmax与法向力Fn成正比，即：
Mmax＝s·Fn
式中：s为滚动摩阻系数，有长度量纲，假设球壳与地面滚动摩擦阻尼s＝2mm。
如图5所示，驱动球形机器人在平面上运动的力学模型，根据此模型进行电机参数的估算。首先说明各主要参数代表的物理意义。M为球形机器人系统整体质量，m为全向轮系统整体质量，T、T1、T2分别代表各驱动力矩。
球形机器人受到的最大滚动摩阻力偶矩：
Mmax＝S·Fn＝2×3×9.8×10-3＝0.059N·m
驱动球体滚动所需的主动轮驱动力矩：
T1≥mg(R-r)sinθ＝Mmax
主动轮沿球壳内表面滚动所受阻力矩：
T2＝μmg cosθ
结合球形机器人相关结构参数，得到电机驱动力矩：
T≥T2＝0.25N·m
假设球形机器人的最大滚动速度V＝1M/s，这时驱动电机的输出功率为：
P＝Tn/9550≈4.9W
考虑到实际情况中球形机器人整体质量及电机效率损失等因素，因此选取输出功率为7W的直流电机。电机选择需考虑转矩和转速两个参数，电机额定转矩T0≥T/i，电机额定转速n0≥n×i，其中参数i为减速器的减速比，n为企业型机器人的运动转速，根据需求选择型号为L298N的直流电机，其实际输出转矩为8.1kg·cm，满足要求，直流电机额定转速为1500rpm，则球形机器人实际转速为50rpm，大于30rpm，因此其也满足转速的要求，可以使得电机驱动主动轮602并对球壳施加摩擦驱动力使得球壳能够进行稳定的滚动。
综上所述，本申请中的球形机器人在运行过程中，更加的稳定。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种球形机器人，包括球形外壳(1)以及设于球形外壳(1)内的驱动机构，其特征在于：所述球形外壳(1)的外部设有球形保护外壳(2)，所述球形外壳(1)和球形保护外壳(2)之间连接有若干个第一弹簧(5)，所述球形外壳(1)的外表面连接有第二固定环(4)，所述球形保护外壳(2)的内表面连接有第一固定环(3)，所述第一固定环(3)和第二固定环(4)连接，所述球形外壳(1)和球形保护外壳(2)之间设有缓冲气囊；
所述驱动机构包括动力输出机构、控制模块和信号传输模块，动力输出机构产生的偏心力矩使球形外壳(1)滚动和转向，控制模块控制动力输出机构的动力输出，信号传输模块用于控制模块和外界控制端之间的信号连接。
2.根据权利要求1所述的一种球形机器人，其特征在于：所述动力输出机构包括电机仓(6)、连接在电机仓(6)下端的电池仓(8)以及连接在电机仓(6)上端的顶部支架(7)，所述电机仓(6)和顶部支架(7)之间连接有若干个第二弹簧(9)。
3.根据权利要求2所述的一种球形机器人，其特征在于：所述电机仓(6)内设有若干个对称分布的驱动电机(601)，所述驱动电机(601)输出轴端连接有主动轮(602)，所述主动轮(602)位于电机仓(6)的外部，且主动轮(602)和球形外壳(1)的内表面接触。
4.根据权利要求2所述的一种球形机器人，其特征在于：所述顶部支架(7)上设置有若干个对称分布的高速轴承(701)，所述高速轴承(701)内设有从动轮轴(702)，且从动轮轴(702)的中部位置连接有从动轮(703)，所述从动轮(703)和球形外壳(1)的内表面接触。
5.根据权利要求2所述的一种球形机器人，其特征在于：所述电池仓(8)内设有电池，驱动电机(601)、控制模块均和电池电连接，所述电池仓(8)内设有无线充电模块，无线充电模块与电池电连接。
6.根据权利要求2所述的一种球形机器人，其特征在于：所述顶部支架(7)的下端连接有配重块，配重块位于若干个第一弹簧(5)之间。
7.根据权利要求1所述的一种球形机器人，其特征在于：所述控制模块包括单片机系统板、六轴传感器模块、电机驱动模块、编码器模块和GPS模块，所述六轴传感器模块、电机驱动模块、编码器模块和GPS模块均与单片机系统板连接。
8.根据权利要求1所述的一种球形机器人，其特征在于：所述信号传输模块包括蓝牙模块，蓝牙模块和单片机系统板连接。
9.根据权利要求1所述的一种球形机器人，其特征在于：若干个所述第一弹簧(5)的一端连接有外凸式圆弧连接件，第一弹簧(5)的另一端连接有内凹式圆弧连接件，外凸式圆弧连接件与球形保护外壳(2)的内表面连接，内凹式圆弧连接件与球形外壳(1)的外表面连接。
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SE01 Entry into force of request for substantive examination
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RJ01 Rejection of invention patent application after publication

Application publication date: 20210604

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