CN113147938B - 一种用于类球体机器人的自供电感知装置 - Google Patents

一种用于类球体机器人的自供电感知装置 Download PDF

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Abstract

本申请公开了一种用于类球体机器人的自供电感知方法及装置，属于机器人姿态感知这一技术领域，其设计要点在于：所述的类球体机器人包括：类球体(1)、26个电极组(2)；类球体由18个正八边形面、8个正六边形面以及24个四边形面组合而成；在每个正八边形面、每个正六边形面上均设置有电极组(2)；所述电极组(2)包括：第一外层半圆环电极(2‑1)、第二外层半圆环电极(2‑2)、内层圆环电极(2‑3)。本申请旨在提供一种用于类球体机器人的自供电感知方法及装置，以便于感知类球体机器人的姿态。

Description

一种用于类球体机器人的自供电感知装置
技术领域
本申请涉及一种机器人姿态感知领域，更具体地说，尤其涉及一种用于类球体机器人的自供电感知方法及装置。
背景技术
球形运动机器人是一种以球形为外壳的独立运动体，它在运动方式上,以滚动运动为主。由于这种运动方式和外壳的特殊性，使球形机器人与以往我们熟知的轮式或轨道式的机器人有很大的不同。该类机器人在转向时具有独特的优势，比其他运动方式能更灵活地转向：当运动机构发生高空坠落等危险情况时，球形装置可迅速调整运行状态，进行连续工作；在探测过程中，当与障碍物或其他的运动机构发生碰撞时，球形结构具有很强的恢复能力。另外由于球体滚动的阻力相对滑动或轮式装置的运动阻力小很多，所以球形机器人具有运动效率高、能量损耗小的特点。
然而，球性运动机器人也存在缺点：球形机器人在运动过程中，与接触面发生似的点接触，所以它的稳定性较差。在爬坡、越障过程中，受外界干扰后，很难恢复原来的运动轨迹。
另外，球形机器人由于其结构原因，能源装置必须位于球形机器人内部，在其内部空间本身就狭小的情况下，若要保证充足的能源供应，则需提升电池的容量。但这会带来电池的结构占空间过大问题，且重量问题又会带来额外的消耗。在此情况下，若球形机器人的感知系统不需要能源供应，则会大大减轻球形机器人的设计难度。
发明内容
本申请的目的在于针对上述现有技术的不足，提供一种用于类球体机器人的自供电感知方法及装置。
本申请的技术方案如下：
一种用于类球体机器人的自供电感知装置，所述的类球体机器人包括：类球体(1)、26个电极组(2)；
类球体由18个正八边形面、8个正六边形面以及24个四边形面组合而成；
在每个正八边形面、每个正六边形面上均设置有电极组(2)；
所述电极组(2)包括：第一外层半圆环电极(2-1)、第二外层半圆环电极(2-2)、内层圆环电极(2-3)。
第一种电极的结构包括：顺序设置的金属摩擦电极层Al(3)、空气间隙(4)、摩擦层PTFE(5)、绝缘层PI(6)；其中，金属摩擦电极层Al(3)与类球体连接；当工作时，空气间隙消失，金属摩擦电极层Al与摩擦层PTFE接触；当部工作时，空气间隙出现，两摩擦层分离；
第二种电极的结构包括：顺序设置的金属摩擦电极层Al(3)、空气间隙(4)、棉(7)、绝缘层PI(6)；其中，金属摩擦电极层Al(3)与类球体连接；当工作时，空气间隙消失，金属摩擦电极层Al与棉(7)接触；当部工作时，空气间隙出现，金属摩擦电极层Al与棉(7)分离；
第三种电极采用无特征信号类型的电极；
所述电极组(2)的第一外层半圆环电极(2-1)、内层圆环电极(2-3)、第二外层半圆环电极(2-2)的电极编号采用x,y,z表示：
x表示第一外层半圆环电极(2-1)选择何种电极；y表示内层圆环电极(2-3)选择何种电极，z表示第二外层半圆环电极(2-2)选择何种电极；
1表示选择第一种电极；0表示选择第三种电极；-1表示选择第二种电极；
所述类球体的26个电极组采用下述编号的电极组：
0，0，1；
0，0，-1；
0，1，0；
0，1，1；
0，1，-1；
0，-1，0；
0，-1，1；
0，-1，-1；
1，0，0；
1，0，1；
1，0，-1；
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-1，1，-1；
-1，-1，0；
-1，-1，1；
-1，-1，-1。
进一步，即每个电极组的3个电极分别对应各自的1条总线。
进一步，所述的电极组(2)选自三种不同特征信号类型的电极的一种或两种或三种；
所述三种不同特征信号类型的电极包括：第一种电极、第二种电极、第三种电极。
所述电极组(2)的第一外层半圆环电极(2-1)、内层圆环电极(2-3)、第二外层半圆环电极(2-2)的电极编号采用x,y,z表示：
x表示第一外层半圆环电极(2-1)选择何种电极；y表示内层圆环电极(2-3)选择何种电极，z表示第二外层半圆环电极(2-2)选择何种电极；
1表示选择第一种电极；0表示选择第三种电极；-1表示选择第二种电极；
26个电极组的电极编号不重复。
本申请的有益效果在于：
第一，球形机器人的缺点是：在运动过程中，与接触面发生似的点接触，所以它的稳定性较差。在爬坡、越障过程中，受外界干扰后，很难恢复原来的运动轨迹。对此，本申请提出了一种类球体结构，将球体光滑的表面改成由多个平面组成的表面结果，使点接触变为面接触。可大大提高球形机器人的稳定性。
第二，对于本申请的感应装置，常规的技术是：至少要对球形机器人的26个面要进行检测，即控制装置需要检测26个信号通道，这是非常不稳定的。
对于上述的问题，本申请的核心构思是：采用了摩擦电原理，实现自供电；提出一种新的摩擦电电极区域布局方式。该装置利用摩擦电原理，提出两种电极结构方式PTFE-Al、棉-Al。以此得到两种不同的特征信号，对PTFE-Al特征信号、无特征信号、棉-Al特征信号，3种特征信号进行1,0，-1的编码系统。根据1、0、-1的编码，共27种编码方式。来实现对类球形类球体各表面的位置识别，以此达到对该类球体几何姿态特征及运动轨迹的识别。
附图说明
下面结合附图中的实施例对本申请作进一步的详细说明，但并不构成对本申请的任何限制。
图1是类球体结构、电极组的设计示意图。
图2是类球体结构、电极组在另一视角下的设计示意图。
图3是电极组的外形图。
图4是第一种电极(PTFE-Al)的结构图。
图5是第一种电极的特征信号图。
图6是第二种电极(棉-Al)的结构图。
图7是第二种电极的特征信号图。
图8是电极对应编码图。
图1-8附图标记说明如下：
类球体1、电极组2；
第一外层半圆环电极2-1、第二外层半圆环电极2-2、内层圆环电极2-3；
金属摩擦电极层Al3、空气间隙4、摩擦层PTFE5、绝缘层PI6、棉7。
具体实施方式
实施例1：如图1-2所示，一种用于球体机器人的自供电感知方法及装置(更准确的描述为：一种用于类球体机器人的自供电姿态感知装置)，所述的类球体机器人包括：类球体1、电极组2；类球体(图中用seal-ball表示)由18个正八边形面、8个正六边形面以及24个四边形面组合而成(所述类球体的成形方法为切割球体形成)；电极组2分布在类球体的18个正八边形面和8个正六边形面上(即26个面上设置电极2)。
在18个正八边形面、8个正六边形面的每个面上均布置有3个电极：第一外层半圆环电极2-1、第二外层半圆环电极2-2、内层圆环电极2-3。
对于3种电极而言，图3给出了电极外形图：图3的左图为正八边形上的电极分布，图3的右图为正六边形上的电极分布。
所有需要检测的面上第一外层半圆环电极2-1连接第一总线，第二外层半圆环电极2-2连接第二总线，内层圆环电极2-3连接第三总线。
对于第一外层半圆环电极2-1、第二外层半圆环电极2-2、内层圆环电极2-3而言，提出了以下三种电极设计。
第一种电极：如图4所示，从上到下包括：金属摩擦电极层Al3、空气间隙4、摩擦层PTFE5、绝缘层PI6。
金属摩擦电极层Al3的上方为类球体1。
采用上述的电极方案，类球体在地面上滚动时，由于重力和类球体结构的原因，总有一个面正八边形或正六边形与地面接触(经过测试四边形无法稳定，因此不使用四边形上布置电极)，并能使该装置稳定停留在平面上。与地面接触面称为工作面。
工作面上的电极：空气间隙消失，金属摩擦电极层Al与摩擦层PTFE接触；
非工作上的电极：空气间隙出现，两摩擦层分离。
在上述金属摩擦电极层Al与摩擦层PTFE接触分离的过程中，根据材料不同，可产生如图5的特征信号(示波器测试特征信号)，该特征信号来自于金属摩擦电极层Al，用导线引出，经示波器测试得到。
第二种电极：如图6所示为第二种电极的电极层结构图(棉-Al结构)，与图4的第一种电极的电极层结构相比，区别为将材料PTFE换成材料棉7；图7为其特征信号。
第三种电极为无特征信号类型。
如图8所示为3种电极对应的编码。具体编码方式为：
如图3，每个需要感知检测的面上布置有3块电极区域。对每个电极组而言，有3种对应电极结构可供选择。即每块电极区域的编码可为1.0.-1三种。通过排列组合，可发现。共有3x3x3＝27排列组合方式。
对26个面进行编码：由于编码0.0.0与不使用的四边形面冲突，不使用。则26种编码对应26个需要检测感知的正八边形面或正六边形面。即第1个面对应编码0.0.-1，第2个面对应0.0.1的编码方式类推到第26个面对应的编码1.1.1(即第一外层半圆环电极2-1、第二外层半圆环电极2-2、内层圆环电极2-3都采用第一种电极)。
编号采用x,y,z表示，x表示第一外层半圆环电极2-1选择何种电极；y表示内层圆环电极2-3选择何种电极，z表示第二外层半圆环电极2-2选择何种电极。
按照图8的解释：
1表示选择第一种电极；0表示选择第三种电极；-1表示选择第二种电极。
上述设计也是本申请的核心发明构思之一，3种不同的电极、在1个面上设置3个电极(即电极组)，按照排列组合的方式，共计有27种方式(若有4种不同的电极，每个面上设置3个电极，就会有64种方式)。
而本申请的设置电极的面为26个面。
27种方式，都是第三种电极，本质上与不设置电极相同。
因此，正好剩余的26种方式＝设置电极的26个面，也即，每个面上的电极的排列方式都不相同。
也即，电极的种类、电极的数量，给出的电极的配置方式。
同时，类球体上设置电极的需求要考虑到类球体的稳定性(例如，其改变为64个面意义不大)，且还要考虑到那些面上设置电极。
同时，要保证：电极的配置方式的数量(剔除掉全是第三种电极的情形)＝类球体的设置电极的球面。
因此，本申请的电极的种类、每个面上电极的数量、类球体上设置电极的面的数量，三者是相互协调的。
3个电极对应3条总线(即每个电极组对应3条总线)对控制器来说，只需要监测3个信号通道就可以得到每一个面的信息。如当前第26个面位于类球体与地面之间时，即第26个面处于工作状态。则会在控制装置的3个信号通道上得到1.1.1的编码；当第2个面处于工作状态时，控制装置得到编码0.0.1。即当前类球体的运动轨迹为面26滚动到面2，采用这种方式，可以得到类球体的运动轨迹和当前的姿态信息。
还需要说明的是：图5和图7的测试方法如下：
对于第一种、第二种电极结构，均是从金属电极Al引出导线，输入到示波器接收端。当电极结构受力时，得到如图5和图7所示的波形。
电极层结构：棉-Al，得到电压输出范围为0至-0.16V，电极层结构：PTFE-Al的电压输出范围为±0.16V。
以上所举实施例为本申请的较佳实施方式，仅用来方便说明本申请，并非对本申请作任何形式上的限制，任何所属技术领域中具有通常知识者，若在不脱离本申请所提技术特征的范围内，利用本申请所揭示技术内容所作出局部更动或修饰的等效实施例，并且未脱离本申请的技术特征内容，均仍属于本申请技术特征的范围内。

Claims (6)

1.一种用于类球体机器人的自供电感知装置，其特征在于，所述的类球体机器人包括：类球体(1)、26个电极组(2)；
类球体由18个正八边形面、8个正六边形面以及24个四边形面组合而成；
在每个正八边形面、每个正六边形面上均设置有电极组(2)；
所述电极组(2)包括：第一外层半圆环电极(2-1)、第二外层半圆环电极(2-2)、内层圆环电极(2-3)；
所述的电极组(2)选自三种不同特征信号类型的电极的一种或两种或三种；
所述三种不同特征信号类型的电极包括：第一种电极、第二种电极、第三种电极；
所述电极组(2)的第一外层半圆环电极(2-1)、内层圆环电极(2-3)、第二外层半圆环电极(2-2)的电极编号采用x,y,z表示：
x表示第一外层半圆环电极(2-1)选择何种电极；y表示内层圆环电极(2-3)选择何种电极，z表示第二外层半圆环电极(2-2)选择何种电极；
1表示选择第一种电极；0表示选择第三种电极；-1表示选择第二种电极；
26个电极组的电极编号不重复。
2.根据权利要求1所述的一种用于类球体机器人的自供电感知装置，其特征在于，第一种电极的结构包括：顺序设置的金属摩擦电极层Al(3)、空气间隙(4)、摩擦层PTFE(5)、绝缘层PI(6)；其中，金属摩擦电极层Al(3)与类球体连接；当工作时，空气间隙消失，金属摩擦电极层Al与摩擦层PTFE接触；当部工作时，空气间隙出现，两摩擦层分离。
3.根据权利要求2所述的一种用于类球体机器人的自供电感知装置，其特征在于，第二种电极的结构包括：顺序设置的金属摩擦电极层Al(3)、空气间隙(4)、棉(7)、绝缘层PI(6)；其中，金属摩擦电极层Al(3)与类球体连接；当工作时，空气间隙消失，金属摩擦电极层Al与棉(7)接触；当部工作时，空气间隙出现，金属摩擦电极层Al与棉(7)分离。
4.根据权利要求3所述的一种用于类球体机器人的自供电感知装置，其特征在于，第三种电极采用无特征信号类型的电极。
5.根据权利要求1所述的一种用于类球体机器人的自供电感知装置，其特征在于，所述电极组(2)的第一外层半圆环电极(2-1)、内层圆环电极(2-3)、第二外层半圆环电极(2-2)的电极编号采用x,y,z表示：
x表示第一外层半圆环电极(2-1)选择何种电极；y表示内层圆环电极(2-3)选择何种电极，z表示第二外层半圆环电极(2-2)选择何种电极；
1表示选择第一种电极；0表示选择第三种电极；-1表示选择第二种电极；
所述类球体的26个电极组采用下述编号的电极组：
0，0，1；
0，0，-1；
0，1，0；
0，1，1；
0，1，-1；
0，-1，0；
0，-1，1；
0，-1，-1；
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-1，1，0；
-1，1，1；
-1，1，-1；
-1，-1，0；
-1，-1，1；
-1，-1，-1。
6.根据权利要求1所述的一种用于类球体机器人的自供电感知装置，其特征在于，每个电极组的3个电极分别对应各自的1条总线。
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