CN207807743U - 一种球形自平衡寻物机器人 - Google Patents

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千承辉
龚善超
李凤
刘璠
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Abstract

本实用新型提供的一种球形自平衡寻物机器人,目的是解决现阶段缺少结构简单、能够适应多种复杂地形的自寻物球形机器人问题。包括透明球壳和内部总成,内部总成位于透明球壳内部;所述的内部总成包括支架、主控制器、摄像头、电机、驱动轮和电源,其中,主控制器、摄像头、电机和电源分别设在支架上,主控制器与摄像头和电机相连;所述的电机分别设在支架左右两侧,电机外侧分别连接驱动轮,所述驱动轮的转轴位于透明球壳的一条直径上,两驱动轮分别位于该条直径的两端,并分别与透明球壳内表面相接;电源分别与主控制器、摄像头和电机相连。本实用新型实现机器人的滚动运动方式,使其能够在轮式机器人无法适应的复杂地形正常工作。

Description

一种球形自平衡寻物机器人
技术领域
[0001] 本实用新型涉及一种机器人,特别涉及一种球形自平衡寻物机器人。
背景技术
[0002] 球形机器人拥有独特的物理结构和简单的驱动方式,可以实现丰富的应用功能, 具有极大的发展潜力和发展空间。在国外,芬兰赫尔辛基科技大学的Halme教授于1996年制 作了第一台具有真正意义的球型运动机构Rollo;意大利比萨大朗加滋温阿萨德大学的 Javadi和Mo jabi于2002年研制出了采用开环控制、运动速度较慢的一台名为August的球形 机器人;日本神户大学Toshiaki等人与国家情报通信研宄所的Satoshi合作研发出了一种 靠陀螺保持姿态并调整运动方向的球形机器人。在国内,2001年北京航空航天大学战强教 授领导的课题组共同研制了球形机器人BHQ-UBHQ-2,能够实现球形机器人基本的运动功 能。2002年起,北京邮电大学自动化学院孙汉旭教授等学者陆续开发了基于两电机驱动的 BYQ-1到BYQ-4型机器人,可以实现在无线控制下的球形移动机器人的全方位运动及越障。 目前我国对球形机器人的研宄还不够完善,市面上己有的机器人主要针对玩具市场,实现 功能较少且成本高,无法适应复杂地形,且无法实现精准寻物的功能,没有形成一套独立的 结构体系,有待研宄人员的进一步探索和开发。
发明内容
[0003] 本实用新型的目的是解决现阶段缺少结构简单、能够适应多种复杂地形的自寻物 球形机器人问题,提供的一种球形自平衡寻物机器人。
[0004] 本实用新型提供的球形自平衡寻物机器人,包括透明球壳和内部总成,内部总成 位于透明球壳内部;所述的内部总成包括支架、主控制器、摄像头、电机、驱动轮和电源,其 中,主控制器、摄像头、电机和电源分别设在支架上,主控制器与摄像头和电机相连;所述的 电机分别设在支架左右两侧,电机外侧分别连接驱动轮,所述驱动轮的转轴位于透明球壳 的一条直径上,两驱动轮分别位于该条直径的两端,并分别与透明球壳内表面相接;电源分 别与主控制器和摄像头相连。
[0005] 所述的主控制器包括处理器、电机驱动器和陀螺仪,所述的处理器与摄像头相连; 所述的电机驱动器一端与处理器相连,另一端与电机相连;所述的陀螺仪设在支架的中部, 并与处理器相连。
[0006] 所述的主控制器还包括数据传输模块,所述的数据传输模块与处理器相连。
[0007] 所述的数据传输模块包括数据接收器和数据发射器。
[0008] 电源的输出端连接有分压电路,所述的分压电路分别与主控制器和摄像头相连。
[0009] 分压电路与主控制器和摄像头之间设有稳压器。
[0010] 所述的驱动轮为球面型轮,其外侧面与透明球壳的内表面紧密贴合。
[0011] 所述的电源为无线充电电池,包括电池和充电线圈,所述的电池固定于支架下部, 充电线圈与电池相连,并固定在电池下方。
[0012] 所述的摄像头、电机、处理器、电机驱动器、陀螺仪、数据接收器、数据发射器、分压 电路和稳压器均为现有设备,因此具体结构不在此赘述。
[0013] 本实用新型的工作原理:
[00M]首先,通过上位机或者外部控制器输入相应指令,例如输入待寻目标物的相关特 征信息以及机器人的运行路径,将该指令信息传输给本实用新型提供的寻物机器人,机器 人通过数据传输模块接收指令,将指令传输到处理器进行分析及储存,处理器分析指令后, 输出控制信号给电机驱动器,通过电机驱动器驱动电机运行,驱动轮转动并带动透明球壳 转动,使机器人行走;
[0015]机器人行走过程中,摄像头透过透明球壳实时采集图像,并将图像传递回处理器, 在@理器中对图像进行颜色识别和轮廓识别,并与输入的目标物信息进行分析比对,确定 所采集的图像是否为目标物,当识别到目标物时,处理器将信息通过数据传输模块发送到 上位机或者外部控制器,实现人机交互。
[0016]本实用新型的有益效果:
[0017]本实用新型提供的一种球形自平衡寻物机器人,设计了独特的机械结构,整体为 一个球形,通过陀螺仪和处理器的控制,在保持重心稳定的同时,实现机器人的滚动运动方 式,使其能够在轮式机器人无法适应的复杂地形正常工作。为精确控制其运动,在处理器中 利用最小二乘法拟合和卡尔曼滤波等算法,提高了采集数据的可靠性。基于球形机器人运 动重心保持不变的特性,内置的摄像头在滚动时保持平稳,始终以水平视角输出图像信息, 可以根据指令寻找目标物,而且相比轮式机器人,球形机器人的抗干扰能力更强,鲁棒性更 高。本实用新型在实现自由移动的同时还具有了小型化、智能化、低功耗、低成本等特点,这 也决定该机器人能有更多实际的应用。
附图说明
[0018]图1为本实用新型整体结构示意图。
[0019]图2为本实用新型控制系统结构示意图。
[0020]图3为本实用新型整体结构框图。
[0021]图4为本实用新型运动控制流程示意图。
[0022]图5为本实用新型图像分析流程示意图。
[0023] 1、透明球壳2、内部总成3、支架4、主控制器5、摄像头 [0024] 6、电机7、驱动轮8、电源9、处理器10、电机驱动器
[0025] 11、数据传输模块12、数据接收器13、数据发射器14、分压电路 [0026] 15、稳压器16、电池17、充电线圈。
具体实施方式
[0027]请参阅图1-图5所示:
[0028]本实用新型提供的球形自平衡寻物机器人,包括透明球壳1和内部总成2内部 成2位于透明球壳1内部;所述的内部总成2包括支架3、主控制器4、摄像头5、电&机6驱"轮"7 和电源8,其中,主控制器4、摄像头5、电机6和电源8分别设在支架3上,主控 也 和电机6相连;所述的电机6分别设在支架3左右两侧,电机6外侧分别连接驱动轮7所 动轮7的转轴位于透明球壳1的一条直径上,两驱动轮7分别位于该条直径的两端,并分别与 透明球壳1内表面相接,两驱动轮7分别抵住透明球壳1的内表面,支撑内部总成2始终位于 透明球壳1中心位置;电源8分别与主控制器4和摄像头5相连。摄像头5采用OV2460摄像头。 [0029]所述的主控制器4包括处理器9、电机驱动器10和陀螺仪,所述的处理器9与摄像头 5相连;所述的电机驱动器10—端与处理器9相连,另一端与电机6相连;所述的陀螺仪设在 f架3的中部,并与处理器9相连。陀螺仪实时采集寻物机器人的姿态,处理器9根据陀螺仪 采集到的姿态信息经过pid算法和卡尔曼滤波控制机器人的平衡。处理器9采用ARM嵌入式 微处理器。
[0030]所述的主控制器4还包括数据传输模块11,所述的数据传输模块丨丨与处理器9相 连。
[0031]所述的数据传输模块11包括数据接收器12和数据发射器13。
[0032]电源8的输出端连接有分压电路14,所述的分压电路14分别与主控制器4、和摄像 头5相连;分压电路14分别与主控制器4中的处理器9、电机驱动器10、陀螺仪、数据接收器12 和数据发射器13相连。分压电路14用于为每一个用电设备提供适当的纹波系数小的直流电 压。
[0033]分压电路14与主控制器4和摄像头5之间设有稳压器15;分压电路14与主控制器4 中的处理器9、电机驱动器10、陀螺仪、数据接收器12和数据发射器13之间均设有稳压器15。 稳压器15用于保持输出电压的稳定。
[0034]所述的驱动轮7为球面型轮,其外侧面为橡胶材料或其他摩擦力大的材料,与透明 球壳1的内表面紧密贴合。
[0035]所述的电源8为无线充电电池,包括电池16和充电线圈17,所述的电池16固定于支 架3下部,充电线圈17与电池16相连,并固定在电池16下方,可以与外部无线充电设备相匹 配,为电池16充电。
[0036] 本实用新型的工作原理:
[0037]首先,通过上位机或者外部控制器输入相应指令,所述的上位机或者外部控制器 与本实用新型提供的寻物机器人通过数据传输模块11进行数据传输,可以控制寻物机器人 的运动方向和运动状态;
[0038]将待寻目标物的相关特征信息以及机器人运行路径通过上位机或者外部控制器 传输给寻物机器人,寻物机器人通过数据传输模块11接收指令,将指令传输到处理器9进行 分析及储存,处理器9分析指令后,输出控制信号给电机驱动器1〇,通过电机驱动器10驱动 电机6运行,驱动轮7转动并带动透明球壳1转动,使机器人行走;
[0039]机器人行走过程中,摄像头5透过透明球壳1实时采集图像,并将图像传递回处理 器9,在处理器9中,提取图像像素点的颜色特征值和边缘检测,并与输入的目标物信息进行 分析比对,确定所采集的图像是否为目标物。当确定识别到目标物时,处理器9将信息通过 数据传输模块11发送到上位机或者外部控制器,实现人机交互。
[0040]找到目标物后,处理器9判断上位机或外部控制器是否发出新的指令,如有新的指 令输入,则按照新指令控制机器人移动,否则结束运动。

Claims (8)

1.一种球形自平衡寻物机器人,其特征在于:包括透明球壳和内部总成,内部总成位于 透明球壳内部;所述的内部总成包括支架、主控制器、摄像头、电机、驱动轮和电源,其中,主 控制器、摄像头、电机和电源分别设在支架上,主控制器与摄像头和电机相连;所述的电机 分别设在支架左右两侧,电机外侧分别连接驱动轮,所述驱动轮的转轴位于透明球壳的一 条直径上,两驱动轮分别位于该条直径的两端,并分别与透明球壳内表面相接;电源分别与 主控制器和摄像头相连。
2.根据权利要求1所述的一种球形自平衡寻物机器人,其特征在于:所述的主控制器包 括处理器、电机驱动器和陀螺仪,所述的处理器与摄像头相连;所述的电机驱动器一端与处 理器相连,另一端与电机相连;所述的陀螺仪设在支架的中部,并与处理器相连。
3.根据权利要求2所述的一种球形自平衡寻物机器人,其特征在于:所述的主控制器还 包括数据传输模块,所述的数据传输模块与处理器相连。
4. 根据权利要求3所述的一种球形自平衡寻物机器人,其特征在于:所述的数据传输模 块包括数据接收器和数据发射器。
5. 根据权利要求1所述的一种球形自平衡寻物机器人,其特征在于:电源的输出端连接 有分压电路,所述的分压电路分别与主控制器和摄像头相连。
6. 根据权利要求5所述的一种球形自平衡寻物机器人,其特征在于:分压电路与主控制 器和摄像头之间设有稳压器。
7. 根据权利要求1所述的一种球形自平衡寻物机器人,其特征在于:所述的驱动轮为球 面型轮,其外侧面与透明球壳的内表面紧密贴合。
8. 根据权利要求1所述的一种球形自平衡寻物机器人,其特征在于:所述的电源为无线 充电电池,包括电池和充电线圈,所述的电池固定于支架下部,充电线圈与电池相连,并固 定在电池下方。
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