CN210732473U - 一种带弹簧减震的球上自平衡运动机器人 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种带弹簧减震的球上自平衡运动机器人，属于机器人技术领域，包括从上至下依次设置的上层框架、中层减震部分和设置球轮的下层球轮部分，中层减震部分包括间隔固设在上层框架下侧的过渡板和通过弹性减震器连接于过渡板下方的电机固定板，过渡板与电机固定板之间还连接有高度可调节的调节支架，所述电机固定板上设有电机，电机带动全向轮，全向轮与所述球轮相接触并用于带动球轮转动；下层球轮部分包括围绕球轮设置的多个球支架，球支架包括上支架和下支架，上支架与电机固定板固定连接，下支架设有牛眼轮，牛眼轮与球轮下表面相接触。本实用新型是一种减震性好的球上自平衡运动机器人。

Description

一种带弹簧减震的球上自平衡运动机器人

技术领域

本实用新型属于机器人领域，尤其涉及一种带弹簧减震的球上自平衡运动机器人。

背景技术

随着球上自平衡机器人技术越来越成熟，例如村田制作所制作的“机器人啦啦队”，这是一组小型机器人，通过采用最新的传感、通讯以及先进的群控技术，能够完成具有完美的稳定性和同步性的舞蹈动作。这是一个很好的案例，能看到球形机器人未来的前景，球上自平衡机器人在于其独特的运动形式，具有触地面积小、运动灵活性高、可以全向运动等特点，能适应人流更大的场合，是普通轮式机器人无法比拟的，综上可知，其实际应用价值非常高。

当然，随着对其不断地研究开发，对它的运动稳定性提出一个更高的要求，由于其搭载了高精度陀螺仪，对机器人微小动作非常敏感，这样做的本意是为了增加机器人的稳定性，可以更加精准地根据机器人的姿态进行细微调整，减小机器人的晃动，事实证明这么做确实很有效果，但是在机器人运动过程中却适得其反，由于地面的不平整性，产生的微小起伏对传感器影响很大，虽然可以通过程序对数据进行处理，但是增加了程序员的工作量。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种减震性好的球上自平衡运动机器人。

为实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：一种带弹簧减震的球上自平衡运动机器人，包括从上至下依次设置的上层框架、中层减震部分和设置球轮的下层球轮部分，中层减震部分包括固设在上层框架下侧的过渡板和通过弹性减震器连接于过渡板下方的电机固定板，过渡板与电机固定板之间还连接有高度可调节的调节支架，调节支架通过导向机构连接在调节座上，调节座固定连接过渡板或者电机固定板；所述电机固定板上设有电机，电机带动全向轮，全向轮与所述球轮相接触并用于带动球轮转动；下层球轮部分包括围绕球轮设置的多个球支架，球支架包括上支架和与上支架固定连接的下支架，上支架与电机固定板固定连接，下支架设有牛眼轮，牛眼轮与球轮下表面相接触。

调节支架包括从上至下依次设置的上螺管、与上螺管螺纹连接的螺杆和螺纹连接于螺杆下侧的下螺管，上螺管和下螺管的螺纹旋向相反，上螺管与过渡板铰接，下螺管与电机固定板铰接。

调节支架顶端、底端分别通过两导向机构连接两调节座，两调节座分别固定连接过渡板和电机固定板。

上层框架设有电池、dc-dc、电流电压表、继电器、工业控制计算机、STM32、电机驱动器、IMU惯性测量单元、摄像头和超声波传感器。

上层框架从上至下依次设有传感器层、控制层和能源层，传感器层设有所述摄像头，控制层设有STM32、IMU惯性测量单元、工业控制计算机和超声波传感器，能源层设有电机驱动器。

超声波传感器设置四枚并呈矩形分布。

传感器层包括传感器层层板，摄像头固设在传感器层层板上侧，控制层包括控制层层板，STM32、IMU惯性测量单元、工业控制计算机和超声波传感器均固设在控制层层板上侧，能源层包括能源层层板，电池、dc-dc、电流电压表和继电器均固设在能源层层板下侧，层板与层板之间通过支柱固定连接。

全向轮围绕球轮设置多个，多个全向轮分别由多个电机带动。

所述调节支架围绕机器人的纵向中心轴线间隔均布设置多个。

弹性减震器为弹簧减震器。

本实用新型所述的一种带弹簧减震的球上自平衡运动机器人，具有如下优点：

1.相较于市面上一般的球上自平衡机器人来说，本实用新型增加了避震弹簧减震的结构，当遇到地面起伏或者颠簸时，球轮在地面上的上下运动能很好地被弹簧吸收，有效的减少上层传感器层的震动，避免了高精度传感器的误检测，保证了传感器数据采样的稳定性，减少误操作从而提高了机器人的运动稳定性。这在机器人中高速运动时非常重要，不必要的姿态调整对运动速度影响非常大。同样，该结构也有效避免了不断地冲击振动对芯片元器件的影响，延长了机器人的使用寿命。

2.在加入避震弹簧减震结构的同时，还在围绕机器人的纵向中心轴线(即Z轴方向)每相隔120度放置一根调节支架，通过这三个调节杆来调整上层机械框架的Z轴向倾角，以保证机器人的重心是垂直于铅垂线，从而增加机器人的静态稳定性，避免了因装配精度对机器人初始状态位姿的影响。

3.球轮通过多个牛眼轮限定在机器人底部，避免了因为颠簸可能导致的球轮滑脱风险，可靠性更高。

附图说明

图1是实施例1的结构示意图；

图2是dc-dc、电流电压表和继电器的安装示意图；

图3是调节支架和弹簧减震器的安装示意图；

图4是调节支架的结构示意图；

图中：能源层1、控制层2、传感器层3、支柱4、过渡板5、弹簧减震器6、调节支架7、避震弹簧8、调节座9、电机固定板10、电机座11、电机12、联轴器13、全向轮14、上支架15、连接板16、下支架17、牛眼轮18、球轮19、电池20、dc-dc21、电流电压表22、继电器23、工业控制计算机24、STM3225、IMU惯性测量单元(惯性测量单元)26、摄像头27、超声波传感器28、电机驱动器29、能源层层板30、控制层层板31、传感器层层板32、上螺管33、螺杆34、下螺管35、导柱36、导向孔37、上弹簧挡块36、弹簧杆37、挡片38、中心孔39、纵向中心轴线40。

具体实施方式

由图1-图4所示的一种带弹簧减震的球上自平衡运动机器人，包括从上至下依次设置的上层框架、中层减震部分和设置球轮19的下层球轮部分。

上层框架设有电池20、dc-dc21、电流电压表22、继电器23、工业控制计算机24、STM3225、电机驱动器29、IMU惯性测量单元26、摄像头27和超声波传感器28，电池20通过dc-dc21为电流电压表22、继电器23、工业控制计算机24、STM3225、电机驱动器29、IMU惯性测量单元26、摄像头27和超声波传感器28提供电能，电流电压表22、继电器23、电机驱动器29、IMU惯性测量单元26、摄像头27和超声波传感器28均与STM3225电连接，STM3225与工业控制计算机24通过串口通信。

具体的，上层框架从上至下依次设有传感器层3、控制层2和能源层1，传感器层3设有摄像头27，摄像头27为高分辨率单目摄像头，传感器层3包括传感器层层板32，摄像头27固设在传感器层层板32上侧；控制层2设有STM3225、IMU惯性测量单元26、工业控制计算机24和超声波传感器28，控制层2包括控制层层板31，STM3225、IMU惯性测量单元26、工业控制计算机24和超声波传感器28均固设在控制层层板31上侧，并且超声波传感器28设置四枚并呈矩形分布，即四枚超声波传感器28分别位于矩形的四个角点；能源层1设有电机驱动器29，能源层1包括能源层层板30，电机驱动器29固设在能源层层板30上侧，电池20、dc-dc21、电流电压表22和继电器23均固设在能源层1下侧。

传感器层层板32、控制层层板31与能源层层板30为从上至下依次间隔设置，层板与层板之间通过多根支柱4固定连接，即传感器层层板32与控制层层板31之间固定连接多根支柱4，控制层层板31与能源层层板30之间也固定连接多根支柱4。所述支柱4由1515铝合金型材制成，强度高。

中层减震部分包括间隔固设在上层框架下侧的过渡板5和通过弹性减震器连接于过渡板5下方的电机固定板10，能源层层板30与过渡板5之间也固定连接多根支柱4；所述弹性减震器为弹簧减震器6，弹簧减震器6包括上弹簧挡块36、套设在弹簧杆37外圈的避震弹簧8和固设在弹簧杆37上的挡片38，上弹簧挡块36设有沿其纵向(即竖直方向)延伸的中心孔39，弹簧杆37竖直设置,弹簧杆37顶端插入上弹簧挡块36的中心孔39中，弹簧杆可沿上弹簧挡块的中心孔上下移动，避震弹簧8夹在上弹簧挡块与挡片38之间，上弹簧挡块、避震弹簧8和挡片38从上至下依次设置，上弹簧挡块铰接在过渡板5下侧，挡片38铰接在电机固定板10上侧，弹簧减震器6为现有技术，且为市购件，故不详细叙述，更优地，弹簧减震器的避震弹簧安装前事先压缩，因此，避震弹簧始终为压缩状态，此外，弹簧减震器两两一组，围绕机器人的纵向中心轴线40沿周向依次间隔均布设置三组。调节支架7通过导向机构连接在调节座9上，调节座9固定连接过渡板5或者电机固定板10，进一步地，调节支架7顶端、底端分别通过两导向机构连接两调节座9，两调节座分别固定连接过渡板5和电机固定板10，即调节支架7顶端通过一导向机构连接的调节座固设在过渡板的下侧，调节支架7底端通过另一导向机构连接的调节座固设在电机固定板10的上侧，调节支架7包括从上至下依次设置的上螺管33、与上螺管33螺纹连接的螺杆34和螺纹连接于螺杆34下侧的下螺管35，上螺管33和下螺管35均设有螺纹孔，并且上螺管和下螺管35的螺纹旋向相反，螺杆34上、下两端的螺纹旋向相反，螺杆上端伸入上螺管的螺纹孔并与其螺纹连接，螺杆下端伸入下螺管35的螺纹孔并与其螺纹连接，调节支架平行于机器人的纵向中心轴线40；所述导向机构包括固设在调节支架上的导柱36，调节座上对应导柱36设置导向孔37，导向孔37沿机器人纵向延伸,导向孔37与机器人纵向中心轴线平行，导柱36伸入导向孔37并可沿导向孔37移动，具体地，调节支架的上螺管外侧固设一根导柱，调节支架的下螺管外侧也固设一根导柱，导柱垂直于调节支架，两调节座均设有导向孔，调节支架的两导柱分别伸入两调节座的导向孔中，并可沿导向孔移动，更优地，所述调节支架7围绕机器人的纵向中心轴线沿周向间隔均布设置多个，本实施例中，调节支架围绕机器人的纵向中心轴线依次间隔设置三个，围绕机器人的纵向中心轴线每相隔120度放置一根调节支架7。机器人的纵向中心轴线40也为其Z轴方向，纵向中心轴线沿机器人的纵向延伸，本实施例中，机器人的纵向中心轴线是竖直线，调节支架和导向孔也是竖直的，调节支架7是为了调整上层框架的Z轴轴向倾角，以保证机器人整体的静平衡性。

所述电机固定板10上安装有电机12，电机12带动全向轮14，全向轮14与所述球轮19相接触并用于带动球轮19转动，球轮19为圆球状，全向轮14设于球轮19的上部外侧，全向轮14围绕球轮19间隔均布设置多个，多个全向轮14分别由多个电机12带动，本实施例中，电机固定板10设有电机座11，电机12倾斜地安装在电机座11上，过渡板5对应电机12设有插孔，电机12斜向上地穿插过过渡板5的插孔，电机12与过渡板5插孔的孔壁相间隔，电机12的输出轴斜向下伸出，电机12的输出轴通过联轴器13连接全向轮14的轮轴，全向轮14自带有多个滚轮，全向轮14总是有一个滚轮的轮面与球轮19相接触，电机12带动全向轮14运转，全向轮14的滚轮通过摩擦带动球轮19转动；本实施例中，全向轮14围绕球轮19间隔均布设置三个，三个全向轮14分别由三个电机12带动，当然，三个电机12也围绕机器人的纵向中心轴线间隔均布设置。

中层减震部分是连接上层框架和下层球轮部分的环节，同时能缓解下层球轮部分的震动，减少对上层传感器的影响。

下层球轮部分包括围绕球轮19设置的多个球支架和一个所述球轮19，球支架包括上支架15和通过连接板16固设在上支架15下侧的下支架17，上支架15顶端固定连接于电机固定板10下侧，连接板16上部与上支架15固定连接、下部与下支架17固定连接，下支架17安装有牛眼轮18，牛眼轮18与球轮19下表面相接触，牛眼轮18设有圆球形的轮球，牛眼轮18的轮球的表面与球轮19下部表面相接触；球支架围绕球轮19间隔均布设置多个，同时，球支架也为围绕机器人的纵向中心线间隔均布设置多个，本实施例中，球支架围绕机器人的纵向中心线间隔均布设置三个。

多个球支架是为了将球轮19限制在全向轮14上，不至于颠簸、倾倒或者运动速度过高时球轮19脱离机器，提高机器人安全性。

传感器层层板32、控制层层板31、能源层层板30、过渡板5和电机固定板10板均预留螺丝孔和穿线孔，方便层与层之间器件的走线。

本实用新型所述的一种带弹簧减震的球上自平衡运动机器人，其电气系统包括能源部分和控制部分。能源部分起到给整个机器人提供动力的作用，能源部分包括电池20和dc-dc21,电池20输出连接dc-dc21，其输出再连接继电器23，以保护整个电路系统。电流电压表22直接接在电池20输出端以检测电池20状态是否需要充电。

控制部分是整个机器人的大脑，用来读取并解算传感器数据，根据传感器反馈当前姿态和位置来执行相应指令，并且向电机12发送指令。其包括工业控制计算机24、STM3225、电机驱动器29。

所述传感系统包括自身姿态感知部分和环境感知部分。自身姿态感知部分是为了让机器人了解当前机器人的姿态，并且据此进行姿态的调整，以达到机器人的平衡。这个部分主要是由一块高精度IMU惯性测量单元26构成，其直接与STM3225连接，数据先经过它再进工业控制计算机24，以保证工业控制计算机24出现问题后仍然能用STM3225控制自身的基本位姿。

环境感知部分是为了让机器人了解自身周围的环境，以确保自身在运动过程中的安全。其主要由一枚高分辨率单目摄像头27和放置在机器人四周的四枚超声波传感器28构成。单目摄像头27固定在整个机器人的最高位置，以便于其对整个机器人前方视野的掌控，放置在机器人四周的四枚超声波传感器28是作避障用，当识别到有物体靠近时主动测算出相距距离，上位机根据其上传的数据进行自主避障防止机器人不必要的碰撞。

Claims (10)

1.一种带弹簧减震的球上自平衡运动机器人，其特征在于：包括从上至下依次设置的上层框架、中层减震部分和设置球轮(19)的下层球轮部分，中层减震部分包括固设在上层框架下侧的过渡板(5)和通过弹性减震器连接于过渡板(5)下方的电机固定板(10)，过渡板(5)与电机固定板(10)之间还连接有高度可调节的调节支架(7)，调节支架(7)通过导向机构连接在调节座上，调节座固定连接过渡板(5)或者电机固定板(10)；所述电机固定板(10)上设有电机(12)，电机(12)带动全向轮(14)，全向轮(14)与所述球轮(19)相接触并用于带动球轮(19)转动；下层球轮部分包括围绕球轮(19)设置的多个球支架，球支架包括上支架(15)和与上支架(15)固定连接的下支架(17)，上支架(15)与电机固定板(10)固定连接，下支架(17)设有牛眼轮(18)，牛眼轮(18)与球轮(19)下表面相接触。

2.如权利要求1所述的一种带弹簧减震的球上自平衡运动机器人，其特征在于：调节支架(7)包括从上至下依次设置的上螺管、与上螺管螺纹连接的螺杆和螺纹连接于螺杆下侧的下螺管，上螺管和下螺管的螺纹旋向相反，上螺管与过渡板(5)铰接，下螺管与电机固定板(10)铰接。

3.如权利要求1或2所述的一种带弹簧减震的球上自平衡运动机器人，其特征在于：调节支架(7)顶端、底端分别通过两导向机构连接两调节座，两调节座分别固定连接过渡板(5)和电机固定板(10)。

4.如权利要求1所述的一种带弹簧减震的球上自平衡运动机器人，其特征在于：上层框架设有电池(20)、dc-dc(21)、电流电压表(22)、继电器(23)、工业控制计算机(24)、STM32(25)、电机驱动器(29)、IMU惯性测量单元(26)、摄像头(27)和超声波传感器(28)。

5.如权利要求4所述的一种带弹簧减震的球上自平衡运动机器人，其特征在于：上层框架从上至下依次设有传感器层(3)、控制层(2)和能源层(1)，传感器层(3)设有所述摄像头(27)，控制层(2)设有STM32(25)、IMU惯性测量单元(26)、工业控制计算机(24)和超声波传感器(28)，能源层(1)设有电机驱动器(29)。

6.如权利要求4或5所述的一种带弹簧减震的球上自平衡运动机器人，其特征在于：超声波传感器(28)设置四枚并呈矩形分布。

7.如权利要求5所述的一种带弹簧减震的球上自平衡运动机器人，其特征在于：传感器层(3)包括传感器层层板(32)，摄像头(27)固设在传感器层层板(32)上侧，控制层(2)包括控制层层板(31)，STM32(25)、IMU惯性测量单元(26)、工业控制计算机(24)和超声波传感器(28)均固设在控制层层板(31)上侧，能源层(1)包括能源层层板(30)，电池(20)、dc-dc(21)、电流电压表(22)和继电器(23)均固设在能源层层板(30)下侧，层板与层板之间通过支柱(4)固定连接。

8.如权利要求1所述的一种带弹簧减震的球上自平衡运动机器人，其特征在于：全向轮(14)围绕球轮(19)设置多个，多个全向轮(14)分别由多个电机(12)带动。

9.如权利要求1所述的一种带弹簧减震的球上自平衡运动机器人，其特征在于：所述调节支架(7)围绕机器人的纵向中心轴线间隔均布设置多个。

10.如权利要求1所述的一种带弹簧减震的球上自平衡运动机器人，其特征在于：弹性减震器为弹簧减震器。

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