RU149882U1

RU149882U1 - SPHERE WORK

Info

Publication number: RU149882U1
Application number: RU2013152123/02U
Authority: RU
Inventors: Алексей Владимирович Борисов; Иван Сергеевич Мамаев; Александр Александрович Килин; Анатолий Александрович Калинкин; Сергей Александрович Трефилов; Юрий Леонидович Караваев
Priority date: 2013-11-22
Filing date: 2013-11-22
Publication date: 2015-01-20

Abstract

1. Сфероробот, содержащий полый корпус, состоящий из полусфер, каркас в виде экваториального диска, установленный в разъеме полусфер, роторные движители, отличающийся тем, что в экваториальном диске выполнены окна, в которых установлены роторные движители, при этом оси вращения роторов расположены под углом 90° по отношению друг к другу, а точка пересечения осей движителей находится на линии диаметра корпуса, расположенной перпендикулярно оси экваториального диска.2. Сфероробот по п.1, отличающийся тем, что он снабжен источником питания, расположенным на платформе экваториального диска, модулем микропроцессорного управления, модулем информационно-измерительной системы ориентации в пространстве, датчиками ускорений, угловых скоростей, магнетометром, модулем беспроводного приема и передачи данных, при этом модуль микропроцессорного управления выполнен с возможностью формирования управляющих воздействий роторными движителями с учетом сигналов обратной связи от датчиков угловых скоростей и модуля информационно-измерительной системы, а также учетом данных, полученных от модуля беспроводного приема и передачи данных, а модуль информационно-измерительной системы ориентации в пространстве выполнен с возможностью программной обработки сигналов датчиков ускорений, датчиков угловых скоростей и магнетометра.3. Сфероробот по п.2, отличающийся тем, что источник питания содержит аккумуляторные ячейки, используемые для балансировки сфероробота.1. A spherical robot containing a hollow body consisting of hemispheres, an equatorial disk frame mounted in a hemisphere connector, rotary movers, characterized in that the equatorial disk is made of windows in which rotary movers are installed, while the rotor axes of rotation are angled 90 ° with respect to each other, and the point of intersection of the axes of the propulsors is on the line of the diameter of the body, located perpendicular to the axis of the equatorial disk. 2. The spherical robot according to claim 1, characterized in that it is equipped with a power source located on the platform of the equatorial disk, a microprocessor control module, a module for the information-measuring system of orientation in space, acceleration sensors, angular velocities, a magnetometer, and a module for wireless data reception and transmission, this microprocessor control module is configured to generate control actions by rotary propellers taking into account feedback signals from angular velocity sensors and module information-measuring system, as well as taking into account data received from the module for wireless data reception and transmission, and the module of the information-measuring orientation system in space is configured to programmatically process the signals of acceleration sensors, angular velocity sensors and a magnetometer. 3. A spherical robot according to claim 2, characterized in that the power source contains battery cells used to balance the spherical robot.

Description

Сфероробот относится к самоходным транспортным средствам, а именно к мобильным роботам.Spherorobot refers to self-propelled vehicles, namely to mobile robots.

Известен робот-шар, содержащий полую сферу, установленные внутри сферы двигатели, зафиксированные таким образом, что их геометрические оси перпендикулярны друг другу и пересекаются в геометрическом центре сферы, один из двигателей установлен на внутренней поверхности сферы и соединен посредством каркаса, выполненного в форме четверти окружности, со вторым двигателем, установленным на свободном конце упомянутого каркаса и снабженным аналогичным каркасом, связанным с его валом [1].A well-known robot ball containing a hollow sphere, motors mounted inside the sphere, fixed in such a way that their geometric axes are perpendicular to each other and intersect in the geometric center of the sphere, one of the motors is mounted on the inner surface of the sphere and connected by a quarter-circle frame , with a second engine mounted on the free end of said frame and provided with a similar frame connected to its shaft [1].

Также известен робот-шар, состоящий из корпуса, выполненного в виде полого шара, содержащий внутренний каркас, соединенный с корпусом шарниром, закрепленный на внутреннем каркасе первый электропривод, вал которого соединен с корпусом, также на каркасе закреплен второй электропривод, на обоих концах сквозного вала которого закреплены дебалансы [2].A robot ball is also known, consisting of a housing made in the form of a hollow ball, containing an inner frame connected to the housing by a hinge, mounted on the inner frame of the first electric drive, the shaft of which is connected to the housing, also a second electric drive is fixed on the frame, at both ends of the through shaft which is fixed unbalances [2].

Недостатком данных роботов является то, что используемые кинематические схемы снижают быстродействие роботов, не позволяя им осуществлять все многообразие возможных направлений и траекторий движения, а также двигаться в любом заданном направлении без дополнительных (предварительных) перемещений подвижных масс внутри сферической оболочки.The disadvantage of these robots is that the kinematic schemes used reduce the speed of the robots, not allowing them to carry out the whole variety of possible directions and trajectories of movement, as well as move in any given direction without additional (preliminary) movements of the moving masses inside the spherical shell.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемой полезной модели, выбранный в качестве прототипа, является дистанционно управляемый катящийся робот [3], содержащий полую сферу, имеющую гладкую наружную и внутреннюю поверхности, не менее двух роторов, установленных внутри сферы в диаметральном направлении так, что геометрические оси роторов пересекаются в геометрическом центре сферы; передаточные механизмы, соединяющие диаметрально противоположные роторы, выполняющие также роль элементов каркаса. Управление движением робота осуществляется с помощью пульта дистанционного управления.The closest in technical essence to the proposed utility model, selected as a prototype, is a remotely controlled rolling robot [3], containing a hollow sphere having a smooth outer and inner surfaces, at least two rotors mounted diametrically inside the sphere so that the geometric rotor axes intersect at the geometric center of the sphere; gears connecting diametrically opposite rotors, also playing the role of frame elements. The movement of the robot is controlled using the remote control.

Недостатками данного робота являются отсутствие автономного управления и недостаточная маневренность, что обусловлено тем, что расположение роторов в предложенной конструкции не позволяет обеспечить совмещение центра масс системы с геометрическим центром сферической оболочки без дополнительного утяжеления робота, что приводит также к возрастанию момента инерции, снижению быстроты изменения скорости и направления движения робота.The disadvantages of this robot are the lack of autonomous control and lack of maneuverability, which is due to the fact that the location of the rotors in the proposed design does not allow for the combination of the center of mass of the system with the geometric center of the spherical shell without additional weighting of the robot, which also leads to an increase in the moment of inertia and a decrease in the speed of change of speed and direction of movement of the robot.

Задача, на решение которой направлено заявленное техническое решение заключается в повышении маневренности, т.е. возможности реализации движений сфероробота с роторными движителями по максимально сложным траекториям и обеспечении автономности управления.The task to which the claimed technical solution is directed is to increase maneuverability, i.e. the possibility of realizing the movements of a spherical robot with rotary propellers along the most complex paths and ensuring autonomy of control.

Решение данной задачи достигается тем, что в полом корпусе сфероробота, состоящем из полусфер, расположен каркас, выполненный в виде экваториального диска и установленный в разъеме полусфер, при этом в экваториальном диске выполнены окна, в которых установлены роторные движители, оси вращения которых расположены под углом 90° по отношению друг к другу, а точка пересечения осей движителей находится на линии диаметра корпуса, расположенной перпендикулярно оси экваториального диска.The solution to this problem is achieved by the fact that in the hollow body of the spherical robot, consisting of hemispheres, there is a frame made in the form of an equatorial disk and installed in the hemispherical connector, while in the equatorial disk there are windows in which rotary propulsors are installed, the rotation axes of which are angled 90 ° with respect to each other, and the point of intersection of the axes of the propulsors is on the line of the diameter of the housing, located perpendicular to the axis of the equatorial disk.

Кроме того, сфероробот снабжен источником питания, содержащим аккумуляторные ячейки, расположенные на платформе экваториального диска, используемые для балансировки сфероробота, модулем микропроцессорного управления, модулем информационно-измерительной системы ориентации в пространстве, датчиками ускорений, угловых скоростей, магнетометром, модулем беспроводного приема и передачи данных, при этом модуль микропроцессорного управления выполнен с возможностью формирования управляющих воздействий роторными движителями с учетом сигналов обратной связи от датчиков угловых скоростей и модуля информационно-измерительной системы, а также учетом данных, полученных от модуля беспроводного приема и передачи данных, а модуль информационно-измерительной системы ориентации в пространстве выполнен с возможностью программной обработки сигналов датчиков ускорений, датчиков угловых скоростей и магнетометра.In addition, the spherical robot is equipped with a power source containing battery cells located on the equatorial disk platform, used to balance the spherical robot, a microprocessor control module, an information-measuring system for spatial orientation, acceleration sensors, angular velocities, magnetometer, wireless data reception and transmission module wherein, the microprocessor control module is configured to generate control actions by rotary motors taking into account the feedback from the sensors of angular velocities and the module of the information-measuring system, as well as taking into account the data received from the module for wireless reception and transmission of data, and the module of the information-measuring system of orientation in space is configured to programmatically process the signals of acceleration sensors, angular velocity sensors, and magnetometer.

Конструкция заявляемого сфероробота представлена на фиг.1-3. Сфероробот содержит полый корпус 1, состоящий из двух одинаковых полусфер 1а и 1б, каркас, в виде экваториального диска 2, установленный в разъеме полусфер 1а, 1б, имеющий окна 3, 4, 5, в которых расположены роторные движители 6, 7, 8 с роторами 9, 10, 11, снабженные датчиками угловых скоростей 12, 13, 14. Периметр экваториального диска 2 имеет закругление с радиусом, равным радиусу внутренних поверхностей полусфер 1а, 1б для их беззазорной посадки, что обеспечивает герметичность внутреннего пространства и позволяет использовать сфероробот в агрессивных условиях окружающей среды, а также под водой.The design of the inventive spherical robot is presented in figure 1-3. The spherical robot contains a hollow body 1, consisting of two identical hemispheres 1a and 1b, a frame, in the form of an equatorial disk 2, installed in the hemisphere connector 1a, 1b, having windows 3, 4, 5, in which rotary propellers 6, 7, 8 s are located rotors 9, 10, 11, equipped with angular velocity sensors 12, 13, 14. The perimeter of the equatorial disk 2 has a rounding with a radius equal to the radius of the inner surfaces of the hemispheres 1a, 1b for their gap-free landing, which ensures the tightness of the internal space and allows the use of a spherical robot in aggressive condition The environment and also under water.

Крепление роторных движителей 6, 7, 8 выполнено на экваториальном диске 2 так, что оси их вращения расположены под углом 90° по отношению друг к другу, а точка их пересечения находится на линии диаметра полого корпуса 1, перпендикулярной экваториальному диску 2. Это обеспечивает расположение центра масс системы в геометрическом центре полого корпуса 1 (фиг.1).The fastening of the rotary movers 6, 7, 8 is made on the equatorial disk 2 so that the axis of rotation are located at an angle of 90 ° with respect to each other, and the point of intersection is on the diameter line of the hollow body 1, perpendicular to the equatorial disk 2. This ensures the location the center of mass of the system in the geometric center of the hollow body 1 (figure 1).

Кроме того, на платформе 15, установленной на экваториальном диске 2 (фиг.2) установлены модуль микропроцессорного управления 16, модуль информационно - измерительной системы ориентации сфероробота в пространстве 17, содержащий интегрированные трехкомпонентный датчик ускорений 18, трехкомпонентный датчик угловых скоростей 19 и магнетометр 20, модуль беспроводного приема и передачи данных 21. К модулю микропроцессорного 16 управления подключены также датчики угловых скоростей 12, 13, 14.In addition, on the platform 15, installed on the equatorial disk 2 (figure 2), a microprocessor control module 16, a module for the information-measuring system of orientation of the spherical robot in space 17, containing integrated three-component acceleration sensor 18, three-component angular velocity sensor 19 and magnetometer 20, are installed, module for wireless data reception and transmission 21. Angular velocity sensors 12, 13, 14 are also connected to the microprocessor control module 16.

На платформе 22, установленной на экваториальном диске 2 на стороне противоположной к платформе 15, расположен распределенный по объему источник питания, состоящий из аккумуляторных ячеек 23, 24, 25 (фиг.3).On the platform 22, mounted on the equatorial disk 2 on the side opposite to the platform 15, is located distributed over the volume of the power source, consisting of battery cells 23, 24, 25 (figure 3).

Сфероробот работает следующим образом. Движение сфероробота осуществляется за счет создания движущего момента при ускоренном вращении роторов 9, 10, 11 роторных движителей 6, 7, 8. При этом кинетические моменты роторов складываются и создают суммарный кинетический момент, приводящий в движение сфероробот.Spherical robot works as follows. The movement of the spherical robot is carried out by creating a driving moment during the accelerated rotation of the rotors 9, 10, 11 of the rotary propellers 6, 7, 8. In this case, the kinetic moments of the rotors add up and create the total kinetic momentum that sets the spherical robot in motion.

Направление движения сфероробота определяется соотношением ускорений и направлений вращения роторов 9, 10, 11. Благодаря обеспечению положения центра масс сфероробота в геометрическом центре полого корпуса 1, за счет расположения роторных движителей 6, 7, 8 на экваториальном диске 2 так, что оси их вращения расположены под углом 90° по отношению друг к другу, а точка их пересечения находится на линии диаметра полого корпуса 1, перпендикулярной экваториальному диску 2, сфероробот может начать движение в любом заданном направлении и изменять заданное направление движения на любое другое.The direction of movement of the spherical robot is determined by the ratio of the accelerations and directions of rotation of the rotors 9, 10, 11. Due to the position of the center of mass of the spherical robot in the geometric center of the hollow body 1, due to the location of the rotary propellers 6, 7, 8 on the equatorial disk 2 so that their rotation axes are located at an angle of 90 ° relative to each other, and their intersection point is on the diameter line of the hollow body 1, perpendicular to the equatorial disk 2, the spherical robot can start moving in any given direction and change the task the actual direction of movement to any other.

Микропроцессорный модуль управления 16 формирует управляющие воздействия роторными движителями 6, 7, 8 с учетом сигналов обратной связи от датчиков угловых скоростей 12, 13, 14 и модуля информационно-измерительной системы 17, а также учетом данных, полученных от модуля беспроводного приема и передачи данных 21.The microprocessor control module 16 generates control actions by rotary motors 6, 7, 8, taking into account feedback signals from the angular velocity sensors 12, 13, 14 and the module of the information-measuring system 17, as well as taking into account the data received from the wireless module for receiving and transmitting data 21 .

По показаниям датчиков модуля информационно - измерительной системы ориентации сфероробота в пространстве 17: трехкомпонентного датчика ускорений 18, трехкомпонентного датчика угловых скоростей 19 и магнетометра 20 - микропроцессорный модуль управления производит вычисления действительного положения и ориентации, а также скорости и направления движения сфероробота.According to the readings of the sensors of the information-measuring system of the orientation of the spherical robot in space 17: a three-component acceleration sensor 18, a three-component angular velocity sensor 19 and a magnetometer 20, the microprocessor control module calculates the actual position and orientation, as well as the speed and direction of movement of the spherical robot.

Электропитание роторных движителей 6, 7, 8, модуля микропроцессорного управления 16, модуля информационно - измерительной системы ориентации сфероробота в пространстве 17, модуля беспроводного приема и передачи 21 осуществляется от распределенного по объему источника питания, состоящего из одинаковых аккумуляторных ячеек 23, 24 и 25, используемых, в том числе, для балансировки сфероробота.Power supply of rotary propellers 6, 7, 8, microprocessor control module 16, module of information - measuring system of orientation of a spherical robot in space 17, module of wireless reception and transmission 21 is carried out from a power source distributed across the volume, consisting of the same battery cells 23, 24 and 25, used, including, for balancing a spherical robot.

Возможно дистанционное и автономное управление движением сфероробота. В первом случае, посредством беспроводного канала связи, оператор задает скорость и направление вращения каждого роторного движителя 6, 7, 8, в зависимости от которых сфероробот выполняет движение. Во втором сфероробот, получив координаты места назначения, в зависимости от его положения и ориентации, перемещается по управляющим воздействиям, рассчитанным микропроцессорным модулем управления 16, корректируя управляющие воздействия в зависимости от данных, полученных от модуля информационно-измерительной системы ориентации сфероробота в пространстве 17.Remote and autonomous control of the movement of the spherical robot is possible. In the first case, through a wireless communication channel, the operator sets the speed and direction of rotation of each rotary mover 6, 7, 8, depending on which the spherical robot performs movement. In the second spherical robot, having received the coordinates of the destination, depending on its position and orientation, it moves along the control actions calculated by the microprocessor control module 16, adjusting the control actions depending on the data received from the information-measuring system of the orientation of the spherical robot in space 17.

Таким образом, по сравнению с известными техническими решениями, максимальная маневренность при движениях по сложным траекториям предполагаемой полезной модели достигается за счет расположения роторных движителей 6, 7, 8, так, что оси их вращения расположены под углом 90° по отношению друг к другу, а точка их пересечения находится на линии диаметра полого корпуса 1 перпендикулярной экваториальному диску 2, что обеспечивает положение центра масс сфероробота в геометрическом центре полого корпуса 1. Это также исключает необходимость использования дополнительных балансировочных масс, что, при прочих равных условиях, снижает массу и момент инерции сфероробота. Автономное управление сферороботом достигается за счет введения микропроцессорного модуля управления 16 с модулем информационно-измерительной системы ориентации в пространстве 17.Thus, in comparison with the known technical solutions, the maximum maneuverability when moving along the complex trajectories of the proposed utility model is achieved due to the location of the rotary propellers 6, 7, 8, so that their rotation axes are located at an angle of 90 ° relative to each other, and their intersection point is on the diameter line of the hollow body 1 perpendicular to the equatorial disk 2, which ensures the position of the center of mass of the spherical robot in the geometric center of the hollow body 1. This also eliminates the need to use Bani additional balancing masses that, ceteris paribus, reduces the weight and the moment of inertia sferorobota. Autonomous control of the spherical robot is achieved by introducing a microprocessor control module 16 with the module information-measuring orientation system in space 17.

Источники, принятые во внимание:Sources taken into account:

1. Патент RU №2315686 Робот-шар // Наедина Л.И., 2008 г.1. Patent RU No. 2315686 Robot ball // Naedina LI, 2008

2. Патент RU №106215 Робот-шар // Яцун С.Ф., Савин С.И., Казарян К.Г., 2011 г.2. Patent RU No. 106215 Robot ball // Yatsun S.F., Savin S.I., Kazaryan K.G., 2011

3. United States Patent №6,414,457 Autonomous rolling robot // Sunil K., Agrawal, Shourov Bhattacharya, Jul. 2, 2002 (прототип).3. United States Patent No. 6,414,457 Autonomous rolling robot // Sunil K., Agrawal, Shourov Bhattacharya, Jul. 2, 2002 (prototype).

4. Борисов А.В., Килин А.А., Мамаев И.С. Как управлять шаром Чаплыгина при помощи роторов. Нелинейная динамика. 2012. Т.8. №2. С.289-307.4. Borisov A.V., Kilin A.A., Mamaev I.S. How to control a Chaplygin ball using rotors. Nonlinear dynamics. 2012.V.8. No. 2. S.289-307.

5. Борисов А.В., Килин А.А., Мамаев И.С. Как управлять шаром Чаплыгина при помощи роторов. II Нелинейная динамика. 2013. Т.9. №1. С.59-76.5. Borisov A.V., Kilin A.A., Mamaev I.S. How to control a Chaplygin ball using rotors. II Nonlinear dynamics. 2013.V.9. No. 1. S.59-76.

Claims

1. A spherical robot containing a hollow body consisting of hemispheres, an equatorial disk frame mounted in a hemisphere connector, rotary movers, characterized in that the equatorial disk is made of windows in which rotary movers are installed, while the rotor axes of rotation are angled 90 ° with respect to each other, and the point of intersection of the axes of the propulsors is on the line of the diameter of the housing, located perpendicular to the axis of the equatorial disk.

2. The spherical robot according to claim 1, characterized in that it is equipped with a power source located on the equatorial disk platform, a microprocessor control module, a module for the information-measuring system of orientation in space, acceleration sensors, angular velocities, a magnetometer, and a module for wireless data reception and transmission wherein the microprocessor control module is configured to generate control actions by rotary motors, taking into account feedback signals from angular velocity sensors and the module I have an information-measuring system, as well as taking into account the data received from the module for wireless reception and transmission of data, and the module of the information-measuring system of orientation in space is configured to programmatically process the signals of acceleration sensors, angular velocity sensors, and a magnetometer.

3. Spherical robot according to claim 2, characterized in that the power source contains battery cells used to balance the spherical robot.