一种机械陀螺仪结构球形机器人的制作方法

文档序号:11168954阅读:1282来源:国知局
一种机械陀螺仪结构球形机器人的制造方法与工艺

本发明属于机器人智能控制技术领域,具体涉及的是一种能遥控、有部分自主功能的新型结构球形机器人。



背景技术:

球形机器人与轮形移动机器人相比,有其独特的优点。轮形移动机器人易受污染,也不能翻倒且转向会存在死区;由于其惯性不足导致其越过粗糙表面的能力较弱。球形机器人是一种新型结构的滚动行走机器人,是一个全封闭的个体,具有速度快、越野能力好、控制相对简单等特点,越来越受到人们的追捧和重视,逐渐成为国内外机器人智能控制研究领域的重点之一。

1996年芬兰的halme等人制作了第一台具有真正意义上的球形机器人,该球形机器人的球壳内设计了一套单轮机构驱动球体运动,通过改变球体的重心实现球体的直线运动,但由于单轮驱动的局限性,并不能实现系统的全方位运动。2005年,瑞典的乌普萨拉大学发明出一种两驱动球型机器人。该球形机器人有两个驱动电机,一个驱动长轴绕球的直径方向转动,另一个驱动重物在与长轴的同一平面上摆动。通过这两种运动的合成以达到球形机器人的转弯,但该方式下小球转弯半径很大且并不能够实现全方位的运动。

球形机器人在近十多年来得到众多单位和学者的关注。上海交通大学的金康进等学者提出了一种四驱动的球形机器人:球体内部有4个相互对称的电机,每个电机上配有一个偏心重物,电机驱动带动重块运动改变球体重心从而实现向特定方向的滚动,但由于小球体积过大,运动速度慢,稳定性较差,很难实现球体的平稳运行。南京航空航天大学杨忠等人的发明“全方位运动球形机器人”:主轮在行走电机的驱动下沿球壳内侧滚动,从而驱动球体作直线运动,半圆架上方的质量块和水平杆在其转向电机的驱动下沿圆弧架运动,使球体重心左右偏移,从而实现机器人的转向控制,该结构的机器人利用不完整系统的特点使用2个电机构成不完全的三自由度。由于质量小车沿着圆弧架运动时受到圆弧架转动副的限制,其转向范围小于半球区间,存在运动死角,当球形机器人由于外力的作用翻转到机器人短轴位置时,机器人无法动弹,失去移动功能。

现有球形机器人虽各有其特点,但总体来说结构都很复杂,同时大都存在工程量较大、实用性较低等不足之处。特别是在转向运动与前进运动耦合方面,有些装置如果处理不好,会导致球体内部驱动机构状态不确定,影响球体的实际运动,从而大大增加了控制难度,很多还会存在运动死区,极少能在任意点原地转向,不能进行全方位运动,大大限制了机器人使用的空间,且未见球壳相对地面的原地转向方式;同时很多机器人无外部固定接口或球壳外不能搭载附件,使得在实际使用中调试、充电与维护可能存在困难,限制了各种探测传感器和机械手的使用。



技术实现要素:

本发明的目的是设计一种结构新颖、控制简单、可控性好、实用性强的新型结构球形机器人,克服现有技术方案的不足。

由此本发明的技术方案为:一种机械陀螺仪结构球形机器人,包括球壳1及其内部行走驱动装置;所述行走驱动装置包括x轴电机6、支撑架8、y轴电机9以及控制板11;

x轴电机6为两台,固定在支撑架8的左右两侧,x轴电机6的轴端固定在球壳1上,构成前后滚动机构;y轴电机9为两台,固定在控制板11的前后两侧,且y轴电机9的轴端固定在支撑架8上,保持x轴电机6和y轴电机9的轴向相互垂直,控制板11的正下方固定有配重12,整个构成转向控制机构;

静止状态下,控制板11保持水平状态,当x轴电机6转动时,球壳1转动,使得球形机器人前后运动;当y轴电机9转动,使得控制板11和支撑架8产生夹角,由于重心在控制板11的正下方,所以控制板11保持水平,此时支撑架8在x轴上产生夹角,若同时x轴电机转动,球形机器人的轨迹将是一个圆,且圆的半径和夹角有定量关系;在运动过程中改变控制板11和支撑架8的夹角从而改变球体的运动方向和轨迹。

进一步,所述球形机器人采用机械陀螺仪结构,本身具有很好的定向特性。

进一步,所述支撑架8为中空的类圆环,或者为中空的椭圆环状结构,或者为规则多边形结构,该多边形结构能够保证x轴电机、y轴电机9的轴端在空间上有相互垂直的固定点。

进一步,y轴电机9的轴上装有齿轮a3,并与电位器5轴上装有的齿轮b4相互啮合。

进一步,所述电位器5通过齿轮传动测量出控制板11和支撑架8的夹角,从而改变球形机器人的转向。

进一步,还包括集电环10,通过集电环10将一对电机驱动接到y轴电机以更好地实现供电需求。

进一步,所述集电环10一端固定在控制板11上,另一端固定在支撑架8上,同时y轴电机的轴承与集电环的中心是同心的,同时集电环10的两端可以相对滑动。

进一步,x轴电机和y轴电机均采用固定座7固定。

进一步,球壳1外可附加一些减震材料。

本方案的优点是:

1)驱动机构简单,控制精度高,成本较低。

2)电机轴与球壳固定,电机与重物固定,且重物重心较低,整个系统的重心在球体的中下部,稳定性好,系统响应速度快。

3)球体结构本身采用陀螺仪结构,本身具有很好的定向特性。

4)测量角度采用单圈连续电位器作为传感器,利用控制器的ad转换功能,读取电压即可计算得到角度。

5)两个电机分别驱动球体的前进和转向,经测试,可控球可以很好地实现在地面上朝任意方向滚动且死区很小。

附图说明

图1为陀螺仪结构球形机器人前后运动原理示意图。

图2为机械陀螺仪结构球形机器人的结构示意图。

图3为陀螺仪结构球形机器人受力运动示意图。

1-球壳;2-轴承座;3-齿轮a;4-齿轮b;5-电位器;6-x轴电机;7-电机固定座;8-支撑架;9-y轴电机;10-集电环;11-控制板;12-配重。

具体实施方式

如图1所示,陀螺仪结构球形机器人前后运动原理示意图。电机轴与球壳1固定,电机和配重12固定,且配重12重心较低,整个系统的重心几乎在配重12的中心。当电机转动时,假设配重12足够重,可以使外面球壳1转动,从而产生向前滚动的动力,如果配重12不够重,被抬起一定高度,将产生mg·sinθ·r的扭矩,使球体向前滚动。

如图2所示,机械陀螺仪结构球形机器人的结构示意图,由球壳1及其内部行走驱动装置组成。其行走驱动装置由x轴电机6、支撑架8、y轴电机9以及控制板11组成。x轴电机6通过电机固定座7固定在支撑架8上,x轴电机6的轴固定在球壳1上,构成前后滚动机构;y轴电机9固定在控制板11上,y轴电机9的轴固定在支撑架8上,且x轴电机6和y轴电机9的轴向相互垂直,采用集电环10原理供电,配重12固定在控制板11的正下方,整个构成转向控制机构;静止状态下,控制板11保持水平状态。当x轴电机6转动时,球壳1转动,使得球形机器人前后运动;当y轴电机9转动,使得控制板11和支撑架8产生夹角,由于重心在控制板11的正下方,所以控制板11保持水平,此时支撑架8在x轴上产生夹角;电位器5的轴上装有齿轮b4,并与y轴电机9轴上齿轮a3啮合,电位器5可以通过齿轮传动测量出控制板11和支撑架8间的夹角;若此时x轴电机6转动,球形机器人的轨迹将是一个圆且圆的直径和夹角有定量关系;在运动过程中改变支撑架8和控制板11的夹角可以实现任意方向的转向。

电位器5的轴上装有一个齿轮4,它与y轴电机轴上的齿轮3相啮合,电位器5固定在控制板11上;集电环10一端固定在控制板11上,另一端固定在支撑架8上,同时y轴电机的轴承与集电环的中心是同心的,集电环的两端还可以相对滑动。

如图3所示,陀螺仪结构球形机器人受力运动示意图。运动规律为:选用两对轴向相互垂直的电机即x轴电机6和y轴电机9;球半径为r,x轴电机6通过电机固定座7固定在支撑架8上,x轴电机6的轴固定在球壳1上;控制板11保持水平,支撑架8与控制板11之间的夹角是θ;x轴电机6转动提供前进动力;y轴电机9转动用于改变方向;x轴电机6和y轴电机9可以分时运动,也可以同时运动。当y轴电机9单独运动时,球形机器人呈绝对直线运动;x轴电机6运动且速度较慢时,球形机器人的运动轨迹呈半径为r的圆,且半径r的大小与支撑架8与控制板11之间的夹角θ有关,即:

特殊情况:当θ为0度时即x轴电机6单独运动时,运行半径r无穷大,运动轨迹是一条直线;当θ为90度时,运行半径r为零,球形机器人原地打转。

关于本发明还有如下特征:

1)配重12可以是电路板、电池等。

2)内部放置一个锂电池给整个系统供电,一对电机驱动接在内部电机,另一对通过集电环接到外部电机以满足供电需要。

3)采用机械陀螺仪结构,本身具有很好的定向特性,同时设置两对轴向相互垂直的电机以实现任意方向的滚动。

4)两对电机采用固定座7固定,防止松动脱落。

综上,上述机械陀螺仪结构球形机器人主要由球壳,x轴电机,支撑架,y轴电机,控制板组成。x轴电机固定在支撑架上,x轴电机的轴固定在球壳上。y轴电机固定在控制板上,y轴电机的轴固定在支撑架上,且x轴电机与y轴电机轴向相互垂直,配重固定在控制板正下方使得球体重心在球的几何中心的下方,静止状态下控制板保持水平状态。当x轴电机转动时,球壳转动,使得球形机器人前后运动。当y轴电机转动,使得控制板和支撑架产生夹角。由于重心在控制板的正下方,所以控制板保持水平,此时支撑架在x轴上产生夹角。若x轴电机转动,球形机器人的轨迹将是一个圆,且圆的直径和夹角有定量关系。在运动过程中改变控制板和支撑座的夹角从而实现拐弯。

当前第1页1 2 
网友询问留言 已有0条留言
  • 还没有人留言评论。精彩留言会获得点赞!
1