一种具有防滑滚动带的滚动机器人的制作方法

本发明属于机器人领域，涉及一种以自身壳体滚动的滚动机器人，特别涉及一种具有防滑滚动带的滚动机器人。

背景技术：

机器人是一种通过手动或者自动控制，模拟人类完成各种指令的一种智能化装置。机器人可以代替人体进行各种复杂精细的操作，也可以代替人类进入复杂、危险的环境进行探索作业，保证人员安全。现有的机器人有固定设置、在一定区域范围内进行操作的固定式机器人，也有可移动的，通过机械腿、履带、滚轮等结构实现机器人的行走移动。移动式机器人可以代替人类进入一些复杂、危险的场景，如有毒害气体的空间、火场等，采集信号，指导救援。

滚动机器人是一种依靠转动体进行转动运动的移动式机器人，用来进行滚转运动的主转动体可以是任何适合滚动的形状，比如球体、椭球体、圆环型、圆柱型、车轮型、鼓型、其它类似形状或它们的组合。

上述滚动机器人本身是个不太稳定的系统，容易在运动过程中发生滑动、侧滑、晃动或类似情况，从而使得整个滚动机器人的运动稳定性有所降低。在滚动转动体进行前进、转弯等运动的时候，滚动机器人产生了运动趋势，此时转动体与接触面产生摩擦力以支持滚动机器人的运动，若此时摩擦力的大小不足则容易出现滑动、侧滑等现象。此外，在滚动转动体正常的前进或者转弯等运动的过程中，由于滚动转动体本身的不稳定的系统特性以及外界环境等的影响，滚动机器人的质心容易发生微量的偏移，从而使滚动机器人发生晃动等现象。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对现有的滚动机器人行进和转弯过程中的打滑、晃动现象对滚动机器人的稳定性造成影响的问题，提供一种具有防滑滚动带的滚动机器人，在提高滚动机器人行进稳定性的同时，减少了滚动机器人防滑措施带来的动能损耗。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种具有防滑滚动带的滚动机器人，包括可滚动的壳体，其特征在于：壳体内部左右两侧壁之间设有主轴，壳体外壁中部为环绕主轴设置的可在地面上滚动的滚动带，所述滚动带表面均匀设置有防滑垫，所述防滑垫沿壳体左右方向设置多组，每组防滑垫均环绕主轴均匀设置多个防滑垫。壳体滚动带为光洁球面时容易打滑，按组设置防滑垫，滚动机器人前行和转弯状态下，保证；两组防滑垫同时接触地面，对壳体形成稳定支撑，防止打滑。

作为优选，所述主轴中心设有驱动装置，驱动装置上设有水平设置并与主轴相互垂直的副轴，副轴两端悬空，且副轴两端的下方固定吊设有摆动块。

作为优选，所述驱动装置包括多个直流电机，各直流电机分别通过传动带连接主轴或者副轴，所述直流电机连接设置在壳体内的行进电源模块。

作为优选，所述滚动带为球面的一部分，所述防滑垫顶端为圆顶，滚动带表面相邻两组防滑垫间距a由下述方程一计算得到：

其中，r为壳体滚动带的半径，壳体由摆动块侧向摆动实现转弯，摆动块具有多档侧摆档位对应多种转弯半径，α为壳体设定的相邻档的侧摆档位之间侧向摆动角度的改变值。滚动机器人前行状态下，防滑垫可以在坎坷不平的地面上防滑，而一般情况下，滚动机器人在转弯过程中相比前行状态更容易打滑。滚动机器人设计时，需要对其行动能力进行规划，转弯半径根据摆动块随副轴侧摆的角度变化，侧摆角度越大，则壳体倾斜角度越大，转弯半径越小，则越容易打滑。规划时，设计摆动块侧向摆动的多个角度值，根据侧摆角度从小到大分别定为一档转弯、二档转弯……。从前行切换到一档转弯时，确保壳体的支撑在两组防滑垫之间切换，相邻组防滑垫的间距应与转弯档位切换过程中，防滑带与地面接触点的侧向位移变化量一致。

作为优选，所述防滑垫为圆球形或椭球型的一部分，防滑垫与壳体相接的底部截面为圆形底面，圆形底面的半径r0＝0.15a～0.3a，防滑垫被壳体完全弹性压缩后的压缩厚度d由下述方程二计算得到：

d＝r(1-cosα)。

作为优选，所述防滑垫完全张开的舒展厚度d由下述方程三计算得到：

其中，e为防滑垫的材料弹性模量，m为滚动机器人总重量，g为重力加速度。

滚动机器人转弯时，滚动机器人在相邻的两组防滑垫间切换。所以防滑垫的厚度问题就变成了摆动块按照一档转弯半径侧摆能够跨过多厚的障碍物的越障问题，在满足越障能力的前提下，防滑垫的厚度越大，能提供越为稳定的支撑。为保证防滑垫的防滑作用，防滑垫一般选用橡胶等弹性材料。而滚动机器人在相邻的两组防滑垫间切换过程中，防滑垫会由于滚动机器人的重量而被压缩，在转过一个角度后防滑垫会重新伸展，因此压缩-伸展的过程中，必须保证防滑垫在弹性变形范围内，防止防滑垫被过渡压缩无法回弹。因此，防滑垫的材料和尺寸必须保证防滑垫在弹性变形范围内被压缩。

作为优选，同一组的相邻防滑垫间距为a。

作为优选，所述滚动带的中线位置不设置防滑垫、中线两侧对称设置多组防滑垫。滚动机器人正向前行的状态时，滚动带的中线两侧两组防滑垫接触地面形成支撑，滚动机器人一档左转弯时，滚动带中线左侧的第一、二组防滑垫接触地面；右转弯时，滚动带中线右侧的第一、二组防滑垫接触地面。

作为优选，所述壳体为球体，壳体的左右两侧壁为与滚动带侧边相接的透明窗口。

本发明根据滚动机器人的设定的转弯半径和自重等参数对滚动机器人滚动带表面的防滑垫的形状、厚度进行了针对性设计，在不影响滚动机器人正常行进的前提下，提高了滚动机器人防滑稳定性。

附图说明

图1是本发明的球形壳体结构示意图。

图2是本发明的防滑垫结构示意图。

图3是本发明的球形壳体内部静止状态侧视结构示意图。

图4是本发明的球形壳体内部前行状态侧视结构示意图。

图5是本发明的球形壳体内部静止状态正视结构示意图。

图6是本发明的球形壳体内部转弯状态正视结构示意图。

图7是本发明的防滑垫在棱边数增多过程中滚动摩擦变化示意图。

图8是本发明的壳体一档转弯状态示意图。

图9是本发明转弯过程中越过防滑垫的模型示意图。

图中：1、壳体，2、主轴，3、副轴，4、摆动块，5、驱动装置，6、滚动带，7、透明窗口，8、防滑垫。

具体实施方式

下面通过具体实施例并结合附图对本发明进一步说明。

实施例：一种具有防滑滚动带的滚动机器人，如图1、3-5所示。本装置包括壳体1，壳体为球形，壳体左右侧壁之间架设水平设置的主轴2，壳体1外壁中部为环绕主轴设置的可在地面上滚动的滚动带6，壳体的左右两侧壁为与滚动带侧边相接的透明窗口7。滚动带6表面均匀设置有防滑垫8，所述防滑垫沿壳体左右方向设置多组，每组防滑垫均环绕主轴呈环形分布，每组防滑垫等间距均匀设置多个防滑垫。滚动带6的中线位置不设置防滑垫、中线两侧对称设置多组防滑垫。

壳体内部结构如图3-6所示，主轴2中心设有水平设置并与主轴相互垂直的副轴3，副轴两端悬空，副轴既可随主轴转动而绕主轴的轴线转动，也可以自身的轴线转动。副轴两端的下方吊设有摆动块4，摆动块4与副轴的两端固定连接，不可相对转动。所述主轴和副轴的交叉处设置有驱动主轴和副轴转动的驱动装置5。驱动装置5包括两个直流电机，两个直流电机分别通过传动带连接主轴和副轴，控制所述电机连接设置在壳体内的电源模块。直流电机也可以设置为四个，其中两个直流电机与主轴2传动，分别控制主轴正反转，从而控制滚动机器人前进和后退，另外两个直流电机与副轴3传动，分别控制副轴正反转，从而控制滚动机器人的左右转弯。本方案依赖于质心的改变来产生滚动机器人行进的扭矩，质心的变化通过摆动块来控制，取决于摆动块的重量和质心位置。因此摆动块的重量越大扭矩越高、摆动块的重量可以设置为壳体自重的2倍以上。摆动块尽可能贴近壳体底面内壁，以提高扭矩，而且尽可能低的质心位置可以保证滚动机器人的稳定。

如图3-6所示，当滚动机器人需要前进或者后退时，驱动装置带动主轴转动，副轴设置在主轴中部且两端悬空，因此副轴被主轴带动绕主轴转动一个角度，从而带动摆动块向前或者向后摆动，造成整体质心的前移或者后移，从而带动滚动机器人前进或者后退。当滚动机器人需要转弯时，主轴持续转动保持滚动机器人稳定前进或者后退，同时驱动装置驱动副轴绕自身轴线转动，带动摆动块向左侧或者后侧摆动，使整体质心向一侧便宜，使滚动机器人向一侧倾斜，从而实现转弯。

滚动机器人设计时，需要对其行动能力进行规划，转弯半径根据摆动块随副轴侧摆的角度变化，侧摆角度越大，则壳体倾斜角度越大，转弯半径越小，则越容易打滑。规划时，设计摆动块侧向摆动的多个角度值，根据侧摆角度从小到大分别定为一档转弯半径、二档转弯半径……。从前行切换到一档转弯半径转弯动作时，确保壳体的支撑在两组防滑垫之间切换，相邻组防滑垫的间距应与一档转弯半径状态下，防滑带侧向倾斜带来的与地面接触点的侧向位移变化量一致。

本实施例中，滚动机器人的重量为m＝30kg，半径r＝25cm。本实施例滚动机器人防滑垫设计如下：如图7所示，首先就防滑垫的形状而言，因为球形机器人的运动方式主要为滚动，所以整个球在滚动过程中主要受滚动摩擦力影响，假设防滑垫为正方体，则如图1所示，设重力为g，重心到瞬心的距离为e，在外力p作用下发生滚动，则g·e滚动的阻力。如图2所示，如果增加防滑垫的棱边可以发现，e随着棱边的个数增加而减小，从而导致滚动阻力g·e的初始值减小，力矩变化周期缩短。但棱边数趋于无穷大时，这多边体趋于圆形体，此时由于圆周上各点到圆心的距离相等，滚动摩擦力矩g·e趋于常量，并始终维持在滚动前的临界状态。比较起来，圆形体g·e的阻碍作用要小得多，而且会没有由于g·e变化引起的能量消耗变化大且不稳定现象。加上球形机器人滚动方向可以随需要设计，所以防滑垫在各个方向的截面都应当为圆形或者椭圆形，因此防滑垫的形状设计为椭球体的截断部分，如图2所示。

每组防滑垫之间的间隔为a，设计过程如下，球形机器人在转弯的过程中，相比前行过程更易打滑，且转弯时壳体倾斜角度越大，则越容易打滑。实际试验中发现，在球形机器人转弯的过程中，相邻两组防滑垫分别支撑壳体两侧可以形成一个较为稳定、不易打滑的转弯支撑，所以防滑垫相邻组之间的密度可以依据球形机器人的转弯半径来进行设计，使球形机器人具有稳定转弯半径。转弯半径根据摆动块随副轴侧摆的角度变化，侧摆角度越大，则壳体倾斜角度越大，转弯半径越小，则越容易打滑。规划时，设计摆动块侧向摆动的多个角度值，根据侧摆角度从小到大分别定为一档转弯、二档转弯……。从前行切换到一档转弯时，确保壳体的支撑在两组防滑垫之间切换，相邻组防滑垫的间距应与转弯档位切换过程中，防滑带与地面接触点的侧向位移变化量一致。这里设定滚动机器人摆动块的侧向摆动角度相邻档位之间的侧摆变化量为6°，则对于转弯过程中滚动机器人的几何分析如图8所示，其中球形机器人的半径为r，防滑垫每组之间的间距为a，转弯半径为r，转弯摆动块角度变化量为α＝6°。则有：

变换后得到计算方程一如下：

将已知的球形机器人半径r＝25cm和摆动块侧摆角度变化量α＝6°代入方程一计算得防滑垫组间间隔，取整后为a＝26mm。

防滑垫的厚度选择和滚动机器人的大小、重量和上述的防滑垫组间排列密度有关。壳体转弯过程中，驱动壳体倾斜的动力为摆动块侧摆带来的扭矩，因此，垫子的厚度设计可以表示为，摆动块在相邻转弯档位切换时侧摆角度的变化量产生的侧向力，能越过多高的障碍物的越障问题。在能满足越障需求的前提下，垫子厚度越大，越能提供稳定的支撑。在理想状态下摆动块提高α恰好能够越过d厚度的障碍物的几何分析模型如图9所示，此时只需要质心正好在障碍物与滚动机器人切点上即可，其中滚动机器人的半径为r，摆动块改变角度为α，障碍物厚度为d有以下公式二计算得到：

d＝r(1-cosα)

代入半径r＝250mm，角度α＝6°，计算得出障碍物厚度取整为d＝1.4mm。即在本例中的滚动机器人摆动块提高6°可以恰好越过厚度为1.4mm的障碍物，但是这里的厚度为刚体的厚度，在实际选材的时候，考虑到与地面的摩擦系数的差别，防滑垫的选材一般为橡胶或者硅胶等，这里以橡胶材料为例，由于橡胶材料具有弹性，因此，d＝1.4mm为防滑垫被滚动机器人压缩后的压缩厚度。结合橡胶材料的弹性系数，有如下公式：

其中，e为材料弹性模量，m为球形机器人质量，r为防滑垫的理论截面半径，根据椭圆体体积公式推导出理论截面半径r与橡胶垫底部半径r0的关系为d为防滑垫的舒张厚度，d为防滑垫的压缩厚度。变换后得到防滑垫舒展厚度d计算方程三：

根据空间布局，防滑垫与壳体相接的圆形底面的半径不超过防滑垫组间隔的一半，一半设计为r0＝0.15a～0.3a，本实施例中a＝26mm，取r0＝5mm。代入已知条件橡胶的弹性模量为e＝0.0078×10⁹pa。计算取整后得到d＝10mm。

滚动机器人前行滚动的摆动块前摆角度大于转弯时的摆动块侧摆角度，因此将每组防滑垫中，相邻防滑垫的间距也设计为a＝26mm。满足滚动机器人的前行要求。