一种可以搭载两种不同视觉相机的新型球形机器人的制作方法
【技术领域】
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[0001]本发明涉及了一种可以搭载两种不同视觉相机的新型球形机器人，适用于一些需要勘察外部环境的工作场合或者需要外部信息对机器人进行精确地反馈控制的任务中，涉及新型机器人技术开发领域。
【背景技术】
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[0002]球形机器人是指一类将运动机构、传感器、控制器等内置于一个球壳内部、利用球壳作为滚动行走装置的移动机器人。与传统的轮式、履带式等移动机器人相比，球形机器人的优点在于:①运动转向灵活且转弯半径较小，能够穿过孔径略大于其直径的曲折通道；②具有类似不倒翁的特性，行走过程中与障碍物或其他的运动机构发生碰撞也会在经过短暂的不规则运动后恢复稳态；③当发生从高处跌落等危险情况时，仍然可以继续工作，不存在翻仰问题；④无尖锐的外凸物，适合工作在有人活动的场所。因此，球形机器人在野外作业、反恐及灾难救援和社会服务等领域具有广阔的应用前景。
[0003]受限于全封闭的球形外壳和特殊的滚动行走方式，现有的球形机器人往往缺少外部测量传感器(如激光传感器、视觉相机等)，其环境感知能力较弱，难以准确地获得球形机器人的位置、速度等运动参数，球形机器人的运动稳定性很难得到保证，因而存在控制性能不好等问题。本发明采用了一种新型的球形机器人机械结构设计，在内部空间有限的球形机器人中设计了视觉相机安装机构和长短轴电机驱动结构，对机器人内部空间有了充分的利用。设计的机器人一方面能够灵活运动，利于控制，另一方面具有外部视觉相机安装机构，能够在机器人运动的过程中保持视觉相机的相对稳定，可以获得稳定的外部环境图像和机器人位姿信息。
【发明内容】
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[0004]本专利的发明旨在设计一款新型的能够搭载外部视觉相机的球形机器人，一方面机器人能够灵活运动，另一方面机器人具有稳定的相机安装平台，并可装配两种相机安装支架，可以安装两种不同的视觉相机。
[0005]本发明主要采用如下方案:
[0006]可以搭载两种不同视觉相机的新型球形机器人主要由均质球壳、相机安装机构、内部驱动机构、视觉模块和重摆等部分组成。所述球壳由两个半球壳通过连接片连接形成一个整球体，两侧球冠部分被削去并安装上两个法兰盘。所述相机安装机构包括中心空管、相机安装架和相机连接块等几部分组成，其中，相机安装架通过螺栓与相机连接块固定在一起，相机连接块固定在和框架固连的中心空管两端，这样，机器人在运动时相机能够不随之转动，并保持稳定，以便于获得稳定的视觉图像。所述内部驱动机构主要由长短轴电机、大小齿轮和重摆组成。长轴电机驱动齿轮转动，实现球壳滚动；短轴电机驱动重摆摆动，改变机器人姿态，二者联动实现机器人的曲线运动。
[0007]所述的相机安装机构主要由内部框架、中心空管、相机连接块和相机安装架等组成，中心空管通过螺栓与内部框架固连，相机连接块和中心空管两端伸出球壳部分采用过盈配合装配在一起，并且利用螺栓固定其相对位置。相机安装架通过螺栓与相机连接块固定在一起，这样，机器人在运动时相机能够不随之转动，并保持稳定，以便于获得稳定的视觉图像。由于机器人视觉处理系统可能会用到两种不同的视觉相机，因此相机安装架有两种不同的结构。
[0008]采用单个双目视觉相机时，为了使相机能够获得不受遮挡的、稳定的双目视觉，需要将相机安装在机器人上方，设计弧形的相机安装架，安装架通过螺栓与相机连接块固连，在安装架上方通过螺栓将相机安装底板与安装架固连，视觉相机和MTI陀螺仪安装在相机底板上。
[0009]采用左右两个视觉相机时，需要把相机固定在机器人两侧，并且保持其相对位置稳定不变。设计另外一种相机安装架，左右两个安装架通过螺栓固定在相机连接块上，两个相机分别利用螺栓和相机安装架固连。
[0010]所述的内部驱动机构主要由内部框架、长短轴电机、大小齿轮、长轴套和重摆等部分组成。
[0011]小齿轮通过顶丝安装在长轴电机输出轴上，与大齿轮之间形成齿轮副，大齿轮固连在长轴套上，这样在电机驱动小齿轮转动时会带动与大齿轮固定的长轴套一起转动，从而带动球壳滚动实现机器人的前进运动(由于长轴套和框架之间采用的是滚动连接，因此框架在长轴套转动的时候会保持相对稳定)。
[0012]短轴电机输出端通过重摆连接件与侧板连接在一起，重摆由配重块、系统所用锂电池与重摆侧板组成，短轴电机通过驱动重摆摆动改变机器人重心位置，从而改变机器人的姿态，长短轴电机联动便可实现机器人的曲线运动。
[0013]所述的视觉模块主要由视觉主板、视觉相机和有机玻璃板组成，利用螺栓将视觉主板固定在有机玻璃板上。有机玻璃板与框架固连在一起，玻璃板、中心空管和框架均在中心位置开了一个直径12mm的孔，方便相机和MTI陀螺仪走线。
[0014]中心空管采用中空设计以便于相机走线，长轴套采用中空设计利于安装中心长管。
[0015]本发明设计的球形机器人具有以下优点:
[0016]1.在球形机器人内部设计了一种稳定的视觉相机安装机构，使得相机能够稳定地安装在球壳外，使得相机光路不受球壳遮挡；同时，相机安装支架同框架固定在一起，不随着球壳滚动而运动，保持一个相对稳定的位置，保证相机能够获得稳定的立体视觉，测得的外部信息更加准确。
[0017]2.内部驱动机构采用长短轴电机差动控制实现，其中，长轴电机通过齿轮机构带动球体转动，由于齿轮传动的高效率，球形机器人具有较高的运行速度；同时，短轴电机带动重摆侧摆以改变机器人姿态，长短轴电机联动实现机器人曲线运动，利于机器人控制。
[0018]3.内部框架、长轴套和中心空管都采用中空设计，一方面利于安装电机、轴承等设备，同时利于相机和电机的走线；另一方面中空设计可以大幅减轻零件的质量，使得系统的质量更加集中于重摆，使机器人具有更大的运行速度和灵活性，有利于机器人的控制。
[0019]4.球壳采用复合材料加工，并设计成两个半球壳通过连接片形成一个完整的球体，这种结构设计使得内部机构的安装和放置更加简单方便，而且球壳受力更均匀，具有更好的力学性能。
[0020]5.在球壳内部将驱动机构和相机安装机构结合在一起，使得内部机构体积更小，对球壳内部空间有了更大的利用，并且也使得整个机器人系统的质量大幅度降低。
【附图说明】
[0021]图1为安装双目视觉相机的球形机器人结构图；
[0022]图2为安装双目视觉相机的球形机器人剖面结构图；
[0023]图3为球形机器人的内部框架及重摆结构图；
[0024]图4为球形机器人的内部框架及重摆侧视图；
[0025]图5为安装左右两个视觉相机的球形机器人结构图；
[0026]图6为安装左右两个视觉相机的球形机器人剖面结构图；
[0027]图7为相机安装架1的结构图；
[0028]图8为相机安装架2的结构图；
[0029]图中标号:1:均质球壳；2:法兰盘；3:空心长轴套；4:配平重块；5:连接片；6:相机安装架1 ;7:MTI陀螺仪；8:双目视觉相机；9:相机安装底板；10:电机驱动器；11:视觉主板；12:有机玻璃板；13:相机连接块；14:大齿轮；15:小齿轮；16:均质框架；17:锂电池；18:配重块；19:重摆侧板；20:框架轴承；21:法兰盘轴承；22:中心空管；23:短轴电机框架；24:长轴电机框架；25:短轴电机；26:重摆连接件1 ;27:长轴电机；28:重摆轴承座；29:重摆连接件2 ；30:相机安装架2 ;31:视觉相机
【具体实施方式】
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[0030]下面结合附图和实例对本发明作进一步描述。
[0031]如图1所示为安装双目视觉相机的球形机器人结构图。图2为安装双目视觉相机的球形机器人剖面结构图。图3为球形机器人的内部框架及重摆结构图。图4为球形机器人的内部框架及重摆侧视图。图5为安装左右两个视觉相机的球形机器人结构图。图6为安装左右两个视觉相机的球形机器人剖面结构图。如图所示，可以搭载两种不同的视觉相机的球形机器人主要由均质球壳、相机安装机构、内部驱动机构、视觉模块和重摆等部分组成。其中均质球壳1由两个半球壳通过连接片5利用螺栓