一种球形机器人及其运动控制装置的制作方法

本发明属于机械结构/自动控制/智能机器人领域，通过独特的一体化运动控制装置，控制摆锤在球形机器人内部，球心周围空间的任意角度和任意位置移动，利用重力环境下球体的自平衡特性，实现球形机器人的全向运动。

背景技术：

球形机器人的研究在国际上已经有20多年历史，早在1996年国外便设计出了第一款球形机器人，随后世界上多个科研机构和企业也相继设计出了多种球形机器人的驱动模式。这些球形机器人的驱动原理，都是运用重力力矩的作用机理，即重力环境下球体的自平衡特性。

根据物理学原理，当球体在平面上处于静止状态时，其重心在竖直方向的投影必然会落在球体与平面的支撑点(接触点)上，一旦球体重心在竖直方向的投影偏离支撑点时，重力作用就会对球体产生一个扭转力矩(重力力矩)，该力矩促使球体滚动以便使重心在竖直方向上的投影能够重新回到支撑点，恢复球体的平衡状态，球体在重力环境下自动回复平衡状态的特性称为球体的自平衡特性。当通过技术手段使球体的重心在竖直方向的投影点持续偏离支撑点时，就会造成球体的持续滚动。球体的自平衡特性是实现球形机器人运动的物理学原理。

球形机器人的全部运动状态(即全向运动)包括前进、后退、停止、左转、右转、爬坡，以及特定条件下的原地旋转和垂直跳动，为了实现球形机器人的全向运动，就必须对球形机器人的重心位置进行精确控制——重心垂直投影点相对于支撑点所在的方位即重力力矩的方向，就是球形机器人的加速度方向，在静止状态下，也就是球形机器人的运动方向。而重心垂直投影点距离支撑点越远，重力力矩也就越大，球形机器人的运动加速度也就越大。所以球形机器人的运动控制就是通过对其重心位置的控制实现的。

现有的球形机器人运动控制技术大体上可分为三类，即单电机控制技术、双电机/多电机控制技术和电磁铁控制技术。其中单电机控制技术只能维持球形机器人在一个维度上的运动(前进、后退或停止)，难以实现转弯。电磁铁控制技术是在球体内壁不同方向上设置电磁铁，众多电磁铁之间设置一铁球，当给其中某个或某些电磁铁通电时，铁球受电磁铁吸引而移动，从而改变球体的重心，推动球体沿铁球运动方向滚动。

目前的主流技术是借助两个或多个电机的协同来实现对球形机器人的运动控制，其中一个电机(运动电机)通过控制摆锤或质量块的正转或反转来控制球体的直线运动(前进、后退、停止)，另一个电机(转向电机)通过控制其它质量块的偏移来控制球体的转向(左转弯、右转弯、原地旋转)。但现有的各种结构设计中，两个或多个电机是相对独立，相互分离的，且需要借助众多的齿轮、链条、丝杆等传动机构以及多个质量块的空间分布和移动来实现运动控制，从而极大地增加了球形机器人的复杂度和技术难度，也降低了球形机器人的灵活性和可操控性。

技术实现要素：

本发明同样是借助球体在重力条件下的自平衡特性，通过智能技术控制重心的移动来实现球形机器人的运动。但与现有各类结构不同的是，本发明设计了一种一体化运动控制装置，通过将两个电机(转向电机和运动电机)、连杆和摆锤集成在一体，一次性实现球体的全向运动。一体化运动控制装置解决了现有各种球形机器人设计结构复杂，内部空间占用大，操作控制难度大的问题，让球形机器人结构更加简单紧凑，更易于操作，也更好地保证了球形机器人在科研、教学、娱乐、军事侦察、水下勘探等领域的应用。

一机器人结构：

本发明的球形机器人由五部分组成，分别为一体化运动控制装置、电源模块、控制模块、外壳和辅助功能模块。其中一体化运动控制装置是本发明的核心。

(一)一体化运动控制装置：

一体化运动控制装置由两个电机、电机支架、连杆和摆锤四部分组成。各个组成部分功能及连接方式如下：

1.电机：

两个电机分别为转向电机(用来控制球形机器人的转弯)和运动电机(用来控制球形机器人的直线运动)。转向电机固定于球形机器人的内壁之上，其输出轴方向与固定方向垂直。运动电机通过电机支架固定于转向电机的输出轴上，且运动电机的输出轴方向与转向电机的输出轴方向垂直。两个电机组成了一个双自由度的运动控制系统。

转向电机的旋转角度范围为0～180°之间，静止状态下其转角在90°方向；运动电机可连续旋转，静止状态下运动电机的输出轴指向球心方向(180°方向)。转向电机的转动将带动运动电机轴向的变化，使运动电机的输出轴可在90°～270°之间摆动。

2.连杆：

连杆采用轻质刚性材料制成，一端与运动电机的输出轴成90°固定连接，且连杆与输出轴的连接点位置在球心位置(或球心附近位置)。

3.摆锤：

摆锤由高密度材料制成，是驱动球形机器人运动的关键部件。摆锤与连杆的另一端固定连接。

(二)电源模块：

电源模块由电池、电池管理系统(bms)、内置充电线圈和外置充电器四部分组成。其中电池采用可充电锂离子电池，充电采用无线充电技术。充电时，球形机器人靠近外置充电器(或放置在充电底座上)，由外置充电器对内置充电线圈进行感应式充电。

(三)控制模块：

控制模块主要用于接收和处理外部指令，由状态监测传感器、发射/接收天线和智能芯片(单片机)三部分组成。

1.状态监测传感器

状态检测传感器用来侦测球形机器人的速度、加速度、两个电机的工作状态以及机器人内部的温度、故障等参数，并将监测到的数据传递给智能芯片。

2.智能芯片(单片机)

智能芯片是整个机器人的控制中心，一方面智能芯片处理操作人员发出的工作指令，或从状态检测传感器传输过来的状态数据，并根据这些数据和指令控制两个电机的工作状态，从而最终控制球形机器人的运动状态的调整。另一方面也负责将状态监测传感器采集到的数据通过天线传递给操作人员，实现人机交互。同时还要负责操控球形机器人内置的视频监控设备、音频监控设备、声光娱乐设备等的工作。

3.发射/接收天线

天线主要用于接收外部指令，并将机器人的内部数据发射出去。

(四)外壳：

球形机器人的外壳为球形，且考虑到球形机器人工作环境的复杂性，为了提高防水防尘等级，外壳采用全密闭结构。

(五)辅助功能模块：

辅助功能模块主要是为了适应球形机器人的各种应用场景，拓展其使用范围而增加的各类功能模块，包括视频监控模块、音频监控模块、无线传输模块、声光娱乐模块等等。

附图说明：

图1为本发明的球形机器人正视图(中心剖面图)：

图2为本发明的球形机器人俯视图(中心剖面图)：

图3为本发明一体化运动控制装置示意图。

具体实施方式：

一结构布局

理想状态下，影响球形机器人运动的只有摆锤，其它如双自由度电机、电源模块、控制模块、外壳以及辅助功能模块等对球形机器人的影响应尽量消除，为此一方面除摆锤外的其它各个部件应尽量小型化、轻量化，另一方面除摆锤外的所有部件的整体重心应与球形机器人的球心重合。

在结构设计上，电源模块、控制模块和其它辅助功能模块应固定在与双自由度电机对侧的球形机器人内壁上，电源模块、控制模块与电机的连接导线，以及充电线圈与电池的连接导线也固定在球形机器人的内壁上，确保球形机器人的重心(除摆锤外)与球心重合，以最大限度地消除这些部件对球形机器人运动姿态的影响。

二工作状态分析

本发明的核心是一体化运动控制装置，该装置根据控制模块发出的工作指令，对两个电机的旋转角度、旋转速度进行控制，从而决定摆锤在球形机器人内部出现的位置和角度，并最终决定球形机器人的运动方向和运动速度。

根据技术原理，球形机器人的运动方向是由支撑点和重心在竖直方向上的投影点决定的，并由支撑点指向投影点方向，因此其典型工作状态包括以下几种：

(一)静止状态：

当两个电机处于断电状态时，转向电机的转角位于90°方向，运动电机输出轴指向180°方向，连杆及摆锤在球心位置自然下垂，此时球形机器人处于静止平衡状态。

(二)前进或后退状态：

当转向电机转角为90°时，运动电机输出轴指向180°方向，给运动电机正向供电，则摆锤沿90°方向，向上方运动，重心在竖直方向的投影点偏离支撑点，从而推动球形机器人向前方(90°方向)滚动，以实现球体的自平衡，持续给运动电机供电，则重心的投影点会一直保持在支撑点的前方，确保球形机器人持续前进。当给运动电机反向供电时，则摆锤沿270°方向，向上方运动，从而推动球形机器人向后方(270°方向)滚动。

供电电流的大小决定了运动电机的转速，同时也决定了投影点与支撑点之间的距离。当摆锤与地面保持水平时，重力力矩达到最大值，此时球体的运动加速度也达到最大，此时的电流为最佳电流，球形机器人的工作效率最高。电流过大或过小都会缩短两点间距离，减小重力力矩，减小加速度。可发布工作指令来调节电流的大小，确保球形机器人以适当的速度和加速度运动。

(三)左前转或右后转状态：

当转向电机的转角位于0°～90°之间时，运动电机的输出轴方向在90°～180°之间摆动，此时若给运动电机通以正向电流，则摆锤也会在0°～90°范围内沿转向电机转角方向，向上方运动，从而推动球形机器人向左前方转弯。而当给运动电机通以反向电流时，则摆锤会在180°～270°范围内沿转向电机转角的反方向，向上方运动，从而推动球形机器人向右后方转弯。

(四)右前转或左后转状态：

当转向电机的转角位于90°～180°之间时，运动电机的输出轴方向在180°～270°之间摆动，此时若给运动电机通以正向电流，则摆锤也会沿转向电机转角方向，向上方运动，从而推动球形机器人向右前方转弯。而当给运动电机通以反向电流时，则摆锤会沿转向电机转角的反方向，向上方运动，从而推动球形机器人向左后方转弯。

(五)原地旋转

当运动电机停止转动，摆锤自然下垂时，转向电机从0°向180°方向快速旋转时，根据角动量守恒定律，球体将在原地反向旋转；反之当转向电机从180°向0°方向快速旋转时，球体将在原地反向旋转。

根据以上工作状态分析，本发明的一体化运动控制装置在工作指令的控制下，能够让摆锤在球形机器人内部，球心周围空间的任意角度和任意位置移动，从而推动球形机器人沿任意方向运动，实现球形机器人的全向运动。