一种摆式球形机器人及其控制系统的制作方法

本实用新型属于球形机器人及控制技术领域，涉及一种特种机器人，更具体地，尤其涉及一种摆式球形机器人及其控制系统。

背景技术：

近年来，移动机器人在军事侦察、核事故应急处置、消防领域等场合广泛应用。目前，应用较多的轮式、履带式和腿式移动机器人在特种环境中存在结构复杂、运动灵活度差、控制难度大等缺陷。球形机器人近二十年来由于其环境适应能力强、球壳能够避免特种环境对内部电子元器件等结构的损坏等优势，被大多数研究者广泛研究和开发应用。

球形机器人因一般具有圆球形的外部结构形状而得名，是一类新型的移动机器人形态。不同于传统的轮式、足式机器人，球形机器人的主要特征优势在于，通过球形外壳的滚动实现基本运动，易于实现平坦地形下的全向运动，并具有较高的运动效率和运动速度；运动过程中，当机器人发生碰撞或从高处跌落时，封闭的球形外壳还能够有效保护机器人内部设备。

但是，现有的球形机器人内部结构复杂，驱动方式灵活性低，不适合低成本设计及实用性。此外，球形机器人具有非完整约束、欠驱动、非链式、强耦合等特点，并且具有震荡的倾向性，导致其理论模型非常复杂，球形机器人的运动控制一直是不易解决的难题。摆式和轮式驱动的球形机器人是最常见的两种类型的球形机器人，其中轮式驱动的球形机器人具有结构和控制系统简单等优点，但由于内部可能出现打滑，不良好接触等情况，造成球形机器人失控。近年来对摆式驱动的球形机器人的研究已经成为了热点，其中摆式驱动的控制和结构优化是两个必须要解决的关键问题。

技术实现要素：

针对现有技术中的上述不足，本实用新型旨在提供一种能够减少内部构件，驱动方式灵活轻便且能够低成本开发的摆式结构球形机器人及其控制系统。

为了达到上述实用新型目的，本实用新型采用的技术方案为：

一种摆式球形机器人，包括球形壳体、及设置在所述球形壳体内的转动单元和摆动单元；

所述转动单元包括第一法兰盘联轴器、第二法兰盘联轴器、箱型转轴、第一步进电机和第二步进电机，所述第一步进电机和第二步进电机呈对称固定设置在箱型转轴两端，所述第一步进电机与第一法兰盘联轴器转动连接，所述第二步进电机与第二法兰盘联轴器转动连接，所述第一法兰盘联轴器和第二法兰盘联轴器还分别与球形壳体固定连接；

所述摆动单元包括第一n20电机、第二n20电机和摆锤，所述摆锤设置在箱型转轴中心位置，所述第一n20电机和第二n20电机呈对称固定设置在箱型转轴两侧且分别与摆锤转动连接。

进一步地，所述第一步进电机和第二步进电机分别与箱型转轴通过螺栓紧固连接。

进一步地，所述第一步进电机与第一法兰盘联轴器通过紧定螺钉连接。

进一步地，所述第二步进电机与第二法兰盘联轴器通过紧定螺钉连接。

进一步地，所述第一法兰盘联轴器和第二法兰盘联轴器分别与球形壳体通过螺栓紧固连接。

进一步地，还包括控制板和电池，所述控制板和电池呈中心对称固定设置在箱型转轴两侧。

进一步地，所述控制板和电池分别通过粘性材料附着在箱型转轴上。

基于上述摆式球形机器人，本实用新型还提出了一种摆式球形机器人控制系统，包括上述摆式球形机器人及集成在摆式球形机器人控制板上的主控芯片、直行电机驱动芯片、步进电机驱动芯片、蓝牙模块、电压采集模块、温湿度传感器模块、陀螺仪、降压芯片，所述主控芯片分别与直行电机驱动芯片、步进电机驱动芯片、蓝牙模块、电压采集模块、温湿度传感器模块、陀螺仪、降压芯片及第一直行电机和第二直行电机电连接，所述直行电机驱动芯片分别与第一直行电机和第二直行电机电连接，所述步进电机驱动芯片分别与第一步进电机和第二步进电机电连接，所述电池分别与直行电机驱动芯片、步进电机驱动芯片、电压采集模块、降压芯片电连接。

进一步地，还包括遥控端，所述主控芯片通过蓝牙模块与遥控端进行数据通信。

本实用新型具有以下有益效果：

(1)本实用新型采用了更简单的驱动方式，使得球形机器人能够在平面内的任意方向运动，有效地优化了球形机器人的内部结构，并提高了球形机器人的驱动灵活性；

(2)本实用新型设计的球形机器人结构，不仅在运动方式更加灵活，而且通过构型设计使系统具有更加便捷的操作能力；

(3)本实用新型的摆式球形机器人箱型转轴的尺寸和质量较小，而重摆的质量较大，使之具有非常优越的运动能力，降低了球形机器人的制造成本，可以低成本开发。

附图说明

图1是本实用新型的摆式球形机器人结构示意图；

图2是本实用新型的摆式球形机器人控制系统结构示意图。

其中附图标记为：1、球形壳体；21、第一法兰盘联轴器；22、第二法兰盘联轴器；31、第一步进电机；32、第二步进电机；4、电池；5、摆锤；61、第一直行电机；62、第二直行电机；7、箱型转轴；8、控制板。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

实施例1

参照图1，本实用新型实施例提供了一种摆式球形机器人，球形壳体1、及设置在所述球形壳体1内的转动单元和摆动单元。

球形壳体设计为两个半球结构，方便将转动单元和摆动单元装配到球形壳体中，形成一个整体结构。

转动单元包括第一法兰盘联轴器21、第二法兰盘联轴器22、箱型转轴7、第一步进电机31和第二步进电机32；第一步进电机31和第二步进电机32呈对称固定设置在箱型转轴7两端，具体而言，第一步进电机31和第二步进电机32分别与箱型转轴7通过螺栓紧固连接，实现箱型转轴7的平衡状态；第一步进电机31与第一法兰盘联轴器21转动连接，第二步进电机32与第二法兰盘联轴器22转动连接，具体而言，第一步进电机31与第一法兰盘联轴器21之间、第二步进电机32与第二法兰盘联轴器22之间均通过紧定螺钉连接；第一法兰盘联轴器21和第二法兰盘联轴器22还分别与球形壳体1固定连接，具体而言，第一法兰盘联轴器21和第二法兰盘联轴器22分别与球形壳体1通过螺栓紧固连接。

摆动单元包括第一直行电机61、第二直行电机62和摆锤5，摆锤5设置在箱型转轴7中心位置，第一直行电机61和第二直行电机62呈对称固定设置在箱型转轴7两侧且分别与摆锤5转动连接。

为了使驱动力更大，本实用新型中的第一直行电机61和第二直行电机62均采用risym型号n20电机。

需要注意的是，上述转动单元和摆动单元中涉及的固定连接关系和转动连接关系均可以采用能够实现对应功能的常规连接方式，对于其它同类置换，本实用新型不做赘述。

此外，本实用新型还包括安装在摆式球形机器人上的控制板8和电池4，为了平衡箱型转轴7的重量，控制板8和电池4呈中心对称固定设置在箱型转轴7两侧，具体而言，控制板8和电池4分别通过粘性材料附着在箱型转轴7上。

下面对摆式球形机器人的工作原理进行详细说明：

摆锤5和箱型转轴7分别由两种电机一起驱动，驱动摆锤的第一直行电机61和第二直行电机62的转动方向与驱动箱型转轴7的第一步进电机31和第二步进电机32的转动方向垂直。第一直行电机61和第二直行电机62产生围绕竖直轴线的驱动扭矩，以使得球形机器人沿直线行进并且第一步进电机31和第二步进电机32产生围绕水平轴线的倾斜扭矩，在轴上使球形机器人转动。当第一直行电机61和第二直行电机62或第一步进电机31和第二步进电机32旋转时，摆或方框架的旋转改变了摆锤5的重心，产生重力力矩，使球形机器人向前或向后移动。当第一直行电机61和第二直行电机62和第一步进电机31和第二步进电机32同时旋转时，摆和轴将倾斜并产生重力力矩，从而使球形机器人运动方向改变。因此，在四个电机的驱动下，球形机器人可以按预期移动和转动。因此，可以通过控制这四个电机来控制机器人的运动。

实施例2

参照图2，本实用新型基于实施例1中提供的摆式球形机器人，进一步提出了一种摆式球形机器人控制系统，包括摆式球形机器人及集成在摆式球形机器人控制板上的主控芯片、直行电机驱动芯片、步进电机驱动芯片、蓝牙模块、电压采集模块、温湿度传感器模块、陀螺仪、降压芯片，所述主控芯片分别与直行电机驱动芯片、步进电机驱动芯片、蓝牙模块、电压采集模块、温湿度传感器模块、陀螺仪、降压芯片及第一直行电机和第二直行电机电连接，所述直行电机驱动芯片分别与第一直行电机和第二直行电机电连接，所述步进电机驱动芯片分别与第一步进电机和第二步进电机电连接，所述电池分别与直行电机驱动芯片、步进电机驱动芯片、电压采集模块、降压芯片电连接。

主控芯片采用智微远见所产型号为stm32f103c8t6作为主控器，对电机进行控制时，主控器产生pwm波，通过直行电机驱动芯片驱动第一直行电机和第二直行电机转动；并且主控器还产生控制信号，通过步进电机驱动芯片驱动第一步进电机和第二步进电机转动。

直行电机驱动芯片采用quason型号tb6612驱动芯片，实现根据主控芯片产生的pwm波信号对第一直行电机和第二直行电机进行驱动。

步进电机驱动芯片采用telesky型号uln2003驱动芯片，实现根据主控芯片产生的控制信号对第一步进电机和第二步进电机进行驱动。

电压采集模块采用asm公司所产asm117，实现对供电电源的电压采集，反馈至主控芯片的adc端口。

温湿度传感器模块risym公司所产dht11，实现对摆式球形机器人所处环境的温湿度数据进行采集，反馈至主控芯片。

陀螺仪采用telesky所产mpu6050芯片，实现对摆式球形机器人运动过程中的角速度和加速度数据进行采集，反馈至主控芯片。

蓝牙模块采用hc-05，实现主控芯片与外部端口进行数据通信。

为了使整个硬件电路更加集中，本实用新型将主控芯片及相关功能模块集成在同一块控制板pcb上。

本实用新型中球形机器人使用蓝牙通信协议与另一个外部的单片机(简称遥控端)进行数据通信。遥控端通过扫描矩阵键盘状态，获取操作者的指令，例如前进/后退，左转/右转，加速/减速命令。对于球形机器人本体，主控芯片发送球形机器人的电量，温湿度，位姿信息，编码器数据到遥控端并在遥控端显示。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本实用新型的原理，应被理解为本实用新型的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本实用新型公开的这些技术启示做出各种不脱离本实用新型实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本实用新型的保护范围内。