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Patent Searching and Data


Title:
SPHERICAL ROBOT
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2018/113368
Kind Code:
A1
Abstract:
A spherical robot, comprising a spherical outer casing (1) and an actuator provided within the spherical outer casing. The actuator comprises: a frame movably connected to the spherical outer casing; a weight (2) with degrees of freedom for linear motion for at least three directions within the spherical outer casing, and capable of moving to the center of the spherical outer casing, wherein the degrees of freedom for linear motion are not provided on the same plane; and a weight actuating device installed on the frame, wherein an output end of the weight actuating device actuates a linear motion of the weight (2) along said directions; and a battery and circuit control board for the weight (2), wherein the battery supplies power to the weight actuating device and circuit control board, and the circuit control board forms a signal connection to the weight actuating device. The spherical robot has a simplified control system and actuating system, maintaining a continuous non-stop motion of the robot while ensuring the stability of the motion.

Inventors:
ZHANG GUANGLIE (CN)
HU JIANMIN (CN)
Application Number:
PCT/CN2017/103627
Publication Date:
June 28, 2018
Filing Date:
September 27, 2017
Export Citation:
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Assignee:
SHENZHEN ACAD OF ROBOTICS (CN)
International Classes:
B62D57/02
Foreign References:
CN106741262A2017-05-31
CN201189913Y2009-02-04
US8788130B12014-07-22
CN104029742A2014-09-10
JP2004148439A2004-05-27
CN1302717A2001-07-11
CN103991486A2014-08-20
Attorney, Agent or Firm:
JIAQUAN IP LAW FIRM (CN)
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Claims:
权利要求书

[权利要求 1] 一种球形机器人, 包括球形外壳 (1)以及在球形外壳 (1)内部的驱动装 置, 其特征在于, 所述驱动装置包括: 骨架, 与球形外壳 (1)活动连 接; 配重 (2), 在球形外壳 (1)内具有至少三个方向的线性平移自由度 并能移动至球形外壳 (1)的中心, 各所述线性平移自由度并不全部在 同一平面上; 安装在骨架上的配重驱动件, 配重驱动件的输出端驱动 配重 (2)在上述的方向上线性平移; 以及作为配重 (2)的电池和电路控 制板, 电池为配重驱动件和电路控制板供电, 电路控制板信号连接配 重驱动件。

[权利要求 2] 根据权利要求 1所述的球形机器人, 其特征在于: 配重驱动件驱动配 重 (2)沿线性方向的平移, 使得配重 (2)偏离球形外壳 (1)的中心主轴并 与主轴产生夹角, 由此产生的偏心力矩使带动器人滚动和转向。

[权利要求 3] 根据权利要求 1所述的球形机器人, 其特征在于: 所述驱动装置包括 设置在球形外壳 (1)上或者骨架上的惯性测量单元, 所述惯性测量单 元信号连接电路控制板并由电池供电。

[权利要求 4] 根据权利要求 3所述的球形机器人, 其特征在于: 所述惯性测量单元 包括若干传感器。

[权利要求 5] 根据权利要求 1所述的球形机器人, 其特征在于: 所述配重驱动件与 骨架的重心大致位于球形外壳 (1)的中心位置。

[权利要求 6] 根据权利要求 1或 2或 3或 4或 5所述的球形机器人, 其特征在于: 所述 配重驱动件包括至少三组直线驱动部件, 每组直线驱动部件对应驱动 配重 (2)在一个方向的线性平移, 每组直线驱动部件包括输出方向相 互平行的两台直线步进电机, 每组直线驱动部件的两台直线步进电机 对向安装或背向安装。

[权利要求 7] 根据权利要求 6所述的球形机器人, 其特征在于: 每组直线驱动部件 的两台直线步进电机以球形外壳 (1)的中心呈中心对称分布。

[权利要求 8] 根据权利要求 7所述的球形机器人, 其特征在于: 所述配重驱动件通 过连接并驱动所述的骨架来驱动配重 (2)。 [权利要求 9] 根据权利要求 8所述的球形机器人, 其特征在于: 所述骨架至少包括 由外至内设置的第一轴框架 (3)、 第二轴框架 (4)和第三轴框架 (5), 第 一轴框架 (3)与第二轴框架 (4)、 第二轴框架 (4)与第三轴框架 (5)、 第一 轴框架 (3)与第三轴框架 (5)通过不同组的直线驱动部件连接, 配重 (2) 与第三轴框架 (5)固定连接。

[权利要求 10] 根据权利要求 9所述的球形机器人, 其特征在于: 每一轴框架上均设 有滑轨 (6), 对应直线驱动部件的输出端与对应的滑轨 (6)滑动连接从 而驱动相应轴框架的线性平移。

Description:
一种球形机器人 技术领域

[0001] 本发明涉及微型机器人领域, 特别是涉及一种球形机器人。

背景技术

[0002] 球形移动机器人是指将内部驱动系统, 如运动执行机构、 传感器、 能源装置、 控制系统等安置在球形壳体内, 通过内驱动并以滚动为主要行走方式的移动机 器人。

[0003] 球形移动机器人通过内部驱动装置的运动打破 球体的静态平衡, 运动灵活, 可 以实现原地转向和全方向行走, 可在狭窄空间内作业, 其驱动原理基本上分为 两种, 一种是驱动装置与球形外壳内表面直接接触, 通过摩擦力作用使驱动装 置的运动转化为球壳的转动, 从而带动整个机器人运动; 另一种是通过驱动装 置的运动改变机器人的重心位置, 同吋驱动装置的加减速运动产生惯性力, 机 器人在偏心力矩和惯性力矩的作用下滚动。

[0004] 采用驱动装置与球壳直接接触的球形移动机器 人, 结构相对简单, 易于控制, 但是转向能力较差, 长吋间运行后转向机构与球壳磨损严重, 会影响机器人稳 定运行。 而采用改变机器人重心位置进行驱动, 机器人的驱动方式更加简单灵 活, 抗震性强, 但对运动执行机构及控制系统提出更高要求, 加大了控制难度

[0005] 发明内容

[0006] 为了解决上述问题, 本发明的目的在于提供一种结构简单、 易于控制的球形机 器人。

[0007] 本发明所采用的技术方案是:

[0008] 一种球形机器人, 包括球形外壳以及在球形外壳内部的驱动装置 , 所述驱动装 置包括:

[0009] 骨架, 与球形外壳活动连接;

[0010] 配重, 在球形外壳内具有至少三个方向的线性平移自 由度并能移动至球形外壳 的中心, 各所述线性平移自由度并不全部在同一平面上 ;

[0011] 安装在骨架上的配重驱动件, 配重驱动件的输出端驱动配重在上述的方向上 线 性平移;

[0012] 以及作为配重的电池和电路控制板, 电池为配重驱动件和电路控制板供电, 电 路控制板信号连接配重驱动件。

[0013] 作为本发明的进一步改进, 配重驱动件驱动配重沿线性方向的平移, 使得配重 偏离球形外壳的中心主轴并与主轴产生夹角, 由此产生的偏心力矩使带动器人 滚动和转向。

[0014] 作为本发明的进一步改进, 所述驱动装置包括设置在球形外壳上或者骨架 上的 惯性测量单元, 所述惯性测量单元信号连接电路控制板并由电 池供电。

[0015] 作为本发明的进一步改进, 所述惯性测量单元包括若干传感器。

[0016] 作为本发明的进一步改进, 所述配重驱动件与骨架的重心大致位于球形外 壳的 中心位置。

[0017] 作为本发明的进一步改进, 所述配重驱动件包括至少三组直线驱动部件, 每组 直线驱动部件对应驱动配重在一个方向的线性 平移, 每组直线驱动部件包括输 出方向相互平行的两台直线步进电机, 每组直线驱动部件的两台直线步进电机 对向安装或背向安装。

[0018] 作为本发明的进一步改进, 每组直线驱动部件的两台直线步进电机以球形 外壳 的中心呈中心对称分布。

[0019] 作为本发明的进一步改进, 所述配重驱动件通过连接并驱动所述的骨架来 驱动 配重。

[0020] 作为本发明的进一步改进, 所述骨架至少包括由外至内设置的第一轴框架 、 第 二轴框架和第三轴框架, 第一轴框架与第二轴框架、 第二轴框架与第三轴框架 、 第一轴框架与第三轴框架通过不同组的直线驱 动部件连接, 配重与第三轴框 架固定连接。

[0021] 作为本发明的进一步改进, 每一轴框架上均设有滑轨, 对应直线驱动部件的输 出端与对应的滑轨滑动连接从而驱动相应轴框 架的线性平移。

[0022] 本发明的有益效果是: 本发明通过安装在骨架上配重驱动件驱动配重 的线性平 移来实现配重的偏心和机器人在偏心所产生的 惯性力矩作用下滚动和转向, 由 于配重相对于骨架只有线性运动, 没有转动, 大大简化了控制系统和驱动系统 设计, 保持连续不间断的运动同吋可以确保运动的稳 定性。

[0023] 附图说明

[0024] 下面结合附图和实施方式对本发明进一步说明 。

[0025] 图 1是球形机器人的结构原理图;

[0026] 图 2是配重偏心的原理示意图;

[0027] 图 3是一组直线驱动部件的驱动配重的原理图;

[0028] 图 4是球形机器人一种实施例的结构示意图;

[0029] 图 5是球形机器人平移的运动示意图;

[0030] 图 6是球形机器人平移运动的力矩分析图;

[0031 ] 图 7是球形机器人转向的运动示意图;

[0032] 图 8是球形机器人转向运动的力矩分析图。

[0033] 具体实施方式

[0034] 参考图 1的球形机器人, 包括球形外壳 1以及在球形外壳 1内部的驱动装置。 驱 动装置包括骨架、 配重 2和配重驱动件。

[0035] 其中, 配重 2在球形外壳 1内具有至少三个方向的线性平移自由度, 而且各线性 平移自由度并不全部在同一平面上, 从而配重 2能够在外部驱动下在笛卡尔坐标 系内运动至某一特定的位置。 一般来说配重 2仅需要有三个方向的线性平移自由 度即能实现相应的功能, 为此以下实施例的线性平移是基于空间坐标系 中的 X、 y、 z的三个方向。

[0036] 配重 2能够移动至球形外壳 1的中心, 即到达球形机器人的中心位置, 此吋球形 机器人处于静止状态; 配重 2也可以偏离球形外壳 1的中心, 即相对于中心位置 处于偏心状态, 此吋, 球形外壳 1会沿该偏心方向滚动以达到平衡。

[0037] 所述的配重驱动件, 设置在球形外壳 1内, 但是与球形外壳 1是分离的而并不产 生接触, 配重驱动件的输出端驱动配重 2在上述的方向上线性平移。

[0038] 所述的骨架在图 1和图 2中并未显示, 但是本领域技术人员应该很容易知道骨架 可以与球形外壳 1活动连接, 而配重驱动件安装在骨架上。 [0039] 实施例中, 配重驱动件需要进行供电, 也需要进行驱动控制 (沿某个方向驱动 以及线性平移量等) , 由此在球形外壳 1内还设置有电池和电路控制板, 电路控 制板通过线路与配重驱动件信号连接, 电池为配重驱动件和电路控制板供电。 电池和电路控制板安装在骨架上, 并且其重量相对于配重驱动件和骨架来重, 为此在本球形机器人中作为配重 2。 这种方案的配重质量占球形机器人总重比例 较大, 可以提供更大的惯性力矩, 使机器人有更高的速度和更灵活的转弯能力

[0040] 以下对本球形机器人的运动及原理进行说明。

[0041] 假设球形机器人与地面纯滚动约束, 对其结构进行简化, 形成如图 5至图 8所示

[0042] 参考图 5, 球形机器人进行平移吋, 配重 2在配重驱动件带动下进行线性平移而 改变位置, 从而改变整个球形机器人的重心位置, 达到控制机器人滚动。

[0043] 参见图 6的力矩分析, 配重驱动件驱动配重 m ,与球体主轴产生一定的角度 θ, 通过配重位置变化改变机器人的重心位置, 产生的偏心力矩可以使机器人向前 滚动。 随着机器人滚动, 配重驱动件做持续线性运动以维持配重相对于 惯性坐 标系的夹角, 控制机器人做持续运动。

[0044] 机器人向前运动吋, 重心总力矩为:

[0045] m t * g * r ' sie Θ― |ΐ(ι% + im 2 ¾ * R ― 1 T * §

[0046] 其中,

[0047] m!: 配重质量;

[0048] m 2 : 机器人质量;

[0049] r: 配重和机器人重心间距;

[0050] m: 摩擦系数 0.3;

[0051] g: 重力加速度 = 9.8 m/s2;

[0052] R: 球形外壳半径;

[0053] I T: 惯性力矩; [0054] Θ: 偏移负载与球体 Z轴夹角。

[0055] 参考图 7, 配重 沿某一方向偏移, 电机维持配重相对于惯性坐标系的摆角, 使机器人进行转向。

[0056] 如果图 6是球形机器人的侧视图, 那么图 8是机器人的前视图, 此吋机器人做转 向运动 (沿一条虚拟半径) , 重心力矩为:

[0058] 其中, d: 旋转配重相对于重心的偏移; Rh : 盘旋半径。

[0059] 在实施例中, 驱动装置还包括并未图示的设置在球形外壳 1上或者骨架上的惯 性测量单元, 惯性测量单元可以为若干个传感器, 这些传感器信号连接电路控 制板并由电池供电。 实施例中采用惯性测量单元配合配重驱动件的 控制实现球 形机器人的精准控制。

[0060] 优选的, 配重驱动件与骨架的重心大致位于球形外壳 1的中心位置, 在运动过 程中尽量使配重驱动件与骨架对于重心不造成 太大的影响。

[0061] 进一步优选的, 参考图 1, 配重驱动件包括三组直线驱动部件, 分别为 X轴直线 驱动部件 7、 y轴直线驱动部件 8、 z轴直线驱动部件 9。 每组直线驱动部件对应驱 动配重 2在对应一个方向的线性平移。 结合图 1和图 2, 图 1中配重 2恰好位于球形 外壳 1的中心, 为了控制其平移, z轴直线驱动部件 9驱动配重 2向 z轴的反向运动 一小段距离, 同吋 X轴直线驱动部件 7驱动配重 2沿 X轴方向运动一小段距离, 形 成如图 2所示的偏心状态。 每组直线驱动部件均是与球形外壳 1分离的, 在任何 状态下均不接触球形外壳 1。

[0062] 实施例中, 参考图 3, 以 X轴直线驱动部件 7举例说明。 X轴直线驱动部件 7包括 输出方向相互平行的两台直线步进电机 71、 72, 可以理解为两台直线部件电机 7 1、 72位于同一平面上。 该两台直线步进电机对向安装或背向安装, 并且这两台 直线步进电机以球形外壳 1的中心呈中心对称分布。 另外的 y轴直线驱动部件 8、 z 轴直线驱动部件 9均具有相同结构的直线步进电机。 实施例中, 保持每组直线驱 动部件的两台直线部件电机的对称, 那么驱动的吋候一方面能够保持配重的平 稳, 另一方面也能保证直线驱动部件不易偏心。 另外, 使用直线步进电机还可 以通过驱动器信号输入端输入的脉冲数量和频 率实现步进电机的角度和速度控 制, 无需反馈信号。

[0063] 以上仅是对球形机器人的结构原理进行了说明 , 在更具体的实施例中, 上述的 直线驱动部件通过连接并驱动骨架来驱动配重 2。

[0064] 参考图 4, 骨架至少包括由外至内设置的第一轴框架 3、 第二轴框架 4和第三轴 框架 5, 第一轴框架 3与第二轴框架 4、 第二轴框架 4与第三轴框架 5、 第一轴框架 3与第三轴框架 5通过不同组的直线驱动部件连接, 配重 2与第三轴框架 5固定连 接。 以第一轴框架 3和第二轴框架 4的相互关系举例来说, X轴直线驱动部件 7的 两个直线步进电机的固定端固定在第一轴框架 3上, 输出端连接第二轴框架 4从 而带动第二轴框架 4的沿 X轴线性平移; 由于第二轴框架 4通过另外一组直线驱动 部件连接第三轴框架 5, 第三轴框架 5与配重 2连接, 从而第二轴框架 4的线性平 移带动配重 2做沿 X轴的线性平移。 其他轴框架的相互连接关系采用类似相同的 结构, 因此不做详细的描述。

[0065] 再进一步, 每一轴框架上均设有滑轨 6, 对应直线驱动部件的输出端 (滑块) 与对应的滑轨 6滑动连接从而驱动相应轴框架的线性平移。

[0066] 实施例的球形机器人还包括以下的优点:

[0067] 第一, 结构简单, 运动灵活, 易于控制。 每个轴框架由对称的直线步进电机控 制, 机器人在惯性力矩作用下滚动, 由于没有复杂的控制机构及驱动机构, 可 以利用有限的球内空间而增加机器人的附加功 能。

[0068] 第二, 配重与轴框架只有线性运动, 没有转动, 大大简化了控制系统和驱动系 统设计, 保持连续不间断的运动同吋可以确保运动的稳 定性。

[0069] 第三, 只要保持所有零部件 (直线步进电机等) 的设计尽量对称, 确保轴框架 的重量和强度, 使配重和周边零件达到合适的重量比例, 可以使球形机器人高 效运动。

[0070] 第四, 各部件结构简单, 便于控制成本, 易于投入商业生产, 由于结构简单高 效, 在后期维护及改进方面更加高效经济。

[0071] 第五, 机器人采用惯性测量单元配合直线步进电机的 控制实现球形机器人的精 准控制。

以上所述只是本发明优选的实施方式, 其并不构成对本发明保护范围的限制。 技术问题

问题的解决方案

发明的有益效果