具有穩定平臺可彈跳的全向滾動球形機器人的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種具有穩定平臺可彈跳的全向滾動球形機器人，包括機械懸浮機構、制動機構和跳躍機構。通過在內置懸浮機構上加裝多種傳感器，完成機器人多領域功能的實現。并通過在一個透明球殼內加裝機械懸浮支架裝置，配合直流旋轉磁極式制動電機、轉向電機、電磁鐵，完成機器人的平面及彈跳機動。
【專利說明】具有穩定平臺可彈跳的全向滾動球形機器人
【技術領域】
[0001]本發明屬于機械、電子、通訊多領域結合，具體涉及一種適用于隱蔽偵察、環境探測等偵測領域的微型球形機器人結構。
【背景技術】
[0002]隨著科技的發展，機器人在各種領域尤其是危險工作領域逐步替代人類。由于球形機器人具有良好的動、靜態平衡性，同時具備良好的密封性，可以在無人、沙塵、潮濕、腐蝕性的惡劣環境中工作，并具有水陸兩棲功能。可應用于環境監測、國防裝備、娛樂等領域，相對于傳統機器人有著獨特的優勢。
[0003]目前，偵查機器人主要分為輪式和履帶式兩種結構。雖然，輪式與履帶式結構在現在機車中得到了廣泛的應用，機動性能上優于其他種類機器人，但是在實際應用中仍不可避免地出現如下問題:1、體積大；2、易側翻；3、結構易損壞；4、偵查方式不靈活。復雜的機械結構，使輪式、履帶式機器人在保證機動性的前提下嚴重限制了機器人體積的進一步縮小，不能很好適應對隱蔽性要求高的偵查工作。由于傳統機車體積龐大、質量大、重心低,極少出現側翻現象。但是機器人相對較小、質量不大，在復雜地形中極易產生側翻現象。并且，在面對復雜環境時，輪或者履帶極易損壞，使機器人失去機動能力。此外，由于體積、結構等限制，傳統機器人只能通過地面機動達到預定地點，而需偵查的環境有時甚至是瞬息萬變的，偵查效率低、速度慢、適應性差等問題逐漸暴露出來。
[0004]國內球形機器人研究仍處于起步階段，大多數設計都不能很好地將穩定的平臺、高機動性、體積微型、連續跳躍等功能完善地結合起來，本發明通過特殊的機械結構、簡單有效的制動方式，將上述優勢結合起來，提供了球形機器人的一種新的發展思路。

【發明內容】

[0005]發明目的
針對傳統輪式、履帶式偵查機器人體積大、易側翻、易損壞、偵查方式不靈活等問題，同時為解決現有球形機器人機動能力不足、大多沒有穩定平臺等問題，本發明設計了一種可以在復雜環境下實施穩定、隱蔽、靈活偵查工作的一種外殼透明、體積小、具有穩定平臺、機動性較強的球形機器人。
[0006]技術方案
本發明是通過以下技術方案來實現的:
一種具有穩定平臺可彈跳的全向滾動球形機器人，包括機械懸浮機構、制動機構和跳躍機構，其特征在于:
機械懸浮機構包括萬向輪、支架、太陽能電池板和控制平臺，在球體外殼內垂直方向上設有三條支架，每條支架的兩個端部分別裝有萬向輪并使萬向輪與球體外殼相接觸，每條支架與球心組成的平面間兩兩相距120° ;相鄰支架上端部之間裝有太陽能電池板，并與支架形成籠狀結構；支架穿過控制平臺，并通過彈跳開關將控制平臺固定在指定高度;支架底端裝有感應線圈。
[0007]制動機構包括轉向電機和制動電機，轉向電機電磁線圈固定在控制平臺上，轉向電機的軸與固定轉向電機磁鐵的轉向電機外殼相連，并使轉向電機外殼與制動電機相連。
[0008]跳躍機構包括金屬絲、彈簧、電磁鐵、滑塊、強磁鐵、彈跳開關和電磁線圈；其中，強磁鐵鑲嵌在滑塊中，滑塊穿過支架通過繞在支架上的彈簧與控制平臺相連，并能夠在支架上滑動；滑塊末端通過金屬絲與彈跳開關相連；電磁線圈纏繞在電磁鐵上。
[0009]控制平臺上方設有攝像頭，攝像頭方向與制動電機方向一致。
[0010]控制平臺上設置有信息采集平臺，信息采集平臺包括影音采集系統、無線傳輸系統、空間定位系統、拓展功能接口。
[0011]制動電機包括電機外殼、固定軸，電機外殼內側設有永磁鐵，外側裝有膠皮外殼；電機外殼上連接有電刷；固定軸上設有制動電機電磁線圈，制動電機電磁線圈分別與電源和換向器相連，電刷連接電源換向器；軸承內環與固定軸相連，軸承外環與電機外殼相連。
[0012]優點及效果
本發明具有如下優點及有益效果:
(I)、通過彈跳機構，可僅使萬向輪與球壁接觸，使內部平臺在任意時刻保持水平狀態，保證控制平臺在任意時刻的水平。
[0013](2)、由于特殊的機械結構，使本發明的體積相比同類機器人有很大的優勢。
[0014](3)、特殊的結構設計和堅固的球體外殼使機器人有效抗擊外來沖擊的影響，保持內部結構不受損壞。
[0015](4)、可以通過在內壁加涂層的方式有效防止輻射、電磁波波等干擾，能適應更加復雜的環境，符合信息化條件下偵察需求。
[0016](5)、通過無線充電以及太陽能電池板相互配合的能源供應系統，同時保證了機器人的密閉性以及續航能力。
[0017](6)、信號收發裝置通過統一的USB2.0通訊協議與智能設備相連接，可進行跨平臺操控，避免了攜帶設備的重復。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0018]圖1為本發明的主視圖；
圖2為圖1的側視圖；
圖3為跳躍機構結構圖；
圖4為制動電機主視圖；
圖5為制動電機側視圖；
圖6為彳目息米集平臺不意圖；
圖7為機器人控制系統示意圖。
[0019]附圖標記說:
1、球體外殼,2、萬向輪,3、支架,4、太陽能電板,5、金屬絲,6、強磁鐵,7、攝像頭,8、彈簧，9、電磁鐵，10、控制平臺，11、彈跳開關，12、轉向電機，13、制動電機，14、感應線圈，15、滑塊，16、電磁線圈，17、轉向電機電磁線圈，18、轉向電機磁鐵,19、轉向電機外殼,20、膠皮外殼，21、永磁鐵，22、電機外殼，23、電源，24、電刷，25、軸承，26、換向器，27、固定軸，28、制動電機電磁線圈。
【具體實施方式】
[0020]下面結合附圖對本發明做進一步的說明:
如圖1-圖5所示，本發明是一種具有穩定平臺可彈跳的全向滾動球形機器人，包括機械懸浮機構、制動機構和跳躍機構，其特征在于:
機械懸浮機構包括萬向輪2、支架3、太陽能電池板4和控制平臺10，在球體外殼I內垂直方向上設有三條支架3，每條支架的兩個端部分別裝有萬向輪2并使萬向輪2與球體外殼I接觸，每條支架與球心組成的平面間兩兩相距120° ;相鄰支架3上端部之間裝有太陽能電池板4并與支架3形成籠狀結構；支架3穿過控制平臺10，并通過彈跳開關11將控制平臺10固定在指定高度；支架3底端裝有感應線圈14。
[0021]制動機構包括轉向電機12和制動電機13，轉向電機12的轉向電機電磁線圈17固定在控制平臺10上，轉向電機12的軸與固定轉向電機磁鐵18的轉向電機外殼19相連，并使轉向電機外殼19與制動電機13相連,這樣可以使攝像頭7方向與制動電機13方向一致。
[0022]機器人的動力是特殊設計的直流旋轉磁極式制動電機13包括電機外殼22、固定軸27。電機外殼22內側設有永磁鐵21，外側裝有膠皮外殼20與球體內壁接觸，電機外殼22上連接有電刷24，固定軸27上設有制動電機電磁線圈28，制動電機電磁線圈28分別與電源23和換向器26相連，電刷24連接電源換向器26。軸承25內環與固定軸27相連，軸承25外環與電機外殼22相連。電機使用直流電源，完成磁極旋轉，達到制動的目的。電機工作時由電源23同時將三組制動電機電磁線圈28通電，將每個線圈末端分別接入換向器26。通電之后，電刷接通一組線圈產生磁場，使電機外殼22與連接在外殼上的電刷24—起發生轉動，當轉動超過一定角度時，電刷24接通下一組線圈，使電機持續保持轉動狀態。
[0023]跳躍機構包括金屬絲5、彈簧8、電磁鐵9、滑塊15、強磁鐵6、彈跳開關11和電磁線圈16;其中，電磁鐵9固定在支架3上，控制平臺10通過彈跳開關11固定，強磁鐵6鑲嵌在滑塊15中，滑塊15穿過支架3通過繞在支架上的彈簧8與控制平臺10相連，并能夠在支架3上滑動；滑塊15末端通過金屬絲5與彈跳開關11相連；電磁線圈16纏繞在電磁鐵9上。電磁線圈16通電時，滑塊15受排斥力作用向上滑動，彈簧8蓄能；當其滑動到預定高度時，牽引金屬絲5打開跳躍開關11，彈簧8的彈性勢能轉化為系統向上的動能，機器人完成彈跳動作；電磁線圈16斷電時，受重力作用，控制平臺10回落，彈跳開關11將控制平臺10重新固定，機器人恢復到彈跳之前的狀態。
[0024]為了保持整體機器人的密閉性與續航能力，本發明采用無線充電與太陽能混合供電方式，通過下部磁感應線圈14與頂部的太陽能電板4作為能量來源。
[0025]機器人采用全密閉透明球體外殼，給機器人提供穩固的防護功能的同時，也給內部攝像頭提供了一個良好的視角。其內部安裝的主要由6個萬向輪2、支架3、控制平臺10構成的機械懸浮結構，可使內部的控制平臺10始終處于水平狀態。
[0026]控制平臺10上方設有攝像頭7，攝像頭7方向與制動電機13方向一致。還可加裝攝像頭7、麥克風、陀螺儀、gps等傳感器構成包含影音采集系統、無線傳輸系統、空間定位系統在內的如圖6所示的信息采集平臺。我們還在信息采集平臺上預留一定數量的拓展功能接口，使機器人可以搭載更多專業傳感器，適應更多領域。[0027]如圖7所示，無線傳輸系統由機器人端和手持端的2.4G無線信號收發裝置組成，實現采集信息與控制信號的無線交互。通過USB接口將手持端的2.4G無線信號收發模塊與搭載Android、Windows、ios等操作系統的智能設備相連接,實現跨平臺的控制與數據處理。
【權利要求】
1.一種具有穩定平臺可彈跳的全向滾動球形機器人，包括機械懸浮機構、制動機構和跳躍機構，其特征在于:機械懸浮機構包括萬向輪(2 )、支架(3 )、太陽能電池板(4)和控制平臺(10)，在球體外殼(I)內垂直方向上設有三條支架(3)，每條支架的兩個端部分別裝有萬向輪(2)并使萬向輪(2)與球體外殼(I)相接觸，每條支架與球心組成的平面間兩兩相距120° ;相鄰支架(3)上端部之間裝有太陽能電池板(4)，并與支架(3)形成籠狀結構；支架(3)穿過控制平臺(10)，并通過彈跳開關(11)將控制平臺固定在指定高度；支架(3)底端裝有感應線圈(14);制動機構包括轉向電機(12 )和制動電機(13 )，轉向電機電磁線圈(17 )固定在控制平臺(10)上，轉向電機(12)的軸與固定轉向電機磁鐵(18)的轉向電機外殼(19)相連，并使轉向電機外殼(19)與制動電機(13)相連；跳躍機構包括金屬絲(5)、彈簧(8)、電磁鐵(9)、滑塊(15)、強磁鐵(6)、彈跳開關(11)和電磁線圈(16);其中，強磁鐵(6)鑲嵌在滑塊(15)中，滑塊(15)穿過支架(3)通過繞在支架上的彈簧(8)與控制平臺(10)相連，并能夠在支架(3)上滑動；滑塊(15)末端通過金屬絲(5)與彈跳開關(11)相連；電磁線圈(16)纏繞在電磁鐵(9)上。
2.根據權利要求1所述的具有穩定平臺可彈跳的全向滾動球形機器人，其特征在于:控制平臺(10)上方設有攝像頭(7)，攝像頭(7)方向與制動電機(13)方向一致。
3.根據權利要求1所述的具有穩定平臺可彈跳的全向滾動球形機器人，其特征在于:控制平臺(10)上設置有信息采集平臺，信息采集平臺包括影音采集系統、無線傳輸系統、空間定位系統、拓展功能接口。
4.根據權利要求1所述的具有穩定平臺可彈跳的全向滾動球形機器人，其特征在于:制動電機(13 )包括電機外殼(22 )、固定軸(27 ),電機外殼(22 )內側設有永磁鐵(21),外側裝有膠皮外殼(20 )，電機外殼(22 )上連接有電刷(24);固定軸(27 )上設有制動電機電磁線圈(28)，制動電機電磁線圈(28)分別與電源(23)和換向器(26)相連，電刷(24)連接電源換向器(26 );軸承(25 )內環與固定軸(27 )相連，軸承(25 )外環與電機外殼(22 )相連。
【文檔編號】B62D57/02GK103552617SQ201310533078
【公開日】2014年2月5日 申請日期:2013年11月4日 優先權日:2013年11月4日
【發明者】薛丹, 管大偉, 陳鑫磊 申請人:沈陽工業大學