CN110877643A - 一种电磁铁和铁砂配合驱动的球形机器人结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电磁铁和铁砂配合驱动的球形机器人结构，它包括控制器壳、连接轴、中心球壳和环绕球壳，控制器壳通过连接轴与中心球壳连接，在每块中心球壳的四周连接有环绕球壳，所有中心球壳和环绕球壳相互连接成一个圆球壳体结构，在圆球壳体内部有细铁砂，中心球壳的内侧壁上设有电磁铁和锂电池，周围设有导线开孔，底端设有导线控制线开孔，环绕球壳的内侧壁上也设有电磁铁，周围设有导线开孔并与锂电池导线连接，电磁铁和锂电池经导线控制线开孔通过连接轴与控制器壳导线连接。采用电磁铁进行驱动，电磁铁通电即产生磁场，控制方式简单，响应速度快；具有原理简单直观、易于控制、运动方式灵活多样的优点。

Description

一种电磁铁和铁砂配合驱动的球形机器人结构

技术领域

本发明涉及一种机器人，尤其涉及一种电磁铁和铁砂配合驱动的球形机器人结构，属于机器人设备技术领域。

背景技术

随着人类社会的发展，人类对复杂危险环境的探测需求持续增加，例如星球探索、灾难营救等。在这些复杂的情况下，一般的机器人由于其设计的专门化，往往难以胜任不同的恶劣情况。此时，球形机器人应运而生。球形机器人拥有全封闭的球形外壳，其所有的核心零部件均可置于球壳的保护之下。球形机器人通过质心偏移、动量守恒或者球壳的形变来进行驱动，运动灵活且不存在侧翻问题，因此球形机器人在复杂环境探索等方面具有广阔的前景。

目前球形机器人根据其驱动方式主要分为四大类型，分别是质心偏移型、角动量守恒型、水下型以及形变型。质心偏移型原理简单、运动方式直观，因此得到广泛关注。质心偏移型球形机器人按照其质心偏移的方式分为四种类型：单摆锤类、双摆锤类、小车类和多质量块类。单摆锤类通过一个电机和摆锤配合，当摆锤转动时球体质心改变。双摆锤类在单摆锤类基础上增加了一个摆锤，通过两个摆锤的配合实现了更复杂的动作。小车类利用电机驱动球内的轮子，从而改变质心驱动球形机器人。多质量块类内部装有三到四根固定轴，利用电机驱动固定轴上的质量块达到改变质心的目的。

单摆锤类结构简单，摆锤只能在一个平面内进行圆周运动，其越障能力和转弯能力都较弱。双摆锤类虽然增加一个摆锤，一定程度上改善了单摆锤运动方式单一的缺点，但是并不能改变摆锤只能在一个平面内进行圆周运动的缺陷，并且双摆锤难以平衡，直线运动较为困难。小车类其车轮与球壳之间存在非完整约束，对控制提出了更高的要求。多质量块类也只有三到四个质量块可以控制，且只能沿相应的固定轴进行滑动，限制了机器人运动的灵活性，并且轨迹控制很复杂。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种电磁铁和铁砂配合驱动的球形机器人结构，该机器人具有结构简单、动作灵活、可控性强等特点，改进现有质心偏移型球形机器人驱动方式的不足，有效的解决了上述存在的问题。

本发明的技术方案为：一种电磁铁和铁砂配合驱动的球形机器人结构，它包括控制器壳、连接轴、中心球壳和环绕球壳，所述控制器壳的四周分别通过六根连接轴与六块中心球壳连接，在每块中心球壳的四周连接有三块或五块环绕球壳，所有中心球壳和环绕球壳相互连接成一个圆球壳体结构，在圆球壳体内部有细铁砂，中心球壳的内侧壁上设有电磁铁和锂电池，周围设有导线开孔，底端设有导线控制线开孔，环绕球壳的内侧壁上也设有电磁铁，周围设有导线开孔并与锂电池导线连接，电磁铁和锂电池经导线控制线开孔通过连接轴与控制器壳导线连接。

所述中心球壳和环绕球壳均为五边或六边的等边结构，其中一块中心球壳的外侧设有充电开孔，外部电源通过充电开孔可给锂电池充电。

所述控制器壳内部设有控制器和MEMS陀螺仪传感器，控制器分别与MEMS陀螺仪传感器、锂电池和电磁铁导线连接。

所述控制器通过MEMS陀螺仪获取机器人位置和姿态，根据目标轨迹和速度计算出应通中心球壳或环绕球壳，并向与应通电的球壳相连中心球壳中的选择开关发送通电指令。选择开关将应通电的球壳电磁铁与中心球壳锂电池接通，应通电球壳电磁铁吸引球内细铁砂，质心位置改变，球体开始运动。

本发明的有益效果是：与现有技术相比，采用本发明的技术方案，主要结构包括连接轴，传感器和控制器、球壳组成的球体以及球壳内的电源和电磁铁导线连接。通过球壳内的电磁铁吸引球壳内的铁砂，从而改变球体的质心分布，最终达到驱动和转向的目的，本发明采用了32块球壳进行控制，输入量多，铁砂紧贴球壳，质心变化范围更大，爬坡越障能力强，可实现复杂运动和灵活转弯；本发明采用电磁铁取代电动机进行驱动，电磁铁通电即产生磁场，控制方式简单，避免了对电机复杂的转速控制，响应速度更快；本发明具有原理简单直观、易于控制、运动方式灵活多样的优点，取得了很好的使用效果。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为本发明单块中心球壳或环绕球壳结构示意图；

图3为本发明单块中心球壳剖视图；

图4为本发明控制原理图；

图5为本发明实施例2结构示意图；

图6为本发明实施例3结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将参照本说明书附图对本发明作进一步的详细描述。

实施例1：如附图1～4所示，一种电磁铁和铁砂配合驱动的球形机器人结构，它包括控制器壳7、连接轴1、中心球壳2和环绕球壳3，所述控制器壳7的四周分别通过六根连接轴1与六块中心球壳2连接，在每块中心球壳2的四周连接有三块或五块环绕球壳3，所有中心球壳2和环绕球壳3相互连接成一个圆球壳体结构，在圆球壳体内部有细铁砂8，中心球壳2的内侧壁上设有电磁铁311和锂电池313，周围设有导线开孔314，底端设有导线控制线开孔315，环绕球壳3的内侧壁上也设有电磁铁311，周围设有导线开孔314并与锂电池313导线连接，电磁铁311和锂电池313经导线控制线开孔315通过连接轴1与控制器壳7导线连接。

进一步的，中心球壳2和环绕球壳3均为五边或六边的等边结构，其中一块中心球壳2的外侧设有充电开孔312，外部电源通过充电开孔312可给锂电池313充电。

进一步的，控制器壳7内部设有控制器和MEMS陀螺仪传感器，控制器分别与MEMS陀螺仪传感器、锂电池313和电磁铁311导线连接。

控制器与中心球壳的选择开关连接，直接控制哪个球壳通电，选择开关可以设置在锂电池中。

MEMS陀螺仪传感器可获取球体转动的角速度和方向，反馈到控制器进行控制操作。

进一步的，控制器通过MEMS陀螺仪获取机器人位置和姿态，根据目标轨迹和速度计算出应通中心球壳或环绕球壳，并向与应通电的球壳相连中心球壳中的选择开关发送通电指令。选择开关将应通电的球壳电磁铁与中心球壳锂电池接通，应通电球壳电磁铁吸引球内细铁砂，质心位置改变，球体开始运动。

实施例2：如图5所示，电磁铁311和细铁砂8配合驱动的球形机器人结构，包括六根连接轴1，控制器壳7,6个中心球壳2和26个环绕球壳3。所述球壳组成的球体内含有细铁砂8。其中本实施例关注的是中心球壳2和它的环绕球壳3；控制器壳7中有MEMS陀螺仪传感器和控制器；中心球壳2包括电磁铁311、充电开孔312、锂电池313、导线开孔314和导线控制线开孔315；控制器壳7中的控制器通过连接轴1将导线和控制线接入中心球壳2的锂电池313及其选择开关电路中；初始时刻将机器人置于初始位置和初始姿态（如图中所示V5方向位于正上方），欲向正前方（垂直纸面向外方向）前进，控制器根据设定好的轨迹和速度计算出质心偏移的方向应为正前方，此时三块环绕球壳3均位于当前质心的正前方。此时给三块环绕球壳3单独或者组合通电都可以达到质心向正前方偏移的目的，现对中间的环绕球壳3单独通电时进行说明，其它情况类似。控制器向应通电的那块环绕球壳3所属的中心球壳2发出对应的通电指令。中心球壳2接到指令后通过选择开关电路接通中心球壳2中的锂电池313和环绕球壳3中的电磁铁311。环绕球壳3中的电磁铁311中通入电流，产生的磁场吸引细铁砂8向环绕球壳3移动。细铁砂8移动后球体质心垂线前移，球体平衡态被打破，开始向前移动。

实施例3：如图6所示，电磁铁311和细铁砂8配合驱动的球形机器人结构结构同实施例2。在实施例2所述情况下机器人向正前方前进到图5所示位置，此时机器人欲向V3方向转弯并继续前进。控制器根据设定好的轨迹和速度计算出质心偏移的方向应为V3方向，此时下面的那块中心球壳2和相邻的两块环绕球壳3均位于V3方向。此时给中心球壳2和环绕球壳3单独或者组合通电都可以达到质心向V3方向偏移的目的，现对选择上面的那块环绕球壳3单独通电时进行说明，其它情况类似。控制器向应通电的环绕球壳3所属的中心球壳2（即最上面的那块中心球壳2）发出对应的通电指令。顶部的中心球壳2接到指令后通过选择开关电路接通中心球壳2中的锂电池313和相邻环绕球壳3中的电磁铁311。环绕球壳3中的电磁铁311通入电流，产生的磁场吸引细铁砂8向环绕球壳2移动。细铁砂8移动后球体质心垂线向V3方向移动，球体产生V3方向的加速度，开始向V3方向移动。

主要结构包括连接轴，传感器和控制器、球壳组成的球体以及球壳内的电源和电磁铁导线连接。通过球壳内的电磁铁吸引球壳内的铁砂，从而改变球体的质心分布，最终达到驱动和转向的目的，本发明采用了32块球壳进行控制，输入量多，铁砂紧贴球壳，质心变化范围更大，爬坡越障能力强，可实现复杂运动和灵活转弯；本发明采用电磁铁取代电动机进行驱动，电磁铁通电即产生磁场，控制方式简单，避免了对电机复杂的转速控制，响应速度更快；本发明具有原理简单直观、易于控制、运动方式灵活多样的优点，取得了很好的使用效果。

本发明未详述之处，均为本技术领域技术人员的公知技术。最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (3)

1.一种电磁铁和铁砂配合驱动的球形机器人结构，其特征在于：它包括控制器壳（7）、连接轴（1）、中心球壳（2）和环绕球壳（3），所述控制器壳（7）的四周分别通过六根连接轴（1）与六块中心球壳（2）连接，在每块中心球壳（2）的四周连接有三块或五块环绕球壳（3），所有中心球壳（2）和环绕球壳（3）相互连接成一个圆球壳体结构，在圆球壳体内部有细铁砂（8），中心球壳（2）的内侧壁上设有电磁铁（311）和锂电池（313），周围设有导线开孔（314），底端设有导线控制线开孔（315），环绕球壳（3）的内侧壁上也设有电磁铁（311），周围设有导线开孔（314）并与锂电池（313）导线连接，电磁铁（311）和锂电池（313）经导线控制线开孔（315）通过连接轴（1）与控制器壳（7）导线连接。

2.根据权利要求1所述的电磁铁和铁砂配合驱动的球形机器人结构，其特征在于：所述中心球壳（2）和环绕球壳（3）均为五边或六边的等边结构，其中一块中心球壳（2）的外侧设有充电开孔（312），外部电源通过充电开孔（312）可给锂电池（313）充电。

3.根据权利要求1所述的电磁铁和铁砂配合驱动的球形机器人结构，其特征在于：所述控制器壳（7）内部设有控制器和MEMS陀螺仪传感器，控制器分别与MEMS陀螺仪传感器、锂电池（313）和电磁铁（311）导线连接。

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