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