Сфероробот

Полезная модель относится к робототехнике и направлена на повышение маневренности и обеспечение автономности движения сфероробота с роторными движителями. Сфероробот содержит каркас, выполненный в виде экваториального диска с окнами и установленный в разъеме полусфер, на котором в окнах размещены роторные движители так, что оси вращения роторов расположены под углом 90° по отношению друг к другу и точка их пересечения находится на линии диаметра сферического корпуса, перпендикулярной экваториальному диску, обеспечивая максимальную маневренность данного типа мобильных роботов. Сфероробот содержит модули микропроцессорного управления, информационно-измерительной системы ориентации в пространстве, обеспечивающие автономное управление движением. Питание электродвигателей и модуля управления осуществляется от распределенного по объему источник питания, состоящего из аккумуляторных ячеек, соединенных последовательно или параллельно, которые используются также для балансировки сфероробота.

Сфероробот относится к самоходным транспортным средствам, а именно к мобильным роботам.

Известен робот-шар, содержащий полую сферу, установленные внутри сферы двигатели, зафиксированные таким образом, что их геометрические оси перпендикулярны друг другу и пересекаются в геометрическом центре сферы, один из двигателей установлен на внутренней поверхности сферы и соединен посредством каркаса, выполненного в форме четверти окружности, со вторым двигателем, установленным на свободном конце упомянутого каркаса и снабженным аналогичным каркасом, связанным с его валом [1].

Также известен робот-шар, состоящий из корпуса, выполненного в виде полого шара, содержащий внутренний каркас, соединенный с корпусом шарниром, закрепленный на внутреннем каркасе первый электропривод, вал которого соединен с корпусом, также на каркасе закреплен второй электропривод, на обоих концах сквозного вала которого закреплены дебалансы [2].

Недостатком данных роботов является то, что используемые кинематические схемы снижают быстродействие роботов, не позволяя им осуществлять все многообразие возможных направлений и траекторий движения, а также двигаться в любом заданном направлении без дополнительных (предварительных) перемещений подвижных масс внутри сферической оболочки.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемой полезной модели, выбранный в качестве прототипа, является дистанционно управляемый катящийся робот [3], содержащий полую сферу, имеющую гладкую наружную и внутреннюю поверхности, не менее двух роторов, установленных внутри сферы в диаметральном направлении так, что геометрические оси роторов пересекаются в геометрическом центре сферы; передаточные механизмы, соединяющие диаметрально противоположные роторы, выполняющие также роль элементов каркаса. Управление движением робота осуществляется с помощью пульта дистанционного управления.

Недостатками данного робота являются отсутствие автономного управления и недостаточная маневренность, что обусловлено тем, что расположение роторов в предложенной конструкции не позволяет обеспечить совмещение центра масс системы с геометрическим центром сферической оболочки без дополнительного утяжеления робота, что приводит также к возрастанию момента инерции, снижению быстроты изменения скорости и направления движения робота.

Задача, на решение которой направлено заявленное техническое решение заключается в повышении маневренности, т.е. возможности реализации движений сфероробота с роторными движителями по максимально сложным траекториям и обеспечении автономности управления.

Решение данной задачи достигается тем, что в полом корпусе сфероробота, состоящем из полусфер, расположен каркас, выполненный в виде экваториального диска и установленный в разъеме полусфер, при этом в экваториальном диске выполнены окна, в которых установлены роторные движители, оси вращения которых расположены под углом 90° по отношению друг к другу, а точка пересечения осей движителей находится на линии диаметра корпуса, расположенной перпендикулярно оси экваториального диска.

Кроме того, сфероробот снабжен источником питания, содержащим аккумуляторные ячейки, расположенные на платформе экваториального диска, используемые для балансировки сфероробота, модулем микропроцессорного управления, модулем информационно-измерительной системы ориентации в пространстве, датчиками ускорений, угловых скоростей, магнетометром, модулем беспроводного приема и передачи данных, при этом модуль микропроцессорного управления выполнен с возможностью формирования управляющих воздействий роторными движителями с учетом сигналов обратной связи от датчиков угловых скоростей и модуля информационно-измерительной системы, а также учетом данных, полученных от модуля беспроводного приема и передачи данных, а модуль информационно-измерительной системы ориентации в пространстве выполнен с возможностью программной обработки сигналов датчиков ускорений, датчиков угловых скоростей и магнетометра.

Конструкция заявляемого сфероробота представлена на фиг.1-3. Сфероробот содержит полый корпус 1, состоящий из двух одинаковых полусфер 1а и 1б, каркас, в виде экваториального диска 2, установленный в разъеме полусфер 1а, 1б, имеющий окна 3, 4, 5, в которых расположены роторные движители 6, 7, 8 с роторами 9, 10, 11, снабженные датчиками угловых скоростей 12, 13, 14. Периметр экваториального диска 2 имеет закругление с радиусом, равным радиусу внутренних поверхностей полусфер 1а, 1б для их беззазорной посадки, что обеспечивает герметичность внутреннего пространства и позволяет использовать сфероробот в агрессивных условиях окружающей среды, а также под водой.

Крепление роторных движителей 6, 7, 8 выполнено на экваториальном диске 2 так, что оси их вращения расположены под углом 90° по отношению друг к другу, а точка их пересечения находится на линии диаметра полого корпуса 1, перпендикулярной экваториальному диску 2. Это обеспечивает расположение центра масс системы в геометрическом центре полого корпуса 1 (фиг.1).

Кроме того, на платформе 15, установленной на экваториальном диске 2 (фиг.2) установлены модуль микропроцессорного управления 16, модуль информационно - измерительной системы ориентации сфероробота в пространстве 17, содержащий интегрированные трехкомпонентный датчик ускорений 18, трехкомпонентный датчик угловых скоростей 19 и магнетометр 20, модуль беспроводного приема и передачи данных 21. К модулю микропроцессорного 16 управления подключены также датчики угловых скоростей 12, 13, 14.

На платформе 22, установленной на экваториальном диске 2 на стороне противоположной к платформе 15, расположен распределенный по объему источник питания, состоящий из аккумуляторных ячеек 23, 24, 25 (фиг.3).

Сфероробот работает следующим образом. Движение сфероробота осуществляется за счет создания движущего момента при ускоренном вращении роторов 9, 10, 11 роторных движителей 6, 7, 8. При этом кинетические моменты роторов складываются и создают суммарный кинетический момент, приводящий в движение сфероробот.

Направление движения сфероробота определяется соотношением ускорений и направлений вращения роторов 9, 10, 11. Благодаря обеспечению положения центра масс сфероробота в геометрическом центре полого корпуса 1, за счет расположения роторных движителей 6, 7, 8 на экваториальном диске 2 так, что оси их вращения расположены под углом 90° по отношению друг к другу, а точка их пересечения находится на линии диаметра полого корпуса 1, перпендикулярной экваториальному диску 2, сфероробот может начать движение в любом заданном направлении и изменять заданное направление движения на любое другое.

Микропроцессорный модуль управления 16 формирует управляющие воздействия роторными движителями 6, 7, 8 с учетом сигналов обратной связи от датчиков угловых скоростей 12, 13, 14 и модуля информационно-измерительной системы 17, а также учетом данных, полученных от модуля беспроводного приема и передачи данных 21.

По показаниям датчиков модуля информационно - измерительной системы ориентации сфероробота в пространстве 17: трехкомпонентного датчика ускорений 18, трехкомпонентного датчика угловых скоростей 19 и магнетометра 20 - микропроцессорный модуль управления производит вычисления действительного положения и ориентации, а также скорости и направления движения сфероробота.

Электропитание роторных движителей 6, 7, 8, модуля микропроцессорного управления 16, модуля информационно - измерительной системы ориентации сфероробота в пространстве 17, модуля беспроводного приема и передачи 21 осуществляется от распределенного по объему источника питания, состоящего из одинаковых аккумуляторных ячеек 23, 24 и 25, используемых, в том числе, для балансировки сфероробота.

Возможно дистанционное и автономное управление движением сфероробота. В первом случае, посредством беспроводного канала связи, оператор задает скорость и направление вращения каждого роторного движителя 6, 7, 8, в зависимости от которых сфероробот выполняет движение. Во втором сфероробот, получив координаты места назначения, в зависимости от его положения и ориентации, перемещается по управляющим воздействиям, рассчитанным микропроцессорным модулем управления 16, корректируя управляющие воздействия в зависимости от данных, полученных от модуля информационно-измерительной системы ориентации сфероробота в пространстве 17.

Таким образом, по сравнению с известными техническими решениями, максимальная маневренность при движениях по сложным траекториям предполагаемой полезной модели достигается за счет расположения роторных движителей 6, 7, 8, так, что оси их вращения расположены под углом 90° по отношению друг к другу, а точка их пересечения находится на линии диаметра полого корпуса 1 перпендикулярной экваториальному диску 2, что обеспечивает положение центра масс сфероробота в геометрическом центре полого корпуса 1. Это также исключает необходимость использования дополнительных балансировочных масс, что, при прочих равных условиях, снижает массу и момент инерции сфероробота. Автономное управление сферороботом достигается за счет введения микропроцессорного модуля управления 16 с модулем информационно-измерительной системы ориентации в пространстве 17.

Источники, принятые во внимание:

1. Патент RU 2315686 Робот-шар // Наедина Л.И., 2008 г.

2. Патент RU 106215 Робот-шар // Яцун С.Ф., Савин С.И., Казарян К.Г., 2011 г.

3. United States Patent 6,414,457 Autonomous rolling robot // Sunil K., Agrawal, Shourov Bhattacharya, Jul. 2, 2002 (прототип).

4. Борисов А.В., Килин А.А., Мамаев И.С. Как управлять шаром Чаплыгина при помощи роторов. Нелинейная динамика. 2012. Т.8. 2. С.289-307.

5. Борисов А.В., Килин А.А., Мамаев И.С. Как управлять шаром Чаплыгина при помощи роторов. II Нелинейная динамика. 2013. Т.9. 1. С.59-76.

1. Сфероробот, содержащий полый корпус, состоящий из полусфер, каркас в виде экваториального диска, установленный в разъеме полусфер, роторные движители, отличающийся тем, что в экваториальном диске выполнены окна, в которых установлены роторные движители, при этом оси вращения роторов расположены под углом 90° по отношению друг к другу, а точка пересечения осей движителей находится на линии диаметра корпуса, расположенной перпендикулярно оси экваториального диска.

2. Сфероробот по п.1, отличающийся тем, что он снабжен источником питания, расположенным на платформе экваториального диска, модулем микропроцессорного управления, модулем информационно-измерительной системы ориентации в пространстве, датчиками ускорений, угловых скоростей, магнетометром, модулем беспроводного приема и передачи данных, при этом модуль микропроцессорного управления выполнен с возможностью формирования управляющих воздействий роторными движителями с учетом сигналов обратной связи от датчиков угловых скоростей и модуля информационно-измерительной системы, а также учетом данных, полученных от модуля беспроводного приема и передачи данных, а модуль информационно-измерительной системы ориентации в пространстве выполнен с возможностью программной обработки сигналов датчиков ускорений, датчиков угловых скоростей и магнетометра.

3. Сфероробот по п.2, отличающийся тем, что источник питания содержит аккумуляторные ячейки, используемые для балансировки сфероробота.

РИСУНКИ