一种摆式球形机器人及环境监测系统的制作方法

本实用新型属于球形机器人技术领域，具体涉及一种摆式球形机器人及环境监测系统。

背景技术：

球形机器人是指一类驱动系统位于球壳(或球体)内部，通过内部驱动结合球形外壳的滚动实现基本运动。该类机器人将运动执行机构、传感器、控制器、能源装置等安装在一球形壳体内部，以此更好地保护机器人内部电路和机械结构，具有较强的环境适应力，既适用于环境探测、军事侦察、工业巡检、核事故处理等场合，也能在沙尘、潮湿、腐蚀性的恶劣环境中正常运行，相较于传统的轮式、足式机器人而言，球形机器人的运动方式更加灵活轻便，运动效率和运动速度更高，同时具有良好的动态和静态平衡性，因而被越来越多的研究者研究和开发。

目前球形机器人的研究尚未成熟，基础理论和技术方法不够完善，对其的探究还处于发展阶段，现有的球形机器人很多存在内部结构复杂，驱动方式灵活性低，稳定性不强等问题。基于球壳内部的机械结构对运动控制的难易程度有较大的影响，球形机器人的内部结构优化已经成为了目前急待解决的问题。

环境监测是检测环境物质含量，跟踪环境质量的变化，记录相关参数及环境数据，为环境管理、污染治理等工作提供保障。随着科技和工业的发展，社会各阶层对环境监测的需求越来越大，环境监测技术进入自动化、计算机化，智能机器人化阶段。利用球形机器人的结构特点及运动优势，结合各项传感器技术，将其应用于环境监测，是对技术资源的整合，也进一步开拓了机器人技术研究领域。

技术实现要素：

针对现有技术中的上述不足，本实用新型旨在提供一种能够简化内部结构，驱动灵活性好且稳定性强的摆式球形机器人及其环境监测系统。

为了达到上述发明目的，本实用新型采用的技术方案为：

一种摆式球形机器人，包括球形壳体、驱动转板和摆动导向机构；所述驱动转板设置在所述球形壳体内部中央位置，且其上安装有多个驱动电机；所述摆动导向机构与所述驱动转板相连接。

进一步地，所述球形壳体包括上下两个半球壳，所述半球壳的内部两侧分别通过第一法兰盘连接。

进一步地，所述驱动转板一对侧分别安装有步进电机，其另一对侧分别安装有减速电机，所述步进电机分别通过联轴器连接至所述第一法兰盘，所述减速电机与所述摆动导向机构相连接。

进一步地，所述联轴器一侧通过键连接方式与电机轴配合，其另一侧与短轴紧固连接，所述短轴两侧分别连接所述联轴器和所述第一法兰盘。

进一步地，所述第一法兰盘固定于球壳内部，其轴向孔与短轴配合且紧固连接，其底盘与球壳紧固连接。

进一步地，所述摆动导向机构包括第二法兰盘、连接板及配重箱，所述配重箱通过所述连接板和所述第二法兰盘与所述减速电机相连接。

进一步地，所述减速电机的电机轴与所述第二法兰盘配合且紧固连接；所述第二法兰盘底盘与连接板上端紧固连接，所述连接板下端与配重箱紧固连接。

进一步地，所述连接板呈l形，其下端设置有弯折部。

本实用新型还提出了一种环境监测系统，包括上述摆式球形机器人、远程控制系统以及至少一个移动终端，所述摆式球形机器人的配重箱设置有摆式球形机器人控制模块、分别与所述摆式球形机器人控制模块相连接的传感器模块、第一通信模块及驱动装置，所述远程控制系统分别与所述摆式球形机器人及所述移动终端无线通信连接。

进一步地，所述远程控制系统包括第二通信模块和与第二通信模块相连接的远程控制模块。

本实用新型具有以下有益效果：

(1)本实用新型优化了球形机器人的内部结构，直接由配重箱作为摆的主要结构，可根据搭载组件的不同调节摆的重量，使得其运动控制更加容易，提高了球形机器人的控制灵活性；

(2)本实用新型设计的球形机器人，内部结构呈左右对称状，使得球形机器人的整体配重更加容易，增强了其静态和动态的稳定性；

(3)本实用新型设计的球形机器人，除驱动电机以外的运动控制系统(包括控制板和电池等)均由配重箱承载，以此给矩形转板搭载工作组件留出更多空间，增强了球形机器人的可搭载性能，更适用于环境监测。

附图说明

图1是本实用新型的摆式球形机器人结构示意图；

图2是本实用新型的环境监测系统框图。

附图标记为：1、球形壳体；2、联轴器；31、步进电机；32、减速电机；4、第一法兰盘；5、第二法兰盘；6、驱动转板；7、连接板；8、配重箱；9、摆动导向机构。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

实施例1

如图1所示，本实用新型提供了一种摆式球形机器人，其包括球形壳体1及设置在所述球形壳体1内的驱动转板6和摆动导向机构9。

球形壳体1由上下两个半球壳组成，并由左右两侧与球心等高的第一法兰盘4连接，支撑起整个球体形状，以此将内部装置与外部环境隔绝，保证整个系统的正常工作。

驱动转板6设置在球形壳体1内部中央位置，其呈矩形结构。驱动转板6一对侧分别安装有步进电机31，其另一对侧分别安装有减速电机32，分别驱动板和摆的运动。

以球心为原点，采用标准笛卡尔三维空间直角坐标系，步进电机31以z轴为对称轴，分别安装在矩形转板6两短边中央位置处，并通过螺栓紧固连接。

步进电机31的带键电机轴分别与联轴器2相连，联轴器2一侧通过键连接的方式与电机轴配合，另一侧与短轴相连，并通过与轴向垂直的螺栓紧固连接，短轴两侧分别连接联轴器2和第一法兰盘4。

第一法兰盘4固定于球形壳体1内部，其轴向孔与短轴配合，并以纵向螺钉紧固，其底盘周边孔通过螺栓与球形壳体1紧固连接。

减速电机32由电机底座通过紧固螺栓固定于驱动转板6长边中心位置处，整个驱动转板6的连接结构关于z轴对称，与y轴重合，以此保证该摆式球形机器人内部的平衡稳定性。

摆动导向装置9包括第二法兰盘5、连接板7以及配重箱8。配重箱6通过连接板7和第二法兰盘5与减速电机32相连接，以控制该摆式球形机器人的运动方向。

连接板7整体结构呈l状，其上端设置有第二法兰盘5，第二法兰盘5底盘通过螺栓与连接板7上端紧固连接，连接板7通过第二法兰盘5与减速电机32的电机轴相连。减速电机32的电机轴与第二法兰盘5配合，并通过纵向螺钉紧固连接。

连接板7的下端弯折处与配重箱8凸出边缘处接触，平行连接配重箱8于驱动转板6下方。

具体而言，减速电机32的定位点连线与步进电机31的定位点连线交叉呈“十字状”，以此来建立更加稳定的摆式球形机器人内部结构。

该摆式球形机器人中，除驱动电机以外的运动控制系统(包括控制板和电池等)均由配重箱8承载，其中电池通过螺栓连接紧固于配重箱8底部内侧。

下面对摆式球形机器人运动模式的工作原理进行详细说明：

一、直线运动模式

参照图1，在前方无障碍的环境运动时，采用直线运动模式。

机器人放置地面，保证电量充足。系统恢复初始状态，即驱动转板6处于与地面平行，摆动导向机构9与z轴平行的状态；

直线运动时，步进电机31输出驱动转矩，驱动转板6绕y轴发生转动，与地面产生一小于90度的夹角，由于驱动转板6下方连接有配重箱8，在驱动转板6绕y轴旋转的过程中，配重箱8与球心的相对位置发生改变，即通过控制该摆式球形机器人的配重箱8绕y轴旋转来改变该摆式球形机器人的重心位置，使得该摆式球形机器人有向前运动的趋势，步进电机31持续输出转矩，保持驱动转板6与地面的角度不变，从而实现摆式球形机器人的直线运动。

此时，减速电机32处于锁死状态，保证摆动导向机构9不会随着驱动转板6绕y轴的旋转而与z轴发生相对相对转动，即与z轴产生一定角度，造成整个系统在y方向上的不平衡，以至于不能够稳定的直行。

转向运动时，步进电机31保持工作状态，通过减速电机32输出驱动转矩，调节摆动导向机构9与驱动转板6的夹角，使配重箱8与球心的相对位置再次发生改变，从而使摆式球形机器人的速度偏离直线运动轨迹，实现转向的目的。

二、曲线运动模式

参照图1，在遇到前方有障碍的情况下，需结合直线运动和转向运动同时进行的方式实行避障前行模式。

曲线运动时，步进电机31保持工作状态，步进电机31输出转矩提供x轴方向上运动的速度v1，同时，减速电机32输出驱动转矩，通过调节摆动导向机构9与驱动转板6的夹角，改变y轴方向上的平衡点，提供一个y轴方向上的速度v2，通过将摆式球形机器人的重心位置移动至球体上的偏离原有重心的一点，从而使摆式球形机器人的和速度偏离直线运动时的轨道，如此利用摆动导向机构9控制摆式球形机器人的速度，直线和转向运动方式并行交替，从而实现曲线运动。

实施例2

参照图2，本实用新型基于实施例1中提供的摆式球形机器人，进一步提出了一种环境监测系统，包括

摆式球形机器人，用于对环境信息进行实时采集实现对环境的实时监测；

远程控制系统，用于接收摆式球形机器人采集的环境信息且依据该环境信息远程控制摆式球形机器人动作；

以及至少一个移动终端，用于接收摆式球形机器人采集的环境信息且对环境信息进行实时显示。

摆式球形机器人可以包括摆式球形机器人控制模块、分别与摆式球形机器人控制模块相连接的传感器模块、第一通信模块及驱动装置；摆式球形机器人控制模块、传感器模块、第一通信模块及驱动装置均设置在配重箱8上。

摆式球形机器人控制模块可以包括fpga微处理器和与fpga微处理器相连接的sdram电路，其中fpga微处理器采用xilinx公司virtex系列xqvr1000型fpga，sdram采用hynix公司的h57v2562gtr型的芯片。

传感器模块可以包括温湿度传感器、pm2.5传感器、gps定位模块和图像采集模块，其中gps定位模块采用u-bloxneo-6m模组。

第一通信模块可以包括2.4g数据接收模块和3g数据发送模块，图像采集模块直接与3g数据发送模块相连接，其中3g数据发送模块采用qualcomm公司的联通、电信、移动三网合一的gobi2000hpun2420模块，2.4g数据接收模块采用nicerf公司的sv652无线模块，传输距离可以达到3公里。

远程控制系统可以包括第二通信模块和与第二通信模块相连接的远程控制模块，其中第二通信模块包括3g数据接收模块和2.4g数据发送模块。远程控制模块可以为stm32处理器。

移动终端为可以手机、笔记本或平板电脑。

下面对环境监测系统的工作原理进行详细说明：

传感器模块将采集到的信号传输到fpga微处理器的fifo中进行缓冲，并且fpga微处理器提供给a/d转换器20m的采样时钟；同时，fpga微处理器控制gps定位模块获取精确的位置数据，此时fpga微处理器产生100m时钟提供给sdram电路，把获取的位置数据从写fifo缓冲传输到sdram芯片中缓存；fpga微处理器再从sdram芯片读取数据，对脉冲信号进行相应的处理；fpga微处理器再控制3g数据发送模块把相关数据通过3g数据发送模块的数据端口传到发射器；此时，fpga微处理器再控制图像采集模块进行图像采集，并且图像采集模块直接把图像信息通过3g数据发送模块的图像端口传到发射器；此时3g数据发送模块把相关数据发送出去；同时2.4g数据接收模块接收控制命令，然后传输到fpga微处理器，fpga微处理器控制驱动装置，从而让摆式球形机器人完成相应作业。

fpga微处理器再控制3g数据发送模块将相关数据发送到远程控制系统，3g数据接收模块接收收回的数据，stm32处理器对该数据进行解析然后根据解析后的信息发出对摆式球形机器人的控制指令，2.4g数据接收模块接收传输过来的控制命令，再传输至fpga微处理器，fpga微处理器控制驱动装置，从而让摆式球形机器人完成相应作业。

同时，fpga微处理器再控制3g数据发送模块将相关数据发送到基站，基站再通过internet网络将该数据发送至若干个移动终端，对环境情况进行实时显示。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本实用新型的原理，应被理解为本实用新型的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本实用新型公开的这些技术启示做出各种不脱离本实用新型实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本实用新型的保护范围内。