專利名稱：倒置滾輪式定位移動機器人的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及的是一種機器人技術領域的裝置，具體是一種倒置滾輪式定位移 動機器人。
背景技術：
一般移動機器人運動方式分為輪式或腿式。輪式機構一般具有非完整約束， 即在某一方向的運動受到限制，不能全向移動，而使用輪式機構實現(xiàn)全向運動的 系統(tǒng)大多有多個輪子協(xié)調運動實現(xiàn)。這種結構增加了系統(tǒng)的復雜度，而且由于多 個輪子的傳動誤差，提高了協(xié)調運動的難度，給實現(xiàn)真正意義上的全向運動帶來 困難。而且，對于機器人而言，采用多輪驅動時，通過機器人輪子上編碼器進行 機器人定位精度，其定位精度很難滿足要求。而腿式機器人模擬生物運動方式， 通常采用壓電驅動材料，可以實現(xiàn)高精度定位，但其運行速度相對較慢，效率低。 經(jīng)對現(xiàn)有技術文獻的檢索發(fā)現(xiàn)，中國專利申請?zhí)枮?00580003210.5，名稱為腿式機器人以及腿式機器人的行走控制，該專利包括軀體、可擺動地連接在軀體上的腿聯(lián)合體、腿部步態(tài)數(shù)據(jù)的存儲裝置、軀體步態(tài)數(shù)據(jù)的存儲裝置、檢 測實際的軀體運動的軀體運動檢測裝置、計算目標軀體運動與實際的軀體運動之 間的偏差的偏差的計算裝置及修正裝置，該專利計算出腿式機器人的目標軀體運 動與實際的軀體運動的偏差，并根據(jù)計算出的偏差對所述目標軀體運動進行修 正。該專利模擬生物運動方式，有腿、軀干等結構，工藝難度較大，為了使機器 人兩條腿行走，并保持平衡，使用了一些檢測裝置及反饋控制，體積較大，實行 復雜，移動速度也比較慢，且沒有定位。 發(fā)明內容本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術中存在的不足，提供了一種倒置滾輪式定位 移動機器人，使其能夠滿足不同任務對機器人的需求，即全向要求，速度需求和精度需求，并能實現(xiàn)10um級定位，特別適合在微小尺寸限制的條件下實現(xiàn)無回 轉半徑的高精度全方位移動。本發(fā)明是通過以下技術方案實現(xiàn)的，本發(fā)明包括三個倒置滾輪裝置、一 個光電定位裝置、機器人本體，其中三個倒置滾輪裝置等間距地設置在機器人 本體的邊緣上，光電定位裝置位于機器人本體的底部。所述倒置滾輪裝置，包括球形滾輪、第一驅動滾軸、第二驅動滾軸、第一普 通滾軸、第二普通滾軸、第一伺服電機、第二伺服電機、第一碼盤、第二碼盤、 第一傳動帶、第二傳動帶、三個傳動球，其中第一驅動滾軸和第二驅動滾軸相互垂直，第一普通滾軸和第二普通滾軸也相 互垂直，并均平行于機器人本體表面且與球形滾輪接觸，三個傳動球固定于球形 滾輪上方呈對稱分布，并均與球形滾輪接觸，第一傳動帶一端與第一伺服電機轉 動軸相連，另一端與第一驅動滾軸相連，與第一傳動帶相連，第一碼盤設置在第 一伺服電機轉動軸上；第二伺服電機和第一伺服電機的轉動軸相互垂直，第二傳動帶一端與第二伺 服電機轉動軸相連，另一端與第二驅動滾軸相連，與第二傳動帶相連，第二碼盤 設置在第二伺服電機轉動軸上。所述倒置滾輪裝置，還包括第一松緊控制輪、第二松緊控制輪，第一松緊 控制輪設置在第一伺服電機轉動軸和第一驅動滾軸之間，第二松緊控制輪設置在 第二伺服電機轉動軸和第二驅動滾軸之間。所述機器人本體為 一 圓形底板。所述光電定位裝置，位于機器人本體的中心位置。所述的光電定位裝置，包括發(fā)光二極管、透鏡組件、光學引擎以及控制芯片， 其中發(fā)光二極管發(fā)出的光透過透鏡組件到達光學引擎，光學引擎位于機器人本 體的底部中心位置，其表面與機器人本體的底部平面平行，光學引擎與控制芯片 通過電線相連。所述的透鏡組件，包括兩面反光鏡和一個凸透鏡，兩面反光鏡用來反射發(fā)光 二級管的光線，其位置可調，只要能夠照亮機器人本體底部中心地面，凸透鏡位 于光學引擎正下方，使機器人本體底部中心地面在光學引擎上^像，從而使光學 引擎接收并紀錄圖像。所述光學引擎，在機器人移動時拍攝記錄一系列的移動軌跡的連貫圖像，并 將圖像傳輸給控制芯片。所述控制芯片，接收光學引擎的一系列圖像，通過對這些圖像上特征點位置 的變化進行分析，得到機器人的移動方向和移動距離，并控制三個倒置滾輪裝置 的運動狀態(tài)。本發(fā)明移動時，倒置滾輪裝置的運動是由兩個伺服電機提供動力，伺服電機 通過傳動帶帶動兩根驅動滾軸，驅動滾軸與球形滾輪緊密接觸，使球形滾輪運動 起來。兩根驅動滾軸是兩個垂直方向的，使得球形滾輪在平面內有兩個驅動方向， 實現(xiàn)了全方位運動。碼盤可以用來精確反饋控制電機，從而實現(xiàn)平面內全方位高 精度運動。在本發(fā)明裝置移動過程中，發(fā)光二極管發(fā)出光線，照亮機器人底部地面，底 部地面反射回的一部分光線，經(jīng)過透鏡組件，傳輸?shù)焦鈱W引擎內成像，機器人的 移動軌跡便會被記錄為一組高速拍攝的連貫圖像，最后利用光電定位裝置內部的 控制芯片，對移動軌跡上攝取的一系列圖像進行分析處理，通過對這些圖像上特 征點位置的變化進行分析，判斷機器人的移動方向和移動距離，并控制三個倒置 滾輪裝置中的伺服電機協(xié)調驅動，實現(xiàn)平面內全方位快速高效運動，實現(xiàn)無回轉 半徑的移動，完成機器人的定位。與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有如下有益效果本發(fā)明通過倒置滾輪裝置的設 計，使得機器人在轉向時與地面的摩擦為純滾動摩擦，可提高機器人的運動速度 和效率，并實現(xiàn)無回轉半徑的高精度全方位移動。由于沒有腿、軀干等復雜結構， 工藝難度較低，機器人的體積可以做成微型。光電定位裝置的設計，使得機器人在運動時能實現(xiàn)lOurn的定位。本發(fā)明能夠滿足機器人在各種領域的需求，提高機器人的移動效率，為實現(xiàn)高精度機器人作業(yè)系統(tǒng)提供新的解決方案。


圖1為本發(fā)明結構底部示意圖；圖2為光電定位裝置結構垂直剖面圖；圖3為倒置滾輪裝置結構側視圖。
具體實施方式
下面結合附圖對本發(fā)明的實施例作詳細說明本實施例在以本發(fā)明技術方案 為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護 范圍不限于下述的實施例。如圖1所示，本實施例包括三個倒置滾輪裝置2、 一個光電定位裝置3、 機器人本體l，其中三個倒置滾輪裝置2等間距地設置在機器人本體1的邊緣 上，光電定位裝置3位于機器人本體1的底部。如圖3所示，所述的倒置滾輪裝置2，包括球形滾輪21、第一驅動滾軸9、 第二驅動滾軸10、第一普通滾軸11、第二普通滾軸12、第一伺服電機13、第二 伺服電機14、第一碼盤15、第二碼盤16、第一傳動帶19、第二傳動帶20、三 個傳動球15，其中-第一驅動滾軸9和第二驅動滾軸10相互垂直，第一普通滾軸11和第二普通 滾軸12之間也相互垂直，并均平行于機器人本體1表面且與球形滾輪21接觸， 三個傳動球15固定于球形滾輪21上方呈對稱分布，并均與球形滾輪21接觸， 第一傳動帶19 一端與第一伺服電機13轉動軸相連，另一端與第一驅動滾軸9 相連，第一松緊控制輪17位于第一伺服電機13轉動軸和第一驅動滾軸9之間， 與第一傳動帶19相連，第一碼盤15設置在第一伺服電機13轉動軸上，用來記 錄第一伺服電機13轉動的速度和圈數(shù)；第二伺服電機14和第一伺服電機13的轉動軸相互垂直，第二傳動帶20 — 端與第二伺服電機14轉動軸相連，另一端與第二驅動滾軸10相連，與第二傳動 帶20相連，第二碼盤16設置在第二伺服電機14轉動軸上。所述倒置滾輪裝置2，包括第一松緊控制輪17、第二松緊控制輪18，第 一松緊控制輪17設置在第一伺服電機13轉動軸和第一驅動滾軸9之間，可在第 一傳動帶19運動的垂直方向作調整；第二松緊控制輪18設置在第二伺服電機 14轉動軸和第二驅動滾軸10之間，可在第二傳動帶20運動的垂直方向作調整。所述機器人本體1為一圓形底板。所述光電定位裝置3，位于機器人本體1的中心位置。如圖2所示，所述的光電定位裝置3，包括發(fā)光二極管6、透鏡組件、光學 引擎8以及控制芯片7，其中發(fā)光二極管6發(fā)出的光透過透鏡組件到達光學引 擎8，光學引擎8位于機器人本體1的底部中心位置，其表面與機器人本體l的 底部平面平行，光學引擎8與控制芯片7通過電線相連。所述的透鏡組件，包括兩面反光鏡4和一個凸透鏡5，兩面反光鏡4用來反 射發(fā)光二級管6的光線，其位置可調，只要能夠照亮機器人本體1底部中心地面，7凸透鏡5位于光學引擎8正下方，使機器人本體1底部中心地面在光學引擎8 上成像，從而使光學引擎8接收并紀錄圖像。所述光學引擎8，在機器人移動時拍攝記錄一系列的移動軌跡的連貫圖像， 并將圖像傳輸給控制芯片7。所述的光學引擎8為安捷倫的ADNS-2051傳感器，每秒可拍攝上千張800 DPI 的圖像，經(jīng)過控制芯片7分析處理可以使定位精度達到lOiim級別。所述控制芯片7，接收光學引擎8的一系列圖像，通過對這些圖像上特征點 位置的變化進行分析，得到機器人的移動方向和移動距離，并控制三個倒置滾輪 裝置2的運動狀態(tài)。所述的控制芯片7為SMC522控制芯片。本實施例移動時，由第一伺服電機13和第二伺服電機14提供動力。第一伺 服電機13通過第一傳動帶19帶動第一驅動滾軸10，使球形滾輪21在X方向運 動，第二伺服電機14通過第二傳動帶20帶動第二驅動滾軸11，使球形滾輪21 在Y方向運動。球形滾輪21在平面內有兩個驅動方向，實現(xiàn)了全方位運動。第 一碼盤15、第二碼盤16可以用來反饋控制第一伺服電機13、第二伺服電機14， 從而實現(xiàn)平面內全方位高精度運動。在本實施例裝置移動過程中，發(fā)光二極管6發(fā)出光線，照亮機器人底部地面， 底部地面反射回的一部分光線，經(jīng)過透鏡組件4，傳輸?shù)焦鈱W引擎8內成像，機 器人的移動軌跡便會被記錄為一組高速拍攝的連貫圖像，最后利用光電定位裝置 3內部的控制芯片7，對移動軌跡上攝取的一系列圖像進行分析處理，通過對這 些圖像上特征點位置的變化進行分析，判斷機器人的移動方向和移動距離，并控 制三個倒置滾輪裝置2中的伺服電機協(xié)調驅動，實現(xiàn)平面內全方位快速高效運 動，實現(xiàn)無回轉半徑的移動，完成機器人的定位。本實施例通過倒置滾輪裝置2使得機器人在轉向時與地面的摩擦為純滾動摩 擦，可提高機器人的運動速度和效率，并實現(xiàn)無回轉半徑的高精度全方位移動。 由于沒有腿、軀干等復雜結構，工藝難度較低，機器人的體積可以做成微型。光 電定位裝置的設計，使得機器人在運動時能實現(xiàn)10um的定位。本實施例能夠滿 足機器人在各種領域的需求，提高機器人的移動效率，為實現(xiàn)高精度機器人作業(yè) 系統(tǒng)提供新的解決方案。
權利要求
1.一種倒置滾輪式定位移動機器人，包括機器人本體，其特征在于，還包括三個倒置滾輪裝置、一個光電定位裝置，其中三個倒置滾輪裝置等間距地設置在機器人本體的邊緣上，光電定位裝置位于機器人本體的底部；所述倒置滾輪裝置，包括球形滾輪、第一驅動滾軸、第二驅動滾軸、第一普通滾軸、第二普通滾軸、第一伺服電機、第二伺服電機、第一碼盤、第二碼盤、第一傳動帶、第二傳動帶、三個傳動球，其中第一驅動滾軸和第二驅動滾軸相互垂直，第一普通滾軸和第二普通滾軸也相互垂直，并均平行于機器人本體表面且與球形滾輪接觸，三個傳動球固定于球形滾輪上方呈對稱分布，并均與球形滾輪接觸，第一傳動帶一端與第一伺服電機轉動軸相連，另一端與第一驅動滾軸相連，與第一傳動帶相連，第一碼盤設置在第一伺服電機轉動軸上；第二伺服電機和第一伺服電機的轉動軸相互垂直，第二傳動帶一端與第二伺服電機轉動軸相連，另一端與第二驅動滾軸相連，與第二傳動帶相連，第二碼盤設置在第二伺服電機轉動軸上。
2. 根據(jù)權利要求1所述的倒置滾輪式定位移動機器人，其特征是，所述倒 置滾輪裝置，包括第一松緊控制輪、第二松緊控制輪，第一松緊控制輪設置在 第一伺服電機轉動軸和第一驅動滾軸之間，第二松緊控制輪設置在第二伺服電機 轉動軸和第二驅動滾軸之間。
3. 根據(jù)權利要求1所述的倒置滾輪式定位移動機器人，其特征是，所述光 學引擎，在機器人移動時拍攝記錄一系列的移動軌跡的連貫圖像，并將圖像傳輸 給控制芯片。
4. 根據(jù)權利要求1所述的倒置滾輪式定位移動機器人，其特征是，所述控 制芯片，接收光學引擎的一系列圖像，通過對這些圖像上特征點位置的變化進行 分析，得到機器人的移動方向和移動距離，并控制三個倒置滾輪裝置的運動狀態(tài)。
5. 根據(jù)權利要求1所述的倒置滾輪式定位移動機器人，其特征是，所述機 器人本體為一圓形底板。
6.根據(jù)權利要求1所述的倒置滾輪式定位移動機器人，其特征是，所述光電定位裝置，位于機器人本體的中心位置。
7.根據(jù)權利要求1或6所述的倒置滾輪式定位移動機器人，其特征是，所 述的光電定位裝置，包括發(fā)光二極管、透鏡組件、光學引擎以及控制芯片，其 中發(fā)光二極管發(fā)出的光透過透鏡組件到達光學引擎，光學引擎位于機器人本體 的底部中心位置，其表面與機器人本體的底部平面平行，光學引擎與控制芯片通 過電線相連。
全文摘要
一種機器人技術領域的倒置滾輪式定位微型移動機器人，本發(fā)明包括三個倒置滾輪裝置、一個光電定位裝置、機器人本體，其中三個倒置滾輪裝置等間距地設置在機器人本體的邊緣上，光電定位裝置位于機器人本體的底部。所述倒置滾輪裝置，包括球形滾輪、第一驅動滾軸、第二驅動滾軸、第一普通滾軸、第二普通滾軸、第一伺服電機、第二伺服電機、第一碼盤、第二碼盤、第一傳動帶、第二傳動帶、三個傳動球。本發(fā)明能夠實現(xiàn)機器人的全方位快速運動，且達到10um級的定位，并可以滿足無回轉半徑的全方位移動。
文檔編號B62K1/00GK101259856SQ200810035828
公開日2008年9月10日 申請日期2008年4月10日 優(yōu)先權日2008年4月10日
發(fā)明者任峙宗, 李智軍, 祝永新, 莫亭亭 申請人:上海交通大學