РОБОТ-ШАР

Настоящее устройство относится к области робототехники и может быть использовано как в качестве транспортного средства, так и в качестве игрушки.
Из предшествующего уровня техники известен робот-шар, характеризующийся тем, что он содержит полый сферический корпус, монтажную платформу, установленную внутри сферического корпуса с возможностью вращения вокруг осей, лежащих в плоскости платформы, и контактирующую с внутренней поверхностью корпуса, смонтированный на платформе поворотный двигатель с валом, закрепленным на платформе с возможностью вращения вокруг оси, перпендикулярной плоскости платформы, установленное на вале ведущее колесо, опирающееся на внутреннюю поверхность корпуса, маршевый двигатель, установленный на вале и соединенный с ведущим колесом, а также блок управления двигателями (Патент США 5692946, А63Н 30/04, 02.12.1997).
В этом устройстве платформа расположена в диаметральной плоскости корпуса, что ограничивает возможность размещения на платформе полезной нагрузки. Кроме того, платформа контактирует с поверхностью корпуса посредством подпружиненных цилиндрических подшипников, что препятствует вращению платформы внутри корпуса, вследствие чего затрудняется управление и ухудшается маневренность робота-шара.
Наиболее близким заявленному техническому решению является робот-шар, характеризующийся тем, что он содержит полый сферический корпус, монтажную платформу, установленную внутри сферического корпуса, систему стабилизации платформы, смонтированный на платформе поворотный двигатель с валом, установленным с возможностью вращения вокруг оси, перпендикулярной плоскости платформы, установленные на вале ведущее колесо, опирающееся на внутреннюю поверхность корпуса, и маршевый двигатель, соединенный с ведущим колесом, а также блок управления двигателями (Патент РФ 2062631, А63Н 30/04, 27.06.1996).
В этом устройстве платформа размещена на некотором расстоянии от диаметральной плоскости корпуса. Устройство снабжено системой стабилизации для предотвращения случайного опрокидывания платформы, выполненной в виде нескольких симметрично расположенных подпружиненных упоров, которые закреплены на платформе и опираются на внутреннюю поверхность корпуса. Такое выполнение системы стабилизации ограничивает возможность размещения на платформе полезной нагрузки. Кроме того, из-за сил трения в местах контакта упоров с поверхностью корпуса, затрудняется управляемость, маневренность и проходимость робота-шара.
Задача, на решение которой направлено заявленное техническое решение, заключается в улучшении эксплуатационных характеристик за счет повышения управляемости, маневренности, проходимости (возможности преодолевать более крутые подъемы), а также в расширении функциональных свойств за счет возможности размещения внутри корпуса полезной нагрузки, например, устройств контроля и управления: автономных блоков управления, сенсоров, видеокамер, акустических приборов.
Поставленная задача решается благодаря тому, что робот-шар содержит полый сферический корпус, монтажную платформу, установленную внутри сферического корпуса, систему стабилизации платформы, смонтированный на платформе поворотный двигатель с валом, установленным с возможностью вращения вокруг оси, перпендикулярной плоскости платформы, установленные на вале ведущее колесо, опирающееся на внутреннюю поверхность корпуса, и маршевый двигатель, соединенный с ведущим колесом, блок управления двигателями, при этом система стабилизации выполнена в виде стержня, контактирующего с внутренней поверхностью корпуса со стороны, диаметрально противоположной точке опоры ведущего колеса, а монтажная платформа расположена между точкой опоры ведущего колеса и центром сферического корпуса на расстоянии h от точки опоры ведущего колеса, определяемом неравенством h<R-(H-R)M/m, где m - масса монтажной платформы, R - радиус внутренней поверхности корпуса, М - суммарная масса размещенной на платформе нагрузки, Н -расстояние от точки опоры ведущего колеса до центра масс нагрузки. Монтажная платформа может быть снабжена сферическими подшипниками, контактирующими вдоль периферии платформы с внутренней поверхностью корпуса. Стержень также может быть подпружинен относительно платформы и снабжен сферическим подшипником, контактирующим с внутренней поверхностью корпуса.
Техническим результатом, который обеспечивается приведенной совокупностью признаков, является обеспечение повышенной управляемости, маневренности и проходимости за счет уменьшения сил трения элементов, контактирующих с внутренней поверхностью корпуса. Устройство также обеспечивает возможность дополнительного размещения внутри корпуса различных устройств за счет более низкого размещения монтажной платформы в корпусе робота-шара.
Повышение управляемости и маневренности обеспечивается за счет уменьшения сил трения вследствие выполнения системы стабилизации платформы в виде стержня, одним концом закрепленного на платформе, а другим концом контактирующего с внутренней поверхностью корпуса со стороны, диаметрально противоположной точке опоры ведущего колеса, а повышение проходимости и увеличение грузоподъемности - за счет более низкого расположения монтажной платформы и центра масс вследствие расположения монтажной платформы между точкой опоры ведущего колеса и центром сферического корпуса на расстоянии h от точки опоры, определяемом неравенством h<R-(H-R)M/m, где m - масса монтажной платформы, R - радиус внутренней поверхности корпуса, М - суммарная масса размещенной на платформе нагрузки, Н - расстояние от точки опоры ведущего колеса до центра масс нагрузки. Более низкое расположение монтажной платформы позволяет размещать на ней различные устройства, например, сенсоры, видеокамеры, акустические приборы, что также повышает функциональные возможности предлагаемого технического решения. Оснащение монтажной платформы и стержня сферическими подшипниками также позволяет уменьшить силы трения этих элементов, контактирующих с внутренней поверхностью корпуса. Выполнение стержня подпружиненным относительно платформы обеспечивает также более надежный контакт ведущего колеса с внутренней поверхностью корпуса.
Устройство поясняется прилагаемыми изображениями, где
на фиг. 1 показана схема устройства в продольном сечении, а
на фиг. 2 - в поперечном сечении,
на фиг. 3 представлено фото заявляемого устройства.
Робот-шар содержит полый сферический корпус 1, внутри которого горизонтально установлена монтажная платформа 2, контактирующая по периферии с внутренней поверхностью корпуса 1. На платформе 2 установлен, например, реверсивный поворотный двигатель 3, вал 4 которого расположен вдоль диаметральной оси корпуса 1 перпендикулярно плоскости платформы 2. На вале 4 жестко закреплен кронштейн 5, на котором установлен, например, реверсивный маршевый двигатель 6 с валом 7. На вале 7 установлено ведущее колесо 8, опирающееся на внутреннюю поверхность корпуса 1. На платформе 2 размещены, например, дистанционно управляемый по радиосигналу, блок управления 9 двигателями 3, 6 и блок питания 10, электрически связанный с блоком управления 9 (на фигурах не показано). Как вариант, блок управления 9 может быть выполнен автономным, без необходимости внешнего управления. На платформе 2 установлен стержень 11, ориентированный вдоль диаметральной оси корпуса 1, проходящей через точку опоры «А» ведущего колеса 8, и контактирующий с внутренней поверхностью корпуса 1 в диаметрально противоположной точке «Б». Для балансировки платформы 2 и придания ей устойчивости в горизонтальном положении могут быть использованы балансировочные грузы 12. Платформа 2 может быть снабжена сферическими подшипниками 13, контактирующими с внутренней поверхностью корпуса 1. Стержень 11 также может быть подпружинен относительно платформы 2 и снабжен сферическим подшипником 14, контактирующим с внутренней поверхностью корпуса 1 в точке «Б». На платформе 2 могут быть размещены элементы 15 и 16 полезной нагрузки, например, системы контроля. Платформа 2 расположена между точкой опоры «А» ведущего колеса 8 и центром «О» сферического корпуса 1 на расстоянии h от точки опоры «А», определяемом из неравенства h<R-(H-R)M/m, где m - масса монтажной платформы 2, R -радиус внутренней поверхности корпуса 1, М - суммарная масса размещенной на платформе нагрузки 3-16, Н - расстояние от точки опоры «А» ведущего колеса 8 до центра масс размещенной на платформе нагрузки. В суммарную массу М включены массы блоков управления и питания, системы стабилизации, двигателей с валами и элементами крепления, ведущего колеса, балансировочных грузов, а также масса размещенной на платформе 2 предполагаемой полезной нагрузки 15 и 16. При таком размещении платформы 2 центр масс платформы 2, вместе с закрепленными на ней агрегатами 3-16, располагается ниже центра «О» сферического корпуса 1.
Движение корпуса 1 происходит следующим образом. Управляющий сигнал принимается блоком управления 9, который передает сигнал на маршевый двигатель 6. Вращение вала 7 приводит во вращение ведущее колесо 8, вследствие чего смещается центр масс платформы 2 (с размещенными на ней агрегатами). Система стремится занять положение равновесия, вследствие чего происходит перемещение корпуса в сторону вращения ведущего колеса, при этом платформа 2 стремится занять горизонтальное положение. Для изменения направления движения робота-шара управляющий сигнал передается на двигатель 3. Вращение вала 4 приводит к повороту колеса 8 относительно корпуса 1, вследствие чего меняется направление движения корпуса 1. Автономное питание блока управления 9 и двигателей 3, 6 осуществляется блоком питания 10.
Стержень 11 предотвращает опрокидывание платформы 2 в полости корпуса 1. Поскольку центр масс платформы 2, вместе с установленными на ней агрегатами 3-16, располагается ниже центра «О» сферического корпуса 1, обеспечивается устойчивое положение платформы 2. Благодаря наличию подпружиненного стержня 11 обеспечивается также постоянный контакт ведущего колеса 8 с внутренней поверхностью корпуса 1. Наличие сферических подшипников 13 и 14 способствует уменьшению силы трения в точках контакта платформы 2, а также стержня 11, с внутренней поверхностью корпуса 1.
В НИИ механики МГУ создан действующий макет предлагаемого технического решения, фотография которого приведена на фиг. 3. Диаметр корпуса робота-шара 15.6 см, платформа диаметром 13.5 см расположена на расстоянии 3.9 см от центра корпуса; диаметр ведущего колеса 5 см. Испытания продемонстрировали высокую управляемость, маневренность и проходимость робота-шара, а также возможность перемещать дополнительный груз, размещаемый на платформе.