Маневрирующий сфероробот

Полезная модель относится к манипуляторам, смонтированным на тележках, при этом под понятием «манипулятор» понимается устройство для выполнения перемещения и изменения ориентации робота с программным управлением, корпус которого выполнен, преимущественно, в виде сферы.
Из уровня техники известен дистанционно управляемый катящийся робот (US 6414457 B1, МПК А63Н 33/00, B25J 5/00, опубл. 2.06.2002). Робот выполнен в виде полой сферы, имеющей 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 робота являются отсутствие узла автономного управления и недостаточная маневренность, обусловленная 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.
Наиболее близким техническим решением к заявленной полезной модели и выбранным в качестве прототипа признан сфероробот с комбинированным приводом (RU 197028 U1, МПК B25J 5/00, B25J 9/00, опубл. 25.03.2020]. Робот содержит подвеску, заключенную в две полусферы, которые жестко соединены между собой стяжкой, установленной в опоры, которые посредством винтов закреплены на подвеске. Подвеска выполнена с возможностью вращения относительно стяжки и снабжена шестернями, связанными зубчатыми передачами с шестернями, установленными на валах первого и второго синхронизированных двигателей, и ротором с внутренним венцом зубчатого зацепления, подвешенным на оси, закрепленной консольно в подвеске, при этом упомянутый венец связан зубчатой передачей с шестернями, установленными на валах третьего и четвертого синхронизированных двигателей, закрепленных на подвеске, причем дополнительно на подвеске закреплен блок управления с блоком аккумуляторных батарей, выполненный на основе микроконтроллера, силовые выходы которого подключены к синхронизированным двигателям.
Недостатком известного робота является то, что две полусферы его корпуса жестко соединены между собой стяжкой, что не позволяет использовать форму корпуса робота, отличную от формы шара, что значительно ограничивает его маневренность.
Технической задачей, на решение которой направлена заявленная полезная модель, является повышение маневренности сфероробота.
Указанная задача решена тем, что маневрирующий сфероробот содержит жесткий, пустотелый герметичный корпус, выполненный из двух одинаковых полуоболочек, соединенных в экваториальной плоскости с помощью кольца, в котором выполнен круговой желоб, представляющий собой направляющую для роликов подвижной в радиальном направлении каретки, снабженных зубчатыми колесами, находящихся в зацеплении с зубчатыми колесами, установленными на валах первого и второго приводов. На верхней части каретки закреплена стойка, на верхнем торце которой на вилке установлен упорный ролик, контактирующий с желобом. На стойке соосно с ней установлен приводной маховик, выполненный заодно с коронной шестерней, находящейся в зацеплении с сателлитовой шестерней, установленной на валу третьего привода. На боковых поверхностях каретки закреплены ячейки с размещенными в них элементами питания и блоком управления, силовые выходы которого подключены к приводам.
Положительным техническим результатом, обеспечиваемым раскрытой выше совокупностью признаков устройства, является повышение маневренности робота за счет применения в его конструкции каретки с приводными роликами, обеспечивающими возможность движения в прямом направлении, стойки с упорным роликом, обеспечивающей надежное удержание роликов каретки в желобе, маховика, создающего крутящий момент, вызывающий перекатывание сферической оболочки, и блока управления, обеспечивающего программное управление движением робота.
Полезная модель поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлен внешний вид сфероробота со снятой полуоболочкой в изометрической проекции; на фиг. 2 представлен сфероробот в сборе.
Мобильный сфероробот имеет следующую конструкцию.
Его основой является жесткий, пустотелый герметичный корпус, выполненный из двух одинаковых полуоболочек 1, соединенных в экваториальной плоскости с помощью кольца, в котором выполнен круговой желоб 2, представляющий собой направляющую для роликов 3 подвижной в радиальном направлении каретки 4, снабженных зубчатыми колесами, находящихся в зацеплении с зубчатыми колесами, установленными на валах первого и второго приводов 5. На верхней части каретки 4 закреплена стойка 6, на верхнем торце которой на вилке установлен упорный ролик 7, контактирующий с желобом 2. На стойке 6 соосно с ней установлен приводной маховик 8, выполненный заодно с коронной шестерней, находящейся в зацеплении с сателлитовой шестерней, установленной на валу третьего привода 9. На боковых поверхностях каретки 4 закреплены ячейки 10 с размещенными в них элементами питания 11 и блоком управления 12, силовые выходы которого подключены к приводам 5 и 9.
Блок управления выполнен на основе микропроцессорного устройства, например построенного на основе микроконтроллера, снабженного модулем датчиков угловой скорости и углового ускорения для управления сферическим роботом и стабилизации его движения.
Корпус сфероробота представляет собой эллипсоид вращения, причем его наибольший радиус может быть много больше меньшего радиуса, блок управления 12 может быть дополнительно снабжен модулем беспроводной связи, представляющим собой радиомодуль или Bluetooth-модуль, а приводы 5 и 9 представляют собой электродвигатели, снабженные редукторами.
Маневрирующий сфероробот работает следующим образом.
В исходном (неподвижном] положении каретка 4 вместе с маховиком 8, вследствие действия силы тяжести принимает нижнее, равновесное положение, в котором центр масс каретки 4 и маховика 8 расположен по вертикали, проходящей через геометрический центр механической системы, включающей все элементы сферического робота. Упорный ролик 7 через стойку 6 и вилку создает усилие прижима каретки 4 через приводные ролики 3 к желобу 2, благодаря чему каретка удерживается в желобе, при этом и создается сила трения, необходимая для перемещения каретки 4 по желобу 2.
При работе устройства для осуществления движения (перекатывания) на приводные ролики 3, находящиеся в контакте с ободом 2, от первого и второго приводов 5 передается вращение, согласованное по скорости и направлению. На ролики 3, оси которых установлены в корпусе каретки 4 на подшипниковых опорах, вращение передается от валов электродвигателей приводов 5 через редукторы и зубчатые передачи. На валу каждого привода 5 предварительно устанавливают датчики угловых скоростей для измерения угловых скоростей и поддержания заданной угловой скорости вращения роликов 3 с помощью программно-аппаратной системы автоматического регулирования, реализованной на основе блока управления 12.
Вращение роликов 3, осуществляемое блоком управления 12 путем подачи управляющих импульсов через силовые выходы на приводы 5, приводит каретку 4 вместе с маховиком 8 в движение вдоль желоба 2, обеспечивая смещение центра масс робота из равновесного состояния. Смещение центра масс каретки 4 и маховика 8 относительно вертикали, проходящей через геометрический центр корпуса, создает крутящий момент, вызывающий движение (перекатывание) сферической оболочки робота; при неработающем маховике 8 движение происходит в прямом направлении.
Для изменения направления движения через силовой выход блока управления 12 подаются управляющие импульсы на электродвигатель привода 9, что обеспечивает активацию маховика 8, вращение которого создает кинетический (крутящий) момент, который через каретку 4, приводные ролики 3 и желоб 2 передается на корпус устройства (сферическую оболочку). Корпус, воспринимая момент, осуществляет поворот в сторону, противоположную вращению маховика 8. Поворот может осуществляться как во время перемещения (перекатывания) вдоль прямой, так и при нахождении робота в неподвижном состоянии. Для измерения скорости вращения маховика 8 на валу привода 9 также как и на валах приводов 5 установлен датчик угловой скорости вращения, что позволяет осуществлять поддержание заданной скорости вращения маховика с помощью программно-аппаратной системы автоматического регулирования, реализованной на основе блока управления 12.
Управляющая программа блока управления 12, реализующая алгоритмы автоматического управления приводами робота может храниться во FLASH-памяти программ, в случае, если микропроцессорное устройство блока управления 12 выполнено на основе микроконтроллера. Для буферизации команд и данных, поступающих от датчиков, может использоваться SRAM-память данных микроконтроллера, а управляющие команды могут храниться в его энергонезависимой электрически перепрограммируемой памяти EEPROM или приниматься с помощью радиомодуля или Bluetooth-модуля от удаленного внешнего пульта управления, при этом упомянутые выше датчики подключают к модулю датчиков угловой скорости и углового ускорения, который может представлять собой линии многоканального аналого-цифрового преобразователя, микроконтроллера, снабженные операционными усилителями.
Таким образом, рассмотренный в настоящей заявке сферический робот, является маневренным высокотехнологичным устройством, которое может найти применение для мониторинга окружающей среды, патрулирования или в качестве лабораторной установки для изучения современных алгоритмов управления мобильными роботами с элементами качения.