КОМБИНИРОВАННЫЙ СФЕРОРОБОТ

Полезная модель относится к устройствам, устанавливаемым на наземных транспортных средствах и обеспечивающим изменение положение объекта в пространстве, а именно к системам управления движением мобильных роботов шарового типа. В конструкции роботов такого типа используют различные системы приводов, при этом наиболее часто используются специальные внутренние механизмы различных типов.
Из уровня техники известен робот-шар (RU 2315686 C1, МПК B25J 9/00, B25J 11/00, опубл. 27.01.2008), 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.
Также известен робот-шар (RU 106215 U1, МПК B62D 57/00, опубл. 10.07.2011), состоящий из корпуса, выполненного в виде полого шара, содержащего внутренний каркас, соединенный с корпусом шарниром, закрепленный на внутреннем каркасе первый и второй электроприводы, при этом вал первого двигателя соединен с корпусом, а на концах вала второго электродвигателя закреплены дебалансы.
Рассмотренные выше технические решения принято относить к механизмам, обеспечивающим движение, посредством смещения центра масс внутри робота или к системам маятникового типа.
Общим недостатком устройств, реализующих такой способ перемещения, является то, что применяемые кинематические схемы снижают маневренность роботов, не позволяя им осуществлять движение по всем возможным траекториям без предварительного перемещения подвижных масс внутри сферической оболочки.
Из уровня техники известен автономный катящийся робот (US 6414457 B1, МПК B25J 5/00, опубл. 2.07.2002), 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.
Наиболее близкой по технической сущности к заявленной полезной модели признана конструкция сфероробота (RU 149882 U1, МПК B25J 5/00, опубл. 20.01.2015), содержащего полый корпус, состоящий из полусфер, каркас в виде экваториального диска, установленный в разъеме полусфер, роторные движители, установленные в окнах экваториального диска с осями вращения роторов, расположенных под углом 90° по отношению друг к другу и точкой пересечения осей движителей, находящимися на линии диаметра корпуса, расположенной перпендикулярно оси экваториального диска.
Рассмотренные технические решения относятся к инерционным типам сферических роботов. К недостатку конструкции первого из них следует отнести удаленное расположение роторов от центра масс, что увеличивает момент инерции катящегося робота. Общим недостатком роботов является их ограниченные возможности при продолжительном передвижении вверх по наклонной плоскости и преодолении глубоких впадин, вследствие малого момента импульса роторов, ограниченного мощностью применяемых двигателей.
Технической задачей заявленной полезной модели является повышение проходимости сфероробота и обеспечение возможности его длительного непрерывного движения вверх по наклонным поверхностям при одновременном сохранении быстродействия и точности маневрирования.
Указанная задача решена за счет того, что комбинированный сфероробот содержит корпус, выполненный в виде двух соединенных полусфер, при этом на внутренней поверхности одной из полусфер жестко закреплен маневровый двигатель с установленным на его роторе валом, на торце которого, перпендикулярно его продольной оси, в геометрическом центре корпуса сфероробота, закреплен стержень. При этом на стержне равноудаленно от центра вала и диаметрально противоположно друг другу установлены два главных движителя, выполненных в виде дебалансов, а на торцах стержня установлены первый и второй вспомогательные движители, выполненные в виде гироскопов.
Положительным техническим результатом, который обеспечивается раскрытыми выше конструктивными признаками сфероробота, является повышение мощности и маневренности устройства, за счет совмещения в его конструкции маятников, выполненных в виде дебалансов и вспомогательных двигателей, выполненных в виде гироскопов.
Конструкция сфероробота поясняется чертежами, где на фиг. 1 показан сфероробот в разрезе; на фиг. 2 - внешний вид движителей сфероробота базовой конфигурации в изометрии; на фиг. 3 - устройство главного движителя; на фиг. 4 - устройство вспомогательного движителя; на фиг. 5 - внешний вид движителей сфероробота максимально возможной мощности в изометрии.
Сфероробот устроен следующим образом.
Корпус 1 выполнен в виде двух соединенных полусфер 2, на внутренней поверхности одной из них жестко закреплен маневровый двигатель 3 с установленным на его роторе валом 4, на торце которого, перпендикулярно его продольной оси, в геометрическом центре корпуса сфероробота, закреплен стержень 5.
На стержне 5 равноудаленно от центра вала 4 и диаметрально противоположно друг другу, установлены два главных движителя 6 и 7, выполненных в виде дебалансов, а на торцах стержня установлены первый и второй вспомогательные движители 8 и 9, выполненные в виде гироскопов.
Каждый из главных движителей робота 6 и 7, выполненных в виде дебалансов, включает в себя двигатель с внешним ротором 10, на котором закреплено кольцо 11, поперечная ось которого совпадает с осью стержня, а в нижней части кольца размещен груз 12.
Каждый из вспомогательных движителей 8 и 9, выполненных в виде гироскопов, содержит двигатель коррекции 13 с закрепленной на его роторе рамкой 14, внутри которой на роторе двигателя основного вращения 15 установлен маховик 16, при этом ось вращения маховика перпендикулярна оси ротора двигателя коррекции. Вспомогательные движители могут также дополнительно оснащаться рамами жесткости 17.
Для дополнительного увеличения мощности сфероробота вал 4 может быть выполнен комбинированным, состоящим из двух секций. При этом первая из секций представляет собой третий вспомогательный движитель 18, а вторая - цилиндр; ротор двигателя коррекции вспомогательного движителя 18, предпочтительно, соосен ротору маневрового двигателя 3; на верхнем торце вала 4 в этом случае, вдоль его продольной оси, установлен четвертый вспомогательный движитель 19, ротор двигателя коррекции которого, предпочтительно, соосен валу 4.
Для достижения максимальной мощности в конструкции сфероробота предусмотрена возможность установки на верхнем торце вала 4, перпендикулярно стержню 5, дополнительного стержня 20, на торцах которого установлены пятый и шестой вспомогательные движители 21 и 22, оси роторов двигателей коррекции которых, предпочтительно, соосны дополнительному стержню 20.
В качестве двигателей, установленных на основных движителях робота, а также двигателей коррекции на вспомогательных, в конструкции устройства целесообразно использовать шаговые двигатели, так как они имеют известные преимущества, важные для реализации указанных узлов: фиксированный угол поворота и возможность организации системы контролируемых перемещений, высокий крутящий момент на низких оборотах, а также полная повторяемость при позиционировании и наличие момента удержания.
Двигатели же основного движения, на роторе которых установлены маховики, целесообразно выполнить асинхронными, так как для эффективности их работы важен высокий крутящий момент.
В качестве системы управления сферороботом целесообразно использовать любой известный из уровня техники микроконтроллер, имеющий в своем составе достаточное количество программируемых линий ввода-вывода, а также универсальный синхронно-асинхронный приемопередатчик для приема команд оператора.
Сфероробот работает следующим образом.
В режиме маятникового движения главные движители 6 и 7 приводят в движение совместно, с вращением их двигателей по часовой или против часовой стрелки, смещая массу грузов 12, относительно горизонтальной оси сфероробота, что обеспечивает его передвижение в прямом и обратном направлении, соответственно. Для обеспечения возможности выполнения поворотов робота вокруг своей оси при этом используют маневровый двигатель.
В режиме роторного движения грузы движителей 6 и 7, с помощью двигателей 10, приводят в диаметрально противоположное положение и удерживают их в нем. Далее с помощью двигателей коррекции 13, вращая рамки 14, устанавливают оси вращения маховиков 16 в нужное положение и включают двигатели основного движения 15.
В режиме прецессионного движения необходимо, предварительно раскрутив с помощью двигателей основного движения 15 маховики 16, начать отклонять оси их вращения с помощью рамок 14, управляя при этом двигателями коррекции 13. Во время поворота рамок 14 возникнет прецессия гироскопа, при этом создаваемый им момент сил за счет реакции опор передает движение сферороботу, в момент остановки вращения рамок прецессия прекратится. Благодаря безынерционности прецессии, последний из описанных режимов работы сфероробота применим для реализации его прецизионного маневрирования.