СФЕРОРОБОТ С КОМБИНИРОВАННЫМ ПРИВОДОМ

Полезная модель относится к лабораторным комплексам для исследования мобильных роботов с элементами качения и может применяться для изучения современных алгоритмов управления такими устройствами.
Из уровня техники известен робот-шар (RU 2315686 C2, 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, содержащий внутренний каркас, соединенный с корпусом шарниром, закрепленный на внутреннем каркасе первый электропривод, вал которого соединен с корпусом, также на каркасе закреплен второй электропривод, на обоих концах сквозного вала которого закреплены дебалансы.
Недостатком известных технических решений является то, что используемые кинематические схемы снижают быстродействие роботов, не позволяя им осуществлять все многообразие возможных направлений и траекторий движения, а также двигаться в любом заданном направлении без дополнительных (предварительных) перемещений подвижных масс внутри сферической оболочки.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемой полезной модели и выбранным в качестве прототипа признан дистанционно управляемый катящийся робот (US 6414457 B1, МПК А63Н 33/00, B25J 5/00, опубл. 2.06.2002). Устройство содержит 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. 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.
Технической задачей, на решение которой направлена заявленная полезная модель, является расширение функциональных возможностей сфероробота и обеспечение эффективности его применения при проведении лабораторных работ и практических занятий по робототехнике для изучения современных алгоритмов управления мобильными робототехническими системами, в том числе перемещающихся по поверхности совершающей малые периодические колебания.
Указанная задача решена тем, что сфероробот с комбинированным приводом содержит подвеску, заключенную в две полусферы, которые жестко соединены между собой стяжкой, установленной в опоры, которые посредством винтов закреплены на подвеске. Отличает устройство от ближайших аналогов то, что подвеска выполнена с возможностью вращения относительно стяжки и снабжена шестернями, связанными зубчатыми передачами с шестернями, установленными на валах первого и второго синхронизированных двигателей. Подвеска снабжена 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. Дополнительно на подвеске закреплен блок управления с блоком аккумуляторных батарей, выполненный на основе микроконтроллера, силовые выходы которого подключены к синхронизированным двигателям.
Положительным техническим результатом, обеспечиваемым раскрытой выше совокупностью конструктивных признаков, является значительное расширение функциональности устройства, за счет применения подвески и синхронизированных двигателей, обеспечивающих вращение сферы как вокруг горизонтальной, так и вертикальной осей, что обеспечивает возможность его движения по любой траектории и делает предложенное техническое решение эффективным в обучении при изучении алгоритмов управления робототехническими системами и методов разработки управляющих программ для них. Данная конструкция позволяет реализовать малые периодические колебания ротора или маятника, обеспечивая стабилизацию движения сферического робота.
Конструкция устройства поясняется чертежами, где на фиг. 1 показан внешний вид устройства в изометрической проекции без аккумулятора и электронного блока управления с отсеченной подвеской; на фиг. 2 показан внешний вид устройства в изометрической проекции; на фиг. 3 показан эскиз подвески; на фиг. 4 показан эскиз ротора; на фиг. 5 показан эскиз опоры; на фиг. 6 показан эскиз стяжки.
Сфероробот с комбинированным приводом устроен следующим образом.
Основой робота является подвеска 1, к которой крепятся основные части устройства. Подвеска заключена в две полусферы 2, которые жестко соединены между собой стяжкой 3, установленной в опоры 4, которые посредством винтов 5 закреплены на подвеске 1. При этом подвеска выполнена с возможностью вращения относительно стяжки 3 и снабжена шестернями 6, связанными зубчатыми передачами с шестернями, установленными на валах первого и второго синхронизированных двигателей 7. Подвеска 1 снабжена ротором 8 с внутренним венцом зубчатого зацепления 9, подвешенным на оси 10, закрепленной консольно в подвеске 1. Венец 9 связан зубчатой передачей с шестернями 11, установленными на валах третьего и четвертого синхронизированных двигателей 12, закрепленных на подвеске 1. Дополнительно на подвеске закреплен блок управления 13 с блоком аккумуляторных батарей 14, выполненный на основе микроконтроллера, силовые выходы которого подключены к синхронизированным двигателям 7 и 12. Полусферы 1 соединены между собой стяжкой 3 с помощью гаек 15, зубчатый венец внутреннего зацепления 9 закреплен в роторе 8 с помощью винтов 16, а питание двигателей 7, 10 и блока управления 13 осуществляется от аккумуляторов 14.
Блок управления 13 установлен в пластиковом корпусе, закрепленном на подвеске, и выполнен в виде микропроцессорного устройства, построенного на основе микроконтроллера, содержащего микропроцессорное ядро, соединенное с помощью системной шины с FLASH-памятью программ, SRAM-памятью данных, энергонезависимой электрически перепрограммируемой памятью EEPROM, универсальными восьмиразрядными двунаправленными портами ввода-вывода и универсальным синхронно-асинхронным приемопередатчиком USART. При этом порты ввода-вывода подключены к силовым выходам блока управления, а универсальный синхронно-асинхронный приемопередатчик USART подключен к модулю беспроводной связи.
1
1
В качестве микроконтроллера целесообразно использовать микросхему STM32F103CBT6, построенную на высокопроизводительном ядре STM32, имеющую широкий набор периферийных устройств и специально предназначенную для средних и высокопроизводительных малопотребляющих аппаратно-программных приложений(STM32F103CBT6, Микроконтроллер 32-Бит, Cortex-М3, 72МГц, 128КБ Flash, USB, CAN, [LQFP-48] // ChipDip.ru URL: https://www.chipdip.ru/product/stm32f103cbt6 (дата обращения: 29.04.2019).).
Сфероробот с комбинированным приводом работает следующим образом.
С помощью JTAG-программатора управляющую программу записывают во FLASH-память программ микроконтроллера блока управления 13, затем подвеску 1 закрывают полусферами 2. После чего устройство может работать в двух режимах. Первый из них подразумевает полностью автономное движение по траектории, загруженной в энергонезависимую электрически перепрограммируемую память микроконтроллера и реализуемую управляющей программой, хранящейся во FLASH-памяти программ. Второй подразумевает прием и выполнение управляющих команд, корректирующих его движение с помощью модуля беспроводной связи. При выполнении управляющей программы микропроцессорным ядром микроконтроллера система управления роботом обеспечивает выполнение малых периодических колебаний ротора и маятника, образованного стяжкой с установленными на ней узлами, для стабилизации его движения.
Движение сфероробота осуществляется за счет вращения подвески 1 относительно стяжки 3. Вращение подвеске 1 относительно стяжки 3 передается от двух синхронизированных двигателей 7 за счет зубчатых передач связывающих шестерни 6 и шестерни, установленные на валах первого и второго синхронизированных двигателей 7. Поворот робота вокруг вертикальной оси осуществляется за счет поворота ротора 8, при этом его вращение относительно подвески 1 осуществляется за счет двух синхронизированных двигателей 12 через шестерни 11 и зубчатый венец внутреннего зацепления 9.
Таким образом, рассмотренный в настоящей заявке мобильный робот является недорогим конфигурируемым устройством, которое можно эффективно применять при проведении практических занятий, изучая как алгоритмы управления робототехническими системами, так и методы их реализации на языке ассемблера микроконтроллеров семейства STM32 или на языке С.