本實(shí)用新型涉及球型機(jī)器人，特別是一種無(wú)線充電的全封閉球型機(jī)器人。

背景技術(shù)：

從1996年第一個(gè)具有圓球外殼的球型機(jī)器人出現(xiàn)開(kāi)始，球型機(jī)器人的研究已經(jīng)開(kāi)展了20年，在此期間國(guó)內(nèi)外的眾多學(xué)者相繼提出了許多結(jié)構(gòu)，其中一種即全封閉型球型機(jī)器人。全封閉型球型機(jī)器人其內(nèi)部結(jié)構(gòu)與外部環(huán)境相分離，具有良好的封閉性，可以適應(yīng)多種環(huán)境下的工作。但是相對(duì)的，由于其特有的封閉性，球型機(jī)器人的電能供應(yīng)、數(shù)據(jù)采集等方面受到了較大的限制。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

基于上述的目標(biāo)，本發(fā)明的主要解決球型機(jī)器人的電能供應(yīng)、封閉性，同時(shí)，簡(jiǎn)化控制方式及結(jié)構(gòu)。

為了達(dá)到上述目的，本實(shí)用新型提出的技術(shù)方案為：

無(wú)線充電的全封閉球型機(jī)器人組成包括無(wú)線輸電模塊、無(wú)線受電模塊、電池管理模塊、感應(yīng)開(kāi)關(guān)模塊、電池模塊、穩(wěn)壓模塊、主控模塊、球體姿態(tài)模塊、外部控制模塊、無(wú)線通信模塊、驅(qū)動(dòng)模塊、電機(jī)模塊；其中，

無(wú)線輸電模塊，在球體外部，將外部電源的電能轉(zhuǎn)化成能量傳輸給無(wú)線受電模塊；

無(wú)線受電模塊，安裝在球體內(nèi)部，用于接收無(wú)線輸電模塊發(fā)送的能量，與電池管理模塊連接為充電提供電能；

電池管理模塊，安裝在球體內(nèi)部，接收無(wú)線受電模塊發(fā)送的能量；控制向電池模塊輸入的電流及電壓的大小，最終完成對(duì)電池充電的管理；

感應(yīng)開(kāi)關(guān)模塊，用于控制整個(gè)系統(tǒng)電路的通斷，所述開(kāi)關(guān)模塊由常閉型干簧管構(gòu)成，通過(guò)外部磁性物質(zhì)接近改變通斷狀態(tài)，連接電池模塊以及電池管理模塊；

電池模塊，安裝在球體內(nèi)部，用于提供電能；連接到5V穩(wěn)壓模塊產(chǎn)生其他模塊所需求的電能，連接到驅(qū)動(dòng)模塊提供驅(qū)動(dòng)的電能；

穩(wěn)壓模塊，安裝在球體內(nèi)部，用于將電源模塊電壓轉(zhuǎn)換為5V與3.3V電壓，為無(wú)線通信模塊、主控模塊、球體姿態(tài)模塊供電；

主控模塊，接收來(lái)自無(wú)線通信模塊的控制命令，向無(wú)線通信模塊發(fā)送查詢命令，查詢外部控制模塊是否在線；接收來(lái)自球體姿態(tài)模塊的角度、地磁數(shù)據(jù)，并將其融合，并按照融合結(jié)果生成PWM波發(fā)送給驅(qū)動(dòng)模塊，所述主控模塊為STM32F103C8T6；

球體姿態(tài)模塊，安裝在球體內(nèi)部，用于檢測(cè)球體在運(yùn)行過(guò)程中的姿態(tài)參數(shù)，包含三軸角速度、三軸加速度、地磁方向，將其融合成角度和地磁信息發(fā)送給主控模塊；

外部控制模塊，在球體外部，可為包含藍(lán)牙或者NRF24L01的設(shè)備或模塊，用于產(chǎn)生控制命令或者采集所處平面傾斜角度，通過(guò)自身的無(wú)線通信功能發(fā)送到球內(nèi)無(wú)線通信模塊；

無(wú)線通信模塊，安裝在球體內(nèi)部，用于實(shí)現(xiàn)無(wú)線通信，通過(guò)無(wú)線功能接收外部控制模塊的控制命令或所處平面的傾斜角度；接收主控模塊的查詢命令，查詢外部控制模塊或者是否在線；將傾斜角度或控制命令發(fā)送到主控模塊；

驅(qū)動(dòng)模塊，安裝在球體內(nèi)部，用于為電機(jī)提供驅(qū)動(dòng)電流，接收來(lái)自主控模塊的控制命令，向電機(jī)模塊提供驅(qū)動(dòng)電流；

綜上所述，本實(shí)用新型所述一種無(wú)線充電的全封閉球型機(jī)器人其電池模塊為系統(tǒng)提供電能；主控模塊處理相關(guān)信號(hào)，控制驅(qū)動(dòng)模塊；無(wú)線通信模塊用于實(shí)現(xiàn)無(wú)線通訊；外部控制模塊用于提供控制命令或者本模塊所處平面的角度；球體姿態(tài)模塊用于獲取球體當(dāng)前姿態(tài)；感應(yīng)開(kāi)關(guān)模塊控制整個(gè)系統(tǒng)電路的通斷；電源模塊用于為整體供電；無(wú)線輸電模塊用于實(shí)現(xiàn)無(wú)線充電能量的發(fā)送；無(wú)線受電模塊用于實(shí)現(xiàn)無(wú)線充電能量的接收；驅(qū)動(dòng)模塊用于執(zhí)行主控模塊的控制指令；電機(jī)模塊用于提供動(dòng)力。因此，本實(shí)用新型具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便的特點(diǎn)。另外，本實(shí)用新型采用的無(wú)線輸電模塊、無(wú)線受電模塊、電源管理模塊、感應(yīng)開(kāi)關(guān)模塊、電池模塊、穩(wěn)壓模塊、球體姿態(tài)模塊、無(wú)線通信模塊、外部控制模塊、主控模塊、驅(qū)動(dòng)模塊、電機(jī)模塊可靠性均較高，故本實(shí)用新型具有較高的可靠性。

附圖說(shuō)明

圖1為本實(shí)用新型機(jī)械結(jié)構(gòu)原理圖1。

圖2為本實(shí)用新型機(jī)械結(jié)構(gòu)原理圖2。

圖3為本實(shí)用新型機(jī)械結(jié)構(gòu)原理圖3。

圖4為本實(shí)用新型機(jī)械結(jié)構(gòu)原理圖4。

圖5為本實(shí)用新型機(jī)械結(jié)構(gòu)原理圖5。

圖6為本實(shí)用新型的電路工作總體流程圖。

圖7為本實(shí)用新型所述驅(qū)動(dòng)模塊的組成結(jié)構(gòu)示意圖。

圖8為本實(shí)用新型所述穩(wěn)壓模塊組的組成結(jié)構(gòu)示意圖。

圖9為本實(shí)用新型外部控制模塊的工作示意圖。

圖10為本實(shí)用新型無(wú)線通信模塊的組成結(jié)構(gòu)示意圖。

圖11為本實(shí)用新型球體姿態(tài)模塊的組成結(jié)構(gòu)示意圖。

圖12為本實(shí)用新型無(wú)線受電模塊的組成結(jié)構(gòu)示意圖。

圖13為本實(shí)用新型電源管理模塊的組成結(jié)構(gòu)示意圖。

圖14為本實(shí)用新型感應(yīng)開(kāi)關(guān)模塊的組成結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

為使本實(shí)用新型的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合附圖及具體實(shí)施方式對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步地詳細(xì)描述。

本實(shí)用新型所述球型機(jī)器人包括球殼1和設(shè)置于球殼1內(nèi)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)主體2。

請(qǐng)參閱圖1、圖2、圖3、圖4、圖5。

內(nèi)部結(jié)構(gòu)主體2設(shè)置于球殼1內(nèi)，主體包括：21主體執(zhí)行部件、22輔助部件兩部分。21包括電機(jī)組211、配重組212、平衡機(jī)構(gòu)組213、電機(jī)套組214、核心控制板215、電池216和無(wú)線充電217-1、無(wú)線開(kāi)關(guān)217-2、支撐框架組218、兩個(gè)輪子2110。22包括避震機(jī)構(gòu)221、連接及傳動(dòng)機(jī)構(gòu)萬(wàn)向輪組222。

電機(jī)組211包含主驅(qū)動(dòng)電機(jī)2111-1和2111-2為兩個(gè)輪子提供動(dòng)力和平衡飛輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)2112為兩個(gè)相同的反向旋轉(zhuǎn)的平衡飛輪提供高速動(dòng)力。

配重組212的配重塊當(dāng)主體2運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生偏移，致使主體中心偏移，配合整體中心共同為球體提供驅(qū)動(dòng)力。

平衡機(jī)構(gòu)組213包括驅(qū)動(dòng)電機(jī)2112為飛輪提供充足的動(dòng)力和平衡飛輪2131、2132用來(lái)克服重力矩保證球體的平衡及其附帶連接反向機(jī)構(gòu)齒輪2133保證兩個(gè)飛輪等速反向高速旋轉(zhuǎn)。電機(jī)套組214由2141和2142構(gòu)成，2141支撐兩個(gè)主驅(qū)動(dòng)電機(jī)2111并支撐框架組2181和核心控制板殼2182。電機(jī)套2142支撐核心控制板。支撐框架組218包含框架2181、2182、2183、2184，框架2181支撐電池216、核心控制板殼2182和框架2183，框架2183支撐三對(duì)框架2184。避震機(jī)構(gòu)221由三對(duì)相同的彈簧組成，并于框架2181活口連接，起到避震作用。連接及傳動(dòng)機(jī)構(gòu)222由三對(duì)框架2184支撐著萬(wàn)向輪組219最終完成主體和球殼的動(dòng)態(tài)連接。

對(duì)高速旋轉(zhuǎn)的飛輪平衡解釋。旋轉(zhuǎn)的陀螺角速度矢量與重力矩的乘機(jī)遵循右手螺旋定則，也就是它們的叉積垂直于兩矢量決定的平面，因此陀螺重心的運(yùn)動(dòng)也將遵循叉積的方向，簡(jiǎn)單來(lái)講就是運(yùn)動(dòng)的陀螺重心不沿重力方向運(yùn)動(dòng)。

本實(shí)用新型所述的球型機(jī)器人在通過(guò)無(wú)線控制工作時(shí)，核心控制板215控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)2111-1和2111-2正、反旋轉(zhuǎn)利用輪子2110和球殼1的摩擦力帶動(dòng)主體21、22偏移，主體的偏移導(dǎo)致內(nèi)部結(jié)構(gòu)主體21重心發(fā)生變化進(jìn)而使球型機(jī)器人前進(jìn)和后退；核心控制板215控制平衡驅(qū)動(dòng)電機(jī)2112隨傾角的增加轉(zhuǎn)速增加維持主體的平衡；核心控制板215通過(guò)分別控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)2111-1和2111-2而實(shí)現(xiàn)零角度轉(zhuǎn)彎；具體通過(guò)外部控制模塊發(fā)送的指令實(shí)現(xiàn)理想的運(yùn)動(dòng)。

圖6為本實(shí)用新型所述電路工作總體流程圖。如圖6所示，外部控制模塊9將外部控制模塊所在平面的角度或者控制命令通過(guò)無(wú)線通信模塊8發(fā)送到主控模塊10，主控模塊將角度或控制命令處理后生成的PWM波發(fā)送給驅(qū)動(dòng)模塊12來(lái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)13使球型機(jī)器人運(yùn)動(dòng)，電池模塊5通過(guò)5V穩(wěn)壓模塊6與3.3V穩(wěn)壓模塊7分別為球體姿態(tài)模塊11、無(wú)線通信模塊8進(jìn)行供電，無(wú)線輸電模塊1為無(wú)線受電模塊2提供電能，經(jīng)電池管理模塊3為電池模塊5進(jìn)行充電，感應(yīng)開(kāi)關(guān)模塊4控制電池通斷的狀態(tài)。

圖7為本實(shí)用新型所述驅(qū)動(dòng)模塊的組成結(jié)構(gòu)示意圖。如圖7所示，驅(qū)動(dòng)模塊的任務(wù)是驅(qū)動(dòng)兩只電機(jī)，一只驅(qū)動(dòng)模塊負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)一只電機(jī)，以兩片驅(qū)動(dòng)芯片為核心組成。由于每個(gè)驅(qū)動(dòng)芯片的驅(qū)動(dòng)方式完全相同，故本圖只說(shuō)明其中一個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的原理圖。驅(qū)動(dòng)芯片的PWM輸入端125、PWM輸入端127以及使能端122直接與主控模塊的101、102、103端口相連，輸出端126與輸出端129分別與電機(jī)13的131、132相連，控制電機(jī)13正反轉(zhuǎn)。驅(qū)動(dòng)芯片的芯片電源端接5V電源、驅(qū)動(dòng)電源端接7.2V電源，地端接地。

圖8為本實(shí)用新型所述穩(wěn)壓模塊組的組成結(jié)構(gòu)示意圖。如圖8所示，穩(wěn)壓模塊組包括3.3V穩(wěn)壓模塊7和5V穩(wěn)壓模塊6，其中3.3V穩(wěn)壓模塊7包括3.3V穩(wěn)壓芯片、電容C₁、電容C₂、電容C₃和電容C₄。穩(wěn)壓芯片的輸入端與電容C₁、C₂一端相連并連接7.2V電壓，電容C₁、C₂的另一端接地；同樣穩(wěn)壓芯片的輸出端與電容C₃、C₄一端相連并連接5V電壓，電容C₃、C₄的另一端接地。其中5V穩(wěn)壓模塊6包括5V穩(wěn)壓芯片、電容C₅、電容C₆、電容C₇和電容C₈，其電路連接方式與3.3V穩(wěn)壓模塊7的連接方式相同。

圖9為本實(shí)用新型外部控制模塊的工作示意圖。如圖9所示，外部姿態(tài)模塊91可以將當(dāng)前外部控制模塊所在平面的角度，無(wú)線通信模塊8可以與無(wú)線通訊模塊92進(jìn)行數(shù)據(jù)的相互傳輸，無(wú)線通訊模塊92可以與外部姿態(tài)模塊91進(jìn)行信號(hào)的傳輸，人為輸入93生成控制命令94傳輸?shù)綗o(wú)線通信模塊92，從而達(dá)到了外部控制模塊發(fā)送角度或控制命令的功能。

圖10為本實(shí)用新型無(wú)線通信模塊的組成結(jié)構(gòu)示意圖。如圖10所示，無(wú)線通信模塊包括無(wú)線通信模塊81，由集成無(wú)線芯片組成。無(wú)線芯片81的接收端812與發(fā)送端811分別與主控模塊10的端口104、105連接，可以相互通信；電源端811接5V電壓，地端815接地；信號(hào)端814與外部設(shè)備的信號(hào)端相連接；外部設(shè)備需要支持通過(guò)藍(lán)牙或NRF24L01傳輸數(shù)據(jù)，但是對(duì)外部設(shè)備類型沒(méi)有固定的要求。

圖11為本實(shí)用新型球體姿態(tài)模塊的組成結(jié)構(gòu)示意圖。如圖11所示，球體姿態(tài)模塊由集成傳感器芯片組成，傳感器芯片的電源端112與地端114分別接5V與地；數(shù)據(jù)端115與主控模塊10的數(shù)據(jù)端107連接，時(shí)鐘端113與主控模塊10的時(shí)鐘端106連接；主控模塊10向傳感器芯片發(fā)送時(shí)鐘信號(hào)，球體姿態(tài)模塊定時(shí)將數(shù)據(jù)信息傳輸給主控模塊，由主控模塊處理數(shù)據(jù)并執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作以達(dá)到傳感器的檢測(cè)效果。

圖12為本實(shí)用新型無(wú)線受電模塊的組成結(jié)構(gòu)示意圖。如圖12所示，無(wú)線受電模塊由球殼內(nèi)部的接收端感應(yīng)線圈201和電源整流模塊202構(gòu)成。無(wú)線輸電模塊1將能量送入無(wú)線受電模塊2內(nèi)的接收感應(yīng)線圈201，接收感應(yīng)線圈201經(jīng)過(guò)電源整流模塊202整流，最后通過(guò)整流送入電池管理模塊3。借此來(lái)達(dá)到無(wú)線充電的功能。

圖13為本實(shí)用新型電源管理模塊的組成結(jié)構(gòu)示意圖，如圖13所示，集成芯片電池管理芯片3是電池管理模塊的主要部分，電池管理芯片的輸入電源端31與地端34分別無(wú)線受電模塊2的輸出203與地端204，電池檢測(cè)端32接電池正極51，以檢測(cè)當(dāng)前的電池狀態(tài)，控制電池充放電；輸出電源33與感應(yīng)開(kāi)關(guān)模塊4相連接；感應(yīng)開(kāi)關(guān)模塊4的輸出電源41與電池5的正極51相連接，地端43與電池5的負(fù)極52相連接，從而達(dá)到管理電池充電狀態(tài)的功能。

圖14為本實(shí)用新型感應(yīng)開(kāi)關(guān)模塊的組成結(jié)構(gòu)示意圖。如圖14所示，感應(yīng)開(kāi)關(guān)由磁鐵41和球內(nèi)部的干簧管42構(gòu)成。通過(guò)磁鐵的磁力，將干簧管分合，達(dá)到分合電池管理模塊3和電池模塊5的聯(lián)系的目的，從而進(jìn)行電源的分合以及對(duì)整體供電的控制。

綜上所述，以上僅為本實(shí)用新型較佳實(shí)施方式而已，并非限于本實(shí)用新型的保護(hù)范圍。凡在本實(shí)用新型精神和方案基礎(chǔ)上所做的任何修改和改進(jìn)等，都應(yīng)包含在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。