[发明专利]一种基于STM32单片机的球型移动机器人

说明书

本发明公开了一种基于STM32单片机的球型移动机器人，所述球型移动机器人包括球形外壳，球形外壳内上部设有用于保证整个系统稳定性的上双轮避震单元，上双轮避震单元下方设有用于调节图像传输角度的舵机云平台，舵机云平台上安装有用于采集图像信息的单目视觉相机；本发明采用Android客户端作为控制端和显示端，通过Wi‑Fi与机器人通信，将采集的视频图像实时传输至客户端，并通过客户端生成的操作指令对其进行控制；同时，该机器人使用集成32位STM芯片的单片机作为系统的控制中心，采用RAK5206场景化图传模块，进行视频图像采集，通过Wi‑Fi模组，接收客户端的操作指令，通过串口与控制中心进行通信，控制电机响应，实现相应动作。

技术领域

本发明涉及智能机器人设备技术领域，尤其涉及一种基于STM32单片机的球型移动机器人。

背景技术

球型移动机器人是上世纪90年代末出现的一种新的移动机器人机构形式。球型移动机器人的球形特征，赋予它全向移动的突出优点，能够零半径转向，空间利用率高。其具有类似不倒翁的特性，在静态和动态情况下都可以保持整个系统的稳定与平衡，且不存在失稳状态，即使是与静态或动态的障碍发生碰撞也会在经过短暂的不规则运动后恢复稳态，适合人为干预少的环境中作业。由于其内部机构都封装于球壳内部，密封性相较其他移动机器人来说好，防尘防震、结构紧凑，维护相对容易。相对其他移动机器人，其具有驱动单元较少、自由度较少和控制不是相对复杂的优点。相对于轮式和履带式移动机器人来说，其运动中球面与地面接触的面积比轮式和履带式要小的多，所以相同质量下对应接触面的摩擦阻力要小，对应能耗也要降低，效率也就提升。

由于具有以上独特优势，球型移动机器人作为全新的研究领域，具有良好的发展潜力、广泛的研究空间和应用前景。例如，在生活娱乐方面，其外形无棱角，可用于儿童教育和娱乐；工业应用方面，零半径转向和密封性好，可用于管道检测，水下实验等；国防以及空间探索方面，自我保护和环境适应能力强，可用于安全监测、任务执行等。

根据国内外的球型移动机器人的研究发现，以往的球型移动机器人把主要研究方向放在移动性能和机械构型上，而忽略了其内部相应传感器的配置和获取外界信息并进行交互的功能。目前被应用在生活中并且接近人类生活的功能性球型移动机器人相对较少。

现有国外球型机器人的发展现状，University of Sherbrooke的FrancoisMichaud和Serge Caron发明了一种球型玩具机器人，在机械结构上采用水平中轴电机驱动前后滚动，在垂直中轴下方设有垂转重心控制转动，其旨在于创造一种与孩子的交互功能，帮助自闭症的儿童。

现有国内球型机器人的发展现状，国内对于球型机器人的研究还处在初步阶段，然而已经有学者对其做了大量的分析研究，如北京航空航天大学的战强教授、西安电子科技大学的李团结教授以及北京邮电大学的孙汉旭教授等。其团队对球型机器人的研究已经从最初的机械结构设计，到中期的动力学建模与仿真，至后期控制策略研究和平台组建，研制出物理样机进行实验。完成了各种功能和需求，已经形成一个较为完善的球型机器人研究团对。例如：西安电子科技大学李团教授于2009年提出一种内驱动和外驱动相结合的球型机器人，其外驱动原理是主要来自于自然风能，风力推动球体产生移动的趋势，并兼具较好的弹性和自适应性。同时针对风力的不稳定性，内部驱动作为机器人运动的第二保证。哈尔滨工业大学于2010年提出一款微小型球型机器人，该机器人采用了重心调节和惯性力矩相结合的运动方式，提高了机器人的驱动效率和运动灵活性，并且机器人的尺寸缩小到直径50mm，质量80g，提高了机器人的隐蔽性，该机构的大小与一块硬币比较。

由上可知，球型机器人的驱动可分为两类：偏心力矩驱动和角动量驱动。现对两种驱动机制具体实现方法进行概述。1、偏心力矩驱动，偏心力矩驱动是指内部驱动单元的移动，将球体质量分布改变，产生的偏心力矩打破球体系统的平衡进而使球型机器人移动。2、角动量驱动，角动量驱动是当球型移动机器人内部转子高速旋转的时候，外部摩擦力矩相对较小，球壳由于角动量守恒原理反向旋转，通过改变其内部转子的速度和方向，可以实现其全向运动。