CN201189913Y - 球形机器人全方位运动简化机构 - Google Patents

Abstract

本球形机器人全方位运动简化机构，涉及球形机器人技术领域。其行走驱动装置包括：处于竖直状态的半圆架(5)，其两端水平固连一对过球心的短轴(3)，短轴经轴承与球壳形成转动幅；半圆架的下方固连一个直线行走机构，该机构由行走电机(6)、主轮(7)、配重(8)组成，主轮在行走电机的驱动下沿球壳内侧滚动，推动球体直线运动；半圆架的上方有转向控制机构，该机构由水平杆(10)和位于水平杆上的质量小车(11)组成，质量小车在其内部电机的驱动下沿水平杆左右运动，使球体重心左右偏移，从而实现球形机器人的转向控制。本实用新型结构简单，控制方便，运动灵活，稳定性好，具有全方位运动和搭载附件的能力。

Description

球形机器人全方位运动简化机构

技术领域

本发明涉及一种球形机器人全方位运动简化机构，属于机电一体化技术领域。可用于环境探测、设备诊断、军事侦查、外星探险、家庭娱乐等领域。

背景技术

球形机器人是一种具有球形外壳、运动方式为滚动的智能机器人。它既具有像轮式移动机器人的快速行走能力，又能像腿式机器人一样，在不平整的复杂地形中运动，并且运动连续性强，具有良好的方向可控性，是一种十分理想的运动载体，因此逐渐成为国内外智能机器人研究领域的热点之一。

1996年由Halme等人提一种在球壳内设置了一个驱动轮，由电机驱动其在球壳内滚动，通过改变球体的重心实现机器人直线运动的球形机器人方案(参见《Motion Control of A Spherical Mobile robot》，Proceedings of AMC’96-MIE，IEEE，1996：259-264)，其缺点是不能改变运动方向；2000年美国Bhattacharya等人设计的一种球形机器人(参见《Design，Experiments and Motion Planning of aSpherical Rolling Robot》，Proceeding of the 2000 IEEE International Conference onRobotics&Automation San Francisco，CA.April 2000)，在球壳内部过球心的平面上设置了一对相互垂直的电机，分别控制一个独立的转盘，通过改变电机的速度实现球体的全向滚动。Roball是Francois Michaud等人提出的一种球形机器人方案(参见《Autonomous Spherical Mobile Robot for Child Development Studies》，IEEETransactions on Systems，Man，and Cybernetics，35(4)：1-10；相近的国内专利号为01241360.7的实用新型《球形机器人》)，它在过球心的主轴上悬挂重物，通过安装在主轴上的电机驱动球壳作直线前后运动，通过驱动重物左右偏移使球体左右倾转以实现机器人转向。该方案控制简单，但两个电机必须分别克服球壳的转动惯量和重物的转动惯量，因而对电机力矩等要求较高；同时，由于电机全部安装在主轴上，传动机构相对复杂，在同等质量下球体重心较高。

在国内，专利号为99253709.6的实用新型《自主球形机器人》，通过一部直流伺服电机传动改变质量块的位置产生重力矩驱动球体向前滚动，通过另一部直流伺服电机调整滑块的位置实现平衡和转弯。该方案存在飞轮，启动耗能大，并且重心较高，稳定性不足。还有专利号为02128933.6的《改进的球形机器人全方位行走装置》，在球壳内有一圆环，两头伸出两根支撑短轴，圆环上有一电机通过齿轮啮合带动圆环与球壳作相对滚动；圆环内与短轴垂直的方向上放置一根长轴，长轴中心设有配重块，圆环上另一电机通过齿轮啮合驱动球壳与配重块作绕长轴的相对滚动。该方案结构较复杂、重心较高，难以在外部搭载附属件，充电与维护等工作存在难度。

总体看来，现有的球形机器人方案各有千秋，但大都存在着结构复杂、工程实现较难、实用性较低的不足。特别是，有些装置的转向运动与前进运动耦合，使得球体内部驱动机构的状态或姿态不确定，加大了控制难度；球体重心较高，使得爬坡与越障能力不足；无外部固定接口或不能在球壳外搭载附件，造成充电与维护困难，并限制各种环境探测传感器或机械手的有效使用，降低了球形机器人的实用性。上述问题在很大程度上限制了球形机器人的推广应用。

发明内容

本发明的目的是：提出一种结构简化、控制方便、稳定性好、实用性强、具有良好的抗振动和抗冲击性能，且能全方位运动、可在球壳外搭载附件的球形机器人结构方案，克服现有方案的不足。

本发明的技术解决方案是：球形机器人全方位运动简化机构，由球壳及其内部的行走驱动装置组成。其中，行走驱动装置包括处于竖直状态的半圆架，其两端水平固连一对过球心的短轴，短轴经轴承与球壳形成转动幅；半圆架的下方固连一个直线行走机构，该机构由行走电机、主轮和配重组成，主轮在行走电机的驱动下沿球壳内侧滚动，使球体重心前后移动从而推动球体直线运动；半圆架的上方有转向控制机构，该机构由水平杆和位于其上的质量小车组成，质量小车在其内部电机的驱动下沿水平杆左右运动，使球体重心左右偏移，引起球体左右倾转从而实现球形机器人的转向控制。

该方案的优点是：

1)结构简单，成本较低，易于实现；

2)重心始终处于球体的下方，系统稳定性好、响应速度快，可实现爬坡、坡面上定点静止等特殊运动模式；

3)两个电机分别控制球体的直线运动和转向运动，控制方式解耦，实现了球形机器人全方位运动和小半径转向；同时，主轮与小车驱动方式对电机扭矩等特性的要求降低，易于电机选型；

4)直线行走机构和质量小车内部分别设有调节主轮与球壳、质量小车与水平杆接触力的压力调节器，可有效改善球形机器人的运动抗振性；

5)质量小车或直线电机的运动范围限于半圆架，因而所有电气部件之间的连线不会出现缠绕情况，无需借助电气滑环，有利于集中统一控制；

6)空心短轴伸出球壳时可搭载附件(用于装载摄像头、各种姿态或环境传感器、天线、电池、充电接口、配重等)，从而提高球形机器人的实用价值；

7)当在球壳外部包裹轻质的冲气密封材料时，球壳外径变大，可提高球形机器人水面行走能力和抗冲击性能。

附图说明

图1是本发明的一个实施例1的整体结构前视示意图。

图2为实施例1的整体结构俯视示意图。

图中标记名称：1、球壳，2、基座，3、短轴，4、轴承，5、半圆架，6、行走电机，7、主轮，8、配重，9、附件，10、水平杆，11、质量小车。

具体实施方式

如图1、图2所示，本发明的实施例1是：球形机器人全方位运动简化机构，由球壳1及其内部的行走驱动装置组成。其中行走驱动装置包括处于竖直状态的半圆架5，其两端水平固连一对过球心的短轴3，短轴3经轴承4与球壳1形成转动幅；所述半圆架5的下方固连一个直线行走机构，该机构由行走电机6、主轮7和配重8组成，主轮7在行走电机6的驱动下沿球壳1内侧滚动，使球体重心前后移动从而推动球体直线运动；所述半圆架5的上方有转向控制机构，该机构由水平杆10和位于其上的质量小车11组成，质量小车11在其内部电机的驱动下沿水平杆10左右运动，使球体重心左右偏移，从而实现球形机器人的转向控制。

在该实施例中，主轮7与球壳1之间、质量小车11与水平杆10之间分别呈轮式接触或齿式啮合。为防止脱落，质量小车11与水平杆10之间构成包裹式等防脱落约束，并且质量小车11内部设有压力调节器，以保证质量小车11在水平杆10上运动时具有合适的接触力。

如图1、图2所示，本发明的实施例2是：直线行走机构同实施例1，但转向控制机构中的水平杆10为丝杆，质量小车11为直线电机。

在本发明的所有实施例中，配重8可以是电池、电路板等。

此外，直线行走机构内部设有压力调节器，以保证主轮7在球壳1内滚动时具有合适的接触力。

此外，两根短轴3可为空心并伸出球壳，以固连或悬挂的方式搭载附件9(用于装载摄像头、传感器、机械手、天线、电池、配重及扩展接口等)。

此外，球壳1外部可包裹轻质的冲气密封材料，使球壳外径增大，从而提高球形机器人水面行走能力和抗冲击性能。

Claims (7)

1、一种球形机器人全方位运动简化机构，由球壳(1)及其内部的行走驱动装置组成，其特征在于：行走驱动装置包括处于竖直状态的半圆架(5)，其两端水平固连一对过球心的短轴(3)，短轴(3)经轴承(4)与球壳(1)形成转动幅；所述半圆架(5)的下方固连一个直线行走机构，该机构由行走电机(6)、主轮(7)和配重(8)组成，主轮(7)在行走电机(6)的驱动下沿球壳(1)内侧滚动，使球体重心前后移动从而推动球体直线运动；所述半圆架(5)的上方有转向控制机构，该机构由水平杆(10)和位于其上的质量小车(11)组成，质量小车(11)在其内部电机的驱动下沿水平杆(10)左右运动，使球体重心左右偏移，引起球体左右倾转从而实现球形机器人的转向控制。

2、根据权利要求1所述的球形机器人全方位运动简化机构，其特征在于：所述直线行走机构含有调节主轮(7)与球壳(1)接触力的压力调节器。

3、根据权利要求1所述的球形机器人全方位运动简化机构，其特征在于：所述质量小车(11)与水平杆(10)之间构成防脱落约束；

4、根据权利要求1或3所述的球形机器人全方位运动简化机构，其特征在于：所述质量小车(11)含有调节其与水平杆(10)接触力的压力调节器。

5、根据权利要求1所述的球形机器人全方位运动简化机构，其特征在于：所述水平杆(10)为丝杆，所述质量小车(11)为直线电机。

6、根据权利要求1所述的球形机器人全方位运动简化机构，其特征在于：所述短轴(3)为空心并伸出球壳(1)以搭载附件(9)。

7、根据权利要求1所述的球形机器人全方位运动简化机构，其特征在于：所述球壳(1)外部包裹轻质的冲气密封材料或减振材料。

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