CN102602468B - 一种双摆幅全方位运动球形机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双摆幅全方位运动球形机器人，包括球壳和位于球壳内部的行走传动机构；行走传动机构包括半圆环和质量小车，质量小车设置于所述半圆环上；半圆环的两端部延半圆环直径方向设有向外侧伸出的两根支撑短轴，该两根支撑短轴分别通过轴承承载在球壳内侧的通过球壳球心轴线的两个基座上；在球壳一侧的一基座上固设有行走电机，该行走电机的电机轴上设有齿轮A；一根支撑短轴上固设有与所述行走电机电机轴上所设齿轮A相匹配的齿轮B，且齿轮A与齿轮B啮合在一起并带动齿轮B转动；另一根支撑短轴上设有配重块。本发明结构新颖、控制简单、稳定性好、具有良好的抗震动和抗冲击性能，且能全方位运动。

Description

一种双摆幅全方位运动球形机器人

技术领域

本发明涉及一种适用于潮湿、多尘和崎岖复杂及狭窄空间作业的双摆幅全方位运动球形机器人。

背景技术

球形机器人（spherical robot）是一种新型的外壳为球形的机器人，是指一类将运动执行机构、传感控制器、能源装置安装在一个球形壳体内的***的总称。其运动方式以滚动为主。它既能像轮式机器人那样快速行走，又能像足式机器人一样再复杂地形中运动。是一个良好的运动载体。

按特征来分，主要有两类：一类是由内部独立的移动装置来驱动球壳运动。例如：Halme等研制的第一台具有真正意义的球形机器人（参见HameA,Schonbeng T,Yan W.Motion control of a spherical mobile robot[A]. 4H IEEE International Workshop on Advanced Motion Control[C],Japan,1996），该机构的运动原理是通过内部驱动单元DU（inside drive unit）的运动来改变***的重心，实现球体的滚动；Ferriere等人用轮驱动球壳（参见Ferriere L,Raucent B, Campion G Design of omnimobile robotwheels[A].Proceedings of the 1996 IEEE International Conference on Robotics and Automation [C], Monnesota,1996），Bicchi将驱动设计成一个小车，实现了球形机器人的运动（参见BicchiA,BallucchiA,PrattichizzoD,etal Introducing the shherical an experimental testbed for resrarch and teaching in nonholonmy [A] .Proceedings of the 1997 IEEE International Conference on Robot and Automation[C],NewMexico,1997）。

另一类是通过改变***的重心，产生偏心力矩驱动球壳运动。Mukherjee将一种配重沿着辐条运动改变重心位置的球形机器人（参见Bhattacharya S,Agrawal S K Design,experiments and motion planning of a spherical rolling robat[A].Proceedings of the 2000 IEEE  International Conference on Robotics and  Automation [C] , SanFranci sco,2000）；Javadi将球壳固联了成四面体分布的4根支柱杆，通过改变支柱杆上配重位置来驱动***的运动（参见JavadiA,Mojabi P.Introducing august a novel stategy for an ommidirectioncal spherical rolling roboe[A].Proceedings of the 2002 IEEE Internationcal Conference on Robotics and Automat ion[C]. WashingtonDC,2002）。此外，还有很多学者在驱动机构的设计、运动学动力学分析和控制策略等方面做了很多研究工作。在国内，北京航空航天大学、北京邮电大学、哈尔滨工业大学、西安电子科技大学和上海交通大学等，设计了一些结构新颖的球形机器人，并进行看理论和硬件实现工作。

中国专利申请号为200510011953.9的《全方位运动球形机器人》，在球壳内部有一个不与球壳内部固连的运动机构，它通过独轮滚动装置在球壳内滚动，推动球体作直线运动，通过改变独轮滚动装置相对支撑机构的朝向来实现机器人的全方位运动。

中国专利专利号为02128933.6的《改进的球形机器人全方位行走装置》，在球壳内有益圆环，两头伸出两根支撑轴，圆环上有一电机通过齿轮啮合带动圆环与球壳做相对滚动；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。

从总体看来，现有的球形机器人方案大多存在着结构复杂、工程实现较难、实用性较低的不足；控制难度大。上述问题在很大程度上限制看球形机器人的推广应用。

发明内容

本发明的目的在于改进现有技术的缺陷，而提供一种双摆幅全方位运动球形机器人。该球形机器人结构新颖、控制简单、稳定性好、具有良好的抗震动和抗冲击性能，且能全方位运动，克服了现有方案的不足。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种双摆幅全方位运动球形机器人，包括球壳和位于球壳内部的行走传动机构；所述行走传动机构包括半圆环和具有内部电机驱动的质量小车，所述质量小车设置于所述半圆环上；

所述半圆环的两端部延半圆环直径方向设有向外侧伸出的两根支撑短轴，该两根支撑短轴分别通过轴承承载在球壳内侧的通过球壳球心轴线的两个基座上；在球壳一侧的一基座上固设有行走电机，该行走电机的电机轴上设有齿轮A；

所述两根支撑短轴中的一根支撑短轴上固设有与所述行走电机电机轴上所设齿轮A相匹配的齿轮B，且所述的齿轮A与齿轮B啮合在一起并带动齿轮B转动；所述两根支撑短轴中的另一根支撑短轴上与所述行走电机安装位置重心相对应的地方固设有配重块。

进一步的，所述半圆环内侧面设有轮齿，所述质量小车上设有驱动齿轮，该驱动齿轮与所述半圆环内侧面所设的轮齿匹配地啮合在一起。

进一步的，所述驱动齿轮上设有防止质量小车从半圆环上脱落的固定器，该固定器的一端可转动地安装在驱动齿轮上；另一端通过轴承套设在所述半圆环上，并与所述半圆环外侧面构成滚动副。

进一步的，所述行走电机上设有用于驱动控制所述行走电机电机轴转动的蓝牙接收控制装置；所述的质量小车上设有用于驱动控制所述质量小车上所设驱动齿轮转动的蓝牙接收控制装置。

进一步的，所述半圆环的开口向上，且该半圆环保持竖直状态。

进一步的，所述两根支撑短轴中的至少一根支撑短轴穿过基座延伸至球壳外，该延伸至球壳外的支撑短轴的延伸部上设有搭载附件；所述搭载附件包括摄像头、传感器和/或机械手。

本发明还可采用下述另一种技术方案：

一种双摆幅全方位运动球形机器人，包括球壳和位于球壳内部的行走传动机构；所述行走传动机构包括半圆环和具有内部电机驱动的质量小车，所述质量小车设置于所述半圆环上；

所述半圆环的两端部延半圆环直径方向设有向外侧伸出的两根支撑短轴，该两根支撑短轴分别通过轴承承载在球壳内侧的通过球壳球心轴线的两个基座上；在球壳一侧的一基座上固设有行走电机，该行走电机的电机轴上设有齿轮A；

所述两根支撑短轴中的一根支撑短轴上固设有与所述行走电机电机轴上所设齿轮A相匹配的齿轮B，且所述的齿轮A与齿轮B啮合在一起并带动齿轮B转动；所述两根支撑短轴中的另一根支撑短轴上与所述行走电机安装位置重心相对应的地方固设有配重块。

进一步的，所述半圆环外侧面设有轮齿，所述的质量小车上设有驱动齿轮，所述驱动齿轮上设有防止质量小车从半圆环上脱落的固定器，该固定器的一端可转动地安装在驱动齿轮上；另一端通过轴承套设在所述半圆环上，并与所述半圆环内侧面构成滚动副；所述的驱动齿轮与半圆环外侧面的轮齿匹配地啮合在一起。

进一步的，所述半圆环的两端部设有用于限制质量小车行程的限制块。

进一步的，所述行走电机上设有用于驱动控制所述行走电机电机轴转动的蓝牙接收控制装置；所述的质量小车上设有用于驱动控制所述质量小车上所设驱动齿轮转动的蓝牙接收控制装置。

进一步的，所述半圆环的开口向上，且该半圆环保持竖直状态。

进一步的，所述两根支撑短轴中的至少一根支撑短轴穿过基座延伸至球壳外，该延伸至球壳外的支撑短轴的延伸部上设有搭载附件；所述搭载附件包括摄像头、传感器和/或机械手。

本发明与现有产品相比，具有如下积极有益的效果：

1、结构简单，易于实现在前进和左右方向的“双摆幅”实现全方位运动

2、半圆环的圆弧端部始终位于球体下侧，提高了整个球体的***稳定性，便于其他姿态的实现。

3、两组电机（质量小车内部电机、行走电机）分别控制球体重心的偏移，在控制方式上实现了控制方式解耦。

4、通过蓝牙无线技术控制质量小车内部电机和行走电机，易于控制，使在结构紧凑且空间狭小的球体内部不会出现电线缠绕现象。

5、支撑短轴外侧延伸部上所设的搭载附件可连接机械手、摄像头、传感器等，提高了其使用价值，及扩展了其应用范围。

6、质量小车上的驱动齿轮与半圆环之间通过轴承滚动构成防脱约束，且各机构间不会有干涉现象。

7、质量小车上的驱动齿轮与半圆环上的轮齿啮合，通过质量小车延半圆环行走改变球体的重心，输出一定的转矩，精确的控制转向。

附图说明

图1为本发明第一实施例的整体结构示意图。

图2为本发明第二实施例的整体结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图说明本发明的具体实施方式。

实施例1：

如图1所示，一种双摆幅全方位运动球形机器人，包括球壳1和位于球壳1内部的行走传动机构；所述行走传动机构包括半圆环2和具有内部电机驱动的质量小车3，所述半圆环2的开口向上，且该半圆环2保持竖直状态；该半圆环2内侧面设有轮齿21，所述质量小车3上设有驱动齿轮31，该驱动齿轮31与所述半圆环2内侧面所设的轮齿21匹配地啮合在一起；所述质量小车3上设有用于驱动控制所述质量小车3上所设驱动齿轮31转动的蓝牙接收控制装置32。

所述半圆环2的两端部延半圆环直径方向设有向外侧伸出的两根支撑短轴22、23，该两根支撑短轴22、23分别通过轴承4承载在球壳1内侧的通过球壳1球心轴线的两个基座5上；在球壳1一侧的一基座5上固设有行走电机6，该行走电机6的电机轴上设有齿轮A7；所述行走电机6上设有用于驱动控制所述行走电机6电机轴转动的蓝牙接收控制装置61。 

所述两根支撑短轴22、23中的一根支撑短轴22上固设有与所述行走电机6电机轴上所设齿轮A7相匹配的齿轮B8，且所述的齿轮A7与齿轮B8啮合在一起，所述行走电机6电机轴转动，通过电机轴上所设的齿轮A7带动齿轮B8转动，从而使半圆环2转动；所述两根支撑短轴22、23中的另一根支撑短轴23上与所述行走电机6安装位置重心相对应的地方固设有配重块9。

所述驱动齿轮31上设有防止质量小车3从半圆环2上脱落的固定器33，该固定器33的一端331可转动地安装在驱动齿轮31上；另一端332通过轴承套设在所述半圆环2上，并与所述半圆环2外侧面构成滚动副。

所述两根支撑短轴22、23分别穿过基座5延伸至球壳1外，该延伸至球壳外的支撑短轴的延伸部221、231上设有搭载附件10；所述搭载附件10包括摄像头、传感器和/或机械手。

该球形机器人的球壳1将整个行走传动机构密封在该球形机器人内部，沿半圆环2直径方向的两根支撑短轴22、23与处于竖直状态的半圆环2两端部固接在一起，支撑短轴22、23过球心并经轴承4与球壳1形成转动副；支撑短轴22、23中的一根支撑短轴22上固设有与所述行走电机6电机轴上所设齿轮A7相匹配的齿轮B8，构成直线行走机构，行走电机6固接在基座5上。

当行走电机6机轴转动带动齿轮A7逆时针转动时，由于齿轮A7与齿轮B8啮合，齿轮B8顺时针转动，半圆环2前后摆动使该球形机器人的重心前移，从而推动球形机器人向前直线运动。 

当行走电机6机轴转动带动齿轮A7顺时针转动时，由于齿轮A7与齿轮B8啮合，齿轮B8逆时针转动，半圆环2前后摆动使该球形机器人的重心后移，从而推动球形机器人向后直线运动。

在半圆环2上设有质量小车3，质量小车3在内部电机的驱动下通过驱动齿轮31沿着半圆环2向左或右运动，使得该球形机器人的重心向左或向右偏移从而实现整体球形机器人的左、右转向控制。

在球壳1内部质量小车3本身既起到了配重的作用，可使该球形机器人重心稳定。

实施例2：

如图2所示，本实施例与实施例1的区别在于：所述半圆环2外侧面设有轮齿21，所述的质量小车3上设有驱动齿轮31，所述驱动齿轮31上设有防止质量小车3从半圆环上脱落的固定器34，该固定器34的一端341可转动地安装在驱动齿轮31上；另一端342通过轴承套设在所述半圆环2上，并与所述半圆环2内侧面构成滚动副；所述的驱动齿轮31与半圆环2外侧面的轮齿21匹配地啮合在一起；且所述半圆环2的两端部设有用于限制质量小车3行程的限制块24。

本文中所采用的描述方位的词语“上”、“下”、“左”、“右”等均是为了说明的方便基于附图中图面所示的方位而言的，在实际装置中这些方位可能由于装置的摆放方式而有所不同。

综上所述，本发明所述的实施方式仅提供一种最佳的实施方式，本发明的技术内容及技术特点已揭示如上，然而熟悉本项技术的人士仍可能基于本发明所揭示的内容而作各种不背离本发明创作精神的替换及修饰；因此，本发明的保护范围不限于实施例所揭示的技术内容，故凡依本发明的形状、构造及原理所做的等效变化，均涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (1)

1.一种双摆幅全方位运动球形机器人，包括球壳和位于球壳内部的行走传动机构；其特征在于：所述行走传动机构包括半圆环和具有内部电机驱动的质量小车，所述质量小车设置于所述半圆环上；

所述半圆环的两端部延半圆环直径方向设有向外侧伸出的两根支撑短轴，该两根支撑短轴分别通过轴承承载在球壳内侧的通过球壳球心轴线的两个基座上；在球壳一侧的一基座上固设有行走电机，该行走电机的电机轴上设有齿轮A；

所述两根支撑短轴中的一根支撑短轴上固设有与所述行走电机电机轴上所设齿轮A相匹配的齿轮B，且所述的齿轮A与齿轮B啮合在一起并带动齿轮B转动；所述两根支撑短轴中的另一根支撑短轴上与所述行走电机安装位置重心相对应的地方固设有配重块；

所述半圆环外侧面设有轮齿，所述的质量小车上设有驱动齿轮，所述驱动齿轮上设有防止质量小车从半圆环上脱落的固定器，该固定器的一端可转动地安装在驱动齿轮上；另一端通过轴承套设在所述半圆环上，并与所述半圆环内侧面构成滚动副；所述的驱动齿轮与半圆环外侧面的轮齿匹配地啮合在一起；

所述半圆环的两端部设有用于限制质量小车行程的限制块；

所述行走电机上设有用于驱动控制所述行走电机电机轴转动的蓝牙接收控制装置；所述的质量小车上设有用于驱动控制所述质量小车上所设驱动齿轮转动的蓝牙接收控制装置；

所述半圆环的开口向上，且该半圆环保持竖直状态；

所述两根支撑短轴中的至少一根支撑短轴穿过基座延伸至球壳外，该延伸至球壳外的支撑短轴的延伸部上设有搭载附件；所述搭载附件包括摄像头、传感器和/或机械手。