CN103587602A

CN103587602A - 主动式单摆球形机器人

Info

Publication number: CN103587602A
Application number: CN201310569776.0A
Authority: CN
Inventors: 谢少荣; 冯凯; 姚骏峰; 邹旭东; 祝川
Original assignee: University of Shanghai for Science and Technology
Current assignee: University of Shanghai for Science and Technology
Priority date: 2013-11-13
Filing date: 2013-11-13
Publication date: 2014-02-19
Anticipated expiration: 2033-11-13
Also published as: CN103587602B

Abstract

本发明公开了一种主动式单摆球形机器人。它包括一个球形外壳和一个单摆，所述球形外壳由一个前半球壳体与一个后半球壳体以螺钉旋配构成的球形壳体。所述球形外壳内腔中，通过一个前固定条和一个后固定条安装所述单摆。所述单摆是在一个内框内同轴线安装一个长轴电机和一个短轴电机，该长轴电机直接连接驱动所述前半壳球壳绕内框中心轴线Y转动，该短轴电机通过传动机构传动一个驱动摆绕与轴线Y垂直的X轴线转动，实现球形机器人全方位稳定行走。本发明结构紧凑、刚度高，运动平稳。

Description

主动式单摆球形机器人

技术领域

本发明涉及一种机器人，特别是一种主动式单摆球形机器人。

背景技术

球形机器人是一种以滚动方式行走的移动机器人，其驱动原理主要是通过内部驱动装置的运动打破球体的静态平衡，运动灵活，可以实现原地转向和全方位行走。

查阅现有国内外文献发现，现有球形机器人大多采用偏心质量块驱动方式，机器偏心力矩及惯性力矩驱动下实现转向和行走。但现在的球形机器人采用双摆重心偏移驱动，无法保证双偏心质量块在同一电机驱动下同步摆动，造成机器人驱动力矩波动较大，无法提供稳定的驱动力，使机器人运动稳定性低、震动大。而电机侧向布置驱动摆方式，两个驱动电机成90°分布，机器人静态平衡控制复杂，受碰撞之后姿态调整困难。

采用偏心质量块驱动方式的球形机器人，驱动单元通过传动机构进行偏心质量块传动，传动机构的平稳性极大地影响质量块摆动，如何保证传动机构传动紧凑，间隙最小是设计研究一个难题，关键在于对传动机构进行安装位置调整。

查阅现有国内外文献发现,为了减轻球形机器人重量，现有机器人内部多采用内框结构，但该结构为主要受力件之一，机器人运动过程中，内框变形量大，机器人运动严重偏离预定轨迹，运动无法控制。对于驱动摆，一旦摆角过大，由于惯性作用，偏心质量块重力产生的力矩将大于驱动电机所能提供的力矩，导致机器人运动失控。然而，目前球形机器人对驱动摆摆角安全控制方面存在不足。

发明内容

本发明的目的在于针对已有技术存在缺陷，提供一种主动式单摆球形机器人，以满足传动机构间隙可调、驱动摆摆角可控、驱动电机轴线布置、高刚度内框和单摆控制多项技术要求，结构紧凑，刚度高，运动平稳。

为实现上述目的，本发明的构思是：设计一个内部装有单摆结构的球体，球体分为两半，两半球靠螺纹连接。单摆短轴轴线同摆轴轴线的交点与球体中心重合。球体与单摆通过内框连接，内框可相对于球体绕中心轴线Y转动，单摆可绕垂直于Y的X轴线转动，转动均由伺服电机驱动。为了保证球体结构对称性，伺服电机均沿轴线Y进行布置。通过内框及单摆的重心偏移运动，为机器人提供驱动力。单摆结构不仅提供重心偏移驱动，设计的云台支架能够安装侦测和数据采集设备，使机器人能够更好适应环境和采集数据。为防止机器人运动失控和驱动效率，重心偏移角度应该在一定的范围内，传动机构必须紧密配合。内框内对称分布设计扩展支架、扭矩承受板大大提高机器人整体刚度。

根据上述发明构思，本发明采用下述技术方案：

一种主动式单摆球形机器人。它包括一个球形外壳和一个单摆，所述球形外壳由一个前半球壳体与一个后半球壳体以螺钉旋配构成的球形壳体。所述球形外壳内腔中，通过一个前固定条和一个后固定条安装所述单摆。所述单摆是在一个内框内同轴线安装一个长轴电机和一个短轴电机，该长轴电机直接连接驱动所述前半壳球壳绕内框中心轴线Y转动，该短轴电机通过传动机构传动一个驱动摆绕与轴线Y垂直的X轴线转动，实现球形机器人全方位稳定行走。

所述内框为对称分布的U形减重定位槽，U形槽上通过螺钉安装有所述窄框扩展支架、宽框扩展支架、短轴电机支承件和扭矩承受板；所述内框中部通过两个轴承和两个轴承座转动安装一根短轴。

所述短轴与一个云台支架通过键和键

Figure 2013105697760100002DEST_PATH_IMAGE004

固定连接，该短轴与该云台支架中心线重合，进行同轴同步转动，侦测和数据采集设备固定在该云台支架上。

所述短轴电机组通过螺钉安装于所述内框均匀分布的U形槽内可沿Y轴移动：所述短轴电机固定在一个短轴电机支架上，所述短轴电机支架由两个短轴电机组定位调节装置通过螺钉固定在所述内框上，可沿Y轴调节及固定该短轴电机组的位置；短轴电机的转轴通过所述两个啮合的锥齿轮传动驱动短轴沿X轴线转动，产生重心偏移驱动力矩。

所述内框上通过螺母对称安装有一个前限位轴和一个后限位轴，对所述驱动摆的一根摆轴转角范围进行机械限位，摆角范围为±45°。

所述驱动摆是：所述摆轴一端有键与所述短轴连接，一端至焊接一个电池盒，该摆轴及该短轴的一端有内孔，供电通过孔内布线，最大程度确保所述球形机器人静态重心稳定；所述电池盒下端开口，其内可安装锂电池，四周有通风槽，可以实现电池供电时散热；电池安装完毕，一个圆盘形配重通过螺钉与该电池盒相连，该圆盘形配重、电池盒及锂电池组成驱动摆配重。

所述长轴电机固定安装在内框内，所述内框分别通过两个轴承和轴承座与一个前壳摆联接件和后壳摆联接件，所述前壳摆联接件和后壳摆联接件分别通过一个前固定条和一个后固定条连接球形外壳；所述长轴电机的转子通过前壳摆联接件固定连接前半球壳体。

本发明与现有技术要比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：

1、本发明主动式单摆式球形机器人不仅采用单摆重心偏移驱动方式，而且两个伺服电机转子轴线重合，机器人驱动力矩波动小，机器人运动平稳且震动小，结构简单。

2、本发明主动式单摆式球形机器人通过U型槽安装扩展支架，在小幅增加机器人重量的前提下，大大提高机器人整体刚性，控制精度高，运动轨迹准确。

3、本发明主动式单摆式球形机器人的短轴电机组定位调节装置可以调节短轴电机传动机构间隙，使锥齿轮啮合紧密，以保证传动平稳且能传递最大驱动扭矩，机器人运动稳定性好。

4、本发明主动式单摆式球形机器人的限位轴可以机械限位控制摆轴摆角，防止因摆角过大而造成机器人运动失控，提高机器人运动时的安全。

5、本发明主动式单摆球形机器人云台支架与短轴同轴同步转动，位置、姿态数据反馈快，机器人运动灵活，反应迅速。

附图说明

图1是本发明一个实施例的结构示意图。

图2是图1中单摆的结构示意图。

图3是图2 的俯视图。

图4是图3中驱动摆的结构示意图。

图5是图3中短轴电机定位调节装置的零件分解图。

图6是图3中短轴电机组零件分解图。

具体实施方式

本发明的优选实施例结合附图详述如下：

实施例一：

参考图1～图6，本主动式单摆球形机器人，它包括一个球形外壳和一个单摆（5）。所述球形外壳由一个前半球壳体（2）与一个后半球壳体（3）以螺钉旋配构成的球形壳体；所述球形外壳内腔中，通过一个前固定条（1）和一个后固定条（4）安装所述单摆（5）；所述单摆（5）是在一个内框（6）内同轴线安装一个长轴电机（9）和一个短轴电机（34），该长轴电机（9）直接连接驱动所述前半壳球壳绕内框（6）中心轴线Y转动，该短轴电机（34）通过传动机构传动一个驱动摆（18）绕与轴线Y垂直的X轴线转动，实现球形机器人全方位稳定行走。

实施例二：

本实施例与实施例一基本相同，特别之处如下：

所述内框（6）为对称分布的U形减重定位槽，U形槽上通过螺钉安装有所述窄框扩展支架（10、15）、宽框扩展支架（8、16）、短轴电机支承件（11）和扭矩承受板（19、24）；所述内框（6）中部通过两个轴承（27A、27B）和两个轴承座（29A、29B）转动安装一根短轴（28）。

3．根据权利要求2所述的主动式单摆球形机器人，所述短轴（28）与一个云台支架（12）通过键

（26-B）和键

（26-C）固定连接，该短轴（28）与该云台支架（12）中心线重合，进行同轴同步转动，侦测和数据采集设备固定在该云台支架（12）上。

所述短轴电机组（14）通过螺钉安装于所述内框（6）均匀分布的U形槽内可沿Y轴移动：所述短轴电机（34）固定在一个短轴电机支架（14-C）上，所述短轴电机支架（14-C）由两个短轴电机组定位调节装置（23、25）通过螺钉固定在所述内框（6）上，可沿Y轴调节及固定该短轴电机组（14）的位置；短轴电机（34）的转轴通过所述两个啮合的锥齿轮（21-A、21-B）传动驱动短轴（28）沿X轴线转动，产生重心偏移驱动力矩。

所述内框（6）上通过螺母对称安装有一个前限位轴（20）和一个后限位轴（22），对所述驱动摆（18）的一根摆轴（30）转角范围进行机械限位，摆角范围为±45°。

所述驱动摆（18）是：所述摆轴（30）一端有键

（26-D）与所述短轴（28）连接，一端至焊接一个电池盒（31），该摆轴（30）及该短轴（28）的一端有内孔，供电通过孔内布线，最大程度确保所述球形机器人静态重心稳定；所述电池盒（31）下端开口，其内可安装锂电池，四周有通风槽，可以实现电池供电时散热；电池安装完毕，一个圆盘形配重（32）通过螺钉与该电池盒（31）相连，该圆盘形配重（32）、电池盒（31）及锂电池组成驱动摆配重（33）。

所述长轴电机（9）固定安装在内框（6）内，所述内框（6）分别通过两个轴承（27A、27B）和轴承座（29A、29B）与一个前壳摆联接件（7）和后壳摆联接件（17），所述前壳摆联接件（7）和后壳摆联接件（17）分别通过一个前固定条（1）和一个后固定条（4）连接球形外壳；所述长轴电机（9）的转子通过前壳摆联接件（7）固定连接前半球壳体（2）。

实施例三：

如图1所示，本主动式单摆球形机器人包括球形外壳和一个单摆（5），所述单摆（5）安装于球形外壳内；该单摆（5）包括：内框（6）、窄、宽框扩展支架（8、10、15、16）、前、后壳摆联接件（7、17）、扭矩承受板（19、24）、短轴电机支承件（11）驱动摆（18）、云台支架（12）、短轴电机组（14）、短轴电机组定位调节装置（23、25）和限位轴（20、22）；所述内框（6）通过轴承连接一个前壳摆联接件（7）和后壳摆联接件（17），所述前壳摆联接件（7）和后壳摆联接件（17）通过所述前固定条（1）和后固定条（4）固定连接球形外壳，从而使该单摆（5）可相对球形外壳绕内框（6）长轴Y转动；

一个长轴电机（9）定子与所述内框（6）固定连接，该长轴电机（9）转子通过所述前壳摆联接件（7）与所述前半球壳体（2）固定连接而驱动所述前半球壳体（2），球形外壳在长轴电机（9）的驱动下绕Y轴旋转；一个短轴电机（34）定子固定于一个短轴电机支架（14-C）上，该短轴电机（34）转子连接一个锥齿轮

Figure 2013105697760100002DEST_PATH_IMAGE008

（21-B），该锥齿轮（21-B）与一个角接触轴承7306（14-A）过盈固定并通过一个齿轮轴承支承（14-B）安装于所述短轴电机支架（14-C）上，锥齿轮

（21-B）与另一个锥齿轮

(21-A)啮合传动，所述锥齿轮

(21-A)固定套装在一根短轴（28）上，所述短轴(28)在所述短轴电机（34）的驱动下绕短轴中心轴线X旋转；该长轴电机（9）轴线与该短轴电机轴（34）线重合且通过球形外壳球心；一个摆轴（30）一端有键

（26-D）连接所述短轴（28），另一端与一个驱动摆配重（33）固定连接，该驱动摆配重（33）的几何中心在该摆轴（30）轴线上；该长轴电机（9）轴线、短轴电机（34）轴线、短轴（28）轴线和摆轴（30）轴线相交于所述球形外壳球心，通过所述长轴电机（9）和短轴电机（34）驱动，可实现所述驱动摆配重（33）沿X轴和Y轴偏移，使球形机器人在地面上全方位平稳行走；

所述内框（6）设计有对称分布的U型槽，该U型槽可有效减轻内框重量；同时，该U型槽用于安装所述窄框扩展支架（10，15）、宽框扩展支架（8，16）、扭矩承受板（19，24）和短轴电机支承件（11），整体而言，机器人重量小幅度增加，但扩展支架的安装大大提高***的刚度，***力变形小，控制精度高，运动轨迹精确；

所述短轴电机组（14）安装于所述内框（6）的U型槽内，U型槽起导向定位作用；所述短轴电机组定位调节装置（23，25）由所述底座（A）、细牙螺纹的螺母（B）和调节螺钉（C）组成，该底座（A）与所述内框（6）固定连接；该短轴电机组（14）安装螺钉组拧紧前，通过该调节螺钉（C）可以使该短轴电机组（14）在U型槽内沿Y轴移动，使所述锥齿轮（21-A，21-B）紧密啮合，平稳传递所述短轴电机（34）力矩，为机器人运动提供更大的驱动力，使机器人更稳定的行走；

所述限位轴（20，22）轴线和短轴（28）轴线确定的平面同所述内框（6）中心平面间的夹角为±45°，所述摆轴（30）摆角为±45°时，该摆轴（30）将碰到限位轴（20，22）而摆角不能继续增大，所述短轴电机（34）发生堵转，进而该短轴电机（34）反转，控制所述摆轴（30）摆角在±45°范围内，所述驱动摆配重（33）重力产生的力矩将不会大于该短轴电机（34）所能提供的力矩，能确保机器人在运动不失控内行走。

所述云台支架（12）转动轴线与短轴（28）转动轴线重合，该云台支架（12）与短轴（28）同轴同步转动，侦测和数据采集设备（图中未示出）固定于该云台支架（12）上，快速接收位置、姿态数据，进行机器人运动调整，机器人运动灵活，反应迅速。

以上具体实施方式用来解释说明本发明，而不是对发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明做出的任何修改和改变，都落在本发明的保护范围。

Claims

1.一种主动式单摆球形机器人，包括一个球形外壳和一个单摆（5），其特征在于：

a．所述球形外壳由一个前半球壳体（2）与一个后半球壳体（3）以螺钉旋配构成的球形壳体；

b．所述球形外壳内腔中，通过一个前固定条（1）和一个后固定条（4）安装所述单摆（5）；

c．所述单摆（5）是在一个内框（6）内同轴线安装一个长轴电机（9）和一个短轴电机（34），该长轴电机（9）直接连接驱动所述前半壳球壳绕内框（6）中心轴线Y转动，该短轴电机（34）通过传动机构传动一个驱动摆（18）绕与轴线Y垂直的X轴线转动，实现球形机器人全方位稳定行走。

2.根据权利要求1所述的主动式单摆球形机器人，其特征在于所述内框（6）为对称分布的U形减重定位槽，U形槽上通过螺钉安装有所述窄框扩展支架（10、15）、宽框扩展支架（8、16）、短轴电机支承件（11）和扭矩承受板（19、24）；所述内框（6）中部通过两个轴承（27A、27B）和两个轴承座（29A、29B）转动安装一根短轴（28）。

3.根据权利要求2所述的主动式单摆球形机器人，所述短轴（28）与一个云台支架（12）通过键

Figure 2013105697760100001DEST_PATH_IMAGE002

（26-B）和键

Figure 2013105697760100001DEST_PATH_IMAGE004

4.根据权利要求1所述的主动式单摆球形机器人，其特征在于一个短轴电机组（14）通过螺钉安装于所述内框（6）均匀分布的U形槽内可沿Y轴移动：所述短轴电机（34）固定在一个短轴电机支架（14-C）上，所述短轴电机支架（14-C）由两个短轴电机组定位调节装置（23、25）通过螺钉固定在所述内框（6）上，可沿Y轴调节及固定该短轴电机组（14）的位置；短轴电机（34）的转轴通过所述两个啮合的锥齿轮（21-A、21-B）传动驱动短轴（28）沿X轴线转动，产生重心偏移驱动力矩。

5.根据权利要求1所述的主动式单摆球形机器人，其特征在于所述内框（6）上通过螺母对称安装有一个前限位轴（20）和一个后限位轴（22），对所述驱动摆（18）的一根摆轴（30）转角范围进行机械限位，摆角范围为±45°。

6.根据权利要求5所述的主动式单摆球形机器人，其特征在于：所述驱动摆（18）是：所述摆轴（30）一端有键（26-D）与所述短轴（28）连接，一端至焊接一个电池盒（31），该摆轴（30）及该短轴（28）的一端有内孔，供电通过孔内布线，最大程度确保所述球形机器人静态重心稳定；所述电池盒（31）下端开口，其内可安装锂电池，四周有通风槽，可以实现电池供电时散热；电池安装完毕，一个圆盘形配重（32）通过螺钉与该电池盒（31）相连，该圆盘形配重（32）、电池盒（31）及锂电池组成驱动摆配重（33）。

7.根据权利要求1所述的主动式单摆球形机器人，其特征在于：所述长轴电机（9）固定安装在内框（6）内，所述内框（6）分别通过两个轴承（27A、27B）和轴承座（29A、29B）与一个前壳摆联接件（7）和后壳摆联接件（17），所述前壳摆联接件（7）和后壳摆联接件（17）分别通过一个前固定条（1）和一个后固定条（4）连接球形外壳；所述长轴电机（9）的转子通过前壳摆联接件（7）固定连接前半球壳体（2）。