CN201313307Y - 环境探测球形机器人 - Google Patents
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Abstract
环境探测球形机器人，将运动机构和控制器件等包含在一个球形壳体内，通过重心偏移原理来实现整个机器人的运动。运动机构主要由中空轴、两轮式直线驱动机构、重块转向驱动机构等构成。两轮式直线驱动机构主要包括：两个驱动电机、两个驱动轮等，它利用重心偏移来实现球形机器人的直线运动。重块转向驱动机构包括驱动电机和执行机构，利用重心偏移原理，将重块偏移角度与直线运动相结合来实现环境探测球形机器人的转向运动。直线和转向两种运动相结合就可以实现该环境探测球形机器人任意方位的运动。该环境探测球形机器人内置相对球壳不动的中空轴，提供了安装传感器、控制器等的稳定平台；将直线运动机构与转向机构相结合，运动形式简单，运动灵活、机动性强，可用于剧毒气体检测、现场环境观测及星球探测等多种任务。
Description
所属技术领域
本发明涉及一种可用于环境探测、星球探测及缺少人为干预环境巡逻的环境探测球形机器人***。
背景技术
球形机器人是一种将运动机构和控制器件等包含在一个球形壳体内的***的总称。由于这类机器人具有良好的动态和静态平衡性，因此不会因为碰撞或跌落而产生失稳状态。同时，由于其机电、传感和控制部件都包括在这个球壳之中，因此具有很好的密封性，可以在沙尘、潮湿、腐蚀性的恶劣环境中工作。A.Halme，T.Schonberg and Y.Wang，Motion Control of aSpherical Mobile Robot，4th IEEE International Workshop on AdvancedMotion Control AMC’96，Mie University，Japan 1996.介绍了芬兰的AarneHalme设计的一种球形机器人并申请了专利，该球形机器人采用了一个在球壳内滚动的轮来驱动整个球形机器人的运动；Antonino Bicchi，AndreaBalluch，etc.Introducing the“SPHERICLE”：an experimental testbed forresearch and teaching in nonholonomy.In：Proceedings of the 1997 IEEEInt.Conf.on Robotics and Automation，Albuquerque，New Mexico，April1997：2620-2625.介绍了意大利比萨大学的Antonio bicchi等发明的一种结构不同的球形机器人，该球形机器人主要是放置一辆小车于球壳中，通过对小车的控制来实现机器人的运动；Michaud F.and Theberge-Turmel.Mobile robotic tpys and autism.In Dautenhahn，K.，Bod.A SociallyIntelligent Agents Creating Relationships with Computers and Robots.Kluwer Academic，2002.介绍了加拿大的Francois Michaud和Serge Caron研制一个玩具用途的球形机器人，他们通过调整悬挂在主轴上的重物来实现机器人的转向；中国发明专利申请号01118269.X，改进的球形机器人全方位行走机构公开了北京邮电大学孙汉旭教授申请的一个全方位球形机器人的专利，它是通过球内的一个全方位运动机构来实现球形机器人的运动。申请人与合作者也曾申请了一个球形机器人的专利，它是通过电机直接带动球壳来前进后退，通过摆动一重物来实现球形机器人的转弯。
球形机器人的一个主要的用途是可以进行探测或观测，但上述发明或设计的球形机器人只追求运动的灵活性，而忽略了具体应用中传感器等设备的加装问题。由于球形机器人只能采用遥控或自主的方式来运动，在这两种方式下，如果让机器人在远距离或有遮挡的环境中运动，都需要传感器的辅助，如视觉传感器，遥控者在视觉信息的指引下可以让球形机器人按着任务的需要进行合理的动作，同时球形机器人也可以在视觉信息的导引下做一些自主运动。如果无法为视觉等传感器提供一个稳定的安装平台，传感器会随着球形机器人转动，这时传感器提供的不是某个确定方向的有用环境信息，而是不稳定的机器人附近的信息，这些信息无法为机器人的运动提供合理的指导。为了能够为球形机器人提供合理有效的传感信息，需要在球形机器人上为传感器提供一个不随机器人转动的安装位置。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，不仅可以提供一种不随球壳发生转动的轴，便于传感器的安装和使用，而且具有一套结构与控制都非常简单的运动机构，可以方便地完成前进、后退、左转、右转等运动功能的球形机器人。
本发明的技术解决方案是：环境探测球形机器人，包括球壳，其特征在于：在球壳的内部安装有一不随球壳转动的主轴，球壳与主轴之间通过滚动轴承相连，在主轴前面安装有运动机构，运动机构的两端安装有两个轮子，两个轮子与球壳呈滚动接触。当驱动机构的轮子与球壳发生相对滚动时，驱动机构可带动中空轴发生与球壳的相对转动，此时固定在中空轴上的重块前后摆动，致使球形机器人的重心发生偏移，从而实现机器人的前进和后退。如果驱动机构爬升的同时电机也作旋转，重块会相对于球形机器人的形心同时在平面两个方向发生偏移，其合成运动会产生一个偏心力矩，致使机器人向重块所在的方向偏转，从而实现机器人的转弯运动。
在本发明中，当球形机器人运动时可以保证主轴不随球壳转动，因此可以在主轴上安装摄像机等传感器，而且可以保证在机器人的运动过程中传感器不会发生旋转等运动；本发明还以简洁紧凑的方式实现球形机器人的前进、后退、转弯等运动，而且在运动的规程中可以保证主轴与地面的相对高度保持不变。
本发明与现有技术相比的有益效果：
1、该环境探测球形机器人利用两个轮子与球壳内表面之间的摩擦力实现其直线运动并利用重块的左右偏摆实现转弯等运动功能，运动机构简单且控制方便。由于球形机器人的内部空间范围较小，因此简单的机构可以为球形机器人提供更多的空间，便于安装传感器等其他设备；另外，该球形机器人还具有自主和遥控运动两种功能，既可以由操纵者根据反馈图像遥控球形机器人运动，也可让球形机器人根据图像信息进行自主运动，可以完成诸如剧毒气体检测、现场环境观测及星球探测等多种任务。
2、本发明不同于以往的专利内容主要表现在，该环境探测球形机器人可以提供一个不随球壳转动的主轴，从而可以在该轴上安装摄像机、传感器等设备，进行探测等工作。由于主轴不随球壳转动且在整个运动空间中主轴相对于地面是平动，因此安装在上面的摄像机等传感器可以具有一个固定的传感方向，倘若不能安装在一个平动的平台上，则摄像机等传感器会随着球壳转动，从而导致检测的信息非常杂乱，不便于使用。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为本发明的内部运动机构结构示意图。
具体实施方式
如前图所示，本发明实施方式为：在球壳1的内部安装有一不随球壳1转动的中空轴5，在其外部可安装控制设备等，在其内部可以安装用于探测的传感器等装置，球壳1与中空轴5之间通过支撑件2和滚动轴承4相连，在中空轴5的前面安装有直线驱动机构，直线驱动驱动机构通过连接件7与连接板8与中空轴5相连，直线驱动机构由电机13、14和两个轮子9、12构成，在两个电机13、14的两端分别通过齿轮连接两个轮子9、12，分别与球壳呈滚动接触。当直线驱动机构的轮子9、12与球壳1发生相对滚动时，驱动机构可带动中空轴5发生与球壳的相对转动，此时固定在中空轴上的重块6前后摆动，致使球形机器人的重心发生偏移，从而实现机器人的直线。如果直线驱动机构爬升的同时转向电机15也作旋转，重块6会相对于球形机器人的形心同时在平面内两个方向发生偏移，其合成运动会产生一个偏心力矩，致使机器人向重块所在的方向偏转，从而实现机器人的转弯运动。
Claims (4)
1、环境探测球形机器人，包括球壳，其特征在于：由一球形外壳和内部的运动机构组成，运动机构主要由中空轴、电机、驱动机构以及重块构成，中空轴与球壳通过轴承连接，两者可以发生相对转动；驱动机构固定在中空轴前侧，其两个轮子与球壳呈滚动摩擦接触；电机固定在中空轴后侧，其输出轴上挂有重块；当驱动机构的轮子与球壳发生相对滚动沿球壳内壁爬升时，驱动机构可带动中空轴发生与球壳的相对转动，此时固定在中空轴上的重块前后摆动，致使球形机器人的重心发生偏移，从而实现机器人的直线运动；如果驱动机构爬升的同时电机也作旋转，重块会相对于球形机器人的形心同时在平面两个方向发生偏移，其合成运动会产生一个偏心力矩，致使机器人向重块所在的方向偏转，从而实现机器人的转向运动；在球壳内部装有一中空轴，两端通过轴承与球壳连接，中空轴内安装有传感器、控制器。
2、根据权利要求1所述的环境探测球形机器人，其特征在于：所述的直线运动机构有两个驱动电机，两个轮子，中空轴、以及重块构成，中空轴通过轴承相对球壳运动，两轮驱动机构固定在中空轴前侧，其两个轮子与球壳呈滚动摩擦接触，转向电机固定在中空轴后侧，其输出轴上挂有重块；当直线驱动机构的轮子相对球壳内壁爬升时，中空轴与球壳的相对转动，此时固定在中空轴上的重块相对球壳的重心发生偏移，从而实现机器人的直线运动。
3、根据权利要求1所述的环境探测球形机器人，其特征在于：所述的直线运动机构爬升时驱动重块的电机也作旋转，重块相对于球形机器人的形心在平面两个方向发生偏移，合成发生一个偏心力矩，使机器人向重块所在的方向偏转，从而实现机器人的转向运动。
4、根据权利要求1所述的环境探测球形机器人，其特征在于：所述的球壳内部装有一中空轴，两端通过轴承与球壳连接，中空轴内安装有传感器、控制器。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| C17 | Cessation of patent right | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
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