CN207292187U - 用于环境探测的球形移动机器人 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及移动机器人技术领域，提供一种用于环境探测的球形移动机器人，包括：球壳和设置在球壳内部的控制器、横向移动动力单元和纵向移动动力单元；球壳内部沿轴线设置主梁；横向移动动力单元包括：横向电机和重摆；横向电机通过横向电机支座固定在主梁上，横向电机的转轴与主梁垂直，重摆通过重摆架设置在横向电机的转轴上；纵向移动动力单元包括：纵向电机、小带轮、同步带和大带轮；纵向电机通过纵向电机支架固定在主梁上，纵向电机的转轴与主梁平行、且与小带轮连接，小带轮通过同步带与大带轮进行动力传导，大带轮与球壳固定连接。本实用新型能够感知和探测机器人的外界环境信息，可用于完成户外侦查、野外救援等多种任务。

Description

用于环境探测的球形移动机器人

技术领域

本实用新型涉及移动机器人技术领域，尤其涉及一种用于环境探测的球形移动机器人。

背景技术

在生活中人们可能需要对一些比较狭窄、崎岖的孔洞环境进行探寻，如尺寸较小的管道等。在这些人类难以进入的环境下，经常需要使用移动机器人进行工作。移动机器人能够代替工作人员进入环境危险且复杂的管道环境，执行搜索和探测等任务，移动机器人能有效提高探测效率。

球形机器人是移动机器人的一种，是一类将驱动机构、传感器和控制器安装在一个球形壳体内的***。球形机器人可实现全方位运动，且和地面单点接触，阻力小，能量利用率高，携带的能源使用时间长；同时，具有较高的承载能力，能越过一定高度的障碍、爬上一定角度的斜坡。

但是，现有球形机器人，球壳一般在赤道处一分为二，赤道附近是球壳滚动过程中与地面接触的部分。二分之一球壳需要在赤道固定连接，因此没办法保证严格密封，地面环境中如水等可以由结合处进入球壳内，球壳运动密封性较差，严重时可能损坏内部器件。同时，为保证球形机器人的运动性能，重摆的质量较大，现有机器人主运动方向上(前进或后退)主梁与球壳之间直接采用电机驱动，如果重摆质量较大，直接由电机驱动主梁和重摆可能驱动力矩不足，从而影响机器人的运行。另外，现有大多数球形机器人内部只安装了惯性测量单元和测速码盘等内部传感器，采用内部传感器的球形机器人一般只能检测机器人自身的运动状态，外部环境的感知和探测能力较差。

实用新型内容

本实用新型主要解决现有球形机器人球壳的运动密封性较差、重摆前向驱动力矩不足等技术问题，提出一种用于环境探测的球形移动机器人，具有较好的运动密封性、且驱动能力强，同时本实用新型球形外壳两侧均安装有超声波探测单元和摄像单元等外部传感器，能够感知和探测机器人的外界环境信息，可用于完成户外侦查、野外救援等多种任务。

本实用新型提供了一种用于环境探测的球形移动机器人，包括：球壳15和设置在球壳15内部的控制器、横向移动动力单元和纵向移动动力单元；

所述球壳15内部沿轴线设置主梁7，主梁7两端的球壳15上分别设置球壳端盖1；

所述横向移动动力单元包括：横向电机11和重摆18；所述横向电机11通过横向电机支座10固定在主梁7上，所述横向电机11的转轴与主梁7垂直，所述重摆18通过重摆架17设置在横向电机11的转轴上；重摆架17与主梁7铰接于球心上；

所述纵向移动动力单元包括：纵向电机19、小带轮21、同步带22和大带轮4；所述纵向电机19通过纵向电机支架20固定在主梁7上，所述纵向电机19的转轴与主梁7平行、且与小带轮21连接，小带轮21通过同步带22与大带轮4进行动力传导，所述大带轮4与球壳15固定连接；

所述控制器分别与横向电机11和纵向电机19电连接。

进一步的，所述控制器固定设置在主梁7上。

进一步的，还包括设置在球壳端盖1内的信息采集单元2，所述信息采集单元2与控制器电连接，所述信息采集单元2包括：超声波探测单元和/或摄像单元。

进一步的，所述超声波探测单元和摄像单元的安装方向相互垂直。

进一步的，所述横向电机11和/或纵向电机19上设有测速码盘，所述测速码盘与控制器电连接。

进一步的，所述球壳端盖1内设置无线充电接收模块23，且所述无线充电接收模块23与固定设置在主梁7上的锂电池24电连接。

本实用新型提供的一种用于环境探测的球形移动机器人，与现有技术相比具有以下优点：

1、本实用新型靠重摆在球壳内摆动来改变机器人重心。重摆具有两个自由度，既能前后摆动(纵向)又能左右摆动(横向)。本实用新型体型小，能耗少能够在人不易进入的场所很好地完成检测、搜救的任务。

2、本实用新型的纵向移动动力单元中，采用电机+同步带传动的方式，纵向电机通过同步带传动(减速)后驱动球壳相对主梁转动，经同步带传动后电机输出力矩增大，由小带轮经同步带到大带轮为减速增力，提高了电机驱动能力、改善了机器人运动性能。

3、本实用新型采用球壳两端切开的方式，主要由球壳主体和球壳端盖拼接成完整的球形。机器人滚动时与地面接触的部分是球壳主体部分，球壳两端不与地面接触，球壳主体是完整的回转体，也就是中间没有切开，运动密封性好。

4、球壳端盖与主梁固连，主梁不随球壳转动，可以作为稳定平台，球壳端盖上开设有供外部传感器外露的开口，外部传感器安装在球壳端盖内，能够感知和探测机器人的外界环境信息。

附图说明

图1是本实用新型用于环境探测的球形移动机器人的主视图；

图2是本实用新型用于环境探测的球形移动机器人的左视图。

附图标记：1、球壳端盖；2、信息采集单元；3、第一轴承端盖；4、大带轮；5、第一深沟球轴承；6、第一轴承内圈拉连；7、主梁；8、测速码盘；9、联轴器；10、横向电机支座；11、横向电机；12、第二轴承端盖；13、第二深沟球轴承；14、第二轴承内圈拉连；15、球壳；16、盖板；17、重摆架；18、重摆；19、纵向电机；20、纵向电机支架；21、小带轮；22、同步带；23、无线充电接收模块；24、锂电池。

具体实施方式

为使本实用新型解决的技术问题、采用的技术方案和达到的技术效果更加清楚，下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本实用新型，而非对本实用新型的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本实用新型相关的部分而非全部内容。

图1是本实用新型用于环境探测的球形移动机器人的主视图；图2是本实用新型用于环境探测的球形移动机器人的左视图。如图1、2所示，本实用新型实施例提供的用于环境探测的球形移动机器人包括：球壳15和设置在球壳15内部的控制器、横向移动动力单元和纵向移动动力单元。

球壳15内部沿轴线设置主梁7，主梁7两端的球壳15上分别设置球壳端盖1。球壳15和球壳端盖1组成外形完整的球形。球壳端盖1分别通过第一轴承内圈拉连6和第二轴承内圈拉连14与球壳15内部的主梁7固连。在本实施例中，球壳15可相对主梁7绕纵轴转动。为方便描述，以主梁7长度方向的轴线为纵轴，以垂直于主梁7长度方向的轴线为横轴(即与横向电机11转轴重合的轴线为横轴)。

横向移动动力单元包括：横向电机11和重摆18；所述横向电机11通过横向电机支座10固定在主梁7上，横向电机11的转轴与主梁7纵轴垂直，重摆18通过重摆架17设置在横向电机11的转轴上；重摆18通过重摆架17与主梁7铰接于球心处。

纵向移动动力单元包括：纵向电机19、小带轮21、同步带22和大带轮4；所述纵向电机19通过纵向电机支架20固定在主梁7上，所述纵向电机19的转轴与主梁7纵轴平行、且与小带轮21连接，小带轮21通过同步带22与大带轮4进行动力传导，大带轮4通过螺钉固定在球壳15上。

控制器固定设置在主梁7上，控制器分别与横向电机11和纵向电机19电连接，能够控制横向电机11和纵向电机19的转轴转动。在球壳端盖1内还设置信息采集单元2，所述信息采集单元2包括：两对超声波探测单元和摄像单元。摄像单元用于对机器人外界环境进行观测，超声波探测单元用于探测外界障碍物并产生对应的探测信息。球壳端盖1上开设有供信息采集单元2外露的开口，信息采集单元2设置在球壳端盖1中。超声波探测单元和摄像单元的开口方向相互垂直。由于超声波探测单元和摄像单元数量为两对且开口方向相互垂直，所以本实用新型机器人可以采集左右和前后两个方向的环境信息。

在横向电机11上设有测速码盘8，测速码盘8与控制器电连接。测速码盘8安装在联轴器9外侧，用于检测横向电机11输出轴的转角和角速度，由于横向电机11输出轴与重摆架17相连，所以测速码盘8能够检测重摆18相对主梁7侧向摆动的角度和角速度。同时，纵向电机19可以设置另一个测速码盘，并与控制器电连接，用来检测纵向电机19的输出轴的转角和角速度，利用纵向电机19输出轴的转角和角速度，根据同步带22传动比可以得到球壳15相对主梁7转动的角度和角速度。一般情况下，主梁7上还需要设置一个惯性测量单元，惯性测量单元也是固定在主梁7上的。惯性测量单元检测主梁7的姿态信息，结合两台电机的转角和角速度，可得出球壳和重摆的姿态信息。姿态信息一般包括姿态角和姿态角速度。

同时，球壳端盖1内设置无线充电接收模块23，且无线充电接收模块23与固定设置在主梁7上的锂电池24电连接。机器人内部驱动电机、控制器和传感器等部件由固连于主梁7的锂电池24供电，无线充电接收模块23与锂电池24电连接，可利用无线充电接收模块23对锂电池24进行充电。

另外，在本实用新型中，第一轴承端盖3和第二轴承端盖12分别用于对第一深沟球轴承5和第二深沟球轴承13进行轴向定位。由于主梁7与球壳15之间可能发生相对转动，并靠两者相对转动来实现机器人前进或后退；所以在主梁7与球壳15之间分别设置第一深沟球轴承5和第二深沟球轴承13；主梁7通过第一深沟球轴承5和第二深沟球轴承13相对球壳15绕纵轴转动。横向电机11的转轴通过联轴器9与重摆架17相连。主梁7设置成中空框架，主梁7底部设置成开口结构，主梁7底部开口的目的是为了安装横向电机11和横向电机支座10。纵向电机支架20通过固定在主梁7底部的盖板16与主梁7固连。

本实用新型用于环境探测的球形移动机器人利用重心偏移原理来实现机器人的全方位运动。重摆18前后摆动能使机器人前进或后退(重心前后移动)，重摆18侧向摆动使机器人前后移动时能够左右转向。具体的，纵向电机19的转轴带动小带轮21转动，小带轮21通过同步带22传动带动大带轮4转动，由于大带轮4与球壳15固定，使主梁7相对于球壳15绕纵轴转动，从而间接地带动重摆向前或者向后摆动，使机器人前进或者后退，实现纵向移动。横向电机11的转轴与主梁7纵轴垂直，横向电机支座10与主梁7固连，横向电机11转动使重摆18相对于主梁7绕横轴转动，使重摆18从一侧向另一侧摆动，从而使机器人在滚动过程中向左或向右转向，实现横向移动。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的范围。

Claims (6)

1.一种用于环境探测的球形移动机器人，其特征在于，包括：球壳(15)和设置在球壳(15)内部的控制器、横向移动动力单元和纵向移动动力单元；

所述球壳(15)内部沿轴线设置主梁(7)，主梁(7)两端的球壳(15)上分别设置球壳端盖(1)；

所述横向移动动力单元包括：横向电机(11)和重摆(18)；所述横向电机(11)通过横向电机支座(10)固定在主梁(7)上，所述横向电机(11)的转轴与主梁(7)垂直，所述重摆(18)通过重摆架(17)设置在横向电机(11)的转轴上；重摆架(17)与主梁(7)铰接于球心上；

所述纵向移动动力单元包括：纵向电机(19)、小带轮(21)、同步带(22)和大带轮(4)；所述纵向电机(19)通过纵向电机支架(20)固定在主梁(7)上，所述纵向电机(19)的转轴与主梁(7)平行、且与小带轮(21)连接，小带轮(21)通过同步带(22)与大带轮(4)进行动力传导，所述大带轮(4)与球壳(15)固定连接；

所述控制器分别与横向电机(11)和纵向电机(19)电连接。

2.根据权利要求1所述的用于环境探测的球形移动机器人，其特征在于，所述控制器固定设置在主梁(7)上。

3.根据权利要求1所述的用于环境探测的球形移动机器人，其特征在于，还包括设置在球壳端盖(1)内的信息采集单元(2)，所述信息采集单元(2)与控制器电连接，所述信息采集单元(2)包括：超声波探测单元和/或摄像单元。

4.根据权利要求3所述的用于环境探测的球形移动机器人，其特征在于，所述超声波探测单元和摄像单元的安装方向相互垂直。

5.根据权利要求1或2所述的用于环境探测的球形移动机器人，其特征在于，所述横向电机(11)和/或纵向电机(19)上设有测速码盘，所述测速码盘与控制器电连接。

6.根据权利要求1所述的用于环境探测的球形移动机器人，其特征在于，所述球壳端盖(1)内设置无线充电接收模块(23)，且所述无线充电接收模块(23)与固定设置在主梁(7)上的锂电池(24)电连接。