专利名称：可伸缩的滚筒式机器人装置的制作方法
技术领域：
本发明属于机械技术领域，涉及非电变量的控制或调节系统中有关陆地、水上运载工具的二维行走的控制装置，具体地说是一种可伸缩的滚筒式机器人装置，可用于探测、运输、侦查、娱乐、军事等领域。
背景技术：
目前的滚动机器人几乎都是球形机器人，球形机器人虽然具有比如可以实现零角度转弯等优点，但是因为其与地面之间的接触为点接触，所以驱动力较小而且摩损比较大，对外界力的干扰敏感，稳定性较差。而且一旦球形机器人在运动过程中，遇到半径尺寸足够大的坑沟形障碍时便不能通过，而只能通过采取避障措施绕行。当前，与地面之间的接触为线接触的滚筒式滚动机器人在国内外尚未发现。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有滚动机器人装置存在的技术问题，提出一种结构新颖的滚动机器人，即可伸缩的滚筒式机器人装置，使其仍具有可全向滚动的特点，而且具有更大的驱动力，还具有轴向长度可以伸缩的功能，在遇到大尺寸的坑沟障碍时可以通过改变轴向的尺寸达到越障的目的。同时还提供重心较低的平台，在机器人做滚动的过程中始终作平动运动，处于相对稳定的状态，以实现在平台上安装各种仪器或设备，可以进行不同的实验和测试。
本发明的技术方案是这样实现的该装置是以平台为中心左右对称的结构，它是将两个可以独立旋转的外滚筒、滚筒滚动驱动机构和轴向伸缩机构有机的组合与合理的安装而构成。具体地说，该装置包括外滚筒、平台、滚筒滚动驱动机构和轴向伸缩机构，平台是一个内部非对称的圆柱体，其重心位于滚筒轴线下方，它安装在两个外滚筒之间，并用滚动轴承分别与平台圆柱外表面和外滚筒内表面过盈配合联接，实现它们之间运动的隔离，平台上安装电源、电子驱动电路等装置。滚筒滚动驱动机构与平台和外滚筒联接，通过滚筒滚动驱动机构的工作驱动外滚筒转动。轴向伸缩机构与平台和外滚筒联接，通过轴向伸缩机构的工作，使该机构中的内滚筒沿其轴向方向相对于外滚筒左右移动，实现机器人的轴向伸缩。
上述的可伸缩的滚筒式机器人装置，所说的滚筒滚动驱动机构由旋转电机、行星减速器、联接螺钉、轴承和轴承挡圈组成。其中行星减速器包括小太阳轮、大太阳轮、行星轮、行星架。旋转电机采用中空轴步进电机，它的定子一端通过联接螺钉与平台联接，另一端通过联接螺钉与大太阳轮联接；旋转电机的转子通过联接螺钉与小太阳轮联接。行星轮为双联齿轮，其中一个齿轮与小太阳轮和大太阳轮啮合，另一个齿轮与外滚筒上的内齿圈啮合。行星架分别与行星轮和轴向伸缩机构中的支撑架构成转动副联接。通过上述结构，旋转电机的转动通过行星减速器传递到外滚筒，驱动外滚筒滚动。
上述的可伸缩的滚筒式机器人装置，所说的轴向伸缩机构由支撑架、直线电机、驱动螺母、内滚筒、轴承、轴承挡圈和联接螺钉组成。支撑架为中空零件，内部孔用于走线，保证滚动与伸缩功能可实现统一协调控制。支撑架一端通过联接螺钉与平台固联，中间穿过旋转电机和太阳轮，另一端内表面与直线电机联接，外表面通过轴承与外滚筒支撑。驱动螺母与直线电机的丝杠构成螺旋副，同时通过联接螺钉与内滚筒联接。外滚筒的内壁上加工出滑键，在内滚筒的外壁上加工出与之配合的键槽，使内滚筒与外滚筒只能有轴向方向的相对移动而不会有相对转动。直线电机加电后，驱动螺母沿着直线电机的丝杠左右移动，带动内滚筒沿其轴向方向左右移动，实现机器人的轴向伸缩功能。
本发明与现有技术相比具有如下的优点1.该装置与其他的滚动机器人相比较，外形为滚筒，与地面之间有更长的接触线，因此具有更大的驱动力和承载能力。
2.该装置设计了轴向伸缩机构，提高了机器人越障能力和实用性能。
3.左右两个滚筒转动是完全相对独立的，通过控制两台旋转电机的转速和转向，就可实现该滚筒机器人的直线滚动和转弯等功能，使机器人可到达任意位置，定位性和复位性好。
4.采用中空轴步进电机和中空的支撑架解决了实现伸缩功能的直线电机的电源和控制线的走线问题，使滚动和伸缩功能可实现统一协调控制。
5.滚筒滚动驱动机构中采用行星轮系传动，减速比大，可以在选择较小输出功率电机的情况下获得大的扭矩，有更好的动力性能。
6.可根据不同用途制作成不同尺寸大小的机器人，可形成系列化；其制造和装配简单，成本低廉。
由于本发明具有上述的优点，因此具有广泛的推广应用价值。可面向家庭作为电子管家来对数字家电进行控制，也可以作为电子宠物供人们娱乐；在工业应用上，可作为探索仪器搭载平台用来对行星、沟渠等特殊环境的探索；对企事业单位可用作下班后的保安和巡逻工作；在军事应用上，可用它搭载侦察装置进行侦查，若搭载武器，可完成特殊的战斗任务；在交通运输方面，可作为一种特殊的运载工具，能在柔软的土壤、沙地、雪地或冰面上运行。
图1是本发明的结构组成示意2是本发明的运动原理示意图具体实施方式
参照图1和图2，图1是本发明的结构组成示意图，图2是本发明的运动原理示意图。该可伸缩的滚筒式机器人装置以平台1为中心，左右两部分结构对称，左、右外滚筒运动独立。现以右部分为例对本实施例作以说明。本发明由外滚筒7、平台1、滚筒滚动驱动机构和轴向伸缩机构组成。平台1为内部非对称的圆柱体，其重心位于滚筒轴线下方，平台1为左右两部分的联接件，其内部安装电源、控制器等。轴承18分别与平台1圆柱外表面和外滚筒7内表面过盈配合，实现它们之间运动的隔离。滚筒滚动驱动机构包括旋转电机2、行星减速器、联接螺钉16、11和14、轴承挡圈17和轴承18。其中行星减速器包括大太阳轮3、行星轮4和4’、行星架5和小太阳轮6。旋转电机2为中空轴步进电机，它的定子一端通过联接螺钉16与平台1联接，另一端通过联接螺钉14与大太阳轮3联接；旋转电机2的转子通过联接螺钉11与小太阳轮6联接。行星轮由双联齿轮4和4’组成，其中行星轮4与小太阳轮6和大太阳轮3啮合，行星轮4’与外滚筒7上的内齿圈啮合。行星架5分别与行星轮4、4’和轴向伸缩机构中的支撑架15构成转动副联接。通过上述结构装置，旋转电机2的转动通过行星减速器传递到外滚筒7，驱动外滚筒7滚动。轴向伸缩机构由支撑架15、直线电机8、驱动螺母10、内滚筒9、轴承13、轴承挡圈12和联接螺钉11组成。支撑架15为中空零件，内部孔用于走线，一端通过联接螺钉与平台1固联，中间穿过旋转电机2和小太阳轮6，另一端内表面与直线电机8联接，外表面通过轴承13与外滚筒7支撑。驱动螺母10与直线电机8的丝杠构成螺旋副，同时通过联接螺钉11与内滚筒9联接。外滚筒7的内壁上加工出滑键，在内滚筒9的外壁上加工出与之配合的键槽，使内滚筒9与外滚筒7只能有轴向方向的相对移动而不会有相对转动。通过上述结构，当直线电机8加电后，驱动螺母10沿着直线电机8的丝杠左右移动，带动内滚筒9沿其轴向方向左右移动，实现机器人的轴向伸缩功能。
本发明实施例的具体实施过程为当滚筒式机器人需要实现直线运动时，根据运动参数分别启动两个旋转电机2，使它们具有完全相同的转速和方向，旋转电机2的转动通过小太阳轮6、行星轮4和4’、大太阳轮3和固定在外滚筒7上的内齿圈传递到外滚筒7上，驱动外滚筒7滚动。这时机器人就沿其轴线方向的垂线方向做直线运动，同时改变两个旋转电机2的转速就可以实现机器人运动速度的调节。
当滚筒式机器人需要实现转弯运动时，根据运动参数分别启动两个旋转电机2，只要它们的转速、方向不同，机器人就可以实现转弯的功能。在这种情况下旋转电机2的转动通过小太阳轮6、行星轮4和4’、大太阳轮3和固定在外滚筒7上的内齿圈传递到外滚筒7上，驱动外滚筒7滚动。因为两个旋转电机2具有不同的转速、方向，因此左右两个外滚筒7的转速、方向不一样，这样左右两个外滚筒7之间产生了相对速度差，因此机器人可实现转弯。按照需要的运动参数调节两个旋转电机2的转速、方向就可以实现机器人以不同的转弯半径完成转弯动作。
当机器人需要实现原地自旋动作时，根据运动参数分别启动两个旋转电机2，使它们具有完全相同的转速和相反的方向，旋转电机2的转动通过小太阳轮6、行星轮4和4’、大太阳轮3和固定在外滚筒7上的内齿圈传递到外滚筒7上，驱动左右两个外滚筒7滚动。这时左右两个外滚筒转速大小相等、方向相反，机器人就做原地自旋运动，保证了全向滚动的实现。调节两个旋转电机2的转速就可以改变机器人原地自旋的时间。
当机器人在运动过程中遇到大于自身轴向尺寸的坑沟障碍时，机器人预先通过传感器感知，通过控制系统使直线电机8加电带动驱动螺母10和内筒9沿轴线伸出，可越过障碍物。越过障碍物后可以根据需要，直线电机8反转，带动驱动螺母10和内筒9回缩。
在实际运动过程中，根据需要该机器人的运动可为上述运动的任意组合，最终到达指定位置。
上述功能在虚拟样机设计和仿真中已得到了验证。
权利要求
1.可伸缩的滚筒式机器人装置，其特征在于该装置包括外滚筒(7)、平台(1)、滚筒滚动驱动机构和轴向伸缩机构，平台(1)是一个内部非对称的圆柱体，其重心位于滚筒轴线下方，它安装在两个外滚筒(7)之间，并用滚动轴承(18)分别与平台(1)的圆柱外表面和外滚筒(7)的内表面过盈配合联接，实现它们之间运动的隔离，平台(1)上安装电源、电子驱动电路等装置，滚筒滚动驱动机构与平台(1)和外滚筒(7)联接，通过滚筒滚动驱动机构的工作驱动外滚筒(7)转动；轴向伸缩机构与平台(1)和外滚筒(7)联接，通过轴向伸缩机构的工作，使该机构中的内滚筒(9)沿其轴向方向相对于外滚筒(7)左右移动，实现机器人的轴向伸缩。
2.根据权利要求1所述的可伸缩的滚筒式机器人装置，其特征在于所说的滚筒滚动驱动机构由旋转电机(2)、行星减速器、联接螺钉(16)、(11)和(14)、轴承(18)和轴承挡圈(17)组成，其中行星减速器包括小太阳轮(6)、行星轮(4)和(4’)、行星架(5)和大太阳轮(3)；旋转电机(2)采用中空轴步进电机，它的定子一端通过联接螺钉(16)与平台(1)联接，另一端通过联接螺钉(14)与大太阳轮(3)联接；旋转电机(2)的转子通过联接螺钉(11)与小太阳轮(6)联接；行星轮中的齿轮(4)与小太阳轮(6)和大太阳轮(3)啮合，齿轮(4’)与外滚筒(7)上的内齿圈啮合，行星架(5)分别与行星轮(4)、(4’)和轴向伸缩机构中的支撑架(15)构成转动副联接，通过上述结构装置，旋转电机(2)的转动通过行星减速器传递到外滚筒(7)，驱动外滚筒(7)滚动。
3.根据权利要求1所述的可伸缩的滚筒式机器人装置，其特征在于所说的轴向伸缩机构由支撑架(15)、直线电机(8)、驱动螺母(10)、内滚筒(9)、轴承(13)、轴承挡圈(12)和联接螺钉(11)组成，支撑架(15)为中空零件，内部孔用于走线，支撑架(15)的一端通过联接螺钉与平台(1)固联，中间穿过旋转电机(2)和小太阳轮(6)，另一端内表面与直线电机(8)联接，外表面通过轴承(13)与外滚筒(7)支撑，驱动螺母(10)与直线电机(8)的丝杠构成螺旋副，同时通过联接螺钉(11)与内滚筒(9)联接；外滚筒(7)的内壁上加工出滑键，在内滚筒(9)的外壁上加工出与之配合的键槽，使内滚筒(9)与外滚筒(7)只能有轴向方向的相对移动而不会有相对转动，直线电机(8)加电后，驱动螺母(10)沿着直线电机(8)的丝杠左右移动，带动内滚筒(9)沿其轴向方向左右移动，实现该机器人装置的轴向伸缩。
全文摘要
本发明公开了一种可伸缩滚筒式机器人装置，它属于机械技术领域，涉及一种非电变量的控制或调节系统的控制装置，其目的是提出一种结构新颖的滚动机器人，使其仍具有可全向滚动的特点，也具有更大的驱动力，还具有轴向长度可以伸缩的功能，可通过坑沟的障碍。该装置包括外滚筒、平台、滚筒滚动驱动机构和轴向伸缩机构，平台安装在两个外滚筒之间，用滚动轴承与其联接，实现它们之间运动的隔离。滚筒滚动驱动机构与平台和外滚筒联接，控制外滚筒的转动。轴向伸缩机构与平台和外滚筒联接，通过该机构的工作，使其中的内滚筒沿其轴向方向相对于外滚筒左右移动，实现机器人的轴向伸缩。本发明可广泛用于探测、运输、侦查、娱乐、军事等领域。
文档编号B25J11/00GK1799787SQ20061004166
公开日2006年7月12日 申请日期2006年1月13日 优先权日2006年1月13日
发明者李团结, 张学锋, 张琰 申请人:西安电子科技大学