基于电磁控制的两栖椭球形机器人的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种基于电磁控制的两栖椭球形机器人。椭球形壳体分为两半后，两个椭球形壳体断开截面处各安装有电动机和螺旋桨。球壳在两端直接与两个电动机相连。在陆地上运动时，通过电磁装置控制配重实现转向运动；通过控制电动机实现前后运动。通过螺旋桨转速不同实现在水中的运动。采用驱动单元驱动球壳和重心偏移混合驱动系统，不仅解决了连接强度的问题，而且运动性能更完善。由电磁装置控制配重从而控制转向，电磁机构带动配重偏移，使机器人重心改变，产生转向力矩，同时采用椭球外壳以使转向更为平稳。下水时，在水中将球打开成为相铰接的两半，打开后的两个半椭球开合面安装有螺旋桨，通过螺旋桨使机器人实现在水中的运动。
【专利说明】基于电磁控制的两栖椭球形机器人
【技术领域】
[0001] 本发明涉及机器人领域，特别涉及一种能实现水陆两栖运动的基于电磁控制的两 栖椭球形机器人。
【背景技术】
[0002] 球形机器人是一种以滚动方式行走的独立运动体，以球形、近似球或碟形为外壳。 目前国内外都已研究出成型的球形机器人，首次设计球形机器人的是芬兰赫尔辛基工业大 学，该机器人内部是一个可在球内滚动的单轮机构，采用单电机内部驱动装置，该设计实现 了球壳的运动，但单轮驱动的固有局限性使其系统无法实现全方位运动。随着机器人研究 的发展，球形机器人也逐渐得到完善，最有代表性的是伊朗的两位学者于2002年研制的球 形机器人August，其内部驱动机构采用一套四根轮辐，每套轮辐包括一个步进电机、一根圆 柱螺杆和一个配重，通过改变重心位置产生驱动力矩实现滚动，只是运动速度较慢，且控制 困难。
[0003] 虽然目前的球形机器人已经具备多种优势，如结构相对简单，驱动装置较易控制， 外形小巧，运动灵活，受干扰小，承载能力较高，但仍存在一些不足，如运动方式仍旧较为单 一，稳定性较差，大多只能在陆地活动。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的在于提供一种基于电磁控制的两栖椭球形机器人，解决了现有技术 存在的上述问题。本发明的基于电磁控制的两栖椭球形机器人不仅可以在复杂的路面上滚 动，而且可以分解成两部分，以实现潜水运动，同时采用的电磁力矩系统使球形机器人运动 更加灵活。本发明机器人可以实现水陆两栖运动，并且可以潜入水中。椭球形壳体分为两 半后，两个椭球形壳体断开截面处各安装有4个电动机和螺旋桨。椭球形壳体在两端直接 与两个电动机相连。机器人在陆地上运动时，通过电磁铁控制配重，使球形机器人实现转向 运动；通过控制所述的2个电动机，实现球形机器人的前后运动。在水中运动时，通过所述 的4个螺旋桨转速不同，实现在水中的运动。
[0005] 本发明的上述目的通过以下技术方案实现： 基于电磁控制的两栖椭球形机器人，椭球形壳体分为两半且之间通过连接装置12铰 接相连，椭球形壳体11与直流电动机I 3的输出轴固定连接于B位置，所述直流电动机I 3 固定在电动机固定座15上，所述电动机固定座15与支撑轴4焊接于A位置；电磁装置5内 固定设置环形电磁铁，同时电磁装置5与支撑轴4之间通过销固定；支撑轴4与花键轴6为 固定连接，电磁装置5通过复位弹簧14与花键套筒16连接，所述花键套筒16与花键轴6 花键连接，在花键轴6上设置挡销17,限制花键套筒16复位时的位置；花键套筒16通过连 杆与配重装置7连接，所述配重装置7内部设有锂电池1 ;花键轴4与圆板9固定连接，电 路板和接收器2、方向传感器8、直流电动机II 13分别固定连接在圆板9上，所述圆板9与 椭球形壳体11固定为一体；螺旋浆10通过直流电动机II 13固定连接在椭球形壳体11后 部。
[0006] 所述的直流电动机II 13为防水电机。
[0007] 本发明采用驱动单元驱动球壳和重心偏移混合驱动系统。机器人启动阶段，由电 控装置--电磁装置5和花键轴6控制配重装置7,当配重装置7转过一定角度(经计算得 出)后，椭球形壳体11便开始转动；由电磁装置5、配重装置7控制转向，当球形机器人转向 时，电磁装置5带动配重装置7偏移，使机器人左右方向重心改变，产生转向力矩，实现转向 功能。为了避免因电磁装置5快速改变配重装置7位置而引发的侧翻现象，特采用椭球外 壳11以使转向更为平稳。
[0008] 本发明的球形机器人，可以在水中将椭球形壳体11打开成为两半，打开后的两个 半椭球后部安装有螺旋桨10,通过螺旋桨10使机器人实现在水中的运动，可以潜入较深的 位置，使球形机器人完全实现两栖功能。
[0009] 本发明的有益效果在于：构思新颖、巧妙，结构简单。不仅可以在复杂的路面上滚 动，而且可以分解成两部分，以实现潜水运动。采用驱动单元驱动球壳和重心偏移混合驱动 系统，既降低了机器人的控制难度，又提高了机器人的转向能力，同时创新的电磁力矩系统 能更方便、快速地改变配重的位置，使球形机器人运动更加灵活、迅速。打开后的两个半椭 圆后部安装有螺旋桨，通过螺旋桨使机器人实现在水中的运动，这样就大幅度提高了机器 人在水中的前进速度，而且其运动不仅局限于水面，使球形机器人完全实现两栖功能，同时 椭球机器人在水中分为两半椭球，螺旋桨外露，比球壳完全封闭动力强很多，平衡和速度也 更易控制，实用性强。
【专利附图】
【附图说明】
[0010] 此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发 明的示意性实例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
[0011] 图1为本发明的整体结构示意图； 图2为本发明的原理示意图； 图3为本发明的配重装置的结构示意图； 图4为图3的侦彳视意图； 图5为本发明的两个半椭球的连接处结构示意图； 图6为本发明的陆地滚动运动分析图； 图7为本发明的直流电动机I附近的局部放大示意图； 图8为本发明的复位弹簧附近的局部放大示意图； 图9为本发明的半椭球立体分解示意图。
[0012] 图中：1、锂电池；2、电路板和接收器；3、直流电动机I ;4、支撑轴；5、电磁装置； 6、花键轴；7、配重装置；8、方向传感器；9、圆板；10、螺旋桨；11、椭球形壳体；12、连接装 置；13、直流电动机II ;14、复位弹簧；15、电动机固定座；16、花键套筒；17、挡销。
【具体实施方式】
[0013] 下面结合附图进一步说明本发明的详细内容及其【具体实施方式】。
[0014] 参见图1至图9,本发明的基于电磁控制的两栖椭球形机器人，椭球形壳体分为两 半且之间通过连接装置12铰接相连，椭球形壳体11与直流电动机I 3的输出轴固定连接 于B位置，所述直流电动机I 3固定在电动机固定座15上，所述电动机固定座15与支撑轴 4焊接于A位置；电磁装置5内固定设置环形电磁铁，同时电磁装置5与支撑轴4之间通过 销固定；支撑轴4与花键轴6为固定连接，电磁装置5通过复位弹簧14与花键套筒16连 接，所述花键套筒16与花键轴6花键连接，在花键轴6上设置挡销17,限制花键套筒16复 位时的位置；花键套筒16通过连杆与配重装置7连接，所述配重装置7内部设有锂电池1 ; 花键轴4与圆板9固定连接，电路板和接收器2、方向传感器8、直流电动机II 13分别固定 连接在圆板9上，所述圆板9与椭球形壳体11固定为一体；螺旋浆10通过直流电动机II 13 固定连接在椭球形壳体11后部。
[0015] 所述的直流电动机II 13为防水电机。
[0016] 参见图1至图6所示，直流电动机I 3、支撑轴4、花键轴6、配重装置7构成电 机配重机构，其中配重装置7中包含锂电池1。机器人在陆地上直线运动时，电机配重机 构发挥作用。直流电动机I 3驱动配重装置7旋转一定角度时，驱动力便不足以使配重 装置7继续上升，椭球形壳体11开始转动，于是便实现了机器人的前后运动。根据配重 的力矩、地面的摩擦以及负载转矩等的共同作用，计算出总质量Y与配重质量Xl的关系， 确保了机器人的运动和本方案的可行。假设摩擦系数是β，负载转矩是T1，运动平衡时 ，为保证球壳转动，则必须满足ΓχΗ <Γ-Γ1 ,最终得到所求关系 iaGsin α >αΓχΓ?。
[0017] 参见图2所示，机器人在陆地上左右转向运动时，电路板和接收器2控制电磁装置 5，电磁装置5通电获得磁性后，对配重装置7产生引力作用，实现配重装置7的运动。当向 左转向时，左侧半球的电磁装置5的电磁铁通电，配重装置7向左移动，右侧电磁铁不通电， 右侧配重装置不动，于是整个机器人重心向左偏移，便实现了机器人先左的转向运动。向右 转向同理。当转向结束时，配重装置7通过复位弹簧14复位。
[0018] 参见图1及图5所示，两栖机器人水下运动时，当机器人潜入水下时，椭球形壳体 11打开为两个半球(连接处参见图5)，这时两个半球尾部的螺旋桨10便暴露在水中，由电 路板和接收器2、方向传感器8来控制直流电动机II 13的转速。通过每个螺旋桨10的转速 不同，从而实现机器人在水中向上、向下、向左和向右的运动。例如，当向下运动时，上排的 螺旋桨转速大于下排，便实现了向下的运动。
[0019] 以上所述仅为本发明的优选实例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术 人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡对本发明所作的任何修改、等同替换、改进等， 均应包含在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1. 一种基于电磁控制的两栖椭球形机器人，其特征在于：椭球形壳体分为两半且之间 通过连接装置（12)铰接相连，椭球形壳体（11)与直流电动机I (3)的输出轴固定连接于B 位置，所述直流电动机I (3)固定在电动机固定座（15)上，所述电动机固定座（15)与支撑 轴（4)焊接于A位置；电磁装置（5 )内固定设置环形电磁铁，同时电磁装置（5 )与支撑轴（4) 之间通过销固定；支撑轴（4)与花键轴（6)为固定连接，电磁装置（5)通过复位弹簧（14)与 花键套筒（16)连接，所述花键套筒（16)与花键轴（6)花键连接，在花键轴（6)上设置挡销 (17)，限制花键套筒（16)复位时的位置；花键套筒（16)通过连杆与配重装置（7)连接，所述 配重装置（7 )内部设有锂电池（1);花键轴（4)与圆板（9 )固定连接，电路板和接收器（2 )、方 向传感器（8)、直流电动机II (13)分别固定连接在圆板（9)上，所述圆板（9)与椭球形壳体 (11)固定为一体；螺旋浆（10)通过直流电动机II (13)固定连接在椭球形壳体（11)后部。
2. 根据权利要求1所述的基于电磁控制的两栖椭球形机器人，其特征在于：所述的直 流电动机II (13)为防水电机。
【文档编号】B60F3/00GK104354551SQ201410614161
【公开日】2015年2月18日 申请日期:2014年11月5日 优先权日:2014年11月5日
【发明者】赵宏伟, 朱宝行, 王昆, 刘彦超 申请人:吉林大学