双模式球形机器人机构及行走方法与流程

本发明涉及球形机器人机构，具体为一种双模式球形机器人机构及行走方法。

背景技术：

球形机器人比其他运动方式能更灵敏地转向，球形装置可迅速调整运行状态，进行连续工作，具有很强的恢复能力。

根据驱动原理不同，目前球形机器人的驱动方式有两种驱动方法，第一种是偏心质量驱动方法，第二种是转子驱动方法。

在利用偏心质量方法驱动的球形机器人中，较有代表性的是北京航空航天大学研制的球形机器人bhq-2，它通过不断的调整和改变机器人的重心位置，产生偏心力矩克服摩擦阻力矩使机器人滚动；类似的，北京邮电大学研制的球形机器人byq-iii，它可以通过内部机构绕水平轴的转动产生偏心力矩使机器人前后滚动。

偏心质量方法驱动的球形机器人能精准的到达目标位置，但如果起点位置离目标位置远时，由于该驱动方式适用于低速运动，所花费的时间较多，效率会降低。

在利用转子方法驱动的球形机器人中，较有代表性的是上海交通大学研制的全对称球形机器人，它是通过分别调节两电机的正转、反转和起停实现球形机器人的运动。

转子驱动方法适用于高速转动，可保证球形机器人快速的到达目标位置附近，效率高，但容易受到干扰，且定位点的稳定性较差，因而不易精准到达目标位置。

现有的球形机器人目前能实现偏心质量驱动模式或转子驱动模式其中一种，这两种模式未实现任意切换，因而不易同时实现快速和精准到达目标位置。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是提出了一种可实现高速转子模式与低速偏心质量块模式相互切换的双模式球形机器人机构及行走方法。

能够解决上述技术问题的双模式球形机器人机构，其技术方案包括外球壳以及设于外球壳内的外球壳行走驱动元件，所不同的是所述外球壳行走驱动元件包括同心设于外球壳下半球壳内的半内球壳以及设于外球壳上半球壳内圆周均布的三个正交单排全向轮，所述半内球壳与外球壳之间通过均布的牛眼轮滚动接触，三个单排全向轮通过对应轮架安装于半内球壳顶部的支撑板上并与外球壳的内球壳面摩擦接触，各轮架上设有驱动对应单排全向轮的步进电机以及检测对应单排全向轮转动状态的编码器；所述半内球壳内的垂直中轴线上设有光栅尺，所述光栅尺上对称设有质心处于半内球壳中轴线上的配重块，两配重块通过齿轮齿条传动副在光栅尺上作升降移动，所述配重块上设有感应光栅尺以检测配重块质心与球心重合或偏离的读数头。

进一步，所述齿轮齿条传动副包括设于光栅尺左侧面或右侧面上的齿条和与齿条啮合的齿轮，两配重块对应于齿轮设于光栅尺的前侧和后侧，所述齿轮的轮轴两端安装于前、后配重块内侧面内，所述读数头设于前或后配重块的内侧面上，前、后配重块的外侧面上设有同步驱动齿轮两端轮轴的伺服电机和外形、质量与伺服电机相同的支撑短轴，所述伺服电机和支撑短轴安装于框架的前、后架板上，框架的右或左架板与光栅尺的右或左侧面之间形成导向滑动副。

再进一步，所述光栅尺的下端安装于半内球壳的底部，光栅尺的上端穿过支撑板的通口与三个单排全向轮上方的支撑架连接，所述支撑架的三个脚撑分别安装于对应的轮架上。

更进一步，所述通口开设于支撑板中央拱起的半球形架顶部，各轮架通过对应轮座安装在半球形架的对应位置上。

为保证球形机器人停止状态下的稳定性，所述半内球壳上设有当球形机器人停止时使配重块向下移动至最低位置的复位开关。

上述双模式球形机器人机构的行走方法，是通过驱动三个单排全向轮和移动配重块的上、下位置而实现球形机器于人转子模式和偏心模式间的切换即高速模式与低速模式间的切换，其行走方式为：

1、配重块移动到使球形机器人质心与球心重合位置时，球形机器人可在三个单排全向轮的高速旋转驱动下快速行走。

2、配重块向下移动至使球形机器人质心与球心偏心的位置时，在重力作用下半内球壳产生小角度的摆动，在三个单排全向轮的慢速旋转驱动下实现球形机器人的低速运动。

3、当球形机器人到达目标位置后，启动复位开关使配重块下降到最低位置即使质心降到最低，从而实现球形机器人停止后更加稳定。

本发明的有益效果：

1、本发明通过配重块的向上调节，当球形机器人质心与外球壳和半内球壳的球心重合时，球形机器人处于高速转子模式，从而实现了球形机器人高速运动，可快速到达目标位置附近。

2、本发明通过配重块的向下调节，当球形机器人质心与外球壳和半内球壳的球心偏离时，球形机器人处于低速偏心质量块模式，质心的偏置可以使半内球壳在重力作用下产生角度很小的摆动，从而实现球形机器人的低速运动，使球形机器人更加准确的到达目标位置。

附图说明

图1为本发明一种实施方式的立体结构示意图。

图2为图1实施方式的内部结构图。

图3为图1实施方式的的剖视图。

图4为图3的a向视图。

图号标识：1、外球壳；2、半内球壳；3、单排全向轮；4、轮架；5、支撑板；6、编码器；7、光栅尺；8、配重块；9、读数头；10、牛眼轮；11、步进电机；12、齿条；13、齿轮；14、伺服电机；15、框架；16、支撑架；17、半球形架；18、复位开关；19、支撑短轴。

具体实施方式

下面结合附图所示实施方式对本发明的技术方案作进一步说明。

本发明双模式球形机器人机构，其结构包括外球壳1、半内球壳2和外球壳行走驱动元件以及质心调节组件。

所述半内球壳2同心设于外球壳1的下半球壳内，半内球壳2的外球壳面上均布多个牛眼轮，使得半内球壳2与外球壳1之间滚动连接，半内球壳2的上口覆盖有环形支撑板5，所述支撑板5的中央环孔处设有上拱的半球形架17，所述半球形架17的顶部开设有通口，如图1、图2、图3所示。

所述外球壳行走驱动元件包括设于外球壳1上半球壳内圆周均布(水平面内)的三个单排全向轮3，三个单排全向轮3通过对应轮架4安装并与外球壳1的内球壳面摩擦接触，各轮架4通过对应的轮座于半球形架17的对应位置上安装，三个单排全向轮3正交即三个单排全向轮3的回转中心线向上相交于一点，该点处于垂直的球心轴线上，各轮架4上设有驱动对应单排全向轮3的步进电机11以及检测对应单排全向轮3转动状态的编码器6，如图1、图2、图3所示。

所述质心调节组件包括光栅尺7和配重块8以及读数头9，所述光栅尺7竖直设于外球壳1的上半球壳和半内球壳2内并处于垂直支撑板5且过球心的轴线上，所述光栅尺7的底部固定安装于半内球壳2的底部，光栅尺7的中部通过半球形架17的通口，光栅尺7的顶部安装于三个单排全向轮3上方的支撑架16底部，所述支撑架16的三个脚撑分别向下安装于对应的轮架4上，光栅尺7的左侧面上设有齿条12与齿条12啮合的是光栅尺7左侧面上的齿轮13；两配重块8对应于齿轮13设于光栅尺7的前侧和后侧，两配重块8的质心处于垂直球心轴线上，所述齿轮13的轮轴两端分别通过轴承安装于前、后配重块8的内侧面内，所述读数头9设于前或后配重块8的内侧面上与光栅尺7前或后侧面相对，前、后配重块8的外侧面上设有驱动齿轮13一端轮轴的伺服电机14和外形、质量与伺服电机14相同的支撑短轴19，所述伺服电机14和支撑短轴19安装于框架15的前、后架板上，框架15的右架板与光栅尺7的右侧面之间形成导向滑动副，光栅尺7底部旁的半内球壳2底部设有复位开关18，如图3、图4所示。

上述结构中，配重块8上、下升降移动的具体位置可通过读数头9对光栅尺7的读数获得，通过读数头9所读得配重块8的具体位置即可计算出球形机器人质心位置。

本发明双模式球形机器人机构行走方法，包括两种行走方式，分别为：

1、配重块8移动到使球形机器人质心与球心重合位置时，球形机器人可在三个单排全向轮3的高速旋转驱动下快速行走。

2、配重块8向下移动至使球形机器人质心与球心偏心的位置时，在重力作用下半内球壳2会产生一个小角度的摆动，在三个单排全向轮3的慢速旋转驱动下实现球形机器人的低速运动。

3、当球形机器人到达目标位置后，启动复位开关18使配重块8下降到最低位置即使质心降到最低，从而实现球形机器人停止后更加稳定。