专利名称：结构简化的全方位运动球形机器人的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种结构简化的全方位运动球形机器人，属于机电一体化技术领 域。可用于环境探测、设备诊断、军事侦查、外星探险、家庭娱乐等领域。
背景技术：
球形机器人是一种具有球形外壳，以滚动运动为主要运动方式的智能机器 人。它既具有像轮式移动机器人的快速行走能力，又能像腿式机器人一样，在不 平整的复杂地形中运动，并且运动连续性强，方向可控性良好，是一种十分理想 的运动载体。第一台具有真正意义上的球形机器人运动机构是由Halme等人于1996年提 出来的(参见《Motion Control of A Spherical Mobile robot》，Proceedings of AMC'96-MIE， IEEE, 1996:259-264)，该运动机构在球壳内设置了一个驱动轮， 由电机驱动其在球壳内滚动，通过改变球体的重心实现机器人的直线运动，但缺 点是不能改变运动方向。此后，国内外不断出现各种新的球形机器人装置，其中 的几种球形机器人方案颇具代表性。Roball是Francois Michaud等人于2001年提出的一种球形机器人方案(参 见《Autonomous Spherical Mobile Robot for Child Development Studies》，IEEE Transactions on Systems, Man, and Cybernetics, 35(4):1-10;相近的国内专利号为 01241360.7的实用新型《球形机器人》)，它在过球心的主轴上悬挂重物，通过安 装在主轴上的电机驱动球壳作直线前后运动，通过驱动重物左右偏移使球体左右 倾转以实现机器人转向。该方案控制简单，但两个电机必须分别克服球壳的转动 惯量和重物的转动惯量，因而对电机组件的扭矩等要求较高；同时，由于两个电 机分别安装在主轴上，传动机构相对复杂，且在同等质量下球体重心较高。申请号为200510011953.9的《全方位运动球形机器人》，在球壳内部有一个不与球壳固连的运动机构，它通过独轮滚动装置在球壳内滚动，推动球体作直线 运动，通过改变独轮滚动装置相对支撑机构的朝向来实现机器人的全方位运动。 该方案结构简洁，安装方便，但独轮滚动装置与球壳的滚动接触由运动机构的自 重来保证，因而抗振性能不足；同时，由于球体运动的随机性，球壳上无固定接 口，不能在外部搭载附属件，在进行充电、维护等工作时必须打开球壳，球体的 密封性受到影响。专利号为02128933.6的《改进的球形机器人全方位行走装置》，在球壳内有 一圆环，两头伸出两根支撑短轴，圆环上有一电机通过齿轮啮合带动圆环与球壳 作相对滚动；圆环内与短轴垂直的方向上放置一根长轴，长轴中心设有配重块，圆环上另一电机通过齿轮啮合驱动球壳与配重块作绕长轴的相对滚动。该方案结 构较复杂、重心较高，难以在外部搭载附属件，充电与维护等工作存在难度。总体看来，现有的球形机器人方案各有千秋，但大都存在着结构复杂、工程 实现较难、实用性较低的不足。特别是，有些装置的转向运动与前进运动耦合，使得球体内部驱动机构的状态或姿态不确定，加大了控制难度；球体重心较高， 使得爬坡与越障能力不足；无外部固定接口或不能在球壳外搭载附件，造成充电 与维护困难，并限制各种环境探测传感器和机械手的有效使用，降低了球形机器 人的实用性。上述问题在很大程度上限制了球形机器人的推广应用。发明内容本发明的目的是提出一种结构新颖、控制简单、稳定性好、实用性强、具 有良好的抗振动和抗冲击性能，且能全方位运动、可在球壳外搭载附件的球形机 器人结构方案，克服现有方案的不足。本发明的技术解决方案是结构简化的全方位运动球形机器人，由球壳及其 内部的行走驱动装置组成。其中，行走驱动装置包括处于竖直状态的圆弧架，在 其外侧两边沿直径方向对称固连一对短轴，短轴过球心并经轴承与球壳形成转动 幅；圆弧架的下方固连一个直线行走机构，该机构由行走电机、主轮、配重组成，主轮在行走电机的驱动下沿球壳内侧滚动，使球体重心前后移动从而推动球体直 线运动；圆弧架的上侧有转向控制机构，该机构为包含小轮的质量小车，质量小 车在其内部电机的驱动下由小轮带动沿圆弧架上侧凹槽运动，使球体重心左右偏 移从而实现球形机器人的转向控制。 该方案的优点是1) 结构简单，成本较低，易于实现；2) 重心远离球心并始终处于球体下方，因而系统稳定性好、响应速度快， 可实现爬坡、坡面上定点静止等运动模式；3) 两个电机分别控制球体的直线运动和转向运动，控制方式解耦，可实现 球形机器人全方位运动和小半径转向；同时，轮式驱动方式对电机扭矩等特性的 要求降低，易于电机选型；4) 若在直线行走机构和质量小车内部分别设有调节主轮与球壳、质量小车 与圆弧架接触力的压力调节器，可有效改善球形机器人的运动抗振性；5) 转向控制机构中质量小车的运动范围限于圆弧架，因而所有电气部件之 间的连线不会出现缠绕情况，无需借助电气滑环，有利于集中统一控制；6) 若将圆弧架在其外侧两边沿直径方向对称固连的一对短轴设置为空心短 轴并伸出球壳，则可搭载附件(用于装载摄像头、各种姿态或环境传感器、机械 手、天线、电池、充电接口、配重等)，从而提高球形机器人的实用价值；7) 当在球壳外部包裹轻质的冲气密封材料时，球壳外径变大，可提高球形 机器人水面行走能力和抗冲击性能。
图l是本发明的一个实施例l的整体结构剖视示意图。图2是本发明的一个实施例2的整体结构剖视示意图。 图中标记名称1、.球壳，2、基座，3、短轴，4、轴承，5、圆弧架，6、行走电 机，7、主轮，8、配重，9、附件，10、小轮，11、行程限制器，12、质量小车，13、 V形架，14、圆形块，15、压力调节器，16、连杆。
具体实施方式
本发明的实施例1如图1所示。结构简化的全方位运动球形机器人，由球壳 l及其内部的行走驱动装置组成。其中，行走驱动装置包括处于竖直状态的圆弧 架5，在其外侧两边沿直径方向对称固连一对短轴3，短轴3过球心并经轴承4 与球壳1形成转动幅；圆弧架5的下方固连一个直线行走机构，该机构由行走电 机6、主轮7、配重8组成，主轮7在行走电机6的驱动下沿球壳1内侧滚动， 使球体重心前后移动从而推动球体直线运动；圆弧架5的上侧有转向控制机构， 该机构为包含小轮10的质量小车12，质量小车12在其内部电机的驱动下由小 轮10带动沿圆弧架5上侧凹槽运动，使球体重心左右偏移从而实现球形机器人 的转向控制。在本例中，质量小车12内部设有压力调节器，以保证质量小车12 在圆弧架5上运动时具有合适的接触力。本发明的实施例2如图2所示。直线行走机构与实施例1相同，转向控制机 构由包含小轮10的质量小车12、与圆弧架5两端固连的V形架13、位于V形 架13下部的圆形块14、 一端绕圆形块14中心转动另一端连接质量小车12的连 杆16组成。质量小车12在其内部电机的驱动下由小轮10带动沿圆弧架5上侧 凹槽运动，使球体重心左右偏移从而实现球形机器人的转向控制。在本例中，连 杆16设有压力调节器15，以保证质量小车12在圆弧架5上运动时具有合适的 接触力。在本发明的所有实施例中，配重8可以是电池、电路板等。此外，主轮7与球壳1之间、质量小车12与圆弧架5之间呈轮式接触或齿式啮 合。为防止脱落，质量小车12与圆弧架5之间构成包裹式等防脱落约束。此外，直线行走机构内部设有压力调节器，以保证主轮7在球壳1内滚动时 具有合适的接触力。此外，两根短轴3可为空心并伸出球壳，以固连或悬挂的方式搭载附件9(用 于装载摄像头、传感器、机械手、天线、电池、配重及扩展接口等)。此外，球壳1外部可包裹轻质的冲气密封材料，使球壳外径增大，从而提高 球形机器人水面行走能力和抗冲击性能。
权利要求
1、一种结构简化的全方位运动球形机器人，由球壳(1)及其内部的行走驱动装置组成，其特征在于行走驱动装置包括处于竖直状态的圆弧架(5)，在其外侧两边沿直径方向对称固连一对短轴(3)，短轴(3)过球心并经轴承(4)与球壳(1)形成转动幅；所述圆弧架(5)的下方固连一个直线行走机构，该机构由行走电机(6)、主轮(7)、配重(8)组成，主轮(7)在行走电机(6)的驱动下沿球壳(1)内侧滚动，使球体重心前后移动从而推动球体直线运动；所述圆弧架(5)的上侧有转向控制机构，该机构为包含小轮(10)的质量小车(12)，质量小车(12)在其内部电机的驱动下由小轮(10)带动沿圆弧架(5)上侧凹槽运动，使球体重心左右偏移从而实现球形机器人的转向控制。
2、 根据权利要求1所述的结构简化的全方位运动球形机器人，其特征在于-. 所述直线行走机构含有调节主轮(7)与球壳(1)接触力的压力调节器。
3、 根据权利要求1所述的结构简化的全方位运动球形机器人，其特征在于 所述圆弧架(5)两端设有质量小车(12)的行程限制器(11)。
4、 根据权利要求1所述的结构简化的全方位运动球形机器人，其特征在于 所述质量小车(12)与圆弧架(5)之间构成防脱落约束。
5、 根据权利要求1和4所述的结构简化的全方位运动球形机器人，其特征在 于所述质量小车(12)含有调节其与圆弧架(5)接触力的压力调节器。
6、 根据权利要求1-4任一所述的结构简化的全方位运动球形机器人，其特征 在于所述转向控制机构还包括与圆弧架(5)两端固连的V形架(13)、位于V形 架(13)下部的圆形块(14)、 一端绕圆形块(14)中心转动另一端连接质量小车(12) 的连杆(16)，并且连杆(16)设有调节质量小车(12)与圆弧架(5)接触力的压 力调节器(15)。
7、 根据权利要求1所述的结构简化的全方位运动球形机器人，其特征在于 所述短轴(3)为空心，并伸出球壳(1)以搭载附件(9)。8、根据权利要求1所述的结构简化的全方位运动球形机器人，其特征在于: 所述球壳(1)外部包裹轻质的冲气密封材料或减振材料。
全文摘要
本结构简化的全方位运动球形机器人，涉及球形机器人技术领域。其行走驱动装置包括处于竖直状态的圆弧架(5)，在其外侧两边沿直径方向对称固连一对短轴(3)，短轴过球心并经轴承与球壳形成转动幅；圆弧架的下方固连一个直线行走机构，该机构由行走电机(6)、主轮(7)、配重(8)组成，主轮在行走电机的驱动下沿球壳内侧滚动，驱动球体作直线运动；圆弧架的上侧有转向控制机构，该机构为包含小轮(10)的质量小车(12)，质量小车在其内部电机的驱动下由小轮带动沿圆弧架上侧凹槽运动，使球体重心左右偏移，从而实现球形机器人的转向控制。本发明结构简单，控制方便，运动灵活，稳定性好，具有搭载附件的能力。
文档编号B62K1/00GK101229833SQ200810020280
公开日2008年7月30日 申请日期2008年2月28日 优先权日2008年2月28日
发明者涛 吴, 吴惠祥, 斌 姜, 挺 方, 忠 杨, 董荣俊 申请人:南京航空航天大学