专利名称：全向运动球形机器人的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种全向运动球形机器人，属于机电一体化技术领域，具体涉及 一种球形机器人，可用于环境探测、军事侦查、外星探险、家庭娱乐等领域。
技术背景球形机器人是一种新型结构的滚动行走机器人，具有运动速度快、越野性能 好、控制相对简单等特点，逐渐成为国内外智能机器人研究领域的热点之一。第 一台真正的球形机器人是芬兰Hakne等人在1996年设计的(参见《Motion Control ofA Spherical Mobile robot》，Proceedings of AMC，96-MIE， IEEE， 1996:259-264)， 他们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，但不能静止原地转向，并且两个电机 必须分别克服球壳与重物的转动惯量，因而对电机组件的驱动能力要求较高；同 时，当主轴伸出球壳外时，必须考虑倾斜转弯可能的触地问题。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，由于球体滚动的随机性，球壳上无固定接 口，不能在外部搭载附属件，因而在充电和维护时必须打开球壳，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，不能在任意点原地转向，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不确定，加大了控制难度；极少能在任意点原地转 向，限制了机器人在狭窄而曲折空间内的使用，且未见球壳相对地面的原地转向 方式；无外部固定接口或不能在球壳外搭载附件，造成实际使用中调试、充电与 维护困难，同时限制了各种环境探测传感器和机械手的有效使用。 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，且能全向运动并在任意点原地转向、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全向运动球形机器人，由球壳及其内部的行走驱 动装置组成。该行走驱动装置包括水平圆环和垂直固连于水平圆环下侧的半圆 架；水平圆环沿其直径方向外侧对称固连一对短轴，短轴沿球体直径方向经轴承 与球壳形成转动副；半圆架的下方固连一个直线行走机构，该机构由行走电机、 主轮和配重组成，主轮在行走电机驱动下沿球壳内侧滚动，通过前后移动球体重 心推动球体直线运动；半圆架的上方安装有转向控制机构，该机构由转向电机、
水平杆和连接在水平杆两端的质量块组成，水平杆与质量块在转向电机的驱动下 绕半圆架的几何中心线转动，引起球壳反向转动从而改变球体的运动方向。 该方案的优点是
1) 驱动机构简洁，重心处于球体的下方，稳定性好、系统响应速度快；
2) 两个电机分别驱动球体的直线运动和转向运动，控制方式解耦，可实现 球形机器人全向行走和任意点原地转向；
3) 直线行走机构若设有调节主轮与球壳接触力的压力调节器，质量块与水 平圆环之间若构成防脱落约束，可有效改善球形机器人的运动抗振性；
4) 当转向电机竖直固连于半圆架上侧的最下端，所述转向控制机构还包括 一根一端与电机轴相连，另一端与水平杆垂直固连的转轴。此时所有电气部件均 没有相对运动，因而相互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；
5) 若将水平圆环沿其直径方向外侧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、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；
6) 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；
7) 以水平圆环为基准可设有工作平面。
图1为本发明的实施例1的整体结构俯视示意图。
图2为实施例1的前视示意图。
图3为本发明的实施例2的整体结构俯视示意图。
图4为实施例2的前视示意图。
图5为本发明的实施例3的整体结构俯视示意图。
图6为实施例3的前视示意图。
图中标记名称1、球壳，2、基座，3、短轴，4、轴承，5、水平圆环，6、
半圆架，7、行走电机，8、主轮，9、配重，10、附件，11、转向电机，12、联 轴器，13、水平杆，14、质量块，15、小轮，16、转轴，17、质量盘或有辐条的 质量环，18、压力调节器。
具体实施方式
如图l、图2所示，本发明的实施例l是全向运动球形机器人，由球壳l
及其内部的行走驱动装置组成。其行走驱动装置包括水平圆环5和垂直固连于水 平圆环5下侧的半圆架6;水平圆环5沿其直径方向外侧对称固连一对短轴3， 短轴3沿球体直径方向经轴承4与球壳1形成转动副；半圆架6的下方固连一个 直线行走机构，该机构由行走电机7、主轮8和配重9组成，主轮8在行走电机 7驱动下沿球壳1内侧滚动，通过前后移动球体重心推动球体直线运动；半圆架 6的上方安装有转向控制机构，该机构由竖直固连于半圆架6上侧最下端的转向 电机11、 一端经连轴器12与电机轴连接另一端与水平杆13垂直固连的转轴16、 及连接在水平杆13两端的质量块14组成；其中，水平杆13与质量块14在转向 电机11的驱动下绕半圆架6的几何中心线转动，引起球壳1反向转动从而改变 球体的运动方向。
如图3、图4所示，本发明的实施例2是直线行走同实施例l，转向控制 机构由竖直固连于半圆架6上侧最下端的转向电机11、取代水平杆13与质量块 14组合体的有辐条的质量环17、一端经连轴器12与电机轴连接另一端与质量环 17的辐条垂直固连的转轴16组成。
如图5、图6所示，本发明的实施例3是直线行走同实施例l，转向控制 机构由水平杆13及其两端含有小轮15的质量块14组成，转向电机11安装于质 量块14内部，用以驱动小轮15沿水平圆环5运动；其中，水平杆13设有调节 小轮15与凹槽接触力的压力调节器18。
关于本发明的各种实施例，还有如下说明
1) 配重9可以是电池、电路板等。
2) 直线行走机构内部设有压力调节器，以保证主轮8在球壳1内滚动时具有合适的接触力。
3) 质量块14、或者质量盘或有辐条的质量环17与水平圆环5之间构成防 脱落约束。
4) 主轮8与球壳1之间、质量块14与水平圆环5之间呈轮式接触或齿式啮 合；并且在实施例1和2中，质量块14或者质量盘或质量环17与水平圆环5 之间亦可为滑动接触或含滚珠的滚动接触。
5) 转向控制机构中水平杆13与质量块14的组合体，或者质量盘或有辐条 的质量环17，其质量分布绕半圆架6的几何中心线中心对称。
6) 两根短轴3可为空心并伸出球壳，以固连或悬挂方式搭载附件IO (用于 装载摄像头、传感器、天线、电池、配重、扩展接口等)。
7) 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。
8) 该球形机器人工作时，内部的水平圆环5倾斜较小，可以其为基准设置 工作平面，用来放置仪器和设备。
权利要求1、一种全向运动球形机器人，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水平圆环(5)和垂直固连于水平圆环(5)下侧的半圆架(6)；所述水平圆环(5)沿其直径方向外侧对称固连一对短轴(3)，短轴(3)沿球体直径方向经轴承(4)与球壳(1)形成转动副；所述半圆架(6)的下方固连一个直线行走机构，该机构由行走电机(7)、主轮(8)和配重(9)组成，主轮(8)在行走电机(7)驱动下沿球壳(1)内侧滚动，通过前后移动球体重心推动球体直线运动；所述半圆架(6)的上方安装有转向控制机构，该机构由转向电机(11)、水平杆(13)和连接在水平杆(13)两端的质量块(14)组成，水平杆(13)与质量块(14)在转向电机(11)的驱动下绕半圆架(6)的几何中心线转动，引起球壳(1)反向转动从而改变球体的运动方向。
2、 根据权利要求l所述的全向运动球形机器人，其特征在于所述直线行 走机构含有调节主轮(8)与球壳(1)接触力的压力调节器。
3、 根据权利要求l所述的全向运动球形机器人，其特征在于所述水平圆 环(5)设有防止质量块(14)脱出的凹槽。
4、 根据权利要求1-3所述的任一全向运动球形机器人，其特征在于所述 转向电机(11)竖直固连于半圆架(6)上侧的最下端，所述转向控制机构还包 括一根一端与电机轴相连，另一端与水平杆(13)垂直固连的转轴(16)。
5、 根据权利要求4所述的全向运动球形机器人，其特征在于所述水平杆 (13)与质量块(14)的组合体，为质量盘或有辐条的质量环(17)。
6、 根据权利要求卜3所述的任一全向运动球形机器人，其特征在于所述 转向电机(11)安装于质量块(14)的内部，用以驱动小轮(15);且水平杆(13) 设有调节小轮(15)与水平圆环(5)接触力的压力调节器(18)。
7、 根据权利要求1所述的全向运动球形机器人，其特征在于所述的短轴 (3)为空心并伸出球壳(1)以搭载附件(10)。
8、 根据权利要求1所述的全向运动球形机器人，其特征在于所述球壳(l) 外部包裹轻质的冲气密封材料或减振材料。
9、 根据权利要求l所述的全向运动球形机器人，其特征在于以所述水平 圆环(5)为基准设有工作平面。
专利摘要本全向运动球形机器人，涉及球形机器人技术领域。其行走驱动装置包括水平圆环(5)和垂直固连于水平圆环下侧的半圆架(6)；水平圆环通过短轴(3)和轴承与球壳形成转动副；半圆架下方固连一个直线行走机构，该机构由行走电机(7)、主轮(8)和配重(9)组成，主轮在行走电机的驱动下沿球壳内侧滚动，通过前后移动球体重心推动球体直线运动；半圆架上方安装有转向控制机构，该机构由转向电机(11)、水平杆(13)和质量块(14)组成；水平杆和质量块在转向电机的驱动下绕半圆架的几何中心线转动，引起球壳反向转动从而改变球体的运动方向。本实用新型结构新颖，控制简单，稳定性好，具有全向运动、原地转向及搭载附件能力。
文档编号B62K1/00GK201176217SQ20082003272
公开日2009年1月7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, 忠 杨, 王志胜, 董荣俊 申请人:南京航空航天大学