喷气式球形机器人的制作方法
【专利摘要】喷气式球形机器人，由球壳和内部的运动机构组成。球壳和运动机构通过轴承连接，运动机构与球壳能够绕水平中心线转动。球壳采用网笼状非密封结构。运动机构由两个涵道风扇、支撑架和重锤组成。两个涵道风扇等距安装在纵剖面两侧，重锤通过刚性杆件连接到支撑架上。运动时，当两个涵道风扇等速转动产生相同的推力时，推力推动重锤，内部运动机构重心位置改变，球壳绕水平中心线快速转动，实现前进运动；当两个涵道风扇不等速转动产生一大一小推力时，在前进运动同时还产生偏转力矩，机器人绕着竖直方向转弯运动。本发明采用喷气式推进方式，与传统球形机器人的电机驱动方式相比，具有结构更简单、轻巧，机器人机动性大幅度提高等优点。
【专利说明】喷气式球形机器人
所属【技术领域】
[0001]本发明涉及一种可用于环境探测、侦查以及玩具娱乐领域的一种喷气式球形机器人。
【背景技术】
[0002]球形机器人或者球形机构是一类将运动执行机构、传感器、控制器安装在球壳体内的系统的总称。该类机构依靠运动执行机构改变重心，从而实现机器人的前后以及偏转运动。这类机器人具有良好的动态和静态平衡性，不会因为碰撞而产生失稳状 态。A.Halme, T.Schonberg and Y.Wang, Motion Control of a Spherical MobileRobot, 4th IEEE International Workshop on Advanced Motion Control AMCj 96, MieUniversity, Japan 1996.介绍了芬兰的Aarne Halme等设计的一种球形机器人并申请了专利，该球形机器人采用了一个在球壳内滚动的独轮来驱动整个球形机器人的运动；Bhattacharya S.and S.K.Agrawal.Spherical rolling robot:a design and motionplanning studies[J].1EEE Trans on Robotics and Automation, 2000, 16(6):835-839.介绍了 Bhattacharya和Agrawal等人设计的一种利用动量守恒原理的驱动方案,该机器人通过两个电机控制两个相互垂直的转盘的转速来控制球体的滚动方向、运动的速度和加速度；中国发明专利申请号01118289.X，改进的球形机器人全方位行走机构公开了北京邮电大学申请的一个全方位球形机器人的专利，它是通过球内的一个全方位运动机构来实现球形机器人的运动。 申请人:也曾申请了一个球形机器人的专利，它是通过电机直接带动球壳来前进后退，通过摆动重物来实现球形机器人的转弯。
[0003]上述发明或设计的球形机器人都是采用电机驱动改变重心方式，球壳封闭，结构相对复杂，单位体积重量大，机动性能受到限制。
【发明内容】
[0004]本发明的技术解决问题是:克服现有技术的不足，提供一种结构简单、重量轻、具有较好地形适应能力和较强爬坡能力的喷气式球形机器人。
[0005]本发明的技术解决方案是:喷气式球形机器人，包括球壳，其特征在于:机器人由球壳和内部运动机构组成，球壳和内部运动机构之间通过轴承连接，运动机构与球壳之间能够绕着水平中心线转动。球壳采用网笼状，外形为球形，球壳为非密封的，能够进出气流，球壳内部沿纵剖面对称的两端分别安装一个轴承座。内部的运动机构由两个涵道风扇、支撑架和重锤等组成。两个涵道风扇通过支撑架上面的涵道风扇安装座，等距安装在纵剖面两侧对称位置。重锤通过一个刚性杆件连接到支撑架上，机器人整体重心偏下，具有自稳定性。运动时，当两个涵道风扇等速转动，产生大小相同的推力时，推力改变重锤位置，从而改变内部运动机构重心位置，机器人球壳绕着水平中心线快速转动，实现前进运动；当两个涵道风扇不等速运动，产生一大一小推力时，在改变内部运动机构的重心位置同时还产生偏转力矩，机器人能够绕着竖直方向转动，实现转弯运动。[0006]本发明与现有技术相比的有益效果:
[0007](I)该发明不同于现有球形机器人的电机驱动方案，机器人采用喷气式推进方式，使得其地形适应能力和爬坡能力得到提高，机动性能更好。
[0008](2)该发明采用喷气式涵道风扇发动机，机器人球壳采用网笼结构，涵道风扇安装简洁，机器人单位质量小。
[0009](3)该发明通过改变涵道风扇安装角，能够实现“漂浮式”急速前进方式。
【专利附图】
【附图说明】
[0010]图1为本发明的一个具体实施方案的主剖示意图；
[0011]图2为本发明的一个具体实施方案的侧剖示意图；
[0012]图3为本发明的一个具体实施方案的网笼状球壳的三维图；
[0013]图4为本发明第二种实施方案，涵道风扇中心连线位于水平中心线以上安装侧剖示意图；
[0014]图5为本发明第三种实施方案，涵道风扇中心连线位于水平中心线以下安装侧剖示意图；
[0015]图6为本发明第四种实施方案，涵道风扇与水平面成一定角度安装侧剖示意图。【具体实施方式】
[0016]如图1、图2、图3所不,本发明的一个实施例为:喷气式球形机器人由球壳I和内部运动机构组成。内部运动机构与球壳I之间通过左轴承10和右轴承3分别左右连接，内部运动机构和球壳之间能够绕着水平中心线相对转动。球壳I由纬度圆环15、经度圆环16、17、18以及左轴承安装座2、右轴承安装座9组成。纬度圆环15个数Nl>=4个，绕着水平中心线成放射状等角度分布；经度圆环个数N2>=1，并且沿纵剖面对称分布；左轴承座9和右轴承座2沿着纵剖面对称等距地固定在球壳内部左右两边。内部运动机构由支撑架7、左涵道风扇12、右涵道风扇6、重锤14、刚性杆件13以及固定在支撑架上的左短轴11、右短轴4组成。左涵道风扇12、右涵道风扇6通过支撑架7上的左右涵道风扇安装座，沿着纵剖面等距的安装在纵剖面左右两侧，两个涵道风扇的中心连线位于水平中心线上；重锤14通过刚性杆件13连接在支撑架7上，位于球壳纵剖面上；左短轴11套在左轴承10内圈中，右短轴4套在右轴承3内圈中。由于重锤的作用，机器人整体重心在水平中心线以下，机器人具有自稳定性。运动时候，当左右涵道风扇12、6产生相同推力时，推力推动内部运动机构绕着水平中心线偏转，机器人整体重心位置改变，球壳绕着水平中心线转动，实现机器人前进运动；当左右涵道风扇12、6转速不同，产生大小不同推力时，机器人在前进运动同时还产生偏转运动，实现机器人的转向。
[0017]如图4所示，本发明的第二种实施例为:左涵道风扇12、右涵道风扇6的中心连线位于球壳I水平中心线线以上，其他机构与功能与实施例1相似。
[0018]如图5所示，本发明的第三种实施例为:左涵道风扇12、右涵道风扇6的中心连线位于球壳I水平中心线线以下，其他机构与功能与实施例1相似。
[0019]如图6所示，本发明的第四种实施例为:两个涵道风扇6、12的安装角与水平面成一定角度Θ，其他机构与功能与实施例1相似。运动时候，风扇部分推力分量抵消球形机器striat °
【权利要求】
1.喷气式球形机器人，包括球壳，其特征在于:机器人由球壳和内部运动机构组成，球壳和内部运动机构之间通过轴承连接，运动机构与球壳之间能够绕着水平中心线转动，球壳采用非密封网笼状，外形为球形，能够进出气流，球壳内部沿纵剖面对称的两端分别安装一个轴承座；内部的运动机构由两个涵道风扇、支撑架和重锤等组成，两个涵道风扇通过支撑架上面的涵道风扇安装座，等距安装在纵剖面两侧对称位置，两个涵道风扇的中心连线与水平中心线在同一水平面上，重锤通过一个刚性杆件连接到支撑架上；当两个涵道风扇等速转动产生相同推力时，推力改变内部运动机构重心，机器人实现前进运动；当两个涵道风扇差速转动产生大小不同的推力时，机器人在前进运动同时产生偏转力矩，实现转弯运动。
2.根据权利要求1所述的喷气式球形机器人，其特征在于:所述机器人两个涵道风扇中心连线在球壳水平中心线以上。
3.根据权利要求1所述的喷气式球形机器人，其特征在于:所述机器人两个涵道风扇中心连线在球壳水平中心线以下。
4.根据权利要求1所述的喷气式球形机器人，其特征在于:所述机器人涵道风扇安装方向与水平面存在一定夹角，产生“漂浮式”前进运动。
5.根据权利要求1所述的喷气式球形机器人，其特征在于:所述涵道风扇可以是电动涵道风扇，也可以是油动涵道风扇。
6.根据权利要求1所述的喷气式球形机器人，其特征在于:所述机器人球壳采用网笼状结构，球壳由经度圆环和纬度圆环连接而成，纬度圆环个数Nl>=4，经度圆环个数N2>=2。
7.根据权利要求1所述的喷气式球形机器人，其特征在于:所述机器人球壳采用网笼状结构，球壳通过材料编织成网状，外形为球形，网格形状为边数N3>=3的多边形或者圆形。
【文档编号】B62D57/04GK103465992SQ201310378865
【公开日】2013年12月25日 申请日期:2013年8月27日 优先权日:2013年8月27日
【发明者】战强, 商志猛, 刘泽宁, 张超, 迟兴 申请人:北京航空航天大学