一种能够越障的变结构球形机器人的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种能够越障的变结构球形机器人。本机器人包括配重块水平偏移模块、滚动运动驱动模块、飞轮驱动模块和飞轮制动模块，能够实现纯滚动和越障这两种基本运动模式。在纯滚动模式下，本方案类似于依靠重心偏移式驱动的传统球形机器人，具有运动效率高的特点；而在越障模式下，机器人只需增大动力轴驱动力矩，即可自动实现对飞轮组的加速储能，当飞轮转速达到预设阈值时将触发展开隐藏在球壳两侧的爪足。同时，运动受阻的球壳将制动飞轮，从而所储备的能量瞬时爆发并驱动爪足旋转实现越障，能量释放完毕后系统恢复为纯滚动运动模式。本方案具有结构紧凑、控制简单、越障能力强、系统可靠等优点，提升了球形机器人的地形适应能力和实用性。
【专利说明】一种能够越障的变结构球形机器人
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种球形机器人。更明确地，本发明涉及一种对复杂地形具有运动适应能力的能够越障的变结构球形机器人。
【背景技术】
[0002]球形机器人因一般具有圆球形的外部结构形状而得名，是一类新型的移动机器人形态。不同于传统的轮式、足式机器人，球形机器人的主要特征优势在于，通过球形外壳的滚动实现基本运动，易于实现平坦地形下的全向运动，并具有较高的运动效率和运动速度；运动过程中，当机器人发生碰撞或从高处跌落时，封闭的球形外壳还能够有效保护机器人内部设备。
[0003]球形结构在具备上述技术优势的同时，却也将球形机器人的应用环境限制于平坦的地形环境。典型的情况是，对于依靠重心偏移来获得重力驱动力矩等常用的球形机器人驱动方式，其驱动力矩通常较小，使得机器人在遇到具有较多障碍物或较多地形起伏的非平坦地形环境时，容易失去运动能力而被卡在某个位置。针对球形机器人的这类缺陷，近年来国内外也已经提出很多种改进方案，例如:设计具有连续弹跳能力的运动结构帮助球形机器人越过障碍(专利号:ZL 201110296831.4 );设计增加腿肢体结构来帮助球形机器人在非平坦地形中运行(专利号:201310476310.6)等。这些改进方法的实施，均需要专门设计与之相配合的控制系统及算法。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是针对已有技术存在的缺陷提供一种能够越障的变结构球形机器人，能够在不借助复杂控制系统与控制方法的前提下，通过机器人自身的机械与电气驱动结构所具备的特征，实现机器人的越障动作，从而增强球形机器人的地形适应能力。
[0005]为达到上述目的，本发明采用的技术方案是:
一种能够越障的变结构球形机器人，包括球壳、配重块水平偏移模块、滚动运动驱动模块、飞轮驱动模块和飞轮制动模块；其特征在于:所述各模块运动轴线与球壳的滚动运动轴线共线；所述配重块水平偏移模块位于球壳左侧腔内，并与球壳左侧壁相连接；所述滚动运动驱动模块位于球壳的右侧腔内，并与球壳的右侧壁相连接；所述飞轮驱动模块贯穿球壳左侧壁，并与左侧壁相连接；所述飞轮制动模块贯穿并连接于球壳的左右两侧壁上；所述配重块水平偏移模块内有第一第二伺服电机控制配重块在球壳内部沿球壳运动转轴的水平偏移，来控制球形机器人滚动运动转弯半径的大小；所述滚动运动驱动模块内有第一第二驱动电机控制球形机器人实现纯滚动运动模式和越障模式；所述飞轮驱动模块的结构为两个串联的连接滚动运动驱动模块和飞轮制动模块的行星轮系，在越障模式时，其配合滚动运动驱动模块实现对飞轮制动模块中的左右两个飞轮的加速储能；所述飞轮制动模块内有6只能瞬间制动飞轮组而展开的爪足，以实现飞轮组储备能量的瞬间爆发。
[0006]上述配重块水平偏移模块包括配重块驱动臂、第一伺服电机、第二伺服电机、第一轴承、第二轴承、滑键、配重块轴、配重块。其中配重块轴通过第一轴承与球壳转动连接在一起，使得配重块轴与球壳能轴向相对转动而不能轴向相对移动。其中滑键水平固定在配重块轴上，其中配重块套接在配重块轴和滑键上构成移动副。其中配重块驱动臂通过第二轴承铰接配重块，使得配重块驱动臂可以相对配重块轴向转动，但不能轴向相对移动。其中第一伺服电机与第二伺服电机对称固定安装在球壳左侧壁内壁上，两个电机的丝杠型输出轴与配重块驱动臂构成对称布置的螺旋传动副，使得同步控制这两个电机的旋转运动，即可实现配重块在球形机器人内部的水平偏移运动。
[0007]上述滚动运动驱动模块包括动力轴、第三轴承、第四轴承、第五轴承、第一驱动电机、第二驱动电机、第一电机固定架、第二电机固定架、预紧器、第一弹簧、第一驱动摩擦轮、第二驱动摩擦轮、第一驱动齿轮、第二驱动齿轮、第三驱动齿轮。其中动力轴通过第三轴承、第四轴承和第五轴与配重块轴和球壳右侧壁形成转动副连接，这三者之间可以轴向相对自由转动但不能轴向相对移动。其中第一驱动电机与第二驱动电机分别通过第一电机固定架和第二电机固定架对称固定在球壳右侧壁的内表面上，两个电机同步运行。其中第三驱动齿轮固定在动力轴上。其中第一驱动电机与第二驱动电机分别通过第一驱动齿轮和第二驱动齿轮同步驱动第三驱动齿轮，实现对动力轴的驱动。其中第二驱动摩擦轮固定安装在配重块轴的右端。其中第一驱动摩擦轮套接在动力轴上形成移动副，其只能相对于动力轴进行轴向移动而不能轴向转动。其中预紧器固定在动力轴上，并通过第一弹簧把第一驱动摩擦轮与第二驱动摩擦轮通过弹簧预紧力压紧在一起，形成动力轴到配重块轴的摩擦传动机构，该可调预紧力值记为F1，第一驱动摩擦轮与第二驱动摩擦轮能够传递的最大摩擦力矩值记为Tlmax。
[0008]上述飞轮驱动模块包括:飞轮轴、第六轴承、第七轴承、第一齿轮固定架、行星架、第一行星轮、第二行星轮、第三行星轮、第四行星轮、第一太阳轮、第二太阳轮、第五行星轮、第六行星轮、飞轮驱动齿轮、飞轮摩擦轮。其中飞轮轴通过第六轴承和第七轴承，形成与动力轴的转动副连接，并进而形成球壳、飞轮轴、动力轴和配重块轴四轴同轴的转动副结构，使得他们可以各自独立绕球壳轴线相对自由转动。其中行星架、第一行星轮、第二行星轮、第三行星轮、第四行星轮、第一太阳轮和第二太阳轮构成第一行星齿轮系，其中第一太阳轮固定在配重块轴左端上，第二太阳轮固定在动力轴左端上，第一行星轮、第二行星轮、第三行星轮和第四行星轮安装在行星架上。其中第一齿轮固定架、行星架、第五行星轮、第六行星轮和飞轮驱动齿轮构成第二行星齿轮系，其中第一齿轮固定架固定安装在球壳上，第五行星轮和第六行星轮分别对称布置在第一齿轮固定架的转轴上，飞轮驱动齿轮与飞轮轴形成转动副连接。其中第一行星齿轮系与第二行星齿轮系通过共同的构件行星架形成运动及力的传递关系。
[0009]上述飞轮制动模块包括左飞轮、右飞轮、第一飞轮爪、第二飞轮爪、第三飞轮爪、第四飞轮爪、飞轮卡盘、第一飞轮卡盘齿轮、第二飞轮卡盘齿轮、第三飞轮卡盘齿轮、第一右足、第二右足、第三右足、第一左足、第二左足、第三左足、第一足轴、第二足轴、第三足轴。其中飞轮摩擦轮通过轴承实现与飞轮轴的转动副连接关系，其两者之间只能轴向转动而不能轴向移动。其中飞轮摩擦轮与飞轮驱动齿轮同轴线相对固定安装，使得两者之间直接传递力矩。其中左飞轮与飞轮轴形成移动副，两者之间可以轴向移动而不能轴向转动，使得两者之间可以传递转动力矩。其中左飞轮通过飞轮轴左端的固定螺母被弹簧压力预紧，使得其与飞轮摩擦轮贴合在一起，记该预紧力为F2，两者之间所能传递的最大力矩值记为T2max。其中右飞轮与飞轮轴固定安装。其中第一飞轮爪、第二飞轮爪、第三飞轮爪和第四飞轮爪分别通过各自的螺旋弹簧安装在右飞轮周向均匀分布的转轴上，它们静止时的初始平衡位置为收缩状态，使得当右飞轮带动这四个轮爪旋转时，四个轮爪受离心力的作用而向外张开，并在各自的螺旋弹簧的回复力矩的作用下达到新的平衡位置，即飞轮转的越快，四个轮爪的张角也就越大。其中飞轮卡盘与飞轮轴形成转动副连接，只能相对轴向转动而不能轴向移动。飞轮卡盘与球壳之间安装有复位用螺旋弹簧，用于约束飞轮卡盘的运动。其中飞轮卡盘具有齿形结构，其与安装在球壳上的第一飞轮卡盘齿轮、第二飞轮卡盘齿轮和第三飞轮卡盘齿轮相啮合。其中第一右足与第一左足通过第一足轴固连在一起。其中第二右足与第二左足通过第二足轴固连在一起。其中第三右足与第三左足通过第三足轴固连在一起。其中第一足轴、第二足轴和第三足轴与球壳形成转动副连接。其中第一右足、第二右足和第三右足结构均含有扇形齿轮，他们分别与第一飞轮卡盘齿轮、第二飞轮卡盘齿轮和第三飞轮卡盘齿轮相啮合，使得飞轮卡盘相对于球壳的转动将可以张开所述的6只爪足，直到碰到在球壳上的足限位块。
[0010]本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著技术进
I K
少:
1.本发明保留了传统球形机器人的运动特性，使得在较平整地形上运动时，具有较高的能量利用效率。而进一步的，本发明在机器人被障碍物所困而难以继续前进时，能通过飞轮自动快速储存动能，并在随后自动激发飞轮瞬时制动，以带动隐藏在球体两侧内的6只爪足同步展开并执行快速旋转运动。通过该爪足结构类似于生物双足奔跑的快速旋转运动，使得球形机器人短时间内具备越障能力。当越障能量爆发完毕后，系统又能自动回复到初始结构状态与球形滚动状态，并为正常的高效率球形滚动以及遇障后的再次爆发做好准备。
[0011]2.本发明通过滚动运动驱动模块和飞轮驱动模块，自动实现对来自动力轴驱动力矩的分配。在较小驱动力矩时，总驱动力矩主要分配给配重块实现球体重心的前移而实现纯滚动运动。而当进入越障运动模式，用较大的驱动力矩驱动时，总驱动力矩主要分配给飞轮进行加速储能。
[0012]在实际应用当中，本发明将体现出如下显著优点:
1.基本运动模式下，保留了球形机器人的球形密封结构，具备高效率、高速度的运动特点，以及对内部结构的保护功能。
[0013]2.遭遇障碍物后，能够通过机械结构自动触发爪足结构展开并实现越障，这个过程仅需要对电机进行简单的驱动控制，而不依赖复杂的算法与昂贵的精密传感器，因此在实现地形适应能力提升的同时，也保证了系统的可靠性。
[0014]3.总体结构较简单，易于维护及推广应用。
【专利附图】
【附图说明】
[0015]图1是本发明球形机器人的整体结构示意图。
[0016]图2是本发明球形机器人的配重块水平偏移机构示意图。
[0017]图3是本发明球形机器人的驱动结构示意图。[0018]图4是本发明球形机器人的驱动结构剖视图。
[0019]图5是本发明球形机器人的飞轮模块结构示意图。
[0020]图6是本发明球形机器人的足部模块结构示意图。
[0021]图7是本发明球形机器人的在越障模式时的结构示意图。
[0022]图8是本发明球形机器人的运动示意图。
【具体实施方式】
[0023]下面结合附图和优选实施例对本发明作进一步说明，但以下实施例仅是说明性的，本发明的保护范围并不受这些实施例的限制。
[0024]实施例一:
如图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7、图8所示，本能够越障的变结构球形机器人包括球壳O、配重块水平偏移模块1、滚动运动驱动模块I1、飞轮驱动模块III和飞轮制动模块IV ；其特征在于:所述各模块运动轴线与球壳O的滚动运动轴线共线；所述配重块水平偏移模块I位于球壳O左侧腔内，并与球壳O左侧壁0-1相连接；所述滚动运动驱动模块II位于球壳O的右侧腔内，并与球壳O的右侧壁0-2相连接；所述飞轮驱动模块III贯穿球壳O左侧壁
0-1，并与左侧壁0-1相连接；所述飞轮制动模块IV贯穿并连接于球壳O的左右两侧壁0-1、
0-2上；所述配重块水平偏移模块I内有第一第二伺服电机1-2、1-3控制配重块1-8在球壳O内部沿球壳O运动转轴的水平偏移，来控制球形机器人滚动运动转弯半径的大小；所述滚动运动驱动模块II内有第一第二驱动电机2-1、2-6控制球形机器人实现纯滚动运动模式和越障模式；所述飞轮驱动模块III的结构为两个串联的连接滚动运动驱动模块II和飞轮制动模块IV的行星轮系，在越障模式时，其配合滚动运动驱动模块II实现对飞轮制动模块IV中的左右两个飞轮4-1、4-2的加速储能；所述飞轮制动模块IV内有6只能瞬间制动飞轮组而展开的爪足4-8、4-9、4-11、4-14、4-17、4-19，以实现飞轮组储备能量的瞬间爆发。
[0025]实施例二:
本实施例与实施例一基本相同，特别之处如下:
如图1、图2所示，上述配重块水平偏移模块I，其包括配重块驱动臂1-1、第一伺服电机1-2、第二伺服电机1-3、第一轴承1-4、滑键1-5、配重块轴1-6、第二轴承1_7、配重块
1-8;所述的配重块轴1-6通过第一轴承1-4与球壳O转动连接在一起，使得配重块轴1-6与球壳O能轴向相对转动而不能轴向相对移动；滑键1-5水平固定在配重块轴1-6上；配重块1-8套接在配重块轴1-6和滑键1-5上构成移动副；配重块驱动臂1-1通过第二轴承
1-7铰接配重块1-8，使得配重块驱动臂1-1可以相对配重块1-8轴向转动，但不能轴向相对移动；第一伺服电机1-2与第二伺服电机1-3对称固定安装在球壳O左侧壁0-1内壁上，两个电机的丝杠型输出轴与配重块驱动臂1-ι构成对称布置的螺旋传动副，使得同步控制这两个电机的旋转运动，即可实现配重块1-8在球形机器人内部的水平偏移运动。
[0026]如图1、图3、图4所示，上述滚动运动驱动模块II，其包括:动力轴2-8、第三轴承
2-15、第四轴承2-3、第五轴承2-7、第一驱动电机2-1、第二驱动电机2_6、第一电机固定架
2-2、第二电机固定架2-5、预紧器2-4、第一弹簧2-12、第一驱动摩擦轮2_14、第二驱动摩擦轮2_9、第一驱动齿轮2_10、第二驱动齿轮2_13、第二驱动齿轮2_11 ;动力轴2_8通过第二轴承2-15、第四轴承2-3和第五轴承2-7与配重块轴1-6和球壳O右侧壁0_2形成转动副连接，这三者之间可以轴向相对自由转动但不能轴向相对移动；第一驱动电机2-1与第二驱动电机2-6分别通过第一电机固定架2-2和第二电机固定架2-5对称固定在球壳O右侧壁0-2的内表面上，两个电机同步运行；第三驱动齿轮2-11固定在动力轴2-8上；第一驱动电机2-1与第二驱动电机2-6分别通过第一驱动齿轮2-10和第二驱动齿轮2-13同步驱动第三驱动齿轮2-11，实现对动力轴2-8的驱动；第二驱动摩擦轮2-9固定安装在配重块轴1-6的右端；第一驱动摩擦轮2-14套接在动力轴2-8上形成移动副，其只能相对于动力轴2-8进行轴向移动而不能轴向转动；预紧器2-4固定在动力轴2-8上，并通过第一弹簧
2-12把第一驱动摩擦轮2-14与第二驱动摩擦轮2-9通过弹簧预紧力压紧在一起，形成动力轴2-8到配重块轴1-6的摩擦传动机构，该可调预紧力值记为F1，第一驱动摩擦轮2-14与第二驱动摩擦轮2-9能够传递的最大摩擦力矩值记为Tlmax ；
如图1、图3、图4所不,上述飞轮驱动模块III，其包括:飞轮轴3-2、第六轴承3-15、第七轴承3-10、第一齿轮固定架3-3、行星架3-4、第一行星轮3-13、第二行星轮3_14、第三行星轮3-6、第四行星轮3-1、第一太阳轮3-5、第二太阳轮3-7、第五行星轮3_12、第六行星轮
3-8、飞轮驱动齿轮3_9、飞轮摩擦轮3_11;所述飞轮轴3_2通过第六轴承3_15和第七轴承
3-10，形成与动力轴2-8的转动副连接，并进而形成球壳O、飞轮轴3-2、动力轴2-8和配重块轴1-6四轴同轴的转动副结构，使得他们可以各自独立地绕球壳O轴线相对自由转动；所述行星架3-4、第一行星轮3-13、第二行星轮3-14、第三行星轮3_6、第四行星轮3_1、第一太阳轮3-5和第二太阳轮3-7构成第一行星齿轮系，其中第一太阳轮3-5固定在配重块轴
1-6左端上，第二太阳轮3-7固定在动力轴2-8左端上，第一行星轮3-13、第二行星轮3_14、第三行星轮3-6和第四行星轮3-1安装在行星架3-4上；所述第一齿轮固定架3-3、行星架3_4、第五行星轮3_12、第六行星轮3_8和飞轮驱动齿轮3_9构成第二行星齿轮系，其中第一齿轮固定架3-3固定安装在球壳O上，第五行星轮3-12和第六行星轮3-8分别对称布置在第一齿轮固定架3-3的转轴上，飞轮驱动齿轮3-9与飞轮轴3-2形成转动副连接；所述第一行星齿轮系与第二行星齿轮系通过共同的构件行星架3-4形成运动及力的传递关系。
[0027]如图1、图4、图5、图6、图7所示，上述飞轮制动模块IV，其包括:左飞轮4_1、右飞轮4-2、第一飞轮爪4-3、第二飞轮爪4-4、第三飞轮爪4-5、第四飞轮爪4_6、飞轮卡盘4-15、第一飞轮卡盘齿轮4-13、第二飞轮卡盘齿轮4-16、第三飞轮卡盘齿轮4_18、第一右足4-14、第二右足4-19、第二右足4-17、第一左足4-11、第二左足4-8、第二左足4-9、第一足轴4-12、第二足轴4-7、第三足轴4-10 ;所述飞轮摩擦轮3-11通过轴承实现与飞轮轴3-2的转动副连接关系，其两者之间只能轴向转动而不能轴向移动；所述飞轮摩擦轮3-11与飞轮驱动齿轮3-9同轴线相对固定安装，使得两者之间直接传递力矩；左飞轮4-1与飞轮轴3-2形成移动副，两者之间可以轴向移动而不能轴向转动，使得两者之间可以传递转动力矩；所述左飞轮4-1通过飞轮轴3-2左端的固定螺母被弹簧压力预紧，使得其与飞轮摩擦轮3-11紧密贴合在一起，记该预紧力为F2，两者之间所能传递的最大力矩值记为T2max ;右飞轮4-2与飞轮轴3-2固定安装；第一飞轮爪4-3、第二飞轮爪4-4、第三飞轮爪4-5和第四飞轮爪4_6分别通过各自的螺旋弹簧安装在右飞轮4-2轴向均匀分布的转轴上，它们静止时的初始平衡位置为收缩状态如图5中所示，使得当右飞轮4-2带动这四个轮爪旋转时，四个轮爪受离心力的作用而向外张开，并在各自的螺旋弹簧的回复力矩的作用下达到新的平衡位置，即飞轮转的越快，四个轮爪的张角也就越大；飞轮卡盘4-15与飞轮轴3-2形成转动副连接，只能相对轴向转动而不能轴向移动。飞轮卡盘4-15与球壳O之间安装有复位用螺旋弹簧，用于约束飞轮卡盘4-15的运动；所述飞轮卡盘4-15具有齿形结构，其与安装在球壳O上的第一飞轮卡盘齿轮4-13、第二飞轮卡盘齿轮4-16和第三飞轮卡盘齿轮4-18相啮合；第一右足4-14与第一左足4-11通过第一足轴4-12固连在一起；第二右足4_19与第二左足4_8通过第二足轴4-7固连在一起；第三右足4-17与第三左足4-9通过第三足轴4-10固连在一起；所述第一足轴4-12、第二足轴4-7和第三足轴4-10与球壳O形成转动副连接；所述第一右足4-14、第二右足4-19和第三右足4-17结构均含有扇形齿轮，他们分别与第一飞轮卡盘齿轮4-13、第二飞轮卡盘齿轮4-16和第三飞轮卡盘齿轮4-18相啮合，使得飞轮卡盘4-15相对于球壳O的转动将可以张开所述的6只爪足，直到碰到在球壳O上的足限位块
4-20 ;所述飞轮卡盘4-15及6个爪足的初始位置如图6所示；所述球壳O与飞轮卡盘4_15之间的回复螺旋弹簧，在飞轮卡盘4-15初始位置时，其依旧具有一定的初始回复力矩，使得在初始位置时6个爪足能够抱紧球壳O。所述飞轮卡盘4-15及6个爪足的最大展开位置如图7所示。
[0028]本发明所述机器人通常处于以下两种状态下进行运行:1)纯滚动运动，2)越障运动。而对于球形机器人在这两种基本状态下的切换，可以通过遥控或自动的方式，对第一驱动电机2-1和第二驱动电机2-6的输出力矩大小进行调整来实现。本发明中机器人的一种典型运动状况如图8所示，机器人通过两种运动状态的配合实现了对前进方向上障碍物的跨越。
[0029]本实施例的工作原理如下:
纯滚动运动模式:
运行环境:球形机器人在较平坦的地形上运行。
[0030]控制方式:第一驱动电机2-1和第二驱动电机2-6输出较小的驱动转矩。
[0031]运动性能:能进行可变速的前后滚动运动(图1中X轴方向为正方向)，运动的加速度由滚动运动驱动模块II提供的重心前移重力驱动力矩决定。并同时可通过配重块水平偏移模块I调节质心的水平偏移实现转弯，转弯半径也可控。
[0032]该模式下，机器人的基本运动过程描述如下:
O加速运动:
球形机器人在平整地面上，第一驱动电机2-1和第二驱动电机2-6输出较小的驱动转矩，动力轴2-8通过第一驱动摩擦轮2-14和第二驱动摩擦轮2-9之间的摩擦力，带动配重块轴1-6和配重块1-8向前倾，使得机器人整体的质心向前倾，故受重力的作用，整个球体将受到向前的重力驱动力矩而向前加速运动。由于此时动力轴2-8的驱动力矩较小，当配重块轴1-6和配重块1-8的向前倾角(配重块1-8的臂轴与重力加速度方向的夹角)增大时(小于等于90度)，质心前移产生的重力驱动力矩也将相应的增大，所以通过控制这个倾角的大小即可实现对球体运动加速度的控制。
[0033]在这个过程中，通过调节预紧器2-4的预紧压力值，以将第一驱动摩擦轮2-14与第二驱动摩擦轮2-9之间传递的最大摩擦力矩设置为Tlmax。该摩擦力矩进一步传递构成动力轴2-8的驱动力矩，该驱动力矩用于平衡配重块1-8的重力力矩。此过程中，第一太阳轮
3-5和第二太阳轮3-7保持相对静止，使得第一行星轮系退化成一个驱动第二行星轮系的齿轮。这种状态下，本发明所述的结构等价于一个典型的靠重心偏移实现球体前后、转弯运动的球形机器人。在球形机器人纯滚动运动过程中，第二行星轮系也将驱动左飞轮4-1和右飞轮4-2转动，但在这种运动状态下，飞轮的转速较小，将不足以触发飞轮制动模块IV。
[0034]2)匀速运动:
球形机器人的匀速运动可以认为是加速度为零的特殊加速运动情况。即，球型机器人从静止开始向前加速到指定的速度后，通过减小第一驱动电机2-1和第二驱动电机2-6的输出驱动转矩，以减小配重块1-8的向前倾角，进而使得球体获得的重力驱动力矩刚好平衡机器人运动的摩擦力矩，从而使球体整体的加速度为零，并最终实现匀速运动。
[0035]3)减速运动:
球形机器人减速运动，也可以认为是加速度为负的特殊加速运动情况。即当球形机器人需要减速时，只要使原本的第一驱动电机2-1和第二驱动电机2-6输出的驱动转矩反向即可，而这个反向加速度的控制方式也完全和球形机器人实现加速运动的机理完全一致。
[0036]4)转弯运动:
在球形机器人的上述正向或反向运动中，可以通过配重块水平偏移模块I中配重块
1-8沿球壳O滚动轴线方向的水平移动，实现球体重心的水平偏移，以改变球壳O滚动运动时与地面的接触点。相应地，球壳的着地点轨迹将由原来的垂直于球壳滚动轴线中心的直径圆，变为偏离轴线中心的小圆，从而实现转弯运动。而进一步的，可通过控制配重块1-8的偏移量来调整该着地圆半径的大小，从而实现球形机器人转弯运动半径的调整。
[0037]越障运动模式:
运行环境:球形机器人在纯滚动运动的过程当中遇到了障碍物，难以继续前进。
[0038]控制方式:增大第一驱动电机2-1和第二驱动电机2-6输出的驱动转矩。
[0039]运动性能:虽然此时，球形机器人由于外界环境的约束，而不能继续向前运行，但可通过增大驱动力矩而使飞轮加速储能。而进一步的，当飞轮的转速达到设定值后，触发飞轮制动模块IV，使得球形机器人瞬间张开6个爪足，并瞬时获得较大的转速，从而使球形机器人瞬间爆发出较大的越障能力。
[0040]该模式下，机器人的基本运动过程描述如下:
在球形机器人向前(图1中X轴正方向为正)运行的过程中，由于纯粹靠配重块1-8偏移获得的重力驱动力矩较小，可能会由于遇到复杂的地形或障碍物，而被卡在某个位置。此时依旧依靠原来的运动方式，将难以摆脱困境。
[0041]对于本发明所述的特殊驱动结构，由于受第一驱动摩擦轮2-14与第二驱动摩擦轮2-9之间所能传递的最大摩擦力矩Tlmax的限制，使得当通过第一驱动电机2-1和第二驱动电机2-6增大动力轴2-8的驱动力矩时，多余的力矩将通过第一驱动摩擦轮2-14与第二驱动摩擦轮2-9的相对滑动进行分流。一部分依旧用于驱动配重块轴1-6，另一部分则通过第一行星轮系和第二行星轮系传递到飞轮。所以通过增大动力轴2-8的输出力矩将可以进一步加速左飞轮4-1和右飞轮4-2。
[0042]随后，当右飞轮4-2的转速达到设定值时，右飞轮4-2上的4个飞轮爪将张开到足以碰触飞轮卡盘4-15上的卡槽，使得右飞轮4-2带动飞轮卡盘4-15转动。飞轮卡盘4_15的转动，进一步通过3个卡盘齿轮带动6个爪足向外展开，直到6个爪足碰到球壳O上的足限位块4-20而停止运动。最大展开位置如图7所示。此时左飞轮4-1、右飞轮4-2、飞轮卡盘4-15、6个爪足和球壳O都相对静止，原本存储在两个飞轮上的动能，通过这个过程转变为了整个系统整体的动能。即球型机器人在这个瞬间爆发出了较大的能量并瞬时增强向前、向上的动能，从而大大提升了越障能力。随后，在飞轮卡盘4-15与球壳之间的复位螺旋弹簧的作用下，飞轮卡盘4-15和6个爪足将复位到初始位置，4个飞轮爪也在各自的复位弹簧的作用下，复位到初始位置。若机器人已经顺利越过了障碍，则机器人可在纯滚动运动模式下继续高效率运动前进，若依然处于障碍环境或非平坦环境，将继续转入越障运动模式。
【权利要求】
1.一种能够越障的变结构球形机器人，包括球壳(O)、配重块水平偏移模块(I )、滚动运动驱动模块(II)、飞轮驱动模块(III)和飞轮制动模块(IV);其特征在于:所述各模块运动轴线与球壳(O)的滚动运动轴线共线；所述配重块水平偏移模块(I )位于球壳(O)左侧腔内，并与球壳(O)左侧壁(0-1)相连接；所述滚动运动驱动模块(II)位于球壳(O)的右侧腔内，并与球壳(O)的右侧壁(0-2)相连接；所述飞轮驱动模块(III)贯穿球壳(O)左侧壁(0-1)，并与左侧壁(0-1)相连接；所述飞轮制动模块(IV)贯穿并连接于球壳(O)的左右两侧壁(0-1、0-2)上；所述配重块水平偏移模块(I )内有第一第二伺服电机(1-2、1-3)控制配重块(1-8)在球壳(O)内部沿球壳(O)运动转轴的水平偏移，来控制球形机器人滚动运动转弯半径的大小；所述滚动运动驱动模块(II)内有第一第二驱动电机(2-1、2-6)控制球形机器人实现纯滚动运动模式和越障模式；所述飞轮驱动模块(III)的结构为两个串联的连接滚动运动驱动模块(II)和飞轮制动模块(IV)的行星轮系，在越障模式时，其配合滚动运动驱动模块(II)实现对飞轮制动模块(IV)中的左右两个飞轮(4-1、4-2)的加速储能；所述飞轮制动模块(IV)内有6只能瞬间制动飞轮组而展开的爪足(4-8、4-9、4-11、4-14、4-17、4-19)，以实现飞轮组储备能量的瞬间爆发。
2.根据权利要求1所述的能够越障的变结构球形机器人，其特征在于:所述配重块水平偏移模块(I )包括配重块驱动臂(1-1)、第一伺服电机(1-2)、第二伺服电机(1-3)、第一轴承(1-4)、滑键(1-5)、配重块轴(1-6)、第二轴承(1-7)、配重块(1-8);所述的配重块轴(1-6)通过第一轴承(1-4)与球壳(O)转动连接在一起，使得配重块轴(1-6)与球壳(O)能轴向相对转动而不能轴向相对移动；所述滑键(9)水平固定在配重块轴(1-6)上，所述配重块(1-8 )套接在配重块轴(1-6 )和滑键(1-5 )上构成移动副；所述配重块驱动臂(1-1)通过第二轴承(1-7)铰接配重块(1-8)，使得配重块驱动臂(1-1)可以相对配重块(1-8)轴向转动，但不能轴向相对移动；所述第一伺服电机(1-2)与第二伺服电机(1-3)对称固定安装在球壳(O )左侧壁(0-1)内壁上，两个电机的丝杠型输出轴与配重块驱动臂(1-1)构成对称布置的螺旋传动副，使得同步控制这两个电机的旋转运动，即可实现配重块(1-8)在球形机器人内部的水平偏移运动。
3.根据权利要求1所述能够越障的变结构球形机器人，其特征在于:所述滚动运动驱动模块(II)包括动力轴(2-8)、第三轴承(2-15)、第四轴承(2-3)、第五轴承(2-7)、第一驱动电机(2-1)、第二驱动电机(2-6)、第一电机固定架(2-2)、第二电机固定架(2-5)、预紧器(2-4)、第一弹簧(2-12)、第一驱动摩擦轮(2-14)、第二驱动摩擦轮(2-9)、第一驱动齿轮(2_10)、第二驱动齿轮(2_13)、第二驱动齿轮(2_11);所述动力轴(2_8)通过第二轴承(2-15)、第四轴承(2-3)和第五轴承(2-7)与配重块轴(1-6)和球壳(O)右侧壁(0-2)形成转动副连接，这三者之间可以轴向相对自由转动但不能轴向相对移动；所述第一驱动电机(2-1)与第二驱动电机(2-6)分别通过第一电机固定架(2-2)和第二电机固定架(2-5)对称固定在球壳(O)右侧壁(0-2)的内表面上，两个电机同步运行；所述第三驱动齿轮(2-11)固定在动力轴(2-8 )上；所述第一驱动电机(2-1)与第二驱动电机(2-6 )分别通过第一驱动齿轮(2-10)和第二驱动齿轮(2-13)同步驱动第三驱动齿轮(2-11)，实现对动力轴(2-8)的驱动；所述第二驱动摩擦轮(2-9)固定安装在配重块轴(1-6)的右端；所述第一驱动摩擦轮(2-14)套接在动力轴(2-8)上形成移动副，其只能相对于动力轴(2-8)进行轴向移动而不能轴向转动；所述预紧器(2-4)固定在动力轴(2-8)上，并通过第一弹簧(2-12)把第一驱动摩擦轮(2-14)与第二驱动摩擦轮(2-9)通过弹簧预紧力压紧在一起，形成动力轴(2-8)到配重块轴(1-6)的摩擦传动机构，该可调的预紧力值记为F1，第一驱动摩擦轮(2-14)与第二驱动摩擦轮(2-9)能够传递的最大摩擦力矩值记为Tlmax。
4.根据权利要求1所述的能够越障的变结构球形机器人，其特征在于:所述飞轮驱动模块(III)包括:飞轮轴(3-2)、第六轴承(3-15)、第七轴承(3-10)、第一齿轮固定架(3-3)、行星架(3-4)、第一行星轮(3-13)、第二行星轮(3-14)、第三行星轮(3-6)、第四行星轮(3-1)、第一太阳轮(3-5)、第二太阳轮(3-7)、第五行星轮(3-12)、第六行星轮(3-8)、飞轮驱动齿轮(3_9)、飞轮摩擦轮(3_11);所述飞轮轴(3_2)通过第六轴承(3_15)和第七轴承(3-10)，形成与动力轴(2-8)的转动副连接，并进而形成球壳(O)、飞轮轴(3-2)、动力轴(2-8)和配重块轴(1-6)四轴同轴的转动副结构，使得他们可以各自独立地绕球壳(O)轴线相对自由转动；所述行星架(3-4)、第一行星轮(3-13)、第二行星轮(3-14)、第三行星轮(3-6)、第四行星轮(3-1)、第一太阳轮(3-5)和第二太阳轮(3-7)构成第一行星齿轮系，其中第一太阳轮(3-5)固定在配重块轴(1-6)左端上，第二太阳轮(3-7)固定在动力轴(2-8)左端上，第一行星轮(3-13)、第二行星轮(3-14)、第三行星轮(3-6)和第四行星轮(3-1)安装在行星架(3-4)上；所述第一齿轮固定架(3-3)、行星架(3-4)、第五行星轮(3-12)、第六行星轮(3-8)和飞轮驱动齿轮(3-9)构成第二行星齿轮系,其中第一齿轮固定架(3-3)固定安装在球壳(O)上，第五行星轮(3-12)和第六行星轮(3-8)分别对称布置在第一齿轮固定架(3-3)的转轴上，飞轮驱动齿轮(3-9)与飞轮轴(3-2)形成转动副连接；所述第一行星齿轮系与第二行星齿轮系通过共同的构件行星架(3-4)形成运动及力的传递关系。
5.根据权利要求1所述的能够越障的变结构球形机器人，其特征在于:所述飞轮制动模块(IV)包括左飞轮(4-1)、右飞轮(4-2)、第一飞轮爪(4-3)、第二飞轮爪(4-4)、第三飞轮爪(4-5)、第四飞轮爪(4-6)、飞轮卡盘(4-15)、第一飞轮卡盘齿轮(4-13)、第二飞轮卡盘齿轮(4_16)、第二飞轮卡盘齿轮(4_18)、第一右足(4_14)、第二右足(4_19)、第二右足(4-17)、第一左足(4-11)、第二左足(4-8)、第三左足(4-9)、第一足轴(4-12)、第二足轴(4-7)、第三足轴(4-10);所述飞轮摩擦轮(3-11)通过轴承实现与飞轮轴(3-2)的转动副连接关系，其两者之间只能轴向转动而不能轴向移动；所述飞轮摩擦轮(3-11)与飞轮驱动齿轮(3-9)同轴线相对固定安装，使得两者之间直接传递力矩；所述左飞轮(4-1)与飞轮轴(3-2)形成移动副，两者之间可以轴向移动而不能轴向转动，使得两者之间可以传递转动力矩；所述左飞轮(4-1)通过飞轮轴(3-2)左端的固定螺母被弹簧压力预紧，使得其与飞轮摩擦轮(3-11)紧密贴合在一起，记该预紧力为F2，两者之间所能传递的最大力矩值记为T2max ；所述右飞轮(4-2)与飞轮轴(3-2)固定安装；第一飞轮爪(4-3)、第二飞轮爪(4-4)、第三飞轮爪(4-5)和第四飞轮爪(4-6)分别通过各自的螺旋弹簧安装在右飞轮(4-2)周向均匀分布的转轴上，它们静止时的初始平衡位置为收缩状态，使得当右飞轮(4-2)带动这四个轮爪旋转时，四个轮爪受离心力的作用而向外张开，并在各自的螺旋弹簧的回复力矩的作用下达到新的平衡位置，即飞轮转的越快，四个轮爪的张角也就越大；所述飞轮卡盘(4-15)与飞轮轴(3-2)形成转动副连接，只能相对轴向转动而不能轴向移动，飞轮卡盘(4-15)与球壳(O)之间安装有复位用螺旋弹簧，用于约束飞轮卡盘(4-15)的运动；所述飞轮卡盘(4-15)具有齿形结构，其与安装在球壳(O)上的第一飞轮卡盘齿轮(4-13)、第二飞轮卡盘齿轮(4-16)和第三飞轮卡盘齿轮(4-18)相啮合；所述第一右足(4-14)与第一左足(4-11)通过第一足轴(4-12)固连在一起；所述第二右足(4-19)与第二左足(4-8)通过第二足轴(4-7)固连在一起；所述第三右足(4-17)与第三左足(4-9)通过第三足轴(4-10)固连在一起；所述第一足轴(4-12)、第二足轴(4-7)和第三足轴(4-10)与球壳(O)形成转动副连接；所述第一右足(4-14)、第二右足(4-19)和第三右足(4-17)结构均含有扇形齿轮，他们分别与第一飞轮卡盘齿轮(4-13)、第二飞轮卡盘齿轮(4-16)和第三飞轮卡盘齿轮(4-18)相啮合，使得飞轮卡盘(4-15)相对于球壳(O)的转动将可以张开所述的6只爪足(4-8、4-9、4-11、4-14、4 -17、4-19)，直到碰到在球壳(O)上的足限位块(4-20);所述飞轮制动模块(IV)，当右飞轮(4-2)的转速达到设定值时，右飞轮(4-2)带动飞轮卡盘(4-15)展开6只爪足，直到6只爪足与球壳(O)上的足限位块(4-20)接触并停止运动，以实现飞轮组储备能量的瞬间爆发。
【文档编号】B62D57/02GK104015827SQ201410254327
【公开日】2014年9月3日 申请日期:2014年6月10日 优先权日:2014年6月10日
【发明者】贾文川, 王兴兴, 蒲华燕, 罗均, 李龙 申请人:上海大学