球形机器人的制作方法

本发明涉及机器人领域，具体涉及一种球形机器人。

背景技术：

球形机器人是指利用球体的滚动实现运动的机器人，可以实现全方位运动，与地面是单点接触，摩擦阻力小，能量利用效率高，并且具有不倒翁特性，可以避免常规的机器人容易出现的倾倒失稳现象。机器人的重要部件均包容在球体内部，受到球体外壳良好的保护，不容易因破坏而失效。采取合适的密封措施，可以使球形机器人的外壳具备防水能力，进而在较为恶劣的天气条件下使用，具有全天候的适应能力。

球形机器人由于受限于滚动的行走方式，往往运动稳定性不高，而且越障爬坡能力不强，这使得球形机器人在人们的生活领域(如具有大于30度的斜坡或楼梯等障碍)或某些凹凸不平的场地的应用受到极大的限制。

因此，如何提高球形机器人的越障爬坡能力，以增加球形机器人的应用场景和运动稳定性，为业界人士重点研究课题。

技术实现要素：

针对以上的问题，本发明的目的是提供一种球形机器人，可实现越障爬坡、自动调节姿态及增加运动稳定性。

为了解决背景技术中存在的问题，本申请采用如下的技术方案：一种球形机器人，包括球壳及设于所述球壳内部的驱动组件；所述驱动组件包括支撑台、安装于所述支撑台的多个驱动轮、驱动电机及两个控制力矩陀螺系统；所述两个控制力矩陀螺系统之间设有反向同步齿轮组，以带动所述两个控制力矩陀螺系统反向同步偏摆；

所述多个驱动轮分布于所述支撑台的边缘且与所述球壳内壁接触，所述驱动电机驱动所述驱动轮转动，使所述驱动轮和所述球壳之间产生摩擦力以带动所述球形机器人行走；所述球壳受到干扰力矩干扰时，通过控制所述控制力矩陀螺系统偏摆来增加进动力矩以克服所述干扰力矩及提高所述球形机器人的稳定性。

一种实施方式中，所述控制力矩陀螺系统通过固定支架固定于所述支撑台上，所述固定支架包括相对设置的第一端、第二端及设于所述第一端和第二端之间的连接部，所述两个控制力矩陀螺系统包括关于所述连接部对称分布的第一控制力矩陀螺系统和第二控制力矩陀螺系统；所述第一控制力矩陀螺系统和所述第二控制力矩陀螺系统分别设于所述第一端与所述连接部、所述第二端与所述连接部之间，且分别通过第一偏摆轴和第二偏摆轴与所述固定支架之间转动连接；所述反向同步齿轮组固定于所述连接部，包括相对设置的第一齿轮、第二齿轮及与所述第一齿轮和所述第二齿轮相啮合的中间齿轮，所述第一齿轮和所述第二齿轮分别固接于所述第一控制力矩陀螺系统和所述第二控制力矩陀螺系统，所述中间齿轮的传动作用使得所述第一齿轮和所述第二齿轮转向相反，使得所述第一控制力矩陀螺系统和所述第二控制力矩陀螺系统同步反向偏摆。

一种实施方式中，所述中间齿轮包括相互啮合的第三齿轮和第四齿轮，所述第一齿轮与所述第三齿轮相啮合，所述第二齿轮与所述第四齿轮相啮合，所述第一齿轮与所述第四齿轮的转向相同，所述第二齿轮与所述第三齿轮的转向相同，且与所述第一齿轮与所述第二齿轮的转向相反。

一种实施方式中，所述第一齿轮、所述中间齿轮与所述第二齿轮均为渐开线直齿轮。

一种实施方式中，所述第一控制力矩陀螺系统还包括第一控制力矩陀螺和第一偏摆电机，所述第一偏摆电机设于所述第一控制力矩陀螺上且远离所述连接部的一端，所述第一端设有第五齿轮，所述第一偏摆电机设有与所述第五齿轮相啮合的第六齿轮，所述第一偏摆电机通过带动所述第六齿轮相对于所述第五齿轮偏摆，以带动所述第一控制力矩陀螺系统绕所述第一偏摆轴偏摆，从而带动所述第一齿轮转动，并通过所述中间齿轮传动至所述第二齿轮，以带动所述第一控制力矩陀螺系统和所述第二控制力矩陀螺系统同步反向偏摆。

一种实施方式中，所述控制力矩陀螺系统通过固定支架固定于所述支撑台上，所述控制力矩陀螺系统还包括控制力矩陀螺和偏摆电机；所述固定支架固定于所述支撑台上，用于固定所述控制力矩陀螺，所述固定支架与所述控制力矩陀螺之间通过偏摆轴转动连接；所述支撑台设有第一轴向，所述多个驱动轮关于所述第一轴向对称分布，且所述两个控制力矩陀螺系统的所述偏摆轴的延伸方向沿着所述第一轴向的方向延伸。

一种实施方式中，所述两个控制力矩陀螺系统沿着所述第一轴向分布或关于所述第一轴向对称分布。

一种实施方式中，所述驱动轮与所述驱动电机设于所述支撑台的相对两侧，且所述驱动轮与所述控制力矩陀螺系统设于所述支撑台的同一侧。

一种实施方式中，所述驱动轮与所述支撑台之间设有弹性连接件，所述弹性连接件用于所述球形机器人运动时对所述球壳内的所述驱动组件起到缓冲减震作用及为所述驱动轮提供与所述球壳接触的接触压力的作用。

一种实施方式中，所述驱动组件包括一对导轨及与所述一对导轨相匹配的一对滑块，所述一对导轨固定于所述支撑台上，且分别设于所述弹性连接件及所述驱动轮的相对两侧，所述一对滑块分别固定于所述驱动轮的转轴两侧；所述弹性连接件产生形变的过程中，所述一对滑块沿着所述一对导轨滑动，使得所述驱动轮相对于所述支撑台做往复运动。

本申请针对现有的球形机器人往往运动稳定性不高，而且越障爬坡能力不强的问题，提供了一种球形机器人，包括球壳和设于所述球壳内部的驱动组件。所述驱动组件包括驱动轮和驱动电机；所述驱动电机通过驱动所述驱动轮自转，在球壳内壁产生牵引力矩以带动所述球壳相对于所述驱动组件转动，所述球壳的转动于地面之间产生摩擦力，实现了所述球形机器人的行走。在球形机器人遇到行走障碍，且驱动轮的驱动力矩足以使得所述球形机器人越障时，所述控制力矩陀螺可通过自由偏摆以产生进动力矩从而稳定球形机器人的底盘，使驱动轮的驱动力矩全部传递给球壳，从而使球形机器人越过障碍。当驱动轮的驱动力矩不足以越障时，球形机器人通过控制偏摆电机带动所述控制力矩陀螺以大于自由偏摆时的角速度偏摆，以在短时间内获得较大的进动力矩，该进动力矩与驱动轮的驱动力矩叠加以实现越障；此外，通过在两个控制力矩陀螺系统之间设置反向同步齿轮组，以带动两个控制力矩陀螺系统反向同步偏摆，使得两个控制力矩陀螺系统之间的反向同步偏摆更为精确，从而使得两个控制力矩陀螺系统之间产生同向的进动力矩，增加球形机器人的稳定性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的一种球形机器人整体结构示意图。

图2是本发明实施例提供的一种球形机器人中控制力矩陀螺结构示意图。

图3是图2的局部放大图。

图4是本发明实施例提供的一种球形机器人中驱动组件的俯视图。

图5是本发明实施例提供的一种球形机器人中反向同步齿轮的结构示意图。

图6是本发明实施例提供的一种球形机器人驱动组件的示意图。

图7是本发明实施例提供的一种驱动轮分布示意图。

图8是本发明实施例提供的一种驱动轮局部放大示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。

请参阅图1，图1是本发明实施例提供的一种球形机器人，包括球壳1及设于所述球壳1内部的驱动组件2。所述驱动组件2包括支撑台4、安装于所述支撑台4边缘的多个驱动轮201和驱动所述驱动轮201绕其中心轴自转的驱动电机202、安装于所述支撑台4上的控制力矩陀螺系统3。

所述驱动轮201的部分周面与所述球壳1内壁相接触，所述驱动轮201在自转过程中，在所述球壳1内壁产生转动摩擦力(牵引力矩)从而带动所述球壳1相对于所述驱动组件2转动，所述球壳1的转动于地面之间产生摩擦力，实现了所述球形机器人的行走。所述驱动电机202与所述驱动轮201之间的传动方式不局限于皮带传动，也可用其他传动方式。

请参阅图2至图4，所述控制力矩陀螺系统3通过固定支架5固定于所述支撑台4上，包括控制力矩陀螺31和带动所述控制力矩陀螺31偏摆的偏摆电机32。所述控制力矩陀螺31包括转子311、轴承312、套设于所述转子311外围的转子框架313及驱动所述转子311绕其中心轴转动的自转电机314。所述自转电机314设于所述转子框架313上，通过带动所述轴承312以带动所述转子311旋转。所述偏摆电机32固定于所述转子框架313上与所述控制力矩陀螺31一起相对于所述固定支架5偏摆，所述偏摆方向与所述轴承312的延伸方向相垂直。所述两个控制力矩陀螺系统之间设有一组反向同步齿轮组25，以带动所述两个控制力矩陀螺系统反向同步偏摆，这样的设计一方面可以实现通过机械齿轮带动所述两个控制力矩陀螺系统3反向同步偏摆，以减少由两个电机控制反向同步偏摆时出现偏摆延迟、偏摆的反向同步精度低的问题；另一方面，还可以实现减少电机数量、增大空间利用率及降低整机重量。

在球形机器人遇障(如较大坡度、地面突出物、楼梯等)时，障碍物会对所述球壳1产生干扰力矩以阻碍其运动，所述球壳1将该干扰力矩通过所述驱动轮201传送至所述驱动组件2，高速旋转状态下的所述控制力矩陀螺系统3受到所述干扰力矩作用，会自由偏摆产生一个与所述干扰力矩方向相反大小相等的进动力矩使球形机器人底盘稳定，使得驱动力矩(驱动轮驱动球壳的力矩)全部转递给球壳以实现越障。在球形机器人受到较大干扰力矩干扰时，所述球形机器人控制高速旋转下的所述控制力矩陀螺31以大于自由偏摆时的角速度偏摆，以增大所述进动力矩。所述控制力矩陀螺31产生的进动力矩一方面稳定了所述行走驱动机构，避免其发生翻转，另一方面，将进动力矩通过所述固定支架5、支撑台4传递至驱动轮201，进而与驱动轮201的驱动力矩叠加后全部传送至球壳1，从而提高球形机器人的越障爬坡性能及自动调整姿态平衡。

请参阅图1、图2及图4，一种实施方式中，所述支撑台4为圆形，所述驱动轮201为4个，所述4个驱动轮201围绕所述支撑台4的边缘区域设置，且关于所述支撑台4中心对称分布，所述控制力矩陀螺系统3设于所述支撑台4上。所述固定支架5包括相对设置的第一端51、第二端52及设于所述第一端51和第二端52之间的连接部20，所述两个控制力矩陀螺系统3包括关于所述连接部20对称分布的第一控制力矩陀螺系统3a和第二控制力矩陀螺系统3b。所述第一控制力矩陀螺系统3a和所述第二控制力矩陀螺系统3b分别设于所述第一端51与所述连接部20、所述第二端52与所述连接部20之间，且分别通过第一偏摆轴33a和第二偏摆轴33b与所述固定支架5之间转动连接。

请参阅图4，一种实施方式中，所述支撑台4设有第一轴向y，所述驱动轮201关于所述第一轴向y对称分布，所述两个控制力矩陀螺系统3a、3b沿着第一轴向y分布，且两个控制力矩陀螺31a、31b的偏摆轴33a、33b沿着所述第一轴向y延伸。当所述球形机器人沿y正方向行走遇到障碍时，控制力矩陀螺系统3偏摆将发生进动而产生进动力矩平衡所述球形机器人，增加驱动轮201与所述球壳1之间的传动效率，使驱动轮201的驱动力矩全部传递给球壳1从而实现越障，进而避免球壳1内部的行走驱动机构将在球壳1内发生翻滚，球壳1无法获得最大驱动力矩实现越障。

本申请实施例中，对于所述控制力矩陀螺系统3的排布方式可以采用如下方式：当越障需要的进动力矩方向沿第一轴向y时，控制力矩陀螺系统3的偏摆轴向沿x方向布置；反之，当越障需要的进动力力矩方向沿x轴时，控制力矩陀螺系统3的偏摆轴向沿第一轴向y方向布置。

请参阅图4及图5，所述反向同步齿轮组25固定于所述连接部20，包括相对设置的第一齿轮251、第二齿轮252及与所述第一齿轮251和所述第二齿轮252相啮合的中间齿轮255，所述第一齿轮251和所述第二齿轮252分别固接于所述第一控制力矩陀螺系统3a和所述第二控制力矩陀螺系统3b的转子框架，所述中间齿轮255的传动作用使得所述第一齿轮251和所述第二齿轮252转向相反，使得所述第一控制力矩陀螺系统3a和所述第二控制力矩陀螺系统3b同步反向偏摆。这样的设计一方面可以实现通过机械齿轮带动所述两个控制力矩陀螺系统3a、3b反向同步偏摆，以减少由两个电机控制反向同步偏摆时出现偏摆延迟、偏摆的反向同步精度低的问题；另一方面，还可以实现减少电机数量，增大空间利用率及降低整机重量。

一种实施方式中，所述中间齿轮255包括相互啮合的第三齿轮253和第四齿轮254，所述第一齿轮251与所述第三齿轮253相啮合，所述第二齿轮252与所述第四齿轮254相啮合，所述第一齿轮251与所述第四齿轮254的转向相同，所述第二齿轮252与所述第三齿轮253的转向相同，且与所述第一齿轮251与所述第二齿轮252的转向相反。

一种实施方式中，所述第一齿轮251、所述中间齿轮255与所述第二齿轮252均为渐开线直齿轮。本实施方式相对于上述实施方式，减少了中间齿轮255的个数。

在其他实施方式，反向同步齿轮组25还可以为其他的结构。本申请在所述两个控制力矩陀螺31之间设有反向同步齿轮组25，使得所述两个控制力矩陀螺31的偏摆方向反向同步，可以使得两个控制力矩陀螺31产生同向的进动力矩，从而保证球形机器人的稳定性。

请参阅图2及图5，所述偏摆电机32设于所述控制力矩陀螺31上且远离所述连接部20的一端，所述第三端51设有第五齿轮511，所述偏摆电机32设有与所述第五齿轮511相啮合的第六齿轮521，所述偏摆电机32通过带动所述第六齿轮521相对于所述第五齿轮511偏摆，以带动所述控制力矩陀螺系统3绕所述偏摆轴33偏摆，从而带动所述第一齿轮251转动，并通过所述中间齿轮255传动至所述第二齿轮252，以带动所述两个控制力矩陀螺系统同步反向偏摆。偏摆效果如图6所示。

请参阅图7，所述驱动轮201可带动球形机器人实现原地自转、直行、转弯等运动。一种实施方式中，所述驱动组件2可以包括四个驱动轮201，围绕所述支撑台4设置。所述四个驱动轮201设于同一平面内，包括沿a方向相对设置的一对第一驱动轮201a及沿b方向相对设置的一对第二驱动轮201b，控制所述一对第二驱动轮201b不动及所述一对第一驱动轮201a的沿a方向转动，可实现球形机器人沿a方向前进或后退；控制所述一对第二驱动轮201b沿b方向转动及所述一对第一驱动轮201a不动，可实现球形机器人沿b方向前进或后退；控制所述一对第一驱动轮201a的转向相反或/和所述一对第二驱动轮201b的转向相反，可实现球形机器人自转；控制所述一对第一驱动轮201a的转动差速或所述一对第二驱动轮201b的转动差速，可实现球形机器人的左转弯、右转弯等。在其他实施方式，所述驱动轮201的个数也可以是2个、3个或3个以上。本申请中对于所述驱动轮201的个数不做限制，只需满足驱动所述球形机器人实现原地自转、直行、转弯等运动中一种或多种运动即可。

请参阅图1，一种实施方式中，所述驱动轮201与所述驱动电机202设于所述支撑台4的相对两侧，且所述驱动轮201与所述控制力矩陀螺系统3设于所述支撑台4的同一侧。这样的驱动结构设计可将重量较重的驱动电机202设于所述支撑台4之下，一方面充分利用所述支撑台4下的空间，另一方面也使得所述球形机器人的整体重心降低，从而增加所述球形机器人的稳定性；此外，将所述驱动轮201设于所述支撑台4之上，在满足所述驱动轮201与所述球壳1充分接触以支撑起所述支撑台4及所述驱动组件2的条件下，还使得所述驱动轮201的空间较大，允许使用较大尺寸的驱动轮201来增大所述驱动轮201与所述球壳1之间的转速传动比值，从而在一定的电机功率下，增大所述球壳1的转动速度，进而增加球形机器人的运动速度。

请参阅图8，一种实施方式中，所述驱动轮201与所述支撑台4之间设有弹性连接件21。所述弹性连接件21在所述球形机器人运动时对所述球壳1内的所述驱动组件2起到缓冲减震作用，及为所述驱动轮201提供与所述球壳1接触的接触压力。一种实施方式中，所述弹性连接件21包括弹簧210、设于所述弹簧210和所述驱动轮201相对两侧的一对导轨211、及设于所述一对导轨211上的滑块212。所述一对导轨211固定于所述支撑台4之上，且沿着所述弹簧210延伸的方向延伸，所述一对导轨211两端设有限位件213，限位件213用于限制所述滑块212的滑动位置。所述一对滑块212分别固定于所述驱动轮201的转轴两侧，所述滑块212一端设于所述一对导轨211上，可相对于所述一对导轨211滑动，另一端固定于所述驱动轮201轴承两端，以便于在弹簧210形变过程中，带动所述驱动轮201相对于所述支撑台4做往复运动。所述驱动电机202固定连接于所述驱动轮201，在弹簧210形变过程中，所述驱动电机202和所述驱动轮201一起相对于所述支撑台4做往复运动。

本实施方式中，所述弹簧210固定于所述支撑台4与所述驱动轮201之间，且处于压缩状态，以便于为所述驱动轮201与所述球壳1之间提供接触压力，从而增加所述驱动轮21与所述球壳1之间的传动效率，使得所述驱动轮201上的驱动力矩全部传送至所述球壳1，促进所述球形机器人越障。此外，在球形机器人运动过程中，所述弹簧210可通过其压缩量的变化确保驱动轮201始终与球壳1紧密接触，以便于所述驱动轮201通过牵引力矩带动所述球壳1运动。其他实施方式中，所述弹性连接件21也可以是弹性橡胶、弹性塑料等其他的弹性元件，在本申请中，不对所述弹性连接件21的具体结构进行限制。

请参阅图8，一种实施方式中，所述驱动轮201包括多个沿着其轴向叠加的转动轮214，每个所述转动轮214所在平面可以与所述球壳1垂直或近似垂直，这样使得所述驱动轮201与所述球壳1之间的接触面积增大，从而增大所述驱动组件2对于所述球壳1的驱动力。

本申请实施例提供了一种球形机器人，包括球壳1和设于所述球壳1内部的驱动组件2。所述驱动组件2包括驱动轮201和驱动电机202。所述驱动电机202通过驱动所述驱动轮201自转，在球壳1内壁产生牵引力矩以带动所述球壳1相对于所述驱动组件2转动，实现球形机器人的行走；在所述驱动组件2中设置所述控制力矩陀螺31，在球形机器人越障时，通过控制所述偏摆电机32带动所述控制力矩陀螺31偏摆，使得所述控制力矩陀螺31的偏摆角速度增加，使控制力矩陀螺31的进动力矩增大，该进动力矩通过驱动轮201传递给球壳1，球壳1借助该进动力矩和驱动轮201的驱动力矩越障和爬坡，从而提高球形机器人的越障爬坡性能及自动调整姿态平衡。

综上所述，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，但该较佳实施例并非用以限制本发明，该领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与润饰，因此本发明的保护范围以权利要求界定的范围为准。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。