正交位双全向轮驱动球形机器人的制作方法

本发明涉及一种运动球形机器人技术，具体涉及一种正交位双全向轮驱动的全方位运动球形机器人。

背景技术：

球形机器人是一种将运动执行机构、传感器、控制器等集成为一体，依赖球形特点实现移动的机器人，具有良好的自稳定性。

球形机器人的驱动机理主要有偏心力矩和角动量守恒两类驱动方式。本发明的驱动方式属于偏心力矩驱动。

现有专利申请201410147444.8提出一种麦克纳姆轮驱动式球形机器人，从机构原理分析，它无法正常工作和难以控制。原因在于：1)麦克纳姆轮的轮缘滚子的自由滚动方向与驱动方向为45°布置，驱动麦克纳姆轮将引起45°方向的不确定滚动，导致无法精确驱动麦克纳姆轮的运动轨迹；2)支撑麦克纳姆轮的机架未考虑弹性结构，无法适应球壳直径的误差，就无法保持两麦克纳姆轮的轮缘与球壳内表面保持驱动所需的压力；3)如果球壳内的重心距球心较近，且不位于两麦克纳姆轮的连线上，无法处于竖直位姿的两麦克纳姆轮将无法驱动球壳进行直线运动和转向运动；4)球体内部的4根车用气动杆为多余机构，它们无法使两麦克纳姆轮处于竖直工作位姿，并且气动杆与球壳内面的接触摩擦力更会阻碍麦克纳姆轮的驱动能力。可见，此专利申请的一种麦克纳姆轮驱动式球形机器人是不可行的。

专利申请201510194055.5提出一种全步姿行走球形机器人，采用4个步进电机分别驱动4个全向轮运动。这一机构的问题是两个同向电机的转速和相位差异，或全向轮的直径差异，都会引起运动不同步问题，以致引起控制机器人运动轨迹的困难。

为了克服上述球形机器人的缺点，不同于上述麦克纳姆轮和全向轮结构的球形机器人，本专利提出一种正交位双全向轮驱动的全方位运动球形机器人。全向轮的突出特性在于全向轮可在两个正交方向同时滚动，而全方位运动可由这两个正交方向运动的简易组合而实现。

技术实现要素：

本发明的目的在于改进现有球形机器人驱动结构的不足，提出一种正交位双全向轮驱动球形机器人，动作和结构简单，不需要制作高精度零部件，容易实现准确控制，容易工程化。

为解决全向运动球形机器人的简化驱动技术问题，本发明采用下述技术方案：

一种正交位双全向轮驱动球形机器人，包括球壳1、支架2、上全向轮3、下全向轮4、行走驱动5、转向驱动8和控制系统6；

所述支架2位于球壳1内，所述上全向轮3安装在支架2的上方，下全向轮4安装在支架2的下方，上全向轮3和下全向轮4正交布置在球壳1内的最大竖直直径的两端；

所述支架2位于球心下方的部位设有承载平台7，承载平台7上放置有所述控制系统6，综合降低球形机器人的重心10；

所述行走驱动5用于提供行走运动的动力，所述转向驱动8用于提供转向运动的动力。

所述球壳1与支架2间留有间隙9，始终不产生接触。

所述支架2具有一定弹性，增强上全向轮3和下全向轮4对球壳1内表面的压力，从而获得驱动球形机器人运动的足够摩擦力，并有助于减震缓冲。

在上述技术方案的基础上，所述支架2包括上支架2-1和下支架2-2，上支架2-1和下支架2-2之间由弹簧11支撑，提供所述下全向轮4和上全向轮3对球壳1内表面的压力，并调节所述下全向轮4和上全向轮3以适应球壳1内直径的误差变化，并有助于减震缓冲。

在上述技术方案的基础上，所述上全向轮3用于实现球形机器人的转向运动，下全向轮4用于实现球形机器人的行走运动。

在上述技术方案的基础上，所述上全向轮3用于实现球形机器人的行走运动，下全向轮4用于实现球形机器人的转向运动。

在上述技术方案的基础上，所述行走驱动5可以与全向轮集成为一体。

在上述技术方案的基础上，所述转向驱动8可以与全向轮集成为一体。

球形机器人的重心10远低于球心，具体位置跟载物平台的大小有关，也与控制系统的质量和安放位置等密切相关，因此载物平台的位置由各相关参数决定。但若重心10接近球心，该机器人将难以正常行走和转向。

本发明与现有技术相比，具有如下有益效果：

1、本发明首次利用两个有独立驱动的全向轮以正交位姿竖直布置，一个全向轮实现行走运动，另一个实现转向运动，互不干涉，从而得到所述球形机器人的全方位运动。

2、本发明利用全向轮与球壳内表面的压力所产生的摩擦力提供行走和转向驱动。

3、本发明在球形机器人的上支架、下支架与球壳之间有间隙，不允许支架与球壳内表面接触和摩擦，避免阻碍球形机器人的运动。

4、本发明在球形机器人下支架上，位于下方远离球心的位置设有承载平台，承载球形机器人的控制系统，该平台还可以载物，达到综合降低重心的作用。

5、本发明结构简单，不需要高精度的零部件，能降低工程化成本。

附图说明

本发明有如下附图：

图1本发明实施例1结构示意图一。

图2本发明实施例1结构示意图二。

图3本发明实施例2结构示意图一。

图4本发明实施例2结构示意图二。

图5本发明实施例2结构示意图三。

图6本发明实施例2结构示意图四。

图7本发明实施例3结构示意图一。

图8本发明实施例3结构示意图二。

图中：1球壳，2支架，2-1上支架，2-2下支架，3上全向轮，4下全向轮，5行走驱动，6控制系统，7承载平台，8转向驱动，9间隙，10重心，11弹簧。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的，而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。

一种正交位双全向轮驱动球形机器人，包括球壳1、支架2、上全向轮3、下全向轮4、行走驱动5、转向驱动8和控制系统6；

所述支架2位于球壳1内，所述上全向轮3安装在支架2的上方，下全向轮4安装在支架2的下方，上全向轮3和下全向轮4正交布置在球壳1内的最大竖直直径的两端；

所述支架2位于球心下方的部位设有承载平台7，承载平台7上放置有所述控制系统6，综合降低球形机器人的重心10；

所述行走驱动5用于提供行走运动的动力，所述转向驱动8用于提供转向运动的动力。

所述球壳1与支架2间留有间隙9，始终不产生接触。

所述支架2具有一定弹性，增强上全向轮3和下全向轮4对球壳1内表面的压力，从而获得驱动球形机器人运动的足够摩擦力，并有助于减震缓冲。

在上述技术方案的基础上，所述支架2包括上支架2-1和下支架2-2，上支架2-1和下支架2-2之间由弹簧11支撑，提供所述下全向轮4和上全向轮3对球壳1内表面的压力，并调节所述下全向轮4和上全向轮3以适应球壳1内直径的误差变化，并有助于减震缓冲。

在上述技术方案的基础上，所述上全向轮3用于实现球形机器人的转向运动，下全向轮4用于实现球形机器人的行走运动。

在上述技术方案的基础上，所述上全向轮3用于实现球形机器人的行走运动，下全向轮4用于实现球形机器人的转向运动。

在上述技术方案的基础上，所述行走驱动5可以与全向轮集成为一体。

在上述技术方案的基础上，所述转向驱动8可以与全向轮集成为一体。

球形机器人的重心10远低于球心，具体位置跟载物平台的大小有关，也与控制系统的质量和安放位置等密切相关，因此载物平台的位置由各相关参数决定。但若重心10接近球心，该机器人将难以正常行走和转向。

实施例1

如图1和2所示，一种正交位双全向轮驱动的全方位运动球形机器人，包括球壳1、支架2、上全向轮3、下全向轮4、行走驱动5、控制系统6和转向驱动8。

所述上全向轮3安装在支架2的上方，下全向轮4安装在支架2的下方。进一步，上全向轮3和下全向轮4正交布置在球壳1内的最大竖直直径的两端。

所述支架2具有一定弹性，增强全向轮3和全向轮4对球壳1内表面的压力，从而获得驱动球形机器人运动的足够摩擦力。所述支架2具有的弹性还有助于减震缓冲。

所述下全向轮4由行走驱动5提供行走运动的动力，行走驱动5可以与全向轮集成为一体；所述上全向轮3由转向驱动8提供转向运动的动力，转向驱动8可以与全向轮集成为一体。

所述控制系统6和载物等使球壳1内的综合重心10远低于球心，使两全向轮3，4的位置始终保持竖直于球壳1内。

所述球壳1与支架2间留有间隙9，始终不产生接触。

实施例2

如图3-6所示，一种正交位双全向轮驱动的全方位运动球形机器人，包括球壳1、上支架2-1、下支架2-2、上全向轮3、下全向轮4、行走驱动5、控制系统6、弹簧11、转向驱动8。

所述两全向轮3,4正交布置在球壳1内的最大竖直直径的两端；下全向轮4安装在下支架2-2上，上全向轮3安装在上支架2-1上，上支架2-1和下支架2-2之间由弹簧11支撑，弹簧11增强所述全向轮对球壳1内表面的压力，从而获得驱动球形机器人运动的足够摩擦力。所述弹簧11还有助于减震缓冲。

所述下全向轮4由行走驱动5提供行走运动的动力，行走驱动5可以与全向轮集成为一体；所述上全向轮3由转向驱动8提供转向运动的动力，转向驱动8可以与全向轮集成为一体。

所述控制系统6和载物等使球壳1内的综合重心10远低于球心，使两全向轮3,4的位置始终保持竖直于球壳1内。

所述球壳1与上支架2-1和下支架2-2间留有间隙9，始终不产生接触。

实施例3

如图7和8所示，本实施例与实施例2的区别在于：所述下全向轮4用于实现球形机器人的转向运动，与此同时，下全向轮4用于实现球形机器人的行走运动。

显然，本发明的上述实施例的原理阐述仅仅是为清楚地说明本发明所做的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里没有对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。