一种三驱动单摆式球形滚动机器人的制作方法

本实用新型涉及移动机器人技术领域，尤其涉及一种三驱动单摆式球形滚动机器人。

背景技术：

在生活中人们可能需要对一些比较狭窄、崎岖的孔洞环境进行探寻，如尺寸较小的管道等。在这些人类难以进入的环境下，经常需要使用移动机器人进行工作。移动机器人能够代替工作人员进入环境危险且复杂的管道环境，执行搜索和探测等任务，移动机器人能有效提高探测效率。

球形滚动机器人是移动机器人的一种，是一类将驱动机构、传感器和控制器安装在一个球形壳体内的系统。球形滚动机器人可实现全方位运动，且和地面单点接触，阻力小，能量利用率高，携带的能源使用时间长；同时，具有较高的承载能力，能越过一定高度的障碍、爬上一定角度的斜坡。

目前，摆式驱动球形滚动机器人多采用双电机驱动方式，一旦某台电机发生故障，机器人将无法工作，影响其正常使用，容错能力较差，运行可靠性较差；同时，滚动速度和转向能力较差，导致机器人的运动灵活性较差。

技术实现要素：

本实用新型主要解决现有球形滚动机器人运动灵活性较差、系统运行可靠性较差等技术问题，提出一种三驱动单摆式球形滚动机器人，其运动及运动方式更加灵活，并且通过构型设计提高了系统的容错能力，提高了机器人系统运行的可靠性。

本实用新型提供了一种三驱动单摆式球形滚动机器人，包括：球壳(3)和设置在球壳(3)内的环形轨道(9)、转动单元以及摆动单元；

所述环形轨道(9)与球壳(3)内表面通过过盈配合固定连接，所述环形轨道(9)内表面设有轮齿；

所述转动单元包括：转向支座(1)、箱型转轴(10)、轨道电机(2)、导向支座(7)、转向齿轮(12)和轨道轮(14)；其中，所述箱型转轴(10)一端与转向支座(1)转动连接、另一端与导向支座(7)转动连接；所述转向支座(1)上设置转向齿轮(12)，所述转向齿轮(12)与环形轨道(9)的轮齿相啮合，所述转向支座(1)侧面装有轨道电机(2)，轨道电机(2)的输出轴与转向齿轮(12)相连；所述转向支座(1)和导向支座(7)上分别设有轨道轮(14)，所述轨道轮(14)在环形轨道(9)两侧轮缘部分滚动；

所述摆动单元包括：短轴电机(4)、长轴电机(8)、主动锥齿轮(5)、从动锥齿轮(6)、摆杆(13)、摆杆轴(15)和单摆(11)；其中，所述短轴电机(4)、长轴电机(8)分别设置在箱型转轴(10)中，所述长轴电机(8)的输出轴与导向支座(7)通过平键连接；所述短轴电机(4)的输出轴通过平键连接有主动锥齿轮(5)，所述主动锥齿轮(5)与从动锥齿轮(6)啮合；所述从动锥齿轮(6)与摆杆轴(15)连接，摆杆轴(15)与摆杆(13)连接，所述摆杆(13)底端与单摆(11)连接。

进一步的，所述箱型转轴(10)通过轴承和轴承座与转向支座(1)连接。

进一步的，所述轨道电机(2)的输出轴与转向齿轮(12)通过平键相连。

进一步的，所述从动锥齿轮(6)通过平键与摆杆轴(15)连接，摆杆轴(15)与摆杆(13)通过顶丝紧固连接，所述摆杆(13)底端与单摆(11)通过螺纹紧固连接。

本实用新型提供的一种三驱动单摆式球形滚动机器人，与现有的摆式双驱动球形滚动机器人相比，本实用新型采用了三驱动方式，不仅运动方式更加灵活，并且通过构型设计使系统具有容错能力。当轨道电机和短轴电机之一发生故障时，使用其余两台驱动电机仍然能够实现机器人的全向滚动，显著提高了机器人系统运行的可靠性。同时，本实用新型的球形滚动机器人箱型转轴的尺寸和质量较小，而重摆的质量和摆杆的长度较大。与双摆式重摆结构相比，球冠状单摆式重摆结构的空间利用率更好，因此本实用新型的三驱动球形滚动机器人的重摆质量相对总体质量的占比更高，摆杆的长度更大，能够提供更大的偏心力矩和惯性力矩，使机器人具有更高的滚动速度和更灵活的转向能力。

附图说明

图1是本实用新型三驱动单摆式球形滚动机器人的结构示意图；

图2为本实用新型三驱动单摆式球形滚动机器人的内部结构示意图一；

图3为本实用新型三驱动单摆式球形滚动机器人的内部结构示意图二。

附图说明：1、转向支座；2、轨道电机；3、球壳；4、短轴电机；5、主动锥齿轮；6、从动锥齿轮；7、导向支座；8、长轴电机；9、环形轨道；10、箱型转轴；11、单摆；12、转向齿轮；13、摆杆；14、轨道轮；15、摆杆轴。

具体实施方式

为使本实用新型解决的技术问题、采用的技术方案和达到的技术效果更加清楚，下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本实用新型，而非对本实用新型的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本实用新型相关的部分而非全部内容。

图1为本实用新型三驱动单摆式球形滚动机器人的结构示意图。图2为本实用新型三驱动单摆式球形滚动机器人的内部结构示意图一。图3为本实用新型三驱动单摆式球形滚动机器人的内部结构示意图二。如图1至图3所示，本实用新型实施例提供的三驱动单摆式球形滚动机器人，包括：球壳3和设置在球壳3内的环形轨道9、转动单元以及摆动单元。

所述环形轨道9与球壳3内表面通过过盈配合固定连接，所述环形轨道9内表面设有轮齿。设置时，使环形轨道9面与球壳3赤道面垂直。

所述转动单元包括：转向支座1、箱型转轴10、轨道电机2、导向支座7、转向齿轮12和轨道轮14；其中，所述箱型转轴10一端通过轴承和轴承座与转向支座1转动连接，另一端通过摆动单元的长轴电机8的输出轴与导向支座7转动连接，长轴电机8的输出轴通过平键与导向支座7连接；所述转向支座1上设置转向齿轮12，所述转向齿轮12与环形轨道9的轮齿相啮合，所述转向支座1侧面装有轨道电机2，轨道电机2的输出轴与转向齿轮12通过平键相连；所述转向支座1和导向支座7上分别设有轨道轮14，所述轨道轮14在环形轨道(9)两侧轮缘部分滚动。

所述摆动单元包括：短轴电机4、长轴电机8、主动锥齿轮5、从动锥齿轮6、摆杆13、摆杆轴15和单摆11；其中，所述短轴电机4、长轴电机8分别设置在箱型转轴10中，所述长轴电机8的输出轴通过平键与导向支座7连接；所述短轴电机4的输出轴通过平键连接有主动锥齿轮5，所述主动锥齿轮5与从动锥齿轮6啮合；所述从动锥齿轮6通过平键与摆杆轴15连接，摆杆轴15与摆杆13通过顶丝紧固连接，所述摆杆13底端与单摆11通过螺纹紧固连接。其中，短轴电机4和长轴电机8的转轴分别为短轴和长轴。在本实施例中，可改变主动锥齿轮5和从动锥齿轮6的比例以调节传动比，进而调节驱动力矩。

本实用新型三驱动单摆式球形滚动机器人的工作原理：轨道电机2能够驱动箱型转轴10和单摆11相对球壳3绕通过球心并与轨道面垂直的轴线转动，从而改变机器人的前进方向，实现机器人的原地转向控制。长轴电机8能够驱动箱型转轴10相对球壳3绕长轴转动，从而间接地带动单摆11向前或向后摆动，使机器人前进或后退。短轴电机4通过主动锥齿轮5和从动锥齿轮6带动单摆11相对箱型转轴10绕短轴转动，使单摆向左或向右摆动，从而使机器人在滚动中向左或向右转向。

本实施例的球形滚动机器人采用了三驱动方式，该机器人不仅运动更加灵活，并且通过构型设计实现了系统容错。如果轨道电机2和短轴电机4之一发生故障时，使用其余两台驱动电机仍然能够实现机器人的全向滚动。即当长轴电机8分别与短轴电机4或轨道电机2配合使用时，机器人系统可以实现两种不同的双驱动模式。在这两种不同的双驱动模式下，该球形滚动机器人均能在地面上全向滚动。另外，当采用长轴电机8+短轴电机4的双驱动模式时，长轴电机8和短轴电机4的作用可以互换，即短轴电机4驱动机器人前进或后退，长轴电机8实现机器人滚动时左右转向。但由于机器人整体相对短轴的转动惯量要大一些，因此采用短轴电机4驱动机器人前进或后退时需要更大的驱动力矩，本实施例使主动锥齿轮5为小齿轮，从动锥齿轮6为大齿轮，通过齿轮传动提高驱动力矩。

与现有的摆式双驱动球形滚动机器人相比，本实用新型提供的球形滚动机器人不仅运动和运动方式更加灵活，并且通过构型设计使系统具有容错能力。当轨道电机和短轴电机之一发生故障时，使用其余两台驱动电机仍然能够实现机器人的全向滚动，显著提高了机器人系统运行的可靠性。同时，本实用新型的球形机器人箱型转轴的尺寸和质量较小，而重摆的质量和摆杆的长度较大。与双摆式重摆结构相比，球冠状单摆式重摆结构的空间利用率更好，因此本实用新型的三驱动球形机器人的重摆质量相对总体质量的占比更高，摆杆的长度更大，能够提供更大的偏心力矩和惯性力矩，使机器人具有更高的滚动速度和更灵活的转向能力。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的范围。