全封闭式球形全向陀螺机构及其运行方法与流程

本发明涉及机械陀螺平衡技术，具体为一种全封闭式球形全向陀螺机构及其运行方法。

背景技术：

机械陀螺是一种具有高速转子的精密机构，具有运动平稳且能够提供较大陀螺力矩的特性。

目前，机械陀螺主要应用于智能体的姿态控制方面，比如自平衡车c-1，其车体底部装有两个高速旋转的飞轮，通过飞轮进动产生陀螺力矩来保持车体的平衡。

从结构上看，目前的机械陀螺通常可分为单轴、双轴和三轴三种，其中，单轴机械陀螺能够产生的陀螺力矩较为单一，只能对机械系统进行单方向的姿态调整，灵活度不足，因此其应用受到一定限制；而多轴(双轴和三轴)陀螺通常由内外嵌套轴来实现，结构相对复杂且空间利用效率低。

另外，为了能够产生足够的陀螺力矩，根据陀螺力矩产生的原理，现有的机械陀螺通常会设计有开放的高速转子(转速大约为6000r/min～10000r/min)。

然而，这种裸露的高速旋转转子结构在应用时容易受到外界的影响而导致自身转子的损坏或对外界设备仪器及人身产生危险。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是提出了一种结构紧凑、安全可靠的全封闭式球形全向陀螺机构及其运行方法。

能够解决上述技术问题的全封闭式球形全向陀螺机构，其技术方案包括固装于设备机体上的外球壳和设于外球壳内部中央的水平转子，所述水平转子置于上、下弧形球体之间，上、下弧形球体的球心均与外球壳同心，水平转子内安装有双轴航模电机，处于水平转子回转中心线上的双轴航模电机的上、下转轴分别与上、下弧形球体连接；对应于上、下弧形球体各设有三个全向轮而构成上、下三对轮系，与上弧形球体对应的三个全向轮的轴线向上正交于一点，与下弧形球体对应的三个全向轮的轴线向下正交于一点，各对轮系中的上、下全向轮对称于球心，各全向轮通过对应的弹性轮架安装于对应的弧形球体上且各全向轮在弹性轮架的弹力作用下径向压紧在外球壳内壁的对应位置上，各轮架上设有驱动对应全向轮转动的电机和检测对应全向轮转动参数的编码器。

各弹性轮架的一种结构包括左、右架体，各架体包括相互套装的弹簧套和弹簧销，所述弹簧套和弹簧销之间预紧有压缩弹簧，所述全向轮通过轮轴于左、右弹簧套上安装，左、右弹簧销的底部安装于对应的弧形球体上。

按常规，所述水平转子的直径大于弧形球体底部直径而小于外球壳的内径。

按常规，所述外球壳通过其上、下、左、右的壳座安装于设备机体上。

所述全封闭式球形全向陀螺机构的运行方法，其工作步骤为：

1、启动双轴航模电机驱动水平转子高速旋转。

2、根据设备机体的力矩矢量调节要求设定水平转子回转中心线期望进动的方向(方向可以任意)和水平转子运转的速度大小。

3、以水平转子回转中心线的期望进动为基础，根据全向轮在弧形球体上运动的逆运动学原理求出各全向轮所需驱动的速度，由于全向轮在外球壳内壁上运动而使水平转子的回转中心线可在任意方向上进动，故全向轮的驱动速度始终有解。

4、启动电机驱动六个全向轮按要求的速度转动并通过一定的对应关系合成所期望的速度。

5、高速运转的水平转子由于其回转中心线的进动而产生陀螺力矩，该陀螺力矩通过全向轮与外球壳之间的接触约束而向外球壳传递，由于外球壳固定安装在设备机架上，故陀螺力矩最终传递给需要力矩的设备。

6、通过调整水平转子回转中心线的方向和水平转子的运转速度大小，进而调节陀螺输出力矩矢量。

本发明的有益效果：

1、本发明全封闭式球形全向陀螺机构主要解决了机械陀螺的封装问题，具有结构紧凑、安全可靠的特点。

2、本发明结构中，水平转子与上、下弧形球体固连，通过驱动固连于弧形球体上的全向轮，使水平转子以及所固连的弧形球体可以在外球壳内自由全向进动，从而能够在任意轴方向上提供陀螺力矩。

3、本发明结构中，与水平转子固连的弧形球体上固装有用来驱动以及产生力矩的全向轮，全向轮通过弹性轮架使其紧紧与外球壳内壁接触，保持良好的传动效果。

附图说明

图1为本发明一种实施方式的结构示意图。

图2为图1实施方式内部结构示意图。

图3(a)为图1实施方式中弹性轮架的结构示意图。

图3(b)为图3(a)中的a-a剖示图。

图号标识：1、外球壳；2、水平转子；3、弧形球体；4、双轴航模电机；5、全向轮；6、电机；7、弹性轮架；7-1、弹簧套；7-2、弹簧销；7-3、压缩弹簧；7-4、轮轴。

具体实施方式

下面结合附图所示实施方式对本发明的技术方案作进一步说明。

本发明全封闭式球形全向陀螺机构，其结构包括外球壳1和设于外球壳1内的水平转子2和上、下弧形球体3，所述外球壳1通过其上、下、左、右的方形壳座安装于设备机体上，如图1所示。

所述水平转子2于外球壳1内部的中央位置设置，水平转子2的回转中心线处于外球壳1的球心上，上、下弧形球体3分别设于水平转子2的上方和下方，上、下弧形球体3的球心均与外球壳1的球心同心，上、下弧形球体3与水平转子2间均保持有间隔，水平转子2的直径大于上、下弧形球体3底部直径而小于外球壳1的内径，水平转子2的内部中央设有双轴航模电机4，所述双轴航模电机4的上、下转轴处于水平转子2的回转中心线上，双轴航模电机4的上、下转轴分别进入上、下弧形球体3内部并通过轴承安装连接，如图1、图2所示。

上、下弧形球体3分别由上、下方的各三个全向轮5(圆周均布)空间限位，上、下各三个全向轮5构成上、下三对轮系，与上弧形球体3对应的三个全向轮5的轴线向上正交于一点，与下弧形球体3对应的三个全向轮5的轴线向下正交于一点，各对轮系中的上、下全向轮5对称于球心，各全向轮5均通过弧形球体3上的弹性轮架7安装就位，安装就位后的全向轮5在弹性轮架7的弹力作用下径向压紧在外球壳1的内壁上，各弹性轮架7上设有带编码器的电机6驱动对应全向轮5转动，如图1、图2所示。

所述弹性轮架7包括左、右架体，各架体包括前、后两组弹簧套7-1及弹簧销7-2组件，每组组件中，弹簧套7-1和弹簧销7-2相互套装并于两者之间预紧有压缩弹簧7-3，两组弹簧套7-1的外端连接构成开口向内的“u”形结构，左、右架体的前、后两组弹簧销7-2的底部安装于对应的弧形球体3上，对应的全向轮5通过其左、右轮轴7-4安装于左、右架体的前、后弹簧套7-1之间即轮轴7-4于“u”形结构的中间槽内与弹簧套7-1连接，如图1、图2、图3(a)、图3(b)所示。

本发明全封闭式球形全向陀螺机构的运行方法，包括如下工作步骤：

1、启动双轴航模电机4驱动水平转子2高速旋转。

2、根据设备机体的力矩矢量调节要求设定水平转子2回转中心线期望进动的方向和水平转子2运转的速度大小。

3、以水平转子2回转中心线的期望进动为基础，根据全向轮5在弧形球体3上运动的逆运动学原理求出各全向轮5所需驱动的速度，由于全向轮5在外球壳1内壁上依靠摩擦力运动而使水平转子2的回转中心线可在任意方向上进动，故全向轮5的驱动速度始终有解。

4、启动电机6驱动六个全向轮5按要求的速度转动并通过一定的对应关系合成所期望的速度，各对轮系中的上、下全向轮5同步驱动。

5、高速运转的水平转子2由于其回转中心线的进动而产生陀螺力矩，该陀螺力矩通过全向轮5与外球壳1之间的接触约束而向外球壳1传递，由于外球壳1固定安装在设备机架上，故陀螺力矩最终传递给需要力矩的设备。

6、通过调整水平转子2回转中心线的方向和水平转子2运转速度大小，进而调节陀螺输出力矩矢量。