CN100343027C - 球形探测机器人 - Google Patents
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Abstract
球形探测机器人，在球壳的内部安装有一不随球壳转动的主轴，球壳与主轴之间通过滚动轴承相连，在主轴下面悬挂有运动机构，运动机构的两端安装有两个轮子，两个轮子在运动机构重力的作用下分别压在球壳上。本发明的优点是可以提供一个相对于球壳不动的主轴，从而可以在该轴上安装摄像机、传感器等设备，进行探测等工作。另外，该球形机器人还具有一套将前进后退机构和转弯机构结合在一起的运动机构，简化了其结构形式。该球形机器人可具有自主和遥控运动两种功能，根据反馈图像可遥控球在陌生环境运动，可以完成诸如剧毒气体检测、现场环境观测及星球探测等多种任务。
Description
技术领域
本发明涉及一种可用于环境探测、星球探测及玩具领域的球形探测机器人系统。
背景技术
球形机器人或球形机构是指一类将运动执行机构、传感器、控制器安装在一球形壳体内的系统的总称。由于这类机器人具有良好的动态和静态平衡性，因此不会因为碰撞而产生失稳状态。同时，由于其机电、传感部件和控制部件都包括在这个球中，因此具有很好的密封性，可以行驶在沙尘、潮湿、腐蚀性的恶劣环境中。A.Halme，T.Schonberg and Y.Wang，MotionControl of a Spherical Mobile Robot，4th IEEE International Workshop onAdvanced Motion Control AMC’96，Mie University，Japan 1996.介绍了芬兰的Aarne Halme设计的一种球形机器人并申请了专利，该球形机器人采用了一个在球壳内滚动的轮来驱动整个球形机器人的运动；Michaud F.andTheberge-Turmel.Mobile robotic tpys and autism.In Dautenhahn，K.，Bod.A Socially Intelligent Agents Creating Relationships with Computers andRobots.Kluwer Academic，2002.介绍了加拿大的Francois Michaud和Serge Caron研制一个玩具用途的球形机器人，他们通过调整悬挂在主轴上的重物来实现机器人的转向；中国发明专利申请号01118289.X，改进的球形机器人全方位行走机构公开了北京邮电大学孙汉旭教授申请的一个全方位球形机器人的专利，它是通过球内的一个全方位运动机构来实现球形机器人的运动。申请人与合作者也曾申请了一个球形机器人的专利，它是通过电机直接带动球壳来前进后退，通过摆动一重物来实现球形机器人的转弯。
球形机器人的一个主要的用途是可以进行探测或观测，但上述发明或设计的球形机器人只追求运动的全方位，而忽略了具体应用中传感器等设备的加装问题。由于球形机器人只能采用遥控或自主的方式来运动，在这两种方式下，如果让机器人在远距离或有遮挡的环境中运动，都需要传感器的辅助，如视觉传感器，遥控者在视觉信息的指引下可以让球形机器人按着任务的需要进行合理的动作，同时球形机器人也可以在视觉信息的导引下做一些自主运动。如果将视觉等传感器安装在全方位运动的球形机器人上，传感器会随着球形机器人转动，这时传感器提供的不是固定传感方向的有用环境信息，而是转动的机器人圆周附近的信息，这些信息无法为机器人的运动提供合理的指导。为了能够为球形机器人提供合理有效的传感信息，需要在球形机器人上为传感器提供一个不随机器人转动的安装位置。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种不仅可以相对于球壳不转动的轴，便于传感器的安装和使用，而且具有一套结构与控制都非常简单的运动机构，可以方便地完成前进、后退、左转、右转等运动功能的球形机器人。
本发明的技术解决方案是：球形探测机器人，包括球壳，其特征在于：在球壳的内部安装有一不随球壳转动的主轴，球壳与主轴之间通过滚动轴承相连，在主轴下面悬挂有运动机构，运动机构的两端安装有两个轮子，两个轮子在运动机构重力的作用下分别压在球壳上。当轮子在运动机构的带动下转动时，如果两个轮子的转动方向、转速相同，则轮子与球壳之间产生的摩擦力可以形成对球壳的直线推动力，由此推动整个球壳前进和后退；而当两个轮子转速不同或相反时，它们就会对球壳产生一个让球壳转动的力矩，由此让球壳绕垂直于地面的转轴转动，从而实现整个球形机器人的转向。
在本发明中，当球形机器人运动时可以保证主轴相对于球壳是不动的，因此可以在主轴上安装摄像机等传感器，而且可以保证在机器人的运动过程中传感器不会发生旋转等运动；本发明还以简洁紧凑的方式实现球形机器人的前进、后退、转弯等运动，而且在运动的规程中可以保证主轴与地面的相对高度保持不变。
本发明与现有技术相比的有益效果：
1、该球形探测机器人利用两个轮子与球壳内表面之间的摩擦力实现其直线运动和转弯等运动功能，运动机构简单且控制方便。由于球形机器人的内部空间范围较小，因此简单的机构可以为球形机器人提供更多的空间，便于安装传感器等其他设备；另外，该球形机器人还具有自主和遥控运动两种功能，既可以由操纵者根据反馈图像遥控球形机器人运动，也可让球形机器人根据图像信息进行自主运动，可以完成诸如剧毒气体检测、现场环境观测及星球探测等多种任务。
2、本发明不同于以往的专利内容主要表现在，该球形探测机器人可以提供一个不随球壳转动的主轴，从而可以在该轴上安装摄像机、传感器等设备，进行探测等工作。由于主轴不随球壳转动且在整个运动空间中主轴相对于地面是平动，因此安装在上面的摄像机等传感器可以具有一个固定的传感方向，倘若不能安装在一个平动的平台上，则摄像机等传感器会随着球壳转动，从而导致检测的信息非常杂乱，不便于使用。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图；
图2本发明的运动机构结构示意图。
具体实施方式
如图1、图2所示，本发明实施例为：在球壳1的内部安装有一不随球壳转动的主轴2，主轴2为一中空体，在其外部可安装控制设备10等，在其内部可以安装用于探测的传感器等装置，球壳1与主轴2之间通过支撑件3和滚动轴承4相连，在主轴2的下面悬挂有运动机构8，运动机构8通过连接件5与主轴2相连，连接件5上有一对长槽可以让运动机构8在垂直于地面的方向调整位置，运动机构8由两个电机6、两套带轮(或链轮、齿轮)9和两个轮子7构成，在两个电机6的两端分别通过带轮(或链轮、齿轮)9连接两个轮子7，两个轮子7为球形或普通轮子均可，由于电机6和电池组11的重量，使两个轮子7分别压在球壳上。当两个电机6同向转动且转速相同时，带动两个轮子7转动，由于电机6和电池组11等的重力作用，轮子7与球壳1之间会产生摩擦力，由于两个力经过相互抵消后只存在一对与前进方向相同或相反力，所以球壳1会产生前进和后退运动。而当两电机6转动方向或转速不同时，两个轮子7与球壳1之间产生的摩擦力会因力的方向或大小的不同而对球壳1产生一个绕垂直于地面的轴的力矩，该力矩会带动整个球形机器人的转动，从而实现球形机器人的转弯。
Claims (3)
1、球形探测机器人，包括球壳，其特征在于：在球壳的内部安装有一不随球壳转动的主轴，球壳与主轴之间通过支撑件和滚动轴承相连，在主轴下面悬挂有运动机构，运动机构的两端分别安装有轮子，轮子在运动机构的重力作用下压在球壳上，利用两个轮子转动时与球壳之间的摩擦力实现直线运动和转弯运动功能。
2、根据权利要求1所述的球形探测机器人，其特征在于：所述的主轴是一中空体，内部安装有传感器探测装置，外部的中间部分是矩形，安装有控制部件和运动机构，外部的两端是圆柱形，安装有滚动轴承。
3、根据权利要求1所述的球形探测机器人，其特征在于：所述的运动机构由两个电机、两套带轮和两个轮子组成，该运动机构可以利用两个轮子的转速和转向的不同实现球形机器人的前进、后退以及转弯运动。
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