CN100556621C - 具有稳定平台的全向滚动球形机器人装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有稳定平台的全向滚动球形机器人装置，它属于机械技术领域，涉及非电变量的控制或调节系统中有关陆地、水上运载工具的二维行走的控制装置，主要解决目前已有的球形机器人装置中，在球体内没有相对稳定的平台，安装仪器或设备，用来进行不同实验和测试的问题。本发明的结构除包括外球壳、电机、转盘、配重之外，还特别设计了包括内球壳、稳定平台和位于内、外球壳之间的平台稳定机构。内球壳与外球壳同心安装，稳定平台安装在内球壳的内部，平台稳定机构由滚珠轴承和短轴构成，通过平台稳定机构使球体在作全向滚动的过程中，稳定平台始终保持稳定平动运动的状态。本发明可广泛用于探测、运输、侦查、娱乐、军事等方面。

Description

具有稳定平台的全向滚动球形机器人装置

技术领域

本发明属于机械技术领域，涉及非电变量的控制或调节系统中有关陆地、水上运载工具的二维行走的控制装置，具体地说是一种具有稳定平台的全向滚动球形机器人装置，可用于探测、运输、侦查、娱乐、军事等领域。

背景技术

球形机器人是一种新型的机器人，造型新颖别致，控制简单，行动灵活，几乎没有死角，可以轻易地实现零角度转弯，无论在工业上，还是在民用和军事上都将具有广泛的应用前景。因此，倍受世界各国科技人员关注，是目前智能机器人研究领域的热点问题之一，不少国家都进行了大量的研究和实验。

在国外，第一台真正的球形机器人是1996年由Halme等芬兰人研制的，该机器人的主要结构特点是设计了一个驱动轮，该驱动轮由电机驱动在球壳内滚动，通过改变系统的重心来实现球体的滚动。参见文献Motion Control of ASpherical Mobile Robot》，Proceedings of AMC’96-MIE，1996。1997年Bicchi等意大利人设计的机器人将驱动轮换成了小车，参见文献《Introducing theSphericle：an Experimental Test bed for Research and Teaching in Non-holono-my》，Proceedings of the IEEE International Conference on Robotics and Automation，1997。1998年Ferriere等比利时人又将机器人的驱动装置改成了一种万向轮，参见文献《RollMOBS，a New Universal Wheel Concept》，Proceed-ings of the 1998IEEE International Conference on Robotics and Automation，v.3，pp 1877-1882，1998。这三种设计均实现了球体的运动，但由于驱动装置固有的局限性，它们都无法实现球形机器人的全向滚动。为了解决球形机器人的全向滚动问题，2000年Bhattacharya等美国人设计了一种在球壳内部过球心的平面上，相互垂直的方向上安装两个电机，每个电机的定子和球壳固联，电机轴上分别安装一个圆盘，电机驱动圆盘转动，进而驱动球体在平面上全向滚动(参见《Design，Experiments and Motion Planning of aSpherical Rolling Robot》，Proceedings of the 2000IEEE InternationalConference on Robotics & Automation San Francisco，CA.April 2000)。2002年Javadi等伊朗人在球壳内与球壳固联了四根成正四面体空间均布的轮幅，每个轮幅上都有一套独立的驱动系统：由一台步进电机通过丝杠驱动一个配重块沿轮幅方向来回移动，通过改变轮幅上的配重的位置来驱动球体全向运动(参见《Introducing August：A Novel Strategy for An Omni directionalSpherical Rolling Robot》，Proceedings of the 2002IEEE InternationalConference on Robotics & Automation San Washington，DC.MAY 2002)。

在国内，相关的发明专利有：《自主球形机器人》，申请号为99122494.9，该发明的行走驱动的基本原理是：在球壳内部，一台直流伺服电机，通过传动改变活动质量块的位置，产生重力矩驱动球体前、后滚动。另一台直流伺服电机，通过调整滑块的位置实现平衡和转弯。在国内相关的另一项发明专利是《改进的球形机器人全方位行走装置》，申请号为02128933.6，它的驱动的基本原理是：在球壳内有一个圆环，圆环上安装有两台电机，其中一台电机的电机轴上的小齿轮与支撑座上的大齿轮相啮合而带动其前后转动，安装在圆环上或通过短轴铰链安装在内接长轴上的另一台电机轴上的小齿轮，与内接长轴上固装的大齿轮相啮合而带动其左右转动。

如上所述，近几年来，虽然国内外已有的球形机器人装置，都分别采用不同的驱动方式，实现了球体的全向滚动。但是，在这些装置中，都存在着在球体内部没有提供稳定平台的问题，致使球壳内的所有部件都时刻随着球体一起滚动，无法安装仪器或设备，用来进行不同的实验、测试和监测外部环境等。因此，这些球形机器人装置很难或无法应用到实际的工作和生活中，限制了它们的推广应用。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有的球形机器人装置存在的问题，提供一种具有稳定平台的、可全向滚动的球形机器人装置。该稳定平台在球体做全向滚动的过程中始终作平动运动，处于相对稳定的状态，以实现在平台上安装各种仪器或设备，进行不同的实验和测试。

本发明的技术方案是这样实现的：

在球形机器人装置的外球壳内设计安装了一个与外球壳同心的内球壳，在内、外球壳之间安装了行走传动机构和平台稳定机构，在内球壳中安装了稳定平台。平台稳定机构使得球形机器人装置在做全向滚动的过程中，始终保持稳定平台平动运动，处于相对稳定的状态，从而实现了一种具有稳定平台的、可全向滚动的球形机器人装置的目的。整个装置包括：外球壳、配重体、圆盘、转盘、电机、内球壳、稳定平台、滚珠和平台稳定机构。两个电机位于过球心的平面，相互垂直安装在外球壳的内侧面，两个转盘分别安装在两个电机的轴上，构成装置的行走传动机构。两个配重体采用蓄电池，分别与两个电机对称安装，固定在外球壳上，使球体平衡并给电机供电。两个圆盘分别固定在两个配重体上。在外球壳内同心安装内球壳，在内球壳中安装有稳定平台，在稳定平台的外球面和内球壳之间安装有滚珠，构成球面滚动接触。在内、外球壳之间还安装有平台稳定机构，通过平台稳定机构使得球形机器人装置在做全向滚动的过程中，始终保持稳定平台的平动运动。

平台稳定机构由滚珠轴承和短轴构成，短轴采用一端为圆柱体，另一端为球面体的一体形状。

滚珠轴承的外圈与配重体上的圆盘及电机上的转盘过盈联接，滚珠轴承的内圈与短轴的圆柱体端的外侧面过盈联接，短轴的球面体端的内球面与内球壳的外表面形成球面副接触。

本发明与现有技术相比具有如下的优点：

1.该装置第一次在球形机器人内部提供了一个相对稳定的仪器或设备搭载平台，这个平台在球体做全向滚动的过程中始终作平动运动，处于相对稳定的状态。在这个稳定平台上，人们可以安装诸如摄像头、各种用途的传感器、执行器等，对外部环境进行监测，自主规划和控制球形机器人的运动。

2.通过控制两个电机的转速和转向，就可实现该球形机器人的全向滚动，使机器人可到达任意位置。

3.本发明简化了球形机器人的驱动装置，结构简单，可根据不同用途制作成不同尺寸大小的机器人，可形成系列化；其制造和装配简单，成本低廉。

4.该球形机器人的重心始终位于球体形心的下方，从而使得该球形机器人能够很方便地静止稳定在任意位置上。

由于本发明具有上述的优点，因此具有广泛的推广应用价值。可面向家庭作为电子管家来对数字家电进行控制，也可以作为电子宠物供人们娱乐；在工业应用上，可作为探索的仪器搭载平台用来对管道、沟渠等特殊环境的探索；对企事业单位可用作下班后的保安和巡逻工作；在军事应用上，可用它搭载侦察装置进行侦查，若搭载武器，可完成特殊的战斗任务；在交通运输方面，可作为一种特殊的运载工具，能在柔软的土壤、沙地、雪地或冰面上运行。

附图说明

图1是本发明的结构组成示意图

图2a是本发明单机转动仿真轨迹曲线图

图2b是本发明双机等速转动仿真轨迹曲线图

图2c是本发明双机异速转动仿真轨迹曲线图

图3a是本发明的虚拟样机运动仿真结果中内球壳沿X坐标轴的角速度曲线图

图3b是本发明的虚拟样机运动仿真结果中内球壳沿Y坐标轴的角速度曲线图

图3c是本发明的虚拟样机运动仿真结果中内球壳沿Z坐标轴的角速度曲线图

具体实施方式

参照图1，它是本发明的结构组成示意图，包括外球壳1、内球壳11、螺钉5、配重体14和18、圆盘13和17、稳定平台12和位于内、外球壳之间的行走传动机构和平台稳定机构。行走传动机构包括电机2和电机10、转盘7和转盘9，电机采用伺服电机或力矩电机，两个电机位于过球心的平面上，相互垂直安装在外球壳1的内侧，如图所示，位于水平方向的电机10和位于竖直方向的电机2，电机的外壳用螺钉5与外球壳1联接。转盘7和转盘9通过紧定螺钉或销3分别固定在两个电机的轴上。在和两个电机关于球心对称的位置上分别安装配重体14和18，并用螺钉5将其固联在外球壳1上，该配重体采用蓄电池，并给电机供电。在两个配重体上用螺钉15分别安装固定圆盘13和圆盘17。外球壳1和内球壳11同心安装，在内球壳11中安装稳定平台12，稳定平台可制作成半球形或球台形，在稳定平台的外球表面与内球壳之间安装滚珠16，使之形成球面滚动接触，稳定平台的平面上可安装各种仪器或设备。平台稳定机构由滚珠轴承4和短轴8构成，短轴8采用一端为圆柱体，另一端为球面体的一体形状。滚珠轴承4的外圈与圆盘和转盘之间过盈联接，滚珠轴承4的内圈与短轴8的圆柱体端的外侧面之间过盈联接，滚珠轴承用孔用挡圈6定位。短轴8的球面体端的内球面与内球壳的外表面形成球面副接触。

本发明的具体实施过程为，如果电机2不启动，从电机轴端观察，电机10顺时针转动，带动其轴上的转盘9也顺时针转动，基于角动量守恒原理，电机10的外壳和外球壳1逆时针转动，球形机器人向前滚动，由于短轴8的球面体端的内球面与内球壳的外表面形成球面副接触，因此短轴8在内球壳11的外表面运动，内球壳11不转动，内球壳11和稳定平台12随球形机器人向前平动，由于自身重力作用，稳定平台12相对于球心保持静止状态；同上原理，如果电机10逆时针转动，带动其轴上的转盘9也逆时针转动，电机10的外壳和外球壳1顺时针转动，球形机器人向后滚动，内球壳11不转动，内球壳11和稳定平台12随球形机器人向后平动，相对于球心保持静止状态；如果电机10不启动，电机2顺时针转动，带动其轴上的转盘7也顺时针转动，电机2的外壳和外球壳1逆时针转动，球形机器人向左滚动，内球壳11不转动，内球壳11和稳定平台12随球形机器人向左平动，相对于球心保持静止状态；如果电机2逆时针转动，带动其轴上的转盘7也逆时针转动，电机2的外壳和外球壳1顺时针转动，球形机器人向右滚动，内球壳11不转动，内球壳11和稳定平台12随球形机器人向右平动，相对于球心保持静止状态。如果电机2和电机10同时转动，通过控制电机2和电机10的转速，电机2和电机10的外壳就同时带动外球壳1转动，该球形机器人就可做全向滚动。

本发明的效果可通过仿真结果证明：

如图2所示，它是本发明装置的三种典型的运动仿真轨迹曲线。其中图2a是一个电机静止，另一个电机转动，球形机器人沿直线滚动的轨迹；图2b是两个电机以相同的速度转动，球形机器人沿圆形轨迹滚动；图2c是两个电机以不同速度转动，球形机器人沿曲线轨迹滚动。

如图3所示，它是本发明的虚拟样机运动仿真结果中内球壳沿三个惯性坐标轴的角速度曲线。其中图3a、3b和3c所示的内球壳沿三个惯性坐标轴x、y和z的角速度曲线表明，内球壳沿三个惯性坐标轴的角速度分量均为零，即内球壳11不转动，从而使稳定平台12相对于球心始终保持静止状态，以保证安装在平台12上的仪器设备具有相对稳定的姿态。

Claims (2)

1、一种具有稳定平台的全向滚动球形机器人装置，包括外球壳、配重体、圆盘、转盘和电机，其特征在于：在外球壳(1)内安装有与其同心的内球壳(11)，在内球壳(11)中安装了稳定平台(12)，该稳定平台(12)的外球面通过滚珠(16)与内球壳(11)之间构成球面滚动接触；在内、外球壳之间安装了平台稳定机构，该平台稳定机构由滚珠轴承(4)和短轴(8)构成，短轴(8)采用一端为圆柱体，另一端为球面体的一体形状，通过平台稳定机构使球形机器人装置在做全向滚动的过程中，始终保持稳定平台的平动运动。

2、根据权利要求1所述的具有稳定平台的全向滚动球形机器人装置，其特征在于滚珠轴承(4)的外圈与配重体上的两个圆盘(13，17)及电机上的两个转盘(7，9)过盈联接，滚珠轴承(4)的内圈与短轴(8)的圆柱体端的外侧面过盈联接，短轴(8)的球面体端的内球面与内球壳(11)的外表面形成球面副接触。

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