CN101229832B - 全向运动球形机器人 - Google Patents
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Abstract
本全向运动球形机器人，涉及球形机器人技术领域。其行走驱动装置包括：水平圆环(5)和垂直固连于水平圆环下侧的半圆架(6)；水平圆环通过短轴(3)和轴承与球壳形成转动副；半圆架下方固连一个直线行走机构，该机构包括行走电机(7)、主轮(8)和配重(9)，主轮在行走电机的驱动下沿球壳内侧滚动，通过前后移动球体重心推动球体直线运动；半圆架上方安装有转向控制机构，该机构包括转向电机(11)、水平质量件；水平质量件在转向电机(11)驱动下绕半圆架(6)的几何中心线转动，根据角动量守恒原理引起球壳(1)反向转动而改变球体的运动方向。本发明结构新颖，控制简单，稳定性好，具有全向运动、原地转向及搭载附件的能力。
Description
全向运动球形机器人
技术领域
[0001] 本发明涉及一种全向运动球形机器人，属于机电一体化技术领域，具体涉及一种
球形机器人，可用于环境探测、军事侦查、外星探险、家庭娱乐等领域。 背景技术
[0002] 球形机器人是一种新型结构的滚动行走机器人，具有运动速度快、越野性能好、控 制相对简单等特点，逐渐成为国内外智能机器人研究领域的热点之一。第一台真正的球形 机器人是芬兰Halme等人在1996年设计的（参见《Motion Controlof A Spherical Mobile robot》，Proceedings of AMC， 96-MIE, IEEE， 1996 :259-264)，他们在球壳内设置了一个驱 动轮，由电机驱动其在球壳内滚动，通过改变球体的重心实现机器人的直线运动，但缺点是 不能改变运动方向。此后，国内外不断出现各种新的球形机器人装置，其中的几种球形机器 人方案颇具代表性。
[0003] Roball是Francois Michaud等人于2001年提出的 一 种球形机器人方案 (参 见《Autonomous Spherical Mobile Robot for Child Development Studies》， IEEETransactions on Systems,Man, and Cybernetics, 35 (4) :1-10 ;相近的国内专利号为 01241360. 7的实用新型《球形机器人》），它在过球心的主轴上悬挂重物，通过安装在主轴上 的电机驱动球壳作直线前后运动，通过驱动重物左右偏移使球体左右倾转以实现机器人转 向。该方案控制简单，但不能静止原地转向，并且两个电机必须分别克服球壳与重物的转动 惯量，因而对电机组件的驱动能力要求较高；同时，当主轴伸出球壳外时，必须考虑倾斜转 弯可能的触地问题。
[0004] 申请号为200510011953. 9的《全方位运动球形机器人》，在球壳内部有一个不与 球壳固连的运动机构，它通过独轮滚动装置在球壳内滚动，推动球体作直线运动，通过改变 独轮滚动装置相对支撑机构的朝向来实现机器人的全方位运动。该方案结构简洁，安装方 便，但独轮滚动装置与球壳的滚动接触由运动机构的自重来保证，因而抗振性能不足；同 时，由于球体滚动的随机性，球壳上无固定接口 ，不能在外部搭载附属件，因而在充电和维 护时必须打开球壳，球体的密封性受到影响。
[0005] 专利号为02128933. 6的《改进的球形机器人全方位行走装置》，在球壳内有一圆 环，两头伸出两根支撑短轴，圆环上有一电机通过齿轮啮合带动圆环与球壳作相对滚动；圆 环内与短轴垂直的方向上放置一根长轴，长轴中心设有配重块，圆环上另一电机通过齿轮 啮合驱动球壳与配重块作绕长轴的相对滚动。该方案结构较复杂、重心较高，不能在任意点 原地转向，难以在外部搭载附属件，充电与维护等工作存在难度。
[0006] 总体看来，现有的球形机器人方案各有千秋，但大都存在着结构复杂、工程实现较 难、实用性较低的不足。特别是，有些装置的转向运动与前进运动耦合，使得球体内部驱动 机构的状态不确定，加大了控制难度；极少能在任意点原地转向，限制了机器人在狭窄而曲 折空间内的使用，且未见球壳相对地面的原地转向方式；无外部固定接口或不能在球壳外 搭载附件，造成实际使用中调试、充电与维护困难，同时限制了各种环境探测传感器和机械
3手的有效使用。 发明内容
[0007] 本发明的目的是：提出一种结构新颖、控制简单、稳定性好、实用性强、具有良好的 抗振动和抗冲击性能，且能全向运动并在任意点原地转向、可在球壳外搭载附件的球形机 器人结构方案，克服现有方案的不足。 [0008] 本发明的技术解决方案是：
[0009] 第一种全向运动球形机器人，由球壳及其内部的行走驱动装置组成，其特征在于： 上述行走驱动装置包括水平圆环和垂直固连于水平圆环下侧的半圆架；所述水平圆环沿其 直径方向外侧对称固连一对短轴，短轴沿球体直径方向经轴承与球壳形成转动副；所述半 圆架的下方固连一个直线行走机构，该机构包括行走电机、主轮和配重，主轮在行走电机驱 动下沿球壳内侧滚动，通过前后移动球体重心推动球体直线运动；所述半圆架上安装有转 向控制机构，该转向控制机构包括固连于半球架底部的转向电机、通过竖直的联轴器与转 向电机相连的转轴、与转轴垂直固连的水平质量件，上述水平质量件在转向电机的驱动下 绕半圆架的几何中心线转动，根据角动量守恒原理引起球壳反向转动从而改变球体的运动 方向；上述水平质量件为以下三种形式之一 ：两端带质量块的水平杆，且质量块外侧安装 有与水平圆环内侧接触的小轮；或与水平圆环之间构成防脱落约束的质量盘；或与水平圆 环之间构成防脱落约束的带辐条的质量环。
[0010] 第二种全向运动球形机器人，由球壳及其内部的行走驱动装置组成，其特征在于： 上述行走驱动装置包括水平圆环和垂直固连于水平圆环下侧的半圆架；所述水平圆环）沿 其直径方向外侧对称固连一对短轴，短轴沿球体直径方向经轴承）与球壳形成转动副；所 述半圆架的下方固连一个直线行走机构，该机构包括行走电机、主轮和配重，主轮在行走电 机驱动下沿球壳内侧滚动，通过前后移动球体重心推动球体直线运动；所述半圆架上安装 有转向控制机构，该转向控制机构包括水平质量件、安装于水平质量件内的转向电机，上述 质量件在转向电机的驱动下绕半圆架的几何中心线转动，根据角动量守恒原理引起球壳反 向转动从而改变球体的运动方向；上述质量件为两端带质量块的水平杆，且质量块外侧安 装有与水平圆环内侧接触的小轮。 [0011] 该方案的优点是：
[0012] 1)驱动机构简洁，重心处于球体的下方，稳定性好、系统响应速度快；
[0013] 2)两个电机分别驱动球体的直线运动和转向运动，控制方式解耦，可实现球形机
器人全向行走和任意点原地转向；
[0014] 3)直线行走机构若设有调节主轮与球壳接触力的压力调节器，质量块与水平圆环 之间若构成防脱落约束，可有效改善球形机器人的运动抗振性；
[0015] 4)当转向电机竖直固连于半圆架上侧的最下端，所述转向控制机构还包括一根一
端与电机轴相连，另一端与水平杆垂直固连的转轴。此时所有电气部件均没有相对运动，因
而相互间的连线不会出现缠绕情况，无需借助电气滑环，有利于集中统一控制；
[0016] 5)若将水平圆环沿其直径方向外侧对称固连的一对短轴设置为空心短轴并伸出
球壳，则可搭载附件（用于装载摄像头、各种姿态或环境传感器、天线、电池、充电接口、配
重等），从而提高球形机器人的实用价值；[0017] 6)当在球壳外部包裹轻质的冲气密封材料时，球壳外径变大，可提高球形机器人
水面行走能力和抗冲击性能；
[0018] 7)以水平圆环为基准可设有工作平面。
附图说明
[0019] 图1为本发明的实施例1的整体结构俯视示意图。
[0020] 图2为实施例1的前视示意图。
[0021] 图3为本发明的实施例2的整体结构俯视示意图。
[0022] 图4为实施例2的前视示意图。
[0023] 图5为本发明的实施例3的整体结构俯视示意图。
[0024] 图6为实施例3的前视示意图。
[0025] 图中标记名称：1、球壳，2、基座，3、短轴，4、轴承，5、水平圆环，6、半圆架，7、行走 电机，8、主轮，9、配重，10、附件，11、转向电机，12、联轴器，13、水平杆，14、质量块，15、小轮， 16、转轴，17、质量盘或有辐条的质量环，18、压力调节器。
具体实施方式
[0026] 如图1、图2所示，本发明的实施例1是：全向运动球形机器人，由球壳1及其内部 的行走驱动装置组成。其行走驱动装置包括水平圆环5和垂直固连于水平圆环5下侧的半 圆架6 ;水平圆环5沿其直径方向外侧对称固连一对短轴3，短轴3沿球体直径方向经轴承 4与球壳1形成转动副；半圆架6的下方固连一个直线行走机构，该机构包括行走电机7、主 轮8和配重9，主轮8在行走电机7驱动下沿球壳1内侧滚动，通过前后移动球体重心推动 球体直线运动；半圆架6的上方安装有转向控制机构，该机构包括竖直固连于半圆架6上侧 最下端的转向电机11、一端经联轴器12与转向电机11的电机轴连接另一端与水平杆13垂 直固连的转轴16、及连接在水平杆13两端的质量块14 ;其中，水平杆13与质量块14在转 向电机11的驱动下在水平圆环5所处的平面内转动，根据角动量守恒原理引起球壳1反向 转动从而改变球体的运动方向。
[0027] 如图3、图4所示，本发明的实施例2是：直线行走同实施例l，转向控制机构包括 竖直固连于半圆架6上侧最下端的转向电机11、取代水平杆13与质量块14组合体的有辐 条的质量环17、一端经联轴器12与转向电机11的电机轴连接另一端与质量环17的辐条垂 直固连的转轴16。
[0028] 如图5、图6所示，本发明的实施例3是：直线行走同实施例l，转向控制机构包括 水平杆13及质量块14，质量块14的外侧安装有与水平圆环5内侧接触的小轮15，转向电 机11安装于质量块14内部，用以驱动小轮15沿水平圆环5运动；其中，水平杆13设有调 节小轮15与水平圆环5接触力的压力调节器18。 [0029] 关于本发明的各种实施例，还有如下说明： [0030] 1)配重9可以是电池、电路板等。
[0031] 2)直线行走机构内部设有压力调节器，以保证主轮8在球壳1内滚动时具有合适 的接触力。
[0032] 3)质量块14、或者质量盘或有辐条的质量环17与水平圆环5之间构成防脱落约束。
[0033] 4)主轮8与球壳1之间、质量块14与水平圆环5之间呈轮式接触或齿式啮合；并 且在实施例1和2中，质量块14或者质量盘或质量环17与水平圆环5之间亦可为滑动接 触或含滚珠的滚动接触。
[0034] 5)转向控制机构中水平杆13与质量块14的组合体，或者质量盘或有辐条的质量 环17，其质量分布绕半圆架6的几何中心线中心对称。
[0035] 6)两根短轴3可为空心并伸出球壳，以固连或悬挂方式搭载附件10 (用于装载摄 像头、传感器、天线、电池、配重、扩展接口等）。
[0036] 7)球壳1外部可包裹轻质的充气密封材料，使球壳外径增大，从而提高球形机器 人水面行走能力和抗冲击性能。
[0037] 8)该球形机器人工作时，内部的水平圆环5倾斜较小，可以其为基准设置工作平 面，用来放置仪器和设备。
6
Claims (7)
- 一种全向运动球形机器人，由球壳(1)及其内部的行走驱动装置组成，其特征在于：上述行走驱动装置包括水平圆环(5)和垂直固连于水平圆环(5)下侧的半圆架(6)；所述水平圆环(5)沿其直径方向外侧对称固连一对短轴(3)，短轴(3)沿球体直径方向经轴承(4)与球壳(1)形成转动副；所述半圆架(6)的下方固连一个直线行走机构，该机构包括行走电机(7)、主轮(8)和配重(9)，主轮(8)在行走电机(7)驱动下沿球壳(1)内侧滚动，通过前后移动球体重心推动球体直线运动；所述半圆架(6)上安装有转向控制机构，该转向控制机构包括固连于半圆架(6)底部的转向电机(11)、通过竖直的联轴器(12)与转向电机(11)相连的转轴(16)、与转轴(16)垂直固连的水平质量件，上述水平质量件在转向电机(11)的驱动下绕半圆架(6)的几何中心线转动，根据角动量守恒原理引起球壳(1)反向转动从而改变球体的运动方向；上述水平质量件为以下三种形式之一：两端带质量块(14)的水平杆(13)，且质量块(14)外侧安装有与水平圆环(5)内侧接触的小轮(15)；或与水平圆环(5)之间构成防脱落约束的质量盘；或与水平圆环(5)之间构成防脱落约束的带辐条的质量环(17)。
- 2. 根据权利要求1所述的全向运动球形机器人，其特征在于：所述直线行走机构含有 调节主轮（8)与球壳（1)接触力的压力调节器。
- 3. 根据权利要求l所述的全向运动球形机器人，其特征在于：所述的短轴（3)为空心 并伸出球壳(1)以搭载附件（10)。
- 4. 根据权利要求1所述的全向运动球形机器人，其特征在于：所述球壳（1)外部包裹 轻质的充气密封材料或减振材料。
- 5. 根据权利要求1所述的全向运动球形机器人，其特征在于：以所述水平圆环（5)为基准设有工作平面。
- 6. —种全向运动球形机器人，由球壳（1)及其内部的行走驱动装置组成，其特征在于：上述行走驱动装置包括水平圆环（5)和垂直固连于水平圆环（5)下侧的半圆架（6); 所述水平圆环（5)沿其直径方向外侧对称固连一对短轴（3)，短轴（3)沿球体直径方向经轴承（4)与球壳（1)形成转动副；所述半圆架（6)的下方固连一个直线行走机构，该机构包括行走电机（7)、主轮（8)和 配重（9)，主轮（8)在行走电机（7)驱动下沿球壳（1)内侧滚动，通过前后移动球体重心推 动球体直线运动；所述半圆架（6)上安装有转向控制机构，该转向控制机构包括水平质量件、安装于水 平质量件内的转向电机（ll)，上述质量件在转向电机（11)的驱动下绕半圆架（6)的几何中 心线转动，根据角动量守恒原理引起球壳（1)反向转动从而改变球体的运动方向；上述质量件为两端带质量块（14)的水平杆（13)，且质量块（14)外侧安装有与水平圆 环（5)内侧接触的小轮（15)，所述转向电机（11)安装于质量块（14)的内部。
- 7. 根据权利要求6所述的全向运动球形机器人，其特征在于：所述直线行走机构含有 调节主轮（8)与球壳（1)接触力的压力调节器；所述水平杆（13)上还安装有调节小轮（15) 与水平圆环（5)接触力的压力调节器（18)。
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