CN101279619A - 高机动球形探测机器人 - Google Patents

Abstract

高机动球形探测机器人，将运动机构和控制器件等包含在一个球形壳体内，通过重心偏移与角动量守恒原理来实现整个机器人的运动。运动机构主要由支撑架、连接盘、直线驱动机构、原地转向驱动机构、伸缩机构等构成。直线驱动机构主要包括：驱动电机、齿轮传动单元、执行部件等，它利用重心偏移来实现球形机器人的直线运动。原地转向驱动机构包括驱动电机和执行机构，利用角动量守恒原理来实现球形机器人的原地转向运动。直线和转向两种运动相结合就可以实现该高机动球形探测机器人任意方位的运动。伸缩机构包括驱动电机、螺旋机构等用来实现两端摄像头伸出和缩回球壳。该球形机器人既提供了安装摄像机的稳定平台，又可以实现原地转向，运动灵活、机动性强，可用于剧毒气体检测、现场环境观测及星球探测等多种任务。

Description

高机动球形探测机器人

所属技术领域

本发明涉及一种可用于环境探测、星球探测及缺少人为干预环境巡逻的球形探测机器人系统。

背景技术

球形机器人是一种将运动机构和控制器件等包含在一个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，因此不会因为碰撞或跌落而产生失稳状态。同时，由于其机电、传感和控制部件都包括在这个球壳之中，因此具有很好的密封性，可以在沙尘、潮湿、腐蚀性的恶劣环境中工作。A.Halme，T.Schonberg and Y.Wang，Motion Control of aSpherical Mobile Robot，4th IEEE International Workshop on AdvancedMotion Control AMC’96，Mie University，Japan 1996.介绍了芬兰的AarneHalme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；Antonino Bicchi，AndreaBalluch，etc.Introducing the“SPHERICLE”：an experimental testbed forresearch and teaching in nonholonomy.In：Proceedings of the 1997 IEEEInt.Conf.on Robotics and Automation，Albuquerque，New Mexico，April1997：2620-2625.介绍了意大利比萨大学的Antonio bicchi等发明的一种结构不同的球形机器人，该球形机器人主要是放置一辆小车于球壳中，通过对小车的控制来实现机器人的运动；Michaud F.and Theberge-Turmel.Mobile robotic tpys and autism.In Dautenhahn，K.，Bod.A SociallyIntelligent Agents Creating Relationships with Computers and Robots.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01118269.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灵活性，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。如果无法为视觉等传感器提供一个稳定的安装平台，传感器会随着球形机器人转动，这时传感器提供的不是某个确定方向的有用环境信息，而是不稳定的机器人附近的信息，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，不仅可以提供一种不随球壳转动、便于安装和使用传感器的平台，为系统控制提供稳定的图像，并且传感器可以伸出和缩回球壳，以适用于对不同的工作环境进行探测。此外，球形机器人可以灵活地完成前进、后退、左转、右转、爬坡和越障等运动功能，同时要使其具有零半径原地转向功能，以使其可以在狭小的工作空间进行探测。

本发明的技术解决方案是：高机动球形探测机器人，包括球壳，其特征在于：两个连接盘固连于球壳内部，直线运动驱动电机通过齿轮啮合直接驱动球壳做直线运动；两连接盘上分别装有通过球形轴心方向的滚动轴承，一个倒立的门形支撑架通过滚动轴承与连接盘相连，此支撑架在运动过程中不随球壳转动，与地面保持水平，其底部通过推力球轴承连接有重块，回转运动驱动电机可以带动重块相对倒立门形支撑架做旋转运动；支撑架上还装有螺旋机构，其上的左旋螺母和右旋螺母上分别与相机连接杆固联，相机连接杆上分别装有两个摄像头，通过控制伸缩机构驱动电机从而控制摄像头的伸出和缩回。

在本发明中，机器人前进及后退的直线运动采用重心偏移原理，机器人的原地正反回转运动采用角动量守恒原理。直线运动驱动单元与球壳固连，驱动单元与球壳的接触良好，对球壳的要求相对弱一些。回转运动通过重块的旋转实现，所以可以实现零半径转弯，提高了运动灵活性。本发明中，高机动球形机器人为摄像头等传感器提供了一个稳定的安装平台，摄像头装在伸缩机构上，机构根据需要伸出或缩回球壳内，从而对摄像头进行有效的保护。

本发明与现有技术相比的有益效果：

1、该高机动球形机器人利用重心偏移来实现其前进及后退直线运动，结构简单、运动灵活、可控性好；利用角动量守恒实现其原地零半径转变方向，使得球形机器人机动性高；该高机动球形机器人在中轴的左右两侧各有一个可伸缩的相机支架，在球形机器人运动的过程中可相对地面保持水平，为摄像机等传感器提供一个相对稳定的安装平台；该球形机器人还具有遥控运动功能，可以由操纵者根据反馈图像遥控球形机器人运动，该机器人所有机构、器件都密封在球壳内部，可以阻止外部环境对内部器件造成伤害，所以可以完成诸如野外开发、排雷、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：该高机动球形机器人具有独特的内部运动机构，分别利用重心偏移来实现直线运动，利用角动量守恒实现原地零半径转向，利用螺旋机构实现两个摄像头的伸缩运动，使得该球形机器人运动灵活，机动性强。原地转向机构可实现对周围环境的360度扫描探测，摄像头的伸缩机构可在需要时伸出摄像头、不需要时缩回摄像头，既保护了摄像头又可以提高球形机器人通过狭窄环境的能力。此外，该高机动球形机器人两端的相机支架不随机器人转动，相对地面保持水平，可以为传感器等提供一个相对稳定的安装平台。机械结构上保证了球形机器人具有较好的刚性和配合精度，从而减小由于机械变形或传动间隙引起的运动误差。所以该球形机器人可以在复杂环境下工作，可靠性高。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2、3、4为本发明的内部运动机构结构示意图。

具体实施方式

如前图所示，本发明实施方式为：球壳19内部两侧对称装有与球壳固连的两个连接盘3，两连接盘3上分别装有通过球形轴心方向的滚动轴承5，一个倒立的门形支撑架1通过滚动轴承5与连接盘相连，此支撑架在运动过程中不随球壳19转动，与地面保持水平；门形支撑架1一侧装有驱动电机4，通过驱动轴上齿轮11与电机上齿轮2啮合传递运动，带动连接盘3转动，从而带动球壳19转动，高机动球形机器人即做直线运动，驱动电机4的正反向转动可实现球形机器人做向前或向后的直线运动；倒立的门形支撑架1底部装有一小正立门形支架23，驱动电机12伸出轴朝下连接在此小支架23上部，一重块20通过连接轴21和推力球轴承22连接在支撑架1底部，驱动电机12的输出轴与连接轴21通过键连接，可以带动重块20相对倒立门形支架1做旋转运动，根据角动量原理，高机动球形机器人即做与重块20转向相反的原地旋转运动。上述的直线和转向两种运动相结合就可以实现该高机动球形探测机器人的全向运动。倒立的门形支架1上部，装有螺旋机构，此机构有光杆15、左旋螺母18、右旋螺母14、螺杆16，其中螺杆16中心通过键连接有齿轮17，螺杆16两侧通过滚动轴承13与门形支架1相连，驱动电机6伸出轴带动齿轮10与螺杆16上齿轮17啮合，从而带动螺杆16转动，从而带动左旋螺母18及右旋螺母14沿螺杆16做背向或相向移动，左旋螺母18和右旋螺母14上分别通过相机连接杆9连接有相机安装板8和球壳端盖7，两个相机安装板8上分别装有一个摄像头，通过控制驱动电机6从而控制摄像头的伸出和缩回。

Claims (4)

1、高机动球形探测机器人，包括球壳19，其特征在于：两个连接盘3固定对称连接在球壳19的内部，不随球壳19转动的一个支撑架1的两端分别通过滚动轴承5和连接盘3相连。直线运动机构的驱动电机4安装在支撑架1上，电机4的转动通过一对齿轮2、11将运动传给连接盘3，进而驱动球壳19转动，来实现球形机器人的直线运动。原地转向运动机构的驱动电机12通过电机支撑座23固定在支撑架1上，电机12输出轴通过连接轴21、推力球轴承22及螺栓25连接重块20并驱动其高速旋转，从而使球壳19进行原地反向转动。摄像头伸缩机构的电机6通过齿轮10、17传动带动丝杠16旋转，而丝杠16的左右两侧分别为右旋和左旋螺纹，当丝杠16旋转时，其上两个螺母14、18会沿光杆15进行背向或相向运动，两个相机连接杆9分别固定安装在螺母14、18上，通过螺母的运动带动一起运动，实现球形机器人左右两侧的相机支架8伸出和缩回球壳19。

2、根据权利要求1所述的高机动球形探测机器人，其特征在于：所述的直线驱动机构通过把驱动电机4安装在支撑架1上，支撑架1与空心轴26固连，并通过轴承5支撑在连接盘3上，齿轮11与空心轴26固连，电机4输出轴上固连的齿轮2通过与齿轮11啮合传动，带动空心轴26转动，从而带动支撑架1及其上的所有部件绕着空心轴26的中心线转动，由此产生的重心偏移使球壳19滚动，从而实现机器人的直线运动。

3、根据权利要求1所述的高机动球形探测机器人，其特征在于：所述的原地转向运动机构，可以实现球形机器人的原地零半径转向。通过把驱动电机12固定在小支撑架23上，重块20通过连接螺栓25、连接轴21、推力球轴承22支撑在支撑架1上，电机12的输出轴通过连接轴21驱动重块20高速旋转，在角动量守恒的作用下球形机器人进行原地反向转动。

4、根据权利要求1所述的高机动球形探测机器人，其特征在于：机器人内部有可以伸出和缩回球壳19的螺旋机构，丝杠16通过滚轴轴承13支撑在支撑架1上，其两侧分别为右旋和左旋螺纹，并安装有两个螺母14、18，两螺母14、18上分别安装有相机连接杆9和光杠15，连接杆9与相机支架8和球壳端盖7固连，摄像机等传感器安装在支架8上，电机6通过齿轮10、17传动来驱动丝杠16旋转，从而带动左右螺母14、18沿着光杠15直线运动，从而带动相机支架8和球壳端盖7进行背向或相向运动，实现摄像头和球壳端盖7的伸缩。螺旋机构固定在支撑架1上，球形机器人运动过程中支撑架1及上部件不随球壳转动，故相机可以保持固定角度进行拍摄。

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