CN101318526A

CN101318526A - 三驱动球形机器人

Info

Publication number: CN101318526A
Application number: CNA2008101118804A
Authority: CN
Inventors: 孙汉旭; 贾庆轩; 曹红玉; 李红义; 张延恒
Original assignee: Beijing University of Posts and Telecommunications
Current assignee: Beijing University of Posts and Telecommunications
Priority date: 2008-05-19
Filing date: 2008-05-19
Publication date: 2008-12-10
Anticipated expiration: 2028-05-19
Also published as: CN100554067C

Abstract

本发明公开了一种三驱动球形机器人，其包括整圆形球壳和驱动电机，其中，所述球壳内表面设有轨道，所述轨道内表面设有环形齿条；一行走支架通过与所述齿条相啮合的行走轮与轨道相连，其上还设有行走支架导向轮；所述行走支架上装有轨道电机；还包括一球框，其一端通过轴承与行走支架相连，另一端通过长轴电机与一转动支架相连；一短轴电机轴设于球框上，所述短轴电机上轴设有重摆；所述转动支架通过其上设有的导向轮与轨道相连。本发明不仅运动灵活，还实现了运动冗余；当轨道轴电机驱动与短轴电机驱动之一发生故障的情况下，使用剩余的两驱动仍然能够实现全向滚动，即通过构型设计实现了系统容错。

Description

三驱动球形机器人

技术领域

本发明涉及一种球形机器人，具体地说是一种运动灵活的运动冗余三驱动球形机器人。

背景技术

当前在太空探索、军事勘查、民用消防、反恐及灾难救助和野外作业工作中，移动机器人的应用越来越广泛。球形移动机器人是国内外近十几年才出现的一种新的移动机器人结构形式，是一类将驱动机构和控制系统都包含在一个球形壳体内、利用球形外壳作行走装置的移动机器人系统。与轮式、足式、履带式等传统的移动机器人相比，球形移动机器人是一种结构新颖、运动灵活、运动效率高的移动机器人。1)运动最灵活。可以实现全向驱动，转弯半径为零。2)抗倾倒性。行走机构为全向外壳，行走过程中不存在翻仰问题。3)抗环境干扰性。所有控制、驱动结构封闭于球壳内部，在雨天或荆棘环境中能够来去自如，不会发生短路或导线挂擦等问题，使得球形机器人恶劣环境的适应能力增强。4)运行效率高。行走外壳与地面接触产生的摩擦力为驱动力，没有被动摩擦轮，运动效率高，且外壳与地面的接触为点接触，对道路要求低，适应能力强。5)承载能力大。球形机器人可在其球壳内装载满载荷而灵活行走。

芬兰赫尔辛基科技大学的Halme教授等于1996年制作了第一个具有圆球外壳的两驱动球形机器人。该球形机器人的球壳内设计了一套单轮机构(IDU)驱动球体运动。但该球形机器人不能完成直线运动。意大利比萨大学的Camicia、Conticelli和Bicchi于1997年研制了一种球形车。该球形车由一中空的球体和一辆小车所构成，小车紧贴内球壳底面运动。由于在球体的外部与内部都施加了非完整约束，因此该两驱动球形机器人的控制非常复杂，不可能实现全方位行走。伊朗的Javadi和Mojabi于2002年研制了一台名为August的四驱动球形机器人。其内部驱动机构采用一套四根轮辐，每套轮辐包括一个步进电机、一根圆柱螺杆和一个配重，配重在球内沿着轮辐快速移动，改变球形机器人的重心位置，从而产生驱动力矩，使球形机器人滚动，但是由于球形机器人重心的变化由配重在支柱上的运动和球体本身运动的合成决定，球形机器人的运动模型非常复杂、控制困难。2005年，瑞典乌普萨拉大学的Fredrik C.Bruhn等人研制出了一种用于星球探测的两驱动球形机器人SMIPS[7]。它有两个驱动电机，一个驱动长轴绕球的直径方向转动，另一个驱动配重在与长轴的同一平面上摆动。这两种运动的合成实现了球形机器人的转弯，但不可能实现全方位行走，且转弯半径较大。2005年，加拿大Sherbrooke大学的F.Michaud等学者研制了一种用于儿童教育的球形机器人Roball[8]。这种球形机器人的内部机械结构与Fredrik C.Bruhn等学者研制的SMIPS相似，只是配重绕垂直于长轴的方向摆动，局限性太大，不可能有实际应用前景。

在国内也有一些单位和学者开始了球形机器人的研究工作。2001年上海交通大学杨汝清教授研制了一种同步带轮内部驱动式两驱动球形机器人SMR。这种球形机器人采用两个电机驱动，其中一个电机为换向电机，一个为驱动电机。通过两个电机的配合实现球体的转动，速度慢，结构复杂。北京航空航天大学的战强教授在2003年设计了一个通过摆臂调整配重重心位置、具有有毒气体检测与环境监测功能的球形探测机器人BHQ-1[12]，在2004年设计了一个结合摆臂和驱动小车结构的球形探测机器人BHQ-2。但BHQ-1和BHQ-2两种球形移动机器人都不能实现全方位行走。2005年上海交通大学机电控制研究所的金康进，施光林等学者提出了一种四驱动的球形机器人。该机器人内部有4个对称分布的电机，每个电机带着一个偏心重块。通过电机带动偏心重块运动而改变系统质心从而实现球体向特定的方向滚动，运动速度慢，很难实现平稳滚动。2006年，西安电子科技大学机电工程学院的李团结、朱超提出了一种具有稳定平台的全向滚动两驱动球形机器人装置。该球形机器人由装在球体内部、相互垂直布置的两台伺服电机驱动，可在平面上全向滚动。在球形机器人内部有一个稳定的仪器、设备搭载平台，这个平台在球体全向滚动过程中始终保持稳定的姿态而不随球体一起滚动，但该机器人机构复杂，还没有样机实现。哈尔滨工业大学的邓宗全教授研制了一种称之为“球形运动器”的两驱动球形机器人。该球形运动器在设计上的特点是将转向和驱动行走两种运动相互分开，但该机器人不能实现全方位行走。

现有的球形机器人多为四驱动和两驱动。四驱动的球形机器人多为轮辐式结构及四个电机驱动的方式，使用四个电机及驱动电路成本较高，系统较复杂；两驱动球形机器人充分利用了不完整系统的特点使用欠驱动实现了三自由度的球形机器人的行走，只使用两个电机及驱动电路大大降低了成本，并降低了系统的复杂度。但这些球形机器人均不具有运动冗余的特点，并且没有在机构上实现系统容错。

发明内容

本发明的目的在于针对现有球形机器人的问题而提出了一种三驱动球形机器人，该三驱动球形机器人不仅提高了运动灵活性，实现了运动冗余，并使该球形机器人具有了系统容错能力。

为实现上述目的，本发明人经过长期的实验得出如下技术方案：

通过改变球形机器人的重心位置使球形机器人的运动状态发生改变，如由静止到滚动、加速、减速、由滚动到静止等。至少使用两驱动经过适当的设计即可改变球形机器人重心在平面上的位置，即实现球形机器人的全向滚动。而发明拟采用三驱动，实现球形机器人的全向滚动。相互垂直的短轴向驱动与长轴向驱动共同作用时，球形机器人可全向滚动；相互垂直的长轴向驱动和轨道轴向驱动同时作用时，球形机器人可全向滚动；三个驱动同时作用时，球形机器人可灵活地全向滚动，并具有运动冗余的特点；当轨道轴驱动与短轴驱动之一发生故障的情况下，使用剩余的两驱动仍然能够实现全向滚动，即通过构型设计实现系统容错。

本发明实现发明目的的具体技术方案如下：

一种三驱动球形机器人，其包括整圆形球壳和驱动电机，所述球壳内表面设有轨道，所述轨道内表面设有环形齿条；一行走支架通过与所述齿条相啮合的行走轮与轨道相连，其上还设有行走支架导向轮；所述行走支架上装有轨道电机；还包括一球框，其一端通过轴承与行走支架相连，另一端通过长轴电机与一转动支架相连；一短轴电机轴设于球框上，所述短轴电机上轴设有重摆；所述转动支架通过其上设有的导向轮与轨道相连，所述导向轮置于凹台上。

上述球壳由两个等大的半圆球壳组成。所述轨道外表面设有封闭的球面条带；所述环形齿条两侧分别设有环形凹台。所述重摆下部为扇形结构，重摆可以绕短轴电机做翻转运动。

上述球框为长方形。上述短轴电机位于过所述球壳球心且与球框的短边平行的短轴向上。上述长轴电机位于过所述球壳球心且与球框长边平行的长轴向上。所述轨道电机与过所述球壳球心且垂直于轨道面的轨道轴向平行。

上述短轴向、长轴向和轨道轴向相交于同一中心点，且轨道轴向与长轴向相互垂直，长轴向与短轴向相互垂直。

本发明的运动原理为：

短轴电机驱动短轴电机轴转动时，重摆绕短轴向旋转，球形机器人重心位置发生改变；长轴电机驱动长轴电机轴转动时，球框及重摆等绕长轴向转动，球形机器人重心位置发生改变；轨道电机驱动轨道电机轴转动时，行走轮转动沿轨道中心环形齿条行走，行走支架导向轮及转动支架导向轮沿环形凹台行走，使行走支架、球框、重摆、转动支架等绕轨道轴向转动，球形机器人重心位置发生改变；重心位置的改变使放置在粗糙平面上的球形机器人运动状态发生改变。短轴向驱动与长轴向驱动共同作用时，球形机器人可全向滚动；长轴向驱动和轨道轴向驱动同时作用时，球形机器人可全向滚动；三个驱动同时作用时，球形机器人可灵活地全向滚动，并具有运动冗余的特点。

本发明的优点与效益：

本发明所述的三驱动球形机器人不仅运动灵活，还实现了运动冗余；当轨道轴电机驱动与短轴电机驱动之一发生故障的情况下，使用剩余的两驱动仍然能够实现全向滚动，即通过构型设计实现了系统容错。

附图说明

图1为本发明三驱动球形机器人剖示结构示意图；

图2为本发明三驱动球形机器人俯视结构示意图(无球壳和轨道)；

图3为本发明三驱动球形机器人侧视结构示意图；

图4为本发明三驱动球形机器人轨道剖视结构示意图。

具体实施方式

如图1、2、3和4所示，一种三驱动球形机器人，包括球壳和驱动电机。球壳1由两个等大的半球壳组成；球壳1内表面设有轨道2，轨道2外表面为封闭的球面条带21，内表面中心设有环形齿条22，环形齿条22两侧分别设有环形凹台23；一行走支架3通过与所述环形齿条22相啮合的行走轮31与轨道2相连，所述行走支架3上还设有行走支架导向轮32，所述行走支架3上装有轨道电机33；还包括一长方形球框4，其一端通过轴承与行走支架3相连，另一端通过长轴电机5与一转动支架6相连，所述球框4可以以长轴电机和行走支架中心及转动支架中心为轴转动；所述转动支架6设有转动支架导向轮61；一短轴电机7设于球框上4，所述短轴电机7轴上设有重摆8，重摆8下部为扇形结构。

上述短轴电机7位于过所述球壳1球心且与球框4的短边平行的短轴向A上。上述长轴电机5位于过所述球壳1球心且与球框4长边平行的长轴向B上。所述轨道电机33与过所述球壳1球心且垂直于轨道面的轨道轴向C平行。所述球框4可绕长轴向B做旋转运动，所述重摆8可绕短轴向A做翻转运动。

上述短轴向A、长轴向B和轨道轴向C始终相交于球心，且轨道轴向C与长轴向B始终相互垂直，长轴向B与短轴向A始终相互垂直。

Claims

1、一种三驱动球形机器人，其包括整圆形球壳和驱动电机，其特征在于，所述球壳内表面设有轨道，所述轨道内表面设有环形齿条；一行走支架通过与所述齿条相啮合的行走轮与轨道相连，其上还设有行走支架导向轮；所述行走支架上装有轨道电机；还包括一球框，其一端通过轴承与行走支架相连，另一端通过长轴电机与一转动支架相连；一短轴电机轴设于球框上，所述短轴电机上轴设有重摆；所述转动支架通过其上设有的导向轮与轨道相连。

2、根据权利要求1所述的一种三驱动球形机器人，其特征在于，所述球壳由两个等大的半圆球壳组成。

3、根据权利要求1所述的一种三驱动球形机器人，其特征在于，所述轨道外表面设有封闭的球面条带。

4、根据权利要求1、2或3所述的一种三驱动球形机器人，其特征在于，所述环形齿条两侧分别设有环形凹台。

5、根据权利要求1所述的一种三驱动球形机器人，其特征在于，所述重摆下部为扇形结构。

6、根据权利要求1所述的一种三驱动球形机器人，其特征在于，所述球框为长方形。

7、根据权利要求6所述的一种三驱动球形机器人，其特征在于，所述短轴电机位于过所述球壳球心且与球框的短边平行的短轴向上。

8、根据权利要求7所述的一种三驱动球形机器人，其特征在于，所述长轴电机位于过所述球壳球心且与球框长边平行的长轴向上。

9、根据权利要求8所述的一种三驱动球形机器人，其特征在于，所述轨道电机与过所述球壳球心且垂直于轨道面的轨道轴向平行。

10、根据权利要求9所述的一种三驱动球形机器人，其特征在于，所述短轴向、长轴向和轨道轴向相交于同一中心点，且轨道轴向与长轴向相互垂直，长轴向与短轴向相互垂直。