CN101559794A - 履带式球形机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种履带式球形机器人，它包括球壳、设于球壳内的框架、设于框架上滚动驱动装置和设于框架上的机械臂，包括球壳开合装置和履带行走装置，球壳由左半球壳和右半球壳组成，在框架与左、右半球壳之间均设有球壳开合装置，其包括设置在框架上的驱动电机，其通过传动机构连接左半球壳和右半球壳，使得该左半球壳和右半球壳相对于框架体运动而实现球壳的开合；在框架上设置驱动电机，其通过传动机构连接所述履带行走装置，使得履带行走装置运动打开的从球壳中伸出或缩回。本履带式球形机器人融合履带式机器人和球形机器人的特点，可更好地获取外部环境信息，并在此基础上实现智能化，从而扩大了球形移动机器人的应用范围。

Description

履带式球形机器人

技术领域

本发明涉及一种球形机器人，尤其是一种履带式球形机器人。

背景技术

球形机器人是一种新颖的全方位运动的特种机器人，它是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机器人系统。近年来国内外许多专家学者相继开展了球形机器人的研究，已经研制出若干种不同结构类型的球形机器人。球形机器人是近年来国内外兴起并发展迅速的一种特种机器人。

球形机器人由于其特殊结构，相比其他移动机器人有着很多的优点，如运动灵活、抗倾倒、抗环境干扰等，但现有球形机器人的全封闭结构，使传感器的安装和对外部信息的获取都受到很大限制。

发明内容

本发明的目的是提供了一种可通过两种方式运动，且转向灵活、准确，能更好的获得外部环境信息并对各种复杂环境都有较强适应能力的履带式球形机器人。

为了实现上述目的，本发明提供的一种履带式球形机器人，它包括：球壳、设于该球壳内的框架、设于该框架上使得所述球形机器人在球形状态下运动的滚动驱动装置和设于该框架上的机械臂，其特征在于还包括球壳开合装置和履带行走组件，

所述球壳由左半球壳和右半球壳组成，在所述框架与左、右半球壳之间均设有所述球壳开合装置，该球壳开合装置包括设置在所述框架上的驱动装置，其通过传动机构连接所述左半球壳和右半球壳上的固定件，使得该左半球壳和右半球壳相对于所述框架体运动而实现球壳的开合；

所述履带行走装置包括设置在所述框架上的驱动装置，其通过传动机构连接所述履带行走组件，使得该履带行走组件运动，即从打开的所述球壳中伸出或缩回。

所述球壳开合装置可以是：为对称的左右两个，每个开合装置包括有设置在所述框架上的左右推杆电机和设置于所述推杆电机和左右半球壳之间的转动变直线运动的传动机构；

所述的履带行走装置可以是：在所述框架上设置的驱动装置为履带推杆电机，其与所述履带行走装置之间的所述传动机构为转动变直线运动的机构。

在如上的结构中，所述转动变直线运动的机构的机构优选为螺旋传动机构，所述推杆电机的输出轴上连接所述转动部件丝杠，所述左右半球壳以及履带行走组件的相应处的固定件上设螺孔与所述履带丝杠匹配构成直线运动部件。

具体地，所述球壳开合装置可以是：包括一端分别与左、右半球壳内壁固联的两根支承轴构成直线运动部件，其另一端沿其轴线设有螺孔，该支承轴穿过所述框架与所述驱动装置即左右推杆电机上固联的左右丝杠即转动件螺接。

如果所述支承轴与所述框架接触，例如支撑在所述框架上，则所述支承轴与所述框架之间构成可移动的支承结构。

所述履带行走装置中的所述驱动装置为履带推杆电机，其与所述履带行走组件通过一转动变为直线运动的传动机构连接，其中的直线运动部件连接所述履带行走组件，转动部件连接所述履带推杆电机。

所述球壳开合装置中的所述传动结构为螺旋传动机构，所述左右推杆电机的输出轴上连接所述转动部件丝杠，所述支承轴上设置螺孔与所述丝杠匹配构成直线运动部件。

所述履带行走装置中的所述传动机构也可以是螺旋传动机构，所述推杆电机的输出轴上连接所述转动部件履带丝杠，所述履带行走组件的相应处设螺孔与所述履带丝杠匹配构成直线运动部件。

履带驱动行走装置中的所述履带行走组件上固结一履带座，该履带座上设有所述螺孔。

所述履带行走组件包括朝下的主行走履带装置，还包括在该主履带行走装置前、后两端的固定架上分别铰接有小履带。该小履带与主行走履带的履带成角度设置。

为了加固履带驱动装置，在所述框架的底部下表面与履带电机的外壳之间固连一下支架，该下支架上设有一竖直方向的导向通孔，下部固设有履带驱动行走装置的所述履带座设置在该支架上的所述导向通孔中。

所述滚动驱动装置包括安装在所述框架上左右两侧的左右长轴电机，该长轴电机的输出轴上设有与所述支承轴当两半球壳关闭时对应处上设置的轮齿啮合的小齿轮。

两个长轴电机最好是相对于球壳竖向对称地设置。

该滚动驱动装置还可以包括在所述框架上安装的短轴电机，在该短轴电机的输出轴上固设有重摆。

所述短轴电机的轴线可以是与所述球壳开合装置中的驱动装置即左右推杆电机的轴线垂直；优选所述短轴电机在所述左右推杆电机的对称轴上。

当球壳闭合时，通过驱动左右长轴电机和短轴电机，就可以实现球形机器人前进、后退、左转、右转和左右滚动的各种运动。

当要使用所述履带行走装置行走时，例如需要用机械臂作业或在行进中采集信息时，需要机器人上的例如传感器在一个设定的水平高度移动式，就驱动球壳开合装置中的推杆电机，使得球壳打开，然后，再驱动履带驱动行走装置中的推杆电机，使得履带驱动机构着地，启动履带驱动机构中的驱动装置，使得履带运转起来即可。

所述框架可以包括主框架和水平框架，该水平框架插接在主框架内的两个支撑板间，主框架是前后贯通的框架，水平框架是上下贯通的框架。

所述球壳开合装置中包括一端与左、右半球壳顶部内壁固连的所述支撑轴，其另一端穿过主框架、水平框架进入主框架与水平框架构成的空腔内，支撑轴上设有轴向所述螺纹通孔，在支撑轴的外壁上套设有电机支撑件，电机支撑件的中部支固在水平框架上，电机支撑件的一端固定在主框架的内壁上，其另一端与推杆电机的外壳固连，推杆电机的输出轴与和支撑轴内的螺纹通孔螺接的所述丝杠连接。

在所述主框架的下面的框架板上固结一下支架，该下支架上设有一个竖直导向孔，所述履带推杆电机固定在主框架上，且其中的一部分置于该下支架的导向孔中，履带座可上下滑动地设于该导向孔中。

在所述主框架的上面的框架板上固定所述重摆框架，其设置在水平框架中间的空间中，在该重摆框架上设有一短轴电机，该电机输出轴上连接一短轴，该短轴上设置重摆，该短轴的轴线与所述左右长轴电机和左右推杆电机的轴线相垂直。

所述机械臂安装在所述框架上。

本发明提供的履带式球形机器人是在现有球形机器人的基础上，增加球壳打开装置和履带行走装置的新型球形机器人，它融合了履带式机器人和球形机器人的特点，可打开的球壳结构可以方便安装各种传感器和操作手臂。可以更好的获取外部环境信息，并在此基础上实现智能化，从而扩大了球形移动机器人的应用范围。

附图说明

图1是本发明履带式球形机器人的主视剖视结构示意图。

图2是本发明履带式球形机器人闭合状态主视剖视结构示意图。

图3是图2的履带式球形机器人闭合状态右视剖视结构示意图。

图4是本发明履带式球形机器人展开状态主视剖视结构示意图。

图5是图4的履带式球形机器人展开状态右视剖视结构示意图。

具体实施方式

如图1所示，一种履带式球形机器人，它包括球壳、设于该球壳内的框架、设于该框架上使得所述球形机器人在球形状态下运动的滚动驱动装置和设于该框架上的机械臂26，其特征在于还包括球壳开合装置和履带行走装置，所述球壳由左半球壳1和右半球壳7组成，在所述框架与左、右半球壳之间均设有所述球壳开合装置，该球壳开合装置包括设置在所述框架上的驱动电机，其通过传动机构连接所述左半球壳和右半球壳，使得该左半球壳和右半球壳相对于所述框架体运动而实现球壳的开合；

所述履带行走装置包括设置在所述框架上设置驱动电机，其通过传动机构连接所述履带行走组件，使得该履带行走组件运动，即从打开的所述球壳中伸出或缩回。

具体的结构可以是：

所述框架包括主框架4和水平框架5，该主框架和水平框架均为方形框，主框架为前后贯通的框体，水平框架为上下贯通的框体，在主框架的贯通的空腔中竖向设有两个加强板，所述水平框架垂直插接在主框架的两个加强板间；

所述球壳开合装置包括一端与左、右半球壳内壁固联的支承轴，该支承轴穿过所述框架通过一转动变为直线运动的传动机构与所述驱动电机即左右推杆电机固联，其中的直线运动部件连接所述支承轴，转动部件连接所述推杆电机。所述支承轴与所述框架之间构成可移动的支承结构。

具体地，所述球壳开合装置为对称的左右两个，每个开合装置包括有设置在主框架4上的推杆电机和设置于推杆电机和左右半球壳之间的转动变直线运动的传动机构，其可以是多种相关机构，在本实施例中选用的是螺旋传动机构。在左侧，主框架4上固设左推杆电机6，在该左推杆电机6的输出轴上沿轴向固联一左丝杠25，一左支承轴24通过其上的轴向螺孔连接在左丝杠25上，左支承轴24的端部沿水平直径方向固接左半球壳1顶部，在主框架4上设有左电机支撑导向筒23，其一端固定在左推杆电机6输出轴一侧的机壳上，左电机支撑导向筒23的另一端固定在主框架6的内壁上，左支承轴24可滑动地置于该左电机支撑导向筒23中。与之对称地，在右侧，主框架4上固设右推杆电机14，在右推杆电机14上固联右丝杠12，一右支承轴11螺接在右丝杠12上，其端部沿水平直径方向固接右半球壳7顶部，该右支承轴11可滑动地置于固设在主框架4上的右电机支撑导向筒13上。当要开关球壳时，正向或反向启动左推杆电机6和右推杆电机14，即该推杆电机带动丝杠旋转，该丝杠带动支撑轴左右移动，从而支撑轴带动左、右球壳分开、闭合。

所述履带行走装置中的所述传动机构也可以是转动变为直线运动的传动机构，例如可以是螺旋传动机构，所述驱动电机即履带推杆电机的输出轴上连接所述转动部件履带丝杠，所述履带行走组件的相应处设螺孔与所述履带丝杠匹配构成直线运动部件。

履带驱动行走装置中的所述履带行走组件上固结一履带座，该履带座上设有所述螺孔。

所述履带驱动行走组件通过一传动机构与设置在框架上的驱动装置连接的具体结构可以是：履带驱动行走装置包括履带推杆电机19、履带丝杠17、履带座18和履带装置21，在主框架4的下框体的下底面上固设一下支架16，在主框架4的下框体上竖直固设履带推杆电机19，其一部分设置在主框架内，另一部分(履带推杆电机的输出端)设置在主框架底部的下方置于下支架16中，其输出轴上固联履带丝杠17，履带行走装置的架体固定在履带座18上，该履带座18通过其上的螺孔与履带丝杠17螺接并可移动地设置在下支架16形成的导向通道中。所述履带座内设有空腔，该空腔顶部的框架上设有与丝杠螺接的所述螺纹通孔。该下支架16为中部具有挡板的管体，履带推杆电机19的输出轴穿过该挡板与履带丝杠17连接，该履带推杆电机19输出端的端部外壳与所述挡板的上表面固定。下支架16的设置可起到加固和导向伸缩履带驱动行走组件的作用。当左、右半球壳展开后，驱动履带推杆电机19，即带动履带丝杠17旋转，从而使履带座18带动履带行走组件向下伸出开启的球壳，然后，开启履带驱动行走组件上的驱动电机，即可使得本机器人即通过履带行走组件行走，此时机械臂26也可以通过其驱动装置从打开的球壳中伸出，完成作业任务。

所述履带行走组件可以包括朝下的主行走履带装置，还可以包括在该主履带行走组件前、后两端的固定架上分别铰接有小履带。该小履带与主行走履带的履带成角度设置。可以设置调节所述角度的驱动电机，用以根据实际环境中的地形情况调节小履带的倾斜角度，再启动小履带的驱动装置，实现在坡地上通过履带实现本机器人的行走。

在框架上设有滚动驱动装置，其用于实现本履带式球形机器人在球壳关闭为球体时的滚动行进动作，其包括左长轴电机3、右长轴电机9、短轴8、短轴电机15、重摆20、重摆支架22，左右长轴电机3、9设置在主框架4上的两侧，支撑在上述加强板上，其输出轴上分别固设一左小齿轮2和右小齿轮10，在螺设有左丝杠25和右丝杠12的左支承轴24和右支承轴11上设有上设有外轮齿，当球壳闭合时该外轮齿与左右小齿轮2、10啮合。在与主框架4固联的水平框架5上垂直设置一重摆框架22，重摆框架22的上表面与主框架的顶部下表面固连；短轴8可转动地固定在该重摆框架22上，即重摆框架与短轴间安装轴承，该短轴8的轴线与两个长轴电机轴线以及左右推杆电机的轴线垂直且与左右推杆电机的轴线相交，即短轴呈前后水平设置在水平框架与主框架围成的空腔中，在该短轴8上连接短轴电机15的输出轴，该短轴电机15支固在水平框架5上，例如该短轴电机安装在水平框架的前或后骨架上。在短轴8上固设重摆20，可以是在短轴的前后端分别对称地固连两个重摆20。

通过短轴电机15和左右长轴电机6、9的联合驱动，使得重摆摆动，改变球形机器人的重心，从而驱动机器人滚动行走。

具体的是：两个长轴电机带动左右半球壳同向同速转动时，则机器人可以沿直线前进或后退。当长轴电机带动左右半球壳以不同速度转动时，则机器人将实现差速转弯动作。而当长轴电机带动左右半球壳反向同速转动时，则机器人可以实现零半径的原地旋转。

启动短轴电机，可使得重摆左右摆动，即可使得本球形机器人左右滚动。

本发明提供的履带式球形机器人，通过在球形机器人的球壳上设计出特殊的开合结构，并在球壳内以上述特定的方式设置履带行走装置，使得球形机器人既可以自由滚动，还可以用履带行走，使得球形机器人也可以像现有履带式机器人一样地行走且可以在行走过程中通过其上设置的装置采集信息和各种履带式机器人能够进行的操作。在使用履带行走模式和球形滚动模式之间的转换上，特别采用螺旋传动机构，使得机器人的结构非常简单、可靠，而在球壳闭合状态下通过齿轮啮合的球形滚动的运动传动结构在球壳打开时啮合的齿轮轴向分离的运动模式转换结构在球形机器人的现有技术中是没有先例的，这种结构非常简单、十分紧凑，比起通常机器人中的连杆机构更加实用。

Claims (10)

1.一种履带式球形机器人，它包括球壳、设于该球壳内的框架、设于该框架上使得所述球形机器人在球形状态下运动的滚动驱动装置和设于该框架上的机械臂，其特征在于：还包括球壳开合装置和履带行走组件，

所述球壳由左半球壳和右半球壳组成，在所述框架与左、右半球壳之间均设有所述球壳开合装置，该球壳开合装置包括设置在所述框架上的驱动装置，其通过传动机构连接所述左半球壳和右半球壳上的固定件，使得该左半球壳和右半球壳相对于所述框架体运动而实现球壳的开合；

所述履带行走装置包括设置在所述框架上的驱动其通过传动机构连接所述履带行走组件，使得该履带行走组件运动，即从打开的所述球壳中伸出或缩回。

2.根据权利要求1所述的履带式球形机器人，其特征在于：所述球壳开合装置为对称的左右两个，每个开合装置包括有设置在所述框架上的左右推杆电机(6、14)和设置于所述推杆电机和左右半球壳(1、7)之间的转动变直线运动的传动机构；和/或，

在所述框架上设置的驱动装置为履带推杆电机，其与所述履带行走装置之间的所述传动机构为转动变直线运动的机构。

3.根据权利要求2所述的履带式球形机器人，其特征在于：所述转动变直线运动的机构的机构为螺旋传动机构，所述推杆电机的输出轴上连接所述转动部件丝杠，所述左右半球壳(1、7)以及履带行走组件的相应处的固定件上设螺孔与所述履带丝杠匹配构成直线运动部件。

4.根据权利要求3所述的履带式球形机器人，其特征在于：所述球壳开合装置包括一端分别与所述左、右半球壳(1、7)水平直径方向上顶部的内壁固连的所述固定件左右支撑轴(24、11)，该支撑轴(24、11)上水平直径方向从另一端沿其轴线设有螺孔，所述框架上的所述左右推杆电机(6、14)输出轴上固联的左右丝杠(25、12)分别与所述左右支承轴(24、1 1)上的所述螺孔螺接；或者且，所述支承轴与所述框架之间构成可移动的支承结构；

和/或，

在所述履带行走装置中，所述推杆电机的输出轴上连接所述转动部件履带丝杠，所述履带行走组件的相应处设螺孔与所述履带丝杠匹配构成直线运动部件；或者，

在所述框架上设置的驱动履带的推杆电机(19)与所述履带行走装置之间的所述转动变直线运动的机构为：在所述履带推杆电机(19)的输出轴上固联履带丝杠(17)，所述履带行走装置固设在一履带座(18)上，该履带座(18)上设螺孔螺接所述履带丝杠。

5.根据权利要求1-4其中之一的所述的履带式球形机器人，其特征在于：所述履带行走组件包括朝下的主行走履带装置，还包括在该主履带行走装置前、后两端的固定架上分别铰接有小履带；或者，

在所述框架的底部下表面与履带电机的外壳之间固连一下支架，该下支架上设有一竖直方向的导向通孔，下部固设有履带驱动行走装置的所述履带座设置在该支架上的所述导向通孔中；或者且，该小履带与主行走履带的履带成角度设置。

6.根据权利要求2或3所述的履带式球形机器人，其特征在于：所述滚动驱动装置包括设置在所述框架上左右两侧的左右长轴电机(3、9)，所述两长轴电机(3、9)输出轴上各设置一左小齿轮和一右小齿轮(2、10)，其分别与连接于所述左右半球壳上的固定件上相应处的齿轮在当球壳闭合时相啮合，和/或，

在所述框架上安装的短轴电机(15)，在该短轴电机的输出轴上固设短轴(8)，在该短轴上固设有重摆；和/或，

在所述框架上安装的短轴电机(15)，在该短轴电机的输出轴上固设短轴(8)，在该短轴上固设有重摆，且所述短轴电机(15)的轴线与所述球壳开合装置中的驱动装置即左右推杆电机(6、14)的轴线垂直；和/或，

在所述框架上安装的短轴电机(15)，在该短轴电机的输出轴上固设短轴(8)，在该短轴上固设有重摆，且所述短轴电机(15)在所述左右推杆电机的对称轴上。

7.根据权利要求1至6之一所述的履带式球形机器人，其特征在于：所述框架包括主框架(4)和水平框架(5)，该主框架和水平框架均为方形框，主框架为前后贯通的框体，水平框架为上下贯通的框体；或者且，

在所述主框架的贯通的空腔中竖向设有两个加强板，所述水平框架垂直插接在主框架的两个加强板间。

8.根据权利要求7所述的履带式球形机器人，其特征在于：所述左右推杆电机(6、14)设置在所述主框架(4)上，在所述主框架(4)上设有左右电机支撑导向筒(23、13)，其一端固定在左右推杆电机(6、14)输出轴一侧的机壳上，其另一端固定在主框架(4)的内壁上，所述左右支承轴(24、11)可滑动地置于该左电机支撑导向筒(23)中；和/或，

所述左右长轴电机左右长轴电机(3、9)设置在所述主框架(4)上的两侧；和/或，

在所述主框架的上面的框架板上固定所述重摆框架，其设置在水平框架中间的空间中，在该重摆框架上设有一短轴电机，该电机输出轴上连接一短轴，该短轴上设置重摆，该短轴的轴线与所述左右长轴电机和左右推杆电机的轴线相垂直。

9.根据权利要求7所述的履带式球形机器人，其特征在于：所述主框架(4)的下框体的下底面上固设下一支架(16)，在该主框架(4)的下框体上竖直固设所述履带驱动装置即推杆电机(19)，其一部分设置在主框架内，另一部分即履带推杆电机的输出端设置在主框架底部的下方置于下所述支架(16)中，其输出轴上固联履带丝杠(17)，所述履带行走组件的架体固定在履带座(18)上，该履带座(18)通过其上的螺孔与履带丝杠(17)螺接并可移动地设置在下支架(16)形成的导向通道中；和/或，所述履带座内设有空腔，该空腔其顶部的框架上设有与丝杠螺接的所述螺纹通孔。

10.根据权利要求9所述的履带式球形机器人，其特征在于：该下支架(16)为中部具有挡板的管体，所述履带推杆电机(19)的输出轴穿过该挡板与履带丝杠(17)连接，该履带推杆电机输出端的端部外壳与所述挡板的上表面固定。

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