CN102152311B - 一种双偏心质量块驱动的球形机器人 - Google Patents

Abstract

一种双偏心质量块驱动的球形机器人，它涉及一种球形机器人。本发明为了解决现有的偏心质量块驱动方式采用两个电机控制一个偏心质量块，无法充分利用电机的驱动能力，造成机器人驱动单元动力性能较差，无法提供足够的偏心力和惯性力的问题。本发明的多个机载电源固装在支撑盘上，传感器模块固装在一个支撑支架上，系统控制器固装在另一个支撑支架上，直流伺服电机对称设置在支撑盘的两侧，直流伺服电机固装在电机套内，电机套与星型支架固定连接，偏心质量块通过法兰和连接片与直流伺服电机的电机轴连接，偏心质量块与电机套通过滚动轴承实现偏心质量块与电机套之间的转动。本发明适用于星际探索和未知环境侦查中。

Description

一种双偏心质量块驱动的球形机器人

技术领域

本发明涉及一种球形机器人，具体涉及一种双偏心质量块驱动的球形机器人。

背景技术

随着科技的进步，机器人替代人类在越来越多的领域发挥着重要作用。随着人类的活动领域的不断扩大，机器人所面临的工作环境也越来越恶劣，如在星际探索、未知环境侦查等任务中，机器人要面对潮湿多尘的环境、崎岖不平的路面和各种障碍物，因此常见的轮式、足式移动机器人在这类特殊环境中难以运用。

近几年来，一种新型移动机器人-球形机器人引起了研究人员越来越多的关注。球形机器人有球形或近似球形的外壳，其他机构、器件都封装在球壳内，阻止了外部环境对部件造成损害；当机器人发生碰撞或从高处跌落时，球形的外壳使运动姿态易于调整和恢复，不会发生“翻倒”情况。与传统的轮式、足式移动机器人相比，球形机器人更适用于潮湿、多尘、崎岖的复杂环境。

经过对现有国内外文献的查阅发现，现有的球形机器人大多采用偏心质量块驱动方式，这种方式结构简单、易于控制。但现有的偏心质量块驱动方式采用两个电机控制一个偏心质量块，无法充分利用电机的驱动能力，造成机器人驱动单元动力性能较差，无法提供足够的偏心力和惯性力，因此机器人速度慢、转弯能力差，作为移动机器人的主要性能指标，直接影响了球形机器人的应用。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有的偏心质量块驱动方式采用两个电机控制一个偏心质量块，无法充分利用电机的驱动能力，造成机器人驱动单元动力性能较差，无法提供足够的偏心力和惯性力的问题，进而提供一种双偏心质量块驱动的球形机器人。

本发明的技术方案是：一种双偏心质量块驱动的球形机器人包括球形外壳、传感器模块、系统控制器和多个机载电源，所述双偏心质量块驱动的球形机器人还包括支撑机构和两个偏心驱动单元，支撑机构包括两个星型支架、支撑盘、两个支撑支架和多个连杆，两个星型支架相对设置，且两个星型支架的中心在同一条直线上，两个星型支架之间通过多个连杆连接，每个星型支架的外侧各设有一个支撑支架，且星型支架与支撑支架固定连接，支撑盘设置在星型支架之间，且与连杆连接，多个机载电源固装在支撑盘上，传感器模块固装在一个支撑支架上，系统控制器固装在另一个支撑支架上，每个偏心驱动单元均包括电机套、直流伺服电机、偏心质量块、法兰、连接片和多个滚动轴承，直流伺服电机对称设置在支撑盘的两侧，直流伺服电机固装在电机套内，电机套与星型支架固定连接，偏心质量块通过法兰和连接片与直流伺服电机的电机轴连接，偏心质量块与电机套通过滚动轴承实现偏心质量块与电机套之间的转动，支撑机构卡装在球形外壳内，偏心驱动单元通过支撑机构与球形外壳连接，传感器模块、系统控制器、多个机载电源、摄像头和两个偏心驱动单元均设置在球形外壳内。

本发明与现有技术相比具有以下效果：1.本发明采用了两个电机来驱动两个偏心质量块，充分的利用了电机的驱动能力，不但有效的提高了机器人驱动单元的动力性能，还提供了足够的偏心力和惯性力，进而提高了机器人的行进速度，转弯灵活。2.本发明结构简单，易于实现。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图；图2是偏心驱动单元的结构示意图；图3是支撑机构的结构示意图；图4是偏心驱动单元的剖视图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1-图4说明本实施方式，本实施方式包括球形外壳1、传感器模块3、系统控制器5和多个机载电源6，所述双偏心质量块驱动的球形机器人还包括支撑机构2和两个偏心驱动单元4，支撑机构2包括两个星型支架2-2、支撑盘2-4、两个支撑支架2-1和多个连杆2-3，两个星型支架2-2相对设置，且两个星型支架2-2的中心在同一条直线上，两个星型支架2-2之间通过多个连杆2-3连接，每个星型支架2-2的两侧各设有一个支撑支架2-1，且星型支架2-2与支撑支架2-1固定连接，支撑盘2-4设置在星型支架2-2之间，且与连杆2-3连接，多个机载电源6固装在支撑盘2-4上，传感器模块3固装在一个支撑支架2-1上，系统控制器5固装在另一个支撑支架2-1上，每个偏心驱动单元4均包括电机套4-1、直流伺服电机4-2、偏心质量块4-3、法兰4-4、连接片4-5和多个滚动轴承4-6，直流伺服电机4-2对称设置在支撑盘2-4的两侧，直流伺服电机4-2固装在电机套4-1内，电机套4-1与星型支架2-2固定连接，偏心质量块4-3通过法兰4-4和连接片4-5与直流伺服电机4-2的电机轴连接，偏心质量块4-3与电机套4-1通过滚动轴承4-6实现偏心质量块4-3与电机套4-1之间的转动，支撑机构2卡装在球形外壳1内，偏心驱动单元4通过支撑机构2与球形外壳1连接，传感器模块3、系统控制器5、多个机载电源6、摄像头8和两个偏心驱动单元4均设置在球形外壳1内。

偏心驱动单元通过支撑机构与外壳连接，支撑机构可以缓解冲击并保证了两个驱动电机轴在同一直线上。

传感器模块3固装在一个支撑支架2-1上，便于准确的测定球形机器人的运转数据，如三坐标轴的转角、角速度和角加速度等。

具体实施方式二：结合图1说明本实施方式，本实施方式的机载电源6的数量为3-5个。如此设置，有效的满足了机器人在工作状态下所需要的能量。其它组成和连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：结合图1和图4说明本实施方式，本实施方式的球形外壳1为椭球形外壳。如此设置，椭球形外壳易于操作者观察到机器人当前的姿态(通过摄像头观察地表)，将机器人横向滚动限制在一定的角度范围内。其它组成和连接关系与具体实施方式一或二相同。

本实施方式的椭球形外壳，当机器人发生碰撞或从高处落下时，这样的外形易于操作者观察到机器人当前的姿态；椭球形外壳也限制了机器人横向滚动在一定的角度范围，在一定角度的斜坡上运动时不会侧向翻滚。

具体实施方式四：结合图1和图4说明本实施方式，本实施方式的椭球形外壳的长轴为200mm，短轴为156mm。如此设置，有效的保证了机器人在斜坡上横向运动时不会发生“倾覆”。其它组成和连接关系与具体实施方式一、二或三相同。

具体实施方式五：结合图1和图3说明本实施方式，本实施方式的支撑支架2-1为弹性支架。如此设置，当机器人受碰撞时，弹性支架可以产生径向和轴向的弹性形变，起到良好的缓冲作用，同时，有效的保证了两个驱动电机轴在同一直线上。其它组成和连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式六：结合图1和图3说明本实施方式，本实施方式的弹性支架为镂空弹性支架。如此设置，当机器人受碰撞时，镂空弹性支架最多可以产生径向1.5mm、轴向1mm的弹性形变，起到最好的缓冲作用，同时，有效的保证了两个驱动电机轴在同一直线上。其它组成和连接关系与具体实施方式一或五相同。

具体实施方式七：结合图2说明本实施方式，本实施方式的连接片4-5为柔性连接片。如此设置，柔性连接片可以产生一定的轴向形变，避免了扭矩传递过程中对电机轴的刚性冲击。其它组成和连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式八：结合图2说明本实施方式，本实施方式的柔性连接片的厚度为0.1mm。如此设置，减轻了球形机器人的整体重量。其它组成和连接关系与具体实施方式七相同。

具体实施方式九：结合图1说明本实施方式，本实施方式的一种双偏心质量块驱动的球形机器人还包括摄像头8，摄像头8设置在系统控制器5上。如此设置，操作者通过机器人携带的摄像头所反馈图像得到机器人周围的环境信息，便于实现机器人的准确运动。其它组成和连接关系与具体实施方式九相同。

摄像头设置在系统控制器上，用于传输机器人周围的环境信息。机器人工作时，操作者根据摄像头反馈的环境信息，通过遥控器控制机器人选择合理的运动路线，系统控制器通过融合惯性传感器模块的信息对机器人进行实时运动状态解算，再根据操作者的命令转换为对驱动电机的控制指令，控制驱动单元实现机器人的运动。

Claims (9)

1.一种双偏心质量块驱动的球形机器人，它包括球形外壳(1)、传感器模块(3)、系统控制器(5)和多个机载电源(6)，其特征在于：所述双偏心质量块驱动的球形机器人还包括支撑机构(2)和两个偏心驱动单元(4)，支撑机构(2)包括两个星型支架(2-2)、支撑盘(2-4)、两个支撑支架(2-1)和多个连杆(2-3)，两个星型支架(2-2)相对设置，且两个星型支架(2-2)的中心在同一条直线上，两个星型支架(2-2)之间通过多个连杆(2-3)连接，每个星型支架(2-2)的外侧各设有一个支撑支架(2-1)，且星型支架(2-2)与支撑支架(2-1)固定连接，支撑盘(2-4)设置在星型支架(2-2)之间，且与连杆(2-3)连接，多个机载电源(6)固装在支撑盘(2-4)上，传感器模块(3)固装在一个支撑支架(2-1)上，系统控制器(5)固装在另一个支撑支架(2-1)上，每个偏心驱动单元(4)均包括电机套(4-1)、直流伺服电机(4-2)、偏心质量块(4-3)、法兰(4-4)、连接片(4-5)和多个滚动轴承(4-6)，直流伺服电机(4-2)对称设置在支撑盘(2-4)的两侧，直流伺服电机(4-2)固装在电机套(4-1)内，电机套(4-1)与星型支架(2-2)固定连接，偏心质量块(4-3)通过法兰(4-4)和连接片(4-5)与直流伺服电机(4-2)的电机轴连接，偏心质量块(4-3)与电机套(4-1)通过滚动轴承(4-6)实现偏心质量块(4-3)与电机套(4-1)之间的转动，支撑机构(2)卡装在球形外壳(1)内，偏心驱动单元(4)通过支撑机构(2)与球形外壳(1)连接，传感器模块(3)、系统控制器(5)、多个机载电源(6)、摄像头(8)和两个偏心驱动单元(4)均设置在球形外壳(1)内。

2.根据权利要求1所述的一种双偏心质量块驱动的球形机器人，其特征在于：机载电源(6)的数量为3-5个。

3.根据权利要求1或2所述的一种双偏心质量块驱动的球形机器人，其特征在于：球形外壳(1)为椭球形外壳。

4.根据权利要求3所述的一种双偏心质量块驱动的球形机器人，其特征在于：椭球形外壳的长轴为200mm，短轴为156mm。

5.根据权利要求1所述的一种双偏心质量块驱动的球形机器人，其特征在于：支撑支架(2-1)为弹性支架。

6.根据权利要求5所述的一种双偏心质量块驱动的球形机器人，其特征在于：弹性支架为镂空弹性支架。

7.根据权利要求1所述的一种双偏心质量块驱动的球形机器人，其特征在于：连接片(4-5)为柔性连接片。

8.根据权利要求7所述的一种双偏心质量块驱动的球形机器人，其特征在于：柔性连接片的厚度为0.1mm。

9.根据权利要求1所述的一种双偏心质量块驱动的球形机器人，其特征在于：摄像头(8)设置在系统控制器(5)上。

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