CN102161356B - 三驱动球形机器人 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种三驱动球形机器人，其包括一球壳，其中通过球心对称地设置两根传动轴，传动轴的一端与球壳内壁固联；一差速传动机构中的一框架可转动地固设在两根传动轴相邻的轴端部上，两个锥齿轮可转动地分别固设在所述传动轴上且通过传动机构分别与一电机连接；框体上设置一配重连接轴，其通过球心与两根传动轴垂直，在该配重连接轴上一体固设一锥齿轮，其置于前述两个锥齿轮之间且与其啮合；在所述配重连接轴上分别一体固联和套设固定两摆杆、摆杆上联配重体，套设的摆杆通过传动机构连接一配重电机。本三驱动球形机器人，通过使用差速传动机构，大大简化了三驱动球形机器人的结构，还使得传动机构更加紧凑，传动也更加灵活、可靠。

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，尤其是一种结构简单、运动灵活可靠的三驱动球形机器人。
背景技术
现有技术中有一种三驱动球形机器人，其通过三驱动，可实现球形机器人的全向滚动。这种三驱动机器人在球壳内设置框架结构，通过电机驱动框架结构转动，并结合其中设置的配重的转动实现机器人的全向滚动。这种框架结构的球形机器人，结构复杂，也不够紧凑。 
发明内容
本发明的目的在于与现有技术的同类球形机器人的传动方式不同且结构简单、紧凑，运动灵活、可靠的三驱动球形机器人。
本发明的目的是这样实现的：
一种三驱动球形机器人，包括一球壳、一差速传动机构及其驱动电机和一配重装置；
所述球壳，在其中一个通过球心的轴线上对称地设置两根传动轴，每根传动轴的一端与所述球壳的相应处的内壁固联为一体；
所述差速传动机构，包括一框架和三个锥齿轮，两根所述传动轴相邻的轴端部可转动地固设在所述框架上，每根所述传动轴上可转动地固设一个所述锥齿轮，在所述框体上另设置一配重连接轴，其通过所述球心与两根所述传动轴垂直，在该配重连接轴上一体固设第三个所述锥齿轮，其置于另外两个设置在两根所述传动轴上的两个锥齿轮之间且与其啮合；
所述差速传动机构的驱动电机，包括两部电机，其分别设置在各自的支承架上，各所述支承架分别一体固定在两根所述传动轴上，每部电机的输出轴和该电机支承架一体连接的所述传动轴上设置的所述锥齿轮之间设置一传动机构；
所述配重装置包括两根摆杆、两个配重体和一配重电机，两根所述摆杆的一端设置在所述配重连接轴上且位于所述框架的两侧，其中一根所述摆杆与所述配重连接轴一体连接，另一根所述摆杆可转动地与所述配重连接轴连接，在两根所述摆杆的另一端一体固联一所述配重体，在可转动地设置所述摆杆一侧的所述配重连接轴上一体固联一支承架，其上设所述配重电机，该配重电机的输出轴和所述配重连接轴上可转动地设置的所述摆杆之间通过一传动机构连接。
所述球壳可以是由两个等大的半球壳组成，两根所述传动轴的轴线与两个半球壳的剖分线垂直。
本发明提供的三驱动球形机器人的运动原理为：
当所述驱动电机的两部电机反向等速转动时，即可使得所述配重连接轴向一个方向转动，这时，将可以产生绕所述配重连接轴的轴线的转矩，使得球形机器人绕配重连接轴滚动；
当所述驱动电机的两部电机同向等速转动时，所述配重连接轴则不同，这时，将可以产生绕所述传动轴的轴线的转矩，使得球形机器人绕传动轴滚动；
当所述驱动电机的两部电机反向等速转动，且配重电机以比驱动电机转速大一倍的转速转动时，使得两个配重绕配重连接轴反向转动，将可以产生绕同时垂直于传动轴和配重连接轴的竖直轴线的方向的转矩，使得球形机器人绕该竖直轴线转动。
由此可知，通过调整组成驱动电机的两部电机和配重电机的启闭以及转向和转速，通过所述锥齿轮的差速传动，就可以实现球形机器人的全向滚动。
在所述差速传动机构中，所述电机的输出轴和该电机支承架一体连接的所述传动轴上设置的所述锥齿轮之间设置的所述传动机构可以是一对相互啮合的齿轮组成的传动机构，其中一个齿轮一体固联在所述电机的输出轴上，另一齿轮与所述传动轴上的所述锥齿轮一体固联。
在所述配重装置中，所述配重电机的输出轴和所述配重连接轴上可转动地设置的所述摆杆之间的所述传动机构可以是一对相互啮合的齿轮组成的传动机构，其中一个齿轮一体固联在所述电机的输出轴上，另一齿轮与所述摆杆一体固联。
安装在两根所述传动轴上的两个锥齿轮相对于所述球壳的球心对称布置。
两个配重体相对于所述球壳的球心对称布置，两个该配重体重量是相同的；两根摆杆长度相同。
本发明提供的三驱动球形机器人，通过使用锥齿轮构成的差速传动机构，大大简化了三驱动球形机器人的结构，还使得传动机构更加紧凑，传动也更加灵活、可靠。
下面通过附图和实施例对本发明做进一步说明。
附图说明
图1为本发明提供的三驱动球形机器人的俯视剖视结构示意图。
图2为本发明提供的三驱动球形机器人的主视剖视结构示意图。
图3为模拟本三驱动球形机器人绕自身纵向轴线转动的模型的结构示意图。
图4为图3模型动作的示意图。
具体实施方式
如图1和图2所示，本发明提供的三驱动球形机器人，包括一球壳1、一差速传动机构及其驱动电机2和一配重装置3；
球壳1是由两个等大的半球壳11和半球壳12固接组成的。在球壳1中，其中一个通过球心的轴线，在如图1和图2所示的例子中，即为在水平面上的X轴方向上对称地设置传动轴13和传动轴14，传动轴13的一端与半球壳11一体固联，传动轴14与半球壳12一体固联，两根所述传动轴的轴线与两个半球壳的剖分线垂直。
差速传动机构中，包括一框架21和三个相同的锥齿轮：锥齿轮22、锥齿轮23和锥齿轮24，两根所述传动轴相邻的轴端部可转动地固设在框架21上，传动轴13上通过轴承可转动地固设锥齿轮22，传动轴14上通过轴承可转动地固设锥齿轮23。在框体21上另设置一配重连接轴25，其通过球壳1的球心与两根所述传动轴垂直该轴线方向及其水平面上与X轴方向垂直的Y轴方向，在该配重连接轴25上一体固设第三个锥齿轮24，其置于另外两个设置在两根所述传动轴上的两个锥齿轮之间且同时与该两个锥齿轮啮合。
所述差速传动机构的驱动电机，包括两部电机：电机26和电机27。
在传动轴13上一体固设一支承架上131，在支承架131上设置电机26，在电机26的输出轴上固设一直齿轮261，在传动轴13上套上一直齿轮132，其与该传动轴13上设置的锥齿轮22一体固联。直齿轮261和直齿轮132的齿数相同。
在传动轴14上一体固设一支承架上141，在支承架141上设置电机27，在电机27的输出轴上固设一直齿轮271，在传动轴14上套上一直齿轮142，其与该传动轴14上设置的锥齿轮23一体固联。直齿轮271和直齿轮142的齿数相同。
安装在传动轴13和传动轴14上的两个锥齿轮需要相对于球壳的球心对称布置。
所述配重装置3包括两根摆杆、两个配重体和一配重电机，摆杆31和摆杆32的一端分别设置在配重连接轴25上且位于框架21的两侧，其中摆杆31与配重连接轴25一体连接，摆杆32通过轴承321可转动地与配重连接轴25连接，在摆杆31的另一端一体固联一配重体33，在摆杆32的另一端一体固联一配重体34，在摆杆32一侧的配重连接轴25上一体固联一支承架251，其上设所述配重电机35，该配重电机35的输出轴上一体固联一直齿轮351，在配重连接轴25上套上一直齿轮252，其与直齿轮351啮合，其与摆杆32一体固联。直齿轮351和直齿轮252的齿数相同。
两个配重体要对称布置，其重量是相同的；摆杆长度相同，这样便于控制。
通过上述三驱动球形机器人中三个电机，可以使得该球形机器人做全向滚动：
设定：面向锥齿轮的大头一个端面，电机26和电机27顺时针的转动方向称为电机正转。
当电机26和电机27同时等速正转，且配重电机35不启动时，锥齿轮24逆时针即反向转动，带动配重连接轴25配重体33和配重体34将绕配重连接轴25的轴线即Y轴反向转动，产生绕Y轴的转矩，本三驱动球形机器人可绕Y轴向一个方向滚动。当然，如果电机26和电机27同时等速反转，配重电机35不动，则锥齿轮24正转，使得球形机器人绕Y轴向另一个方向滚动。
当电机26正转，电机27反转，两电机的转度相等，且配重电机35不启动时，配重体33和配重体34将绕X轴转动，产生绕X轴的转矩，本三驱动球形机器人可绕X轴向一个方向滚动。当然，当电机26和电机27的转向颠倒过来，则球形机器人则绕X轴向另一个方向滚动。
如图3、4所示，试验证明，支撑在平面基础上的一圆盘01上固设一T字形支撑杆02，在该T字形支撑杆的垂直支杆与圆盘01平面垂直，该T字形支撑杆的水平支杆02上位于两支杆固结点两侧分别悬垂固联配重03和配重04，当两个配重以相反的方向M1和M2绕水平支杆02转动时，会产生使得圆盘01绕T字形支撑杆的垂直支杆轴线的转矩F1和F2，圆盘会绕该轴线转动。
同理，当电机26和电机27等速正转，且配重电机35以与锥齿轮24转向相反且转速为两个电机的转速的两倍转动，使得配重体33和配重体34绕配重连接轴25即Y轴反向等速转动，则就可以产生使得本三驱动球形机器人绕垂直于X轴和Y轴其通过球壳的球心的Z轴的转矩，而使得三驱动球形机器人绕Z轴转动。
除了上述三种电机转速转向匹配关系之外，还可以对于所述的三部电机做多种转向转速匹配，从而可以使得本三驱动球形机器人获得全向滚动。

Claims (8)

1.一种三驱动球形机器人，其特征在于：包括一球壳、一差速传动机构及其驱动电机和一配重装置；
所述球壳，在其中一个通过球心的轴线上对称地设置两根传动轴，每根传动轴的一端与所述球壳的相应处的内壁固联为一体；
所述差速传动机构，包括一框架和三个锥齿轮，两根所述传动轴相邻的轴端部可转动地固设在所述框架上，每根所述传动轴上可转动地固设一个所述锥齿轮，在所述框体上另设置一配重连接轴，其通过所述球心与两根所述传动轴垂直，在该配重连接轴上一体固设第三个所述锥齿轮，其置于另外两个设置在两根所述传动轴上的两个锥齿轮之间且与其啮合；
所述差速传动机构的驱动电机，包括两部电机，其分别设置在各自的支承架上，各所述支承架分别一体固定在两根所述传动轴上，每部电机的输出轴和该电机支承架一体连接的所述传动轴上设置的所述锥齿轮之间设置一传动机构；
所述配重装置包括两根摆杆、两个配重体和一配重电机，两根所述摆杆的一端设置在所述配重连接轴上且位于所述框架的两侧，其中一根所述摆杆与所述配重连接轴一体连接，另一根所述摆杆可转动地与所述配重连接轴连接，在两根所述摆杆的另一端一体固联一所述配重体，在可转动地设置所述摆杆一侧的所述配重连接轴上一体固联一支承架，其上设所述配重电机，该配重电机的输出轴和所述配重连接轴上可转动地设置的所述摆杆之间通过一传动机构连接。
2.根据权利要求1所述的三驱动球形机器人，其特征在于：所述球壳是由两个等大的半球壳组成，两根所述传动轴的轴线与两个半球壳的剖分线垂直。
3.根据权利要求1所述的三驱动球形机器人，其特征在于：在所述差速传动机构中，所述电机的输出轴和该电机支承架一体连接的所述传动轴上设置的所述锥齿轮之间设置的所述传动机构是一对相互啮合的齿轮组成的传动机构，其中一个齿轮一体固联在所述电机的输出轴上，另一齿轮与所述传动轴上的所述锥齿轮一体固联。
4.根据权利要求1所述的三驱动球形机器人，其特征在于：在所述配重装置中，所述配重电机的输出轴和所述配重连接轴上可转动地设置的所述摆杆之间的所述传动机构是一对相互啮合的齿轮组成的传动机构，其中一个齿轮一体固联在所述电机的输出轴上，另一齿轮与所述摆杆一体固联。
5.根据权利要求3所述的三驱动球形机器人，其特征在于：所述传动机构为一对相互啮合的直齿轮，其中一个直齿轮固定在所述电机的输出轴上，另一个直齿轮套设在相应的所述传动轴上并与该传动轴上设置的所述锥齿轮一体固联。
6.根据权利要求4所述的三驱动球形机器人，其特征在于：所述传动机构为一对相互啮合的直齿轮，其中一个直齿轮固定在所述电机的输出轴上，另一个直齿轮套设在相应的所述配重连接轴上并与该配重连接轴上设置的所述摆杆一体固联。
7.根据权利要求1所述的三驱动球形机器人，其特征在于：安装在两根所述传动轴上的两个锥齿轮相对于所述球壳的球心对称布置。
8.根据权利要求1或7所述的三驱动球形机器人，其特征在于：两个配重体相对于所述球壳的球心对称布置，两个该配重体重量是相同的；两根摆杆长度相同。
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