CN102179812A - 一种可运用于探测的球形机器人 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种可运用于探测的球形机器人，包括一球壳，在其中设一筒体，该筒体与球壳可转动地连接，筒体两端口上各设一球壳盖子，其与球壳组成外形完整的球形，在筒体中设两个手臂，每个手臂包括与筒体固联的固定手臂部分和活动手臂部分，活动手臂部分通过电机和传动机构连接在固定手臂部分上，两个球壳盖子分别固定在每个手臂的活动手臂部分上；筒体上固设筒体驱动电机，通过传动装置与球壳连接，在筒体上设有一配重机构，重摆驱动电机驱动该配重机构。本机器人提高了探测球形机器人的对外操作能力，可演变成通过前轮驱动的三轮车，大大提高了球形机器人的爬坡能力，增强了球形机器人的实用性。

Description

一种可运用于探测的球形机器人

技术领域

本发明涉及一种球形机器人，具体的说，是一种可运用于探测的球形机器人。该机器人，既可以作为一种特殊的运载工具，侦查工具，又可用于在特定场合完成一些特定任务，属于机器人技术领域。

背景技术

随着科学技术的发展，移动机器人在太空探索、军事、工业、消防、反恐等领域中的应用越来越广泛。移动机器人从移动方式上看，可分为轮式、履带式、腿式(单腿式、双腿式和多腿式)以及仿生爬行机器人等。轮式机器人和履带式机器人具有较为简单的行走结构和控制方式，但在恶劣的环境中易于受到翻仰、振动和冲击的影响，丧失工作能力；腿式或仿生爬行机器人对于复杂环境有较强的适应能力，但存在自由度多、控制复杂、运动缓慢的缺点。

球形机器人是一种具有全封闭球形外壳的移动机器人。它与地面的接触方式为点接触，移动和转向灵活方便。相较于传统的移动机器人，球形机器人不存在翻倒问题，适应环境能力强；球形机器人能够进行全方位行走，运动速度快，具有零转弯半径，运动灵活；球形机器人整体包裹在封闭壳体中，能够有效的保护其内部设备，发生碰撞时恢复能力强；球形机器人运动效率高，能量损耗小。因此，球形机器人在工业、民用、军事以及太空探索等领域都具有广泛的应用前景。

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，已研制出若干种不同结构类型的球形机器人，在一定程度上推动了球形机器人的发展。

球形机器人的研究已经开展了十几年，从芬兰赫尔辛基科技大学的海尔姆教授1996年研制的第一个具有圆球外壳的球形机器人起，国内外的许多学者相继提出了许多不同的球形机器人结构。

芬兰赫尔辛基科技大学的海尔姆(Halme)等人于1996年制作了第一个球形机器人。球内设计了一套单轮机构(IDU)驱动球体运动，利用单轮的滚动改变配重重心位置，产生驱动力矩，从而驱使球形机器人向前滚动。

意大利比萨大学的卡米希亚(Camicia)等人于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。小车自主运动，控制逻辑部分来自控制板，通过无线连接由基站控制。小车作为内驱动装置，使用两个电机驱动作为动力。

巴塔查亚(Bhattacharya)等人于2000年设计了一种驱动机械装置。该机械装置为一组两个相互垂直的转子，这两个转子固定在球体的内部。

还有一种球形机器人由两个半球组成，并可以分别独立控制。电机驱动安装在球形机器人的底部，通过调节电机的转速来改变机器人的运动速度。当机器人转弯时，将一个电机的速度减小即可实现。两个半球体之间的空隙可以用来安装多种传感器，但是这种结构失去了传统球形机器人的封闭特性。

2005年，瑞典乌普萨拉大学的布鲁恩(Bruhn)等人研制出了一种用于星球探测的球形机器人SMIPS。该机器人由一根长轴和一个配重块组成。它有两个驱动电机：一个电机驱动长轴转动，另一个电机驱动配重块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全方位运动。

2003年，美国国家航天航空管理局(NASA)创造性的提出了一种名为WindSpheres的球形机器人。Wind Spheres机器人是为火星探测设计的一款机器人，其设计思想来源于蒲公英。由于火星上具有相当强的气流运动，该机器人依靠风力驱动行走。这种以自然资源进行驱动的方式是球形机器人能源问题的一次革新。

2004年，瑞典的Rotundus公司研制了一种名为GroundBot的安全巡逻球形机器人。GroundBot机器人可以探测到入侵者，并迅速报告给用户得知。该球形机器人采用重摆改变重心来驱动行走，能够达到10-15公里/小时的速度。它具有多种形式的球形外壳，传感器安装在球形壳体的两侧，并且可以在雪地行走。目前，这种球形机器人已经商业化应用。

2005年，加拿大魁北克省舍布鲁克大学的米肯(Michaud)等学者研制了一种用于儿童教育的球形机器人Roball。Roball球形机器人依靠配重块绕垂直于长轴的方向摆动驱动行走。

球形机器人的研究在国内还是一个较新的概念，但也有一些单位和学者开始了这方面的探索。北京邮电大学、北京航空航天大学、上海交通大学、苏州大学和西安电子科技大学等院校都在球形机器人研究方面取得了一定的研究成果。

2001年，北京邮电大学自动化学院孙汉旭教授开始研制球形机器人样机，并先后申请并获得了多项发明专利。此后在国家自然科学基金和教育部科学技术研究重点项目支持下陆续开发了基于两电机驱动的BYQ-1、BYQ-2及BYQ-3球形机器人；针对球形运动机器人的独特结构特点，设计了多种控制系统，实现了在无线控制下的球形移动机器人的全方位运动及越障；对球形机器人在平地运动及越障状态时的运动学、动力学进行了理论分析，并利用制造出的球形机器人样机验证了理论分析的结果。

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球形机器人SMR。SMR球形机器人采用两个电机驱动，其中一个电机为换向电机，另一个为驱动电机。换向电机带动球形机器人的框架绕一中心轴旋转，实现球形机器人的转动换向，驱动电机驱动一个同步带轮绕着镶嵌在球形机器人框架中的同步齿形带作圆周运动，使球体的质心发生改变，从而驱动球体运动。

2001年北京航空航天大学的战强教授领导的课题组研制了一种球形机器人BHQ-1。该机器人共采用两个直流电机，其中电机1通过传动系统与外球壳连接，可直接驱动球壳前进和后退；电机2通过传动系统与一重物连接，可通过摆动重物来改变机器人的重心，从而使机器人实现转弯运动。

另外，上海交通大学机电控制研究所的金康进、施光林等学者，西安电子科技大学机电工程学院的李团结、朱超，东北大学机械电子工程研究所的王佳、胡侠，哈尔滨工业大学机电学院邓宗全、岳明等人都分别提出了不同结构的球形机器人。

2008年，孙汉旭教授创新性的提出了BYQ-4球形机器人使得球形机器人首次具备了对外操作能力BYQ-4球形机器人是对普通球形移动机器人的扩展，在球形机器人移动能力保留的基础上，增加机械臂执行机构，使球形机器人具有操作能力。BYQ-4球形机器人的出现，不仅丰富了球形机器人的功能，而且大大拓展了球形机器人的应用领域。

现有的球形机器人大多是满足于行走功能，很少有对外操作功能，或者对外操作功能单一，局限性太大，这样就大大降低了球形机器人的对外操作能力及实用性。

发明内容

本发明的目的在于针对现有球形机器人的问题，提供一种可运用于探测的新型球形机器人，该机器人不仅提高了探测球形机器人的对外操作能力，使其具有可抓取物体，运载物体，探测物体等功能，当两臂完全向上伸展开时具有边行走边拍摄功能，当两臂都完全向下伸展开时，将探测球形机器人演变成了一个通过前轮驱动的三轮车，大大提高了球形机器人的爬坡能力，增强了球形机器人的实用性。

本发明的目的是这样实现的：

本发明提供的可运用于探测的球形机器人包括一球壳，在该球壳中设有一筒体，该筒体的轴线在所述球壳的一直径方向重合，该筒体与所述球壳之间通过可转动结构连接，所述筒体的两端口上各设有一球壳盖子，其与所述球壳组成外形完整的球形，在所述筒体中设有两个手臂，每个所述手臂包括与所述筒体固联的固定手臂部分和活动手臂部分，所述活动手臂部分通过电机和传动机构连接在所述固定手臂部分上，两个所述球壳盖子分别固定在每个手臂的所述活动手臂部分上；所述筒体上固设筒体驱动电机，在该筒体驱动电机的输出轴与所述球壳之间设置传动装置，使得所述筒体相对于所述球壳转动；在所述筒体上设有一配重驱动机构，其包括一重摆，该重摆连接在一摆杆上，所述摆杆连接在一转轴上，该转轴可转动地设置在所述筒体的一侧的侧壁上，在该筒体侧壁上设有重摆驱动电机，与所述转轴连接。

所述筒体上还设有另一个所述配重机构，其中的所述重摆也连接在一摆杆上，所述摆杆连接在另一转轴上，该另一转轴可转动地与所述转轴在所述筒体的相对的两个侧壁上设置，两个所述配重机构中的两根转轴的轴线重合并通过所述球壳的球心且与所述筒体的轴线垂直；

所述的另一个所述配重机构中的所述转轴上通过一传动机构与所述重摆驱动电机连接。

在两个所述手臂中的所述活动手臂部分上分别可转动地设有一脚轮；和/或，

在所述两个所述手臂中的活动手臂部分设有摄像或摄影镜头。

连接所述重摆的转轴的轴线与所述筒体的轴线相垂直且都通过球心。

所述球壳分为上球壳和下球壳两部分，两上下球壳的切分面经过所述球壳的直径，且该切分面与所述筒体的轴线相垂直。

在这样的有上下球壳构成的所述球壳中，所述筒体分为上筒体、中筒体和下筒体三段，所述上筒体为圆截面筒体，其通过一轴承与所述上球壳固联；所述下筒体为圆截面筒体，其通过一轴承与所述下球壳固联；所述中筒体为矩形截面筒体，其两端分别与所述上筒体和所述下筒体固联。

通过所述配重机构中重摆驱动电机，驱动所述重摆而改变探测球形机器人的重心位置，使本探测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，即实现探测球形机器人的全向滚动。

而通过筒体驱动电机，使得球壳中的筒体与球壳产生相对转动，当通过配重机构调整到所述筒体为水平位置时，启动所述筒体驱动电机，可以使得本探测球形机器人能够绕筒体的轴线进行滚动，在滚动中，筒体可始终保持不翻转的水平位置进行移动。在本技术方案之前，球形机器人的球壳中的任何部件都没有能保持这样的运动状态的。这样的筒体，非常有利于探测工作，如果在筒体中固定一观察装置或摄影装置，又使得球壳和筒体用透明材料制作，就可以在球壳行进过程中的观察或拍摄。

这时，如果将筒体中的两个手臂伸出球壳，通过驱动重摆调整，使其上的脚轮着地，这是，本球形机器人就可形成一辆三轮车，球体为驱动轮，驱动筒体驱动电机，就可以使得本球形机器人如三轮车一样行进。由此，可大大提高本球形机器人爬坡的能力。两个手臂伸出，在两个手臂上如果装置摄影或摄像头，则可以是本球形机器人具有双目测距等功能。

设置在所述筒体中的两个手臂，其结构均是这样的：

所述活动手臂部分包括一伸缩杆，其套设在所述固定手臂部分上，该活动手臂部分和固定手臂部分之间设有传动机构，该传动机构上连接手臂伸出电机；或者，

所述活动手臂部分包括一伸缩杆，其套设在所述固定手臂部分上，该活动手臂部分和固定手臂部分之间设有传动机构，该传动机构上连接伸手臂伸出电机；在所述活动手臂部分的伸缩杆上连接另一杆件，该杆件与所述伸缩杆之间连接一使得该杆件与该伸缩杆相对转动的转角传动机构，该转角传动机构上连接转角驱动电机；或者，

所述活动手臂部分包括一伸缩杆，其套设在所述固定手臂部分上，该活动手臂部分和固定手臂部分之间设有传动机构，该传动机构上连接手臂伸出电机；在所述活动手臂部分的伸缩杆上连接另一杆件，该杆件与所述伸缩杆之间连接一使得该杆件与该伸缩杆相对转动的转角传动机构，该转角传动机构上连接转角驱动电机；在所述另一杆件上设有另一伸缩杆，该另一伸缩杆与该杆件之间设有传动机构，该传动机构上连接另一伸缩驱动电机。

所述两个手臂中的所述固定手臂部分均包括一固定手臂关节杆，其轴线与所述筒体轴线平行，所述固定手臂关节杆包括一外筒，在外筒内同轴线地插设活动手臂部分中的所述手臂关节杆；该手臂关节杆为一丝杆套筒，丝杆套筒内壁具有螺纹，其外壁与固定手臂关节杆即外筒内壁之间设有周向固定但轴向可相对滑移的定位结构，其是在固定手臂关节杆内壁上设一轴向嵌槽，在所述手臂关节杆的外壁上设一卡嵌件，其嵌设在该轴向嵌槽中；在固定手臂关节杆和手臂关节杆之间设置传动机构和手臂伸出电机，使得手臂关节杆可相对于固定手臂关节杆相对轴向移动而伸缩；两个所述手臂中的所述伸出手臂关节杆的伸出方向相反；在两个该伸出手臂关节杆的端部各固设一所述球壳盖子。

该传动机构具体的包括两个齿轮和一个丝杠，所述手臂伸出电机固定在所述固定手臂关节杆上，所述丝杠螺设在所述手臂关节杆中并通过轴承与固定手臂关节杆固联，其端头伸出在手臂关节杆套筒端口之外，在丝杠所述端头和手臂伸出电机的输出轴上分别固接两个齿轮，该两个齿轮啮合。电机启动，丝杠原地转动，相对于固定手臂关节杆转动，即可使得手臂关节杆移动而伸出或缩回固定手臂关节杆

所述球壳盖子与所述伸出手臂关节杆的连接结构可以是固接结构，这时，所述球壳盖子在缩回到位时与所述筒体匹配结合。所述球壳盖子与所述伸出手臂关节杆的连接结构也可以是轴承连接结构，这时，所述球壳盖子在缩回到位时与所述球壳匹配结合。在后一种情形下，该轴承座置于所述盖子的几何中心点，一转轴与轴承座连接，在该转轴的端部套接一连杆的一端，该连杆的另一端套设在所述伸出手臂关节杆的端部。

进一步地，所述手臂中的所述另一杆件与所述伸缩杆之间的所述转角传动机构的结构为：所述伸缩杆上固设一支撑座，在该支撑座上通过轴承设置两根锥齿轮轴，一根锥齿轮轴上连接所述转角驱动电机，两锥齿轮轴上设置相啮合的一对锥齿轮。

所述另一杆件与所述另一伸缩杆之间设有的所述传动机构为：

所述另一杆件即伸出手臂支关节杆包括一外筒，在该外筒内有一螺纹套筒，该螺纹套筒与所述外筒之间设置轴向嵌合结构，螺纹套筒中螺接一丝杠，螺纹套筒为另一伸缩杆即手臂关节杆，该外筒固定在设置一基座上，该基座固定在所述锥齿轮的轴上，该轴与其上的所述锥齿轮固连，而随锥齿轮的转动而转动，从而实现能够90度打开的机构，在该基座上设有一支杆伸缩电机，该支杆伸缩电机的输出轴通过传动机构与所述丝杠连接使之转动，使得所述另一伸缩杆相对于另一杆件伸缩；

或者，

在两个所述手臂中的所述活动手臂部分伸出手臂支关节杆上螺接的所述另一伸缩杆可转动地设有一脚轮，其设置在该另一伸缩杆的端头上，和/或，

在所述活动手臂部分设有的摄像或摄影镜头在所述另一伸缩杆上设置，其设置在该另一伸缩杆的端头上。

为了在探测球形机器人体内装上多关节机械臂，本发明采用圆筒式结构，多关节机械臂即安装在圆筒内，这样不会影响重摆的运动，不会发生机械干涉。并且多关节机械臂整体结构的重心集中在球心，这样会使探测球运动起来更容易，主要有重摆的重心来调节运动，减少其他因素的干扰。

两端的盖子与手臂的第二关节是固连，当手臂通过丝杠机构伸出时，盖子也会水平打开，通过这种巧妙的设计，将盖子打开机构与多关节机械臂融合在一起，可以降低结构的复杂性，提高其实用性及可行性。

当双侧多关节结构的所述手臂完全向上伸展开时，可以实现探测球形机器人边行走边拍摄的功能。因为多关节机械臂的所述固定手臂部分也可以称为第一关节与筒体固连，重摆长轴方向也是与筒体固连，即当重摆沿筒的轴线方向摆动时，机械臂与重摆的运动同步。由于球壳与重摆的相对转动，在直线行走时，重摆相对于地面始终是竖直向下的，即多关节手臂始终是完全向上伸展开的，这时，在手臂前端的两个摄像头始终保持一定的高度及一定的间距不变，从而实现探测球形机器人的边行走边拍摄功能。同时由于是两个摄像头，并且水平间距保持不变，因此可以实现双目测距等功能。

当双侧多关节手臂完全向下伸展开时，多关节手臂前端的轮子接触地面，将探测球形机器人变成了一个通过前轮驱动的三轮车，由于多关节手臂的第一关节与圆筒固连，而手臂前端已经于地面接触，这样，当电机驱动圆筒旋转时，会有放作用力驱动球壳向前转动，开始向前行走。这时，探测球形机器人前进的驱动力是由电机的转矩提供，而不是依靠重摆的力矩提供，即不再是通过改变重心提供向前驱动的力矩，而是像汽车一样，通过前轮驱动，向前行走，这样大大提高了探测球形机器人向前请走的转矩，增大了爬坡能力，从而增大了其实用性和可行性。

在手臂前端装上机械手爪，即可实行一定范围内的抓取物体的任务，由于是两个手臂，即可以实行双臂协同操作完成任务，提高了探测球形机器人的实用性和可行性。

本发明提供的可运用于探测的球形机器人具有如下优点：

1、本发明探测球形机器人外壳可以实现全封闭，易于密封防尘，用特殊材料制作的球壳可以防辐射，隔离高温和低温，保护内部零件不受损坏。

2、如果在本球形机器人的球壳外表面上涂敷类似橡胶的涂层，并使得该橡胶层的表面形成凹凸纹路，则可增大表面粗糙度，利于探测球形机器人的行走。

3、本发明探测球形机器人运动灵活，可以进行直线行走，转弯行走，还能实现零转弯半径。

4、两侧的多关节手臂连接上现有技术中的机械手，就可以实行抓取，运载物体的功能，甚至可以实现双臂协同操作，来抓取，运载物体。

5、当两侧的多关节手臂在通过配重机构中的重摆驱动电机的带动下调整球壳的着地位置使得从筒体中伸出的带有弯折结构的手臂的前端向上伸展开时，手臂前端的两个摄像头处于探测球形机器人的前上方，通过圆筒式的结构设计，可以实现边行走边实时拍摄，并且由于摄像头的位置处于探测球形机器人的正前上方，机器人行走掀起来的灰尘不会落在摄像头上，不会干扰拍摄。

6、当两侧的多关节手臂在通过配重机构中的重摆驱动电机的带动下调整球壳的着地位置使得从筒体中伸出的带有弯折结构的手臂的前端向下伸展开时，手臂前端的两个轮子与地面接触，通过圆筒式的结构设计，将探测球形机器人就变成了一个通过前轮驱动的三轮车，避免了现有技术中一般球形机器人通过重摆改变重心、驱动力矩取决于重摆质量大小的局限性。此时的驱动力矩由筒体驱动电机提供，即筒体驱动电机的驱动力矩越大，驱动力矩就越大，大大提高了探测球形机器人的驱动性能，从而增大了探测球形机器人的爬坡能力。

7、本发明探测球形机器人具有双目识别功能，因为可伸出两个手臂，共有两个摄像头，所以可以实现双目识别功能，以及测距功能，内部还可以装有GPS导航功能。

下面通过附图和实施例对本发明作进一步说明。

附图说明

图1为本发明提供的可运用于探测的球形机器人的主剖视结构示意图；

图2为图1的侧视结构示意图；

图2a为图2中删去筒体中的手臂的球形机器人的侧视结构示意图；

图3为图1的俯视结构示意图；

图4为本发明提供的球形机器人设置在筒体中的所述手臂的结构示意图；

图5为如图4所示的手臂伸出壳体的第一步动作的示意图；

图6为如图4所示的手臂伸出球壳且转折之后的第二步动作的示意图；

图7为如图4所示的手臂伸出球壳并转折之后且转折后的手臂部分又伸出一段的第三部动作的示意图。

图8为如图4所示的手臂伸出结构的示意图；

图9为如图4所示的手臂转折结构的示意图；

图10为本发明提供的球形机器人其中的筒体的轴线水平设置，在筒体驱动电机驱动下运行的示意图；

图11为本发明提供的球形机器人其中的筒体的轴线水平设置时，手臂向上伸出，在筒体驱动电机驱动下运行的示意图；

图12为本发明提供的球形机器人其中的筒体的轴线水平设置时，手臂向下伸出，在筒体驱动电机驱动下运行的示意图；

图13为图11的俯视结构示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明提供的可运用于探测的球形机器人包括一球壳1，该球壳分为上球壳11和下球壳12两部分，上下球壳的切分面经过球壳1的直径，上球壳11与下球壳12的结合面上通过设有相匹配的企口卡固定位配合(如图1所示)，通过中间设置的在圆周方向上均布的螺钉10固连(如图3所示)。在该球壳中设有一筒体2，该筒体2的轴线在球壳1的一直径方向上与球壳的所述切分面垂直。

筒体2分为上筒体21、中筒体22和下筒体23三段。在上球壳11上固定有上基座110，上筒体21为圆截面筒体，其通过一设置在上基座110上的轴承211与上球壳11固联；在下球壳12上固定有下基座120，下筒体23为圆截面筒体，其通过一设置在下基座120上的轴承231与下球壳12固联；中筒体22为矩形截面筒体，其两端分别与所述上筒体21和所述下筒体22通过螺钉固接成为一体。由此，该筒体2与所述球壳1之间可转动地连接在一起。

如图1所示，在所述筒体2的中筒体22右侧的外侧壁上通过一基座221固设一筒体驱动电机3，在该筒体驱动电机3的输出轴与所述球壳之间设置传动装置，使得所述筒体2相对于所述球壳1转动；该传动装置可以是一齿轮传动机构，即在筒体驱动电机3的输出轴上固联一小齿轮31，在上球壳11上设置的上基座110上设置一大齿轮111，小齿轮31和大齿轮111啮合。因此，启动筒体驱动电机3即可使得筒体2相对于球壳1转动。

如图1、图2和图2a所示，在筒体2的中筒体22的前面和后面的的两个相对的外侧壁上对称地设置两个配重机构4，每个配重机构均包括一重摆40，该重摆40连接在一摆杆41上，所述摆杆41连接在一转轴42的一端，在中筒体22的侧壁上固设有一端带有法兰盘的套筒221，转轴42设置在该套筒221中，转轴42和套筒221之间设置轴承222和轴承223，通过法兰盘将该套筒221固定在中筒体上，由此，该转轴42即可转动地设置在所述筒体2的侧壁上了。在中筒体22的左侧外壁上设置基座500，在该基座上设置重摆驱动电机5，在该重摆驱动电机5的输出轴的两端个固设一链轮50，两个配重机构中的每个转轴42的另一端固设一链轮421，每个配重机构4中的链轮421和重摆驱动电机5输出轴上的一个链轮50之间设置一链条51。还可以在中筒体22的左侧外壁上通过基座521固设另一链轮轴，其上设置两个链轮52，每个链轮52套设在所述链条51中。通过两套由链轮50、链轮52、链轮421和链条51组成的该链传动机构将重摆驱动电机5和两套配重机构连接在一起。使得两个配重机构在一个重摆驱动电机5的带动下同步动作。

当重摆驱动电机5驱动链轮50旋转时，通过链条51的传递作用，驱动链轮421旋转，从而重摆40可以在X Z平面内绕Y轴旋转；

当筒体驱动电机3驱动小齿轮31旋转时，通过小齿轮31与大齿轮1 11的啮合，带动大齿轮11 1旋转，即筒体2与球壳1会绕Z轴的相对转动：当球壳1固定时：筒体2会绕Z轴旋转；当筒体2固定时：球壳1会绕Z轴旋转；

通过所述配重机构中重摆驱动电机，驱动所述重摆而改变探测球形机器人的重心位置，使本探测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，即实现探测球形机器人的全向滚动。通过配重机构调整到使得筒体2的轴线与地面平行位置，驱动筒体驱动电机3，就可以使得球形机器人前后滚动，而筒体2保持与地面平行的位置。

在所述筒体2的一侧设置一套配重装置也可以作为一种配重设置方案供选择使用。

筒体2的两端口上各设有一球壳65，两个球壳盖子65与所述球壳1组成外形完整的球形。

如图2、图4至图9所示，在所述筒体2中设有两个手臂6，每个所述手臂6包括与所述筒体固联的固定手臂部分和活动手臂部分，所述活动手臂部分通过电机和传动机构连接在所述固定手臂部分上，两个所述球壳盖子65分别固定在每个手臂的所述活动手臂部分上；

所述活动手臂部分包括一伸缩杆，其套设在所述固定手臂部分上，该活动手臂部分和固定手臂部分之间设有传动机构，该传动机构上连接手臂伸出电机；或者，

所述活动手臂部分包括一伸缩杆，其套设在所述固定手臂部分上，该活动手臂部分和固定手臂部分之间设有传动机构，该传动机构上连接伸手臂伸出电机；在所述活动手臂部分的伸缩杆上连接另一杆件，该杆件与所述伸缩杆之间连接一使得该杆件与该伸缩杆相对转动的转角传动机构，该转角传动机构上连接转角驱动电机；或者，

所述活动手臂部分包括一伸缩杆，其套设在所述固定手臂部分上，该活动手臂部分和固定手臂部分之间设有传动机构，该传动机构上连接手臂伸出电机；在所述活动手臂部分的伸缩杆上连接另一杆件，该杆件与所述伸缩杆之间连接一使得该杆件与该伸缩杆相对转动的转角传动机构，该转角传动机构上连接转角驱动电机；在所述另一杆件上设有另一伸缩杆，该另一伸缩杆与该杆件之间设有传动机构，该传动机构上连接另一伸缩驱动电机。

上述三个方案中以最后一个方案为最佳方案，其具体的结构如图2至图9所示，两个手臂6中的所述固定手臂部分均包括一固定手臂关节杆61，活动手臂部分包括手臂关节杆62、手臂关节杆63和手臂关节杆64，固定手臂关节杆61上固设两个连接环224，该两个连接环224固定在中筒体22内侧壁上。固定手臂关节杆61轴线与所述筒体2轴线平行。如图8所示，固定手臂关节杆61包括一外筒611，在外筒611内同轴线地插设活动手臂部分中的所述手臂关节杆62。该手臂关节杆62为一丝杆套筒，筒内壁具有螺纹，其外壁与固定手臂关节杆61内壁之间设有周向固定但轴向可相对滑移的定位结构，例如，在固定手臂关节杆61内壁上设一轴向嵌槽，在所述手臂关节杆的外壁上设一卡嵌件，其嵌设在该轴向嵌槽中。在固定手臂关节杆61和手臂关节杆62之间设置传动机构和动力装置，使得手臂关节杆62可相对于固定手臂关节杆61相对轴向移动而伸缩。该传动机构和动力装置具体的包括一电机601、两个齿轮606、607和一个丝杠604，电机601固定在固定手臂关节杆61上，丝杠604螺设在手臂关节杆62中并通过轴承605与固定手臂关节杆61固联，其端头伸出在手臂关节杆62套筒端口之外，在丝杠604所述端头和电机601的输出轴上分别固接齿轮607和606，该两个齿轮啮合。电机601启动，丝杠转动原地相对于固定手臂关节杆转动，即可使得手臂关节杆62移动而伸出或缩回固定手臂关节杆61。

如图9所示，手臂关节杆62和手臂关节杆63之间为一所述转角传动机构的结构为：所述伸缩杆即手臂关节杆62上固设一支撑座(图中未示出)，在该支撑座上通过轴承设置两根锥齿轮轴，一根锥齿轮轴上连接所述转角驱动电机602，两锥齿轮轴上设置相啮合的一对锥齿轮66、67，连接锥齿轮66的一根锥齿轮轴上连接所述转角驱动电机602，该转角驱动电机602的输出轴与手臂关节杆62轴线平行，该手臂关节杆62的轴线与手臂关节杆63轴线平行地设置，但在手臂关节杆63端头设有一90°弯折段，在该弯折段的端头连接其上设有锥齿轮67的另一锥齿轮轴。

手臂关节杆63上还连接一伸缩杆，即手臂关节杆64，手臂关节杆63和手臂关节杆64的伸缩连接结构与手臂关节杆61和手臂关节杆62的伸缩结构基本相同，手臂关节杆63与手臂关节杆64之间设有的所述传动机构为：包括一外筒，在该外筒内有一螺纹套筒，即为手臂关节杆63，该螺纹套筒与所述外筒之间设置轴向嵌合结构，螺纹套筒中螺接一丝杠，该丝杠通过例如一齿轮传动机构连接一支杆伸缩电机603，该外筒固定设置在一基座上，该基座固定在所述锥齿轮的轴上，该轴与其上的所述锥齿轮固连，因此，可以随锥齿轮的转动而转动，从而实现能够90度打开的机构。

如图2和图4所示，设置在筒体2中的两个所述手臂中的所述活动手臂部分从所述固定手臂部分中的伸出方向相反；在两个该活动手臂部分中的手臂关节杆62的端部各固设一球壳盖子65。所述球壳盖子65与手臂关节杆62连接，当手臂关节杆62收缩回固定手臂关节杆61到截止位置时，所述球壳盖子65与所述球壳1组成外形完整的球形，且接口密封，不是的灰尘等进入球壳中。手臂关节杆62与球壳盖子65的连接结构可以是固接结构，这时，所述球壳盖子65在缩回到位时与所述筒体匹配结合。

所述球壳盖子65与手臂关节杆62的连接结构也可以是轴承连接结构，这时，所述球壳盖子65在缩回到位时与所述球壳1匹配结合。

不管是固接结构还是轴承连接结构，手臂关节杆62与球壳盖子65的结合点都置于所述球壳盖子65的几何中心点，一轴651与轴承座或球壳盖子65连接，在该轴的端部套接一连杆652的一端，该连杆652的另一端套设在手臂关节杆62的端部。

如图6所示，在两个所述手臂中的手臂关节杆64上可转动地设有一脚轮641。

如图11所示，在两个所述手臂中的手臂关节杆64上还可以设置摄像或摄影镜头642。

图4至图7显示出本球形机器人筒体中的手臂伸出的三个步骤和四个状态。

如图10所示，筒体驱动电机3可以驱动整个筒以及配重绕球体的中心轴Y轴旋转，

静止的时候，重摆40相对于地面时竖直向下的，当筒体驱动电机3驱动重摆40绕Y轴，即在X Z平面内逆时针旋转，即重摆40与地面的竖直方向将会产生一定的夹角，此时球壳1的重心(重心主要由配重决定)将会向前偏移，通过改变重心，球壳1会向重心偏移的方向倾斜，因此球壳1会向前滚动，当球壳1向前滚动后，由于球壳1与重摆40有相对旋转，此时重摆40与地面又恢复到竖直状态，即稳定状态。如果筒体驱动电机3持续运转，驱动重摆40继续逆时针旋转，球体将继续向前滚动，即沿X轴正方向滚动。

重摆驱动电机5可以驱动配重绕X轴方向摆动，即在YZ平面内摆动，通过改变重心，即可以控制球在前进过程中的左右平衡，同时还可以控制球壳1的转弯，即向左转弯，还是向右转弯。

当球壳1在匀速前进过程中，重摆40相对于地面几乎是一直竖直向下的，同样，筒体2相对于地面是在做一个平移运动，方向如图10中的v箭头所示，没有旋转，因此，筒体2相当于是球壳1内部的一个稳定平台，所以可以在中筒体22上部安装摄影镜头642(如图10所示)，球壳1是透明的，因此可以在球壳1的运动中拍摄画面，即可以实现球体一边行走，一边拍摄画面，这是一个与现有技术完全不同的创新点。

如图11所示，启动手臂上的相应电机和重摆驱动电机5使得手臂斜向上伸出来。然后只是启动筒体驱动电机3，由于手臂是固定在筒体2上的，而在前进过程中，筒体2是一个稳定平台，因此手臂也是稳定的，即在球体前进过程中，手臂是一直保持平移运动的。所以在球体的前进过程中，摄像头将始终保持在球体的正前方，摄像头可以伸出来拍摄，这就避免了当摄像头在球的内部，由于球壳被土壤或灰尘覆盖，导致看不清，这又是一个与现有技术完全不同的创新点。

如图12和图13所示，启动手臂上的相应电机和重摆驱动电机5使得手臂斜向下伸出来，在手臂的前端安装脚轮641。手臂固定在筒上，即手臂和筒是一个整体；当筒体驱动电机3驱动筒体2相对于球壳1逆时针旋转时，由于手臂前端的脚轮641与地面接触，即筒体2相对地面时不会旋转的，因此球壳就会顺时针旋转，从而整个球体将向前滚动，方向如图12中的v箭头所示。

此时的球体向前滚动，不是靠重心的偏移而运动，而是通过筒体驱动电机3直接驱动球体向前运动，其转动力矩由筒体驱动电机3的驱动力矩决定，因此，只要筒体驱动电机3的驱动力矩足够大，就会使得球体具有更大的向前的转动力矩，不会因为重摆40的质量有限，从而导致转动力矩有限。通过筒体驱动电机3直接驱动球体向前运动，大大增加了球体向前运动的转动力矩，因此也大大增加了球体的实用性，比如在爬坡方面，将会有更大的爬坡力矩。这又是一个创新点。

Claims (10)

1.一种可运用于探测的球形机器人，包括一球壳，其特征在于：在该球壳中设有一筒体，该筒体的轴线与所述球壳的一直径重合，该筒体与所述球壳之间通过可转动结构连接，所述筒体的两端口上各设有一球壳盖子，其与所述球壳组成外形完整的球形，在所述筒体中设有两个手臂，每个所述手臂包括与所述筒体固联的固定手臂部分和活动手臂部分，所述活动手臂部分通过电机和传动机构连接在所述固定手臂部分上，两个所述球壳盖子分别固定在每个手臂的所述活动手臂部分上；所述筒体上固设筒体驱动电机，在该筒体驱动电机的输出轴与所述球壳之间设置传动装置，使得所述筒体相对于所述球壳转动；在所述筒体上设有一配重机构，其包括一重摆，该重摆连接在一摆杆上，所述摆杆连接在一转轴上，该转轴可转动地设置在所述筒体一侧的侧壁上，在该筒体侧壁上设有一重摆驱动电机，该重摆驱动电机的输出轴与所述转轴连接。

2.根据权利要求1所述的可运用于探测的球形机器人，其特征在于：所述筒体上还设有另一个所述配重机构，其中的所述重摆也连接在一摆杆上，所述摆杆连接在另一转轴上，该另一转轴可转动地与所述转轴设置在所述筒体的相对的两个侧壁上设置，两个所述配重机构中的两根转轴的轴线重合并通过所述球壳的球心且与所述筒体的轴线垂直；

所述的另一个所述配重机构中的所述转轴通过一传动机构与所述重摆驱动电机连接。

3.根据权利要求1或2所述的可运用于探测的球形机器人，其特征在于：在两个所述手臂中的所述活动手臂部分上分别可转动地设有一脚轮；和/或，

在所述两个所述手臂中的活动手臂部分设有摄像或摄影镜头。

4.根据权利要求1所述的可运用于探测的球形机器人，其特征在于：连接所述重摆的转轴的轴线与所述筒体的轴线相垂直且都通过球心；或者，

所述球壳分为上球壳和下球壳两部分，两上下球壳的切分面经过所述球壳的直径，且该切分面与所述筒体的轴线相垂直。

5.根据权利要求1所述的可运用于探测的球形机器人，其特征在于：所述筒体分为上筒体、中筒体和下筒体三段，所述上筒体为圆截面筒体，其通过一轴承与所述上球壳固联；所述下筒体为圆截面筒体，其通过一轴承与所述下球壳固联；所述中筒体为矩形截面筒体，其两端分别与所述上筒体和所述下筒体固联。

6.根据权利要求1至5之一所述的可运用于探测的球形机器人，其特征在于：设置在所述筒体中的两个手臂，其结构均是这样的：

所述活动手臂部分包括一伸缩杆，其套设在所述固定手臂部分上，该活动手臂部分和固定手臂部分之间设有传动机构，该传动机构上连接手臂伸出电机；或者，

所述活动手臂部分包括一伸缩杆，其套设在所述固定手臂部分上，该活动手臂部分和固定手臂部分之间设有传动机构，该传动机构上连接伸手臂伸出电机；在所述活动手臂部分的伸缩杆上连接另一杆件，该杆件与所述伸缩杆之间连接一使得该杆件与该伸缩杆相对转动的转角传动机构，该转角传动机构上连接转角驱动电机；或者，

所述活动手臂部分包括一伸缩杆，其套设在所述固定手臂部分上，该活动手臂部分和固定手臂部分之间设有传动机构，该传动机构上连接手臂伸出电机；在所述活动手臂部分的伸缩杆上连接另一杆件，该杆件与所述伸缩杆之间连接一使得该杆件与该伸缩杆相对转动的转角传动机构，该转角传动机构上连接转角驱动电机；在所述另一杆件上设有另一伸缩杆，该另一伸缩杆与该杆件之间设有传动机构，该传动机构上连接另一伸缩驱动电机。

7.根据权利要求6所述的可运用于探测的球形机器人，其特征在于：所述两个手臂中的所述固定手臂部分均包括一固定手臂关节杆，其轴线与所述筒体轴线平行，所述固定手臂关节杆包括一外筒，在外筒内同轴线地插设活动手臂部分中的所述手臂关节杆；该手臂关节杆为一丝杆套筒，筒内壁具有螺纹，其外壁与固定手臂关节杆内壁之间设有周向固定但轴向可相对滑移的定位结构，其是在固定手臂关节杆内壁上设一轴向嵌槽，在所述手臂关节杆的外壁上设一卡嵌件，其嵌设在该轴向嵌槽中；在固定手臂关节杆和手臂关节杆之间设置传动机构和手臂伸出电机，使得手臂关节杆可相对于固定手臂关节杆相对轴向移动而伸缩；两个所述手臂中的所述伸出手臂关节杆的伸出方向相反；在两个该伸出手臂关节杆的端部各固设一所述球壳盖子。

8.根据权利要求7所述的可运用于探测的球形机器人，其特征在于：所述球壳盖子与所述伸出手臂关节杆的连接结构是固接结构，所述球壳盖子在缩回到位时与所述筒体匹配结合；或者，

所述球壳盖子与所述伸出手臂关节杆的连接结构是轴承连接结构，所述球壳盖子在缩回到位时与所述球壳匹配结合；或者，

该传动机构具体的包括两个齿轮和一个丝杠，所述手臂伸出电机固定在所述固定手臂关节杆上，所述丝杠螺设在所述手臂关节杆中并通过轴承与固定手臂关节杆固联，其端头伸出在手臂关节杆套筒端口之外，在丝杠所述端头和手臂伸出电机的输出轴上分别固接两个齿轮，该两个齿轮啮合。

9.根据权利要求8所述的可运用于探测的球形机器人，其特征在于：该轴承座置于所述盖子的几何中心点，一转轴与轴承座连接，在该转轴的端部套接一连杆的一端，该连杆的另一端套设在所述伸出手臂关节杆的端部。

10.根据权利要求6至9之一所述的可运用于探测的球形机器人，其特征在于：每个所述手臂中的所述另一杆件与所述伸缩杆之间的所述转角传动机构的结构为：所述伸缩杆上固设一支撑座，在该支撑座上通过轴承设置两根锥齿轮轴，两锥齿轮轴上设置相啮合的一对锥齿轮；一根锥齿轮轴上连接所述转角驱动电机，该转角驱动电机的输出轴与所述伸缩杆轴线平行，该伸缩杆的轴线与所述另一杆件轴线平行地设置，但在所述另一杆件端头设有一90°弯折段，在该弯折段的端头连接另一所述锥齿轮轴；和/或，

所述另一杆件与所述另一伸缩杆之间设有的所述传动机构为：所述另一杆件伸出手臂支关节杆包括一外筒，在该外筒内有一螺纹套筒，该螺纹套筒与所述外筒之间设置轴向嵌合结构，螺纹套筒中螺接一丝杠，螺纹套筒为另一伸缩杆即手臂关节杆，该外筒固定在设置一基座上，该基座固定在所述锥齿轮的轴上，该轴与其上的所述锥齿轮固连，而随锥齿轮的转动而转动，从而实现能够90度打开的机构，在该基座上设有一支杆伸缩电机，该支杆伸缩电机的输出轴通过传动机构与所述丝杠连接使之转动，使得所述另一伸缩杆伸缩；或者，

在两个所述手臂中的所述活动手臂部分伸出手臂支关节杆上螺接的所述另一伸缩杆的端头可转动地设有一脚轮，其设置在该另一伸缩杆的端头上，和/或，

在所述活动手臂部分设有的摄像或摄影镜头，其设置在该另一伸缩杆的端头上。

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