CN102398265A - 万向滚动球形机器人 - Google Patents

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俞建峰
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本发明公开了一种万向滚动球形机器人,涉及球形机器人领域。短轴电机和短轴处于球壳中心线,以内框两端为转动支承;长轴经过球壳中心线,与短轴所在的球壳中心线垂直相交于球心;长轴以球壳内侧为转动支承副,长轴上的被动齿轮与长轴电机连接的长轴主动齿轮啮合;方位电机轴线经过球心,惯性轮与方位电机相连接,惯性轮的对称线经过方位电机轴线,短轴和长轴旋转导致惯性轮翻转,实现球形机器人的直线运动,方位电机转动惯性轮实现球形机器人转向控制。本发明三个自由度互相独立,实现了球形机器的全方位移动,实现了球形机器人球面的万向滚动,控制方式简单,惯性轮重心易于调节,内框的框形结构可用于控制电路板、电源等部件的放置。

Description

万向滚动球形机器人
技术领域
[0001] 本发明涉及一种球形机器人,特别是一种万向滚动球形机器人,属于机电一体化技术领域。
背景技术
[0002] 球形机器人是球状的移动机器人,类似于仓鼠球,本质是改变内部的重心位置以提供移动驱动力,同时方向可控性好。它能在泥、沙、雪甚至水中行动,也可在有毒气体泄露、辐射、生物危害环境下活动,适合危险环境探测、太空开发、消防救灾、军事活动、科学考察、家庭服务和娱乐等领域。
[0003] 球形机器人与轮形移动机器人相比,有其独特的优点。球形机器人是全封闭的个体。轮形移动机器人易受污染,也不能翻倒;由于其惯性不足,导致其越过粗糙表面的能力较弱。要增加轮形移动越障能力,只有增大轮子的尺寸,但是也增加了机器人的总体尺寸和重量。球形机器人的发明就是由增强机器人的越障能力而推动的。第一台具有真正意义上的球形机器人运动机构是由芬兰赫尔辛基大学的Halme教授于1996年提出来的,该球形机器人的球壳内设计了一套单轮机构驱动球体运动,通过改变球体的重心实现球体的直线运动,缺点是不能实现转向。球形机器人在近十多年来得到众多研究者的关注和重视。
[0004] 南京航空航天大学杨忠等人的发明专利“结构简化的全方位运动球形机器人”(专利号ZL 200810020280. 7)的主轮在行走电机的驱动下沿球壳内侧滚动,从而驱动球体作直线运动,质量小车在其内部电机的驱动下沿圆弧架运动,使球体重心左右偏移,从而实现机器人的转向控制,该结构的机器人利用不完整系统的特点使用2个电机构成不完全的三自由度。由于质量小车沿着圆弧架运动时受到圆弧架转动副的限制,其转向范围小于半球区间,存在运动死角,当球形机器人由于外力的作用翻转到机器人短轴位置时,机器人无法动弹,失去移动功能。目前为止,国内发明专利“三驱动球形机器人”(专利号: 200810111880. 4),采用了三个电机实现三驱动形式的球形机器人,轨道电机和短轴电机都是作为驱动电机,长轴电机作为转向电机。轨道电机和短轴电机分别与长轴电机组合或者三者综合运动都能能实现全向滚动。轨道电机和短轴电机是运动冗余结构,轨道电机和短轴电机的转动轴线平行,直线驱动方向相同。该结构的机器人构成了三自由度,但是存在短轴向运动死区,假设球体遇到外界障碍,与外界的接触点在A-A短轴上时,机器人无法动弹,失去移动功能。美国密歇根州立大学Ranjan Mukherjee的发明专利“球形移动机器人” (专利号:US 628^6;3B1)采用空间120°均勻分布的四驱动质量块的方式实现了球形机器人的全方位移动,没有运动死区。球面的任何位置与外界接触点接触时,球面都能实现全方位运动,但是采用四驱动方式,存在成本高、控制难度高、结构复杂,制造难度大等问题。
[0005] 以上的情况说明,目前球形机器人存在2个问题,一是部分球形机器人采用二驱动和三驱动实现的三自由度球形机器人存在运动死区,在球面的特殊区域与地面接触时, 机器人失去运动能力;二是采用四驱动形式实现的三自由度球形机器人存在成本高,控制复杂等缺点。因此,发明一种结构简单、控制难度低、成本低,具有良好避障能力、能够全方位移动机器人的三自由度机器人,并且能够实现球面万向滚动的新型球形机器人是非常必需的。
发明内容
[0006] 本发明的目的在于针对现有技术的不足,提供一种万向滚动球形机器人,长轴电机驱动长轴主动齿轮转动,长轴主动齿轮啮合长轴从动齿轮,带动长轴转动;由于内框两端是固定在长轴上,内框与长轴同步转动,内框下部的惯性轮被带动,绕长轴轴线旋转,从而改变球形机器人重心位置;短轴电机转动带动内框下部的惯性轮转动,惯性轮绕短轴轴线旋转,从而改变球形机器人重心位置;方位电机旋转时带动惯性轮绕方位电机轴线旋转,改变惯性轮的方向,当长轴或短轴旋转时,惯性轮重心偏移方向发生改变,从而达到控制球形机器人方向的目的;长轴旋转和方位电机旋转组合可实现全方位滚动,短轴旋转和方位电机旋转组合可实现全方位滚动,长轴、短轴、方位电机组合旋转也可实现全方位滚动。
[0007] 按照本发明提供的技术方案,所述万向滚动球形机器人,包括球壳和内部的行走驱动装置。其中,行走驱动装置包括短轴电机、短轴、长轴支承轴承、长轴、内框、方位电机、 长轴从动齿轮、长轴电机支承轴承、长轴主动齿轮、长轴电机、惯性轮。短轴电机和短轴位于球壳中心线,短轴经过内框对称线,并以内框两端为转动支承;长轴经过球壳中心线,该中心线与短轴所经过的球壳中心线垂直相交于球心;长轴以球壳内侧为转动支承副,两对长轴支承轴承对称安装在球壳内侧;长轴电机以长轴支承轴承为转动支承,长轴电机所在轴线与长轴所在轴线平行;位于长轴上的被动齿轮与长轴主动齿轮啮合;内框中心与球壳中心重合,内框的两对称线分别与短轴和长轴的中心线重合;方位电机轴线经过球心,且该轴线垂直于短轴中心线和长轴中心线相交构成的平面;惯性轮与方位电机相连接,惯性轮的对称线经过方位电机轴线。本发明中短轴转动轴线、长轴转动轴线、方位电机转动轴线互相垂直,相交于球壳中心点。短轴和长轴旋转导致惯性轮翻转,实现球形机器人的直线运动, 方位电机转动惯性轮实现球形机器人转向控制。
[0008] 所述内框的形状构成“十字形”形状或者其形状为中部带圆弧形长方体,圆弧圆心位于长方体的对称中心,圆弧位于长轴方向;在长轴方向,内框内侧与内框中心的距离大于惯性轮旋转半径。
[0009] 所述惯性轮的横截面为圆形、梯形、或者为长方形,在惯性轮的上方开有圆孔,降低惯性轮的重心位置。
[0010] 所述短轴轴线、长轴轴线、方位电机轴线互相垂直,并且相交于球心。
[0011] 所述内框固定在长轴上,长轴转动时带动内框、短轴、短轴电机、方位电机、惯性轮同步转动。
[0012] 所述短轴以内框为支撑,并以内框两端为转动副。
[0013] 所述方位电机固定在短轴上,惯性轮固定在方位电机传动轴上;短轴电机转动时, 带动短轴、方位电机、惯性轮同步转动。
[0014] 本发明的优点是:
1、实现三个互相独立的自由度,三个独立自由度组成一个三维自由空间,实现球形机器人的全方位移动。
[0015] 2、整个球面没有运动死区,实现了球形机器人球面的万向滚动,增强了遇到特殊情况时的机器人运动能力。
[0016] 3、控制方式简单,三个电机之间互相独立,不存在耦合问题。
[0017] 4、惯性轮重心易于调节,通过惯性轮上部的孔降低重心,而且可以在孔上加置配
重,抬高重心。
[0018] 5、内部空间设置合理,三个电机没有转动限制,惯性轮可自由转动和翻转。
[0019] 6、内框的框形结构,平面位置宽大,可用于控制电路板、电源等部件的放置。
附图说明
[0020] 图1为本发明俯视结构示意图(内框结构形式为“十字框形”);
图2为本发明俯视结构示意图(内框结构形式为“中部带圆弧形的框形”); 图3为本发明正视结构示意图。
[0021] 图中:
1、短轴电机;2、短轴;3、球壳;4、长轴支承轴承;5、长轴;6、内框;7、方位电机;8、长轴从动齿轮;9、长轴电机支承轴承;10、长轴主动齿轮;11、长轴电机;12、惯性轮。
具体实施方式
[0022] 下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步描述。
[0023] 如图1、图2、图3所示,本发明所述的万向滚动球形机器人,包括球壳3及其内部的行走驱动装置。其中,行走驱动装置包括处于球心中央的内框6,内框6外侧两端固定在长轴5上,内框6的对称线与长轴5的轴线重合,长轴5过球心并经轴承4与球壳3形成转动副;长轴从动齿轮8套接在长轴5上,长轴电机11与长轴主动齿轮10连接且以长轴支承轴承4为转动支承,长轴主动齿轮10与长轴从动齿轮8啮合带动长轴5转动;短轴电机1 与短轴2末端连接,短轴2的轴线经过球心与内框6的另一对称线重合,短轴2以内框6为支承,形成转动副;方位电机7轴线过球心与短轴2和长轴5的轴线所在平面相垂直,方位电机7固定在短轴2上,惯性轮12与方位电机7相连接。
[0024] 本发明所述的万向滚动球形机器人存在三个互相独立的自由度,即长轴5的转动轴A-A1,短轴2的转动轴B-B1,惯性轮12的转动轴C-C1,三者的转动轴线互相垂直并相交于球壳3的球心。长轴5转动带动内框6、短轴2、短轴电机1、方位电机7、惯性轮12同步转动,惯性轮12在翻转过程中导致球壳3重心发生改变,从而驱动球形机器人直线行走;当长轴5旋转时,带动内框6、短轴2、短轴电机1、方位电机7、惯性轮12同步转动,惯性轮12 绕A-Al为对称线翻转,导致球壳3重心发生改变,从而驱动球形机器人沿直线B-Bl行走; 当短轴2旋转时,带动方位电机7、惯性轮12同步转动,惯性轮12绕C-Cl为对称线翻转,导致球壳3重心发生改变,从而驱动球形机器人沿直线A-Al行走;当方位电机7旋转时,惯性轮12在其带动下以自身对称线C-Cl为轴线作自转运动,从而改变球形机器人直线运动的方向。
[0025] 万向滚动球形机器人内部结构对称,内框6的中心与球壳3的球心重合。内框6 的结构设计(“十字框形”和“中部带圆弧形的框形”)充分考虑了惯性轮12以B-Bl为旋转轴线翻转的空间。惯性轮12在短轴电机1的驱动下能绕B-Bl轴线作360°的翻转动作,所以球壳的重心能从上半球移动到下半球,反之亦然。这样,万向滚动球形机器人就能实现球面万向滚动,在球面的每个点,球形机器人都能全方位移动。
[0026] 最后应说明的是:以上所述仅为本发明的优选实施例而已,并不用于限制本发明, 尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明,对于本领域的技术人员来说,其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改,或者对其中部分技术特征进行等同替换。 凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1. 一种万向滚动球形机器人,包括球壳和内部的行走驱动装置,其特征在于:行走驱动装置包括处于球壳中心线的短轴电机和短轴,短轴经过内框对称线,并以内框两端为转动支承;长轴经过球壳中心线,该中心线与短轴所在的球壳中心线垂直相交于球心;长轴以球壳内侧为转动支承副,两对长轴支承轴承对称安装在球壳内侧;长轴电机以长轴支承轴承为转动支承,长轴电机所在轴线与长轴所在轴线平行;长轴上的被动齿轮与长轴电机连接的长轴主动齿轮啮合;内框中心与球壳中心重合,内框的两对称线分别与短轴和长轴的中心线重合;方位电机轴线经过球心,且该轴线垂直于短轴中心线和长轴中心线相交构成的平面;惯性轮与方位电机相连接,惯性轮的对称线经过方位电机轴线;短轴和长轴旋转导致惯性轮翻转,实现球形机器人的直线运动,方位电机转动惯性轮实现球形机器人转向控制。
2.根据权利要求1所述的万向滚动球形机器人,其特征在于:所述内框为“十字形”形状或者两侧中部带圆弧形长方体,圆弧圆心位于内框的对称中心。
3.根据权利要求2所述的万向滚动球形机器人,其特征在于:所述内框固定在长轴上, 长轴转动时带动内框、短轴、短轴电机、方位电机、惯性轮同步转动。
4.根据权利要求1所述的万向滚动球形机器人,其特征在于:所述惯性轮的横截面为圆形、梯形、或者长方形,在惯性轮的上方开有圆孔,降低惯性轮的重心位置。
5.根据权利要求1所述的万向滚动球形机器人,其特征在于:所述短轴以内框为支撑, 并以内框两端为转动副。
6.根据权利要求5所述的万向滚动球形机器人,其特征在于:所述短轴的轴线与长轴轴线、方位电机轴线相交于球心,并且短轴的轴线、长轴轴线、方位电机轴线互相垂直。
7.根据权利要求1所述的万向滚动球形机器人,其特征在于:所述方位电机固定在短轴上,短轴电机转动时,带动短轴、方位电机、惯性轮同步转动。
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