CN102602465A - 双环离合式电磁驱动球形机器人 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种双环离合式电磁驱动球形机器人，包括左半球壳、半球离合机构、右半球壳、丝杠轴、联轴器、减速机、电机、支承座固定螺钉、电磁驱动部件、磁钢环、永磁磁钢、左支承座、右支承座、橡胶垫等；球壳由左、右两半球壳组成；每个半球内均有一个以上磁钢环，磁钢环与球壳球面共轴于丝杠轴，磁钢环上均匀布置永磁磁钢，相邻两个永磁磁钢的N极朝向相反；电磁驱动部件主要由电磁芯、电磁线圈、控制模块及供电电源组成、支撑板、红外管、支撑轮组成；支撑板加工成与磁钢环同心的弧形；在支撑板的两侧分别安装若干红外管。本发明利用电磁步进的原理实现机器人的前进和后退，与传统的机器人相比，结构简单可靠，运动稳定灵活，可控性强。

Description

双环离合式电磁驱动球形机器人

技术领域

本发明属于机电技术领域，涉及一种双环离合式电磁驱动球形机器人，可应用于探测、搜救、军事、运输、娱乐等领域。

背景技术

球形机器人因其具有行动灵活、转弯半径小、自我恢复能力好、承载能力强、能轻易滚过粗糙的地形等诸多独特优势，倍受科技人员关注，是目前机器人研究领域的热点问题之一，具广泛的研究空间和良好的应用前景。

从上世纪90年代，美国、芬兰等国家的研究者着手研究、试制球形机器人以来，对球形机器人的研究越来越为人们所重视，球形机器人已成为国际上一个新兴的研究热点。1996年，Aame Halme等人使用电机驱动转轮在球体内运动，实现球体运动，1997年，Bicchi等使用在球体内部运动的小车作为球形机器人的驱动装置实现了球体的运动，2000年，Bhattacharya等通过在球体内设置的相互垂直的转子实现球体的驱动，2002年，Javadi等通过在球体内安装四根支杆调节配重位置实现球体的定向运动，2004年，Dehez等利用安装在球体内的偏心轮实现两自由度驱动。此外，德国、法国、瑞士、比利时、印度、泰国、新加坡、中国台湾等国家和地区的许多研究者对球形机器人也进行了全方位的理论研究，并取得了一定的进展。

1999年11月，北京航空航天大学丁希仑教授提出了自主球形机器人的设想，设计了一种遥控并具有部分自主功能的球形机器人或自动车辆，并申请了“自主球形机器人”（申请号：99122494.9）发明专利；2001年，上海交通大学的杨汝清教授带领学生对球形机器人进行了基础性的原理研究，此项研究虽然只是处于初步阶段，但为我国球形机器人的研究打下了一定的理论基础；国防科学技术大学尚建忠等在2007年11月申请的发明专利“多运动态球形机器人”（申请号：200710192461.3），公开了一种具有球态、两轮态和弹跳三种运动形态的球形机器人机构；北京邮电大学孙汉旭教授在2009年5月申请的发明专利“半球差动球形机器人”（申请号：200910084119.0）,提出了一种半球差动球形机器人，该半球形机器人是通过将球壳分为两个相互独立的半球壳进行分别驱动控制，具有灵活、准确的运动方位控制能力。到目前为止，北京航空航天大学、北京邮电大学、哈尔滨工业大学、西安电子科技大学、苏州大学、国防科技大学等多家单位开展了球形机器人的研究，也取得了不少的成果。

尽管国内外已有不少球形机器人的设计，其驱动机构也多种多样，但大部分存在着结构复杂、工程实现较难、实用性较低的不足。迄今为止，还没有一种驱动方式为大家所公推，有关球形机器人的结构和驱动方式的研究，还没有一套成熟的理论体系。

发明内容

本发明的目的在于克服现有球形机器人驱动机构的不足，在电磁驱动球形机器人的基础上，提出一种双环离合式电磁驱动球形机器人装置，使其兼备轮式、球形机器人的特点，以适应多种复杂的地形环境。

本发明的技术解决方案是：

双环离合式电磁驱动球形机器人，主要包括左半球壳、半球离合机构、右半球壳、丝杠轴、联轴器、减速机、电机、支承座固定螺钉、电磁驱动部件、磁钢环、永磁磁钢、左支承座、右支承座、橡胶垫等；磁钢环通过橡胶垫固连于半球壳内部，磁钢环与球壳球面共轴于丝杠轴，磁钢环上均匀布置永磁磁钢，相邻两个永磁磁钢的N极朝向相反；电磁驱动部件上安装两个或两个以上电磁铁，通过控制电磁线圈的电流方向，使磁芯的极性交替变化；通过磁芯与永磁磁钢的吸引和排斥力，驱动电磁驱动部件沿磁钢环内圆周壁运动，从而改变球形机器人的半球质心位置；左右两个半球相互独立，通过控制两半球内磁芯的极性交替变化，实现对左右两个半球的分别驱动；当对左右两半球采用同步控制，即：使得左右两半球的质心位置、方向一致，即可实现球形机器人的前进和后退；当对左右两半球的控制不同步时，即：使得左右两半球的质心位置、方向不一致，即可实现球形机器人的转弯；因此，通过对左右半球质心位置和方向进行控制，即可实现球形机器人的全向滚动；位于球壳内部的离合机构用于调整左右两半球的分、合状态，当左右半球分开后，双环离合式电磁驱动球形机器人则具轮式机器人的特点，可在较好的地形环境下，平稳、快速前进或后退，当左右半球处于合并状态时，双环离合式电磁驱动球形机器人则具球形机器人的“不怕翻到、运动灵活”等特点。

所述的电磁驱动部件主要由电磁芯、电磁线圈、控制模块及供电电源、支撑板、红外管、支撑轮等组成；支撑板加工成与磁钢环同心的弧形，以避免运功过程中发生干涉；在支撑板的两侧分别安装若干红外管，用于球形机器人的轨迹探测和路径规划。

所述的磁钢环作为电磁驱动部件的圆周运动轨道，其内侧设计成槽型轨道，电磁驱动部件的支撑轮与槽型轨道形成滚动接触；通过控制电磁线圈的电流方向，使磁芯的极性交替变化；通过磁芯与永磁磁钢的吸引和排斥力，驱动电磁驱动部件沿磁钢环的轨道槽作圆周运动，从而改变球形机器人的半球质心位置；当其中一个电磁芯与某块永磁磁钢正对时，另一个电磁芯正好介于两块永磁磁钢中间，以确保运动方向的唯一性、可控性。

所述的半球离合机构主要由左离合部件、中心离合部件、右离合部件、舵机部件等组成；左离合部件主要包括离合环、离合环座、左锁紧环、左限位环座、左限位环；中心离合部件主要包括离合支架、中心锁紧座、轴承、右限位环、离合杆压簧、离合杆；右离合部件主要包括导杆、推环、推环座、右锁紧环、推杆压簧、推杆，舵机部件主要包括推环曲柄、舵机固定架、舵机等；半球离合机构通过离合支架固定于左半球壳内，并通过丝杠轴支撑；左锁紧环通过花键与丝杠轴上的花键槽配合，使得左锁紧环随丝杠轴一起转动；左锁紧环可沿丝杠轴的轴向左右移动；中心锁紧座通过内螺纹与丝杠轴的外螺纹咬合，其外部通过轴承、离合支架固定于左半球上，使得中心锁紧座相对于左半球可以旋转，但不能左右移动；右锁紧环通过导杆支撑于离合支架上，相对于左半球可以左右移动，但不能相对转动，右锁紧环与丝杠轴无连接关系，通过推环、推环座套在丝杠轴外侧，使得右锁紧环相对于丝杠轴可以旋转；右锁紧环可沿丝杠轴的轴向左右移动；舵机通过舵机轴固定在固定架上，而固定架与离合支架固定连接，舵机可绕舵机轴左右偏转，带动推环沿丝杠轴的轴向左右移动，从而使得左离合部件、右离合部件沿丝杠轴左右移动；通过控制舵机偏转的角度方向、大小，实现左右半球的自由运动、辅助转向、距离调整等三种状态，并可实现球形机器人的展开与闭合。

所述的左右半球自由运动状态指是指，左离合部件与中心离合部件的中心锁紧座锁紧，而右离合部件与中心离合部件的中心锁紧座分离，左右半球处于自由旋转状态，左半球和右半球可实现自由旋转。

所述的左右半球辅助转向状态是指，左离合部件、右离合部件均与中心离合部件的中心锁紧座锁紧，当电机不转时，左右半球呈刚性连接，当电机转动时，左右半球相向转动，实现辅助转向。

所述的左右半球距离调整状态是指，右离合部件与中心离合部件的中心锁紧座锁紧，而左离合部件的左锁紧环与中心离合部件的中心锁紧座分离，当电机转动时，中心锁紧座与丝杠轴相向转动，使得左右半球间的距离发生变化，从而实现球形机器人的展开与闭合。

有益效果：

1、双环离合式电磁驱动球形机器人利用电磁步进的原理实现球形机器人的前进和后退，与传统的球形机器人相比，结构简单可靠，运动稳定灵活，可控性强。

2、双环离合式电磁驱动球形机器人的球壳由左右两半球壳组合而成，加工容易，安装方便。

3、双环离合式电磁驱动球形机器人的磁钢环紧贴球壳内壁，使得球形机器人的内部空间利用率大，提高了球形机器人的承载能力。

4、双环离合式电磁驱动球形机器人的磁钢环作为电磁驱动部件的圆周运动轨道，其内侧设计成槽型轨道，电磁驱动部件的支撑轮与槽型轨道形成滚动接触，驱动能力强，运行稳定。

5、双环离合式电磁驱动球形机器人的左右半球有展开、闭合两种状态，当两半球处于展开状态时，具轮式机器人的特点，可在较好的地形环境下，平稳、快速前进或后退；当左右半球处于闭合状态时，双环离合式电磁驱动球形机器人则具球形机器人的“不怕翻到、运动灵活”等特点。

6、双环离合式电磁驱动球形机器人的支撑板两侧分别安装若干红外管，用于球形机器人的轨迹探测和路径规划。

7、双环离合式电磁驱动球形机器人的半球离合机构主要由左离合部件、中心离合部件、右离合部件、舵机部件等组成；通过控制舵机偏转的角度方向、大小，实现左右半球的自由运动、辅助转向、距离调整等三种状态，并可实现球形机器人的展开与闭合。

8、双环离合式电磁驱动球形机器人的左右半球处于自由运动状态时，左右半球既可以同步转动，也可以异步转动或相对转动；当对左右两半球采用同步控制，即：使得左右两半球的质心位置、方向一致，即可实现球形机器人的前进和后退；当对左右两半球控制不同步时，即：使得左右两半球的质心位置或方向不一致，即可实现球形机器人的转弯；由此，通过对左右半球质心位置和方向进行控制，即可实现球形机器人的全向滚动。

9、本发明简化了球形机器人的驱动装置，可根据不同的用途制作不同尺寸的球形机器人，可形成系列化。

附图说明

图1是本发明的整体结构三维示意图。

图2是本发明的半球闭合主视剖面示意图。

图3是本发明的半球闭合俯视剖面示意图。

图4是本发明的半球展开状态主视剖面示意图。

图5是本发明的半球展开状态俯视剖面示意图。

图6是本发明的电磁驱动部件组成三维示意图。

图7是本发明的电磁驱动部件装配局部剖视示意图。

图8是本发明的半球离合机构组成三维示意图。

图9是本发明的半球自由运动状态离合机构剖面示意图。

图10是本发明的半球辅助转向状态离合机构剖面示意图。

图11是本发明的半球距离调整状态离合机构剖面示意图。

具体实施方式

如图1、2、3、4、5所示，本发明的实施方案为：双环离合式电磁驱动球形机器人装置，主要包括左半球壳1、半球离合机构2、右半球壳3、丝杠轴4、联轴器5、减速机6、电机7、支承座固定螺钉8、电磁驱动部件9、磁钢环10、永磁磁钢11、左支承座12、右支承座13、橡胶垫14等；磁钢环10通过橡胶垫14固连于半球壳内部，磁钢环与球壳球面共轴于丝杠轴，磁钢环上均匀布置永磁磁钢11，相邻两个永磁磁钢的N极朝向相反，磁钢环10同时作为电磁驱动部件9的圆周运动轨道；电磁驱动部件9上安装两个或两个以上电磁铁，控制两个电磁线圈9-2的电流方向，使磁芯9-1的极性交替变化，通过磁芯与永磁磁钢的吸引和排斥力，驱动电磁驱动部件9沿磁钢环内圆周壁运动，从而改变球形机器人的半球质心位置；左右两个半球相互独立，通过控制两半球内磁芯9-1的极性交替变化，实现对左右两个半球的分别驱动；当对左右两半球采用同步控制，即：使得左右两半球的质心位置、方向一致，即可实现球形机器人的前进和后退；当对左右两半球的控制不同步时，即：使得左右两半球的质心位置、方向不一致，即可实现球形机器人的转弯；因此，通过对左右半球质心位置和方向进行控制，即可实现球形机器人的全向滚动；位于球壳内部的半球离合机构2用于调整左右两半球的分、合状态，半球离合机构2通过离合支架2-1固定于左半球壳1内，并通过丝杠轴4支撑，丝杠轴4左端部与左球壳1通过左支承座12相连，左支承座12通过螺钉8与左半球壳1固连，丝杠轴4右端部通过联轴器5、减速机6与电机7相连，电机7带动丝杠轴4转动，通过驱动半球离合机构，实现左、右半球的闭合与展开，电机7与右球壳2通过右支承座13相连，右支承座13通过螺钉8与右半球壳2固连，左右半球展开后的剖面图如图4、5所示，当左右半球展开后，双环离合式电磁驱动球形机器人则具轮式机器人的特点，可在较好的地形环境下，平稳、快速前进或后退，当左右半球处于合并状态时，双环离合式电磁驱动球形机器人则具球形机器人的“不怕翻到、运动灵活”等特点。

图6是本发明的电磁驱动部件组成三维示意图，电磁驱动部件包括：电磁芯9-1、电磁线圈9-2、控制模块及供电电源9-3、支撑板9-4、红外管9-5、支撑轮9-6等；支撑板9-4加工成与磁钢环10同心的弧形，以避免运功过程中发生干涉；在支撑板9-4的两侧分别安装两排红外管9-5，用于球形机器人的轨迹探测和路径规划。

图7是本发明的电磁驱动部件与磁钢环装配局部剖视示意图，设：两电磁芯9-1相对磁钢环10中心的夹角为α，相邻永磁磁钢相对于磁钢环10的夹角为b，则α与 b的关系应满足：α=n x b + b/2 (n>2)，使得当其中一个电磁芯与某块永磁磁钢正对时，另一个电磁芯正好介于两块永磁磁钢中间，以确保运动方向的唯一性、可控性；在本实例中b设计为3°，α设计为34.5°，即：α=n x b +b/2 = 11 x 3 +1.5=34.5°；由图7中的A-A剖视图可知，磁钢环10的内侧设计成槽型轨道，支撑板9-4通过4个支撑轮9-6与槽型轨道形成滚动接触；通过控制两个电磁线圈9-2的电流方向，使磁芯9-1的极性交替变化，通过磁芯与永磁磁钢的吸引和排斥力，驱动电磁驱动部件9沿磁钢环10的轨道槽圆周运动，从而改变球形机器人的半球质心位置。

如图8、9、10、11所示，本发明的半球离合机构2主要由左离合部件、中心离合部件、右离合部件、舵机部件等组成；左离合部件主要包括离合环2-2、离合环座2-3、左锁紧环2-4、左限位环座2-6、左限位环2-7等，中心离合部件主要包括离合支架2-1、中心锁紧座2-5、轴承2-8、右限位环2-16、离合杆压簧2-17、离合杆2-18等，右离合部件主要包括导杆2-9、推环2-10、推环座2-11、右锁紧环2-12、推杆压簧2-14、推杆2-15，舵机部件主要包括推环曲柄2-13、舵机固定架2-19、舵机2-10等；半球离合机构2通过离合支架2-1固定于左半球壳1内，并通过丝杠轴4支撑；左锁紧环2-4通过花键与丝杠轴4上的花键槽配合；在离合环2-2、离合环座2-3、左限位环座2-6、左限位环2-7、右限位环2-16、离合杆压簧2-17、离合杆2-18的作用下，左锁紧环2-4可沿丝杠轴4的轴向左右移动；中心锁紧座2-5通过内螺纹与丝杠轴4的外螺纹咬合，其外部与轴承2-8的内环过盈配合，轴承2-8的外环通过离合支架2-1固定于左半球上，使得中心锁紧座2-5相对于左半球可以旋转，但不能左右移动；右锁紧环2-12通过导杆2-9支撑于离合支架2-1上，相对于左半球可以左右移动，但不能相对转动；右锁紧环2-12与丝杠轴4无连接关系，通过推环2-10、推环座2-11套在轴外侧，使得右锁紧环2-12相对于丝杠轴4可以旋转，在推环2-10、推环座2-11、推杆压簧2-14、推杆2-15、右限位环2-16的带动下，右锁紧环2-12可沿丝杠轴4的轴向左右移动；舵机2-20通过舵机轴固定在固定架2-19上，而固定架2-19与离合支架2-1固定连接，舵机可绕舵机轴左右偏转，通过推环曲柄2-13带动推环座2-11、推环2-10沿丝杠轴4的轴向左右移动，从而使得左离合部件、右离合部件可沿丝杠轴4轴向左右移动；由此，通过控制舵机偏转的角度方向、大小，即可实现球形机器人的展开与闭合。

图9是本发明的半球自由运动状态离合机构剖面示意图，在这种状态下，左离合部件与中心离合部件的中心锁紧座2-5锁紧，而右离合部件与中心离合部件的中心锁紧座2-5分离，左右半球处于自由旋转状态；具体实施为：在离合杆压簧2-17的作用下，离合杆2-18拉动左限位环座2-6、左限位环2-7相应地沿丝杠轴4向右移动，并拉动离合环2-2、离合环座2-3、左锁紧环2-4也向右移动，从而使得左离合部件与中心离合部件的中心锁紧座2-5锁紧；同时，调整舵机2-20偏移角的方向、大小，通过推环曲柄2-13带动推环座2-11、推环2-10沿丝杠轴4向右移动，使得右离合部件与中心离合部件的中心锁紧座2-5分离；由于左离合部件通过左锁紧环2-4的花键与丝杠轴4上的花键槽配合，使得左锁紧环随丝杠轴一起转动，丝杠轴4又通过联轴器5、减速机6与电机7的输出轴连接，当电机不转时，左离合部件、中心锁紧座2-5、丝杠轴4与右半球3无相对运动，相当于固定连接；左半球1和右半球3通过轴承2-8可实现自由旋转。

图10是本发明的半球辅助转向状态离合机构剖面示意图，在这种状态下，左离合部件、右离合部件均与中心离合部件的中心锁紧座2-5锁紧，当电机7不转时，左右半球呈刚性连接，当电机7转动时，左右半球相向转动，实现辅助转向；具体实施为：在舵机2-20的作用下，通过推环曲柄2-13带动推环座2-11、推环2-10、推杆2-15沿丝杠轴4的轴向向左移动，使得右离合部件与中心离合部件的中心锁紧座2-5锁紧，而右离合部件通过导杆2-9支撑于离合支架2-1上，相对于左半球可以左右移动，但不能相对转动；通过调整舵机2-20偏移角的方向、大小，使推环2-10未触动右限位环2-16，左离合部件与中心离合部件的中心锁紧座2-5仍处于锁紧状态；由于左离合部件通过左锁紧环2-4的花键与丝杠轴4上的花键槽配合，使得左锁紧部件与丝杠轴锁紧；此时，左离合部件、右离合部件、中心离合部件均与左半球呈刚性连接，且与丝杠轴4呈锁紧状态；丝杠轴4又通过联轴器5、减速机6与电机7的输出轴连接；当电机不转时，左右半球、半球离合机构无相对运动，呈刚性连接，当电机7转动时，左右半球相向转动，可实现辅助转向。

图11是本发明的半球距离调整状态离合机构剖面示意图，在这种状态下，右离合部件与中心离合部件的中心锁紧座2-5锁紧，而左离合部件的左锁紧环2-4与中心离合部件的中心锁紧座2-5分离，当电机7转动时，中心锁紧座2-5与丝杠轴4相向转动，使得左右半球间的距离发生变化，从而实现球形机器人的展开与闭合；具体实施为：在舵机2-20的作用下，通过推环曲柄2-13驱动推环座2-11、推环2-10、推杆2-15沿丝杠轴4的轴向向左移动，使得右离合部件与中心离合部件的中心锁紧座2-5锁紧，而右离合部件通过导杆2-9支撑于离合支架2-1上，相对于左半球可以左右移动，但不能相对转动；调整舵机2-20偏移角的方向、大小，使推环2-10继续向左移动，推动右限位环2-16，压缩离合杆压簧2-17，并通过离合杆2-18推动左限位环座2 -6、左限位环2-7沿丝杠轴4向左移动，并推动离合环2-2、离合环座2-3、左锁紧环2-4也向左移动，从而使得左离合部件的左锁紧环2-4与中心离合部件的中心锁紧座2-5分离；左限位环座2-6、左限位环2-7，在离合杆压簧2-17、离合杆2-18的作用下，相对于中心锁紧座2-5可左右移动，但不能相对转动，而离合环2-2、离合环座2-3可以相对于左限位环座2 -6可相向转动，但不能左右移动；因此，在这种状态下，左锁紧环2-4与丝杠轴4锁紧，右离合部件、中心离合部件的中心锁紧座2-5与左半球锁紧，当电机7转动时，中心锁紧座2-5带动左半球与丝杠轴4相向转动，使得左半球沿丝杠轴4轴向左右移动，从而实现球形机器人的展开与闭合。

Claims (9)

1.双环离合式电磁驱动球形机器人，包括左半球壳、半球离合机构、右半球壳、丝杠轴、联轴器、减速机、电机、支承座固定螺钉、电磁驱动部件、磁钢环、永磁磁钢、左支承座、右支承座、橡胶垫等；其特征在于：球壳由左、右两半球壳组成；每个半球内均有一个以上磁钢环，磁钢环与球壳球面共轴于丝杠轴，磁钢环上均匀布置永磁磁钢，相邻两个永磁磁钢的N极朝向相反；电磁驱动部件主要由电磁芯、电磁线圈、控制模块及供电电源、支撑板、红外管、支撑轮等组成；支撑板加工成与磁钢环同心的弧形；在支撑板的两侧分别安装若干红外管，用于球形机器人的轨迹探测和路径规划；电磁驱动部件上安装两个或两个以上电磁铁，通过控制电磁线圈的电流方向，使磁芯的极性交替变化；通过磁芯与永磁磁钢的吸引和排斥力，驱动电磁驱动部件沿磁钢环内圆周壁运动，从而改变球形机器人的半球质心位置；左右两个半球相互独立，通过控制两半球内磁芯的极性交替变化，实现对左右两个半球的分别驱动。

2.根据权利要求1所述的球形机器人，其特征在于：球壳由两部分或两部分以上组成，每个半球内均有一个以上磁钢环。

3.根据权利要求1所述的球形机器人，其特征在于：电磁驱动部件的支撑板加工成与磁钢环同心的弧形。

4.根据权利要求1所述的球形机器人，其特征在于：电磁驱动部件的支撑板两侧分别安装若干红外管。

5.根据权利要求1所述的球形机器人，其特征在于：双环离合式电磁驱动球形机器人的磁钢环内侧设计成槽型轨道。

6.根据权利要求1所述的球形机器人，其特征在于：电磁驱动部件上安装两个或两个以上电磁铁，电磁线圈磁芯之间相对球壳球心的夹角是相邻磁铁之间相对于球壳球心的夹角的整数倍并加上不小于5%的量。

7.根据权利要求1所述的球形机器人，其特征在于：半球离合机构主要由左离合部件、中心离合部件、右离合部件、舵机部件等组成，通过控制舵机偏转的角度方向、大小，分别控制左离合部件与中心离合部件、右离合部件与中心离合部件之间的分离与锁紧状态，实现球形机器人的展开与闭合。

8.根据权利要求1所述的球形机器人，其特征在于：半球离合机构固定于半球上。

9.一种具有权利要求1、2、3、4、5、6、7和8所述的双环离合式电磁驱动球形机器人，其特征在于：球形机器人内部还安装有电机、减速机和联轴器；电机通过支承座固定安装在半球上，电机轴与减速机的输入连接，减速机的输出轴通过联轴器与丝杠轴连接。

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