CN102642573B

CN102642573B - 流体驱动球形机器人

Info

Publication number: CN102642573B
Application number: CN201210076968.3A
Authority: CN
Inventors: 桑胜举; 沈丁; 安琦; 赵继超; 王军; 周琼
Original assignee: Taishan University
Current assignee: Taishan University
Priority date: 2011-03-24
Filing date: 2012-03-22
Publication date: 2016-08-24
Anticipated expiration: 2032-03-22
Also published as: CN102642573A

Abstract

本发明属于机电技术领域，涉及球形移动机器人，具体地说，涉及一种流体驱动球形机器人，包括球壳、环形密封容器、轴流装置、内驱转动机构、主轴；其特征在于：球壳由左、右两半球壳组成；环形密封容器位于球壳内部，容器外环面与球壳球面同心，容器内部盛装流体，流体体积为容器容积的1/2，环形密封容器内部对称安装两个轴流装置，轴流装置驱动液体在环形密封容器内流动，从而改变球形机器人质心，由此实现球形机器人的前进和后退；位于球壳内部的内驱转动机构主要包括：内驱托架、电机、电机支架、飞轮轴、飞轮、供电电源以及控制器等；主轴通过轴承与球壳连接，内驱转动机构的其它部件过内驱托架悬挂于主轴上，电机通过电机支架与内驱托架固定连接，飞轮通过轴承安装在内驱托架上，电机轴与飞轮通过联轴器连接，电机带动其下部与主轴垂的飞轮轴和飞轮一起旋转，利用角动量守恒原理实现流体驱动球形机器人的转向。

Description

流体驱动球形机器人

技术领域

本发明属于机电技术领域，涉及一种全向运动球形机器人，可应用于探测、搜救、军事、运输、娱乐等领域。

背景技术

球形机器人是一种具有球形外壳、以滚动方式行走的机器人，与轮式机器人相比，不存在“翻倒”的问题；与步行或爬行机器人相比，具有运动速度快、承载能力强的特点。另外，球形机器人行动灵活，转弯半径很小；球形机器人造型新颖别致，行动灵活，转弯半径很小；球形结构具有较强的自我恢复能力，球形的外壳也使机器人能够轻易滚过粗糙的地形。同时，由于球体滚动点接触的阻力相对滑动或轮式装置的线接触的运动阻力小得多，所以球形机器人还具有运动效率高、能量消耗小的优点。由于球形机器人具有诸多独特优势，对球形机器人的研究倍受科技人员关注，是目前机器人研究领域的热点问题之一。目前，球形机器人已成为一个全新的研究领域，具有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。

球形机器人的研究在我国还是一个比较新的概念，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开始最初的研究工作，并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理论基础；北京邮电大学孙汉旭教授在2001年5月申请的发明专利“球形机器人的全方位行走机构”（申请号：01118289.X）,是由球形壳体和位于该壳内的行走机构所组成，通过不断调节配重的质心位置，产生前进或向后的驱动力，实现球形机器人的向前或向后运动。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成功设计，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，提供一种具备结构新颖、控制简单、运动灵活、可控性强、传动损耗小，具有良好的抗震动和抗冲击性能，且能实现原地转弯的全向运动球形机器人装置。

本发明的技术解决方案是：

流体驱动球形机器人，包括球壳、环形密封容器、轴流装置、内驱转动机构；其特征在于：环形密封容器位于球壳内部，容器外环面与球壳球面同心，容器内部盛装流体；轴流装置包括：固定架、后挡板、永磁转子、电磁线圈及磁芯、磁芯外壳、前挡板、叶轮、挡水板，轴流装置通过固定架与环形密封容器固定连接；位于球壳内部的内驱转动机构主要包括：内驱托架、电机、电机支架、飞轮轴、飞轮、供电电源以及控制器；供电电源位于球壳内并安装于内驱托架或者球壳上，或者位于球壳外；控制器位于球壳内并安装于内驱托架或者球壳上，或者位于球壳外。电机带动其下部与主轴垂的飞轮轴和飞轮一起旋转，利用角动量守恒原理实现流体驱动球形机器人的转向；流体驱动球形机器人的供电电源及控制电路安装在内驱托架下方，并通过电池托支架与内驱托架固接。

进一步地，球壳由两部分或两部分以上组成。

进一步地，环形密封容器内安装一个以上轴流装置。

进一步地，内驱转动机构通过内驱托架悬挂于主轴上。

进一步地，电机固定安装在内驱托架上，飞轮通过轴承安装在内驱托架上，电机轴与飞轮通过联轴器连接。

有益效果

1、流体驱动全方位运动球形机器人的球壳采用上下两半球壳组合而成，加工容易，安装方便。

2、流体驱动全方位运动球形机器人的环形密封容器紧贴球壳内壁，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。

3、流体驱动全方位运动球形机器人利用轴流装置驱动液体在环内流动，从而改变球形机器人质心，由此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。

4、流体驱动全方位运动球形机器人根据角动量守恒原理，利用电机带动飞轮转动实现球形机器人的转向，结构紧凑，无传动损耗，转弯半径小，可实现球形机器人的原地转弯。

5、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是本发明的第一种实例结构组成示意图。

图2是本发明的第一种实例内驱转动机构组成示意图。

图3是本发明的第一种实例环形密封容器结构组成分解示意图。

图4是本发明的第一种实例轴流装置结构组成示意图。

图5是本发明的第二种实例结构组成示意图。

图6是本发明的第二种实例环形密封容器结构组成示意图。

图7是本发明的第二种实例轴流装置结构组成分解示意图。

具体实施方式

如图1、2所示，本发明的一种实施例为：流体驱动全方位运动球形机器人装置，主要包括左半球壳1、右半球壳2、方环形密封容器4、轴流装置6、内驱转动机构7、主轴10；左、右半球壳通过螺钉3紧固，方环形密封容器4位于球壳内部，容器外环面与球壳球面同心，容器内部盛装流体（通常为液体），流体体积为容器容积的1/2，方环形密封容器内部对称安装两个轴流装置6，轴流装置驱动液体5在方环形密封容器4内流动，从而改变球形机器人质心，由此实现球形机器人的前进和后退；主轴10通过轴承部件9、紧固螺钉8与左半球壳1和右半球壳2连接；位于球壳内部的内驱转动机构7主要包括：内驱托架7-13、电机7-1、电机支架7-2、飞轮轴7-7、飞轮7-6、供电电源以及控制器7-5，内驱转动机构7通过内驱托架7-12悬挂于主轴10上，电机7-1通过电机支架7-2、螺钉7-3固接在内驱托架7-12上，电机输出轴通过紧固螺钉7-11与飞轮轴7-7固接，电机7-1带动飞轮7-6旋转实现球形机器人的转弯或原地转动；通过联轴器（法兰盘）7-8、轴承7-10实现飞轮轴7-6和电机输出轴的同轴，减小震动，以提高球形机器人转弯的稳定性。

图3是本发明的第一种实例的方环形密封容器结构组成示意图，图4是本发明的第一种实例轴流装置结构分解示意图，轴流装置包括：固定架6-1、后挡板6-2、永磁转子6-3、电磁线圈及磁芯6-4、磁芯外壳6-5、前挡板6-6、叶轮6-7、挡水板6-8；通过控制电磁线圈及磁芯6-4的通电方向和顺序，驱动永磁转子6-3旋转，并带动叶轮6-7旋转，从而驱动环形密封容器内流体流动，以改变球形机器人质心，由此实现球形机器人的前进和后退；在本实例中，挡水板6-8作成方形，以便与方环形密封容器配合，达到最佳挡水效果，以提高轴流驱动力；轴流装置与方环形密封容器通过固定架6-1固定连接。

参见图5所示的本发明的第二种实施例为：流体驱动全方位运动球形机器人装置，主要包括左半球壳1、右半球壳2、圆环形密封容器4、轴流装置6、内驱转动机构7、主轴10；左、右半球壳通过螺钉3紧固，圆环形密封容器4位于球壳内部，容器外环面与球壳球面同心，容器内部盛装流体（通常为液体），流体体积约为容器容积的1/2，圆环形密封容器内部对称安装两个轴流装置6，轴流装置驱动液体5在圆环形密封容器4内流动，从而改变球形机器人质心，由此实现球形机器人的前进和后退；主轴10通过轴承部件9、紧固螺钉8与左半球壳1和右半球壳2连接；位于球壳内部的内驱转动机构组成示意图参见图2所示，内驱转动机构7主要包括：内驱托架7-13、电机7-1、电机支架7-2、飞轮轴7-7、飞轮7-6、供电电源以及控制器7-5，内驱转动机构7通过内驱托架7-12悬挂于主轴10上，电机7-1通过电机支架7-2、螺钉7-3固接在内驱托架7-12上，电机输出轴通过紧固螺钉7-11与飞轮轴7-7固接，电机7-1带动飞轮7-6旋转实现球形机器人的转弯或原地转动；通过联轴器（法兰盘）7-8、轴承7-10实现飞轮轴7-6和电机输出轴的同轴，减小震动，以提高球形机器人转弯的稳定性。

图6是本发明的第二种实例的圆环形密封容器结构组成示意图，图7是本发明的第二种实例轴流装置结构组成示意图，轴流装置包括：固定架6-1、后挡板6-2、永磁转子6-3、电磁线圈及磁芯6-4、磁芯外壳6-5、前挡板6-6、叶轮6-7、挡水板6-8；通过控制电磁线圈及磁芯6-4的通电方向和顺序，驱动永磁转子6-3旋转，并带动叶轮6-7旋转，从而驱动环形密封容器内流体流动，以改变球形机器人质心，由此实现球形机器人的前进和后退；在本实例中，挡水板6-8作成圆环形，以便与圆环形密封容器配合，达到最佳挡水效果，以提高轴流驱动力；轴流装置与圆环形密封容器通过固定架6-1固定连接。

Claims

1.一种流体驱动球形机器人，包括球壳、环形密封容器、轴流装置、内驱转动机构；其特征在于：环形密封容器位于球壳内部，容器外环面与球壳球面同心，容器内部盛装流体；轴流装置包括：固定架、后挡板、永磁转子、电磁线圈及磁芯、磁芯外壳、前挡板、叶轮、挡水板，轴流装置通过固定架与环形密封容器固定连接；位于球壳内部的内驱转动机构主要包括：内驱托架、电机、电机支架、飞轮轴、飞轮、供电电源以及控制器；供电电源位于球壳内并安装于内驱托架或者球壳上，或者位于球壳外；控制器位于球壳内并安装于内驱托架或者球壳上，或者位于球壳外。

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。

3.根据权利要求1所述的球形机器人，其特征在于：环形密封容器内安装一个以上轴流装置。

4.根据权利要求1所述的球形机器人，其特征在于：内驱转动机构通过内驱托架悬挂于主轴上。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的球形机器人，其特征在于：电机固定安装在内驱托架上，飞轮通过轴承安装在内驱托架上，电机轴与飞轮通过联轴器连接。