CN103358839B - 一种水陆两栖球形探察机器人 - Google Patents
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Abstract
一种水陆两栖球形探察机器人，包括球壳、桨叶、内驱动机构组件和连接件。采用透明球壳，将内驱动机构组件和连接件包容在球壳内部，球壳内部安置探察用摄像头。桨叶固定在球壳外部，机器人水面运动时浸入水中，实现机器人水中划水运动功能。内驱动机构组件由直线运动驱动电机、转向运动驱动电机、配重块和支撑部分组成。在直线运动驱动电机作用下，内驱动机构组件可绕横向中心线转动，改变球体内部重心位置，机器人可实现前进或后退直线运动。在转向运动驱动电机作用下，配重块绕纵向中心线加速旋转时，球壳做反向旋转，实现球形机器人原地转向运动。水陆两栖球形机器人可在陆地和水面灵活运动，执行探察任务。
Description
技术领域
本发明涉及一种可用于陆地、水域或者水陆交界环境下执行探察任务的球形机器人系统。
背景技术
人类对自然界的改造必然伴随着对未知环境的观察和探测，目前人类的脚步已经涉及到了深海和太空两大领域，并且越来越多地面对着高核辐射区和有毒有害物质污染区等特殊环境。在这些复杂的环境下，隐藏着众多不可预知的危险，可能威胁到作业人员的安全，因此研制能够执行特殊环境下探察任务的机器人系统就具有了重要的实用价值。
目前常见的机器人系统按照运动形式分类可以分为轮式运动机器人、履带式运动机器人和足式机器人几种。球形机器人则是一种具有新颖的运动形式的机器人系统。
球形机器人或球形机构是指一类将运动执行机构、传感器、控制器安装在一球形壳体内的系统的总称。相比于传统的轮式、履带式和足式机器人，球形机器人有众多的优点。球形机器人可以实现全方位运动，机动性能优于轮式和履带式机器人，移动速度比足式机器人快。它和地面是单点接触，属于纯滚动摩擦，阻力小，能量利用效率高，携带等量能源时工作时间更长。它具有很强的路面适应能力，较高的承载能力，能越过一定高度的障碍，爬上一定角度的斜坡。
如果采取了良好的密封措施，使球体即使放入水中也不会有液体浸入球壳内，球形机器人就可以用作水面探测机器人，实现真正意义上的水陆两栖运动。此外，球形机器人还能在沙漠、沼泽、海滩等极端环境下使用，具有很强的环境适应性。
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发明内容
本发明的目的是：设计一种水陆两栖球形机器人，其在陆地和水面共用一套驱动装置，可以完成陆地和水面的探察任务，并且可以在陆地和水面两种环境间实现自然过渡。
本发明的技术解决方案是：一种水陆两栖球形探察机器人，包括球壳、桨叶、内驱动机构组件和连接件，其特征在于：球壳由左半球壳和右半球壳两部分组成，将内驱动机构组件和连接件包容在球壳内部。
在左半球壳外部，有N个桨叶与其固连，N大于1，桨叶均为轻质薄板，形状近似为三角形，其最长边有一定弧度，曲率半径和球壳曲率半径相同，最长边长度小于1.57倍球壳半径，桨叶垂直于球壳外表面安装，最长边与球壳外表面贴合。这些桨叶关于球壳横向中心线呈均匀放射性分布，任意两个桨叶间角度为360/N度，且靠近横向中心线与球壳相交点。右半球壳桨叶的布置同左半球壳。固连在左半球壳和右半球壳上的桨叶呈对称分布。水陆两栖球形机器人在陆地运动时，桨叶任意部分都高于地面，不会和地面发生碰撞，在水面运动时，水陆两栖球形机器人下方的桨叶会浸入水中一定深度。
内驱动机构组件由一个直线运动驱动电机、一个转向运动驱动电机、配重块和支撑部分组成，支撑部分含矩形框、配重支撑架、环形支撑架、中空短轴、配重支撑轴、底部推力球轴承、底部推力球轴承座，其中矩形框底部和环形支撑架上部固定在一起，构成了内驱动机构组件的支撑框架。矩形框是一个薄壁槽状长方体结构件，槽开口向上。矩形框沿横向中心线安置，左侧与中空短轴固连，右侧与右侧轴承座固连，直线运动驱动电机定子部分和转向运动驱动电机定子部分均固定在矩形框上。矩形框上可以安置摄像头，摄像头透过透明球壳能采集所处环境的图像信息，实施环境探察任务。
连接件包括左连接件和右连接件两个部分，左连接件包括左侧轴承座和左侧角接触球轴承，右连接件包括右侧支撑圆盘和右侧角接触球轴承。左侧轴承座与左半球壳连接，左侧角接触球轴承安装在左侧轴承座中，同时左侧角接触球轴承安装在中空短轴上。右侧支撑圆盘的外侧与右半球壳相连，内侧凸台上安装右侧角接触球轴承，同时右侧角接触球轴承安装在右侧轴承座中。直线运动驱动电机转子部分与右侧支撑圆盘内侧凸台固连，在直线运动驱动电机的作用下，内驱动机构组件可以绕横向中心线转动，改变球体内重心的位置，驱动球形机器人实现前后直线运动。
配重支撑架左视图呈口字形，其上平面与转向运动驱动电机转子部分固定，下平面与配重支撑轴固定。底部推力球轴承安装在配重支撑轴上，同时底部推力球轴承安装在底部推力球轴承座内。底部推力球轴承座与环形支撑架固定在一起。配重块固定在配重支撑架前后两侧平面上。转向运动驱动电机转动时，带动配重块绕纵向中心线加速旋转，据动量矩守恒原理，球壳会做反向旋转，从而实现球形机器人的原地转向运动。
本发明与现有技术相比的有益效果：
(1)该水陆两栖球形机器人球壳外部固连桨叶的结构能大幅提高球形机器人在水面运动的速度，减少水面运动的启动时间，综合提高水面运动性能。
(2)桨叶结构的设计对陆地运动不产生任何干扰。可以使球形机器人实现水面运动和陆地运动的自然衔接过渡。非常有利于执行水陆复杂环境条件下的探测任务。
(3)如果在其内部安置一个类似潜水艇升降的吸水排水装置，则可以控制水陆两栖球形机器人实现在水中的上升和下降，将水陆两栖球形机器人的工作环境拓展到水面下方，则该球形机器人也能开展水面下的探测任务。
(4)利用重心偏移原理实现水陆两栖球形机器人的直线运动，利用角动量守恒原理实现球形机器人的转向运动，使水陆两栖球形机器人在陆地和水面都具有良好的运动性能，两种环境下均能实现零半径原地转向运动，运动过程中控制调整运动方向也非常容易。
附图说明
图1为本发明的一个实施例整体结构主视剖视示意图。
图2为本发明的一个实施例整体结构俯视剖视示意图。
图3为本发明的一个实施例外形结构示意图。
图中：1.左半球壳 2.桨叶 3.左侧轴承座 4.中空短轴 5.左侧角接触球轴承 6.环形支撑架 7.矩形框 8.转向运动驱动电机9.配重支撑架 10.配重块 11.配重支撑轴 12.底部推力球轴承13.底部推力球轴承座 14.直线运动驱动电机 15.右侧轴承座16.右侧支撑圆盘 17.右侧角接触球轴承 18.右半球壳
具体实施方式
下面将结合附图对本发明做进一步的详细说明。
如图1、图2、图3所示，本发明的一个实施例为：一种水陆两栖球形探察机器人，包括球壳、桨叶、内驱动机构组件和连接件。
(一)球壳
球壳由左半球壳1和右半球壳18两部分组成，左半球壳1和右半球壳18接合的地方进行了防水密封处理，球壳将内驱动机构组件和连接件包容在球壳内部，对其形成保护作用。
(二)桨叶
桨叶2是形状近似三角形的平面薄板，12块桨叶2粘接在左半球壳1的表面，关于球壳横向中心线呈放射性分布，间隔为30度，且靠近横向中心线与球壳相交点。
同理12块桨叶2粘接在右半球壳18的表面。
桨叶在左半球壳1和右半球壳18上对称分布。
水陆两栖球形机器人在陆地运动时，实际上只有球壳底部的一小部分区域与地面接触，因此安置的桨叶不会对水陆两栖球形机器人的陆地运动产生干扰，将水陆两栖球形机器人放入水中后，由阿基米德原理可知球壳会浸入水中一定深度，改变配重块10的数量可以调整球壳浸入水中的深度，使布置于水陆两栖球形机器人下方的桨叶2能够有一部分浸入水中，这样，当直线运动驱动电机14或者转向运动驱动电机8转动时，球壳带动桨叶在水中划动，能够使得水陆两栖球形机器人在水中实现前进、后退、原地转向等运动。
(三)内驱动机构组件
水陆两栖球形机器人的内驱动机构组件由中空短轴4、环形支撑架6、矩形框7、转向运动驱动电机8、配重支撑架9、配重块10、配重支撑轴11、底部推力球轴承12、底部推力球轴承座13、直线运动驱动电机14和右侧轴承座15组成。
矩形框7是一个中空的薄壁槽状长方体结构件，是内部驱动机构的重要组成部分。转向运动驱动电机8的定子和直线运动驱动电机14的定子均固定在矩形框7内，其中直线运动驱动电机14的定子固定在矩形框7的侧面，转向运动驱动电机8的定子固定在矩形框7的底部。直线运动驱动电机14的轴线与球壳横向中心线重合，转向运动驱动电机8的轴线与球壳纵向中心线重合。可在矩形框上安置摄像头和距离探察传感器，因为矩形框在水陆两栖球形机器人运动过程中相对地面高度基本不变，相对横向中心线转过角度很小，因此摄像头可以透过透明球壳得到清晰稳定的图像信号。
直线运动驱动电机14的转子与右侧支撑圆盘16内侧的凸台固连在一起，右侧支撑圆盘16的外侧和右半球壳18固连在一起，右侧支撑圆盘16和右半球壳18连接的地方进行了防水密封处理。右侧支撑圆盘16的内侧凸台上安装右侧角接触球轴承17，同时右侧角接触球轴承17安装在与矩形框7固定在一起的右侧轴承座15中。直线运动驱动电机14处利用角接触球轴承加轴承座承受内驱动机构组件重力，使直线运动驱动电机径向不承受内驱动机构组件重力的作用。
矩形框7的左侧和中空短轴4固连，左侧角接触球轴承5安装在中空短轴4上，同时左侧角接触球轴承5安装在左侧轴承座3中，左侧轴承座3与左半球壳1固定在一起，连接的地方进行了防水密封处理。直线运动驱动电机14转动时，带动内驱动机构组件绕横向中心线转动，改变了水陆两栖球形机器人内部重心的位置，使水陆两栖球形机器人在重心偏移原理作用下实现前后直线运动。
环形支撑架6是一个半圆形结构件，固定在矩形框7的底部。
环形支撑架6的底部是一个平台，平台上固定了底部推力球轴承座13，底部推力球轴承座13内安放了推力球轴承12，同时推力球轴承12安装在配重支撑轴11之上。配重支撑轴11沿球壳纵向中心线放置，其上部平面与配重支撑架9的下平面固定在一起。
配重支撑架9是左视图呈口字形的结构件。转向运动驱动电机8处利用推力球轴承12、底部推力球轴承座13加环形支撑架6承受配重重力，使转向运动驱动电机轴向不承受配重重力作用。
配重块10使用螺纹连接的方式固定在配重支撑架9的前后平面上，配重块10上螺纹孔的位置相同，可以通过增加或减少配重支撑架9前后平面固定的配重块10的数量改变配重的总体质量，从而控制水陆两栖球形机器人浸入水中的深度。
配重支撑架9的上平面与转向运动驱动电机8的转轴固连，转向运动驱动电机8转轴转动时，带动配重支撑架9连同配重块10绕纵向中心线转动。在角动量守恒原理作用下，球壳会做反方向的旋转，实现水陆两栖球形机器人的原地转向。
(四)连接件
连接件包括左侧轴承座3、左侧角接触球轴承5、右侧支撑圆盘16、右侧角接触球轴承17。
左侧轴承座3一端与左半球壳1固连，左侧轴承座3和左半球壳1固连的地方进行了防水密封处理。左侧角接触球轴承5安置在左侧轴承座3内。
右侧支撑圆盘16的一端和右半球壳18固定在一起，右侧支撑圆盘16和右半球壳18连接的地方进行了防水密封处理。右侧角接触球轴承17安置在右侧支撑圆盘16一端的凸台上。
连接件的主要作用是在球壳内为内驱动机构组件提供支撑。同时也能改善直线运动驱动电机径向的受力情况。
Claims (5)
1.一种水陆两栖球形探察机器人，包括球壳、桨叶、内驱动机构组件和连接件；球壳由左半球壳和右半球壳两部分组成，将内驱动机构组件和连接件包容在球壳内部；采用透明球壳，内部可安装摄像头；
在左半球壳外部，有N个桨叶与其固连，N大于1，桨叶为轻质薄板，形状近似三角形，其最长边有一定弧度，曲率半径与球壳曲率半径相同，最长边长度小于1.57倍球壳半径，桨叶垂直于球壳外表面安装，最长边与球壳外表面贴合；这些桨叶关于横向中心线呈均匀放射性分布，任意两个桨叶间角度为360/N度，且靠近横向中心线与球壳相交点；右半球壳桨叶的布置同左半球壳；固连在左半球壳和右半球壳上的桨叶呈对称分布；水陆两栖球形机器人在陆地运动时，桨叶任意部分都高于地面，不会和地面发生碰撞，在水面运动时，水陆两栖球形机器人下方的桨叶会浸入水中一定深度；
内驱动机构组件由一个直线运动驱动电机、一个转向运动驱动电机、配重块和支撑部分组成，支撑部分含矩形框、配重支撑架、环形支撑架、中空短轴、配重支撑轴、底部推力球轴承、底部推力球轴承座，其中矩形框底部和环形支撑架上部固定在一起，构成了内驱动机构组件的支撑框架；矩形框是一个薄壁槽状长方体结构件，槽开口向上；矩形框沿球壳横向中心线安置，左侧与中空短轴固连，右侧与右侧轴承座固连，直线运动驱动电机定子部分和转向运动驱动电机定子部分均固定在矩形框上；矩形框上可以安置摄像头，摄像头透过透明球壳能采集所处环境的图像信息，实施环境探察任务；
连接件包括左连接件和右连接件两个部分，左连接件包括左侧轴承座和左侧角接触球轴承，右连接件包括右侧支撑圆盘和右侧角接触球轴承；左侧轴承座与左半球壳连接，左侧角接触球轴承安装在左侧轴承座中，同时左侧角接触球轴承安装在中空短轴上；右侧支撑圆盘的外侧与右半球壳相连，内侧凸台上安装右侧角接触球轴承，同时右侧角接触球轴承安装在右侧轴承座中；直线运动驱动电机转子部分与右侧支撑圆盘内侧凸台固连，在直线运动驱动电机的作用下，内驱动机构组件可以绕球壳横向中心线转动，改变球体内重心的位置，驱动球形机器人实现前后直线运动；
配重支撑架左视图呈口字形，其上平面与转向运动驱动电机转子部分固定，下平面与配重支撑轴固定；底部推力球轴承安装在配重支撑轴上，同时底部推力球轴承安装在底部推力球轴承座内；底部推力球轴承座与环形支撑架固定在一起；配重块固定在配重支撑架前后两侧平面上；转向运动驱动电机转动时，带动配重块绕纵向中心线加速旋转，据动量矩守恒原理，球壳会做反向旋转，从而实现球形机器人的原地转向运动。
2.根据权利要求1所述的一种水陆两栖球形探察机器人，其特征在于：所述的桨叶形状为矩形、扇形或不规则多边形，可以是平面薄板、V字形薄板或波浪形薄板。
3.根据权利要求1所述的一种水陆两栖球形探察机器人，其特征在于：配重块采用螺纹连接的方法固定在配重支撑架周边，不同配重块上螺纹孔的位置相同，因此可以在配重支撑架上固定一块或者多块配重块，据此可以调节配重的质量，从而能够改变水陆两栖球形机器人浸入水中的深度。
4.根据权利要求1所述的一种水陆两栖球形探察机器人，其特征在于：矩形框凹槽内部可以安放电池和电路板，矩形框槽壁上可以安置摄像头和距离探察传感器；矩形框的结构为两个驱动电机提供了支撑，同时有效降低了球体的重心位置。
5.根据权利要求1所述的一种水陆两栖球形探察机器人，其特征在于：直线运动驱动电机输出轴处利用角接触球轴承加轴承座承受内驱动机构组件重力，使直线运动驱动电机径向不承受内驱动机构组件重力的作用；转向运动驱动电机输出轴处利用推力球轴承、轴承座加环形支撑架承受配重重力，使转向运动驱动电机轴向不承受配重重力作用。
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| KR850000942B1 (ko) * | 1983-06-20 | 1985-06-29 | 김동기 | 수륙 양용차(水陸兩用車) |
| CN1817580A (zh) * | 2006-03-15 | 2006-08-16 | 北京邮电大学 | 带有可伸缩手臂的球形行走机器人 |
| CN101279619A (zh) * | 2008-04-21 | 2008-10-08 | 战强 | 高机动球形探测机器人 |
| CN101565062A (zh) * | 2009-05-20 | 2009-10-28 | 北京邮电大学 | 半球差动球形机器人 |
| CN103171638A (zh) * | 2013-03-04 | 2013-06-26 | 北京邮电大学 | 具有双目立体视觉的球形机器人 |
-
2013
- 2013-08-05 CN CN201310334103.7A patent/CN103358839B/zh active Active
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN103358839A (zh) | 2013-10-23 |
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