CN103612254B - 一种利用惯性轮驱动的载物机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用惯性轮驱动的载物机器人，包括载物平台、固定架、球体和支撑框架；载物平台固定设置在所述固定架的顶面上；固定架通过支撑框架设置在球体的表面上方；支撑框架内部空间构成一约束腔室，球体可转动的设置在约束腔室中，该球体下端部露出于所述约束腔室外；固定架上设有三个直流电机，三个直流电机沿固定架周向均匀设置，且三个直流电机的输出轴上分别固设有惯性轮。本发明中所设置的载物平台，其姿态具有多自由度调节的能力，且仅用一级活动机构即可实现多自由度运动，各自由度的运动无级联关系，不存在传统载物平台的误差逐级放大问题；同时各自由度运动的解算方法相同，动力学特性也相同，控制简单。

Description

一种利用惯性轮驱动的载物机器人

技术领域

本发明涉及一种载物机器人，特别涉及一种利用惯性轮驱动的载物机器人。

背景技术

为了满足工业自动化生产领域的需求，人们发明制造了各种具有载物平台的机器人。随着机械加工制造技术、电力电子技术与自动控制技术的发展，机器人的外形与结构也变得多样化，并且这些机器人都具有智能控制核心，能够精确、稳定、迅速地实现单点运动控制，多点运动控制或曲线运动控制等多种运动控制。通常，机器人上设置的载物平台通过多级单自由度活动机构的级联来实现多自由度的姿态调节，这种方案的结构比较复杂，对机械本体与伺服电机的精度要求较高；在控制量解算的过程中，需要进行多次坐标转换，运算复杂；前级机构的误差经过逐级放大后，会显著影响末级载物平台的姿态调节精度，导致运动控制的精度难以提高；各级机构的动力学特性不同，故机器人上设置的载物平台在各自由度上的特性也不相同。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种利用惯性轮驱动的载物机器人。该机器人中所设置的载物平台，其姿态具有多自由度调节的能力，且仅用一级活动机构即可实现多自由度运动，各自由度的运动无级联关系，不存在传统载物平台的误差逐级放大问题，使得载物平台对运动控制的精度有很大提升空间，同时各自由度运动的解算方法相同，动力学特性也相同，控制简单。

为解决上述技术问题，本发明采用下述技术方案：

一种利用惯性轮驱动的载物机器人，所述载物机器人包括载物平台、固定架、球体和支撑框架；所述载物平台固定设置在所述固定架的顶面上；

所述固定架通过支撑框架设置在所述球体的表面上方；

所述支撑框架内部空间构成一约束腔室，所述球体可转动的设置在约束腔室中，该球体下端部露出于所述约束腔室外；球体底端与地面接触，球体被约束在约束腔室中，球体本身可向任意方向自由转动而不能平动。

所述固定架上设有三个直流电机，三个直流电机沿固定架周向均匀设置，且三个直流电机的输出轴上分别固设有惯性轮，直流电机可驱动惯性轮旋转。

进一步的，三个直流电机的输出轴轴线不在同一平面上；但三个直流电机的输出轴轴线相交于同一点P，该点P在所述载物机器人的中轴线上，且三个直流电机的输出轴轴线在水平面上的投影互成120°。

三个直流电机输出轴轴线所对应的单位向量，可以线性合成一个与载物机器人中轴线重合的向量，当三个惯性轮相对其各自的旋转轴具有相同的加速度时，可以使载物机器人绕中轴线转动，而在其他方向上没有转动。如果三个直流电机的输出轴轴线在同一平面，则载物机器人不能实现绕中轴线转动。

进一步的，直流电机的输出轴轴线与水平面的夹角α为5°～20°。

这样设计的目的在于，如果夹角太小，则直流电机输出轴轴线所对应的单位向量在载物机器人中轴线上的投影太短，惯性轮在旋转时，对载物机器人绕中轴线转动的影响较小；夹角太大，惯性轮安装不便，故夹角α在5°～20°之间。

进一步的，所述惯性轮设置在所述固定架架体外侧。这样设计的目的在于，给惯性轮旋转留出空间，惯性轮在旋转时不会与其他部件相接触。

进一步的，所述支撑框架包括三个长支撑架和一个短支撑架；三个长支撑架沿固定架周向均匀设置，且三个长支撑架的上端分别与所述固定架固接，三个长支撑架的下端上分别设置有第一万向球，所述第一万向球的球面与所述球体下半部的球体表面触接；

所述短支撑架的上端与所述固定架固接，所述短支撑架的下端设置有第二万向球，该第二万向球的球面与所述球体的顶端球体表面触接。

由于支撑框架由三个长支撑架和一个短支撑架组成，每个长支撑架能保证球体不向该长支撑架所在方位进行侧向平动；三个长支撑架联合作用，能保证球体不向下平动；同样一个短支撑架能保证球体不向上平动；球体被完全约束于由长支撑架和短支撑架所包围成的约束腔室内部，球体不能进行任何方向的平动。

长支撑架通过第一万向球与球体下半部的球体表面触接，使球体表面具有法向压力，切向的摩擦力很小，这样球体能够自由转动。

进一步的，所述支撑框架包括三个长支撑架；三个长支撑架沿固定架周向均匀设置，且三个长支撑架的上端分别与所述固定架固接，三个长支撑架的下端上分别设置有第一万向球，所述第一万向球的球面与所述球体下半部的球体表面触接；

所述固定架底面上设置有第二万向球，该第二万向球的球面与所述球体的顶端球体表面触接。

由于支撑框架由三个长支撑架构成，每个长支撑架能保证球体不向该长支撑架所在方位进行侧向平动；三个长支撑架联合作用，能保证球体不向下平动；同样固定在固定架底面上的第二万向球能保证球体不向上平动；球体被完全约束于由长支撑架和第二万向球所包围成的约束腔室内部，球体不能进行任何方向的平动。

长支撑架通过第一万向球与球体下半部的球体表面触接，使球体表面具有法向压力，切向的摩擦力很小，这样球体能够自由转动。

进一步的，所述支撑框架包括三个长支撑架和三个短支撑架；

三个长支撑架沿固定架周向均匀设置，且三个长支撑架的上端分别与所述固定架固接，三个长支撑架的下端上分别设置有第一万向球，所述第一万向球的球面与所述球体下半部的球体表面触接；

三个短支撑架沿固定架周向均匀设置，且三个短支撑架的上端分别与所述固定架固接，三个短支撑架的下端上分别设置有第二万向球，所述第二万向球的球面与所述球体上半部的球体表面触接。

由于支撑框架由三个长支撑架和三个短支撑架组成，每个长支撑架（或者短支撑架）能保证球体不向该长支撑架（或者短支撑架）所在方位进行侧向平动；三个长支撑架联合作用，能保证球体不向下平动；同样三个短支撑架能保证球体不向上平动；球体被完全约束于由长支撑架和短支撑架所包围成的约束腔室内部，球体不能进行任何方向的平动。

长支撑架和短支撑架通过第一万向球、第二万向球与球体表面触接，使球体表面具有法向压力，切向的摩擦力很小，球体能够在支撑框架内自由转动而不发生平动。短支撑架设置成三个，可使每一个短支撑架上的第二万向球分担的压力变小。

进一步的，所述支撑框架包括三个长支撑架；三个长支撑架沿固定架周向均匀设置，且三个长支撑架的上端分别与所述固定架固接，三个长支撑架上设置有第一万向球和第二万向球，所述第一万向球的球面与所述球体下半部的球体表面触接；所述第二万向球的球面与所述球体上半部的球体表面触接。

由于支撑框架由三个长支撑架构成，每个长支撑架能保证球体不向该长支撑架所在方位进行侧向平动；三个长支撑架联合作用，能保证球体不向下平动；在长支撑架上设置的第二万向球能保证球体不向上平动；球体被完全约束于由长支撑架所包围成的约束腔室内部，球体不能进行任何方向的平动。

长支撑架通过第一万向球、第二万向球与球体表面触接，使球体表面具有法向压力，切向的摩擦力很小，这样球体能够自由转动。

进一步的，所述长支撑架的架体上设置有与所述球体表面弧度相匹配的第一弯折部，所述第一万向球设置在所述第一弯折部上。

这样设计的目的在于，使得长支撑架上所设的第一万向球对球体表面的压力能够包含一个竖直向上的分力，使得球体不能向下平动。

进一步的，所述长支撑架上第一万向球同球体接触的点与载物机器人的中轴线确定一个第一平面；所述直流电机的输出轴轴线与载物机器人的中轴线确定一个第二平面；第一平面与第二平面之间的夹角为0°或者60°。

这样设计的目的在于：保持固定架、长支撑架和惯性轮旋转的轴线（即直流电机的输出轴轴线）相对于本载物机器人的中轴线是均匀分布的，具体来说，均匀分布理解如下：1、任意一个长支撑架上万向球与球体接触的点，与机器人中轴线可确定一个平面，载物机器人所包括的载物平台、固定架、球体和支撑框架均关于这个平面镜像对称。2、惯性轮旋转的轴线与载物机器人的中轴线可确定一个平面，载物机器人所包括的载物平台、固定架、球体和支撑框架均关于这个平面镜像对称。3、载物机器人所包括的载物平台、固定架、球体和支撑框架，绕载物机器人中轴线旋转120°以后，能够与该部件自身或者同类部件重合。例如：惯性轮绕载物机器人中轴线旋转120°以后，能够与另一个惯性轮重合；当固定架为三角形时，固定架绕机器人中轴线旋转120°以后，能够与其自身重合。

从几何学上说，用两个不共线的单位向量即可线性表达平面内其他所有向量，但这两个向量不能均匀分布；互成120°三个单位向量，能线性表达平面内其他所有向量，并且该三个单位向量是均匀分布的；四个或者更多的向量也能实现线性表达平面内的其他所有向量，并实现多单位向量均匀分布。所以说，互成120°的三个单位向量是符合要求的最少的向量数，并且有一个冗余向量，故本发明采用相邻同类部件互成120°角的形式；多出来一个冗余的自由度，在机器人控制上来说，能够使控制的可靠性与灵活性提高。

进一步的，所述短支撑架的架体上设置有与所述球体表面弧度相匹配的第二弯折部，所述第二万向球设置在所述第二弯折部上。

这样设计的目的在于，短支撑架通过第二万向球与球体表面触接，使球体表面具有法向压力，切向的摩擦力很小，球体能够在支撑框架内自由转动而不发生平动；短支撑架设置成三个，可使每一个短支撑架上的第二万向球分担的压力变小。

进一步的，所述长支撑架上第一万向球同球体接触的点与载物机器人的中轴线确定一个第一平面；所述短支撑架上第二万向球同球体接触的点与载物机器人的中轴线确定一个第三平面；第一平面与第三平面之间的夹角为0°或者60°。

这样设计的目的在于：保持固定架、长支撑架和短支撑架相对于本载物机器人的中轴线是均匀分布的，具体来说，均匀分布理解如下：1、任意一个长支撑架上万向球与球体接触的点，与机器人中轴线可确定一个平面，载物机器人所包括的载物平台、固定架、球体和支撑框架均关于这个平面镜像对称。2、惯性轮旋转的轴线与载物机器人的中轴线可确定一个平面，载物机器人所包括的载物平台、固定架、球体和支撑框架均关于这个平面镜像对称。3、载物机器人所包括的载物平台、固定架、球体和支撑框架，绕载物机器人中轴线旋转120°以后，能够与该部件自身或者同类部件重合。例如：惯性轮绕载物机器人中轴线旋转120°以后，能够与另一个惯性轮重合；当固定架为三角形时，固定架绕机器人中轴线旋转120°以后，能够与其自身重合。

从几何学上说，用两个不共线的单位向量即可线性表达平面内其他所有向量，但这两个向量不能均匀分布；互成120°三个单位向量，能线性表达平面内其他所有向量，并且该三个单位向量是均匀分布的；四个或者更多的向量也能实现线性表达平面内的其他所有向量，并实现多单位向量均匀分布。所以说，互成120°的三个单位向量是符合要求的最少的向量数，并且有一个冗余向量，故本发明采用相邻同类部件互成120°角的形式；多出来一个冗余的自由度，在机器人控制上来说，能够使控制的可靠性与灵活性提高。

进一步的，所述长支撑架的架体上设置有与所述球体表面弧度相匹配的第一弯折部，所述第一万向球和第二万向球均设置在所述第一弯折部上。

进一步的，所述长支撑架上第一万向球同球体接触的点与载物机器人的中轴线确定一个第一平面；长支撑架上第二万向球同球体接触的点处于所述第一平面上。

由于支撑框架由三个长支撑架构成，每个长支撑架能保证球体不向该长支撑架所在方位进行侧向平动；三个长支撑架联合作用，能保证球体不向下平动；在长支撑架上设置的第二万向球能保证球体不向上平动；球体被完全约束于由长支撑架所包围成的约束腔室内部，球体不能进行任何方向的平动。

进一步的，所述载物机器人还包括主控制器舱室，所述载物平台通过所述主控制器舱室固定设置在所述固定架的顶面上。

进一步的，所述主控制器舱内设置有电源模块、直流电机驱动器和控制系统；电源模块分别供电给控制系统和直流电机驱动器；

所述控制系统包括惯性传感器组、信号接收系统和微处理器；

惯性传感器组、信号接收系统分别接在微处理器的不同引脚上，直流电机驱动器一端接在微处理器相应的引脚上，另一端与直流电机连接。

所述的电源模块包括锂电池组，可以实现锂电池组的平衡和充放电管理，并为主控制器舱内设置的装置提供电能；

所述的信号接收系统由无线发射接收器构成，可将接收到的姿态调节命令传递给微处理器系统；

所述的微处理器通过惯性传感器组测量载物平台的姿态，并通过直流电机驱动器控制直流电机，并带动惯性轮转动，利用角动量守恒定律来实现载物平台姿态的闭环调节。

进一步的，三个直流电机上分别设置有用于闭环调节直流电机转速的相对位置正交编码器。

微处理器根据正交编码器的输出，可以获得直流电机旋转的位置信号，得出直流电机角速度和角加速度的实际值，实际值与期望值求差后，调节直流电机驱动器的输出电压，使得实际值跟随期望值变化，实现闭环调节控制。

本发明的工作原理如下：

在通电前，三个惯性轮保持静止状态。通电后，主控制器舱内的惯性传感器组测量载物平台当前的姿态，信号接收系统给出的期望姿态，由微处理器进行比较并求出误差；信号接收系统接收操作者手持遥控设备发出的信号，若当前姿态与期望姿态不一致，则驱动惯性轮转动，利用惯性轮转动时对载物平台的反作用力矩，调节载物平台的姿态，直到与期望姿态一致为止。

根据角动量守恒定律，系统在不受外力矩作用时，系统总的角动量保持不变。当系统内某一部分改变旋转状态时，这一部分的角动量发生变化，相应的，系统内其他部分的角动量会发生等量反向变化。故惯性轮向一个方向旋转时，能够使载物平台向另外一个方向旋转。

惯性轮在改变旋转状态时，即惯性轮具有角加速度时，直流电机必须提供力矩，该力矩与惯性轮的转动惯量成正比，与惯性轮的角加速度成正比。根据牛顿第三定律，直流电机会受到来自惯性轮的反作用力矩，该反作用力矩使得直流电机与载物平台一起向相反的方向旋转，从而使载物平台的姿态发生改变。

当载物平台的姿态不需要发生改变时，所有惯性轮的角加速度应该为零。

三个惯性轮对载物平台提供的力矩的方向不同，根据向量合成原理，对于载物平台所需的任何方向的力矩，都可以由三个惯性轮提供的力矩线性组合获得，故三个惯性轮可以使载物平台向任何方向调整姿态。

本发明与现有技术相比，具有如下积极有益的效果：

1、通过控制惯性轮转速，利用角动量守恒定律来调节载物平台的姿态。

2、结构简单紧凑、稳定性高；仅用一级活动机构即可实现多自由度运动，且各自由度的运动无级联关系，不存在误差放大问题；各自由度运动的解算方法相同，动力学特性也相同，控制简单。

附图说明

图1为本发明第一实施例的整体结构示意图之一。

图2为本发明第一实施例的整体结构示意图之二。

图3为本发明第一实施例的主视图。

图4为图3的A-A剖视图。

图5为图3的B-B剖视图。

图6为本发明中直流电机的输出轴轴线与载物机器人的中轴线之间的关系示意图。

图7为本发明中电源模块、直流电机驱动器、惯性传感器组、信号接收系统、微处理器、直流电机和正交编码器之间连接关系示意图。

图8为本发明第二实施例的整体结构示意图之一。

图9为本发明第二实施例的整体结构示意图之二。

图10为本发明第二实施例的主视图。

图11为图10的A-A剖视图。

图12为本发明第三实施例的整体结构示意图之一。

图13为本发明第三实施例的整体结构示意图之二。

图14为本发明第三实施例的主视图。

图15为图14的A-A剖视图。

图16为本发明第四实施例的整体结构示意图之一。

图17为本发明第四实施例的整体结构示意图之二。

图18为本发明第四实施例的主视图。

图19为图18的A-A剖视图。

具体实施方式

下面结合附图说明本发明的具体实施方式。

实施例1：

如图1至7所示，一种利用惯性轮驱动的载物机器人，所述载物机器人包括载物平台1、固定架2、球体3、支撑框架和主控制器舱室4；所述载物平台1通过所述主控制器舱室4固定设置在所述固定架2的顶面上；所述固定架2通过支撑框架设置在所述球体3的表面上方；

所述支撑框架内部空间构成一约束腔室，所述球体3可转动的设置在约束腔室中，该球体3下端部露出于所述约束腔室外；球体3底端与地面接触，球体3被约束在约束腔室中，球体3本身可向任意方向自由转动而不能平动。

所述支撑框架包括三个长支撑架5和三个短支撑架6；三个长支撑架5沿固定架2周向均匀设置，且三个长支撑架5的上端分别与所述固定架2固接，三个长支撑架5的架体上均设置有与所述球体3表面弧度相匹配的第一弯折部51，该第一弯折部51上设置有第一万向球52，所述第一万向球52的球面与所述球体3下半部的球体表面触接；

三个短支撑架6沿固定架2周向均匀设置，且三个短支撑架6的上端分别与所述固定架2固接，三个短支撑架6的架体上均设置有与所述球体3表面弧度相匹配的第二弯折部61，该第二弯折部61上设置有第二万向球62，所述第二万向球62的球面与所述球体3上半部的球体表面触接。

所述长支撑架5上第一万向球52同球体3接触的点与载物机器人的中轴线9确定一个第一平面；所述短支撑架6上第二万向球62同球体3接触的点与载物机器人的中轴线9确定一个第三平面；所述第一平面与相邻第三平面之间的夹角为60°。

由于支撑框架由三个长支撑架5和三个短支撑架6组成，每个长支撑架5（或者短支撑架6）能保证球体3不向该长支撑架5（或者短支撑架6）所在方位进行侧向平动；三个长支撑架5联合作用，能保证球体3不向下平动；同样三个短支撑架6能保证球体3不向上平动；球体3被完全约束于由长支撑架5和短支撑架6所包围成的约束腔室内部，球体3不能进行任何方向的平动。

长支撑架5和短支撑架6通过第一万向球52、第二万向球62与球体3表面触接，使球体3表面具有法向压力，切向的摩擦力很小，球体3能够在支撑框架内自由转动而不发生平动。短支撑架6设置成三个，可使每一个短支撑架6上的第二万向球62分担的压力变小。

所述固定架2上设有三个直流电机7，三个直流电机7沿固定架2周向均匀设置，且三个直流电机7的输出轴上分别固设有惯性轮8，所述惯性轮8设置在所述固定架2架体外侧，直流电机7可驱动惯性轮8旋转。三个直流电机7的输出轴轴线71不在同一平面上；但三个直流电机7的输出轴轴线71相交于同一点P，该点P在所述载物机器人的中轴线9上，且三个直流电机7的输出轴轴线71在水平面上的投影互成120°；所述直流电机7的输出轴轴线71与水平面的夹角α为15°。

所述长支撑架5上第一万向球52同球体3接触的点与载物机器人的中轴线9确定一个第一平面；所述直流电机7的输出轴轴线71与载物机器人的中轴线9确定一个第二平面；第一平面与相邻第二平面之间的夹角为60°。

所述主控制器舱4内设置有电源模块41、直流电机驱动器42和控制系统；电源模块41分别供电给控制系统和直流电机驱动器42；所述控制系统包括惯性传感器组43、信号接收系统44和微处理器45；惯性传感器组43、信号接收系统44分别接在微处理器45的不同引脚上，直流电机驱动器42一端接在微处理器45相应的引脚上，另一端与直流电机7连接。

所述的电源模块41包括锂电池组，可以实现锂电池组的平衡和充放电管理，并为主控制器舱4内设置的装置提供电能；所述的信号接收系统44由无线发射接收器构成，可将接收到的姿态调节命令传递给微处理器45系统；所述的微处理器45通过惯性传感器组43测量载物平台的姿态，并通过直流电机驱动器42控制直流电机7，并带动惯性轮8转动，利用角动量守恒定律来实现载物平台姿态的闭环调节。

进一步的，三个直流电机7上分别设置有用于闭环调节直流电机转速的相对位置正交编码器72。微处理器45根据正交编码器72的输出，可以获得直流电机7旋转的位置信号，得出直流电机7角速度和角加速度的实际值，实际值与期望值求差后，调节直流电机驱动器42的输出电压，使得实际值跟随期望值变化，实现闭环调节控制。

实施例2：

如图8至11所示，本实施例与实施例1的区别在于，所述支撑框架包括三个长支撑架5和一个短支撑架6；三个长支撑架5沿固定架2周向均匀设置，三个长支撑架5的架体上均设置有与所述球体3表面弧度相匹配的第一弯折部51，该第一弯折部51上设置有第一万向球52，所述第一万向球52的球面与所述球体3下半部的球体表面触接；

所述短支撑架6的上端与所述固定架2固接，所述短支撑架6的下端设置有第二万向球62，该第二万向球62的球面与所述球体3的顶端球体表面触接。

所述长支撑架5上第一万向球52同球体3接触的点与载物机器人的中轴线9确定一个第一平面；所述直流电机7的输出轴轴线71与载物机器人的中轴线9确定一个第二平面；第一平面与相邻第二平面之间的夹角为60°。

本实施例中，支撑框架由三个长支撑架5和一个短支撑架6组成，每个长支撑架5能保证球体3不向该长支撑架5所在方位进行侧向平动；三个长支撑架5联合作用，能保证球体3不向下平动；同样一个短支撑架6能保证球体3不向上平动；球体3被完全约束于由长支撑架5和短支撑架6所包围成的约束腔室内部，球体3不能进行任何方向的平动。

长支撑架5通过第一万向球52与球体3下半部的球体表面触接，使球体3表面具有法向压力，切向的摩擦力很小，这样球体能够自由转动。

实施例3：

如图12至15所示，本实施例与实施例1或2的区别在于，所述支撑框架包括三个长支撑架5；三个长支撑架5沿固定架周向均匀设置，三个长支撑架5的架体上均设置有与所述球体3表面弧度相匹配的第一弯折部51，该第一弯折部51上设置有第一万向球52，所述第一万向球52的球面与所述球体3下半部的球体表面触接；所述固定架2底面上设置有第二万向球62，该第二万向球62的球面与所述球体3的顶端球体表面触接。

所述长支撑架5上第一万向球52同球体3接触的点与载物机器人的中轴线9确定一个第一平面；所述直流电机7的输出轴轴线71与载物机器人的中轴线9确定一个第二平面；第一平面与相邻第二平面之间的夹角为60°。

本实施例中，支撑框架由三个长支撑架5构成，每个长支撑架5能保证球体3不向该长支撑架5所在方位进行侧向平动；三个长支撑架5联合作用，能保证球体3不向下平动；同样固定在固定架2底面上的第二万向球62能保证球体3不向上平动；球体3被完全约束于由长支撑架5和第二万向球62所包围成的约束腔室内部，球体3不能进行任何方向的平动。

长支撑架5通过第一万向球52与球体3下半部的球体表面触接，使球体3表面具有法向压力，切向的摩擦力很小，这样球体3能够自由转动。

实施例4：

如图16至19所示，本实施例与实施例1、2或3的区别在于，所述支撑框架包括三个长支撑架5；三个长支撑架5沿固定架周向均匀设置，且三个长支撑架5的上端分别与所述固定架2固接，三个长支撑架5的架体上均设置有与所述球体3表面弧度相匹配的第一弯折部51，该第一弯折部51上设置有第一万向球52和第二万向球62，所述第一万向球52的球面与所述球体3下半部的球体表面触接；所述第二万向球62的球面与所述球体3上半部的球体表面触接。

所述长支撑架5上第一万向球52同球体3接触的点与载物机器人的中轴线9确定一个第一平面；所述直流电机7的输出轴轴线71与载物机器人的中轴线9确定一个第二平面；第一平面与相邻第二平面之间的夹角为60°。

进一步的，所述长支撑架5上第一万向球52同球体3接触的点与载物机器人的中轴线9确定一个第一平面；长支撑架5上第二万向球62同球体3接触的点处于所述第一平面上。

本实施例中，支撑框架由三个长支撑架5构成，每个长支撑架5能保证球体3不向该长支撑架5所在方位进行侧向平动；三个长支撑架5联合作用，第一万向球52能保证球体3不向下平动；在长支撑架5上设置的第二万向球62能保证球体3不向上平动；球体3被完全约束于由长支撑架5所包围成的约束腔室内部，球体3不能进行任何方向的平动。

长支撑架5通过第一万向球52、第二万向球62与球体3表面触接，使球体3表面具有法向压力，切向的摩擦力很小，这样球体3能够自由转动。

本文中所采用的描述方位的词语“上”、“下”、“左”、“右”等均是为了说明的方便基于附图中图面所示的方位而言的，在实际装置中这些方位可能由于装置的摆放方式而有所不同。

综上所述，本发明所述的实施方式仅提供一种最佳的实施方式，本发明的技术内容及技术特点已揭示如上，然而熟悉本项技术的人士仍可能基于本发明所揭示的内容而作各种不背离本发明创作精神的替换及修饰；因此，本发明的保护范围不限于实施例所揭示的技术内容，故凡依本发明的形状、构造及原理所做的等效变化，均涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (15)

1.一种利用惯性轮驱动的载物机器人，其特征在于：所述载物机器人包括载物平台、固定架、球体和支撑框架；所述载物平台固定设置在所述固定架的顶面上；

所述固定架通过支撑框架设置在所述球体的表面上方；

所述支撑框架内部空间构成一约束腔室，所述球体可转动的设置在约束腔室中，该球体下端部露出于所述约束腔室外；

所述固定架上设有三个直流电机，三个直流电机沿固定架周向均匀设置，且三个直流电机的输出轴上分别固设有惯性轮；

所述载物机器人还包括主控制器舱室，所述载物平台通过所述主控制器舱室固定设置在所述固定架的顶面上；

所述主控制器舱内设置有电源模块、直流电机驱动器和控制系统；电源模块分别供电给控制系统和直流电机驱动器；

所述控制系统包括惯性传感器组、信号接收系统和微处理器；

惯性传感器组、信号接收系统分别接在微处理器的不同引脚上，直流电机驱动器一端接在微处理器相应的引脚上，另一端与直流电机连接。

2.根据权利要求1所述的一种利用惯性轮驱动的载物机器人，其特征在于：三个直流电机的输出轴轴线不在同一平面上；但三个直流电机的输出轴轴线相交于同一点P，该点P在所述载物机器人的中轴线上，且三个直流电机的输出轴轴线在水平面上的投影互成120°。

3.根据权利要求2所述的一种利用惯性轮驱动的载物机器人，其特征在于：直流电机的输出轴轴线与水平面的夹角α为5°～20°。

4.根据权利要求1所述的一种利用惯性轮驱动的载物机器人，其特征在于：所述惯性轮设置在所述固定架架体外侧。

5.根据权利要求1所述的一种利用惯性轮驱动的载物机器人，其特征在于：所述支撑框架包括三个长支撑架和一个短支撑架；三个长支撑架沿固定架周向均匀设置，且三个长支撑架的上端分别与所述固定架固接，三个长支撑架的下端上分别设置有第一万向球，所述第一万向球的球面与所述球体下半部的球体表面触接；

所述短支撑架的上端与所述固定架固接，所述短支撑架的下端设置有第二万向球，该第二万向球的球面与所述球体的顶端球体表面触接。

6.根据权利要求1所述的一种利用惯性轮驱动的载物机器人，其特征在于：所述支撑框架包括三个长支撑架；三个长支撑架沿固定架周向均匀设置，且三个长支撑架的上端分别与所述固定架固接，三个长支撑架的下端上分别设置有第一万向球，所述第一万向球的球面与所述球体下半部的球体表面触接；

所述固定架底面上设置有第二万向球，该第二万向球的球面与所述球体的顶端球体表面触接。

7.根据权利要求1所述的一种利用惯性轮驱动的载物机器人，其特征在于：所述支撑框架包括三个长支撑架和三个短支撑架；

三个长支撑架沿固定架周向均匀设置，且三个长支撑架的上端分别与所述固定架固接，三个长支撑架的下端上分别设置有第一万向球，所述第一万向球的球面与所述球体下半部的球体表面触接；

三个短支撑架沿固定架周向均匀设置，且三个短支撑架的上端分别与所述固定架固接，三个短支撑架的下端上分别设置有第二万向球，所述第二万向球的球面与所述球体上半部的球体表面触接。

8.根据权利要求1所述的一种利用惯性轮驱动的载物机器人，其特征在于：所述支撑框架包括三个长支撑架；三个长支撑架沿固定架周向均匀设置，且三个长支撑架的上端分别与所述固定架固接，三个长支撑架上设置有第一万向球和第二万向球，所述第一万向球的球面与所述球体下半部的球体表面触接；所述第二万向球的球面与所述球体上半部的球体表面触接。

9.根据权利要求5、6或7所述的一种利用惯性轮驱动的载物机器人，其特征在于：所述长支撑架的架体上设置有与所述球体表面弧度相匹配的第一弯折部，所述第一万向球设置在所述第一弯折部上。

10.根据权利要求5、6、7或8所述的一种利用惯性轮驱动的载物机器人，其特征在于：所述长支撑架上第一万向球同球体接触的点与载物机器人的中轴线确定一个第一平面；所述直流电机的输出轴轴线与载物机器人的中轴线确定一个第二平面；第一平面与第二平面之间的夹角为0°或者60°。

11.根据权利要求7所述的一种利用惯性轮驱动的载物机器人，其特征在于：所述短支撑架的架体上设置有与所述球体表面弧度相匹配的第二弯折部，所述第二万向球设置在所述第二弯折部上。

12.根据权利要求7所述的一种利用惯性轮驱动的载物机器人，其特征在于：所述长支撑架上第一万向球同球体接触的点与载物机器人的中轴线确定一个第一平面；所述短支撑架上第二万向球同球体接触的点与载物机器人的中轴线确定一个第三平面；第一平面与第三平面之间的夹角为0°或者60°。

13.根据权利要求8所述的一种利用惯性轮驱动的载物机器人，其特征在于：所述长支撑架的架体上设置有与所述球体表面弧度相匹配的第一弯折部，所述第一万向球和第二万向球均设置在所述第一弯折部上。

14.根据权利要求8所述的一种利用惯性轮驱动的载物机器人，其特征在于：所述长支撑架上第一万向球同球体接触的点与载物机器人的中轴线确定一个第一平面；长支撑架上第二万向球同球体接触的点处于所述第一平面上。

15.根据权利要求1所述的一种利用惯性轮驱动的载物机器人，其特征在于：三个直流电机上分别设置有用于闭环调节直流电机转速的相对位置正交编码器。