CN103963052B - 一种球形机器人内驱动装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种球形机器人内驱动装置,该装置包括外壳、中心轴、锥齿轮组、主体支架、电池组支架、电池组、舵机、连杆、驱动电机、电极、塑料垫圈、电路板、第一滚动轴承、第二滚动轴承、舵机轴和电池组盖板。结构新颖、装配简单、实用性强、集成度高。
Description
技术领域
本发明涉及一种机器人驱动装置,特别是涉及一种球形机器人内驱动装置,属于机电一体化技术领域。
背景技术
球形机器人具有行动灵活、结构简单、运动连续性好以及平衡性强等诸多优点,同时,其机械结构、电子设备完全集成于球壳内部,不受外界不良因素干扰,可应用于军事侦查、设备诊断、地理勘探等复杂任务中,具有轮式、足式机器人无可替代的优势,因此成为国内外机器人研究的热点领域。
球形机器人最重要的部分在于驱动装置的设计,其驱动形式分为内驱动与外驱动两种。发明专利《内外驱动兼备的球形机器人装置》(申请号:200810231786.2)设计了一种风能作为外驱动的方式,但该驱动方式要求机器人表面积足够大、质量足够轻,并受到风向与风速的限制,驱动效率较低,只适用于特定环境,难以应用于实践;相比之下,传统的内驱动方式更具有优势,发明专利《万向滚动球形机器人》(申请号201010285063.8)、《全向运动球形机器人》(申请号:200810020297.4)均设计了球形机器人及其内驱动装置,两者共同点是在球壳内添加重块,通过不同的机械结构控制重块调节重心位置来驱动机器人运动,但添加重块无疑增大了机器人负重,再加上电机、电源等元件的重量以及复杂的机械结构,致使机器人的运动效率降低,反应缓慢。同时,以上球形机器人的内部机构均在壳体内部转动,没有稳定的平台来安装摄像头等探测设备。因此,以上种种均限制了它们的实际应用。
发明内容
要解决的技术问题
为了避免现有技术的不足之处,本发明提出一种结构新颖、装配简单、实用性强、集成度高的球形机器人内驱动装置,使得球形机器人运动速度、传动效率和承载能力更高,降低成本,克服现有方案的不足,使其更有利于推广应用。
技术方案
一种球形机器人内驱动装置,其特征在于包括外壳1、中心轴2、锥齿轮组3、主体支架4、电池组支架5、电池组6、舵机7、连杆8、驱动电机9、电极10、塑料垫圈11、电路板12、第一滚动轴承13、第二滚动轴承14、舵机轴15和电池组盖板16;中心轴2与外壳1直径共线,两端采用螺钉与外壳1固定,中心轴2的中间设有主体支架4;主体支架4由左右两部分组成,左主体支架通过第一滚动轴承13与中心轴2连接,右主体支架通过第二滚动轴承14与中心轴2连接,左主体支架与右主体支架之间通过六个螺栓连接,第一滚动轴承13以中心轴2的Φ2段作为轴肩,第二滚动轴承14以中心轴2的Φ3段作为轴肩;驱动电机9固定在主体支架4上,通过与锥齿轮组3中的一个锥齿轮平键固连,锥齿轮组3与中心轴2通过平键固连,以中心轴2的Φ3段作为轴肩;两个舵机7对称位于驱动电机9下面,固定在主体支架4上,通过连杆8与电池组支架5连接,连杆8与电池组支架5之间采用螺钉连接,舵机轴15与连杆8之间为内齿轮啮合,电池组6置于电池组支架5内部,电池组支架5上面设有盖板16固定电池组6,电池组盖板16与电池组支架5间采用螺钉连接,电池组盖板16只封闭3/4,剩余1/4的位置设有电极10,电路板12通过螺钉连接在电池组支架5的底部,在电路板12与电池组支架5之间加垫塑料垫圈11。
中心轴2的直径分布为Φ1<Φ2<Φ3。
电池组6选择可充电式锂电池。
中心轴2、主体支架4和电池组支架5材料均为铝合金。
有益效果
本发明提出的一种球形机器人内驱动装置,具有如下优点:
1.利用支架将驱动电机、舵机以及电池组集成,代替重块,减轻自身重量,可实现更高的速度和更大的载重量。
2.中心轴固定,运动更加可靠,电机仅通过一对啮合锥齿轮传递运动,效率更高,同时,可根据实际需求选择不同的锥齿轮组,调节电机的减速比,两个舵机对称安装,有利于提高整体的稳定性,通过调节电机转速和舵机旋转角度即可改变重心位置,实现机器人的变速和转弯,运动简单可靠。
3.电路板固定到电池组支架底部,导线均附着于支架表面,不会妨碍内部机构的运动,两个舵机由同一根信号线控制,可实现同步运动,共同控制电池组的水平位置,电路板上安装有无线模块,可实现外部人为控制。
4.在运动稳定后,内驱动机构与地面之间保持相对静止,因此,在内驱动机构上还可以安装摄像头等设备,应用于军事侦察、科研探索等方面。
附图说明
图1本发明内驱动装置主视图
图2内驱动装置剖视图
图3左支架与中心轴连接方式局部示意图
图4锥齿轮、右支架与中心轴连接方式局部示意图
图5舵机与连杆连接方式局部示意图
图6内驱动装置工作方式示意图
1-外壳、2-中心轴、3-锥齿轮组、4-主体支架、5-电池组支架、6-电池组、7-舵机、8-连杆、9-驱动电机、10-电极、11-塑料垫圈、12-电路板、13-第一滚动轴承、14-第二滚动轴承、15-舵机轴、16-电池组盖板
具体实施方式
一种球形机器人内驱动装置,该装置包括:一个中心轴,该中心轴与球形外壳直径共线,与外壳之间通过螺钉固连,与主体支架之间通过滚动轴承连接,与锥齿轮之间通过平键固连,作为整个内驱动装置的旋转中心;主体支架作为电机和舵机的载体,该支架与中心轴之间通过滚动轴承连接,在电机通电时可带动电机、舵机以及电池组同步运动;驱动电机与一个锥齿轮之间通过平键固连,利用一对啮合锥齿轮传递运动,通过选择不同的锥齿轮组可改变电机的减速比,驱动电机固定在主体支架上,并通过主体支架与中心轴连接,电机通电时,带动整个驱动机构围绕中心轴转动至一定角度,改变重心在竖直面上的位置,推动机器人运动;一个电池组支架,该支架用于固定电池组,保证电池组不动作,其底部安装电路板,舵机动作时,带动电池组和电路板同时运动;电池组固定于电池组支架上,为驱动电机和舵机提供电源,同时起到重块的作用;一对舵机与主体支架固连,与驱动电机相对静止,两舵机对称分布,使球形机器人重心位于过圆心及两者中心线的竖直面上,两者由同一根信号线控制,能够同步动作,通过连杆与电池组支架连接,通电后可带动电池组围绕舵机转动,改变重心在水平方向的位置,实现机器人的转向;一块电路板,作为机器人的控制核心,该电路板利用螺钉安装在电池组支架底部,利用导线与电池组连接实现供电,利用单片机调节电机的转速和舵机的旋转角度,控制机器人姿态,电路板上可安装无线设备,实现外部人为控制。
现结合实施例、附图对本发明作进一步描述:
如图1所示,内驱动装置总体围绕中心轴2运动,中心轴2与外壳1之间采用螺钉连接,两者保持相对静止。主体支架4由左右两部分组成,两者分别通过滚动轴承13、14与中心轴2连接(如图3、图4所示),中心轴2的直径分布为Φ1<Φ2<Φ3,滚动轴承13、14分别以中心轴2的Φ2段和Φ3段作为轴肩,左支架与右支架通过六个螺栓连接,螺栓加垫弹簧垫圈,以保证主体支架4连接紧密,使内部电机9和舵机7不产生移动。电机9和舵机7以主体支架4为载体,驱动电机9固定在主体支架4上,通过与锥齿轮组3中的一个锥齿轮平键固连,电机9通过锥齿轮组3传递运动,通过选择不同的锥齿轮组3可改变电机9的减速比,其中一个锥齿轮固连于中心轴2上,以中心轴2的Φ3段作为轴肩(如图4所示),由于中心轴2及其连接的锥齿轮固定,电机9转动时将带动主体支架4、舵机7、电池组6等部件运动,改变重心位置,进而驱动机器人前进或后退。两个舵机7对称位于驱动电机9下面,固定在主体支架4上,通过连杆8与电池组支架5连接,通过连杆8控制电池组6及电池组支架5转动,以竖直方向为基准,转动角度范围为-90~90,改变重心在水平方向的位置,进而实现机器人转向。两舵机由同一根信号线控制,可实现同步运动。舵机轴15与连杆8之间为内齿轮啮合(如图5所示),连杆8与电池组支架5之间采用螺钉连接,以保证电池组6与连杆8间无相对运动,电池组6放置在支架5内部,利用盖板16固定电池组6,电池组盖板16与支架5间采用螺钉连接,电池组盖板16只封闭3/4,预留出电极10的位置,方便电机9、舵机7以及电路板12的接线。电池组6选择可充电式锂电池。电路板12通过螺钉连接在电池组支架5的底部,两者固连不会影响内部其他机构的运动,同时,为保证电路板不被短路,需加垫塑料垫圈11。为减轻整个装置的重量,中心轴2、主体支架4以及电池组支架5材料均为铝合金。
工作时(如图6所示),电机9带动锥齿轮3转动,由于中心轴2固定,整个内驱动装置将围绕中心轴2转至一定角度,改变重心在竖直面(V)上的位置,进而驱动球形机器人运动,通过单片机调节电机9的占空比,可改变电机9的转速和转向;通过单片机也可以调节舵机7的占空比,实现舵机7角度的控制,从而改变重心在水平(H)方向的位置,实现机器人的转向。当机器人总体运转稳定后,整个机构与过中心轴2的竖直面夹角保持不变,内驱动机构向机器人提供稳定的重力势能。同时,电路板12上可安装无线模块,进行外部人工控制。由于所有零部件均集成到内驱动机构上,运动时不用考虑相互之间的干扰,只需调节电机转速和舵机的旋转角度,控制简单可靠。
Claims (4)
1.一种球形机器人内驱动装置,包括外壳(1)、中心轴(2)、锥齿轮组(3)、主体支架(4)、舵机(7)、连杆(8)、驱动电机(9)、第一滚动轴承(13)、第二滚动轴承(14)和舵机轴(15),中心轴(2)与外壳(1)直径共线,两端采用螺钉与外壳(1)固定,中心轴(2)的中间设有主体支架(4);主体支架(4)由左右两部分组成,左主体支架通过第一滚动轴承(13)与中心轴(2)连接,右主体支架通过第二滚动轴承(14)与中心轴(2)连接,左主体支架与右主体支架之间通过六个螺栓连接,第一滚动轴承(13)以中心轴(2)的Φ2段作为轴肩,第二滚动轴承(14)以中心轴(2)的Φ3段作为轴肩;驱动电机(9)固定在主体支架(4)上,通过与锥齿轮组(3)中的一个锥齿轮平键固连,锥齿轮组(3)与中心轴(2)通过平键固连,以中心轴(2)的Φ3段作为轴肩;其特征在于还包括电池组支架(5)、电池组(6)、电极(10)、塑料垫圈(11)、电路板(12)和电池组盖板(16);两个舵机(7)对称位于驱动电机(9)下面,固定在主体支架(4)上,通过连杆(8)与电池组支架(5)连接,连杆(8)与电池组支架(5)之间采用螺钉连接,舵机轴(15)与连杆(8)之间为内齿轮啮合,电池组(6)置于电池组支架(5)内部,电池组支架(5)上面设有盖板(16)固定电池组(6),电池组盖板(16)与电池组支架(5)间采用螺钉连接,电池组盖板(16)只封闭3/4,剩余1/4的位置设有电极(10),电路板(12)通过螺钉连接在电池组支架(5)的底部,在电路板(12)与电池组支架(5)之间加垫塑料垫圈(11)。
2.根据权利要求1所述的一种球形机器人内驱动装置,其特征在于中心轴(2)的直径分布为Φ1<Φ2<Φ3。
3.根据权利要求1所述的一种球形机器人内驱动装置,其特征在于电池组(6)选择可充电式锂电池。
4.根据权利要求1所述的一种球形机器人内驱动装置,其特征在于中心轴(2)、主体支架(4)和电池组支架(5)材料均为铝合金。
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