CN104029742B - 一种全向滚动球形机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种全向滚动球形机器人，涉及球形机器人技术领域。驱动轴和转动轴相互垂直且均位于水平面内，通过控制两轴的动力源驱动电机、转向电机即可实现前进后退、零半径任意角度转弯、任意异常姿态调整等动作，不仅具有全向滚动、无运动死角的特点，还具有控制简单可靠的优点，此外本发明结构的独特设计还可保证搭载平台的良好稳定性，可以内置摄像机、传感器等设备进而实现在陌生环境中运动以及星球探测等等。
Description
技术领域
本发明涉及一种全向滚动球形机器人。
背景技术
球形机器人是一种新型结构的滚动行走机器人，具有运动速度快、越野性能好、控制相对简单等特点，逐渐成为国内外智能机器人研究领域的热点之一。
现有的球形机器人方案按驱动方式大体可分为以下三类：滚轮驱动、变质心驱动、多自由度驱动。但由于普遍存在以下待改进之处：全向滚动、控制可靠、搭载平台稳定性以及异常姿态调整，这些方案还不能很好的满足实际应用的需要。本发明人针对这些问题进行了深入研究并提出了改进，本案由此产生。
发明内容
本发明的目的是：提出一种可实现全向滚动无运动死角、控制简单可靠、附件搭载平台稳定性好、异常姿态调整简单的球形机器人结构方案，克服现有方案的不足。
本发明的解决方案是：该球形机器人由电机、传动机构、球形壳体、搭载平台及配重组成。转向和驱动电机分别输出转矩经过传动装置到球体在水平平面内相互垂直的两个运动方向，当两电机转速恒定且比值一定时，输出与原有运动方向成一定夹角的直线运动，通过调整转速比值可实现零半径转角、转角任意(0～90度)的直线变向运动，当球体轨迹已预设为某曲线时，可通过直线轨迹插补实现设定轨迹。搭载平台可搭载传感器、摄像头等探测装置，搭载平台及配重用以保证搭载平台的稳定性。
该方案的优点是：
(1)无运动死角，全向滚动，无论球体处于任何异常姿态均可调整恢复。
(2)两轴控制简单可靠，零半径转角、转角任意(0～90度)；异常姿态调整时可实现异步三轴驱动。
(3)运动只能由内部单向传递给外部球形壳体，球形壳体任意方向的滚动均不会影响到内部搭载平台的位置及姿态，能有效保证附件工作环境的稳定性。
附图说明
图1-本发明车体的结构示意图；图2-本发明车体的结构分解图；图3-动力输出轴示意图；图4-刚体绕定点转动的欧拉角描述；图5-角速度的矢量合成图。
标号说明：
球形车壳一1转向架一2
传动轮一3传动锥齿轮一4
传动弹簧一5传动轮二6
转向架二7球形车壳二8
传动锥齿轮二9传动弹簧二10
转向轴11转向锥齿轮12
搭载平台及配重13搭载附件14
控制电路15转向电机16
驱动电机17
具体实施方式
1.驱动系统结构
如图1和图2所示，球形车壳一(1)、球形车壳二(8)扣合成球形外形并且各自具有通过球心的中心立柱结构，二者中心立柱轴线共线；球形车壳一(1)中心立柱上固联传动锥齿轮一(4)，球形车壳二(8)中心立柱上固联传动锥齿轮二(9)。
如图3所示，转向架一(2)、转向架二(7)、转向轴(11)相互锁定，转向轴(11)的轴线即X轴通过两个转向架的圆心，三者形成的整体通过滚针轴承空套在球形车壳一(1)、球形车壳二(8)的中心立柱上，并可绕立柱轴线即Z轴自由转动；
如图2所示，传动轮一(3)、传动轮二(6)通过插销结构扣合成一个整体并通过滚针轴承空套在转向轴(11)上，传动轮二(6)轮缘为锥形齿圈结构，传动轮一(3)轮缘为锥形齿圈结构且旋转对称中心处固联锥齿轮，锥齿轮用于输入驱动电机(17)的输出力，锥形齿圈结构用于将传递驱动电机(17)的输出力传递给传动锥齿轮一(4)、传动锥齿轮二(9)。
转向电机(16)、驱动电机(17)、搭载附件(14)、控制电路(15)组装在搭载平台及配重(13)上，搭载平台及配重(13)通过滚针轴承空套在转向轴(11)上，可以绕X轴自由转动但不可沿轴向滑动，转向锥齿轮(12)通过花键或平键联接套在转向轴(11)上，弹簧用于保证转向锥齿轮(12)与转向电机(16)输出轴齿轮的啮合。
可沿轴向滑移的传动锥齿轮一(4)、传动锥齿轮二(9)、转向锥齿轮(12)以及传动轮一(3)需用弹簧或垫圈调整轴向间隙，实现轴向定位保证轮齿啮合。
2.工作原理
1)前进或后退：
当控制电路(15)发出前进或后退指令时，驱动电机(17)正转或反转，驱动电机(17)输出的动力经过齿轮啮合传给传动轮一(3)，传动轮一(3)再传递给传动轮二(6)，进而传递给传动锥齿轮一(4)、传动锥齿轮二(9)，最后在齿轮传动作用下，球形车壳一(1)、球形车壳二(8)绕Z轴正转或反转，实现前进或后退运动。通过齿轮传动传动比的设计计算可保证球形车壳一(1)、球形车壳二(8)运动同步且方向一致。
2)左转或右转
当控制电路(15)发出前进或后退指令时，驱动电机(16)正转或反转，转向电机(16)输出的动力可经过转向锥齿轮(12)传给转向轴(11)，转向轴(11)再传递给转向架一(2)、转向架二(7)，进而球形车壳一(1)、球形车壳二(8)绕X轴正转或反转，实现左转或右转。
3)任意角度转向：
为了更好的描述本发明的运动学模型，引入欧拉角的概念。在图4中，设OXYZ为定参考系，oxyz为与刚体固联的动参考系。欧拉角的规定是：初始状态两个重合的坐标系，将刚体先绕z轴转过角，再绕新的x轴转过θ角，最后再绕新的z轴转一个j角，θ,j统称为欧拉角，其中，称为进动角，θ称为章动角，j称为自转角。在一定的条件下，刚体的任一方位均可用一组欧拉角唯一地确定，也就是说可以通过两轴驱动实现球体的三维转动。
此外，由于欧拉角同样也是时间的函数，即：θ＝θ(t),j＝j(t)，按照刚体绕定点转动的欧拉定理，刚体绕相交轴转动时，角速度的合成服从向量运算法则，刚体角速度为：对于平面滚动，简化为:
所以要实现转向角为α的直线转向时，如图5所示：设定两电机转速比矢量合成角速度当转速比设定好之后，控制电路(15)同时向转向电机(16)、驱动电机(17)发出指令时，两种不同矢量方向扭矩传递给球形车壳一(1)、球形车壳二(8)，通过运动叠加实现任意角度转向。
3)特定轨迹的运动实现：
设预定轨迹S＝f(X,Z)，沿X,Z向矢量分解为各轴角速度则位移与角速度关系为：写成离散数值解的形式：R为球形机器人球形壳体的半径。进而解出X,Z轴控制信息即可实现特定的运动轨迹。
4)异常姿态调整：
由欧拉角的概念可知，若用Aθ,Aj分别表示每次转动时动系相对于该次转动前的方向余弦矩阵，则三次转动后刚体相对于转动前的方向余弦矩阵A为：
其中：
于是有：
若已知球体异常姿态相对于最初状态的空间关系A，可由上式反推出Aθ,Aj。这样只需通过传感器测出异常姿态的位置参数，求解出Z-X-Z各轴控制信息，就能实现姿态调整。上述实施例和图式并非限定本发明的产品形态和试样，任何所属技术领域的普通技术人员对其所做的适当变化或修饰，尤其是从加工工艺的角度对图样的改进以及仅对外观表面效果所做出的改进皆应视为不脱离本发明的专利范畴。
Claims (8)
1.一种全向滚动球形机器人，其特征在于：整体结构包括动力源、传动机构、执行机构；所述动力源包括转向电机(16)、驱动电机(17)；所述传动机构包括转向锥齿轮、传动锥齿轮、转向架、传动轮，所述传动锥齿轮包括传动锥齿轮一(4)、传动锥齿轮二(9)，所述转向架包括转向架一(2)、转向架二(7)、转向轴(11)，所述传动轮包括传动轮一(3)、传动轮二(6)；所述执行机构包括球形壳体；所述球形壳体包括球形壳体一(1)、球形壳体二(8)；转向电机(16)输出动力经过转向锥齿轮(12)传给转向轴(11)再传给所述转向架，所述转向架将动力传递给所述球形壳体，实现转向；驱动电机(17)输出动力通过齿轮啮合传递给传动轮一(3)，再将动力经过所述传动锥齿轮传给所述球形壳体，实现前进或后退。
2.根据权利要求1所述的一种全向滚动球形机器人，其特征在于：所述转向架一(2)、转向架二(7)、转向轴(11)、转向锥齿轮(12)相对锁定，形成的整体通过可转动结构与所述球形壳体联接，所述可转动结构轴线通过所述球形壳体形心且与所述传动锥齿轮轴线共线。
3.根据权利要求1所述的一种全向滚动球形机器人，其特征在于：所述传动轮一(3)、传动轮二(6)相对锁定，二者形成的整体通过可转动结构与转向轴(11)联接，所述可转动结构轴线与转向轴(11)轴线重合且通过所述传动轮形心。
4.根据权利要求1所述的一种全向滚动球形机器人，其特征在于：所述传动锥齿轮一(4)与球形壳体一(1)相对锁定且二者旋转对称轴共线，传动锥齿轮二(9)与球形壳体二(8)相对锁定且二者旋转对称轴共线，传动锥齿轮一(4)与传动锥齿轮二(9)旋转对称轴共线。
5.根据权利要求1所述的一种全向滚动球形机器人，其特征在于：所述传动轮二(6)边缘有轮齿，传动轮一(3)边缘有轮齿且旋转对称轴处固联锥齿轮，传动轮一(3)分别与传动锥齿轮一(4)、驱动电机(17)通过齿轮传动，传动轮二(6)与传动锥齿轮二(9)通过齿轮传动。
6.根据权利要求1所述的一种全向滚动球形机器人，其特征在于：所述转向电机(16)通过齿轮啮合驱动转向锥齿轮(12)带动所述转向架绕转向轴(11)轴线转动，所述转向架带动所述球形壳体绕转向轴(11)轴线转动。
7.根据权利要求1所述的一种全向滚动球形机器人，其特征在于：所述驱动电机(17)通过齿轮啮合驱动所述传动轮绕转向轴(11)轴线转动，所述传动轮通过轮缘轮齿结构实现齿轮传动以驱动所述传动锥齿轮，进而带动所述球形壳体绕所述传动锥齿轮轴线转动。
8.根据权利要求1所述的一种全向滚动球形机器人，其特征在于：所述转向电机(16)、驱动电机(17)与搭载平台及配重(13)相对锁定，搭载平台及配重(13)通过可转动结构与转向轴(11)联接，所述可转动结构轴线与转向轴(11)轴线重合。
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