CN104760492A - 一种全步姿行走球形机器人 - Google Patents

Abstract

一种全步姿行走球形机器人，主要包括球壳、步进电机、传动轴、球形万向轮以及全向轮组，在球壳中设有平台，在平台顶面中心垂直固接平台座，在平台座上通过圆柱螺旋压缩弹簧连接导杆，在导杆顶端连接球形万向轮；在平台底面垂直固定连接座，在连接座底端套接质量盘，在质量盘上安装有质量盘托架；在平台底面安装4组传动机构，所述每组传动机构包括步进电机、同步带轮、同步齿形带、传动轴和全向轮组，步进电机的轴上套接同步带轮，通过同步齿形带传动，带动传动轴上的全向轮组运动；步进电机均与单片机连接；所述导杆顶端的球形万向轮与球壳内壁接触，平台上的全向轮与球壳内壁接触。本发明具有控制准确简单、运动灵活、成本低等优点。

Description

一种全步姿行走球形机器人

技术领域

本发明涉及机电一体化领域，尤其是一种球形机器人。

背景技术

球形机器人是球状的移动机器人，能在泥、沙、雪甚至水中行动，也可在有毒气体泄露、辐射、生物危害环境下活动，适合危险环境探测、太空开发、消防救灾、军事活动、科学考察、家庭服务和娱乐等领域。

已知，由于球形机器人具有的外壳和运动形式的特殊性，使其与我们熟知的轮式或轨道式以及类人机器人相比较，具有能在失稳后获得最大的稳定性，可以实现全向滚动，能够更加灵活转弯等诸多优点。该平台根据驱动属性可将该平台分为两类：内驱动和外部风力驱动。虽然很多知名的科学家们普遍认为其广阔的应用前景，但是目前在该机器人的驱动原理、内部结构、尺寸大小、球壳制作等一系列方面仍然处于探索阶段，进入实用化阶段的该平台还十分有限，技术不够成熟，我国目前球形平台的研究还处于实验研究阶段，虽然出现了各种各样的具有不同驱动机构的球形平台，但是很少有人对其进行深入的动力学分析和研究，制约了球形平台的运动性能分析和控制技术的发展。

目前，球形机器人普遍存在以下问题，一是部分球形机器人采用二驱动和三驱动实现的三自由度球形机器人存在运动死区，不具备避障功能；二是采用四驱动形式实现的三自由度球形机器人存在成本高，控制复杂、运动不灵活等缺点。

发明内容

本发明目的在于提供一种控制准确、运动灵活、成本低、结构合理的全步姿行走球形机器人。

为实现上述目的，采用了以下技术方案：本发明主要包括球壳、步进电机、传动轴、球形万向轮以及全向轮组，在球壳中设有一个平台，所述平台为板体结构，在平台顶面中心垂直安装平台座，在平台底面中心垂直安装杆体结构的连接座，平台座和连接座通过六角螺栓B和六角螺母B垂直固接在平台中心的两端；在平台座上通过圆柱螺旋压缩弹簧连接一根导杆，在导杆顶端通过六角螺栓A和六角螺母A连接球形万向轮，球形万向轮与球壳内壁接触；导杆和平台座处于同一直线且与平台垂直；在连接座底端套接一个圆盘状的质量盘，在质量盘上安装有质量盘托架，质量盘与质量盘托架通过六角螺栓C和六角螺母C固接在一起后再用开槽紧定螺钉紧固在连接座上；在平台的边缘对称开设4个豁口，在平台底面对应每个豁口两侧安装两个对称的轴承座，在轴承座之间安装传动轴，在传动轴上安装全向轮组，平台上的全向轮组与球壳内壁接触，所述每根传动轴与一组传动机构相连。

所述每组传动机构包括步进电机、步进电机架、同步带轮、同步齿形带、传动轴以及全向轮组，步进电机架安装在平台底面，在电机架上固定步进电机，步进电机输出轴上直接安装电机同步带轮，电机同步带轮用紧定螺钉紧定在电机的输出轴上，在传动轴上安装传动轴同步带轮，电机同步带轮与传动轴同步带轮通过同步齿形带连接；所述四组传动机构呈四角对称安装在平台底面，相互对称的两个步进电机保持同步且同轴向，4个步进电机均与单片机连接，单片机安装在平台上，单片机信号输入端与遥控器无线连接。

在所述导杆上安装红外线感应器，该红外线感应器与单片机输入端口连接。

所述平台为正八边形或圆形板体结构，其表面4个豁口四等分对称。

在每根传动轴上安装1组全向轮组，每组全向轮组由2个全向轮组成。

工作过程如下：

通过单片机的程序对4个步进电机进行控制，可遥控控制电机转速的输出，通过步进电机带动同步带传动，使传动轴上的全向轮组转动，完成对全向轮组的控制，使全向轮组具有指定速度，利用全向轮组与球壳的摩擦力作用，推动机器人行走，使机器人在x、y方向具有不同速度，利用速度合成，实现任意轨迹的运动，即全步姿的行走方式。在行走过程中，通过红外线感应器感测前方路况，通过红外线感应信号，驱动单片机使电机产生相应的速度信号，速度合成后使球形机器人绕过障碍物，实现对障碍的躲避。该机器人的内部采用质量盘来保持重心的稳定，上方采用球形万向轮和弹簧顶柱的结构，使全向轮与球壳能保持时刻紧压状态，也有保持运动平衡的作用。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：该机器人运转灵活无死点、可远程控制，具备自动避障功能，可广泛应用于地质勘测、家庭服务、医疗卫生等诸多领域。

附图说明

图1为本发明的主视图。

图2为图1中A-A剖视图。

图3为图2中B-B剖视图。

附图标号：1—球形万向轮、2—六角螺栓A、3—六角螺母A、4—导杆、5—圆柱螺旋压缩弹簧、6—红外线感应器、7—平台座、8—六角螺栓B、9—六角螺母B、10—平台、11—全向轮组A、12—质量盘、13—轴承座A、14—步进电机A、15—六角螺栓C、16—六角螺母C、17—开槽锥端紧定螺钉、18—质量盘托架、19—连接座、20—电机端同步带轮、21—传动轴上同步带轮、22—传动轴、23—轴承座B、24—全向轮组B、25—单片机、26—球壳、27—全向轮组C、28—全向轮组D、29—同步齿形带、30—过渡节、31—深沟球轴承A、32—紧定螺钉A、33—内六角螺栓、34—紧定螺钉B、35—深沟球轴承B、36—步进电机C、37—步进电机B、38—步进电机D。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明：

如图1、2所示，本发明主要包括球壳、步进电机、传动轴、球形万向轮以及全向轮组，在球壳26中设有一个平台10，所述平台为板体结构，在平台顶面中心垂直安装平台座7，在平台底面中心垂直安装杆体结构的连接座19，平台座和连接座通过六角螺栓B8和六角螺母B9垂直固接在平台中心的两端；在平台座上通过圆柱螺旋压缩弹簧5连接一根导杆4，在导杆顶端通过六角螺栓A2和六角螺母A3连接球形万向轮1，球形万向轮与球壳内壁接触；导杆和平台座处于同一直线且与平台垂直；在连接座底端套接一个圆盘状的质量盘12，在质量盘上安装有质量盘托架18，质量盘与质量盘托架通过六角螺栓C15和六角螺母C16固接在一起后再用开槽紧定螺钉17紧固在连接座上；在平台的边缘对称开设4个豁口，在平台底面对应每个豁口两侧安装两个对称的轴承座，在轴承座之间安装传动轴22，在传动轴上安装全向轮组，平台上的全向轮组与球壳内壁接触，所述每根传动轴与一组传动机构相连。

所述每组传动机构包括步进电机、步进电机架、同步带轮、同步齿形带、传动轴以及全向轮组，其布置形式如图2所示，步进电机架安装在平台底面，在电机架上固定步进电机，步进电机输出轴上直接安装电机同步带轮，电机同步带轮用紧定螺钉紧定在电机的输出轴上，在传动轴上安装传动轴同步带轮，电机同步带轮与传动轴同步带轮通过同步齿形带连接。

以其中一组为例，说明其连接关系：步进电机A14的输出轴上安装有电机端同步带轮20，它与传动轴22上的传动轴上同步带轮21用同步齿形带29连接，全向轮组C27也安装在传动轴上，如图3所示，传动轴上同步带轮用紧定螺钉A32安装在传动轴上，全向轮组C先与过渡节30用内六角螺栓33固联后，靠过渡节上的紧定螺钉B34安装在传动轴上，传动轴通过深沟球轴承A31和深沟球轴承B35安装在与平台豁口两侧固联的轴承座A13及轴承座B23上。所述四组传动机构呈四角对称安装在平台底面，相互对称的两个步进电机保持同步且同轴向，4个步进电机均与单片机连接，单片机安装在平台上，单片机信号输入端与遥控器无线连接。

其传动运动过程如下：步进电机A14接收到单片机25的信号旋转，带动其输出轴端上的同步带轮旋转，通过同步齿形带传动带动传动轴上的同步带轮旋转，从而使传动轴上的全向轮组C按照给定的速度旋转。

在所述导杆上安装红外线感应器6，该红外线感应器与单片机输入端口连接。

所述平台为正八边形或圆形板体结构，其表面4个豁口四等分对称。

在每根传动轴上安装1组全向轮组，即图2中全向轮组A11、全向轮组B24、全向轮组C27、全向轮组D28，每组全向轮组由2个全向轮组成。

下面通过具体实验说明全步姿行走球形机器人的工作过程。

实验开始时，步进电机A和步进电机B37不工作，球形机器人保持静止。首先让x轴上的步进电机C36和步进电机D38工作，电机带动x轴上的全向轮组A和全向轮组B转动，全向轮组与球壳摩擦，推动球体沿x轴方向运动。让y轴上电机工作，同理，使球体沿y轴方向运动。让四个电机同时工作并具有相同转速，可实现球形机器人45°方向的运动。改变X轴和Y轴电机的不同速度，利用速度合成原理，即可合成不同的速度轨迹，从而使球形机器人沿任意轨迹运动，实现全步姿行走方式。在此过程中质量盘始终控制重心在球形机器人的下方，使重心稳定。

以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (5)

1.一种全步姿行走球形机器人，主要包括球壳、步进电机、传动轴、球形万向轮以及全向轮组，其特征在于：在球壳中设有一个平台，所述平台为板体结构，在平台顶面中心垂直安装平台座，在平台底面中心垂直安装杆体结构的连接座，平台座和连接座通过六角螺栓B和六角螺母B垂直固接在平台中心的两端；在平台座上通过圆柱螺旋压缩弹簧连接一根导杆，在导杆顶端通过六角螺栓A和六角螺母A连接球形万向轮，球形万向轮与球壳内壁接触；导杆和平台座处于同一直线且与平台垂直；在连接座底端套接一个圆盘状的质量盘，在质量盘上安装有质量盘托架，质量盘与质量盘托架通过六角螺栓C和六角螺母C固接在一起后再用开槽紧定螺钉紧固在连接座上；在平台的边缘对称开设4个豁口，在平台底面对应每个豁口两侧安装两个对称的轴承座，在轴承座之间安装传动轴，在传动轴上安装全向轮组，平台上的全向轮组与球壳内壁接触，所述每根传动轴与一组传动机构相连。

2.根据权利要求1所述的一种全步姿行走球形机器人，其特征在于：所述每组传动机构包括步进电机、步进电机架、同步带轮、同步齿形带、传动轴以及全向轮组，步进电机架安装在平台底面，在电机架上固定步进电机，步进电机输出轴上直接安装电机同步带轮，电机同步带轮用紧定螺钉紧定在电机的输出轴上，在传动轴上安装传动轴同步带轮，电机同步带轮与传动轴同步带轮通过同步齿形带连接；所述四组传动机构呈四角对称安装在平台底面，相互对称的两个步进电机保持同步且同轴向，4个步进电机均与单片机连接，单片机安装在平台上，单片机信号输入端与遥控器无线连接。

3.根据权利要求1所述的一种全步姿行走球形机器人，其特征在于：在所述导杆上安装红外线感应器，该红外线感应器与单片机输入端口连接。

4.根据权利要求1所述的一种全步姿行走球形机器人，其特征在于：所述平台为正八边形或圆形板体结构，其表面4个豁口四等分对称。

5.根据权利要求1所述的一种全步姿行走球形机器人，其特征在于：在每根传动轴上安装1组全向轮组，每组全向轮组由2个全向轮组成。