CN105128967A - 一种全方位运动球形机器人 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种全方位运动球形机器人，包含球壳、弧轨、机架和全向轮；所述弧轨设在所述球壳内，所述弧轨两端共轴穿过并支撑在球壳的直径上；所述机架设在所述球壳内，所述机架的上部由轨轮和导轮支撑在所述弧轨上；所述全向轮安装在所述机架的底部；由上述本发明的实施例提供的技术方案可以看出，本发明实施例具有以下益处：利用全向轮在两个方向可同时滚动的特性，来驱动球内单偏心质量实现全向运动的球形机器人；可动件质量远离球心，最大化地增强球形机器人的机动性和动力效率；由于机架位于弧轨下方，可以较好地识别自身位姿，为实现智能控制提供了便利；结构简单，不需要高精度的零部件，从而可降低工程化成本。

Description

一种全方位运动球形机器人

技术领域

本发明涉及运动球形机器人技术领域，尤其涉及一种全方位运动球形机器人。

背景技术

随着人们对机器人应用的不断深化，需要机器人在一些恶劣、复杂的环境下执行特定任务。这就需要机器人具有更好的机械运动性能和适应任务环境的密闭性能，因此，探索一种新型驱动原理的移动式球形机器人就成为新技术追求的一个重要目标。

现有某些球形机器人由于产生行走和转向的偏心力矩主要由不同的质量块产生，不能产生既有质量下的最大的偏心力矩，局限了球形机器人的运动性能。

而其它一些球形机器人由于其行走驱动位于球心高度的直径基座上，转向驱动位于半圆环轨上的质量小车中，行走驱动与转向驱动的质心分离，该机构不能最大化既有质量的偏心驱动力矩，在一定程度上限制了机器人的运动性能。

发明内容

为了能够最大化既有质量的偏心力矩，提高机器人的运动性能，本发明的实施例提供了一种全方位运动球形机器人，包含球壳、弧轨、机架和全向轮；所述弧轨设在所述球壳内，所述弧轨两端共轴穿过并支撑在球壳的直径上；所述机架设在所述球壳内，所述机架的上部由轨轮和导轮支撑在所述弧轨上；所述全向轮安装在所述机架的底部。

进一步地，所述机架内还包含有多个轨轮、多个导轮、转向电机、行走电机和弹簧；所述轨轮沿弧轨外侧周向布置在所述机架内；所述导轮布置在所述弧轨前、后两侧的所述机架内；所述转向电机驱动所述导轮；所述弹簧位于所述机架的槽内，所述弹簧支撑所述轨轮；所述行走电机位于所述机架内驱动所述全向轮。

进一步地，所述机架上还设有驱动的控制系统和无线操作系统，所述控制系统为可编程控制器；所述无线操作系统为蓝牙模块。

进一步地，所述弧轨采用断面为槽型、方型或工字型的轨道制成，便于支撑所述导轮和靠摩擦力工作的所述轨轮。

进一步地，所述弧轨制成齿轨；所述驱动轨轮采用齿轮；所述内齿轨上还设有挂轮；所述挂轮与所述齿轮连接，保持齿轨与齿轮的啮合。

进一步地，所述齿轨分为内齿轨或外齿轨。

进一步地，所述轨轮布置两个或两个以上。

进一步地，所述导轮布置两个或两个以上。

由上述本发明的实施例提供的技术方案可以看出，本发明实施例具有以下益处：

1、利用全向轮在两个正交方向可同时滚动的特性，来驱动球内单偏心质量实现全向运动的球形机器人。机构原理简洁，控制全向运动的策略直观，容易工程化实现；

2、将行走电机、转向电机和控制系统等都集成在机架上，为球形机器人的系统集成带来方便；

3、可动件质量远离球心，即承载机架贴于球壳内表面运动，为球形机器人同时提供了最大化的偏心驱动力矩和转向力矩，进而最大化地增强球形机器人的机动性和动力效率；

4、由于机架位于弧轨下方，理论上球壳内的机架上方将可以提供最大化的载物空间和能力；

5、本发明的机构位于球心和弧轨的下方，可以较好地识别自身位姿，为实现智能控制提供了便利；

6、本发明结构简单，不需要高精度的零部件，从而可降低工程化成本。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例一种全方位运动球形机器人的整体结构示意图；

图2是本发明实施例一种全方位运动球形机器人的直线行走运动示意图；

图3是本发明实施例一种全方位运动球形机器人的转向行走运动示意图。

图中各标记如下：1球壳，2弧轨，3机架，4轨轮，5转向电机，6全向轮，7行走电机，8弹簧，9导轮。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以几个具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个实施例并不构成对本发明实施例的限定。

实施例一

为了解决上述现有技术的缺点，本发明实施例设计了一种全方位运动球形机器人，如图1至图3所示，包括球壳1、弧轨2、机架3、轨轮4、全向轮6和导轮9；弧轨2设在球壳1内，弧轨2两端共轴穿过并支撑在球壳1的直径上；机架3设在球壳1内，机架3的上部由轨轮4和导轮9支撑在弧轨2上；全向轮6安装在机架3的底部。

实施例二

为了解决上述现有技术的缺点，本发明实施例设计了一种全方位运动球形机器人，如图1至图3所示，包括球壳1、弧轨2、机架3、轨轮4、全向轮6和导轮9；弧轨2设在球壳1内，弧轨2两端共轴穿过并支撑在球壳1的直径上；机架3设在球壳1内，机架3的上部由轨轮4和导轮9支撑在弧轨2上；全向轮6安装在机架3的底部。机架3内还包含有两个轨轮4、两个导轮9、转向电机5、行走电机7和弹簧8；轨轮4沿弧轨2外侧周向布置在机架3内；导轮9布置在弧轨2前、后两侧的机架3内；转向电机5设在机架3上驱动轨轮4；弹簧8位于机架3的槽内，弹簧8支撑轨轮4；弹簧8提供轨轮4对弧轨2的压力，同时使全向轮6和轨轮4适应球壳1与弧轨2间的间隙差异；行走电机7设在机架3上驱动全向轮6。除弧轨2外，所有球内质量都位于机架3上，机架3等重心远离球心，可产生最大的偏心驱动行走力矩；轨轮4由转向电机5提供其沿弧轨2滚动的动力，同时拖动机架3和全向轮6等沿弧轨2周向的运动，从而得到球形机器人的转向运动，因机架3等重心远离球心而产生最大的偏心驱动转向力矩。

实施例三

为了解决上述现有技术的缺点，本发明实施例设计了一种全方位运动球形机器人，如图1至图3所示，包括球壳1、弧轨2、机架3、轨轮4、全向轮6和导轮9；弧轨2设在球壳1内，弧轨2两端共轴穿过并支撑在球壳1的直径上；机架3设在球壳1内，机架3的上部由轨轮4和导轮9支撑在弧轨2上；全向轮6安装在机架3的底部。机架3内还包含有两个轨轮4、两个导轮9、转向电机5、行走电机7和弹簧8；轨轮4沿弧轨2外侧周向布置在机架3内；导轮9布置在弧轨2前、后两侧的机架3内；转向电机5设在机架3上驱动轨轮4；弹簧8位于机架3的槽内，弹簧8支撑轨轮4；弹簧8提供轨轮4对弧轨2的压力，同时使全向轮6和轨轮4适应球壳1与弧轨2间的间隙差异；行走电机7设在机架3上驱动全向轮6。除弧轨2外，所有球内质量都位于机架3上，机架3等重心远离球心，可产生最大的偏心驱动行走力矩；轨轮4由转向电机5提供其沿弧轨2滚动的动力，同时拖动机架3和全向轮6等沿弧轨2周向的运动，从而得到球形机器人的转向运动，因机架3等重心远离球心而产生最大的偏心驱动转向力矩。机架3上还设有驱动的控制系统和无线操作系统，控制系统为可编程控制器；无线操作系统为蓝牙模块；可编程控制器和蓝牙模块均为市场上可以买到的现有设备，并非本发明的重要技术特征。

实施例四

为了解决上述现有技术的缺点，本发明实施例设计了一种全方位运动球形机器人，如图1至图3所示，包括球壳1、弧轨2、机架3、轨轮4、全向轮6和导轮9；弧轨2设在球壳1内，弧轨2两端共轴穿过并支撑在球壳1的直径上；机架3设在球壳1内，机架3的上部由轨轮4和导轮9支撑在弧轨2上；全向轮6安装在机架3的底部。机架3内还包含有两个轨轮4、两个导轮9、转向电机5、行走电机7和弹簧8；轨轮4沿弧轨2外侧周向布置在机架3内；导轮9布置在弧轨2前、后两侧的机架3内；转向电机5设在机架3上驱动轨轮4；弹簧8位于机架3的槽内，弹簧8支撑轨轮4；弹簧8提供轨轮4对弧轨2的压力，同时使全向轮6和轨轮4适应球壳1与弧轨2间的间隙差异；行走电机7设在机架3上驱动全向轮6。除弧轨2外，所有球内质量都位于机架3上，机架3等重心远离球心，可产生最大的偏心驱动行走力矩；轨轮4由转向电机5提供其沿弧轨2滚动的动力，同时拖动机架3和全向轮6等沿弧轨2周向的转向运动，从而得到球形机器人的转向运动，因机架3等重心远离球心而产生最大的偏心驱动转向力矩。机架3上还设有驱动的控制系统和无线操作系统，控制系统为可编程控制器；无线操作系统为蓝牙模块；可编程控制器和蓝牙模块均为市场上可以买到的现有设备，并非本发明的重要技术特征。弧轨2采用断面为槽型、方型或工字型的轨道制成，便于支撑导轮9和靠摩擦力工作的轨轮4。因机架3与弧轨2是两个独立体，位姿处于死点，驱动全向轮6将带动弧轨2和机架3脱离死点，进而会使全向轮6失去对球壳1的径向压力和驱动摩擦力，导轮9对称布置于弧轨2前、后两侧，保证弧轨2与机架3在行走的过程中位姿始终处于死点，进而两者可同步行走运动。

实施例五

为了解决上述现有技术的缺点，本发明实施例设计了一种全方位运动球形机器人，如图1至图3所示，包括球壳1、弧轨2、机架3、轨轮4、全向轮6和导轮9；弧轨2设在球壳1内，弧轨2两端共轴穿过并支撑在球壳1的直径上；机架3设在球壳1内，机架3的上部由轨轮4和导轮9支撑在弧轨2上；全向轮6安装在机架3的底部。机架3内还包含有两个轨轮4、两个导轮9、转向电机5、行走电机7和弹簧8；轨轮4沿弧轨2外侧周向布置在机架3内；导轮9布置在弧轨2前、后两侧的机架3内；转向电机5设在机架3上驱动轨轮4；弹簧8位于机架3的槽内，弹簧8支撑轨轮4；弹簧8提供轨轮4对弧轨2的压力，同时使全向轮6和轨轮4适应球壳1与弧轨2间的间隙差异；行走电机7设在机架3上驱动全向轮6。除弧轨2外，所有球内质量都位于机架3上，机架3等重心远离球心，可产生最大的偏心驱动行走力矩；轨轮4由转向电机5提供其沿弧轨2滚动的动力，同时拖动机架3和全向轮6等沿弧轨2周向的转向运动，从而得到球形机器人的转向运动，因机架3等重心远离球心而产生最大的偏心驱动转向力矩。机架3上还设有驱动的控制系统和无线操作系统，控制系统为可编程控制器；无线操作系统为蓝牙模块；可编程控制器和蓝牙模块均为市场上可以买到的现有设备，并非本发明的重要技术特征。弧轨2制成齿轨；齿轨分为内齿轨或外齿轨；轨轮4采用齿轮；内齿轨外还设有挂轮；挂轮与齿轮连接，保持齿轨与齿轮的啮合，实现无滑移的转向驱动。因机架3与弧轨4是两个独立体，位姿处于死点，驱动全向轮6将带动弧轨2和机架3脱离死点，进而会使全向轮6失去对球壳1的径向压力和驱动摩擦力，导轮9对称布置于弧轨2前、后两侧，保证弧轨2与机架3在行走的过程中位姿始终处于死点，进而两者可同步行走运动。

在优选方案中，轨轮4至少布置两个或两个以上；为了保证转向运动，轨轮4始终与弧轨2具有所需压力。

在优选方案中，导轮9至少布置两个或两个以上，为了减小转向运动时弧轨2与机架3的摩擦阻力。

由上述本发明的实施例提供的技术方案可以看出，本发明实施例具有以下益处：

1、利用全向轮在两个正交方向可同时滚动的特性，来驱动球内单偏心质量实现全向运动的球形机器人。机构原理简洁，控制全向运动的策略直观，容易工程化实现；

2、将行走电机、转向电机和驱动控制系统等都集成在机架上，为球形机器人的系统集成带来方便；

3、可动件质量远离球心，即承载机架贴于球壳内表面运动，为球形机器人同时提供了最大化的偏心驱动行走力矩和转向力矩，进而最大化地增强球形机器人的机动性和动力效率；

4、由于机架位于弧轨下方，理论上球壳内的机架上方将可以提供最大化的载物空间和能力；

5、本发明的机构可以较好地识别自身位姿，为实现智能控制提供了便利；

6、本发明结构简单，不需要高精度的零部件，从而可降低工程化成本。

以上，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种全方位运动球形机器人，其特征在于，

包含球壳、弧轨、机架和全向轮；

所述弧轨设在所述球壳内，所述弧轨两端共轴穿过并支撑在球壳的直径上；

所述机架设在所述球壳内，所述机架的上部由轨轮和导轮支撑在所述弧轨上；

所述全向轮安装在所述机架的底部。

2.根据权利要求1所述的全方位运动球形机器人，其特征在于：

所述机架内还包含有多个轨轮、多个导轮、转向电机、行走电机和弹簧；

所述轨轮在所述机架内沿弧轨外侧周向布置；

所述导轮布置在所述机架内位于所述弧轨的前、后两侧；

所述转向电机设在所述机架上，驱动所述轨轮；

所述弹簧位于所述机架的槽内，所述弹簧一端支撑所述轨轮；

所述行走电机设在所述机架上，驱动所述全向轮。

3.根据权利要求2所述的全方位运动球形机器人，其特征在于：

所述机架上还设有驱动的控制系统和无线操作系统，所述控制系统为可编程控制器；所述无线操作系统为蓝牙模块。

4.根据权利要求3所述的全方位运动球形机器人，其特征在于：

所述弧轨采用断面为槽型、方型或工字型的轨道制成，便于支撑所述导轮和靠摩擦力工作的所述轨轮。

5.根据权利要求4所述的全方位运动球形机器人，其特征在于：

所述弧轨制成齿轨，所述齿轨为外齿轨或内齿轨；

所述转向电机驱动的轨轮采用齿轮；

所述内齿轨外还设有挂轮；

所述挂轮与所述齿轮连接，保持齿轨与所述齿轮的啮合。

6.根据权利要求2所述的全方位运动球形机器人，其特征在于，

所述轨轮布置两个或两个以上。

7.根据权利要求2所述的全方位运动球形机器人，其特征在于，

所述导轮布置两个或两个以上。