CN105416428A - 一种搭载有控制力矩陀螺，并且具有原地自转能力的球形机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种搭载有控制力矩陀螺，并且具有原地自转能力的球形机器人，机器人主要由均质球壳、前进驱动机构、转向机构、控制力矩陀螺机构和重摆等部分组成。所述转向机构由两个转向电机、转向齿轮机构以及齿形带轮机构等组成，通过两个电机输出力矩的配合从而实现球体的原地转向。同时，机器人搭载了控制力矩陀螺机构，它主要由飞轮、飞轮转动电机、飞轮固定框架、框架转动舵机和齿形带轮机构组成，利用高速转动的陀螺转子的进动效应来提供额外的进动力矩使得机器人具有更大的运行速度和爬坡越障能力。本发明所述的球形机器人不仅能够原地转向，且运行速度较大，大大增强了球形机器人的运动快速性和灵活性，具有很大的应用前景。

Description

一种搭载有控制力矩陀螺，并且具有原地自转能力的球形机器人

技术领域：

本发明涉及了一种搭载有控制力矩陀螺，并且具有原地自转能力的球形机器人，由于陀螺的进动效应因而具有很大的额外进动力矩，因此机器人的运行速度及爬坡、越障能力得到了大大提升，适用于一些地形较为崎岖，需要球形机器人具有较大速度或爬坡、越障能力的场合，涉及新型机器人技术开发领域。

背景技术：

球形机器人是指一类将运动机构、传感器、控制器等内置于一个球壳内部、利用球壳作为滚动行走装置的移动机器人。与传统的轮式、履带式等移动机器人相比，球形机器人的优点在于：①运动灵活，能够穿过孔径略大于其直径的曲折通道；②具有类似不倒翁的特性，行走过程中与障碍物或其他的运动机构发生碰撞也会在经过短暂的不规则运动后恢复稳态；③当发生从高处跌落等危险情况时，仍然可以继续工作，不存在翻仰问题；④无尖锐的外凸物，适合工作在有人活动的场所。因此，球形机器人在野外作业、反恐及灾难救援和社会服务等领域具有广阔的应用前景。

受限于全封闭的球形外壳和特殊的滚动行走方式，现有的球形机器人往往运动稳定性不高，运动速度较小，而且越障爬坡能力不强，不能原地自转，相应的转弯半径也比较大，对于较为崎岖或者狭窄扭曲的环境，不能有效的进行前进与转弯。针对这些问题，本发明采用了一种新型的球形机器人机械结构设计，在内部空间有限的球形机器人中设计了新型的控制力矩陀螺机构和转向结构，一方面弥补了之前球形机器人运动速度小、越障能力差、不能自转等一系列问题，同时设计的机器人结构紧凑，质量较小，对机器人内部空间有了充分的利用。

发明内容：

本专利的发明旨在设计一款新型的搭载有控制力矩陀螺机构，并可实现原地自转的球形机器人。一方面由于控制力矩陀螺能够提供很大进动力矩的作用，机器人具有较大的运行速度和爬坡越障能力，另一方面机器人能够利用新型机构灵活地实现原地转动和前进、后退运动。

本发明主要采用如下技术方案：

搭载有控制力矩陀螺，并且具有原地自转能力的球形机器人，它主要包括均质球壳、前进驱动机构、转向机构、控制力矩陀螺机构等部分；其特征在于：所述球壳由半球壳、连接片和法兰盘所组成，两个半球壳之间通过连接片、法兰盘互相连接形成一个完整的球体；所述前进驱动机构由长轴电机、均质框架、长轴齿轮、空心长轴套和重摆等部分组成；所述转向机构由两个转向电机、转向齿轮机构以及齿形带轮机构等组成，通过两个电机输出力矩之间的配合，驱动均质框架和重摆进行转动，从而实现球形机器人的原地转向；所述控制力矩陀螺机构由飞轮、飞轮转动电机、飞轮固定框架、框架转动舵机和齿形带轮机构等组成；所述重摆主要包括重摆底盘以及安装在其上的驱动电机和电池等组成。

所述的前进驱动机构主要由均质框架、长轴电机、长轴齿轮、长轴套和重摆等部分组成。

长轴齿轮包括长轴主动齿轮和长轴从动齿轮；其中，长轴主动齿轮通过顶丝安装在长轴电机输出轴上，与长轴从动齿轮之间相互啮合并形成齿轮副，长轴从动齿轮固连在长轴套上，长轴套一端通过滚动轴承和均质框架之间形成滚动连接，另一端通过螺栓与法兰盘固连在一起，这样在电机驱动长轴主动齿轮转动时，长轴从动齿轮随之转动，带动与长轴从动齿轮固定的长轴套一起转动，从而带动球壳滚动实现机器人的前进运动。由于重摆的质量相对球壳来说要重得多，因此电机会直接驱动球壳转动，重摆保持相对稳定状态(由于长轴套和均质框架之间采用的是滚动连接，因此均质框架在长轴套转动的时候会保持相对稳定)。

所述转向机构主要由均质框架、两个转向电机、转向齿轮机构以及齿形带轮机构等部分组成。

均质框架底部安装有一个轴承座，通过轴承座中装配的滚动轴承和重摆摆杆之间形成滚动配合，轴承座上固定有一个定位圆片，通过螺栓将其和重摆摆杆固连在一起，实现重摆的定位。两个转向电机均固定在重摆上，其中电机1的输出轴端固定有转向小齿轮，电机2的输出轴端固定有转向小带轮，分别驱动其转动。转向大齿轮以及转向大带轮上均开有通孔，通过螺栓和均质框架固连在一起，分别和重摆摆杆之间通过滚动轴承形成滚动配合。通过两个电机输出力矩的相对配合，同时控制均质框架与重摆构件进行转向，带动球壳转动，从而实现球形机器人的原地转向。

所述控制力矩陀螺机构主要由飞轮、飞轮转动电机、飞轮固定框架、框架转动舵机和齿形带机构等构成。

飞轮转子安装在飞轮固定框架中，并在飞轮转动电机的驱动下高速旋转，飞轮固定框架通过框架连接件与倾斜大带轮连接在一起，倾斜大带轮通过齿形带与倾斜小带轮之间形成传动配合，当框架转动舵机带动固定在其输出轴上的倾斜小带轮转动时，大带轮会随之转动，从而带动飞轮固定框架倾斜，使得飞轮转子也倾斜一定的角度。由于飞轮转动速度很大，而且倾斜的速度和角度均由舵机控制，因而由于陀螺的进动效应，控制力矩陀螺机构可以产生很大数量级的进动力矩，使得球形机器人具有更大的启动力矩，更快的运行速度和更高的越障能力。

所述重摆主要包括重摆底盘以及安装在其上的驱动电机和电池等组成，同时，控制力矩陀螺机构也可视作重摆的一部分，这样，重摆便不需要增添额外的负重。由于重摆的质量相较于球壳要大很多，因此在长轴电机驱动齿轮转动时会直接带动球壳转动实现机器人的前进运动。

本发明设计的球形机器人具有以下优点：

1.在球形机器人内部设计了一种新型的控制力矩陀螺机构，一方面利用高速旋转飞轮的陀螺进动效应为机器人提供额外的进动力矩，使得机器人具有更大的运行速度，更高的爬坡越障能力；另一方面，飞轮也可作为重摆的配重，使得机器人在前进时稳定性更强，不会给机器人增加额外配重，造成很大的系统负担。

2.在球形机器人内部设计了一种新型的转向机构，利用两个转向电机分别控制转向齿轮机构和齿形带轮机构运动，通过其输出力矩间的相互配合以实现框架和重摆之间的相对转动，从而进一步实现球形机器人本身的原地转动。

3.均质框架、长轴套都采用中空设计，一方面利于安装电机、轴承等设备，同时利于电机的走线；另一方面采用中空设计可以大幅减轻零件的质量，使得系统的质量更加集中于重摆，使机器人具有更大的运行速度和灵活性，有利于机器人的控制。

4.球壳采用复合材料加工，并设计成两个半球壳通过连接片和法兰盘形成一个完整的球体，这种结构设计使得内部机构的安装和放置更加简单方便，而且球壳受力更均匀，具有更好的力学性能，同时也利于球壳加工。

5.在球壳内部将重摆和控制力矩陀螺安装机构结合在一起，使得内部机构体积更小，对球壳内部空间有了更大的利用，并且不需要额外配重，使得整个机器人系统的质量大幅度降低。

附图说明

图1为搭载有控制力矩陀螺，并且具有原地自转能力的球形机器人的结构图；

图2为该球形机器人剖面结构图；

图3为该球形机器人内部框架及重摆结构图；

图4为内部框架及重摆机构侧视图；

图5为内部框架及重摆机构俯视图；

图6为转向机构剖面结构图；

图7为飞轮转子及框架结构图；

图8为飞轮转子及框架剖面结构图；

图中标号:1：均质球壳；2：框架转动舵机；3：飞轮转动电机；4：法兰盘；5：空心长轴套；6：长轴从动齿轮；7：长轴主动齿轮；8：球壳连接片；9：均质框架；10：框架轴承座；11：飞轮转子；12：飞轮固定框架；13：重摆；14：转向电机；15：转向小齿轮；16：转向大齿轮；17：长轴电机；18：转向大带轮；19：转向小带轮；20：转动电机箱；21：倾斜小带轮；22：框架连接件；23：倾斜大带轮；24：齿形传动带；25：长轴套轴承；26：定位圆片；27：重摆轴承座；28：重摆轴承；29：齿形带；30：飞轮连接轴承；31：电机安装架；32：飞轮框架轴承座。

具体实施方式：

下面结合附图和实例对本发明作进一步描述。

如图1所示为搭载有控制力矩陀螺，并且具有原地自转能力的球形机器人的结构图。图2为该球形机器人的剖面结构图。图3为该球形机器人内部框架及重摆结构图。图4为内部框架及重摆机构侧视图。图5为内部框架及重摆机构俯视图。图6为内部转向机构剖面结构图。图7为飞轮转子及框架结构图。图8为飞轮转子及框架剖面结构图B-B。

如图所示，搭载有控制力矩陀螺并且具有原地自转能力的球形机器人的外部球壳主要由两个均质半球壳1通过连接片8连接在一起所构成，其中球壳两端球冠部分被削去，并安装上有法兰盘4，便于内部机构的固定和安装。法兰盘4和长轴套5之间通过螺栓固连，框架轴承座10通过螺栓固连在内部均质框架9上，长轴套5另一端通过放置在框架轴承座10中的滚动轴承28和框架间形成滚动连接。

均质框架采用空心设计，内部安装有长轴电机17，长轴电机17输出轴通过顶丝固定有长轴主动齿轮7，并和长轴从动齿轮6之间形成啮合，从动齿轮6通过螺栓固定在长轴套5上。当电机17工作时，会带动从动齿轮6转动，从而带动长轴套5运动。由于长轴套5一端与球壳法兰盘固连在一起，因此便会直接带动球壳转动，实现球形机器人的滚动前进和后退。框架底部通过螺栓固定有重摆轴承座30，轴承座中安装有滚动轴承并和重摆摆杆之间形成滚动配合，在重摆和定位圆片29之间通过螺栓将其位置固定，实现重摆的定位。

球形机器人的重摆13由重摆底盘和安装在其上的转向机构及控制力矩陀螺机构等组成。其中，转向机构主要由均质框架9、转向电机14、转向齿轮机构(15,16)以及齿形带轮机构(18,19)等部分组成。两个转向电机均固定在重摆上的电机箱中，其中一个转向电机的输出轴端固定有转向小齿轮15，另一个转向电机的输出轴端固定有转向小带轮19，转向电机分别驱动转向小齿轮15和小带轮19转动。转向大齿轮16以及转向大带轮18上均开有通孔，通过螺栓和均质框架9固连在一起，其分别和重摆摆杆之间通过滚动轴承形成滚动配合。当两个电机分别驱动转向小齿轮15和转向小带轮19转动时，由于齿轮传动和带传动的特点，反向作用下在重摆上的力矩方向相反，并和电机输出力矩相等。所以，通过转向电机输出力矩的相对配合，同时控制均质框架9与重摆构件14进行转向，带动球壳转动，从而实现球形机器人的原地转向。当两个电机驱动转向小齿轮15和转动小带轮19转动时，两个电机通过输出力矩方向与大小的相互配合控制，控制均质框架与重摆偏转指定的角度，从而实现球体的原地转向。

控制力矩陀螺机构主要由飞轮转子11、飞轮转动电机3、飞轮固定框架12、框架转动舵机2和齿形带轮机构(21,23,24)等构成。飞轮转子11安装在飞轮固定框架12中，并在飞轮转动电机3的驱动下高速旋转，飞轮固定框架12通过框架连接件22与倾斜大带轮23连接在一起，倾斜小带轮21通过齿形带与倾斜大带轮23形成传动配合，当框架转动舵机2带动固定在其输出轴上的倾斜小带轮2转动时，倾斜大带轮23会随之转动，从而带动飞轮固定框架12倾斜，使得飞轮转子11也倾斜一定的角度。由于飞轮11转动速度很大，而且倾斜的速度和角度均由框架转动舵机2控制，因而由于陀螺的进动效应，控制力矩陀螺机构可以产生很大数量级的进动力矩，使得球形机器人具有更大的启动力矩，更快的运行速度和更高的越障能力。

Claims (6)

1.一种搭载控制力矩陀螺，并且具有原地自转能力的球形机器人，主要由均质球壳、前进驱动机构、转向机构、控制力矩陀螺机构等部分组成，其特征在于：

所述球壳由半球壳、连接片和法兰盘所组成，两个半球壳之间通过连接片、法兰盘互相连接形成一个完整的球体；所述前进驱动机构由长轴电机、均质框架、长轴齿轮、空心长轴套和重摆等部分组成；所述转向机构由两个转向电机、转向齿轮机构以及齿形带轮机构等组成，通过两个电机输出力矩之间的配合，驱动均质框架和重摆进行转动，从而实现球形机器人的原地转向；所述控制力矩陀螺机构由飞轮、飞轮转动电机、飞轮固定框架、框架转动舵机和齿形带轮机构等组成；所述重摆主要包括重摆底盘以及安装在其上的驱动电机和电池等组成。

2.根据权利要求1所述的球壳，其特征在于：

所述球壳由两个半球壳通过连接片和螺栓连接形成一个完整的球形外壳，球壳的球冠部分被削去，并安装上两个法兰盘，球壳与法兰盘之间利用螺栓固连，采用这样的设计，便于内部机构的安装放置和球壳的实际加工。

3.根据权利1要求所述的前进驱动机构主要由均质框架、长轴电机、长轴齿轮、空心长轴套和重摆等部分组成，其特征在于：

所述框架采用中空设计，利于固定电机的位置并减轻整体质量；其中，长轴电机安装在框架中，框架两端通过螺栓固定有两个轴承座，每个轴承座中都装配有滚动轴承；均质框架通过轴承座中的轴承与长轴套一端形成滚动连接，长轴套另一端与球壳上的法兰盘利用螺栓固连；所述驱动机构中的长轴齿轮包括长轴主动齿轮和长轴从动齿轮，其中，长轴主动齿轮通过顶丝固定在长轴电机输出轴上，与长轴从动齿轮之间形成啮合，长轴从动齿轮与长轴套固连在一起，这样在电机驱动长轴主动齿轮转动时便会带动与长轴从动齿轮固定的长轴套一起转动，从而带动球壳滚动实现机器人的前进和后退运动(由于长轴套和框架之间采用的是滚动连接，因此框架在长轴套转动的时候会保持相对稳定)。

4.根据权利1要求所述的转向机构主要由均质框架、重摆、两个转向电机、转向齿轮机构以及齿形带轮机构等组成，其特征在于：

所述转向机构中均质框架底部安装有一个轴承座，通过轴承座中装配的滚动轴承和重摆摆杆之间形成滚动配合，轴承座上放置有一个定位圆片，通过螺栓将其和重摆摆杆固连在一起，实现重摆的定位；两个转向电机均固定在重摆上，其中电机1的输出轴端固定有转向小齿轮，电机2的输出轴端固定有转向小带轮，分别驱动其转动；转向大齿轮以及大带轮上均开有通孔，通过螺栓和均质框架固连在一起，其和重摆摆杆之间通过滚动轴承形成滚动配合；通过两个电机输出力矩的相对配合，同时控制均质框架与重摆构件进行转向，而框架通过中空长轴套与球壳固连在一起，从而实现球形机器人的原地转向。

5.根据权利1要求所述的控制力矩陀螺机构主要由飞轮、飞轮转动电机、飞轮固定框架、框架转动舵机和齿形带轮机构等构成，其特征在于：

所述控制力矩陀螺机构中，飞轮转子安装在飞轮固定框架中，并在飞轮转动电机的驱动下高速旋转，飞轮固定框架通过框架连接件与倾斜大带轮连接在一起，倾斜大带轮通过齿形带与倾斜小带轮形成传动配合，当框架转动舵机带动固定在其输出轴上的倾斜小带轮转动时，大带轮会随之转动，从而带动飞轮固定框架倾斜，使得飞轮转子也倾斜一定的角度；由于飞轮转动速度很大，而且倾斜的速度和角度均由舵机控制，因而由于陀螺的进动效应，力矩控制陀螺机构可以产生很大数量级的进动力矩，使得球形机器人具有更大的启动力矩，更快的运行速度和更高的越障能力。

6.根据权利1要求所述的重摆主要由重摆底盘和安装在其上的驱动电机，电池组等组成，其特征在于：

所述重摆通过滚动轴承和均质框架之间形成滚动配合，其主要配重由安装在其上的驱动电机、电池组以及飞轮机构等组成，不需要额外搭载配重；重摆的质量远大于均质球壳，因此在长轴电机驱动齿轮转动时，会直接带动球壳转动，从而实现机器人的运动。