CN105438300A - 具有双摆锤的球形机器人及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有双摆锤的球形机器人及其应用。球形外壳装在球形内壳外形成球面滑动，球形内壳中安装有相互垂直的第一固定轴和第二固定轴，第一固定轴主要由分别位于第二固定轴两侧的两段轴构成，两段轴同轴，第一固定轴和第二固定轴的轴线交点位于球形内壳球心；固定轴一端连接摆锤电机的输出轴，另一端通过摆锤轴承连接到球形内壳壁孔中，摆锤固定连接到固定轴中部。本发明实现了球形机器人向任意方向滚动，方便易行，稳定性高。

Description

具有双摆锤的球形机器人及其应用

技术领域

本发明涉及一种球形机器人，尤其是涉及一种具有双摆锤的球形机器人及其应用。

背景技术

球形机器人是一种以滚动方式行走的移动机器人。现有的球形机器人从外形上可分为球形或近似球形与蝶形两种。球形机器人的主要研制目标即使机器人可以方便灵活地沿任意方向滚动。

目前，球形机器人的驱动方式主要有转动体驱动、车驱动、移动质量块驱动、形变式驱动、陀螺仪驱动和偏心质量块驱动等方式。

其中，现有的陀螺仪驱动方式采用单摆锤，其需要实现摆锤的空间转动，技术难度大，稳定性低。

发明内容

为了解决背景技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种具有双摆锤的球形机器人及其应用。

本发明采用的技术方案是：

本发明包括球形外壳、球形内壳、上摆锤、下摆锤、电机、两个轴承和两个固定轴，球形外壳装在球形内壳外形成球面滑动，球形内壳中安装有相互垂直的第一固定轴和第二固定轴，第一固定轴主要由分别位于第二固定轴两侧的两段轴构成，两段轴同轴，第一固定轴和第二固定轴的轴线交点位于球形内壳球心；第一固定轴的一端连接下摆锤电机的输出轴，第一固定轴的另一端通过下摆锤轴承连接到球形内壳壁孔中，下摆锤固定连接到第一固定轴中部；第二固定轴的一端连接上摆锤电机的输出轴，第二固定轴的另一端通过上摆锤轴承连接到球形内壳壁孔中，上摆锤固定连接到第二固定轴中部。

所述的上、下摆锤电机控制上、下摆锤在互相垂直的两个面内摆动，对球形外壳与地面接触点可以产生两个方向互相垂直的力矩，在合成力矩的作用下所述球形机器人实现向任意方向滚动。

下摆锤非重心端连接到靠近球心的第一固定轴两段轴的轴端处，上摆锤非重心端连接到靠近球心的第二固定轴轴中部处。

所述上摆锤和下摆锤的合成力矩是由以下的公式计算得到：

$M=\sqrt{M_1^2+M_2^2}$

公式中，M₁、M₂分别为上、下摆锤对球形与地面接触点的力矩；

上述上摆锤力矩是由以下的公式计算得到：

M₁＝G₁L₁sinθ

公式中，G₁、L₁分别为上摆锤的重力和其重心到固定点的距离，θ为上摆锤偏离竖直方向的角度；

上述下摆锤力矩是由以下的公式计算得到：

M₂＝G₂L₂sinφ

公式中，G₂、L₂分别为下摆锤的重力和其重心到固定点的距离，Φ为下摆锤偏离竖直方向的角度。

所述球形机器人应用于管道探测和现场侦查。

在与每个摆锤固定连接的轴端安装有一个电机，轴另一端装入固定在球形内壳上的轴承中。所述的摆锤在电机的作用下，可以实现绕轴的前后转动，上、下摆锤分别在互相垂直的两个面上半部和下半部摆动。

当摆锤偏离竖直方向时，摆锤重力对球形外壳与地面接触点产生一个力矩，在这个力矩的作用下，球形机器人整体朝着摆锤偏离方向滚动。

上、下两个摆锤在互相垂直的两个面内摆动，对球形外壳与地面接触点可以产生两个方向互相垂直的力矩，在合成力矩的作用下，球形机器人实现滚动。同时，可以通过调整上下摆锤转过的角度，从而调整对应力矩大小，进一步可以调整合成力矩的方向以及大小，最终可以实现球形机器人向任意方向滚动。

本发明具有的有益效果是：

1、球形机器人由两个摆锤来驱动，这样在互相垂直的两个面内摆动的摆锤只需要完成其在各自平面内的绕轴转动即可，即作平面运动，易实现、成本低且稳定性高。

2、可以通过调整上下摆锤转过的角度，从而调整对应力矩大小，进一步可以调整合成力矩的方向以及大小，最终可以实现球形机器人向任意方向滚动。

附图说明

图1是本发明的正视图。

图2是图1的侧视图。

图3是球形机器人yoz面上摆锤的结构示意图。

图4是球形机器人xoz面下摆锤的结构示意图。

图5是球形机器人xoy面合成力矩的矢量图。

其中：1、上摆锤，2、下摆锤电机，3、球形外壳，4、下摆锤轴承，5、第一固定轴，6、球形内壳，7、上摆锤电机，8、第二固定轴，9、下摆锤，10、下摆锤轴承。

具体实施方式

下面将结合附图和实例对本发明作进一步的说明。

如图1和图2所示，本发明包括球形外壳3、球形内壳6、上摆锤1、下摆锤9、电机、两个轴承和两个固定轴，球形外壳3装在球形内壳6外形成球面滑动，球形内壳6中安装有相互垂直的第一固定轴5和第二固定轴8，第一固定轴5主要由分别位于第二固定轴8两侧的两段轴构成，两段轴同轴，第一固定轴5和第二固定轴8的轴线交点位于球形内壳6球心。

第一固定轴5的一端连接下摆锤电机2的输出轴，第一固定轴5的另一端通过下摆锤轴承4连接到球形内壳6壁孔中，下摆锤9固定连接到第一固定轴5中部，下摆锤9非重心端连接到靠近球心的第一固定轴5两段轴的轴端处。

第二固定轴8的一端连接上摆锤电机7的输出轴，第二固定轴8的另一端通过上摆锤轴承10连接到球形内壳6壁孔中，上摆锤1固定连接到第二固定轴8中部。上摆锤1非重心端连接到靠近球心的第二固定轴8轴中部处。

上、下摆锤电机控制上、下摆锤在互相垂直的两个面内摆动，对球形外壳3与地面接触点可以产生两个方向互相垂直的力矩，在合成力矩的作用下所述球形机器人实现向任意方向滚动。

如图3所示，上摆锤力矩是由以下的公式(1)计算得到：

M₁＝G₁L₁sinθ(1)

公式(1)中，G₁、L₁分别为上摆锤的重力和其重心到固定点的距离，θ为上摆锤偏离竖直方向的角度。

如图4所示，下摆锤力矩是由以下的公式(2)计算得到：

M₂＝G₂L₂sinφ(2)

公式(2)中，G₂、L₂分别为下摆锤的重力和其重心到固定点的距离，Φ为下摆锤偏离竖直方向的角度。

如图3所示，合成力矩是由以下的公式(3)计算得到：

$M=\sqrt{M_1^2+M_2^2}---\left(3\right)$

公式(3)中，M₁、M₂分别为上、下摆锤对球形与地面接触点的力矩。

公式(1)、(2)中的参数：上摆锤的重力和其重心到固定点的距离G₁和L₁、下摆锤的重力和其重心到固定点的距离G₂和L₂、上摆锤偏离竖直方向的角度θ及下摆锤偏离竖直方向的角度Φ具体如图1所示；坐标系yoz、xoz及xoy分别如图3、图4、图5所示。

本实施例如下：

实施例1：

在本案例中，将这种具有双摆锤的球形机器人应用于管道探测。

在本案例中，管道探测要求球形机器人可以实现零半径转弯。将本专利所公开的这种具有双摆锤的球形机器人置于需要探测的管道内，初始状态时，下摆锤竖直下垂，上摆锤在电机的控制下，呈竖直向上直立状。这时，机器人静止。

当需要球形机器人朝某个方向移动时，只需要通过上、下摆锤电机调整上、下摆锤在对应平面内转过的角度和方向，如图3和图4所示，进而调整上、下摆锤对球形外壳与地面接触点产生的力矩大小和方向，从而可以实现对总力矩大小和方向的控制，如图5所示。图5只是给出总力矩方向在第一象限的情况。通过上、下摆锤在对应平面内转过的角度和方向，可以实现总力矩方向朝向绕着原点360度的任意方向。

当需要球形机器人转弯时，只需要改变上、下摆锤在对应平面内转过的角度和方向，如图3和图4所示，进而改变上、下摆锤对球形外壳与地面接触点产生的力矩大小和方向，从而可以实现对总力矩大小和方向的改变，如图5所示。这种行进方向的改变是在原地就可以完成的，即零半径转弯。

通过这种具有双摆锤的球形机器人，可以对管道内进行更细致入微地探测。其转弯所需空间小，可以实现零半径转弯，且易实现，成本低，稳定性好。

需要特别指出的是：这种零半径转弯正体现出了本发明的优越性。

实施例2：

在本案例中，将这种具有双摆锤的球形机器人应用于侦查。

在本案例中，侦查要求球形机器人体型小且运动灵活，可以适应多种地形。将本专利所公开的这种具有双摆锤的球形机器人的对应零件尺寸进行缩小，即可满足体型小的要求。

将其置于所要侦查的地形中，初始状态时，下摆锤竖直下垂，上摆锤在电机的控制下，呈竖直向上直立状。这时，机器人静止。

当需要球形机器人朝某个方向移动时，只需要通过上、下摆锤电机调整上、下摆锤在对应平面内转过的角度和方向，如图3和图4所示，进而调整上、下摆锤对球形外壳与地面接触点产生的力矩大小和方向，从而可以实现对总力矩大小和方向的控制，如图5所示。图5只是给出总力矩方向在第一象限的情况。通过上、下摆锤在对应平面内转过的角度和方向，可以实现总力矩方向朝向绕着原点360度的任意方向。

当需要球形机器人转弯时，只需要改变上、下摆锤在对应平面内转过的角度和方向，如图3和图4所示，进而改变上、下摆锤对球形外壳与地面接触点产生的力矩大小和方向，从而可以实现对总力矩大小和方向的改变，如图5所示。

通过这种具有双摆锤的球形机器人，可以对所要侦查的地形进行更细致入微地侦查。其行进方向改变灵活且易实现，而且通过对总力矩大小的改变，还可以实现对行进速度的改变。运动灵活，可以适应多种地形。

需要特别指出的是：这种运动的灵活性正体现出了本发明的优越性。

可见本发明球形机器人可向任意方向滚动，技术效果突出，通过调整上下摆锤转过的角度实现运动方向的调整，方便易行，成本低，稳定性高。

Claims (5)

1.一种具有双摆锤的球形机器人，其特征在于：包括球形外壳(3)、球形内壳(6)、上摆锤(1)、下摆锤(9)、电机、两个轴承和两个固定轴，球形外壳(3)装在球形内壳(6)外形成球面滑动，球形内壳(6)中安装有相互垂直的第一固定轴(5)和第二固定轴(8)，第一固定轴(5)主要由分别位于第二固定轴(8)两侧的两段轴构成，两段轴同轴，第一固定轴(5)和第二固定轴(8)的轴线交点位于球形内壳(6)球心；

第一固定轴(5)的一端连接下摆锤电机(2)的输出轴，第一固定轴(5)的另一端通过下摆锤轴承(4)连接到球形内壳(6)壁孔中，下摆锤(9)固定连接到第一固定轴(5)中部；

第二固定轴(8)的一端连接上摆锤电机(7)的输出轴，第二固定轴(8)的另一端通过上摆锤轴承(10)连接到球形内壳(6)壁孔中，上摆锤(1)固定连接到第二固定轴(8)中部。

2.根据权利要求1所述的一种具有双摆锤的球形机器人，其特征在于：所述的上、下摆锤电机控制上、下摆锤在互相垂直的两个面内摆动，对球形外壳(3)与地面接触点可以产生两个方向互相垂直的力矩，在合成力矩的作用下所述球形机器人实现向任意方向滚动。

3.根据权利要求1所述的一种具有双摆锤的球形机器人，其特征在于：下摆锤(9)非重心端连接到靠近球心的第一固定轴(5)两段轴的轴端处，上摆锤(1)非重心端连接到靠近球心的第二固定轴(8)轴中部处。

4.根据权利要求1所述的一种具有双摆锤的球形机器人，其特征在于：

所述上摆锤(1)和下摆锤(9)的合成力矩是由以下的公式(3)计算得到：

$M=\sqrt{M_1^2+M_2^2}---\left(3\right)$

公式(3)中，M₁、M₂分别为上、下摆锤对球形与地面接触点的力矩；

上述上摆锤(1)力矩M₁是由以下的公式(1)计算得到：

M₁＝G₁L₁sinθ(1)

公式(1)中，G₁、L₁分别为上摆锤的重力和其重心到固定点的距离，θ为上摆锤偏离竖直方向的角度；

上述下摆锤(9)力矩M₂是由以下的公式(2)计算得到：

M₂＝G₂L₂sinφ(2)

公式(2)中，G₂、L₂分别为下摆锤的重力和其重心到固定点的距离，Φ为下摆锤偏离竖直方向的角度。

5.根据权利要求1所述的一种具有双摆锤的球形机器人的应用，其特征在于：所述球形机器人应用于管道探测和现场侦查。