CN105730538B - 摩擦式内驱动全方位球形机器人机构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种摩擦式内驱动全方位球形行走机构，包括同心的内、外球壳之间的支撑驱动组件，支撑驱动组件包括旋转驱动轮和牛眼支撑轮，三个与外球壳接触的旋转驱动轮安装在内球壳的下半球壳体上，各旋转驱动轮的中心位置分别对应于自内球壳球心引出的三条正交轴线上，各旋转驱动轮的轴线汇交于内球壳球心的正下方，设有驱动旋转驱动轮的步进电机和检测旋转驱动轮的增量式编码器；三个与外球壳接触的牛眼支撑轮安装在内球壳的上半球壳体上，各牛眼支撑轮的轴线分别处于于对应旋转驱动轮所处正交轴线的延长线上。本发明通过三个不同方向的速度矢量可以合成为空间中任意方向的速度矢量，从而实现外球壳的全方位运动行走。

Description

摩擦式内驱动全方位球形机器人机构
技术领域
本发明涉及移动机器人技术，具体为一种摩擦式内驱动全方位球形机器人机构。
背景技术
移动机器人按移动方式可分为轮式、履带式、腿式、蛇形式、跳跃式和复合式。其中，履带式机器人在松软的地面附着性能和通过性能好，适用于爬楼梯和越障；腿式机器人可以能适应复杂的地形；蛇形式和跳跃式机器人一般在复杂环境、特殊环境和机动性等方面具有其独特的优越性。
所述机器人在各自的应用领域都有很大的优势，其共同的不足之处在于无法进行灵活自由的转向和全方位的移动，在与人协作时，不能快速跟随人的动作对运行方向做出改变，从而限制了人机协作的应用场合。
在此基础上，国、内外进一步研发出了球形机器人，所述球形机器人具有轮式机器人的机动性能和承载能力，并且综合了腿式机器人适应不同的地形环境的优点，结构简单、灵活轻快。
所述球形机器人所有零部件都封装在一个球壳内，现有的驱动方式有单轮驱动，小车驱动，万向轮驱动，电机定子反转驱动和配重体驱动等；这些驱动方式各有特色，可以实现球体的原地回转和全向滚动，但是这些方案中，球壳内的所有部件随着球体一起滚动，无法为系统的功能设备仪器提供一个稳定搭载平台。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是提出了一种为系统提供一个稳定平台以搭载仪器设备的摩擦式内驱动全方位球形机器人机构。
能够解决上述技术问题的摩擦式内驱动全方位球形机器人机构，其技术方案包括同心设置的内、外球壳以及设于内、外球壳之间的支撑驱动组件，所述支撑驱动组件包括旋转驱动轮和牛眼支撑轮，三个与外球壳接触的旋转驱动轮通过对应设置的旋转驱动轮架安装在内球壳的下半球壳体上，各旋转驱动轮的中心位置分别对应于自内球壳球心引出的三条正交轴线上，各旋转驱动轮的轴线汇交于内球壳球心的正下方，所述旋转驱动轮架上设有驱动旋转驱动轮转动的步进电机和检测旋转驱动轮转速的增量式编码器；三个与外球壳接触的牛眼支撑轮通过对应设置的牛眼支撑轮架安装在内球壳的上半球壳体上，各牛眼支撑轮的轴线分别处于对应旋转驱动轮所处正交轴线的延长线上。
上述结构中，通过旋转驱动轮的轮面摩擦驱动外球壳实现全方位运动，三个旋转驱动轮的安装位置与球心的连线完全正交，而且各自的旋转轴中心线汇交于一点，通过这种对称的安装布局，简化了控制系统的数学模型，降低了控制上的难度。
各牛眼支撑轮架的一种结构包括支撑杆、支撑板和压紧弹簧，所述支撑杆与对应牛眼支撑轮同轴安装于内球壳上，所述牛眼支撑轮安装于支撑板上，所述支撑板通过底部定位孔安装在支撑杆上，所述弹簧压紧安装在支撑板与内球壳之间的支撑杆上。
为使机构结构紧凑，所述内球壳上对应开设有避让各旋转驱动轮的开口，可使旋转驱动轮的部分轮体进入内球壳，在旋转驱动轮大小不变的情况下，可以减小内、外球壳之间的距离。
本发明的有益效果：
1、本发明摩擦式内驱动全方位球形机器人机构的质心位于综合体的下半部，这种质心偏置的设计可以使内球壳在重力作用下只产生角度很小的摆动，从而使得内球壳在外球壳滚动时保持基本不动。
2、本发明的三个的结构和尺寸完成一样，且安装位置均布对称，大大降低了系统运动的控制难度。
3、本发明的三个旋转驱动轮经电机的驱动能够产生三个不同的速度矢量，这三个不同方向的速度矢量可以合成为空间中任意方向的速度矢量，从而实现外球壳全方位的运动。
附图说明
图1为本发明一种实施方式的立体图。
图2为图1实施方式的仰视图。
图3为图1实施方式的俯视图。
图号标识：1、内球壳；2、外球壳；3、旋转驱动轮；4、牛眼支撑轮；5、旋转驱动轮架；6、支撑板；7、步进电机；8、增量式编码器；9、弹簧；10、开口。
具体实施方式
下面结合附图所示实施方式对本发明的技术方案作进一步说明。
本发明包括内球壳1和外球壳2，所述内球壳1通过支撑驱动组件同心安装在外球壳2内，如图1、图2、图3所示。
所述支撑驱动组件包括三个旋转驱动轮3和三个牛眼支撑轮4。
三个与外球壳2接触的旋转驱动轮3圆周均布设于内球壳1的下半球壳与外球壳2的下半球壳之间，三个旋转驱动轮3的位置中心与内球壳1球心的连线为三轴正交轴线，三个旋转驱动轮3的回转中心线向下汇交于一点，该汇交点处于内球壳1球心的正下方；各旋转驱动轮3通过对应设置的旋转驱动轮架5安装于内球壳1上，对应于旋转驱动轮3一端轮轴于旋转驱动轮架5上安装步进电机7，所述步进电机7的输出轴连接该轴端，对应于旋转驱动轮3另一端轮轴于旋转驱动轮架5上安装增量式编码器8，所述增量式编码器8的输出轴连接所述轴端；对应于各旋转驱动轮3于内球壳1上开设开口10，使得各旋转驱动轮3的一部分轮体进入内球壳1中，如图1、图2、图3所示。
三个牛眼支撑轮4圆周均布于内球壳1的上半球壳，均与外球壳2的上半球壳接触，三个牛眼支撑轮4的位置轴线分别处于三个旋转驱动轮3的位置中心对应轴线的延长线上，所述牛眼支撑轮4通过牛眼支撑轮架安装在内球壳1上，所述牛眼支撑轮架包括支撑杆、支撑板6和压紧弹簧9，所述支撑杆与对应牛眼支撑轮4同轴安装在内球壳1上，牛眼支撑轮4安装在支撑板6上，所述支撑板6通过底部的定位孔安装于支撑杆上，所述弹簧9压紧安装在内球壳1与支撑板6之间的支撑杆上，如图1、图2、图3所示。
本发明的运行方式：
三个旋转驱动轮3经过步进电机7的驱动产生三个不同方向的速度矢量，这三个不同方向的速度矢量可以合成为空间中任意方向的速度矢量，从而实现外球壳2的全方位运动行走，在此过程中，内球壳1在竖直方向仅有小幅度摆动，不会产生周转。

Claims (1)

1.摩擦式内驱动全方位球形机器人机构，其特征在于：包括同心设置的内、外球壳（1、2）以及设于内、外球壳（1、2）之间的支撑驱动组件，所述支撑驱动组件包括旋转驱动轮（3）和牛眼支撑轮（4），三个与外球壳（2）接触的旋转驱动轮（3）通过对应设置的旋转驱动轮架（5）安装在内球壳（1）的下半球壳体上，各旋转驱动轮（3）的中心位置分别对应于自内球壳（1）球心引出的三条正交轴线上，各旋转驱动轮（3）的轴线汇交于内球壳（1）球心的正下方，所述旋转驱动轮架（5）上设有驱动旋转驱动轮（3）转动的步进电机（7）和检测旋转驱动轮（3）转速的增量式编码器（8）；三个与外球壳（2）接触的牛眼支撑轮（4）通过对应设置的牛眼支撑轮架安装在内球壳（1）的上半球壳体上，各牛眼支撑轮（4）的中心位置分别对应于各旋转驱动轮（3）所处正交轴线向上的延长线上；各牛眼支撑轮架包括支撑杆、支撑板（6）和弹簧（9），所述支撑杆与各牛眼支撑轮（4）对应的正交轴线同轴设于内球壳（1）上，所述牛眼支撑轮（4）安装于支撑板（6）上，所述支撑板（6）通过底部定位孔安装在支撑杆上，所述弹簧（9）压装在支撑板（6）与内球壳（1）之间的支撑杆上；所述内球壳（1）上对应开设有避让各旋转驱动轮（3）的开口（10）。
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Assignee: Cenxi Hengchuang Network Technology Co.,Ltd.

Assignor: GUILIN University OF ELECTRONIC TECHNOLOGY

Contract record no.: X2022450000246

Denomination of invention: Friction type internal driving omnidirectional spherical robot mechanism

Granted publication date: 20171013

License type: Common License

Record date: 20221206