CN106807093B - 球形滚动控制装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供球形滚动控制装置与方法。本发明涉及机电结合技术，具体是一种控制球形体滚动的技术与方法。本发明给出的球形滚动控制，使得球形体滚动的运动结构简单，控制方式亦方便灵活，从而具有良好的性价比，可适用于广泛的领域。所采用的技术方案要点是：在球壳内部署行动小车，通过左右缆绳控制行动小车的位置与指向；当需要进行左转弯时，缩短左缆绳而加长右缆绳，使得行动小车被牵拉而向左侧偏移，从而造成球体重心左移而向左转弯；当需要进行右转弯时，缩短右缆绳而加长左缆绳，使得行动小车被牵拉而向右侧偏移，从而造成球体重心右移而向右转弯。

Description

球形滚动控制装置与方法

技术领域

本发明涉及机电技术领域，具体是一种可控制方向的球体滚动技术。可用于探查机器人、儿童娱乐等多种领域。

背景技术

球形运动具有独特的优势，从而有着良好的应用领域。例如，以球形滚动方式运动的机器人，对地形适应性强；再例如，球形物体没有棱角，用于制作玩具不会刮伤孩童。球形运动的驱动原理大致可分为两类。一类是驱动单元与球壳直接接触，驱动单元通过摩擦力，而带动球壳转动；此类方式结构相对简单，易于控制，但转向能力和抗震性不好。另一类是驱动单元在球壳内进行相对运动，通过改变球体的重心位置，以及利用驱动单元加减速或转动的偏心力矩和惯性力矩，带动球壳运动；此类方式运动较为灵活，抗震性强，但控制难度大、机械结构复杂。目前对球形运动已提出了多种多样的结构，但依然存在上述缺陷。需要新的技术，使球形运动的结构和控制简化，优化性价比，使之具有更广泛的适用性。

发明内容

本发明提供球形滚动控制装置与方法，实现球体滚动的结构与控制简化、优化。

本发明采用如下技术方案：

球形滚动控制装置，其特征是：

具有球壳、行动小车、壳左转轴、壳右转轴、弹性索、撑杆、左缆组缆绳、右缆组缆绳、缆收放器；

球壳呈圆球形状；

行动小车具有车身和至少一个车轮，朝向前进方向的车身前部为车头，背离前进方向的车身后部为车尾，行动小车能够驱动车轮沿球壳内球面滚动；

球壳以内具有大质量的物体，包括缆收放器、电池，都安装在行动小车上，从而使得整个球体的质量主要集中于行动小车；

选定球壳的一条直径，称为本体直径；

在初始静止状态时，本体直径处于水平方向，行动小车的位置位于本体直径之下，行动小车的车头朝向前方、车尾朝向后方，前后方向与本体直径相垂直，车轮的转轴轴向与本体直径相平行；

在本体直径与球壳内球面的两个交点处，分别安装有壳左转轴和壳右转轴，壳左转轴和壳右转轴都能够以本体直径为轴心线而转动；

弹性索连接在壳左转轴与壳右转轴之间；

撑杆的尾端固定在行动小车的车身上，撑杆首端到尾端的方向指向行动小车的底部，撑杆的首端与弹性索连接并可绕弹性索转动，沿撑杆首端到尾端的方向，从撑杆首端与弹性索的连接点到球壳内球面的距离，大于球壳内球面的半径，从而通过撑杆首端与弹性索的连接点而将弹性索顶向远离行动小车的方向、并使弹性索处于被拉伸状态，进而使行动小车受到弹性索回弹造成的指向球壳内球面的压力；

左缆组缆绳和右缆组缆绳各自包含至少一根缆绳，左缆组缆绳的一端连接于壳左转轴，另一端连接于行动小车，右缆组缆绳的一端连接于壳右转轴，另一端连接于行动小车；

根据左缆组缆绳和右缆组缆绳连接于行动小车的方式和所产生拉力的作用位置，以及根据行动小车车轮配置和重心分布情况，缆收放器通过对左缆组缆绳施加拉紧与放松控制、以及对右缆组缆绳施加拉紧与放松控制，使得在响应左转弯指令时控制行动小车的运动向左偏移，以及使得在响应右转弯指令时控制行动小车的运动向右偏移。

所述的球形滚动控制装置，其特征是：

所述的根据左缆组缆绳和右缆组缆绳连接于行动小车的方式和所产生拉力的作用位置，以及根据行动小车车轮配置和重心分布情况，缆收放器通过对左缆组缆绳施加拉紧与放松控制、以及对右缆组缆绳施加拉紧与放松控制，使得在响应左转弯指令时控制行动小车的运动向左偏移，以及使得在响应右转弯指令时控制行动小车的运动向右偏移，是：

左缆组缆绳连接于行动小车是左缆组缆绳拉力作用在行动小车车身上，右缆组缆绳连接于行动小车是右缆组缆绳拉力作用在行动小车车身上；

球体向前方滚动并进行左转弯时，缆收放器对左缆组缆绳施加拉紧与放松控制、以及对右缆组缆绳施加拉紧与放松控制，行动小车的车身受到左缆组缆绳拉力和右缆组缆绳拉力所构成的合力，该合力将行动小车的车头拉向前进方向左侧，从而使行动小车向左前方运动而使球体向左转弯；

球体向前方滚动并进行右转弯时，缆收放器对左缆组缆绳施加拉紧与放松控制、以及对右缆组缆绳施加拉紧与放松控制，行动小车的车身受到左缆组缆绳拉力和右缆组缆绳拉力所构成的合力，该合力将行动小车的车头拉向前进方向右侧，从而使行动小车向右前方运动而使球体向右转弯。

所述的球形滚动控制装置，其特征是：

所述的根据左缆组缆绳和右缆组缆绳连接于行动小车的方式和所产生拉力的作用位置，以及根据行动小车车轮配置和重心分布情况，缆收放器通过对左缆组缆绳施加拉紧与放松控制、以及对右缆组缆绳施加拉紧与放松控制，使得在响应左转弯指令时控制行动小车的运动向左偏移，以及使得在响应右转弯指令时控制行动小车的运动向右偏移，是：

左缆组缆绳连接于行动小车是左缆组缆绳拉力作用在行动小车车身上，右缆组缆绳连接于行动小车是右缆组缆绳拉力作用在行动小车车身上；

球体向前方滚动并进行左转弯时，缆收放器对左缆组缆绳施加拉紧与放松控制、以及对右缆组缆绳施加拉紧与放松控制，行动小车的车身受到左缆组缆绳拉力和右缆组缆绳拉力所构成的合力，该合力将行动小车的车尾拉向前进方向右侧，从而使行动小车向左前方运动而使球体向左转弯；

球体向前方滚动并进行右转弯时，缆收放器对左缆组缆绳施加拉紧与放松控制、以及对右缆组缆绳施加拉紧与放松控制，行动小车的车身受到左缆组缆绳拉力和右缆组缆绳拉力所构成的合力，该合力将行动小车的车尾拉向前进方向左侧，从而使行动小车向右前方而使球体向右转弯。

所述的球形滚动控制装置，其特征是：

所述的根据左缆组缆绳和右缆组缆绳连接于行动小车的方式和所产生拉力的作用位置，以及根据行动小车车轮配置和重心分布情况，缆收放器通过对左缆组缆绳施加拉紧与放松控制、以及对右缆组缆绳施加拉紧与放松控制，使得在响应左转弯指令时控制行动小车的运动向左偏移，以及使得在响应右转弯指令时控制行动小车的运动向右偏移，是：

左缆组缆绳连接于行动小车是左缆组缆绳拉力作用在行动小车车身上，右缆组缆绳连接于行动小车是右缆组缆绳拉力作用在行动小车车身上；

球体向前方滚动并进行左转弯时，缆收放器对左缆组缆绳施加拉紧与放松控制、以及对右缆组缆绳施加拉紧与放松控制，行动小车的车身受到左缆组缆绳拉力和右缆组缆绳拉力所构成的合力，该合力将行动小车的车头拉向前进方向左侧、同时将行动小车的车尾拉向前进方向右侧，从而使行动小车向左前方运动而使球体向左转弯；

球体向前方滚动并进行右转弯时，缆收放器对左缆组缆绳施加拉紧与放松控制、以及对右缆组缆绳施加拉紧与放松控制，行动小车的车身受到左缆组缆绳拉力和右缆组缆绳拉力所构成的合力，该合力将行动小车的车头拉向前进方向右侧、同时将行动小车的车尾拉向前进方向左侧，从而使行动小车向右前方运动而使球体向右转弯。

所述的球形滚动控制装置，其特征是：

所述的根据左缆组缆绳和右缆组缆绳连接于行动小车的方式和所产生拉力的作用位置，以及根据行动小车车轮配置和重心分布情况，缆收放器通过对左缆组缆绳施加拉紧与放松控制、以及对右缆组缆绳施加拉紧与放松控制，使得在响应左转弯指令时控制行动小车的运动向左偏移，以及使得在响应右转弯指令时控制行动小车的运动向右偏移，是：

左缆组缆绳连接于行动小车是左缆组缆绳拉力作用在行动小车车身上，右缆组缆绳连接于行动小车是右缆组缆绳拉力作用在行动小车车身上；

球体向前方滚动并进行左转弯时，缆收放器对左缆组缆绳施加拉紧与放松控制、以及对右缆组缆绳施加拉紧与放松控制，行动小车的车身受到左缆组缆绳拉力和右缆组缆绳拉力所构成的合力，该合力将行动小车的车头与车尾同时拉向前进方向左侧，从而使球体重心左移而左转弯；

球体向前方滚动并进行右转弯时，缆收放器对左缆组缆绳施加拉紧与放松控制、以及对右缆组缆绳施加拉紧与放松控制，行动小车的车身受到左缆组缆绳拉力和右缆组缆绳拉力所构成的合力，该合力将行动小车的车头与车尾同时拉向前进方向右侧，从而使球体重心右移而右转弯。

所述的球形滚动控制装置，其特征是：

所述的根据左缆组缆绳和右缆组缆绳连接于行动小车的方式和所产生拉力的作用位置，以及根据行动小车车轮配置和重心分布情况，缆收放器通过对左缆组缆绳施加拉紧与放松控制、以及对右缆组缆绳施加拉紧与放松控制，使得在响应左转弯指令时控制行动小车的运动向左偏移，以及使得在响应右转弯指令时控制行动小车的运动向右偏移，是：

行动小车具有转向车轮，转向车轮的滚动方向与行动小车车身指向之间具有可调的夹角；

转向车轮不位于其它车轮之后；

左缆组缆绳连接于行动小车是左缆组缆绳拉力作用在转向车轮上，右缆组缆绳连接于行动小车是右缆组缆绳拉力作用在转向车轮上；

球体向前方滚动并进行左转弯时，缆收放器对左缆组缆绳施加拉紧与放松控制、以及对右缆组缆绳施加拉紧与放松控制，行动小车的转向车轮受到左缆组缆绳拉力和右缆组缆绳拉力所构成的合力，该合力使得行动小车转向车轮的滚动方向向左偏转，从而使行动小车向左前方运动而使球体向左转弯；

球体向前方滚动并进行右转弯时，缆收放器对左缆组缆绳施加拉紧与放松控制、以及对右缆组缆绳施加拉紧与放松控制，行动小车的转向车轮受到左缆组缆绳拉力和右缆组缆绳拉力所构成的合力，该合力使得行动小车转向车轮的滚动方向向右偏转，从而使行动小车向右前方运动而使球体向右转弯。

所述的球形滚动控制装置，其特征是：

所述的根据左缆组缆绳和右缆组缆绳连接于行动小车的方式和所产生拉力的作用位置，以及根据行动小车车轮配置和重心分布情况，缆收放器通过对左缆组缆绳施加拉紧与放松控制、以及对右缆组缆绳施加拉紧与放松控制，使得在响应左转弯指令时控制行动小车的运动向左偏移，以及使得在响应右转弯指令时控制行动小车的运动向右偏移，是：

行动小车具有转向车轮，转向车轮的滚动方向与行动小车车身指向之间具有可调的夹角；

转向车轮位于其它车轮之后；

左缆组缆绳连接于行动小车是左缆组缆绳拉力作用在转向车轮上，右缆组缆绳连接于行动小车是右缆组缆绳拉力作用在转向车轮上；

球体向前方滚动并进行左转弯时，缆收放器对左缆组缆绳施加拉紧与放松控制、以及对右缆组缆绳施加拉紧与放松控制，行动小车的转向车轮受到左缆组缆绳拉力和右缆组缆绳拉力所构成的合力，该合力使得行动小车转向车轮的滚动方向向右偏转，从而使行动小车向左前方运动而使球体向左转弯；

球体向前方滚动并进行右转弯时，缆收放器对左缆组缆绳施加拉紧与放松控制、以及对右缆组缆绳施加拉紧与放松控制，行动小车的转向车轮受到左缆组缆绳拉力和右缆组缆绳拉力所构成的合力，该合力使得行动小车转向车轮的滚动方向向左偏转，从而使行动小车向右前方运动而使球体向右转弯。

所述的球形滚动控制装置，其特征是：

所述的根据左缆组缆绳和右缆组缆绳连接于行动小车的方式和所产生拉力的作用位置，以及根据行动小车车轮配置和重心分布情况，缆收放器通过对左缆组缆绳施加拉紧与放松控制、以及对右缆组缆绳施加拉紧与放松控制，使得在响应左转弯指令时控制行动小车的运动向左偏移，以及使得在响应右转弯指令时控制行动小车的运动向右偏移，是：

行动小车具有前部车轮和后部车轮；

前部车轮安装在行动小车前部，能够向前、后、左、右等各个方向滚动；

后部车轮安装在行动小车后部，具有驱动力；

左缆组缆绳为一根缆绳，左缆组缆绳连接于行动小车是左缆组缆绳连接在缆轮上，右缆组缆绳为一根缆绳，右缆组缆绳连接于行动小车是右缆组缆绳连接在缆轮上；

缆轮安装在行动小车车身上，缆轮的安装位置既位于行动小车后部车轮之前、也位于行动小车重心之前；

球体向前方滚动时并进行左转弯时，缆收放器驱动缆轮转动，拉紧左缆组缆绳而缩短壳左转轴到缆轮的距离、并同时放松右缆组缆绳而增加壳右转轴到缆轮的距离，从而牵拉行动小车的车头向左侧偏移，进而使行动小车向左前方运动而使球体向左转弯；

球体向前方滚动时并进行右转弯时，缆收放器驱动缆轮转动，拉紧右缆组缆绳而缩短壳右转轴到缆轮的距离、并同时放松左缆组缆绳而增加壳左转轴到缆轮的距离，从而牵拉行动小车的车头向右侧偏移，进而使行动小车向右前方运动而使球体向右转弯。

所述的球形滚动控制装置，其特征是：

所述的根据左缆组缆绳和右缆组缆绳连接于行动小车的方式和所产生拉力的作用位置，以及根据行动小车车轮配置和重心分布情况，缆收放器通过对左缆组缆绳施加拉紧与放松控制、以及对右缆组缆绳施加拉紧与放松控制，使得在响应左转弯指令时控制行动小车的运动向左偏移，以及使得在响应右转弯指令时控制行动小车的运动向右偏移，是：

左缆组缆绳为两根缆绳，分别是左前缆绳和左后缆绳，右缆组缆绳为两根缆绳，分别是右前缆绳和右后缆绳；

左缆组缆绳连接于行动小车是左前缆绳拉力作用在行动小车车身上、且作用点位于行动小车车身前部，左后缆绳拉力作用在行动小车车身上、且作用点位于行动小车车身后部；

右缆组缆绳连接于行动小车是右前缆绳拉力作用在行动小车车身上、且作用点位于行动小车车身前部，右后缆绳拉力作用在行动小车车身上、且作用点位于行动小车车身后部；

球体向前方滚动并进行左转弯时，缆收放器拉紧左前缆绳与左后缆绳、并同时放松右前缆绳与右后缆绳，从而牵拉行动小车的车身向左侧偏移，进而使球体向左转弯滚动；

球体向前方滚动并进行右转弯时，缆收放器拉紧右前缆绳与右后缆绳、并同时放松左前缆绳与左后缆绳，从而牵拉行动小车的车身向右侧偏移，进而使球体向右转弯滚动。

球形滚动控制方法，其特征是：

在球壳内部署行动小车，行动小车的车轮贴紧球壳内球面滚动；

以行动小车向前方直行时的状态为参照，取与行动小车车轮转轴方向相平行、与行动小车车轮前进方向相垂直的球体直径，在该直径与球壳内球面的两个交点处，分别安装左转轴与右转轴，左转轴和右转轴都能够以该直径为轴心线而在球壳内球面上进行转动；

在左转轴与右转轴之间连接弹性索，将撑杆的一端连接在行动小车上、另一端与弹性索相连接并可绕弹性索转动，撑杆的长度使得撑杆将弹性索顶向远离行动小车的方向、并将弹性索拉伸，利用弹性索回弹的作用力而使行动小车贴紧球壳内球面；

通过左缆绳，将行动小车与左转轴相连接，通过右缆绳，将行动小车与右转轴相连接；

当球体进行左转弯时，缩短左缆绳而加长右缆绳，使得行动小车被牵拉而偏向前进方向的左侧，进而造成球体重心左移而向左转弯；

当球体进行右转弯时，缩短右缆绳而加长左缆绳，使得行动小车被牵拉而偏向前进方向的右侧，进而造成球体重心右移而向右转弯。

本发明的有益效果在于能够使球体滚动的实现结构简单、控制方式简化，从而使相关产品成本低、应用范围广泛；比如，用于儿童玩具以及娱乐领域。

附图说明

图1是本发明球形滚动控制的一种实施例的整体结构示意图；

图2是本发明球形滚动控制的行动小车与缆组缆绳连接的一种实施例的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明。

（一）整体结构实施例

图1是本发明球形滚动控制的一种实施例的整体结构示意图；图1为结构剖视图，取后视方向绘图，以图中左侧为前进方向的左侧。球壳100呈圆球形。球壳100可采用密封的柔性材料制作，并通过充气的方式使之保持圆球状的外形；这样，既可以使球壳具备弹性而不易碰撞损坏，又可以在用作儿童玩具时，不会碰伤儿童。在下面的描述中，为叙述方便，假定忽略球壳100的厚度；即，球壳的直径、球体的直径以及内球面的直径，是不加区别的。选定球壳100的一条直径，称为本体直径，并假设本体直径与水平线110重合。本体直径与球壳100的内球面具有左和右两个交点；在这两个交点处，安装有壳左转轴310和壳右转轴320。壳左转轴310和壳右转轴320，都能够以本体直径为轴心线而转动。行动小车具有车身200和至少一个车轮210，车轮210与球壳100的内球面相接触；在行动小车的驱动电机驱动下，车轮210可以向前转动或滚动，从而驱使球壳100向前滚动。除了驱动车轮的驱动电机，包括电池、缆收放器在内的具有较大质量的装置和构件，都尽可能安装或搭载在行动小车上（比如，将缆收放器250固定在行动小车的车身200上），从而使整个球体的重心集中于行动小车。初始时刻，行动小车处于静止状态，此时，行动小车位于本体直径之下；如果安装与配重是对称的，行动小车的重心就会落在本体直径的正下方、与本体直径相垂直的半径上；并且，车轮210的转轴轴向与本体直径相平行，而车身朝向（或直行方向）则与本体直径相垂直。

弹性索610的左端连接在壳左转轴310上，弹性索610的右端连接在壳右转轴320上。弹性索610具有弹性。撑杆260的尾端固定在行动小车上；固定撑杆260的方式，应使沿撑杆260首尾方向的作用线通过或靠近行动小车的重心或几何中心位置、并指向行动小车的车底或车轮所形成的支撑面，从而更有效地向行动小车传递压力。撑杆260的首端与弹性索610连接并可绕弹性索610转动；转动的具体结构可以有多种，比如，撑杆260首端安装有转轴，弹性索610分为两段而串接在该转轴的两端，再比如，撑杆260首端安装有转轴，该转轴是中空管的，弹性索从该中空管穿过。撑杆260的长度，使得沿撑杆260首尾方向、从撑杆260首端与弹性索的连接点到球壳100内球面的距离，大于球壳100内球面的半径。这样一来，撑杆260就会将弹性索610顶向背离行动小车的方向、并使弹性索610处于被拉伸的状态（也就是，从壳左转轴到弹性索与撑杆首端连接处的距离，加上从壳右转轴到弹性索与撑杆首端连接处的距离，二者之和大于弹性索在不受两端拉力作用时的长度，从而使弹性索被拉伸开），进而使行动小车受到弹性索610回弹的压力；该压力通过撑杆260作用于行动小车，并将行动小车压向贴紧球壳100内球面的方向。弹性索与撑杆结合的作用，就使得行动小车的车轮保持与球壳内球面的接触，从而提高了抗震性能。

左缆组缆绳510和右缆组缆绳550各自包含至少一根缆绳。为描述方便，本实施例假定左缆组缆绳510具有一根缆绳，称为左缆绳；假定右缆组缆绳550具有一根缆绳，称为右缆绳。左缆绳的一端连接于壳左转轴310，另一端连接于行动小车车身200上所安装的缆收放器250，从而通过缆收放器250而将拉力作用于行动小车的车身200；右缆绳的一端连接于壳右转轴320，另一端连接于行动小车车身200上所安装的缆收放器250，从而通过缆收放器而将拉力作用于行动小车的车身200。根据转弯指令，通过缆收放器250对左缆绳和右缆绳施加不同的牵拉作用或长度缩放作用，就能够使得行动小车的位置以及滚动朝向发生左右偏移，从而促使球体完成左右转弯动作。具体的作用关系取决于缆收放器在行动小车车身上的安装位置以及由此导致的缆绳拉力作用位置，还取决于行动小车的车轮配置和重心分布情况。

举例说明之。假设缆收放器250位于行动小车车身200的前部位置，该位置既处于行动小车的重心之前、也处于行动小车的车轮之前；根据左转指令而执行：缆收放器250牵拉左缆绳或者缩短左缆绳的长度、同时放松右缆绳或者增加右缆绳的长度，从而使行动小车车身200的前部或车头向左侧偏移，促使行动小车偏左运动并进而使球体向左转弯；根据右转指令而执行：缆收放器250牵拉右缆绳或者缩短右缆绳的长度、同时放松左缆绳或者增加左缆绳的长度，从而使行动小车车身200的前部或车头向右侧偏移，促使行动小车偏右运动并进而使球体向右转弯。在该举例中，应保证左缆绳和右缆绳的合力不会将行动小车的车轮拉离球壳内球面。也就是说：左转时，左缆绳是处于拉直与绷紧状态的（即：左缆绳对行动小车具有较大拉力），而右缆绳只需维持拉直即可（即：右缆绳对行动小车不具有较大拉力），甚至右缆绳可处于放松状态（即：右缆绳对行动小车不具有拉力）；右转时，右缆绳是处于拉直与绷紧状态的，而左缆绳只需维持拉直即可，甚至左缆绳可处于放松状态。

除了像上述举例使行动小车的车头发生偏转以实现转弯的目的，还可以使行动小车的车尾发生偏转，或者使行动小车的车头与车尾同时发生偏转；这些，都可以类似地依据上述举例所说明的过程，根据缆绳拉力作用位置、车轮配置和重心分布情况，相应地对左缆组缆绳和右缆组缆绳施加牵拉与放松作用来实现。

除了牵拉行动小车车身而使行动小车的运动左右偏移，还可以通过牵拉行动小车的车轮来控制行动小车的运动方向。为此，在行动小车的车轮中，应具有转向车轮。转向车轮是指其滚动方向能够相对于车身轴向（指车身前后指向）进行偏转；当行动小车前进时，转向车轮滚动方向与车身轴向是一致的；当行动小车转弯时，转向车轮滚动方向与车身轴向之间形成夹角。为了通过缆绳牵拉而控制转向车轮，左缆组缆绳和右缆组缆绳的拉力应作用在转向车轮上、或者作用在能够控制转向车轮转动的装置上（比如，能够使转向车轮的转轴前后摆动的装置）。依据转向车轮与其它车轮的前后排列关系，若转向车轮位于其它车轮之前、或者行动小车只具有转向车轮（这种情况下，转向车轮兼用于驱动车轮），那么，为了向左转弯，左缆组缆绳和右缆组缆绳的拉力合力，应使得转向车轮向左侧偏转，而为了向右转弯，左缆组缆绳和右缆组缆绳的拉力合力，应使得转向车轮向右侧偏转。若转向车轮位于其它车轮之后、则控制转向车轮偏转的方向，应恰好相反。

（二）行动小车与缆组缆绳连接实施例

图2是本发明球形滚动控制的行动小车与左缆组缆绳和右缆组缆绳连接的一种实施例的结构示意图；该图为俯视方向，即，从行动小车上部俯视所得，并且，以图的下侧为前进方向的左侧。行动小车具有前车轮1510和后车轮1520；前车轮1510为球形滚轮，不具备驱动力，但可以向前、后、左、右自由滚动；后车轮1520具备驱动力，可在驱动电机的作用下向前滚动。缆轮1810安装在行动小车的车身1200上，并成为行动小车的车身与左缆组缆绳和右缆组缆绳的连接点，同时也是缆绳拉力在行动小车上的作用点。缆轮1810位于行动小车车身1200的前部，既位于行动小车重心之前，也位于后车轮1520之前，从而便于牵拉行动小车的车身前部或车头向左右偏移。左缆组缆绳具有一根缆绳，为左缆绳1610；左缆绳1610的一端连接于壳左转轴1310，另一端连接于缆轮1810。右缆组缆绳具有一根缆绳，为右缆绳1620；右缆绳1620的一端连接于壳右转轴1320，另一端连接于缆轮1810。

左缆绳1610和右缆绳1620都是以卷绕的方式连接于缆轮1810的。也就是说，通过缆轮1810的转动，可以牵拉更多的左缆绳1610卷绕在缆轮上，从而缩短位于缆轮1810和壳左转轴1310之间的距离；而缆轮1810向相反方向转动时，可以将卷绕着的左缆绳1610放出，从而增加位于缆轮1810和壳左转轴1310之间的距离。对于右缆绳1620而言，缆轮1810的转动也具有类似的效果。但是，左缆绳1610和右缆绳1620在缆轮1810上卷绕的方式，是使得左缆绳1610与右缆绳1620的长度变化恰好相反。

根据本实施例所示的卷绕方式。当需要进行左转弯时，缆收放器1820驱动缆轮1810顺时针转动，使得左缆绳1610被更多卷绕而长度缩短，同时使得右缆绳1620的卷绕部分被放出而长度增加，从而缩短了缆轮1810和壳左转轴1310之间的距离，促使行动小车的车身1200向当前运动方向的左侧偏移；当需要进行右转弯时，缆收放器1820驱动缆轮1810逆时针转动，使得右缆绳1620被更多卷绕而长度缩短，同时使得左缆绳1610的卷绕部分被放出而长度增加，从而缩短了缆轮1810和壳右转轴1320之间的距离，促使行动小车的车身1200向当前运动方向的右侧偏移。通过这样的方式，就实现了球体滚动的转向控制。

对于本实施例而言，也可以采用两个缆轮，一个缆轮安装在行动小车车身前部的左侧，另一个缆轮安装在行动小车车身前部的右侧；左侧的缆轮连接左缆绳，而右侧的缆轮连接右缆绳。

此外，还可以采取更多的缆绳数目。比如，左缆组缆绳具有两根缆绳，分别是左前缆绳和左后缆绳，右缆组缆绳具有两根缆绳，分别是右前缆绳和右后缆绳；左前缆绳和右前缆绳连接在行动小车车身的前部，而左后缆绳和右后缆绳连接在行动小车车身的后部。如果进行左转弯，可以同时缩短左前缆绳和左后缆绳，使行动小车的车身整体向左侧偏移；而且，左前缆绳的缩短量可以比左后缆绳的缩短量更多一些，使得不仅行动小车的车身整体向左侧偏移，还使得车头偏移得更多，从而更有利于实现左转弯。右转弯亦可类似控制。进一步地，四根缆绳构成的牵拉还起到运动限位作用，有利于维持行动小车的运动稳定性和可控性。

更多的调整、变化和优化可以包括：行动小车车轮的具体数目以及排列和驱动关系、缆组缆绳中包含缆绳的具体根数以及前后关系、缆收放器是否采取缆轮转动的方式对缆绳进行收放、缆绳在缆轮上卷绕的方式、驱动缆轮是采取旋转电机还是直线电机或其它形式的电磁机械驱动、左右缆绳是连接同一个缆轮还是分别连接不同的缆轮、等等；这些变化都可以由本技术领域人员，在本发明所描述技术方案的基础，通过相应的调整与优化而实现。

上述各实施例，只是按照本发明的技术方案所进行的具体实施方式；在本发明技术方案范围内进行的通常性变化和替换，都应当包含在本发明的保护范围内。

本发明适用于所有的依据本发明的内容而构造的装置与方法，以及不需其它发明性质的能力而可获得的变化形式。因此，本发明适用于同这里所描述的原理与特征相一致的最广的范围。

Claims (10)

1.球形滚动控制装置，具有球壳，球壳呈圆球形状，具有行动小车，行动小车位于球壳内部，行动小车具有车身和至少一个车轮，朝向前进方向的车身前部为车头，背离前进方向的车身后部为车尾，行动小车能够驱动车轮沿球壳内球面滚动，选定球壳的一条直径，称为本体直径，在初始静止状态时，本体直径处于水平方向，行动小车的位置位于本体直径之下，行动小车的车头朝向前方、车尾朝向后方，前后方向与本体直径相垂直，车轮的转轴轴向与本体直径相平行，其特征是：

具有壳左转轴、壳右转轴、弹性索、撑杆、左缆组缆绳、右缆组缆绳、缆收放器；

球壳以内具有大质量的物体，包括缆收放器、电池，都安装在行动小车上，从而使得整个球体的质量主要集中于行动小车；

在本体直径与球壳内球面的两个交点处，分别安装有壳左转轴和壳右转轴，壳左转轴和壳右转轴都能够以本体直径为轴心线而转动；

弹性索连接在壳左转轴与壳右转轴之间；

撑杆的尾端固定在行动小车的车身上，撑杆首端到尾端的方向指向行动小车的底部，撑杆的首端与弹性索连接并可绕弹性索转动，沿撑杆首端到尾端的方向，从撑杆首端与弹性索的连接点到球壳内球面的距离，大于球壳内球面的半径，从而通过撑杆首端与弹性索的连接点而将弹性索顶向远离行动小车的方向、并使弹性索处于被拉伸状态，进而使行动小车受到弹性索回弹造成的指向球壳内球面的压力；

左缆组缆绳和右缆组缆绳各自包含至少一根缆绳，左缆组缆绳的一端连接于壳左转轴，另一端连接于行动小车，右缆组缆绳的一端连接于壳右转轴，另一端连接于行动小车；

根据左缆组缆绳和右缆组缆绳连接于行动小车的方式和所产生拉力的作用位置，以及根据行动小车车轮配置和重心分布情况，缆收放器通过对左缆组缆绳施加拉紧与放松控制、以及对右缆组缆绳施加拉紧与放松控制，使得在响应左转弯指令时控制行动小车的运动向左偏移，以及使得在响应右转弯指令时控制行动小车的运动向右偏移。

2.根据权利要求1所述的球形滚动控制装置，其特征是：

所述的根据左缆组缆绳和右缆组缆绳连接于行动小车的方式和所产生拉力的作用位置，以及根据行动小车车轮配置和重心分布情况，缆收放器通过对左缆组缆绳施加拉紧与放松控制、以及对右缆组缆绳施加拉紧与放松控制，使得在响应左转弯指令时控制行动小车的运动向左偏移，以及使得在响应右转弯指令时控制行动小车的运动向右偏移，是：

左缆组缆绳连接于行动小车是左缆组缆绳拉力作用在行动小车车身上，右缆组缆绳连接于行动小车是右缆组缆绳拉力作用在行动小车车身上；

球体向前方滚动并进行左转弯时，缆收放器对左缆组缆绳施加拉紧与放松控制、以及对右缆组缆绳施加拉紧与放松控制，行动小车的车身受到左缆组缆绳拉力和右缆组缆绳拉力所构成的合力，该合力将行动小车的车头拉向前进方向左侧，从而使行动小车向左前方运动而使球体向左转弯；

球体向前方滚动并进行右转弯时，缆收放器对左缆组缆绳施加拉紧与放松控制、以及对右缆组缆绳施加拉紧与放松控制，行动小车的车身受到左缆组缆绳拉力和右缆组缆绳拉力所构成的合力，该合力将行动小车的车头拉向前进方向右侧，从而使行动小车向右前方运动而使球体向右转弯。

3.根据权利要求1所述的球形滚动控制装置，其特征是：

所述的根据左缆组缆绳和右缆组缆绳连接于行动小车的方式和所产生拉力的作用位置，以及根据行动小车车轮配置和重心分布情况，缆收放器通过对左缆组缆绳施加拉紧与放松控制、以及对右缆组缆绳施加拉紧与放松控制，使得在响应左转弯指令时控制行动小车的运动向左偏移，以及使得在响应右转弯指令时控制行动小车的运动向右偏移，是：

左缆组缆绳连接于行动小车是左缆组缆绳拉力作用在行动小车车身上，右缆组缆绳连接于行动小车是右缆组缆绳拉力作用在行动小车车身上；

球体向前方滚动并进行左转弯时，缆收放器对左缆组缆绳施加拉紧与放松控制、以及对右缆组缆绳施加拉紧与放松控制，行动小车的车身受到左缆组缆绳拉力和右缆组缆绳拉力所构成的合力，该合力将行动小车的车尾拉向前进方向右侧，从而使行动小车向左前方运动而使球体向左转弯；

球体向前方滚动并进行右转弯时，缆收放器对左缆组缆绳施加拉紧与放松控制、以及对右缆组缆绳施加拉紧与放松控制，行动小车的车身受到左缆组缆绳拉力和右缆组缆绳拉力所构成的合力，该合力将行动小车的车尾拉向前进方向左侧，从而使行动小车向右前方而使球体向右转弯。

4.根据权利要求1所述的球形滚动控制装置，其特征是：

所述的根据左缆组缆绳和右缆组缆绳连接于行动小车的方式和所产生拉力的作用位置，以及根据行动小车车轮配置和重心分布情况，缆收放器通过对左缆组缆绳施加拉紧与放松控制、以及对右缆组缆绳施加拉紧与放松控制，使得在响应左转弯指令时控制行动小车的运动向左偏移，以及使得在响应右转弯指令时控制行动小车的运动向右偏移，是：

左缆组缆绳连接于行动小车是左缆组缆绳拉力作用在行动小车车身上，右缆组缆绳连接于行动小车是右缆组缆绳拉力作用在行动小车车身上；

球体向前方滚动并进行左转弯时，缆收放器对左缆组缆绳施加拉紧与放松控制、以及对右缆组缆绳施加拉紧与放松控制，行动小车的车身受到左缆组缆绳拉力和右缆组缆绳拉力所构成的合力，该合力将行动小车的车头拉向前进方向左侧、同时将行动小车的车尾拉向前进方向右侧，从而使行动小车向左前方运动而使球体向左转弯；

球体向前方滚动并进行右转弯时，缆收放器对左缆组缆绳施加拉紧与放松控制、以及对右缆组缆绳施加拉紧与放松控制，行动小车的车身受到左缆组缆绳拉力和右缆组缆绳拉力所构成的合力，该合力将行动小车的车头拉向前进方向右侧、同时将行动小车的车尾拉向前进方向左侧，从而使行动小车向右前方运动而使球体向右转弯。

5.根据权利要求1所述的球形滚动控制装置，其特征是：

所述的根据左缆组缆绳和右缆组缆绳连接于行动小车的方式和所产生拉力的作用位置，以及根据行动小车车轮配置和重心分布情况，缆收放器通过对左缆组缆绳施加拉紧与放松控制、以及对右缆组缆绳施加拉紧与放松控制，使得在响应左转弯指令时控制行动小车的运动向左偏移，以及使得在响应右转弯指令时控制行动小车的运动向右偏移，是：

左缆组缆绳连接于行动小车是左缆组缆绳拉力作用在行动小车车身上，右缆组缆绳连接于行动小车是右缆组缆绳拉力作用在行动小车车身上；

球体向前方滚动并进行左转弯时，缆收放器对左缆组缆绳施加拉紧与放松控制、以及对右缆组缆绳施加拉紧与放松控制，行动小车的车身受到左缆组缆绳拉力和右缆组缆绳拉力所构成的合力，该合力将行动小车的车头与车尾同时拉向前进方向左侧，从而使球体重心左移而左转弯；

球体向前方滚动并进行右转弯时，缆收放器对左缆组缆绳施加拉紧与放松控制、以及对右缆组缆绳施加拉紧与放松控制，行动小车的车身受到左缆组缆绳拉力和右缆组缆绳拉力所构成的合力，该合力将行动小车的车头与车尾同时拉向前进方向右侧，从而使球体重心右移而右转弯。

6.根据权利要求1所述的球形滚动控制装置，其特征是：

所述的根据左缆组缆绳和右缆组缆绳连接于行动小车的方式和所产生拉力的作用位置，以及根据行动小车车轮配置和重心分布情况，缆收放器通过对左缆组缆绳施加拉紧与放松控制、以及对右缆组缆绳施加拉紧与放松控制，使得在响应左转弯指令时控制行动小车的运动向左偏移，以及使得在响应右转弯指令时控制行动小车的运动向右偏移，是：

行动小车具有转向车轮，转向车轮的滚动方向与行动小车车身指向之间具有可调的夹角；转向车轮不位于其它车轮之后；

左缆组缆绳连接于行动小车是左缆组缆绳拉力作用在转向车轮上，右缆组缆绳连接于行动小车是右缆组缆绳拉力作用在转向车轮上；

球体向前方滚动并进行左转弯时，缆收放器对左缆组缆绳施加拉紧与放松控制、以及对右缆组缆绳施加拉紧与放松控制，行动小车的转向车轮受到左缆组缆绳拉力和右缆组缆绳拉力所构成的合力，该合力使得行动小车转向车轮的滚动方向向左偏转，从而使行动小车向左前方运动而使球体向左转弯；

球体向前方滚动并进行右转弯时，缆收放器对左缆组缆绳施加拉紧与放松控制、以及对右缆组缆绳施加拉紧与放松控制，行动小车的转向车轮受到左缆组缆绳拉力和右缆组缆绳拉力所构成的合力，该合力使得行动小车转向车轮的滚动方向向右偏转，从而使行动小车向右前方运动而使球体向右转弯。

7.根据权利要求1所述的球形滚动控制装置，其特征是：

所述的根据左缆组缆绳和右缆组缆绳连接于行动小车的方式和所产生拉力的作用位置，以及根据行动小车车轮配置和重心分布情况，缆收放器通过对左缆组缆绳施加拉紧与放松控制、以及对右缆组缆绳施加拉紧与放松控制，使得在响应左转弯指令时控制行动小车的运动向左偏移，以及使得在响应右转弯指令时控制行动小车的运动向右偏移，是：

行动小车具有转向车轮，转向车轮的滚动方向与行动小车车身指向之间具有可调的夹角；转向车轮位于其它车轮之后；

左缆组缆绳连接于行动小车是左缆组缆绳拉力作用在转向车轮上，右缆组缆绳连接于行动小车是右缆组缆绳拉力作用在转向车轮上；

球体向前方滚动并进行左转弯时，缆收放器对左缆组缆绳施加拉紧与放松控制、以及对右缆组缆绳施加拉紧与放松控制，行动小车的转向车轮受到左缆组缆绳拉力和右缆组缆绳拉力所构成的合力，该合力使得行动小车转向车轮的滚动方向向右偏转，从而使行动小车向左前方运动而使球体向左转弯；

球体向前方滚动并进行右转弯时，缆收放器对左缆组缆绳施加拉紧与放松控制、以及对右缆组缆绳施加拉紧与放松控制，行动小车的转向车轮受到左缆组缆绳拉力和右缆组缆绳拉力所构成的合力，该合力使得行动小车转向车轮的滚动方向向左偏转，从而使行动小车向右前方运动而使球体向右转弯。

8.根据权利要求1所述的球形滚动控制装置，其特征是：

所述的根据左缆组缆绳和右缆组缆绳连接于行动小车的方式和所产生拉力的作用位置，以及根据行动小车车轮配置和重心分布情况，缆收放器通过对左缆组缆绳施加拉紧与放松控制、以及对右缆组缆绳施加拉紧与放松控制，使得在响应左转弯指令时控制行动小车的运动向左偏移，以及使得在响应右转弯指令时控制行动小车的运动向右偏移，是：

行动小车具有前部车轮和后部车轮；

前部车轮安装在行动小车前部，能够向前、后、左、右等各个方向滚动；

后部车轮安装在行动小车后部；

左缆组缆绳为一根缆绳，左缆组缆绳连接于行动小车是左缆组缆绳连接在缆轮上，右缆组缆绳为一根缆绳，右缆组缆绳连接于行动小车是右缆组缆绳连接在缆轮上；

缆轮安装在行动小车车身上，缆轮的安装位置既位于行动小车后部车轮之前、也位于行动小车重心之前；

球体向前方滚动时并进行左转弯时，缆收放器驱动缆轮转动，拉紧左缆组缆绳而缩短壳左转轴到缆轮的距离、并同时放松右缆组缆绳而增加壳右转轴到缆轮的距离，从而牵拉行动小车的车头向左侧偏移，进而使行动小车向左前方运动而使球体向左转弯；

球体向前方滚动时并进行右转弯时，缆收放器驱动缆轮转动，拉紧右缆组缆绳而缩短壳右转轴到缆轮的距离、并同时放松左缆组缆绳而增加壳左转轴到缆轮的距离，从而牵拉行动小车的车头向右侧偏移，进而使行动小车向右前方运动而使球体向右转弯。

9.根据权利要求1所述的球形滚动控制装置，其特征是：

所述的根据左缆组缆绳和右缆组缆绳连接于行动小车的方式和所产生拉力的作用位置，以及根据行动小车车轮配置和重心分布情况，缆收放器通过对左缆组缆绳施加拉紧与放松控制、以及对右缆组缆绳施加拉紧与放松控制，使得在响应左转弯指令时控制行动小车的运动向左偏移，以及使得在响应右转弯指令时控制行动小车的运动向右偏移，是：

左缆组缆绳为两根缆绳，分别是左前缆绳和左后缆绳，右缆组缆绳为两根缆绳，分别是右前缆绳和右后缆绳；

左缆组缆绳连接于行动小车是左前缆绳拉力作用在行动小车车身上、且作用点位于行动小车车身前部，左后缆绳拉力作用在行动小车车身上、且作用点位于行动小车车身后部；

右缆组缆绳连接于行动小车是右前缆绳拉力作用在行动小车车身上、且作用点位于行动小车车身前部，右后缆绳拉力作用在行动小车车身上、且作用点位于行动小车车身后部；

球体向前方滚动并进行左转弯时，缆收放器拉紧左前缆绳与左后缆绳、并同时放松右前缆绳与右后缆绳，从而牵拉行动小车的车身向左侧偏移，进而使球体向左转弯滚动；

球体向前方滚动并进行右转弯时，缆收放器拉紧右前缆绳与右后缆绳、并同时放松左前缆绳与左后缆绳，从而牵拉行动小车的车身向右侧偏移，进而使球体向右转弯滚动。

10.球形滚动控制方法，具有球壳和行动小车，行动小车部署于球壳内部，行动小车的车轮贴球壳内球面滚动，其特征是：

以行动小车向前方直行时的状态为参照，取与行动小车车轮转轴方向相平行、与行动小车车轮前进方向相垂直的球体直径，在该直径与球壳内球面的两个交点处，分别安装左转轴与右转轴，左转轴和右转轴都能够以该直径为轴心线而在球壳内球面上进行转动；

在左转轴与右转轴之间连接弹性索，将撑杆的一端连接在行动小车上、另一端与弹性索相连接并可绕弹性索转动，撑杆的长度使得撑杆将弹性索顶向远离行动小车的方向、并将弹性索拉伸，利用弹性索回弹的作用力而使行动小车贴紧球壳内球面；

通过左缆绳，将行动小车与左转轴相连接，通过右缆绳，将行动小车与右转轴相连接；

当球体进行左转弯时，缩短左缆绳而加长右缆绳，使得行动小车被牵拉而偏向前进方向的左侧，进而造成球体重心左移而向左转弯；

当球体进行右转弯时，缩短右缆绳而加长左缆绳，使得行动小车被牵拉而偏向前进方向的右侧，进而造成球体重心右移而向右转弯。

Images