CN107243883B - 球形走钢丝机器人及其行走方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种球形走钢丝机器人及其行走方法，包括同球心的外球壳、中球壳和内球壳。外球壳置于水平的环架内，其左、右半球壳体通过左、右辊轴与环架转动连接，左、右半球壳体中央向内凹陷形成环形半圆形凹槽；外球壳与中球壳之间通过支撑柱连接；中球壳的上、下半球壳体上均设有通过轮架安装的三个全向轮，各轮架上设有电机和编码器，各全向轮进入中球壳内并抵触在内球壳上；半圆形凹槽两侧的左、右半球壳体上对称设有左、右环形吊架，左、右环形吊架底部垂吊有锁闭装置防止掉落。本发明将整个机构封装在球壳里面，提高了紧凑性，惯性转子产生一个合力矩同时调整机构的侧向平衡和驱动机构行进，具有较好的控制效果。

Description

球形走钢丝机器人及其行走方法
技术领域
本发明涉及走钢丝机器人平衡技术，具体为一种球形走钢丝机器人及其行走方法。
背景技术
走钢丝机器人来源于用机器人模拟人类走钢丝的行为，其能够自动地在钢丝绳上方平衡行走，主要应用于娱乐表演或高压线除冰等领域。
平衡是走钢丝机器人需要解决的关键问题，转动摆杆是现有走钢丝机器人是调整侧向平衡的一种重要方式。专利号为CN201510669449.1的发明申请公开了一种《摆臂式独轮走钢丝机器人》，该机器人利用摆臂的左、右移动和摆杆的转动来模拟人类走钢丝的平衡行为。为了达到较好的平衡调节效果，走钢丝机器人的平衡转杆必须能够产生足够大的调整力矩，这可以通过增大摆杆的转动惯量来实现，因此转杆机构的尺寸往往较大，故其工作也需要较大的空间；同时为了避免转杆机构与钢丝绳发生干涉，转杆的摆动范围和摆动速度通常十分有限，因此会限制机构的调节能力。
另外，目前大部分走钢丝机器人未能兼顾防摔保护装置，大大制约了走钢丝机器人的应用。
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姿态易于控制且具有防护能力的球形走钢丝机器人及其行走方法。
能够解决上述技术问题的球形走钢丝机器人，其技术方案包括同球心的外球壳、中球壳和内球壳，所不同的是
1、所述外球壳同轴置于水平的环架内，外球壳的左、右半球壳体通过左、右的水平辊轴与环架转动连接，所述转动连接部位设有编码器检测环架相对外球壳转动的参数，左、右半球壳体的交汇处向内凹陷形成与钢丝外径匹配的环形半圆形凹槽。
2、所述外球壳与中球壳之间通过均布的支撑柱连接。
3、所述中球壳的上、下半球壳体上均设有通过轮架安装的三个全向轮而构成上、下三对轮系，上半球壳体上的三个全向轮的轴线向上正交于一点，下半球壳体上的三个全向轮的轴线向下正交于一点，各对轮系中的上、下全向轮对称于球心，各轮架上设有驱动对应全向轮转动的电机和检测对应全向轮转动参数的编码器，所述中球壳上对应于各全向轮开设有全向轮避让口，各全向轮通过对应的全向轮避让口进入中球壳内并抵触在内球壳上。
4、所述半圆形凹槽两侧的左、右半球壳体上对称设有左、右环形吊架，左、右环形吊架底部垂吊有可于吊架上滑动的左、右吊臂，一吊臂上设有横套，所述横套内设有弹性伸缩的横销，所述横销伸出横套时可与另一吊臂连接，横销缩回横套时可使横套与另一吊臂之间形成宽度大于钢丝直径的缺口。
各环形吊架的一种结构采用左、右夹环，左、右夹环的外环处设有间隔的左、右环形滑轨，左、右环形滑轨内分别设有左、右滑轮，左、右滑轮之间通过转轴连接，对应的吊臂安装在左、右滑轮之间的转轴上。
进一步，所述横套上设有控制横销弹性伸缩的横锁电磁铁，可与横销连接的吊臂上设有于竖套内弹性伸缩的插销，所述竖套上设有控制插销弹性伸缩的竖锁电磁铁，所述横销与吊臂的连接方式为横销插入吊臂上的销孔内。常态下，插销弹性伸出并插入横销上的锁口中，插销弹性缩回竖套内则插销离开横销的锁口，横销可弹性缩回横套内。
所述轮架采用柔性结构安装，所述柔性结构包括软垫和压缩弹簧组件，轮架通过软垫安装于中球壳上，所述压缩弹簧组件径向压装在轮架与外球壳之间。
所述内球壳作为惯性转子而具有较大的转动惯量。
本发明球形走钢丝机器人行走方法，包括如下操作步骤：
1、控制横销缩回横套，通过横套与相对吊臂之间的缺口，将外球壳上的半圆形凹槽卡在钢丝上。
2、控制横销伸出横套与对面的吊臂连接而锁闭缺口，以防止机器人从钢丝上掉落。
3、启动各电机并驱动各全向轮转动，三对全向轮通过摩擦驱动控制内球壳转动，其中各对全向轮同步驱动。
4、内球壳的转动反作用于外球壳上而使其转动，因此外球壳得以在钢丝上滚动行走，通过控制内球壳的运动，使其产生一个用于调节机器人侧向平衡和驱动机器人行走的合力矩，从而实现外球壳在钢丝上的姿态和行走的控制。
本发明的有益效果：
1、本发明将整个机构封装在球壳里面，采用置于机构内部的惯性球，机构尺寸较小，结构紧凑，对工作环境的适应性更强，由于惯性球在机构内部可以任意周转，调节范围更大，通过控制惯性球的运动，壳产生一个用于调节机构侧向平衡和驱动机构行进的合力矩，从而实现外球姿态和运动的控制。
2、本发明具有防护装置，可以对机构形成持续的保护，安全可靠，为其应用提供了广阔的前景。
3、本发明可以用于输电线上行走，并可于环架上搭载工作装置。
4、在本发明的环架上安装机械手或者除冰设备，可用于高压线维修和除冰等不同用途。
附图说明
图1为本发明一种实施方式的立体结构示意图。
图2为图1实施方式的俯视图。
图3为图2中的A-A的剖面图。
图4为图1实施方式中去掉外球壳后的内部立体结构示意图。
图5为图1实施方式中环形吊架、吊臂、环形滑轨、滑轮、转轴、横套、横销、竖套、插销的组件图。
图号标识：1、外球壳；2、中球壳；3、内球壳；4、半圆形凹槽；5、环架；6、辊轴；7、支撑柱；8、轮架；9、全向轮；10、电机；11、环形吊架；12、吊臂；13、横套；14、横销；15、夹环；16、环形滑轨；17、滑轮；18、转轴；19、横锁电磁铁；20、竖套；21、插销；22、竖锁电磁铁；23、软垫；24、压缩弹簧组件。
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。
本发明球形走钢丝机器人，其结构包括同球心的外球壳1、中球壳2和内球壳3，所述内球壳3作为惯性转子而具有较大的转动惯量，所述外球壳1置于水平的环架5内，外球壳1的左、右半球壳体的顶部分别设有水平的左、右辊轴6，左、右辊轴6分别通过轴承结构安装于环架5上，所述轴承结构上设有检测环架5相对外球壳1转动参数的编码器；外球壳1的左、右半球交汇处的壳体上内陷有一道半圆形凹槽4(大小与钢丝直径匹配)，所述半圆形凹槽4左、右侧的左、右半球壳体上分别固定安装有左、右环形吊架11，左、右环形吊架11的底部吊装有锁闭装置，如图1、图2所示。
各环形吊架11包括左、右夹环15，左、右夹环15的外环处设有间隔一定距离的左、右环形滑轨16，左、右环形滑轨16内分别设有左、右滑轮17，左、右滑轮17之间通过转轴18连接，如图1、图2、图3、图5所示。
所述锁闭装置包括左、右吊臂12和横套13、横销14以及竖套20、插销21，左、右吊臂12的上端安装在对应环形吊架11上左、右滑轮17之间的转轴18上；所述横套13的左端套装固定于左吊臂12的下端，该端部的横套13上设有横锁电磁铁19，所述横销14通过弹簧从横套13的右端口压装在横套13内，横销14的伸缩由横锁电磁铁19控制，即横锁电磁铁19失电时横销14弹性从横套13右端口伸出至右吊臂12下端的销孔内，横锁电磁铁19得电时横销14弹性从横套13右端口缩回，从而使横套13右端口与右吊臂12之间留出大于钢丝直径的缺口；所述竖套20安装于右吊臂12左侧，竖套20的上端设有竖锁电磁铁22，所述插销21通过弹簧从竖套20的下端口压装在竖套20内，插销21的伸缩由竖锁电磁铁22控制，即竖锁电磁铁22失电时(此时的横销14弹性伸出进右吊臂12的销孔内)插销21弹性从竖套20下端口伸出并卡在横销14上开设的锁口中，竖锁电磁铁22得电时插销21弹性从竖套20下端口缩回，从而对横销14解锁，如图3、图5所示。
所述外球壳1与中球壳2之间通过均布的径向支撑柱7连接安装，所述中球壳2的上半球壳体上水平圆周均布三个全向轮9，各全向轮9基于对应的轮架8安装，同样的方案，中球壳2的下半球壳体上水平圆周均布安装三个全向轮9(通过对应轮架8安装)，上半球壳体上的三个全向轮9的轴线向上正交于一点，下半球壳体上的三个全向轮9的轴线向下正交于一点，上、下方的三个全向轮9两两配对为三对轮系，各对轮系中的上、下全向轮9相对于球心对称；对应于各全向轮9于中球壳2上开设矩形的全向轮避让口，各全向轮9的内侧轮体通过对应的全向轮避让口进入中球壳2内部并抵压接触在内球壳3上，如图3、图4所示。
各轮架8的就位安装方式为：轮架8内端通过软垫23安装于中球壳2上，轮架8外端设置有径向的压缩弹簧组件24，各轮架8通过对应的压缩弹簧组件24压装在外球壳1内壁上；各轮架8上设有驱动对应全向轮9转动的电机10，各轮架8上还设有检测对应全向轮9转动参数的编码器，如图3、图4所示。
本发明球形走钢丝机器人于钢丝上的行走方法，包括以下操作步骤：
1、竖锁电磁铁22得电，控制插销21缩回竖套20而解锁横销14，横锁电磁铁19得电，控制横销14缩回横套13内而打开左、右吊臂12之间的缺口，通过该缺口将外球壳1上的半圆形凹槽4卡在钢丝上。
2、横锁电磁铁19失电，横销14伸出横套13与对面吊臂12的销孔连接而锁闭缺口，以防止机器人从钢丝上掉落，与此同时，竖锁电磁铁22失电，插销21伸出竖套20而卡在横销14上的锁口中锁定横销14。
3、启动各电机10驱动各全向轮9转动，三对全向轮9通过摩擦驱动控制内球壳3转动，其中各对轮系中的全向轮9同步驱动。
4、内球壳3的转动反作用于外球壳1上而使其转动，使得外球壳1在钢丝上滚动行走，通过控制内球壳3的运动，使其产生一个用于调节机器人侧向平衡和驱动机器人行走的合力矩，实现外球壳1在钢丝上姿态和行走的控制。

Claims (4)

1.球形走钢丝机器人，包括同球心的外球壳(1)、中球壳(2)和内球壳(3)，其特征在于：
①、所述外球壳(1)同轴置于水平的环架(5)内，外球壳(1)的左、右半球壳体通过左、右的水平辊轴(6)与环架(5)转动连接，所述转动连接部位设有编码器检测环架(5)相对外球壳(1)转动的参数，左、右半球壳体的交汇处向内凹陷形成与钢丝外径匹配的环形半圆形凹槽(4)；
②、所述外球壳(1)与中球壳(2)之间通过均布的支撑柱(7)连接；
③、所述中球壳(2)的上、下半球壳体上均设有通过轮架(8)安装的三个全向轮(9)而构成上、下三对轮系，上半球壳体上的三个全向轮(9)的轴线向上正交于一点，下半球壳体上的三个全向轮(9)的轴线向下正交于一点，各对轮系中的上、下全向轮(9)对称于球心，各轮架(8)上设有驱动对应全向轮(9)转动的电机(10)和检测对应全向轮(9)转动参数的编码器，所述中球壳(2)上对应于各全向轮(9)开设有全向轮避让口，各全向轮(9)通过对应的全向轮避让口进入中球壳(2)内并抵触在内球壳(3)上；
④、所述半圆形凹槽(4)两侧的左、右半球壳体上对称设有左、右环形吊架(11)，左、右环形吊架(11)底部垂吊有可于吊架上滑动的左、右吊臂(12)，一吊臂(12)上设有横套(13)，所述横套(13)内设有弹性伸缩的横销(14)，所述横销(14)伸出横套(13)时可与另一吊臂(12)连接，横销(14)缩回横套(13)时可使横套(13)与另一吊臂(12)之间形成宽度大于钢丝直径的缺口；
⑤、所述横套(13)上设有控制横销(14)弹性伸缩的横锁电磁铁(19)，可与横销(14)连接的吊臂(12)上设有于竖套(20)内弹性伸缩的插销(21)，所述竖套(20)上设有控制插销(21)弹性伸缩的竖锁电磁铁(22)，所述横销(14)与吊臂(12)的连接方式为横销(14)插入吊臂(12)上的销孔内；常态下，插销(21)弹性伸出并插入横销(14)上的锁口中，插销(21)弹性缩回竖套(20)内则插销(21)离开锁口，横销(14)弹性缩回横套(13)内；
⑥、所述内球壳(3)作为惯性转子而具有转动惯量。
2.根据权利要求1所述的球形走钢丝机器人，其特征在于：各环形吊架(11)包括左、右夹环(15)，左、右夹环(15)的外环处设有间隔的左、右环形滑轨(16)，左、右环形滑轨(16)内分别设有左、右滑轮(17)，左、右滑轮(17)之间通过转轴(18)连接，对应的吊臂(12)安装在左、右滑轮(17)之间的转轴(18)上。
3.根据权利要求1或2所述的球形走钢丝机器人，其特征在于：所述轮架(8)采用柔性结构安装，所述柔性结构包括软垫(23)和压缩弹簧组件(24)，轮架(8)通过软垫(23)安装于中球壳(2)上，所述压缩弹簧组件(24)径向压装在轮架(8)与外球壳(1)之间。
4.球形走钢丝机器人行走方法，其特征在于采用了如权利要求1所述的球形走钢丝机器人在钢丝上行走，其操作步骤为：
①、控制横销(14)缩回横套(13)，通过横套(13)与相对吊臂(12)之间的缺口，将外球壳(1)上的半圆形凹槽(4)卡在钢丝上；
②、控制横销(14)伸出横套(13)与对面的吊臂(12)连接而锁闭缺口，以防止机器人从钢丝上掉落；
③、启动各电机(10)驱动各全向轮(9)转动，三对全向轮(9)通过摩擦驱动控制内球壳(3)转动，其中各对全向轮(9)同步驱动；
④、内球壳(3)的转动反作用于外球壳(1)上而使其转动，外球壳(1)得以在钢丝上滚动行走，通过控制内球壳(3)的运动，使其产生一个用于调节机器人侧向平衡和驱动机器人行走的合力矩，实现外球壳(1)在钢丝上姿态和行走的控制。
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