CN109129420A - 一种新型全向运动球形机器人 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种新型全向运动球形机器人，包括外壳，内部结构、控制装置和检测设备。外壳用于在地面上滚动前行；内部结构底部装置驱动轮，依靠电机实现驱动轮转动，驱动轮转动与球形外壳之间有摩擦力，在摩擦力的作用下，使球形外壳运动；内部结构两侧有转向轮，在电机的驱动下，带动机器人实现转动；控制和检测装置安装在内部结构上，控制装置和两个电机连接控制球形机器人的运动与转动，而且为机器人提供所需的电能，本发明通过两个电机作用在不同的位置，通过电机的转矩，利用驱动轮和外壳、转动轮和外壳之间的摩擦力实现整个球形机器人的运动，因机器人的外型为球形，能实现全向的运动，能轻易的绕过障碍且能实现零转弯半径的转向运动。

Description

一种新型全向运动球形机器人

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，特别是一种新型全向运动球形机器人。

背景技术

球形机器人是一种特殊的移动机器人，传统的履带式，轮式等机器人已经无法满足人们对于机器人的开发和利用，球形机器人的外壳是球形或者类球形的，依靠地面的摩擦力滚动，球形机器可以依靠自身的特殊结构，可实现零转弯半径以及不会发生倾覆，其具有很高的移动效率，球形机器人的球壳内部包含控制系统、驱动马达、动力源等，球形的外壳能够很好保护内部系统，可以在无人、潮湿，腐蚀等条件复杂的环境进行移动。

到目前为止，现有的球形机器人，根据他们的驱动方式可以分为三种类型：直接驱动，重力补偿，以及角动量。

直接驱动方式：依靠一种特殊的设计机构，在马达的转矩作用之下，直接通过设计的机构将动力转换给球壳作为机器人的动力。

重力补偿方式：通过控制机器人的重心的位置来调控其运动，改变重心的位置能够创造足够的转矩使机器人发生运动和转向。

角动量方式：利用角动量守恒的特点，将飞轮安装在球形机器人的内部转动，其外壳按照飞轮运动的相反方向运动，以满足角动量守恒。

专利申请号：ZL200810020280.7中所述的球形机器人，其特征为直接驱动方式，在球壳内部竖直安装一个圆弧架，在圆弧架上安装驱动装置和转向装置，以实现机器人的运动和转向，其转向依靠的改变其配重实现转弯，但是其结构较为复杂，对于机器人的控制比较困难，无法实现零转弯半径的转动。

专利申请号：ZL200810020279.4中所述的球形机器人，其特征为由球壳及内部行走装置组成，内部的行走装置包括水平圆环和垂直连接在圆环上的半圆架，在竖直方向上的半圆形的结构上有一个直线行走机构，行走机构上驱动轮连接配重，当驱动轮在电机的带动下，在球壳内部滚动，通过前后移动球体的重心完成直线运动，水平圆环与半圆形的结构形成转弯控制机构，完成机器人的转向。此结构虽然能完成原地转向，但由于内部的行走和转向连接复杂，运动效率较低，对控制技术要求较高。

发明内容

本发明旨在提出一种新型全向运动球形机器人，即通过直接驱动结合重力补偿方式，依靠底部的驱动轮转动，带动外壳运动继而带动机器人运动；两侧的转向轮在电机的转动下，带动外壳实现机器人的转向，这种结构的设计实现了球形机器人的移动和转向，而且转动半径为零，具有很高的移动效率。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案。

本发明的一种新型全向运动球形机器人，主要由外壳、内部结构、转向轮、驱动轮、电机、控制装置和传感检测装置等构成，所示的内部结构和驱动轮、转向轮连接，在内部结构中，设置配重，使内部结构整体的重心始终竖直向下，实现重力补偿，驱动轮通过齿轮传动与电机相连，转向轮通过齿轮传动与转向电机相连，控制和传感器装置安装在内部结构中。

所述的外壳用于在路面中滚动行进；该外壳的几何结构为球形结构，外壳是通过两个半球的球壳采用螺纹连接方式组合而成。

所述的内部结构用于搭载驱动单元、转向单元、控制和传感器单元，以及电源，内部结构的机构设计为类半球型，上端为敞开式，下端的开口和驱动轮组合成驱动输出口，在内部结构的两侧开有放置转向轮的窗口，在转向轮和侧窗组合下形成转向输出口；相应的配重和电机放置在内部的相应位置，形成这个机器人的总配重。

所述的传感器单元用于检测球形机器人的运动状态和位置所在，通过传感器的反馈信息，传输到控制单元调节球形机器人的运动，改变方位，实现球形机器人的运动。

所述的控制单元用于发送指令，并为整个内部系统提供电能，控制单元和内部结构中的无线传输装置连接，可以和外部的主机进行交换信息，实现双控制，所述的控制单元包括：控制电路板和电源；控制单元在接收到传感器传输的反馈信息后，通过计算控制单元发出控制指令，传输给驱动单元和转向单元，以此实现球形机器人的运动。

在本发明中，所述的转向单元由转向轮、传动轴、齿轮系统和电机组成。

在本发明中，所述的转向单元由转向轮、传动轴、齿轮系统和电机组成。

进一步的，在本发明中，内部的结构后面设计有无线传输装置和控制单元连接，以此满足和外部的主机进行信息交换和双控制，而且能实时监测球形机器人的整个运动状态。

进一步的，在本发明中，球形机器人外壳的运动是依靠摩擦力实现动力的传输。

一种新型全向运动球形机器人的运动方式，其特征在于，包含一下形式：

S1.内部的半球形的装置中，底部的驱动轮在控制单元的控制下，由控制程序控制电机的启停和转速，底部的驱动轮转动，依靠与内部的摩擦带动外壳运动；

S2.内部的半球的装置两侧的转向轮，由控制装置、红外和声波测距共同控制，当机器人前面有障碍和需要转向时，有红外及声波转化为信号传输给控制单元，控制单元发出指令，控制转向电机带动转向轮转动，改变球形机器人的转向；

S3.机器人的运动状态由红外和声波传感器单元实时反馈，并且在控制单元的控制下，完成球形机器人的整个运动过程；

S4.机器人的运动状态由无线数据传输装置和控制单元连接，把状态实时反馈给外部主机，在主机上能够清晰的了解到球型机器人每个部分状态。

本发明的有益效果是：

（1）通过球形的外壳，机器人可以向任何方向滚动，由于采用的直接驱动方式，电机的直接带动驱动轮将电机的转矩传递到球壳上，实现这个系统高效地运动；

（2）比较传统的球形移动机器人，其结构简单紧凑，灵活便利，移动效率高；

（3）由于外壳的几何特殊性，将内部系统放置外壳内，能够在恶劣的环境中实现运动；

（4）机器人的转向方式是通过和内部系统合为一体，在机器人转动的过程中无需改变其重心，只绕着中心线原地旋转达到转弯的目的，以此实现零转弯半径；

（5）球形机器人在运动过程中，由于其内部结构和电机所组成的总的配重位于内部结构的底部，重心较低，始终处于竖直状态。

附图说明

图1是本发明的结构示意图

图2是本发明的运动原理示意图

图3是本发明的转向原理示意图

图4是本发明的转向轮运动剖视图

图5是本发明的驱动轮运动剖视图

图中1.球形外壳，2.内部结构，3.右转动轴，4.右转向轮，5.驱动电机，6.驱动转动轴，7.驱动轮，8.转向电机，9.左转向轮，10.左转动轴。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：

参照附图1～5，本发明一种新型全向运动球形机器人，主要由球形外壳1、内部结构2、右转动轴3、右转向轮4、驱动电机5、驱动转动轴6、驱动轮7、转向电机8、左转向轮9、左转向轴10等构成。其中，驱动转轴6与驱动轮7通过轴承固定安装在内部结构2上，通过齿轮转动系统与驱动电机5相连接，所述的右转向轮4、右转动轴3、左转向轮9、左转动轴10通过轴承固定安装在内部结构2的左右两侧，右转动轴3通过齿轮系统与转向电机8相连接，转向电机8固定安装在内部结构内，与驱动电机5形成对称结构，确保整个结构的重心平衡。

参照球形机器人示意图2、图5，内部结构的重力简化到驱动轮7上，驱动轮7和球壳1在驱动电机5作用下，发生相对运动，当驱动电机5带动驱动轮7转动，驱动轮7向前、向后运动，在摩擦力作用驱动轮7带动球壳1与地面发生相对运动。又由于重力的作用，驱动轮7最终恢复到原来的竖直位置，继续转动带动球壳1运动。

所述的驱动电机5通过齿轮传动，带动驱动轮7与球壳1发生相对转动，由于球壳1和驱动轮7之间存在较大的摩擦，带动球壳1运动。在运动过程中，由于驱动电机5和转动电机配重8使得整个重心始终保持竖直向下，内部系统在运动过程中能保持相对位置不变，使运动过程不发生倾覆。

参照球形机器人的图3、图4，两个转向轮4、9与球壳1接触，由于球壳1和转向轮4、9之间存在摩擦力，转向电机8通过齿轮传动带动转向轮4、9运动，由于两个转向轮4、9通过轴承与内部结构2固定，所以两个转向轮4、9转动时，带动内部结构2在球壳1内部实现左右转动，以此满足球形机器人的转向要求。

本发明中，通过安装在内部结构2中的控制系统和传感器反馈系统，共同控制球形机器人的运动和转向。通过无线数据传输设备把球形机器人实时的运动状态发送到主机，便于操作人员监测。

Claims (7)

1.一种新型全向运动球形机器人，其特征在于，球形外壳（1）、内部结构（2）、右转动轴（3）、右转向轮（4）、驱动电机（5）、驱动转动轴（6）、驱动轮（7）、转向电机（8）、左转向轮（9）、左转向轴（10）等构成，其中，驱动转轴（6）与驱动轮（7）通过轴承固定安装在内部结构（2）上，通过齿轮转动系统与驱动电机（5）相连接，所述的右转向轮（4）、右转动轴（3）、左转向轮（9）、左转动轴（10）通过轴承固定安装在内部结构（2）的左右两侧，右转动轴（3）通过齿轮系统与转向电机（8）相连接，转向电机（8）固定安装在内部结构（2）内，与驱动电机（5）形成对称结构，确保整个结构的重心平衡；内部结构（2）中还包含控制装置和检测设备，所述的内部结构（2）为类半球形的结构，通过驱动电机（5）带动安装在底部的驱动轮（7）转动，驱动轮（7）和外壳（1）之间存在摩擦力，所以在摩擦力的作用之下使机器人运动，转向装置位于内半球两侧，分别安装两个转向轮，左转向轮（9）与转向电机（8）相连接，右转向轮（3）起稳定作用；所述的控制装置用于发送指令，管控机器人的整个运动过程，启停、速度、转向和提供其电能，控制装置包括控制电路、红外接发生器和电源装置，控制电路安装在类半球型内部，线路分别与驱动单元和转向单元的电机相连接，电源装置安装在类半球形的结构上；所述的检测装置安装在控制装置上层，其载有声波接发射装置，通过声波的分析检测出地形环境的状态。

2.根据权利要求1中所述的一种新型全向运动球形机器人，其特征在于，其外壳（1）为球形，而且由两个半球组合而成，外壳的内部具有很大的摩擦系数，以此满足其驱动的条件。

3.根据权利要求1中所述的一种新型全向运动球形机器人，其特征在于，所述的类半球形的内部结构（2），其结构为下部开口，两侧有转动轮开口，以此满足驱动和转向的运动条件。

4.根据权利要求1中所述的一种新型全向运动球形机器人，其特征在于，所述的内部的类半球形装置中，添加配重结构，以满足驱动轮和外壳有足够的摩擦力。

5.根据权利要求1中所述的一种新型全向运动球形机器人，其特征在于，所述的内部的半球形装置中装有无线数据传输器和电源充电接口以及密封盖。

6.一种新型全向运动球形机器人的运动方式，其特征在于，包含一下形式：

S1.内部的半球形的装置中，底部的驱动轮在控制单元的控制下，由控制程序控制电机的启停和转速，底部的驱动轮转动，依靠与外壳内部的摩擦带动外壳运动；

S2.内部的半球的装置的两侧的转向轮，由控制装置、红外和声波测距共同控制，当机器人前面有障碍和需要转向时，有红外及声波转化为信号传输给控制单元，控制单元发出指令，控制转向电机带动转向轮转动，改变球形机器人的转向；

S3.机器人的运动状态由红外和声波传感器单元实时反馈，并且在控制单元的控制下，完成球形机器人的整个运动过程；

S4.机器人的运动状态由无线数据传输装置和控制单元连接，把状态实时反馈给外部主机，在主机上能够清晰的了解到球形机器人每个部分状态。

7.根据权利要求6中所述一种新型全向运动球形机器人的运动方式中，其特征在于，依靠红外和声波传感器单元的检测实时反馈球形机器人的位置状态，并将数据传输给控制单元，由控制单元计算发出指令，改变球形机器人的运动状态。