CN109774808A - 具有双控制模式的质心径向可变三驱动球形机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有双控制模式的质心径向可变三驱动球形机器人，所述机器人包括球壳、驱动电机、重摆和重摆提升系统。其中，球壳与X轴电机转子连接；X、Y、Z轴电机分别安装于各轴框架外表面；重摆提升系统由直线模组、齿轮系统、提升电机和附属电池系统组成。本发明提出的球形机器人通过重摆在重摆提升系统中的移动能够实现球形机器人质心径向变化，使其具备双控制模式，即配重驱动控制模式以及倒立摆驱动控制模式，并且可实现两种控制模式转换，同时也可实现恒定力矩输出情况下球形机器人运行速度与姿态的微调整，满足当前多应用场合下对球形机器人高响应速度和精准控制的需求。

Description

具有双控制模式的质心径向可变三驱动球形机器人

技术领域

本发明涉及一种球形机器人，具体地说是一种具有双控制模式的质心径向可变三驱动球形机器人。

背景技术

当前可移动机器人被广泛用于太空监测、国家防御、环境监测、灾难救援、考古探险、家庭娱乐等方面。传统的移动机器人依靠轮子或履带驱动，这种驱动方式在平坦的路面可以灵活的移动，但是在凹凸不平的路面其运动将受到极大的限制。球形机器人以其特殊的结构对道路的条件要求十分低，因此适应能力强；其运动时与地面为点接触，运动时的摩擦属于滚动摩擦，阻力小，可以灵活的全方位移动。

目前，国内外已经研制出若干种不同结构类型的球形机器人。世界上第一个具有球形外壳的球形机器人是由辛基科技大学的Halme教授在1996年制作的，其运动是靠球壳内安装的一个驱动轮实现，由电机驱动驱动轮在球壳内运动，改变球体的重心进而改变其运动状态。美国特拉华大学的Bhattacharya教授等研制了以两个相互垂直的转子为驱动系统的球形机器人。伊朗的Javadi等学者研制了一台名为“August”的球形机器人，该机器人主要依靠球内安装的四根轮辐上的配重块移动来改变重心的位置，驱动球体运动。上海交通大学的金康进等学者提出了一种新型的结构，即在球形机器人内部安装四个对称的驱动电机，每个驱动电机上安装有配重块，驱动电机的转动带动配重块的运动进而改变球形机器人的重心位置，从而实现球形机器人的全方位滚动。上述所提出的球形机器人采用了两驱动或四驱动的驱动方式。两驱动球形机器人是利用两个驱动电机驱动配重在球内绕两个互相垂直的轴转动，是一个非完整欠驱动机构，使用两个驱动电机降低了成本，欠驱动为结构上带来了简化，但也使运动规划变得复杂。四驱动球形机器人多为轮辐式结构，并且由四个电机共同驱动工作，使用四个电机共同作用使得成本大大增加，并且结构复杂，增加了控制的难度。这两种球形机器人均不具备运动冗余的特点，并且无法实现高速灵活的滚动，以及球形机器人运动的可靠性低。

针对上述两驱动球形机器人和四驱动球形机器人所存在的问题，国内有专家提出了三驱动球形机器人。申请号为200810111880.4的三驱动球形机器人，在两驱动球形机器人的基础上通过球壳内表面的齿环与内部机构边缘的齿轮之间的配合实现第三驱动。由于球壳、齿环与齿轮在加工过程中存在的误差，导致球形机器人在运行过程中内部机构运行不稳定，同时，第三驱动电机的安装位置使电机选择及球形机器人整体机构的平衡设计较难实现。申请号为20111018015.4的三驱动球形机器人，该球形机器人主要由三个驱动电机和大量的齿轮配合通过差速控制实现移动。由于差速控制复杂，不易实现，所以难以满足高响应速度和精准控制方面的需求，同时，三个电机的安装位置难以满足球形机器人整体机构平衡设计的要求。

随着球形机器人高响应速度和精准控制方面的需求不断提升，同时弥补上述三驱动球形机器人存在的多方面不足，需要进一步探索和研究一种具有双控制模式的质心径向可变三驱动球形机器人的设计。

发明内容

本发明提出一种具有双控制模式的质心径向可变三驱动球形机器人，目的是弥补现有三驱动球形机器人的不足，同时满足高响应速度和精准控制要求。所述的双控制模式是指配重驱动控制模式和倒立摆驱动控制模式，能够满足球形机器人运动过程中对控制响应速度的不同需求。配重驱动控制模式指重摆质心位于重摆提升系统下半部分(球形机器人的球心以下)时对球形机器人运动的控制，倒立摆驱动控制模式指重摆质心位于重摆提升系统上半部分(球形机器人的球心以上)时对球形机器人运动的控制。所述的质心径向可变是指在两种控制模式下，重摆可通过重摆提升系统进行灵活移动，实现球形机器人质心径向的改变，进而实现恒定力矩输出情况下对球形机器人的运行速度和内部机构姿态的微调整功能。

为实现上述的目的，发明提供的解决方案是：

本发明提出一种具有双控制模式的质心径向可变三驱动球形机器人，其包括球壳、三个方向的驱动电机以及与每个驱动电机匹配的电池系统、重摆和重摆提升系统。所述X轴电机转子与球壳内表面连接，X轴电机定子与X框架外表面连接；Z轴电机转子与X框架内表面连接，Z轴电机定子与Z框架外表面连接；Y轴电机转子与Z框架内表面连接，Y轴电机定子与Y框架外表面连接。所述重摆提升系统安装于Y框架上。

上述球壳由两个材质为碳纤维的半球壳组成，其表面具有一定数量的散热孔，球壳内壁有加强筋进行加固。

上述X、Y、Z框架均为碳纤维材质。

上述X框架为弧形框架，其结构关于X轴和Z轴均对称，框架结构的中心点为球心。X轴电机旋转方向以及其电池系统的中心线位于X轴上，且安装位置分别位于X框架外表面两侧。

上述Z框架为方形框架，其结构关于Y轴和Z轴均对称，框架结构的中心点为球心。Z轴电机旋转方向以及其电池系统的中心线位于Z轴上，且安装位置分别位于Z框架外表面两侧。

上述Y框架的主框架为方形框架，其主框架结构关于X轴和Y轴均对称，主框架结构的中心点为球心。Y轴电机旋转方向与其电池系统的中心线位于Y轴上，且安装位置分别位于Y框架外表面两侧。Y框架的辅助框架与重摆提升系统连接。

上述重摆提升系统由直线模组、齿轮传动系统、提升电机以及与电机匹配的电池系统组成，其中直线模组丝杠轴经过球心。

上述重摆为铸铁材质，形状为扇形，通过连接架与重摆提升系统中的直线模组滑台连接。

本发明的运动原理为：

X轴电机转动时，电机转子能够驱动球壳绕X轴滚动，由于反力矩作用，电机定子则带动X框架及安装在X框架内表面的所有机构反方向转动；Y轴电机转动时，电机转子能够驱动Z框架及Z框架外表面安装的机构绕Y轴滚动，由于反力矩作用，电机定子则带动Y框架及安装在Y框架内表面的所有机构反方向转动；Z轴驱动电机转动时，电机转子能够驱动X框架及X框架外表面安装的机构绕Z轴滚动，由于反力矩作用，电机定子则带动Z框架及安装在Z框架内表面的所有机构反方向转动。三个电机分别转动时球形机器人的运行特点为两种控制模式下的球形机器人灵活全向滚动奠定了基础。

通过重摆提升系统的提升电机与齿轮传动系统的配合，能够实现重摆沿着直线模组上下移动的功能。当重摆质心位于重摆提升系统下半部分时，控制模式为配重驱动控制模式，三个轴的驱动电机共同作用可使球形机器人实现灵活全向滚动；当重摆质心位于重摆提升系统上半部分时，控制模式为倒立摆驱动控制模式，与配重驱动控制模式相比，倒立摆驱动控制模式是一种具有高响应速度的控制模式，通过三个轴的驱动电机共同作用，可使球形机器人以高响应速度实现灵活全向滚动。在两种控制模式下，当电机输出为恒定扭矩时，通过重摆提升系统对重摆质心位置进行微调，可以实现球形机器人的运行速度和内部机构姿态微调整，能够保证球形机器人运动过程的稳定性与精准性。

本发明的优点与效益：

本发明所述的具有双控制模式的质心径向可变三驱动球形机器人的驱动系统与电池系统的布局规划，可以保证球形机器人整体的平衡性；重摆提升系统的设计能够保证三驱动球形机器人在控制模式转换过程中更好的控制球形机器人以稳定的姿态站停；通过重摆在重摆提升系统中的上下移动，使球形机器人实现两种控制模式的转换，同时实现两种控制模式下恒定力矩输出时球形机器人运行速度和内部机构姿态微调整的功能，满足当前多应用场合下对球形机器人高响应速度和精准控制的需求。

附图说明

图1为本发明具有双控制模式的质心径向可变三驱动球形机器人X框架结构示意图；

图2为本发明具有双控制模式的质心径向可变三驱动球形机器人Y框架结构示意图；

图3为本发明具有双控制模式的质心径向可变三驱动球形机器人Z框架结构示意图；

图4为本发明具有双控制模式的质心径向可变三驱动球形机器人X、Z框架连接结构示意图；

图5为本发明具有双控制模式的质心径向可变三驱动球形机器人重摆提升系统结构示意图；

图6为本发明具有双控制模式的质心径向可变三驱动球形机器人X、Y、Z框架连接示意图一；

图7为本发明具有双控制模式的质心径向可变三驱动球形机器人X、Y、Z框架连接示意图二；

图8为本发明具有双控制模式的质心径向可变三驱动球形机器人处于配重驱动控制模式下的结构示意图一(无球壳)；

图9为本发明具有双控制模式的质心径向可变三驱动球形机器人处于配重驱动控制模式下的结构示意图二(无球壳)；

图10为本发明具有双控制模式的质心径向可变三驱动球形机器人处于倒立摆驱动控制模式下的结构示意图一(无球壳)；

图11为本发明具有双控制模式的质心径向可变三驱动球形机器人处于倒立摆驱动控制模式下的结构示意图二(无球壳)；

图12为本发明具有双控制模式的质心径向可变三驱动球形机器人半球壳结构示意图；

图13为本发明具有双控制模式的质心径向可变三驱动球形机器人整体球壳结构示意图；

图14为本发明具有双控制模式的质心径向可变三驱动球形机器人整体示意图。

图中的附图标号为：1-X框架轴承座；2-X轴电池；3-X轴电池安装架；4-X框架；5-X轴电机定子；6-X轴电机转子；7-Y框架辅助框架；8-Y轴电机定子；9-Y轴电机转子；10-Y框架主框架；11-Y轴电池；12-Y轴电池安装架；13-Y框架轴承座；14-重摆提升系统电池；15-Z轴电机转子；16-Z轴电机定子；17-Z框架；18-Z轴电池安装架；19-Z框架轴承座；20-Z轴电池；21-直线模组下板；22-齿轮传动系统盖板；23-重摆提升系统框架；24-小齿轮；25-重摆提升电机；26-直线模组支架1；27-重摆1；28-重摆2；29-直线模组滑台；30-直线模组丝杠；31-直线模组支架2；32-直线模组上板；33-大齿轮；34-半球壳1；35-半球壳2；36-球壳连接块。

具体实施方式

一种具有双控制模式的质心径向可变三驱动球形机器人，包括球壳、三个方向的驱动电机以及与每个驱动电机匹配的电池系统、重摆和重摆提升系统。如图1所示，X轴电机与其电池系统的安装位置分别位于X框架外表面两侧，且X轴电机定子5与其电池安装架3均与X框架4的外表面连接，X轴电池安装架3外表面与X框架轴承座1连接；如图2所示，Y框架由Y框架主框架10与Y框架辅助框架7组成，Y轴电机与其电池系统的安装位置分别位于Y框架主框架10的外表面两侧，且Y轴电机定子8与其电池安装架12均与Y框架主框架10的外表面连接，Y轴电池安装架12外表面与Y框架轴承座13连接；如图3所示，Z轴电机与其电池系统的安装位置分别位于Z框架外表面两侧，且Z轴电机定子16与其电池安装架18均与Z框架17的外表面连接，Z轴电池安装架18外表面与Z框架轴承座19连接；如图4所示，所述Z轴电机转子15以及Z框架轴承座19与X框架4内表面连接，将Z框架17与X框架4进行组合；如图5所示，重摆提升系统由重摆、直线模组、齿轮传动系统、提升电机以及与电机匹配的电池系统组成，重摆27、28安装与直线模组滑台29两侧，由大齿轮33、小齿轮24、齿轮传动系统盖板22组成的齿轮传动系统通过大齿轮33与直线模组上板32进行连接，通过小齿轮24与重摆提升电机25进行连接；如图6、7所示，所述Y轴电机转子9以及Y框架轴承座13与Z框架17内表面连接，将Y框架主框架10与Z框架17进行组合；如图8、9、10、11所示，所述重摆提升系统通过重摆提升系统框架23、直线模组上板32、直线模组下板21与Y框架辅助框架7进行固定；如图8、9所示，所述重摆27、28通过重摆提升系统运动到球形机器人的球心以上，使球形机器人处于倒立摆驱动控制模式；如图10、11所示，所述重摆27、28通过重摆提升系统运动到球形机器人的球心以下，使球形机器人处于配重驱动控制模式；如图12所示，所述半球壳表面分布有散热孔和加强筋；如图13所示，所述球壳由两个半球壳34、35组成，通过球壳连接块36进行连接；如图14所示，所述球壳与X轴电机转子6连接。

上述X轴电机转动时，X轴电机转子6可驱动球壳绕X轴方向转动，由于反力矩作用，X轴电机定子5则带动X框架4及安装在X框架内表面的所有机构反方向转动；Y轴电机转动时，Y轴电机转子9能够驱动Z框架17及Z框架外表面安装的机构绕Y轴滚动，由于反力矩作用，Y轴电机定子8则带动Y框架及安装在Y框架内表面的所有机构反方向转动；Z轴驱动电机转动时，Z轴电机转子能够驱动X框4架及X框架外表面安装的机构绕Z轴滚动，由于反力矩作用，Z轴电机定子则带动Z框架17及安装在Z框架内表面的所有机构反方向转动。

通过重摆提升系统中的重摆提升电机25与齿轮传动系统的配合，能够实现重摆27和重摆28沿着直线模组上下移动的功能。当重摆质心位于重摆提升系统下半部分时，控制模式为配重驱动控制模式，三个轴的驱动电机共同作用可使球形机器人实现灵活全向滚动；当重摆质心位于重摆提升系统上半部分时，控制模式为倒立摆驱动控制模式，通过三个轴的驱动电机共同作用，可使球形机器人以高响应速度实现灵活全向滚动。在两种控制模式下，当X轴电机、Y轴电机、Z轴电机输出均为恒定扭矩时，通过重摆提升系统对重摆质心位置进行微调，可以实现球形机器人的运行速度和内部机构姿态微调整，能够保证球形机器人运动过程的稳定性与精准性。

Claims (8)

1.一种具有双控制模式的质心径向可变三驱动球形机器人，其包括球壳、三个方向的驱动电机以及与每个驱动电机匹配的电池系统、重摆和重摆提升系统。其特征在于，所述球壳与X轴方向驱动电机转子连接，X、Y、Z轴驱动电机分别与X、Y、Z框架连接；X、Y、Z轴电池安装架安装在X、Y、Z框架的外表面,所述的X、Y、Z轴电池安装架上分别安装有X、Y、Z轴电池；重摆提升系统过球心与Y框架的辅助框架连接。

2.如权利要求1所述的一种具有双控制模式的质心径向可变三驱动球形机器人，其特征在于，所述的球壳为碳纤维材质，球壳表面设有一定数量的散热孔，球壳内壁用加强筋进行加固，两个半球壳间用球壳连接块连接。

3.如权利要求1所述的一种具有双控制模式的质心径向可变三驱动球形机器人，其特征在于，所述的X框架为弧形，X轴电机位于X框架外表面，X轴电池固定于X轴电池安装架，与X轴电机对称安装。

4.如权利要求1所述的一种具有双控制模式的质心径向可变三驱动球形机器人，其特征在于，所述的Y框架为方形，Y轴电机位于Y框架外表面，Y轴电池固定于Y轴电池安装架，与Y轴电机对称安装。

5.如权利要求1所述的一种具有双控制模式的质心径向可变三驱动球形机器人，其特征在于，所述的Z框架为方形，Z轴电机位于Z框架外表面，Z轴电池固定于Z轴电池安装架，与Z轴电机对称安装。

6.如权利要求1所述的一种具有双控制模式的质心径向可变三驱动球形机器人，其特征在于，重摆提升系统由直线模组、齿轮传动系统、提升电机以及与电机匹配的电池系统组成，其中直线模组丝杠经过球心。

7.如权利要求1所述的一种具有双控制模式的质心径向可变三驱动球形机器人，其特征在于，重摆为铸铁材质，形状为扇形，通过连接架与重摆提升系统中的直线模组滑台连接。

8.如权利要求1所述的一种具有双控制模式的质心径向可变三驱动球形机器人，其特征在于，通过重摆在直线模组中的上下移动，能够实现球形机器人的质心径向改变，使球形机器人实现配重驱动控制模式和倒立摆控制模式两种模式之间的转换，同时实现球形机器人的运行速度和内部机构姿态微调整。